+ 趙軍鎖 吳鳳鴿 劉光明 李丹 潘晏濤（中國(guó)科學(xué)院軟件研究所）

軟件定義的說(shuō)法始于軟件定義無(wú)線電。美國(guó)國(guó)防部1990s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)、便于升級(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、軟件定義雷達(dá)的成功，顯示了MOSA和軟件定義的巨大威力[1,2]。

隨著計(jì)算機(jī)、通信和人工智能技術(shù)的發(fā)展，軟件和算法在各行各業(yè)中發(fā)揮的作用越來(lái)越大，在互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)環(huán)境下，軟件定義正在成為一種新的發(fā)展趨勢(shì)。從軟件定義無(wú)線電、軟件定義雷達(dá)，到軟件定義網(wǎng)絡(luò)、軟件定義存儲(chǔ)、軟件定義數(shù)據(jù)中心，再到軟件定義一切[3]、軟件定義世界，人的智力通過(guò)軟件和算法快速向外延伸，極大地提高了各行各業(yè)的智能化程度和整個(gè)社會(huì)的智能化水平，人類(lèi)的生活再也離不開(kāi)軟件代碼了，在數(shù)以百億計(jì)的各種處理器上日夜運(yùn)行的代碼成為驅(qū)動(dòng)這個(gè)世界正常運(yùn)轉(zhuǎn)和向前發(fā)展的最為重要、最為強(qiáng)大的力量之一。

與開(kāi)放的互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)環(huán)境相比，航天產(chǎn)業(yè)顯得相對(duì)封閉，其研發(fā)基本上還是以硬件為主，軟件為輔。比較常見(jiàn)的做法是為某個(gè)具體的功能或任務(wù)定制一顆衛(wèi)星，研發(fā)周期長(zhǎng)、研發(fā)成本高。不同型號(hào)的衛(wèi)星在硬件上互不適配，部組件無(wú)法互換；在軟件上互不兼容，為某個(gè)型號(hào)研制的軟件無(wú)法在另一個(gè)型號(hào)的衛(wèi)星上直接運(yùn)行。廣大的第三方也無(wú)法為某個(gè)衛(wèi)星型號(hào)開(kāi)發(fā)并在其上部署軟件。

這種以硬件為主、軟件為輔的研發(fā)思路已經(jīng)成為制約航天技術(shù)發(fā)展的重要瓶頸之一。發(fā)展以天基先進(jìn)計(jì)算平臺(tái)和星載通用操作環(huán)境為核心，采用開(kāi)放系統(tǒng)架構(gòu)，支持有效載荷即插即用、應(yīng)用軟件按需加載、系統(tǒng)功能按需重構(gòu)的新一代衛(wèi)星系統(tǒng)勢(shì)在必行。

發(fā)展軟件定義衛(wèi)星關(guān)鍵在于解除衛(wèi)星產(chǎn)品軟硬件之間的耦合關(guān)系，使得衛(wèi)星軟件可以獨(dú)立演化、按需加載、動(dòng)態(tài)重構(gòu)，從而可以在不改變硬件的情況下實(shí)現(xiàn)更多的功能，完成更多的任務(wù)。本文將圍繞如何解除衛(wèi)星產(chǎn)品軟硬件之間的緊耦合關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星軟件的獨(dú)立演化，提高衛(wèi)星智能化水平為主線，討論發(fā)展軟件定義衛(wèi)星技術(shù)的總體思路和一些工程實(shí)踐活動(dòng)。

1 天智工程介紹

天智工程的目標(biāo)是發(fā)展天基智能,該計(jì)劃將通過(guò)一系列新技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星的研制，推動(dòng)軟件定義衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，對(duì)軟件定義衛(wèi)星所涉及的一些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行在軌演示驗(yàn)證，加快傳統(tǒng)衛(wèi)星向智能衛(wèi)星演化速度。

天智工程所使用的衛(wèi)星模型稱之為CACAS （Computing platform, Apps, Communicators, Actuators, Sensors),即任何衛(wèi)星都包含若干傳感器(Sensors)、執(zhí)行器(Actuators)和通信單元(Communicators)，并以計(jì)算平臺(tái)(Computing platform)為核心，支持多種多樣的應(yīng)用程序(Apps)。CACAS模型是典型的開(kāi)放系統(tǒng)架構(gòu)，以通用計(jì)算平臺(tái)為核心，通過(guò)接入不同的有效載荷，加載不同的Apps，即可快速重構(gòu)出具有不同功能的衛(wèi)星系統(tǒng)。這是一個(gè)通用模型，不僅使用于各種類(lèi)型的衛(wèi)星,也適用于很多形式的端系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)(例如無(wú)人機(jī)、無(wú)人車(chē)等)，如圖1所示。

