+ 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(tǒng)方式設(shè)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(jīng)費。投資大、風(fēng)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(jīng)迫在眉睫。

衛(wèi)星研制成本高、周期長，除了航天產(chǎn)品固有的復(fù)雜性高、質(zhì)量/可靠性要求高等因素之外，另一個重要的原因是當(dāng)前衛(wèi)星的設(shè)計和生產(chǎn)大多是面向特定任務(wù)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(tǒng)、星務(wù)分系統(tǒng)、載荷分系統(tǒng)、數(shù)傳分系統(tǒng)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(wù)于本分系統(tǒng)，無法實現(xiàn)計算資源共享或者功能替代。

航天工程中可直接繼承和復(fù)用的產(chǎn)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(diào)試、測試、聯(lián)試。此外，目前的衛(wèi)星研制大都以硬件為主，經(jīng)費也大量向硬件傾斜。造成這一個現(xiàn)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(shù)進步是解決不了問題的，至少在短期內(nèi)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(lián)網(wǎng)、智能手機等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展模式和經(jīng)驗，而且要充分利用好這些產(chǎn)業(yè)多年來所累積的超強設(shè)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(shè)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(wǎng)絡(luò)，目前已經(jīng)發(fā)展到軟件定義數(shù)據(jù)中心、軟件定義信息系統(tǒng)，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(fù)用且不增加生產(chǎn)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(yīng)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(chǎn)業(yè)那樣，研發(fā)出類似android系統(tǒng)的開源的軟件解決方案，并開設(shè)一個航天應(yīng)用商店？衛(wèi)星制造商能不能像智能手機廠商設(shè)計生產(chǎn)android手機一樣來生產(chǎn)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(yīng)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(dān)新的任務(wù)？傳統(tǒng)衛(wèi)星會不會逐步演變?yōu)橹悄苄l(wèi)星？

中國科學(xué)院軟件研究所發(fā)起的“軟件定義衛(wèi)星技術(shù)聯(lián)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(shè)有“航天應(yīng)用商店”，人們還可以通過手機訪問這顆衛(wèi)星：給它下任務(wù)，并在手機上查看執(zhí)行結(jié)果。同時，這也是一顆智能衛(wèi)星，可以通過上注應(yīng)用軟件或是在地面訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，在軌實時執(zhí)行一些智能任務(wù)，例如智能目標(biāo)檢測識別、智能云判讀、基于強化學(xué)習(xí)的智能姿態(tài)控制等等。

“天智一號”參照的體系架構(gòu)如下：

如圖所示，借助基于軟件容錯技術(shù)的分布式并行計算環(huán)境，實現(xiàn)了軟件和硬件的解耦，為航天應(yīng)用軟件創(chuàng)造了一個與衛(wèi)星平臺無關(guān)的執(zhí)行環(huán)境，同時兼容Linux和Android系統(tǒng)，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(biāo)之一；借助商用器件陣列技術(shù)，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(gòu)接入環(huán)境，不但可以最大程度地兼容傳統(tǒng)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(wǎng)絡(luò)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(xué)院軟件研究所發(fā)起舉辦了“軟件定義衛(wèi)星應(yīng)用軟件創(chuàng)新設(shè)計大賽”，面對科研院所、高校、公眾開展參賽設(shè)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，才能形成產(chǎn)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(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，即軟件層面、互聯(lián)層面和系統(tǒng)層面。

在軟件層面，編程環(huán)境、執(zhí)行環(huán)境、數(shù)據(jù)格式等標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范要最大程度與計算機、互聯(lián)網(wǎng)、智能手機產(chǎn)業(yè)兼容，這樣才能夠有效利用起這三大產(chǎn)業(yè)中數(shù)以千萬計的人力資源和數(shù)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(lián)層面，應(yīng)該向互聯(lián)網(wǎng)、移動通信靠攏。星內(nèi)互聯(lián)應(yīng)最大程度地借助以太網(wǎng)、TCP/IP協(xié)議，把衛(wèi)星打造成一個在盒子中的微型互聯(lián)網(wǎng)，即“Internet in Box”；星間局域互聯(lián)可借助移動通信技術(shù)，將基站搬上天，并以此為基礎(chǔ)建立衛(wèi)星星群；星間廣域互聯(lián)可以借助現(xiàn)有的星間通信技術(shù)?；ヂ?lián)層面的核心協(xié)議要與互聯(lián)網(wǎng)兼容，這樣才便于將衛(wèi)星接入互聯(lián)網(wǎng)，或者將互聯(lián)網(wǎng)向太空自然延伸。當(dāng)然，在互聯(lián)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(xiàn)有航天產(chǎn)品或部組件。

最后，在系統(tǒng)層面，要充分繼承航天工程領(lǐng)域已經(jīng)形成的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，以最大程度地保證航天工程所要求的質(zhì)量和可靠性。

建立標(biāo)準(zhǔn)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(shù)聯(lián)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(lián)網(wǎng)+時代，“平臺+個人”將成為一種重要的產(chǎn)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(gòu)想取得成功的重要條件。為推動相關(guān)生態(tài)體系的建構(gòu)，軟件定義衛(wèi)星技術(shù)聯(lián)盟制定了相應(yīng)的規(guī)劃步驟：

1、計劃定期舉辦軟件定義衛(wèi)星高峰技術(shù)論壇，持續(xù)推動該項技術(shù)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(lián)網(wǎng)構(gòu)建一個支持大規(guī)模異地協(xié)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(yīng)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(lián)網(wǎng)，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(shù)基礎(chǔ)。

軟件定義衛(wèi)星技術(shù)聯(lián)盟是非盈利性組織，其宗旨是推動相關(guān)技術(shù)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(yù)見在不遠(yuǎn)的將來，軟件定義衛(wèi)星將改變傳統(tǒng)衛(wèi)星的研發(fā)模式和產(chǎn)業(yè)格局，傳統(tǒng)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(yīng)用前景，而更多的機構(gòu)甚至普通民眾，都將有機會參與其中，分享太空經(jīng)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(shù)聯(lián)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。