李少偉， 趙 良， 秦永強， 蘇漢生

(空間物理重點實驗室 北京 100076)

自主軟載荷及其在空間綜合信息系統(tǒng)的應用設想

李少偉， 趙 良， 秦永強， 蘇漢生

(空間物理重點實驗室 北京 100076)

在分析現(xiàn)有空間信息系統(tǒng)存在的弊端和未來遠程作戰(zhàn)需要的支援的基礎上，介紹“軟件星”和“軟件星”有效載荷的基本概念和組成原理，并將其擴展，提出自主軟載荷的概念。文中還闡述了具備多功能、自主任務載荷的空間信息系統(tǒng)對遠程作戰(zhàn)的重要性，并提出基于自主軟載荷構建面向遠程作戰(zhàn)的空間綜合信息系統(tǒng)的初步設想。

軟件無線電； 軟件星； 自主軟載荷； 空間綜合信息系統(tǒng)

引 言

隨著空間信息技術的發(fā)展，戰(zhàn)場逐漸呈現(xiàn)透明化的特征，因此未來的戰(zhàn)爭將是以信息優(yōu)勢為基礎，以遠距離、快速精確打擊為主要作戰(zhàn)模式的高科技戰(zhàn)爭。這種模式下，武器系統(tǒng)和信息系統(tǒng)比以往任何時候都結合得更加緊密。美國近年的軍事行動無不表明，空間信息系統(tǒng)在戰(zhàn)爭中發(fā)揮著越來越重要的作用，也彰顯了未來戰(zhàn)爭的作戰(zhàn)形態(tài)將越來越依賴于空間信息系統(tǒng)的趨勢。

空間信息系統(tǒng)主要包括情報偵察(傳感器)系統(tǒng)、信息傳輸(通信)系統(tǒng)和信息對抗系統(tǒng)。當前國內(nèi)外在役的空間信息系統(tǒng)大多以功能劃分，如通信衛(wèi)星、遙感遙測衛(wèi)星、導航衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星、情報偵察衛(wèi)星、導彈預警衛(wèi)星等等[1]。雖然這種以功能劃分的體制相對于當時的管理和技術水平有其先進性，但是隨著電子元器件水平和數(shù)字處理能力的大幅提高，以功能劃分的理念之弊端也逐漸顯現(xiàn)，主要表現(xiàn)在以下兩個方面：

①功能單一，一旦發(fā)射，難以適應用戶需求的發(fā)展和變化，為了實現(xiàn)綜合的信息系統(tǒng)功能，就必須大量發(fā)射各類不同功能的衛(wèi)星，效費比大大降低；

②有效載荷的設計以硬件為核心，體制相對固定，可重構能力差，難以適應空間日益復雜的電磁環(huán)境，導致對突發(fā)事件的應對和重新部署能力較差。

針對當前空間信息系統(tǒng)的不足，以軟件無線電設計理念為指導，文獻[1，2]提出了“軟件星SDS (Software-Defined Satellite)”的概念，并以此為基礎，進一步提出了基于“軟件星”的綜合一體化空間信息系統(tǒng)的設想。這種理念已經(jīng)逐漸被認可，并在越來越多的通信衛(wèi)星和偵察衛(wèi)星中得到應用。

但是深入分析后會發(fā)現(xiàn)，“軟件星”主要還是強調(diào)衛(wèi)星功能的多樣性，以及構成信息系統(tǒng)的靈活性，其抗干擾能力及對導彈等武器系統(tǒng)的支持和支援并不夠。在反導系統(tǒng)日趨成熟、電磁環(huán)境日益復雜的情況下，要實施超遠程的軍事任務變得越來越困難。結合我國國情，研究支持超遠程打擊的空間信息系統(tǒng)就變得非常迫切。

本文首先介紹“軟件星”有效載荷技術，并在此基礎上進行擴展，提出“自主軟載荷”的概念，然后提出構建基于自主軟載荷的面向超遠程打擊的空間信息系統(tǒng)的設想。

1 “軟件星”有效載荷[3]

“軟件星”是指衛(wèi)星的有效載荷以軟件無線電為通用硬件平臺，通過軟件來定義其功能的衛(wèi)星系統(tǒng)。因此，“軟件星”具有以軟件無線電為通用硬件、通過軟件定義其功能的有效載荷。它可以利用無線遙控信道上載、更新、升級相應的功能軟件，從而以較低成本豐富和提升衛(wèi)星有效載荷的性能，讓衛(wèi)星具備一星多能、一星多用的能力，使其可以完成通信功能、導航功能，或者實現(xiàn)對雷達/通信信號的技術偵察，亦可進行有源探測或電子對抗等。