在CACAS模型中，通用計(jì)算平臺(tái)是核心。天智工程希望借助通用計(jì)算平臺(tái)解除衛(wèi)星軟硬件之間的緊耦合關(guān)系，使其可以各自獨(dú)立演化。在API之上，一切皆可編程；在API之下，以模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化為基礎(chǔ)，遵循“如無(wú)必要，勿增實(shí)體”的原則，簡(jiǎn)化硬件實(shí)現(xiàn)。

通過(guò)不斷提升天基先進(jìn)計(jì)算平臺(tái)的計(jì)算性能，不斷豐富、改進(jìn)星載軟件和算法，對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)和有效載荷進(jìn)行瘦身（將其功能盡可能地遷移到計(jì)算平臺(tái)之上，改用軟件實(shí)現(xiàn)）。通過(guò)軟件和算法的快速迭代和演化，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星產(chǎn)品的持續(xù)演進(jìn)。在天基先進(jìn)計(jì)算平臺(tái)和星載通用操作環(huán)境之上，安裝不同的軟件，即可實(shí)現(xiàn)不同的功能，完成新的空間任務(wù)。通過(guò)軟件升級(jí)，還可以對(duì)既有功能進(jìn)行完善，或者提高其性能、修復(fù)其故障。

此外，天基先進(jìn)計(jì)算平臺(tái)還具有豐富的接口形式，可以支持各類(lèi)有效載荷的即插即用，包括多模通信單元、各種傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上，CACAS中的天基先進(jìn)計(jì)算平臺(tái)采用了以POE TTE交換機(jī)為核心的技術(shù)路線，如圖2所示。

其中計(jì)算節(jié)點(diǎn)的一般實(shí)現(xiàn)形式為CPU+FPGA(或其他專用計(jì)算引擎)。如圖3所示。

圖1 軟件定義衛(wèi)星的概念模型CACAS

圖2 CACAS模型中的計(jì)算平臺(tái)

計(jì)算節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)POE TTE交換機(jī)相連，并可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)板級(jí)接口連接至接口擴(kuò)展卡，最終連接至傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、天線或通信單元。根據(jù)計(jì)算節(jié)點(diǎn)的CPU和FPGA的選型、DDR和Flash的容量和性能，可以把計(jì)算節(jié)點(diǎn)細(xì)分為通用計(jì)算節(jié)點(diǎn)、算法加速節(jié)點(diǎn)、高速存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)和大容量存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)。

可以看出，天基先進(jìn)計(jì)算平臺(tái)在體系架構(gòu)上和互聯(lián)網(wǎng)中最為常見(jiàn)的計(jì)算環(huán)境是兼容的，這樣做的目的也是為了能夠更多地使用現(xiàn)有的高質(zhì)量的開(kāi)源代碼資源，降低廣大程序員開(kāi)發(fā)星載軟件的學(xué)習(xí)門(mén)檻。和互聯(lián)網(wǎng)主流計(jì)算環(huán)境不同的是，天智先進(jìn)計(jì)算平臺(tái)中采用了冗余架構(gòu)，并大量使用的FPGA作為算法加速部件。這樣做有三個(gè)考慮，一是為了容錯(cuò)，提供可靠性，二是為了提高星載計(jì)算效能，三是為了方便接口擴(kuò)展，能夠支持更多的現(xiàn)有載荷。

星載通過(guò)操作環(huán)境是面向衛(wèi)星的一個(gè)平臺(tái)化的軟件解決方案，我們稱之為Sputnix。Sputnix是基于Linux和大量的第三方函數(shù)庫(kù)構(gòu)建出來(lái)的，在保持簡(jiǎn)單性、靈活性、可擴(kuò)展性的同時(shí)，擁有強(qiáng)大的可重構(gòu)能力、計(jì)算能力和容錯(cuò)能力。其系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。

