軟件定義衛星技術發展與展望

+ 趙軍鎖 吳鳳鴿 劉光明 （中國科學院軟件研究所天基綜合信息系統重點實驗室）

軟件定義衛星是以天基超算平臺和星載操作環境為基礎的新一代開放架構的衛星系統，支持有效載荷動態重組、應用軟件動態重配、衛星功能動態重構。文中從需求分析、國內外研究現狀、軟件定義衛星的概念內涵、體系架構和關鍵技術、發展設想等方面進行了分析和論述。通過軟件定義衛星技術的研究，有助于縮短衛星研制周期、降低衛星研發成本，為在軌維護與服務創造更好的條件；有助于加快衛星產品的升級換代，對新的重大航天任務需求進行更為快速的響應。

0 引言

隨著通信、網絡、計算機、軟件等技術的迅猛發展，軟件在各行各業發揮的作用越來越大，軟件定義正在成為一種新的必然發展趨勢。航天領域也不例外，發展軟件定義衛星技術，將逐步提高衛星產品的軟件密集度，不但可以逐步增強衛星功能、提升性能，而且可以極大地縮短研發周期、降低研發成本。

軟件定義衛星是一種以天基超算為基礎的開放架構的智能衛星系統，擁有豐富的星上應用軟件，能夠按需重構完成不同功能與任務，可以被眾多用戶共享使用，為眾多用戶提供服務，其重要性主要體現在以下三個方面：

1) 為發展智能衛星創造良好的條件。智能衛星具有環境自感知能力，能夠自主決策、自主運行，其數據處理流程更加靈活，信息處理算法更加強大，能夠完成更為復雜的空間任務。采用可軟件定義的開放系統架構，將極大地提高衛星系統對有效載荷的適配能力、對算法軟件的兼容能力，無論是硬件部件，還是軟件組件，都可以真正做到即插即用。軟件定義衛星可以有效支持各類數據/信息的高速交換、高效存儲、智能處理和靈活應用,可在此基礎上逐步提升衛星的智能化水平。

2) 實現衛星功能和性能的持續演進。在空間任務日益多變、空間環境日趨惡劣(空間碎片日益增多、電磁環境日益復雜等)的情況下，對發射入軌之后的衛星不斷進行升級和維護的需求也日漸迫切。軟件定義衛星采用開放式架構，可以通過在軌發布APP、動態加載各種軟件組件，把各種強大的新算法不斷地集成到衛星系統中，不但可以通過實時動態重構為衛星系統增加新的功能，還可以通過改進算法提升衛星的性能，或者對出現的故障進行修復。由此可見，軟件定義衛星是一種可在軌持續演進的衛星，除了能夠完成既定的任務，還可以通過上注軟件完成一些新出現的空間任務。

3) 可加快核高基成果在航天工程中的應用速度。軟件定義衛星解除了衛星系統軟硬件之間的緊耦合關系，使得符合標準的軟件組件和硬件部件可以互換，這為逐步提高整星產品的自主可控程度創造了更好的條件。例如，上層任務軟件不做變更即可遷移到國產化處理器和操作系統上，底層硬件部組件也可以逐步替換為完全自主可控的產品。

1 國內外研究現狀

國際方面，1999年由美國加州理工大學和斯坦福大學提出并制定了立方星（Cubesat）標準以來，國際上微納衛星技術迎來日新月異的發展勢頭。2003年第一顆立方星發射升空，短短十年，相關技術發展很快。據美國智庫SpaceWorks統計，2017-2023年，1-50kg衛星的發射需求達2400顆。微納衛星以體積小、功耗低、開發周期短、可編隊組網，以及用更低的成本完成很多復雜空間任務的優勢，已被廣泛試驗應用于對地觀測、通信、導航、空間科學探測、空間天氣、深空探測和新技術試驗等領域，成為空間系統的重要組成部分。然而大部分微納衛星制造商未擺脫傳統衛星的研制方式，僅通過簡化衛星功能、降低衛星質量等手段降低衛星成本，繼續進行著重復發明輪子注1的工作，重復開發微納衛星軟硬件，然而其靈活性、智能性、可復用性等方面卻仍然欠缺。

美國國防部早在20世紀90年代就提出了模塊化開放體系架構(MOSA)的概念。MOSA的核心思想是：首先通過軟硬件解耦將系統分解為一系列標準化的軟硬件模塊，然后再通過對這些軟硬件模塊進行不斷的升級和重組，逐步提升整個系統的效能。采用MOSA架構的設備，不但便于引入新技術、升級改造，而且由于可選擇的供應商多，也便于控制和降低成本。美軍基于MOSA和軟件定義的思想，對其電臺和雷達進行了升級和改造，都取得了良好的效果。軟件定義無線電技術、軟件定義雷達技術的成功，顯示了MOSA和軟件定義的巨大威力。