“軟件星”有效載荷的基本構成主要包括寬帶天線陣列、天線開關矩陣、軟件無線電通用平臺、有效載荷控制與數(shù)據(jù)處理計算機等，如圖1所示。其中，全頻段大帶寬天線是主要的技術瓶頸，從現(xiàn)有的水平看還需分頻段實現(xiàn)，每一頻段可以是單副天線，也可以是若干副天線組成的天線子陣；天線開關矩陣用來分配不同頻段的射頻信號；軟件無線電通用平臺作為核心設備，可以通過執(zhí)行加載的軟件完成相應的功能(如通信、偵察或干擾等)，如圖2所示，其組成可分為寬帶通用射頻前端(實現(xiàn)對信號的放大、頻率變換、濾波)和高速信號處理單元(實現(xiàn)對寬帶中頻和基帶信號的數(shù)字化處理)；有效載荷控制與處理計算機主要完成對有效載荷可用資源的控制和管理。

“軟件星”有效載荷作為通用化的載荷平臺，其軟件可以在統(tǒng)一的體系架構下實現(xiàn)多種功能；同時，其硬件具有很強的通用性，可以實現(xiàn)標準化、模塊化、規(guī)?；a(chǎn)，不僅可以降低成本，縮短研制周期，還可實現(xiàn)即插即用。

圖1 “軟件星”有效載荷組成

2 自主軟載荷

“軟件星”有效載荷技術雖然功能強大，但是其抗干擾能力較差，而且當它與地面指揮站失去聯(lián)系時，狀態(tài)將變得不可控。另外，基于“軟件星”有效載荷的空間信息系統(tǒng)與武器系統(tǒng)的結合也不緊密。

自主軟載荷在繼承“軟件星”有效載荷優(yōu)點的基礎上，根據(jù)戰(zhàn)時環(huán)境和協(xié)同作戰(zhàn)的需求，在以下兩個方面做出了增強：

①增強其智能程度。應用人工智能和現(xiàn)代信號處理等技術，無需人工介入，對未知的無線電環(huán)境具有自適應能力，并通過強大的計算能力識別和處理未知無線電信號，一方面提高系統(tǒng)性能和效率，另一方面根據(jù)分析得到的參數(shù)，自動生成所需的波形，進行通信、探測和對抗等。也就是說，在軟件無線電的基礎上增加了認知無線電(Cognitive Radio)和認知雷達(Cognitive Radar)的能力。根據(jù)CR(Cognitive Radio＆Cognitive Radar)的基礎核心思想，它具備感知能力、學習和推理能力、重構能力三個主要特征。

②增強頂層管理能力。如要進行與有效載荷相關的管理以及與飛行相關的管理，就需要增加一個獨立的管理系統(tǒng)[4]。這種管理功能既能在平臺進行功能轉換和屬性轉變時起到規(guī)劃和決策的作用，同時也是空間平臺與地面指揮站之間通信被切斷后發(fā)揮權力受限的自主能力的關鍵。航天器或飛行器的自主飛行功能主要也在這個管理系統(tǒng)中通過軟件實現(xiàn)。

圖2 軟件無線電通用處理平臺

綜合以上兩點，自主軟載荷的硬件架構除增加一個穩(wěn)定的高性能處理模塊外，基本可以延續(xù)“軟件星”有效載荷的硬件架構，但需要增強其處理能力。從某種角度上說，智能程度可等效為計算能力。其他方面能力的提升主要依靠軟件架構的變化和升級。其框架如圖3所示。

圖3 自主軟載荷示意圖

融合了“軟件星”有效載荷優(yōu)點的自主軟載荷具有以下特點：

①統(tǒng)一的硬件體系結構

自主軟載荷基于軟件無線電技術，采用模塊化設計，由統(tǒng)一的硬件平臺組成。不同的平臺和承載能力，只影響載荷系統(tǒng)的規(guī)模，不改變其硬件體系結構。統(tǒng)一通用化的硬件體系結構為軟件和功能的靈活性構建奠定了基礎。

②開放的功能體系結構

自主軟載荷特別強調(diào)功能的開放性，其頂層的管理軟件具有高度的統(tǒng)一性，而底層的功能軟件又具有豐富的多樣性，必要時只需通過軟件的加載即可完成功能的轉變。當其受干擾時，既可以使用其認知能力主動與地面指揮站建立聯(lián)系，又可以根據(jù)當時的情況發(fā)揮其自主能力進行一定功能或?qū)傩缘霓D換。

