美國哈里斯公司大力發展衛星軟體無線電產品

編譯：楊紅俊(中國電科10所）

可重編程軟體定義載荷的出現大大降低了研製空間無線電和遙感載荷的成本和複雜性。幾年來，哈里斯公司研發了可編程軟體無線電（SDR）AppSTAR產品線，包括作為NASA放在國際空間站上的SCaN試驗平台的一部分的CoNNeCT SDR。自2012年CoNNeCT試驗平台發射以後，哈里斯公司已交付100多個軟體定義載荷（SDP），包括為不同商業和政府應用研製的作為次級搭載載荷的產品。

展望未來，哈里斯公司投資進行了第二代AppSTAR的研究，對最新的商業處理器進行輻射測試，將它們與容輻射消減電路封裝在一起，研製出用於小衛星的「微型SDR」（μSDR）。μSDR封裝後體積更小，處理能力卻高得多，能實現超過1Gbps的高速通信能力，2017年中期首次搭載衛星發射。哈里斯公司的AppSTAR結構靈活，能快速研製出滿足通信和遙感任務需求的SDR。

一、前言

軟體定義無線電技術的應用已發展到許多領域，包括許多人認為不可或缺、隨身攜帶的智能手機形式的攜帶型設備。基於軟體定義的系統（如智能手機）廣泛應用於地面系統，過去幾十年在各種不同應用中證明了它們的價值。基於軟體結構的數字信號處理技術在通信衛星領域的應用發展相對緩慢，原因很多，包括空間環境中的生存能力、有限的功率、有限的處理能力、重置需求、管理軟體部署與配置複雜等。

可重配置軟體定義載荷（SDP）功能更強，比以前更抗輻射，因此在許多星上通信與遙感應用中得到實現。哈里斯公司從一開始就積極進行軟體定義載荷的研究，在過去20年內投資開展了數代技術的發展研究。

本文講述了哈里斯公司目前在硬體結構的基礎上開展支持全部或部分處理單元重配置的第二代AppSTAR空間質量多任務載荷系統的研製工作。這項工作背後的動機是生成一個小型但功能強大的星上處理引擎和高數據率數據機，支持「新航天」融入LEO和GEO小衛星。

這種方法利用無線電管理軟體、信號處理硬體、自適應系統方面的最新發展，不僅滿足無線電系統的需求，而且滿足其它需要星上處理任務的需求。這種星上處理可以是數據處理、數據縮減、圖像處理或其它需要的任何類型的實時和非實時處理。這種結構支持可伸縮的處理單元，支持各種處理功能，滿足各種通信、遙感和監視任務需求。

二、基於FPGA的軟體定義載荷

20多年前，哈里斯公司就開始通過使用「精簡指令集計算機」（RISC）處理器來製造和使用空間環境中的靈活處理單元。隨著高性能FPGA處理器的出現，技術上可以做到讓這些設備在空間輻射環境下工作，應對更加複雜的處理情況所必須的性能和可重配置性。

這種結構的關鍵是功能強大但高度靈活的信號處理分系統和通用的軟體基礎組件，它們通過一致可靠的介面提供重要的系統管理功能，配置、管理和控制系統的硬體資源。

哈里斯公司第一代AppSTAR 軟體定義載荷（SDP）的模塊化結構如圖1所示。圖中系統的基本組成包括通用處理（GPP）分系統、信號處理分系統、射頻前端電子分系統。

軟體定義載荷模塊化

哈里斯公司的基本原則是結合標準，在無線電結構中儘可能最大程度地使用商業貨架（COTS）產品。他們的SDP混合採用了COTS硬體和軟體，如圖2所示。軟體結構基於商業可用的實時操作系統（RTOS），提供硬體與運行環境之間的關鍵介面。運行環境以NASA「空間通信無線電系統」（STRS）基礎結構為基礎。系統底板採用整個行業通用的「小型外圍連接介面」（cPCI）標準。物理介面標準Spacewire採用遠程存儲器定址協議（RMAP），提供組件內和組件間通信。

在哈里斯以前的工作中發現，底層物理結構所需的知識對於波形移植和第三方研發FPGA是一個極大的阻礙。因此，一個關鍵設計目標是在實現第三方波形研發的同時確保應用程序不會傷害硬體或其它星上載荷。為了實現這兩個截然相反的限制條件，哈里斯設計和實現了一組「硬體描述語言」（HDL）模塊，提取硬體細節，為波形研發人員提供標準介面。