國外對軟件定義衛星技術的研究，還主要集中在如何把軟件定義無線電技術應用于通信衛星方面，例如歐洲“量子”衛星。國內也發展了類似的試驗衛星，例如清華大學和北京信威通信技術股份有限公司聯合研制的“靈巧通信衛星”。除此之外，中國電子科技集團的楊小牛院士也一直在推動基于軟件無線電技術的“軟件星”的研究工作，楊院士希望發展一種能夠將通信、偵查、干擾融為一體多功能衛星，現已取得了一定的技術進展。

從2014年開始，中科院軟件所牽頭組織上海微小衛星工程中心、中科院西光所、光電院、航天科技集團771所等單位開展了軟件定義衛星技術的研究工作，包括體系架構、試驗平臺、技術規范等，并取得了一定的成果。其中，中科院軟件所承擔并完成了衛星開放系統架構(SOSA-Satellite Open Systems Architecture)設計、“天智一號”試驗衛星總體方案論證等工作，并在天基超算平臺、星載操作環境(稱之為Sputnix)、軟件定義有效載荷、星載APP等方面均取得了一定的技術進展。

為了更好地發展軟件定義衛星技術，中科院軟件所等30余家單位于2017年9月發起并成立了軟件定義衛星技術聯盟。該聯盟目前發展迅速，會員單位已經發展到了60余家。

2 軟件定義衛星技術內涵

軟件定義衛星的核心是天基超算平臺和星載操作環境。天基超算平臺具有強大的計算能力和豐富的接口形式，可動態集成傳感器、執行器、通信器等各類有效載荷；星載操作環境具備強大的容錯能力，并對上屏蔽底層硬件細節，為應用程序提供一致的執行環境，支持各類軟件組件、硬件部件的即插即用和動態配置。

天基超算平臺和星載操作環境對外提供計算服務、存儲服務和信息交換服務，支持硬件載荷的動態重組、軟件應用的動態重配，從而可以通過靈活增加、減少、改變系統的軟硬件組成動態構建出能夠滿足各種任務需求的衛星系統，進而完成復雜多變的空間任務。

由于采用了開放系統架構，因此符合標準的軟件組件和硬件部件可以在不同衛星平臺之間平滑遷移、無縫接入和靈活重用，可以靈活方便地擴充整個衛星系統的能力，并最大程度地保證衛星內部和衛星之間的互操作性。就像個人電腦的通用性一樣，在保證經濟可承受性的前提下，通過充分利用現有外設，即可方便地擴充系統能力。為了完成不同的空間任務，往往需要對衛星系統的資源進行動態組織、調度和重構，并且需要進行大量的在軌智能信息處理和實時數據處理，因此，軟件定義衛星的軟件密集度也將與日俱增。

綜上所述，軟件定義衛星是以天基操作平臺和星載操作環境為核心的開放式系統，可配備多種有效載荷、可加載豐富的應用軟件，能夠實現動態功能重構，能夠完成不同的空間任務。其概念內涵如圖1 所示。

軟件定義衛星具有如下典型特征：

1) 需求可定義： 軟件定義衛星可根據需要重構整個系統，可靈活響應多種不同的空間任務需求，能夠滿足通信、導航、遙感、科學探測等多種應用場景，提供多種功能，完成多種任務。

2) 硬件可重組： 軟件定義衛星采用開放系統架構，具有豐富的接口形式，支持各類有效載荷的即插即用，可以根據任務需求進行有效載荷、計算資源、交換資源、存儲資源的重組。

3) 軟件可重配： 軟件定義衛星具有一致的程序執行環境，具有豐富的應用軟件，可以根據任務需求動態配置和執行不同的APP，完成不同的任務。

4) 功能可重構：通過接入不同的硬件部件、加載不同的軟件組件，即可快速重構出不同的功能。

3 軟件定義衛星的體系架構與關鍵技術

軟件定義衛星的體系架構包括四個組成部分：應用服務器(Application Server)、載荷服務器(Instruments Server)、數據交換引擎(Data Exchange Engine)和存儲服務器(Storage Server)。如圖2 所示。

圖1 軟件定義衛星的概念內涵

圖2 軟件定義衛星的體系架構

1) 應用服務器(Application Server)： 支持符合標準的軟件組件的即插即用和按需執行。

2) 載荷服務器(Instruments Server)：支持符合標準的硬件部件的熱插拔和按需配置。

3) 數據交換引擎(Data Exchange Engine)：可根據需要完成有效載荷、存儲設備、應用程序之間的高速信息交換與分發。

4) 存儲服務器(Storage Server)： 實現對衛星平臺數據、有效載荷數據的永久性可靠存儲和臨時性高速存儲。

從其體系架構和概念內涵可以看出，軟件定義衛星不但和地面主流計算環境保持了最大程度地兼容，而且內部模塊劃分科學合理、功能界面清晰，可以最大程度地保證標準部件的互換性。