星載通用操作環(huán)境由“有效載荷接入和算法加速環(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”、“實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理引擎”、“智能信息處理引擎”、“離線數(shù)據(jù)處理引擎”組成。

圖3 計(jì)算節(jié)點(diǎn)的通用形式

圖4 標(biāo)準(zhǔn)化的星載通用操作環(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)性保障和帶寬要求高的IO密集型的數(shù)據(jù)收發(fā)；

“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)和信息交換服務(wù)。

“實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理引擎”用于支持在軌實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理任務(wù)。

“智能信息處理引擎”用于支持在軌智能信息數(shù)據(jù)任務(wù)。

“離線數(shù)據(jù)處理引擎”用于支持無(wú)實(shí)時(shí)性要求的一般性后臺(tái)數(shù)據(jù)處理任務(wù)。

2 發(fā)展軟件定義衛(wèi)星的總體思路

天智工程的主要任務(wù)是研制一系列的新技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星，以推動(dòng)軟件定義衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，其主要目標(biāo)如下：

（1）建立開(kāi)放的衛(wèi)星系統(tǒng)架構(gòu)。與傳統(tǒng)衛(wèi)星大多屬于封閉系統(tǒng)不同，軟件定義衛(wèi)星應(yīng)該采用開(kāi)放的系統(tǒng)架構(gòu)。首先，這將有利于提升衛(wèi)星系統(tǒng)對(duì)有效載荷的適配能力、對(duì)軟件/算法的兼容能力，做到符合標(biāo)準(zhǔn)的硬件部件和軟件組件可以即插即用、互相替換。其次，這將有助于催生更多的第三方廠商，形成更多的貨架級(jí)產(chǎn)品，從而有效降低整星的研發(fā)成本，縮短其研發(fā)周期。

（2）借助平臺(tái)化的軟件解決方案解除衛(wèi)星系統(tǒng)軟硬件之間的緊耦合關(guān)系，讓衛(wèi)星軟件可以脫離硬件而獨(dú)立演化，而不再和某個(gè)具體的衛(wèi)星型號(hào)、特定的硬件單機(jī)綁定。就像Unix/Linux/Windows/MacOS這些平臺(tái)化軟件解決方案對(duì)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)、Android/ios對(duì)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生了巨大的推動(dòng)作用一樣，面向衛(wèi)星的平臺(tái)化軟件解決方案可能引發(fā)航天產(chǎn)業(yè)生態(tài)的變革。

（3）發(fā)展第三方應(yīng)用程序，不斷提升衛(wèi)星在軌智能信息處理能力，加速傳統(tǒng)衛(wèi)星向智能衛(wèi)星的演變。通過(guò)不斷升級(jí)軟件和算法逐漸提升衛(wèi)星自身的環(huán)境自感知能力、自主運(yùn)行能力和在軌智能信息處理能力以及決策能力，可有效降低衛(wèi)星的運(yùn)維成本，讓衛(wèi)星能夠完成更為復(fù)雜的空間任務(wù)，發(fā)揮更大的效能，在國(guó)防、經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮更大的作用，為商業(yè)航天建立更好的生態(tài)環(huán)境。

圖5 天智星云開(kāi)放式試驗(yàn)環(huán)境

圖6 各自為政的航天測(cè)控網(wǎng)方案

圖7 統(tǒng)一協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的航天測(cè)控網(wǎng)方案

圖8 天智星云測(cè)運(yùn)控平臺(tái)

為了達(dá)到上述三個(gè)目標(biāo)，只著眼于天智系列新技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星明顯是不夠的。還有兩件事情亟待推進(jìn)，一是拉近衛(wèi)星與開(kāi)發(fā)者的距離，讓普通程序員就可以開(kāi)發(fā)和發(fā)布星載APP；二是拉近衛(wèi)星與大眾的距離，讓普通大眾可以方便地訪問(wèn)和使用衛(wèi)星。為此，天智工程組搭建了天智星云開(kāi)放式試驗(yàn)環(huán)境，其功能和組成如圖5所示。

