浅谈软件定义卫星,大众时代

从1957年发射第一颗卫星“斯普特尼克1号”开始,人们开始了星辰大海的征程。遥感卫星、气象卫星、导航卫星、通信卫星……人们为每一次卫星发射成功而欢呼;国际空间站、阿波罗登月、行星探测……人们为向太空迈出的每一步而自豪。目前,空间活动政府资助比例远远大于私人资本,绝大多数人仍是航天领域的围观者。原因主要在于进入轨道的成本很高。卫星工程包括卫星研制、地面站建造以及运载发射。传统卫星研制,首先要基于任务分析卫星轨道、功率、构型、质量、载荷等需求,然后设计卫星结构、电源、姿态和轨道控制、遥测遥控、热控、数据处理、推进、有效载荷等多个子系统,涉及多个学科领域,研制周期可达十年以上,研制成本以亿为单位计算。此外,运载发射的费用很高,重量一千克的物体发射费用等价于一千克黄金。卫星运行时需要投入大量的专业人员进行遥测遥控。高昂的投入、专业性很强的前沿技术让普通大众对航天望而却步。

开启卫星应用的“大众时代”

进入21世纪,50公斤以下的微纳卫星技术日渐活跃,特别是1999年由美国加州理工大学和斯坦福大学提出并制定了立方星标准以来,国际上微纳卫星技术迎来日新月异的发展势头。2003年,第一颗立方星发射升空,短短十年,相关技术发展很快。2017年2月15日,印度用一枚火箭向太空发射了104颗卫星,包括101颗不到10千克的纳米卫星,媒体将其比作“向太空撒了一麻袋土豆”。2017年7月14日,俄罗斯一箭73星发射成功。据美国智库SpaceWorks统计,2017年至2023年,1-50kg卫星的发射需求达2400颗。微纳卫星以体积小、功耗低、开发周期短,可编队组网,以更低的成本完成很多复杂的空间任务的优势,已被广泛试验应用于对地观测、通信、导航、空间科学探测、空间天气、深空探测和新技术试验等领域,成为空间系统的重要组成部分。然而,大部分微纳卫星制造商未摆脱传统卫星的研制方式,仅通过简化卫星功能,降低卫星质量等手段降低了卫星成本,继续进行着重复发明轮子的工作,重复开发微纳卫星软硬件,其灵活性、智能性、可复用性等方面仍然欠缺。

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为此,我们提出了软件定义卫星。它以计算为中心,以软件为手段,通过软件定义无线电、软件定义载荷、软件定义数据处理计算机、软件定义网络等手段,将传统上由分系统实现的通信、载荷等功能以软件方式实现,总体上将各类敏感器和执行机构通过软件连接为一个整体,最终实现大部分卫星功能的软件化。将应用任务与卫星硬件设计解耦,便于通过软件实现卫星功能的在轨重构,适应不断变化的应用需求。是不是难以理解?简单的说,软件定义卫星像Android智能手机一样进行软硬件研制,支持像共享单车一样的应用方式。

打开智能手机里的应用程序,像使用共享单车一样驾驭飞行在太空里的卫星——这样的场景即将成为现实。据中新社消息,我国首颗软件定义卫星“天智一号”研制进展顺利,将于今年下半年发射升空。这枚主要载荷为小型云计算平台、超分相机和智能手机的开放型卫星,能提供集成各类卫星应用的方案解决平台。不久的将来,人们不仅可为卫星开发软件,“航天应用商店”更将促使卫星应用“飞入寻常百姓家”。

像Android智能手机一样进行软硬件研制

用卫星的人比造卫星的人少

软件定义卫星借鉴智能手机的研制开发模式,包括硬件与软件两个相辅相成的两个方面。

自从1957年发射第一颗卫星开始,人类探索太空的步伐就从未停止过。但不可否认的是,无论是遥感卫星、气象卫星、导航卫星、通信卫星的一次次发射成功,还是登月计划、国际空间站和太空行走的一次次创举,太空活动至今依旧是“少数人”的“高端游戏”,大众只是航天领域的“围观者”。