軟件定義衛星的關鍵技術包括天基超算平臺、星載操作環境、軟件定義有效載荷、應用程序組件等。其中，星載操作環境是軟件定義衛星的核心。

星載操作環境包括“有效載荷接入和計算加速環境”、“基于軟件容錯技術的高性能分布式計算環境”、“與地面主流計算環境兼容的應用程序執行環境”。其中有效載荷接入和計算加速環境以FPGA為主，用于提供有效載荷接入所需要的各種接口，并承擔計算密集型載荷數據預處理算法的計算加速、實時性要求高的控制密集型算法的實時性保障，而IO密集型的數據交換任務主要由數據交換引擎承擔；與地面主流計算環境兼容的應用程序執行環境用于支撐星載APP的動態加載、執行和調度；基于軟件容錯技術的高性能分布式計算環境是整個星載操作環境的核心，其作用相當于操作系統，用于管理CPU計算陣列、Flash存儲陣列、FPGA計算和交換陣列、DSP計算陣列、GPU計算陣列等硬件資源池。除了資源調度之外，其主要功能是檢測硬件故障、隔離硬件故障、修復硬件故障，對上提供連續有效的可靠計算服務、存儲服務和交換服務。

天基超算平臺采用以太網標準的開放式互聯架構，可以集成各類異構計算節點和存儲節點；計算節點的拓撲結構靈活可變，可根據功能需求進行定義和重構，為應用程序組件的靈活部署提供良好的支持。

軟件定義有效載荷也是軟件定義衛星的關鍵技術之一，其指導思想是接口標準化、硬件最小化、軟件最大化，盡可能以軟件形式實現載荷的功能，并將這部分軟件從載荷內部遷移到天基超算平臺之上。通過提高相關算法的通用性、提高相關軟件(含可以配置到FPGA中的IP核資源)的復用度，可以不斷縮短有效載荷的研制周期、降低有效載荷的研制成本。通過公開底層硬件細節，鼓勵第三方參與有效載荷軟件的研發，將逐步推動有效載荷向開放式、模塊化、可重配、自適應的方向發展。

應用程序組件數量眾多、功能豐富，既可以實現計算資源、存儲資源、交換資源的調度與管理，也可以完成有效載荷接入和載荷數據的預處理、智能信息處理，還可以參與衛星狀態信息分析和有效載荷數據的綜合處理等。為了做到應用程序組件的即插即用，必須制定統一的規范，約束各種應用程序組件的設計、開發、測試、驗證、認證等工作，建立航天應用商店，對應用程序組件的入庫、變更、發布、使用進行規范化管理。

4 結束語

軟件定義衛星技術聯盟計劃在“十三五”期間初步建立起較為完善的軟件定義衛星標準體系，研制天基超算平臺和星載操作環境(Sputnix)，開展在軌演示驗證，并在商業航天領域進行推廣。

具體工作考慮如下：一是建立軟件定義衛星的標準規范體系，涵蓋天基超算平臺、星載操作環境、星載APP開發規范、有效載荷接入規范、有效載荷數據規范等多個方面；二是建立軟件定義衛星技術在軌試驗平臺，驗證軟件定義衛星關鍵技術，包括有效載荷動態重組、應用軟件動態重配、衛星功能按需重構等，全面評估軟件定義衛星對通信、導航、遙感、科學探測等空間任務的支持能力；三是持續研發和改進星載操作環境，徹底實現軟硬件解耦，真正做到硬件部件和軟件組件的即插即用；四是建立航天應用商店，通過舉辦航天應用創新設計大賽，鼓勵高校和科研院所的科研人員、研究生、大學生積極投入到航天軟件的開發中來，形成數量眾多、功能豐富的航天應用軟件庫，以支持實現靈活的空間應用。

軟件定義衛星包括天基超算平臺、星載操作環境、軟件化有效載荷、應用軟件等多個方面，涉及多個學科、多個專業。為了有效地推動軟件定義衛星技術發展，我們鄭重建議：成立總體技術組，由國家部委和軍方單位牽頭，以中國科學院、衛星總體單位、有效載荷承研單位、相關高校等為成員單位，開展軟件定義衛星的總體技術論證工作和相關標準規范的制定工作。發布專項課題，鼓勵和吸納相關行業領域的技術專家和商業航天公司投入到軟件定義衛星技術的研發中來，更好地推動該項技術的可持續發展。

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