其中，天智星云測(cè)運(yùn)控平臺(tái)的目的是最大程度地發(fā)揮現(xiàn)有天地基測(cè)控資源的效能，為在軌運(yùn)行的天智系列新技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星（用于軟件定義衛(wèi)星技術(shù)的開(kāi)發(fā)、測(cè)試和在軌試驗(yàn)驗(yàn)證）提供靈活高效的測(cè)運(yùn)控服務(wù)。天智星云大數(shù)據(jù)平臺(tái)的目的是對(duì)來(lái)自天智系列新技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、匯總、分析、解釋、利用、交換與分發(fā)，為不同行業(yè)的用戶提供及時(shí)準(zhǔn)確的信息服務(wù)，以發(fā)揮其最大效能，二者均可基于云計(jì)算平臺(tái)或超算平臺(tái)構(gòu)建。

天智星云訪問(wèn)者門(mén)戶，承擔(dān)著打通天智系列新技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星和互聯(lián)網(wǎng)用戶之間的信息鏈路的作用，方便用戶通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)衛(wèi)星。

天智星云開(kāi)發(fā)者平臺(tái)用于為天智系列新技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星、天智星云測(cè)運(yùn)控平臺(tái)、天智星云大數(shù)據(jù)平臺(tái)開(kāi)發(fā)軟件。

天智系列新技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星、天智星云測(cè)運(yùn)控平臺(tái)和天智星云大數(shù)據(jù)平臺(tái)均采用開(kāi)放系統(tǒng)架構(gòu)，支持第三方應(yīng)用程序的部署。為了保證天智系列新技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星、天智星云測(cè)運(yùn)控平臺(tái)、天智星云大數(shù)據(jù)平臺(tái)三者之間最大程度地兼容和互操作性，必須制定統(tǒng)一的API/ABI規(guī)范和數(shù)據(jù)規(guī)范。為了保證不同廠家的星載產(chǎn)品能夠互換，必須制定開(kāi)放的天基先進(jìn)計(jì)算架構(gòu)規(guī)范;為了保證天智系列新技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星、天地基測(cè)運(yùn)控資源、天智星云測(cè)運(yùn)控平臺(tái)之間能夠互聯(lián)互通，行業(yè)用戶能夠方便地訪問(wèn)天智系列新技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星，必須建立相關(guān)的通信、服務(wù)和安全規(guī)范。上述問(wèn)題是軟件定義衛(wèi)星標(biāo)準(zhǔn)化工作的核心問(wèn)題，對(duì)于推動(dòng)智能衛(wèi)星的發(fā)展至關(guān)重要。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的建立是軟件定義衛(wèi)星技術(shù)聯(lián)盟的主要工作之一。

3 天智星云開(kāi)放測(cè)運(yùn)控技術(shù)試驗(yàn)平臺(tái)

現(xiàn)有的衛(wèi)星和測(cè)控站一般都自成體系。測(cè)控站和衛(wèi)星之間、廣大用戶和測(cè)控站之間只能采用私有協(xié)議進(jìn)行通信和交互，極大地阻礙了對(duì)測(cè)控資源的綜合利用，也阻礙了衛(wèi)星效能的發(fā)揮。如圖6所示。

在這種模式下，一般衛(wèi)星公司只能選擇和個(gè)別測(cè)運(yùn)控公司合作，一般衛(wèi)星用戶也只能選擇從個(gè)別測(cè)運(yùn)控公司接收載荷數(shù)據(jù)，造成了測(cè)控資源巨大浪費(fèi)。這是一個(gè)壁壘重重，需要不斷重復(fù)發(fā)明輪子的生態(tài)環(huán)境。很明顯，這樣的生態(tài)環(huán)境十分不利于航天測(cè)控網(wǎng)的健康發(fā)展，同時(shí)也阻礙了軍民深度融合。

為了建立良好的生態(tài)環(huán)境，航天測(cè)控采用統(tǒng)一的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)十分重要。標(biāo)準(zhǔn)分為兩個(gè)部分，首先是星地接口部分，其次是地面系統(tǒng)部分。建立了星地接口標(biāo)準(zhǔn)之后，原則上衛(wèi)星公司可以選擇任意地面站對(duì)其衛(wèi)星進(jìn)行測(cè)控。建立了地面系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)之后，原則上衛(wèi)星用戶便可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)接口經(jīng)由互聯(lián)網(wǎng)VPN訪問(wèn)符合標(biāo)準(zhǔn)的地面站，訪問(wèn)不同的衛(wèi)星。如圖7所示。