在Android智能手机出现前,智能手机价格均在五六千之上,功能不多,属于手机中的阳春白雪。2007年,Google与84家硬件制造商、软件开发商及电性运营商,组建开发手机联盟共同研发改良Android系统。目前,Android市场的App数量已经超过450000,每月下载量达十亿,每天有850000台Android装置开通。同样,为了充分利用互联网丰富的开源软件,我们提出为软件定义卫星开发一个适用于卫星的类Android操作系统,构建软件定义卫星生态环境,通过该环境可以最大化地吸引各类开发人员、吸收不断更新的各类优秀开源软件,为软件定义卫星体系结构中的各层次、各模块提供自发展、自完善的机制。通过构建软件定义卫星开发工具链,可方便各类开发人员对相关软件进行编码、调试、测试、安装及部署等。在此基础上,建立航天应用App商店,向各类客户提供卫星应用App定制服务平台,方便客户根据自身需要购买或定制特定卫星功能的App应用,从而建立完善的软件定义卫星生态环境体系。

究其原因,主要在于飞行器进入轨道的高昂成本。就拿一枚普通卫星来说,研制过程首先要根据任务需求来“量身打造”,研制周期动辄数年,耗费成本常常以亿为单位计算。好不容易把卫星成功送入太空,它还是个硬件不能互换、软件不能复用的封闭系统。除干好自己原先设定的本职工作外,卫星无法实现计算资源共享或功能替代,不同“家族”的卫星也是互不“搭理”。这也难怪有研究人员曾开玩笑说,现如今用卫星的人比造卫星的人还要少。

Android智能手机的研发与传统手机产品有很大区别。老牌手机厂商纷纷退出手机制造舞台。新的Android手机产业链分工在不断细化,开发的核心聚焦在用户需求痛点的挖掘、目标市场的定位与拓展,以及商业模式的设计与探索,而在智能手机硬件产品和方案研发本身,通过基于互联网的合作共享经济,寻找‘外脑’进行设计开发外包,加速产品化进程,正在成为一种普遍的趋势。卫星的构成与智能手机类似,都拥有低功耗快速处理能力、多种多样的传感器、摄像头、GPS接收器、多种通信模块和操作系统等。智能手机性能越来越好,集成度越来越高,功能越来越多样,其迭代速度远远超过了卫星的技术更新速度。借鉴智能手机产业的研发模式有利于卫星的硬件与软件开发,势必会推动航天科学技术的发展。

近年来,微纳卫星和立方星技术的发展,为解决卫星发展应用瓶颈开辟了新前景。2017年,印度和俄罗斯先后实现了一箭104颗和一箭73颗卫星的发射,好比向太空撒了一袋子“土豆”。这些微纳卫星虽然体积小、功耗低、开发周期短、可编队组网,但绝大多数仍未摆脱传统卫星的研制方式,灵活性、智能性和可复用性依旧有待提高。

像共享单车一样的应用方式

事实上,美国国防部早在上个世纪90年代就提出了“模块化开放体系架构”,旨在将软硬件平台分解为一系列标准化模块,通过对不同模块的“搭积木”实现不同的应用效果。这种开放体系不但能方便引入技术升级,也能大幅降低使用成本,有利于提升整个系统的使用效能。在这一思想指引下,软件定义卫星由此诞生。

近两年,各种颜色的共享单车涌上了城市的大街小巷,解决了“最后一千米”出行难题,为人们上班、旅游提供了便利。软件定义卫星支持普通人像使用共享单车一样共享卫星。卫星制造商制造卫星硬件平台,卫星运营商发射并维护卫星运行,航天应用商店聚集了大量的航天应用App。普通用户不用考虑卫星的研制、发射、运行测控等问题,只是通过卫星运营商租用一定时间来达到自己的目标。任务需要的App软件可以自行开发,也可以从航天应用商店中下载,上传到租用卫星上。卫星完成任务后将用户所需数据返回给用户。

软件定义卫星是一种以天基超算平台为基础的开放型智能卫星。它以计算为中心,借助软件定义无线电、软件定义载荷、软件定义数据处理和软件定义网络等手段,把卫星上的各类传感器和计算单元通过软件连接起来,专门为你所用。通俗地讲,发射升空的软件定义卫星,就是一台运行在太空里的智能计算机,编写好实现特定功能的应用,卫星执行程序后就能为你提供“专门服务”。

