+ 趙軍鎖 吳鳳鴿 劉光明 （中國(guó)科學(xué)院軟件研究所天基綜合信息系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

軟件定義衛(wèi)星是以天基超算平臺(tái)和星載操作環(huán)境為基礎(chǔ)的新一代開(kāi)放架構(gòu)的衛(wèi)星系統(tǒng)，支持有效載荷動(dòng)態(tài)重組、應(yīng)用軟件動(dòng)態(tài)重配、衛(wèi)星功能動(dòng)態(tài)重構(gòu)。文中從需求分析、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀、軟件定義衛(wèi)星的概念內(nèi)涵、體系架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)、發(fā)展設(shè)想等方面進(jìn)行了分析和論述。通過(guò)軟件定義衛(wèi)星技術(shù)的研究，有助于縮短衛(wèi)星研制周期、降低衛(wèi)星研發(fā)成本，為在軌維護(hù)與服務(wù)創(chuàng)造更好的條件；有助于加快衛(wèi)星產(chǎn)品的升級(jí)換代，對(duì)新的重大航天任務(wù)需求進(jìn)行更為快速的響應(yīng)。

0 引言

隨著通信、網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)、軟件等技術(shù)的迅猛發(fā)展，軟件在各行各業(yè)發(fā)揮的作用越來(lái)越大，軟件定義正在成為一種新的必然發(fā)展趨勢(shì)。航天領(lǐng)域也不例外，發(fā)展軟件定義衛(wèi)星技術(shù)，將逐步提高衛(wèi)星產(chǎn)品的軟件密集度，不但可以逐步增強(qiáng)衛(wèi)星功能、提升性能，而且可以極大地縮短研發(fā)周期、降低研發(fā)成本。

軟件定義衛(wèi)星是一種以天基超算為基礎(chǔ)的開(kāi)放架構(gòu)的智能衛(wèi)星系統(tǒng)，擁有豐富的星上應(yīng)用軟件，能夠按需重構(gòu)完成不同功能與任務(wù)，可以被眾多用戶共享使用，為眾多用戶提供服務(wù)，其重要性主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

1) 為發(fā)展智能衛(wèi)星創(chuàng)造良好的條件。智能衛(wèi)星具有環(huán)境自感知能力，能夠自主決策、自主運(yùn)行，其數(shù)據(jù)處理流程更加靈活，信息處理算法更加強(qiáng)大，能夠完成更為復(fù)雜的空間任務(wù)。采用可軟件定義的開(kāi)放系統(tǒng)架構(gòu)，將極大地提高衛(wèi)星系統(tǒng)對(duì)有效載荷的適配能力、對(duì)算法軟件的兼容能力，無(wú)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(wèi)星可以有效支持各類數(shù)據(jù)/信息的高速交換、高效存儲(chǔ)、智能處理和靈活應(yīng)用,可在此基礎(chǔ)上逐步提升衛(wèi)星的智能化水平。

2) 實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星功能和性能的持續(xù)演進(jìn)。在空間任務(wù)日益多變、空間環(huán)境日趨惡劣(空間碎片日益增多、電磁環(huán)境日益復(fù)雜等)的情況下，對(duì)發(fā)射入軌之后的衛(wèi)星不斷進(jìn)行升級(jí)和維護(hù)的需求也日漸迫切。軟件定義衛(wèi)星采用開(kāi)放式架構(gòu)，可以通過(guò)在軌發(fā)布APP、動(dòng)態(tài)加載各種軟件組件，把各種強(qiáng)大的新算法不斷地集成到衛(wèi)星系統(tǒng)中，不但可以通過(guò)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)重構(gòu)為衛(wèi)星系統(tǒng)增加新的功能，還可以通過(guò)改進(jìn)算法提升衛(wèi)星的性能，或者對(duì)出現(xiàn)的故障進(jìn)行修復(fù)。由此可見(jiàn)，軟件定義衛(wèi)星是一種可在軌持續(xù)演進(jìn)的衛(wèi)星，除了能夠完成既定的任務(wù)，還可以通過(guò)上注軟件完成一些新出現(xiàn)的空間任務(wù)。

