+ 軟件定義衛(wèi)星項目組

軟件定義衛(wèi)星
——商業(yè)航天發(fā)展的助推器

+ 軟件定義衛(wèi)星項目組

在發(fā)展商業(yè)航天的大環(huán)境具備之后，成本過高自然就成了制約商業(yè)航天發(fā)展的突出問題。按照傳統方式設計和制造一顆衛(wèi)星，動輒需要建立一支成百上千人的隊伍，花費三到五年時間、投入幾千萬到幾億甚至幾十億元的經費。投資大、風險高、周期長，一般企業(yè)或投資者根本無法承受。降低衛(wèi)星的研發(fā)成本和縮短衛(wèi)星的研制周期，已經迫在眉睫。

衛(wèi)星研制成本高、周期長，除了航天產品固有的復雜性高、質量/可靠性要求高等因素之外，另一個重要的原因是當前衛(wèi)星的設計和生產大多是面向特定任務的。

不同的衛(wèi)星之間很難做到完全兼容。即便是同一顆衛(wèi)星，它所包含的遙測遙控分系統、星務分系統、載荷分系統、數傳分系統等等多個部組件都具備單獨計算單元，這些計算單元由不同單位或者部門開發(fā)，僅服務于本分系統，無法實現計算資源共享或者功能替代。

航天工程中可直接繼承和復用的產品很少，一般都需要做一些定制化工作，然后再進行大量的調試、測試、聯試。此外，目前的衛(wèi)星研制大都以硬件為主，經費也大量向硬件傾斜。造成這一個現象的歷史原因是星上計算能力太差（以CPU為例，宇航級主流處理器的處理能力為幾百MIPS，性能不到商用處理器的百分之一）。因此大部分功能必須借助定制化的硬件來完成。

為了有效降低衛(wèi)星的研制成本，縮短其研制周期，靠劃延長線方式的技術進步是解決不了問題的，至少在短期內無法有效解決問題。必須另辟蹊徑——大力發(fā)展軟件定義衛(wèi)星就是突破口之一。發(fā)展軟件定義衛(wèi)星，不但要充分借鑒計算機、互聯網、智能手機等產業(yè)的發(fā)展模式和經驗，而且要充分利用好這些產業(yè)多年來所累積的超強設計能力、制造能力。發(fā)展軟件定義衛(wèi)星的思路如下：

首先，以軟件為主進行衛(wèi)星的設計和研發(fā)。

軟件定義(Software Defined)是近年來的熱議話題之一，那么軟件究竟能定義些什么呢？從軟件定義無線電，到軟件定義網絡，目前已經發(fā)展到軟件定義數據中心、軟件定義信息系統，甚至有人發(fā)出了“軟件定義一切”的感慨。 軟件定義的好處是顯而易見的。首先，軟件易于復用且不增加生產成本；其次，軟件比硬件靈活，通過升級就可以更好地滿足新的應用場景和需求。

那么，軟件定義衛(wèi)星行不行得通？能不能像智能手機產業(yè)那樣，研發(fā)出類似android系統的開源的軟件解決方案，并開設一個航天應用商店？衛(wèi)星制造商能不能像智能手機廠商設計生產android手機一樣來生產和制造衛(wèi)星？衛(wèi)星用戶能不能像手機用戶那樣從航天應用商店選擇和上注新的APP，進而讓在軌運行的衛(wèi)星去承擔新的任務？傳統衛(wèi)星會不會逐步演變?yōu)橹悄苄l(wèi)星？

中國科學院軟件研究所發(fā)起的“軟件定義衛(wèi)星技術聯盟”在這一方面進行了有益的嘗試，并計劃于2018年6月發(fā)射其第一顆在軌試驗衛(wèi)星“天智一號”。

“天智一號”衛(wèi)星效果圖

這是一顆以軟件為主的衛(wèi)星，與其他衛(wèi)星不同的是，這顆衛(wèi)星真的設有“航天應用商店”，人們還可以通過手機訪問這顆衛(wèi)星：給它下任務，并在手機上查看執(zhí)行結果。同時，這也是一顆智能衛(wèi)星，可以通過上注應用軟件或是在地面訓練好的神經網絡模型，在軌實時執(zhí)行一些智能任務，例如智能目標檢測識別、智能云判讀、基于強化學習的智能姿態(tài)控制等等。

“天智一號”參照的體系架構如下：

如圖所示，借助基于軟件容錯技術的分布式并行計算環(huán)境，實現了軟件和硬件的解耦，為航天應用軟件創(chuàng)造了一個與衛(wèi)星平臺無關的執(zhí)行環(huán)境，同時兼容Linux和Android系統，做到了與地面主流編程環(huán)境最大程度的兼容。也就是說，只要能為Linux或Android開發(fā)軟件的程序員，都可以從容地開始自己的航天軟件生涯。