但這里邊有一個(gè)問(wèn)題，雖然在衛(wèi)星、測(cè)控站和衛(wèi)星用戶之間建立了統(tǒng)一的技術(shù)接口，但各家仍然需要面臨不同的商務(wù)接口。為了利用更多的資源，無(wú)論是衛(wèi)星廠商、測(cè)控服務(wù)提供商、還是衛(wèi)星用戶，都需要和多家公司進(jìn)行商務(wù)談判，簽訂多份合約。在這種生態(tài)環(huán)境下，并不能對(duì)隸屬多家公司的測(cè)控資源進(jìn)行綜合利用，也不利于衛(wèi)星用戶方便地獲取衛(wèi)星服務(wù)。

由此可見(jiàn)，無(wú)論是傳統(tǒng)的測(cè)運(yùn)控環(huán)境，還是正在逐步走向標(biāo)準(zhǔn)化的下一代測(cè)運(yùn)控系統(tǒng)，都無(wú)法充分對(duì)在軌衛(wèi)星資源和測(cè)控資源進(jìn)行高效利用，為不同行業(yè)的用戶提供更為方便和全面的服務(wù)。其開(kāi)放性和共享性都有待增強(qiáng)。

因此，建立一個(gè)開(kāi)放、共享的測(cè)運(yùn)控試驗(yàn)環(huán)境，發(fā)展智能測(cè)運(yùn)控技術(shù)是十分必要的。天智星云測(cè)運(yùn)控平臺(tái)就是針對(duì)上述問(wèn)題而建立的。

天智星云測(cè)運(yùn)控平臺(tái)是一個(gè)可以集成第三方天地基測(cè)控資源的云平臺(tái)。建立該平臺(tái)的目的有三個(gè)，第一，對(duì)天智系列新技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星進(jìn)行測(cè)運(yùn)控；第二，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)對(duì)外提供服務(wù)，讓普通人能夠方便地通過(guò)智能手機(jī)、或者瀏覽器訪問(wèn)天智系列新技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星；第三，進(jìn)行測(cè)運(yùn)控新體制、新技術(shù)試驗(yàn)，發(fā)展一種能夠調(diào)配數(shù)千個(gè)測(cè)控站、數(shù)傳站為在軌運(yùn)行的成千上萬(wàn)個(gè)衛(wèi)星提供智能測(cè)運(yùn)控服務(wù)的能力。

天智星云測(cè)運(yùn)控平臺(tái)采用的是可以共享的開(kāi)放系統(tǒng)架構(gòu)，不但可以方便地動(dòng)態(tài)集成第三方測(cè)控資源，包括天基、地基和海基，還可以集成廣大第三方開(kāi)發(fā)的測(cè)運(yùn)控軟件，例如：數(shù)據(jù)解析與可視化、任務(wù)規(guī)劃、智能信息處理、協(xié)議轉(zhuǎn)換、星地時(shí)統(tǒng)、加解密、解壓縮、衛(wèi)星遙測(cè)大數(shù)據(jù)分析、故障診斷和預(yù)測(cè)等。如圖8所示。

天智星云測(cè)運(yùn)控平臺(tái)歡迎第三方閑置的測(cè)控資源能夠接入進(jìn)來(lái)，也歡迎任何組織和個(gè)人為平臺(tái)開(kāi)發(fā)軟件。除了為天智系列新技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星進(jìn)行測(cè)運(yùn)控之外，該平臺(tái)還可以為其他商業(yè)衛(wèi)星提供測(cè)運(yùn)控服務(wù)。

4 天智星云開(kāi)放航天大數(shù)據(jù)試驗(yàn)平臺(tái)

天智星云開(kāi)放式大數(shù)據(jù)試驗(yàn)平臺(tái)是一個(gè)典型的云計(jì)算環(huán)境，其概念視圖如圖9所示：

首先，該平臺(tái)可以接入各種類(lèi)型的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)格式轉(zhuǎn)換之后，存入存儲(chǔ)服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)。其次，可以支撐廣大第三方的智能信息處理程序，將衛(wèi)星數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為信息，為各行各業(yè)的用戶提供服務(wù)。

5 天智星云應(yīng)用開(kāi)發(fā)者平臺(tái)