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

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國(guó)際方面，1999年由美國(guó)加州理工大學(xué)和斯坦福大學(xué)提出并制定了立方星（Cubesat）標(biāo)準(zhǔn)以來(lái)，國(guó)際上微納衛(wèi)星技術(shù)迎來(lái)日新月異的發(fā)展勢(shì)頭。2003年第一顆立方星發(fā)射升空，短短十年，相關(guān)技術(shù)發(fā)展很快。據(jù)美國(guó)智庫(kù)SpaceWorks統(tǒng)計(jì)，2017-2023年，1-50kg衛(wèi)星的發(fā)射需求達(dá)2400顆。微納衛(wèi)星以體積小、功耗低、開(kāi)發(fā)周期短、可編隊(duì)組網(wǎng)，以及用更低的成本完成很多復(fù)雜空間任務(wù)的優(yōu)勢(shì)，已被廣泛試驗(yàn)應(yīng)用于對(duì)地觀測(cè)、通信、導(dǎo)航、空間科學(xué)探測(cè)、空間天氣、深空探測(cè)和新技術(shù)試驗(yàn)等領(lǐng)域，成為空間系統(tǒng)的重要組成部分。然而大部分微納衛(wèi)星制造商未擺脫傳統(tǒng)衛(wèi)星的研制方式，僅通過(guò)簡(jiǎn)化衛(wèi)星功能、降低衛(wèi)星質(zhì)量等手段降低衛(wèi)星成本，繼續(xù)進(jìn)行著重復(fù)發(fā)明輪子注1的工作，重復(fù)開(kāi)發(fā)微納衛(wèi)星軟硬件，然而其靈活性、智能性、可復(fù)用性等方面卻仍然欠缺。

美國(guó)國(guó)防部早在20世紀(jì)90年代就提出了模塊化開(kāi)放體系架構(gòu)(MOSA)的概念。MOSA的核心思想是：首先通過(guò)軟硬件解耦將系統(tǒng)分解為一系列標(biāo)準(zhǔn)化的軟硬件模塊，然后再通過(guò)對(duì)這些軟硬件模塊進(jìn)行不斷的升級(jí)和重組，逐步提升整個(gè)系統(tǒng)的效能。采用MOSA架構(gòu)的設(shè)備，不但便于引入新技術(shù)、升級(jí)改造，而且由于可選擇的供應(yīng)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(duì)其電臺(tái)和雷達(dá)進(jìn)行了升級(jí)和改造，都取得了良好的效果。軟件定義無(wú)線電技術(shù)、軟件定義雷達(dá)技術(shù)的成功，顯示了MOSA和軟件定義的巨大威力。

國(guó)外對(duì)軟件定義衛(wèi)星技術(shù)的研究，還主要集中在如何把軟件定義無(wú)線電技術(shù)應(yīng)用于通信衛(wèi)星方面，例如歐洲“量子”衛(wèi)星。國(guó)內(nèi)也發(fā)展了類似的試驗(yàn)衛(wèi)星，例如清華大學(xué)和北京信威通信技術(shù)股份有限公司聯(lián)合研制的“靈巧通信衛(wèi)星”。除此之外，中國(guó)電子科技集團(tuán)的楊小牛院士也一直在推動(dòng)基于軟件無(wú)線電技術(shù)的“軟件星”的研究工作，楊院士希望發(fā)展一種能夠?qū)⑼ㄐ?、偵查、干擾融為一體多功能衛(wèi)星，現(xiàn)已取得了一定的技術(shù)進(jìn)展。

從2014年開(kāi)始，中科院軟件所牽頭組織上海微小衛(wèi)星工程中心、中科院西光所、光電院、航天科技集團(tuán)771所等單位開(kāi)展了軟件定義衛(wèi)星技術(shù)的研究工作，包括體系架構(gòu)、試驗(yàn)平臺(tái)、技術(shù)規(guī)范等，并取得了一定的成果。其中，中科院軟件所承擔(dān)并完成了衛(wèi)星開(kāi)放系統(tǒng)架構(gòu)(SOSA-Satellite Open Systems Architecture)設(shè)計(jì)、“天智一號(hào)”試驗(yàn)衛(wèi)星總體方案論證等工作，并在天基超算平臺(tái)、星載操作環(huán)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(shù)進(jìn)展。