“Anyone can fl y their app in the space”也是軟件定義衛(wèi)星的主要目標之一；借助商用器件陣列技術，大幅提高了星上計算性能，同時也保證了航天工程所要求的可靠性；借助基于FPGA陣列的可重構接入環(huán)境，不但可以最大程度地兼容傳統的衛(wèi)星載荷，同時也為發(fā)展軟件定義相機、軟件定義雷達、軟件定義通信等新型載荷創(chuàng)造了條件，為發(fā)展軟件定義衛(wèi)星網絡鋪平了道路。

為了將這顆衛(wèi)星的能力發(fā)揮到極致，中國科學院軟件研究所發(fā)起舉辦了“軟件定義衛(wèi)星應用軟件創(chuàng)新設計大賽”，面對科研院所、高校、公眾開展參賽設計征集，目前大賽已完成創(chuàng)意階段評選，來自多家高校及科研單位的十余組參賽團隊榮獲優(yōu)勝獎。下一步大賽將進入決賽階段，大賽組委會將組織入圍作品進行軟件開發(fā)。

其次，建立起必要的標準和規(guī)范。

沒有規(guī)矩，不成方圓。任何一個行業(yè)，只有建立了必要的標準和規(guī)范，才能形成產業(yè)合力和有效競爭。

軟件定義衛(wèi)星也不例外。有必要建立三個方面的標準和規(guī)范，即軟件層面、互聯層面和系統層面。

在軟件層面，編程環(huán)境、執(zhí)行環(huán)境、數據格式等標準和規(guī)范要最大程度與計算機、互聯網、智能手機產業(yè)兼容，這樣才能夠有效利用起這三大產業(yè)中數以千萬計的人力資源和數以百億行計的代碼資源，而不至于什么都要從頭做起。

在互聯層面，應該向互聯網、移動通信靠攏。星內互聯應最大程度地借助以太網、TCP/IP協議，把衛(wèi)星打造成一個在盒子中的微型互聯網，即“Internet in Box”；星間局域互聯可借助移動通信技術，將基站搬上天，并以此為基礎建立衛(wèi)星星群；星間廣域互聯可以借助現有的星間通信技術?；ヂ搶用娴暮诵膮f議要與互聯網兼容，這樣才便于將衛(wèi)星接入互聯網，或者將互聯網向太空自然延伸。當然，在互聯層面，還要充分考慮航天的特點，以便最大程度地兼容相對成熟的現有航天產品或部組件。

最后，在系統層面，要充分繼承航天工程領域已經形成的標準和規(guī)范，以最大程度地保證航天工程所要求的質量和可靠性。

建立標準和規(guī)范不是哪一家單位自己的事情，需要廣大航天企事業(yè)單位的充分參與，而軟件定義衛(wèi)星開放創(chuàng)新技術聯盟作為一個開放性合作平臺，將致力于推動“軟件定義衛(wèi)星”的進程。

第三，建立開放、開源的軟件定義衛(wèi)星生態(tài)環(huán)境。

在互聯網+時代，“平臺+個人”將成為一種重要的產業(yè)生態(tài)模式。而開放、開源和活躍的生態(tài)環(huán)境正是軟件定義衛(wèi)星這一構想取得成功的重要條件。為推動相關生態(tài)體系的建構，軟件定義衛(wèi)星技術聯盟制定了相應的規(guī)劃步驟：

1、計劃定期舉辦軟件定義衛(wèi)星高峰技術論壇，持續(xù)推動該項技術的發(fā)展。

2、將建立軟件定義衛(wèi)星開放創(chuàng)新平臺，擇機開放全部源碼，并基于互聯網構建一個支持大規(guī)模異地協同開發(fā)的云環(huán)境。開發(fā)軟件定義衛(wèi)星模擬器，搭建并維護“航天應用商店”，為廣大開發(fā)者提供有效的支撐（如下圖所示）。

3、將搭建一個軟件定義衛(wèi)星測控運維試驗平臺，為商業(yè)衛(wèi)星接入互聯網，為通過PC、平板和智能手機靈活訪問在軌運行的衛(wèi)星資源奠定技術基礎。

軟件定義衛(wèi)星技術聯盟是非盈利性組織，其宗旨是推動相關技術的發(fā)展，在衛(wèi)星制造商、衛(wèi)星用戶和廣大開發(fā)者之間搭建起一座橋梁，為商業(yè)航天的發(fā)展提供助力?？梢灶A見在不遠的將來，軟件定義衛(wèi)星將改變傳統衛(wèi)星的研發(fā)模式和產業(yè)格局，傳統衛(wèi)星也將逐漸演變?yōu)橹悄苄l(wèi)星。在智能衛(wèi)星時代，商業(yè)航天必將迎來更大的市場機遇和更廣闊的應用前景，而更多的機構甚至普通民眾，都將有機會參與其中，分享太空經濟成果、體驗商業(yè)航天帶來的生活方式的改變。

軟件定義衛(wèi)星技術聯盟秉持開放的態(tài)度，歡迎任何單位和個人積極加入。共同攜手，以開放、創(chuàng)新、合作、共贏為理念，快速推進軟件定義衛(wèi)星乃至智能衛(wèi)星時代的到來。