天智星云開(kāi)發(fā)者平臺(tái)是以天智系列新技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星為基礎(chǔ)，用于推動(dòng)軟件定義衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展、推動(dòng)傳統(tǒng)衛(wèi)星向智能衛(wèi)星轉(zhuǎn)變的星載軟件云端協(xié)同開(kāi)發(fā)環(huán)境。在天智星云應(yīng)用開(kāi)發(fā)者平臺(tái)上，開(kāi)發(fā)人員可以基于云端開(kāi)發(fā)環(huán)境和虛擬衛(wèi)星在線完成星載App軟件的全部開(kāi)發(fā)工作和大部分測(cè)試工作，然后通過(guò)天智星云測(cè)運(yùn)控平臺(tái)在桌面衛(wèi)星上完成少量與硬件緊密相關(guān)的測(cè)試工作，最后將其App發(fā)布到在太空中飛行的天智系列新技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星上，開(kāi)展在軌飛行試驗(yàn)。天智星云應(yīng)用開(kāi)發(fā)者平臺(tái)大大降低了程序員開(kāi)發(fā)星載App的難度并且提高了開(kāi)發(fā)效率。如圖10所示。

天智星云應(yīng)用開(kāi)發(fā)者平臺(tái)的主要功能是為每一個(gè)開(kāi)發(fā)者提供一個(gè)專屬的云端開(kāi)發(fā)環(huán)境和一顆與之配套使用的虛擬衛(wèi)星。開(kāi)發(fā)者通過(guò)瀏覽器界面可以更改虛擬衛(wèi)星的默認(rèn)配置、查看虛擬衛(wèi)星的飛行狀態(tài)，在其上加載、運(yùn)行、測(cè)試自己開(kāi)發(fā)的App。開(kāi)發(fā)者通過(guò)瀏覽器可以登錄到云端開(kāi)發(fā)環(huán)境，在線完成App軟件的全部開(kāi)發(fā)和大部分調(diào)試測(cè)試工作。借助云端開(kāi)發(fā)環(huán)境,可以免去開(kāi)發(fā)人員親自動(dòng)手搭建和維護(hù)本地開(kāi)發(fā)環(huán)境的繁雜工作，讓開(kāi)發(fā)人員專注于開(kāi)發(fā)本身,并且可以利用云端的代碼資源和數(shù)據(jù)資源，從而大幅度提高開(kāi)發(fā)效率。

圖10 天智星云開(kāi)發(fā)者平臺(tái)

圖9 天智星云航天大數(shù)據(jù)平平臺(tái)

在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，除了可以利用虛擬衛(wèi)星開(kāi)展App的調(diào)試、測(cè)試之外，還可以通過(guò)天智星云測(cè)運(yùn)控系統(tǒng)將App發(fā)布到桌面衛(wèi)星上，在“真實(shí)”的運(yùn)行環(huán)境下進(jìn)行模飛測(cè)試，甚至將App發(fā)布到在軌飛行的天智一號(hào)衛(wèi)星上開(kāi)展在軌飛行試驗(yàn)。虛擬衛(wèi)星和天智一號(hào)衛(wèi)星具有完全兼容的應(yīng)用程序執(zhí)行環(huán)境，桌面衛(wèi)星是天智一號(hào)衛(wèi)星的模樣星，在電性能上和在太空中飛行的天智一號(hào)衛(wèi)星沒(méi)有任何差別。利用虛擬衛(wèi)星和桌面衛(wèi)星，開(kāi)發(fā)者可以在正式發(fā)布App之前進(jìn)行充分的測(cè)試。

天智星云測(cè)運(yùn)控系統(tǒng)和天智一號(hào)桌面衛(wèi)星直接相連，并通過(guò)測(cè)控站、數(shù)傳站和在太空中飛行的天智一號(hào)衛(wèi)星相連。開(kāi)發(fā)者無(wú)論是在虛擬衛(wèi)星、桌面衛(wèi)星還是在天智一號(hào)衛(wèi)星上均可運(yùn)行自己開(kāi)發(fā)的App軟件，并且通過(guò)瀏覽器或者“追星App”查看任務(wù)執(zhí)行結(jié)果。

6 發(fā)展軟件定義衛(wèi)星技術(shù)的路線圖

發(fā)展軟件定義衛(wèi)星技術(shù)的路線圖如下：

（1）以衛(wèi)星開(kāi)放系列架構(gòu)為基礎(chǔ)，規(guī)范軟件定義衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展。建立起軟件定義衛(wèi)星開(kāi)放系統(tǒng)架構(gòu)相關(guān)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。