硬體提取是研發軟體無線電的一個關鍵，可以推進可擴展性和新的應用程序的發展。即使在以前設想NASA SCaN試驗平台的時候，使無線電可由第三方重編程也是很有價值的。這個價值的實現不僅是編寫在GPP上運行的應用程序，還包括為信號處理單元研發FPGA代碼。哈里斯公司為Xilinx設備建立了一個開發環境，任何應用程序研發人員都可使用這些設備開發FPGA應用程序。至今，包括大學和政府機構在內的多個第三方機構都在哈里斯的第一代AppSTAR SDP上編寫、測試、部署和使用了應用程序。

哈里斯公司使用上述載荷結構驗證了高性能波形和演算法，包括54Mbps的正交頻分復用（OFDM）波形、100Mbps的移相鍵控（PSK）波形、前向糾錯編碼、多普勒跟蹤濾波器和ADS-B跟蹤接收機。

哈里斯公司的AppSTAR SDP產品已提供給100多個在軌或等待發射的航天任務。成熟的第一代系列基於Xilinx Virtex4和Xilinx Virtex 5技術。哈里斯公司繼續在這項技術上投資，第2代AppSTAR SDP採用Xilinx 7系列結構，下一個技術節點提供的處理能力可能會是第一代產品的12倍。為了支持各種級別的衛星和任務處理需求（包括小衛星），哈里斯公司研究了與3U和6U SpaceVPX都兼容的設備外形。如前所述，哈里斯公司正在積極檢驗和準備3U模塊（名為μSDR），設備已於2017年搭載發射。

三、哈里斯的第一代AppSTAR SDP

為了支持NASA「通信、導航、組網可重構試驗平台」（CoNNeCT）計劃，哈里斯公司利用現有軟體定義載荷結構研發了高數據率Ka頻段SDR，至今在國際空間站上用這台技術成熟度為TRL-9的無線電至少驗證了3種不同波形。

第一代AppSTAR SDP發射後，其第一個應用是通過返向鏈路向NASA「跟蹤與數據中繼衛星系統」（TDRSS）發送100Mbps的用戶數據，採用1/2速率糾錯編碼，其與TDRSS的Ka頻段上行鏈路接收速率達25Mbps。

應用中，發射採用QPSK調製，接收採用BPSK調製，使用FPGA的數字能力通過數字處理器提供儘可能多的無線電功能。無線電採用數字化的中頻波形直接採樣、數字增益控制演算法、多普勒跟蹤濾波器、微調頻率調節以及糾錯編碼、隨機化和其它調製解調功能，還完成了載荷指揮控制功能，控制了RF開關和RF衰減器，監測了RF電路的遙測信號。

除國際空間站上的Ka頻段SDR以外，哈里斯公司的第一代AppSTAR結構還用於控制其它載荷，包括搭載在LEO星座上的載荷。哈里斯公司通過製造和測試大量SDR載荷擴大了經濟規模，在用固定價格研發和生產來驗證新航天經濟潛力中處於前沿。

而且，這種SDR結構是用戶友好和可便攜的，因此第三方應用程序研發人員編寫應用程序時無需哈里斯公司介入。至今有3名第三方應用程序研發人員在AppSTAR處理器上編寫和驗證了他們的應用程序，處理器包括8PSK波形以及其它高階調製方式。

哈里斯公司建造了一個搭載載荷工廠和測試產品線，為近幾年要交付的100多個搭載載荷提供支持，包括為了降低生產和測試過程中的成本而在自動組裝、自動檢查、自動測試設備和規程方面的投資。最終的結果是降低了續生成本和缺陷風險，縮短了生產時間。

四、哈里斯公司第二代AppSTAR的發展

雖然第一代AppSTAR SDP降低了成本和許多應用程序的風險，但是許多新的衛星平台（如搭載載荷和小衛星），要求設備的體積、重量和功率（SWaP）更低。過去幾年，FPGA和基於ARM的處理器在相同直流功耗下能力提高了很多。為了在空間環境中使用這些高性能處理器，哈里斯公司投資進行了先進可重構處理器的輻射測試，研究了容輻射技術。

這次新的技術投資和輻射試驗的結果最終得到了哈里斯的第二代μSDR，將圖1的所有功能縮小成封裝在一個小模塊中的3個連接緊密的電路卡。哈里斯將LEON通用處理器、Xilinx Kintex 7以及一台Zynq處理器一起裝入一個SWaP很小的模塊。夾層RF電路板增加了模數變換器（ADC）和數模變換器（DAC），與處理器組有高速連接。第二個電源夾層電路卡包含高效電源和調節器，驅動這些處理器和高速數據變換器。

哈里斯將這些電路卡一起封裝在一個小型3U包裝內，有效縮短了高速互聯的長度，減少了轉移到模塊外面的熱量。為了實現較高的數據傳輸速率和處理器能力並節省體積和空間，對3個電路卡的包裝和外形進行了優化。整個模塊適合50立方英寸的體積，根據波形和應用需要30～50W不等的DC功率。