為了更好地發(fā)展軟件定義衛(wèi)星技術(shù)，中科院軟件所等30余家單位于2017年9月發(fā)起并成立了軟件定義衛(wèi)星技術(shù)聯(lián)盟。該聯(lián)盟目前發(fā)展迅速，會(huì)員單位已經(jīng)發(fā)展到了60余家。

2 軟件定義衛(wèi)星技術(shù)內(nèi)涵

軟件定義衛(wèi)星的核心是天基超算平臺(tái)和星載操作環(huán)境。天基超算平臺(tái)具有強(qiáng)大的計(jì)算能力和豐富的接口形式，可動(dòng)態(tài)集成傳感器、執(zhí)行器、通信器等各類有效載荷；星載操作環(huán)境具備強(qiáng)大的容錯(cuò)能力，并對(duì)上屏蔽底層硬件細(xì)節(jié)，為應(yīng)用程序提供一致的執(zhí)行環(huán)境，支持各類軟件組件、硬件部件的即插即用和動(dòng)態(tài)配置。

天基超算平臺(tái)和星載操作環(huán)境對(duì)外提供計(jì)算服務(wù)、存儲(chǔ)服務(wù)和信息交換服務(wù)，支持硬件載荷的動(dòng)態(tài)重組、軟件應(yīng)用的動(dòng)態(tài)重配，從而可以通過(guò)靈活增加、減少、改變系統(tǒng)的軟硬件組成動(dòng)態(tài)構(gòu)建出能夠滿足各種任務(wù)需求的衛(wèi)星系統(tǒng)，進(jìn)而完成復(fù)雜多變的空間任務(wù)。

由于采用了開(kāi)放系統(tǒng)架構(gòu)，因此符合標(biāo)準(zhǔn)的軟件組件和硬件部件可以在不同衛(wèi)星平臺(tái)之間平滑遷移、無(wú)縫接入和靈活重用，可以靈活方便地?cái)U(kuò)充整個(gè)衛(wèi)星系統(tǒng)的能力，并最大程度地保證衛(wèi)星內(nèi)部和衛(wèi)星之間的互操作性。就像個(gè)人電腦的通用性一樣，在保證經(jīng)濟(jì)可承受性的前提下，通過(guò)充分利用現(xiàn)有外設(shè)，即可方便地?cái)U(kuò)充系統(tǒng)能力。為了完成不同的空間任務(wù)，往往需要對(duì)衛(wèi)星系統(tǒng)的資源進(jìn)行動(dòng)態(tài)組織、調(diào)度和重構(gòu)，并且需要進(jìn)行大量的在軌智能信息處理和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理，因此，軟件定義衛(wèi)星的軟件密集度也將與日俱增。

綜上所述，軟件定義衛(wèi)星是以天基操作平臺(tái)和星載操作環(huán)境為核心的開(kāi)放式系統(tǒng)，可配備多種有效載荷、可加載豐富的應(yīng)用軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)功能重構(gòu)，能夠完成不同的空間任務(wù)。其概念內(nèi)涵如圖1 所示。

軟件定義衛(wèi)星具有如下典型特征：

1) 需求可定義： 軟件定義衛(wèi)星可根據(jù)需要重構(gòu)整個(gè)系統(tǒng)，可靈活響應(yīng)多種不同的空間任務(wù)需求，能夠滿足通信、導(dǎo)航、遙感、科學(xué)探測(cè)等多種應(yīng)用場(chǎng)景，提供多種功能，完成多種任務(wù)。

2) 硬件可重組： 軟件定義衛(wèi)星采用開(kāi)放系統(tǒng)架構(gòu)，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(jù)任務(wù)需求進(jìn)行有效載荷、計(jì)算資源、交換資源、存儲(chǔ)資源的重組。

3) 軟件可重配： 軟件定義衛(wèi)星具有一致的程序執(zhí)行環(huán)境，具有豐富的應(yīng)用軟件，可以根據(jù)任務(wù)需求動(dòng)態(tài)配置和執(zhí)行不同的APP，完成不同的任務(wù)。