③協(xié)同的網(wǎng)絡體系結構

自主軟載荷有很強的網(wǎng)絡能力，多個平臺的自主軟載荷，可以根據(jù)需求，或獨立、或分組，自主形成所需的功能簇進行協(xié)同工作。

3 構建面向超遠程作戰(zhàn)的空間綜合信息系統(tǒng)的設想

這里所指的空間是廣義的空間，不僅包括卡門線之外的外層空間，還包括臨近空間，平臺也不僅指衛(wèi)星，還包括其他各種航天器，以及亞軌道和臨近空間飛行器。

空間系統(tǒng)有全天候、不受國界影響等優(yōu)勢，各國都極力開發(fā)自己的空間信息系統(tǒng)，因此空間資源的非獨占性也日趨增強。真到需要進行超遠程作戰(zhàn)的時候，各國均會動用舉國資源，這樣會使得空間資源更加緊張，環(huán)境更加復雜，尤其是空間的頻譜資源和電磁環(huán)境。

空間綜合信息系統(tǒng)不僅要為武器系統(tǒng)提供足夠的情報支援、電子支援，在一定的時間、空域及頻段內(nèi)，對敵方目標實施干擾、阻塞、欺騙、摧毀等信息攻擊，降低甚至阻止其信息系統(tǒng)實施信息獲取、傳輸和接收的能力，削弱敵方應用信息的能力；必要時其本身也可變身為戰(zhàn)術武器，利用高度、位置優(yōu)勢，快、準、狠地攻擊空間和地面目標，配合戰(zhàn)略武器完成超遠程打擊，形成協(xié)同作戰(zhàn)的能力，構成一個完整的信息作戰(zhàn)體系。

自主軟載荷對構建面向超遠程作戰(zhàn)的空間綜合信息系統(tǒng)具有較好的適應性。

首先，自主軟載荷具有統(tǒng)一的、標準化的硬件架構，且硬件具有較強的可重構能力；同時它具有開放的軟件體系架構，可以通過加載相應軟件實現(xiàn)各種無線電功能，包括綜合電子偵察功能、通信廣播功能、數(shù)據(jù)中繼功能、電子對抗功能、有源探測功能以及多平臺組網(wǎng)實現(xiàn)導航功能等，這種多功能特性為作戰(zhàn)提供了快速反應能力。

其次，基于自主軟載荷的空間綜合信息系統(tǒng)采用自適應頻譜管理和分配、動態(tài)干擾檢測、根據(jù)需求自動波形變化等技術，這種智能性可以有效對抗敵方干擾和對敵方實施欺騙等反干擾，在很大程度上提高了作戰(zhàn)體系的安全性和可靠性。

最后，基于自主軟載荷的空間綜合信息系統(tǒng)可以根據(jù)需要，支持通過軟件來改變平臺和有效載荷的屬性，如將自身變?yōu)閯幽芪淦?，此時探測功能也變成了制導功能。這種屬性可變的靈活性極大地提高了作戰(zhàn)體系的效能。

4 結束語

本文分析了當前空間信息系統(tǒng)的不足以及遠程打擊所需的支持，在“軟件星”有效載荷的基礎上進行擴展，提出了自主軟載荷的概念，并提出基于自主軟載荷構建未來面向超遠程打擊的空間綜合信息系統(tǒng)的初步設想。希望能對我國空間信息系統(tǒng)的建設提供有益的參考。

[1] 楊小牛.基于“軟件星”的綜合一體化空間信息系統(tǒng)[J].電子科學技術評論，2004，(4)：15～22.

[2] 楊小牛，樓才義，徐建良.“軟件星”概念研究[J].電子對抗，2002，(1)：1～5.

[3] 楊小牛，樓才義，徐建良.軟件無線電技術與應用[M].北京：北京理工大學出版社，2010.

[4] 陳宗基，魏金鐘，王英勛，等.無人機自主控制等級及其系統(tǒng)結構研究[J].航空學報，2011，32(6)：1075～1083.

李少偉 1981年生，高級工程師，從事測控與通信系統(tǒng)方面的工作。

趙 良 1975年生，高級工程師，從事測控與通信系統(tǒng)方面的工作。

秦永強 1971年生，高級工程師，從事測控與通信系統(tǒng)方面的工作。

蘇漢生 1983年生，工程師，從事測控與通信系統(tǒng)方面的工作。

Autonomous Software-defined Payload and Its Application in Space Integrated Information System

Li Shaowei， Zhao Liang， Qin Yongqiang， Su Hansheng

Based on the analysis of drawbacks of current space information systems and requirements of future long-range battle，the concept and principle of software-defined satellite and its payload are introduced in this paper.Furthermore the autonomous software-defined payload is presented.Beyond the discussion of the significance of space information system with multifunction and autonomous task payload to the long-range battle，an outlook of constructing a long-range battle oriented space integrated information system with autonomous software-defined payload is proposed in this paper.

Software-defined radio； Software-defined satellite； Autonomous software-defined payload； Space integrated information system

V44

A

CN11-1780(2014)01-0041-04

2013-05-06