圖2給出了沒有金屬外殼的μSDR樣機。它目前的技術成熟度為TRL-5，2017年中期首次搭載衛星發射。這個新一代SDP是一個可實現各種任務應用的理想載荷處理平台，同時可降低技術、成本和進度上的風險。

第二代AppSTAR μSDR

第二代AppSTAR μSDR相對於第一代和其它高技術成熟度的處理結構進行了基準測量。它的處理能力達到350 GFLOP，是第一代AppSTAR的3倍（如圖3所示）。它既提高了性能又減小了體積和重量，適用於大範圍的搭載載荷和小衛星。

哈里斯公司的AppSTAR處理基準

μSDR較高的處理能力以及先進的ADC和DAC使它的通信速率達到1Gbps以上。這種高性能調製與解調以及糾錯編碼和其它特性現在以較低的成本、較小的體積和DC功耗就能實現。而且這種載荷可以支持許多調製方式和信號處理演算法，如QPSK、8PSK、16-QAM、256-QAM以及其它高階調製技術，還可實現多種載波技術來提高無線電鏈路的效率。

為了完成載荷電子設備，哈里斯公司還提供了多種技術成熟度高的小型射頻變換器和可調諧LO模塊。μSDR可支持射頻載荷，也可支持用於空間的新型光學設備。μSDR可以在星上完成圖像處理和數據壓縮，降低對衛星數據鏈路的需求。這些因素使得AppSTAR載荷可提供多種任務能力。

五、可重構能力路線圖

哈里斯公司不斷在可重構軟體定義載荷上投資，部署了許多針對各種應用的系統，不僅限於AppSTAR可重構軟體定義載荷結構，而且多個μSDR可一起組網實現更強的處理能力。

十幾年研發軟體定義載荷和無線電的結果是，哈里斯構建了大量研發和測試設施，為未來的工作打下了基礎，其中包括許多軟體研發站，如前所述，這些站又包括信號處理分系統和通用處理分系統。通過網際網路可以遠程訪問這些站，提高了軟體和固件研發和調試的效率。這種可訪問的研發環境使得第三方研發人員很容易在實際的硬體上遠程測試和調試應用程序。

哈里斯公司的AppSTAR SDR技術路線圖

哈里斯 AppSTAR的發展歷史和路線圖，μSDR起著引領作用。AppSTAR最初作為國際空間站上的搭載載荷進行了軟體定義無線電試驗，後來許多不同平台的不同應用都使用了它健壯而強大的結構。事實反覆證明，哈里斯的AppSTAR SDP結構對於許多應用來說都是經濟有效和風險最低的解決方案。

如圖4所示，這種結構的尺寸可大可小，以優化星上處理性能或優化星上處理設備的體積、重量、功率和成本（SWaP-C）。最新一代AppSTAR是體積更小而性能更高的μSDR，因其可用功率更高，適用於更小的衛星和搭載載荷，進一步擴大了應用潛力。

哈里斯公司目前承擔著多項NASA、其它政府機構和商業SDR應用。哈里斯的目標是批量生產μSDR，實事證明這可以降低組裝和測試成本。類似μSDR的技術發展以及量產加速了「新航天」降低進入空間成本和航天硬體成本的革命。

六、結束語

這種空間質量SDP的自適應性和可配置性可加速實現通信與遙感任務載荷的發展。這種載荷平台的軟體定義能力支持新的不斷變化的任務目標和其它波形、數據協議和信號處理演算法，因此延長了任務壽命，通過降低整個壽命周期成本實現了增值。

哈里斯公司的AppSTAR第一代軟體定義載荷結構用於快速經濟地研發通信與遙感載荷系統，近幾年已用於100多個星上搭載載荷。它的可重構性、可伸縮性和易於編程的能力降低了研發成本和風險。此外，這種SDR結構的創建使得第三方應用程序研發人員可以無需哈里斯公司介入就能編寫應用程序。至今，有3個第三方應用程序研發人員在哈里斯的AppSTAR處理器上編寫和驗證了他們的應用程序。

哈里斯的第二代μSDR以更低的功率和成本提供比第一代強3倍的功能，支持新的小衛星應用。這種最新一代的SDP對於搭載載荷和重量和體積都受限的小衛星是非常理想的。它增加了減輕輻射影響的電路，技術成熟度高。

軟體定義載荷/無線電技術改變了研發衛星有效載荷系統的方式和成本。哈里斯公司高成熟度的軟體定義載荷（SDP）結構可以降低成本和風險，縮短實現新載荷任務的時間。

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