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

3 軟件定義衛(wèi)星的體系架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)

軟件定義衛(wèi)星的體系架構(gòu)包括四個(gè)組成部分：應(yīng)用服務(wù)器(Application Server)、載荷服務(wù)器(Instruments Server)、數(shù)據(jù)交換引擎(Data Exchange Engine)和存儲(chǔ)服務(wù)器(Storage Server)。如圖2 所示。

圖1 軟件定義衛(wèi)星的概念內(nèi)涵

圖2 軟件定義衛(wèi)星的體系架構(gòu)

1) 應(yīng)用服務(wù)器(Application Server)： 支持符合標(biāo)準(zhǔn)的軟件組件的即插即用和按需執(zhí)行。

2) 載荷服務(wù)器(Instruments Server)：支持符合標(biāo)準(zhǔn)的硬件部件的熱插拔和按需配置。

3) 數(shù)據(jù)交換引擎(Data Exchange Engine)：可根據(jù)需要完成有效載荷、存儲(chǔ)設(shè)備、應(yīng)用程序之間的高速信息交換與分發(fā)。

4) 存儲(chǔ)服務(wù)器(Storage Server)： 實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)數(shù)據(jù)、有效載荷數(shù)據(jù)的永久性可靠存儲(chǔ)和臨時(shí)性高速存儲(chǔ)。

從其體系架構(gòu)和概念內(nèi)涵可以看出，軟件定義衛(wèi)星不但和地面主流計(jì)算環(huán)境保持了最大程度地兼容，而且內(nèi)部模塊劃分科學(xué)合理、功能界面清晰，可以最大程度地保證標(biāo)準(zhǔn)部件的互換性。

軟件定義衛(wèi)星的關(guān)鍵技術(shù)包括天基超算平臺(tái)、星載操作環(huán)境、軟件定義有效載荷、應(yīng)用程序組件等。其中，星載操作環(huán)境是軟件定義衛(wèi)星的核心。

星載操作環(huán)境包括“有效載荷接入和計(jì)算加速環(huán)境”、“基于軟件容錯(cuò)技術(shù)的高性能分布式計(jì)算環(huán)境”、“與地面主流計(jì)算環(huán)境兼容的應(yīng)用程序執(zhí)行環(huán)境”。其中有效載荷接入和計(jì)算加速環(huán)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(dān)計(jì)算密集型載荷數(shù)據(jù)預(yù)處理算法的計(jì)算加速、實(shí)時(shí)性要求高的控制密集型算法的實(shí)時(shí)性保障，而IO密集型的數(shù)據(jù)交換任務(wù)主要由數(shù)據(jù)交換引擎承擔(dān)；與地面主流計(jì)算環(huán)境兼容的應(yīng)用程序執(zhí)行環(huán)境用于支撐星載APP的動(dòng)態(tài)加載、執(zhí)行和調(diào)度；基于軟件容錯(cuò)技術(shù)的高性能分布式計(jì)算環(huán)境是整個(gè)星載操作環(huán)境的核心，其作用相當(dāng)于操作系統(tǒng)，用于管理CPU計(jì)算陣列、Flash存儲(chǔ)陣列、FPGA計(jì)算和交換陣列、DSP計(jì)算陣列、GPU計(jì)算陣列等硬件資源池。除了資源調(diào)度之外，其主要功能是檢測(cè)硬件故障、隔離硬件故障、修復(fù)硬件故障，對(duì)上提供連續(xù)有效的可靠計(jì)算服務(wù)、存儲(chǔ)服務(wù)和交換服務(wù)。