（2）以天智星云開(kāi)發(fā)者平臺(tái)為依托發(fā)展航天軟件。在完善衛(wèi)星平臺(tái)化軟件解決方案Sputnix的同時(shí)，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)，以支持空間應(yīng)用的靈活實(shí)現(xiàn)。

（3）以天智系列新技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星為抓手推動(dòng)軟件定義衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展。研制天智系列新技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星，對(duì)軟件定義衛(wèi)星關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行在軌驗(yàn)證，包有效載荷動(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、氣象、科學(xué)探測(cè)等空間任務(wù)的支持能力，推動(dòng)傳統(tǒng)衛(wèi)星向智能衛(wèi)星演變。

其中（1）、（3）工作主要在軟件定義衛(wèi)星技術(shù)聯(lián)盟框架下進(jìn)行；（2）則完全開(kāi)放，任何組織和個(gè)人均可注冊(cè)和登錄到天智星云開(kāi)發(fā)者平臺(tái)，參與航天軟件的開(kāi)發(fā)。

7 發(fā)展與展望

軟件定義衛(wèi)星的未來(lái)是智能衛(wèi)星。而智能衛(wèi)星的發(fā)展取決于三個(gè)方面：一是星載計(jì)算能力，二是有效載荷性能，三是軟件和算法。

隨著軟件容錯(cuò)技術(shù)的提高、硬件加固工藝的改進(jìn)，越來(lái)越多的工業(yè)級(jí)高性能器件將被用于衛(wèi)星平臺(tái)，這勢(shì)必大幅度提高星載計(jì)算能力，為發(fā)揮有效載荷的效能，支撐更多的在軌信息處理任務(wù)創(chuàng)造必要的條件。

目前，很多有效載荷通過(guò)硬件設(shè)計(jì)進(jìn)一步提升其性能均遇到了較大的瓶頸，在接下來(lái)的一段時(shí)間之內(nèi)，軟件和算法將在提升有效載荷的功能和性能方面發(fā)揮較大的作用，例如通過(guò)計(jì)算攝影技術(shù)提升成像質(zhì)量。按照接口標(biāo)準(zhǔn)化、硬件最小化、軟件最大化的指導(dǎo)思想，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)部遷移到通用計(jì)算平臺(tái)之上，借助于計(jì)算能力的提升、算法的改進(jìn)，即可不斷擴(kuò)充有效載荷的功能、提升其性能。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。

智能衛(wèi)星的特點(diǎn)就是有豐富的應(yīng)用軟件，尤其是智能軟件。隨著開(kāi)放衛(wèi)星系統(tǒng)架構(gòu)的建立和平臺(tái)化軟件解決方案的完善，勢(shì)必出現(xiàn)大量的第三方應(yīng)用程序，在衛(wèi)星資源的調(diào)度和管理、有效載荷接入、載荷數(shù)據(jù)的預(yù)處理和智能信息處理、衛(wèi)星狀態(tài)信息分析和故障預(yù)判、自主任務(wù)規(guī)劃、星地通信、星間通信等方面發(fā)揮重要作用。隨著軟件和算法的發(fā)展，未來(lái)的衛(wèi)星在智能感知、智能控制、智能組網(wǎng)、智能服務(wù)方面將日益增強(qiáng)，原來(lái)需要在地面完成的數(shù)據(jù)處理工作將逐步遷移到星上執(zhí)行，信息處理的時(shí)效性將大大提高；原來(lái)需要人在回路的管理和控制工作將由衛(wèi)星自主完成，地面測(cè)運(yùn)控的壓力將大幅降低。

最后，智能衛(wèi)星星群的發(fā)展有助于我們從太空對(duì)地球進(jìn)行更精細(xì)、更全面的實(shí)時(shí)觀測(cè)，為全球任何角落的用戶提供更好的通信、定位和導(dǎo)航服務(wù)，將極大地增強(qiáng)全球范圍內(nèi)的經(jīng)濟(jì)繁榮、安全與和平。

[1]Nelson John A. Net centric radar technology and development using an open system architecture approach[J]. IEEE National Radar Conference Proceedings,2010, 1476-1479.

[2]DoD. Department of Defense Instruction：5000.02.2008.

[3]梅宏. 軟件定義一切——機(jī)遇和挑戰(zhàn). CNCC2017