天基超算平臺(tái)采用以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)放式互聯(lián)架構(gòu)，可以集成各類異構(gòu)計(jì)算節(jié)點(diǎn)和存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)；計(jì)算節(jié)點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活可變，可根據(jù)功能需求進(jìn)行定義和重構(gòu)，為應(yīng)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(wèi)星的關(guān)鍵技術(shù)之一，其指導(dǎo)思想是接口標(biāo)準(zhǔn)化、硬件最小化、軟件最大化，盡可能以軟件形式實(shí)現(xiàn)載荷的功能，并將這部分軟件從載荷內(nèi)部遷移到天基超算平臺(tái)之上。通過(guò)提高相關(guān)算法的通用性、提高相關(guān)軟件(含可以配置到FPGA中的IP核資源)的復(fù)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(guò)公開(kāi)底層硬件細(xì)節(jié)，鼓勵(lì)第三方參與有效載荷軟件的研發(fā)，將逐步推動(dòng)有效載荷向開(kāi)放式、模塊化、可重配、自適應(yīng)的方向發(fā)展。

應(yīng)用程序組件數(shù)量眾多、功能豐富，既可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源、交換資源的調(diào)度與管理，也可以完成有效載荷接入和載荷數(shù)據(jù)的預(yù)處理、智能信息處理，還可以參與衛(wèi)星狀態(tài)信息分析和有效載荷數(shù)據(jù)的綜合處理等。為了做到應(yīng)用程序組件的即插即用，必須制定統(tǒng)一的規(guī)范，約束各種應(yīng)用程序組件的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、測(cè)試、驗(yàn)證、認(rèn)證等工作，建立航天應(yīng)用商店，對(duì)應(yīng)用程序組件的入庫(kù)、變更、發(fā)布、使用進(jìn)行規(guī)范化管理。

4 結(jié)束語(yǔ)

軟件定義衛(wèi)星技術(shù)聯(lián)盟計(jì)劃在“十三五”期間初步建立起較為完善的軟件定義衛(wèi)星標(biāo)準(zhǔn)體系，研制天基超算平臺(tái)和星載操作環(huán)境(Sputnix)，開(kāi)展在軌演示驗(yàn)證，并在商業(yè)航天領(lǐng)域進(jìn)行推廣。

具體工作考慮如下：一是建立軟件定義衛(wèi)星的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系，涵蓋天基超算平臺(tái)、星載操作環(huán)境、星載APP開(kāi)發(fā)規(guī)范、有效載荷接入規(guī)范、有效載荷數(shù)據(jù)規(guī)范等多個(gè)方面；二是建立軟件定義衛(wèi)星技術(shù)在軌試驗(yàn)平臺(tái)，驗(yàn)證軟件定義衛(wèi)星關(guān)鍵技術(shù)，包括有效載荷動(dòng)態(tài)重組、應(yīng)用軟件動(dòng)態(tài)重配、衛(wèi)星功能按需重構(gòu)等，全面評(píng)估軟件定義衛(wèi)星對(duì)通信、導(dǎo)航、遙感、科學(xué)探測(cè)等空間任務(wù)的支持能力；三是持續(xù)研發(fā)和改進(jìn)星載操作環(huán)境，徹底實(shí)現(xiàn)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(yīng)用商店，通過(guò)舉辦航天應(yīng)用創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽，鼓勵(lì)高校和科研院所的科研人員、研究生、大學(xué)生積極投入到航天軟件的開(kāi)發(fā)中來(lái)，形成數(shù)量眾多、功能豐富的航天應(yīng)用軟件庫(kù)，以支持實(shí)現(xiàn)靈活的空間應(yīng)用。

軟件定義衛(wèi)星包括天基超算平臺(tái)、星載操作環(huán)境、軟件化有效載荷、應(yīng)用軟件等多個(gè)方面，涉及多個(gè)學(xué)科、多個(gè)專業(yè)。為了有效地推動(dòng)軟件定義衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展，我們鄭重建議：成立總體技術(shù)組，由國(guó)家部委和軍方單位牽頭，以中國(guó)科學(xué)院、衛(wèi)星總體單位、有效載荷承研單位、相關(guān)高校等為成員單位，開(kāi)展軟件定義衛(wèi)星的總體技術(shù)論證工作和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的制定工作。發(fā)布專項(xiàng)課題，鼓勵(lì)和吸納相關(guān)行業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)專家和商業(yè)航天公司投入到軟件定義衛(wèi)星技術(shù)的研發(fā)中來(lái)，更好地推動(dòng)該項(xiàng)技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展。

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