——一个天文爱好者想拍夏季星空,但城市里灯光污染严重,很难获得满意的图片。他可以短期全时段租用一颗卫星采用大视场可见光相机对天成像,在没有大气遮挡的太空获得更高质量、更多暗弱目标的星空图像。

人人都能为“太空计算机”写程序

——一个具有大片农田的农场主为了避免叶圣陶老先生《多收了三五斗》里面谷贱伤农的情形,需要认真考虑种植什么种类的农作物。他可以长期分时段租用一颗周期经过本地区农田上空的卫星,定期重复获取本地区农田图像,判断农作物种植情况,从而避免某种类农作物产量过剩,造成巨大的经济损失。

有了这样一台“太空计算机”,那可真是方便了大众。想知道卫星的实时状态,人人都可以通过手机应用程序直接访问查询,甚至还能指挥卫星在轨实施“太空自拍”。为充分拉近卫星与软件开发程序员的“星地距离”,软件定义卫星还实现了主流编程环境最大程度的兼容,人人都可开发星载软件,并上传到“航天应用商店”进行软件上注和在轨试验。

——一个环境保护组织想摸清某一水域的水藻污染情况,有针对性的采取治理措施。该组织可短时租用多次重访该水域的卫星,上注图像拼接、水藻区域识别等软件,通过短时间多次重访获取的图像识别结果估计水藻污染区域以及水藻污染扩散速度,制定合理的治理措施,进行有效的环境保护。

别以为软件定义卫星还只是想象中的“下一代太空计算机”。早在2008年,欧洲航天局就针对空天飞行器应用提出了“软件定义有效载荷”概念,旨在实现针对不同场景可重构通信卫星的研制应用。美国国家航空航天局还曾在航天软件定义有效载荷体系基础上,研发了Ka波段软件无线电台、合成孔径雷达等航天应用产品。2015年,欧洲通信卫星公司和欧洲航天局开始研制“量子”新一代卫星载荷,向着实现完全软件定义卫星又迈出了重要一步。此外,能将通信、侦察与干扰融为一体的多功能软件定义卫星的研制工作,也早已悄然开始。

软件定义卫星革新了我国航天产业模式,对建设我国新型空间体系具有重大意义。同时为普通大众的航天梦提供技术支持,让卫星应用从曲高和寡到每个人的日常生活,将我们的目光延伸到宇宙,看的更高、更远、更清吧。

软件定义卫星的核心就是天基超算平台和星载操作环境,好比计算机的主板与操作系统。天基超算平台是星载传感器、执行器和通信器的动态集成,能提供强大的计算能力以及丰富的接口形式。星载操作环境主要为各类应用程序提供运行支撑,实现各类软硬件的即插即用和动态配置。此外,软件定义卫星的关键技术还包括软件定义有效载荷和应用程序组件等。软件定义有效载荷就是尽可能以软件形式实现载荷的功能,为卫星应用程序的开发和使用提供最佳“人机环境”。

为“太空计算机”编写应用程序,只需根据卫星提供的超算平台和星载操作环境,根据需求合理调配计算、存储和信息交换服务。程序成功上注卫星后,还可通过硬件载荷动态重组、软件应用动态重配,灵活改变卫星应用模块的软硬件组成,以便搭建出能满足各种任务需求的卫星系统,完成复杂多变的空间任务。

可以预见,未来有着需求可定义、硬件可重组、软件可重配、功能可重构的软件定义卫星,就是一台随时可以更换内存显卡、重装操作系统、安装不同应用软件的智能计算机。由于能根据不同任务需求加载不同组件、执行不同的应用程序,软件定义卫星也有望成为飞行在太空里的“掌中宝”。

当软件定义卫星遇到军民融合

2017年,首枚发射升空的立方体卫星“UPSat”开启了卫星开源的新时代。这台外形像个小型电脑主机,全部采用开源软硬件搭建的“小家伙”,加速了卫星应用的普及程度,也成为软件定义卫星探索的先行者。同样看到了软件定义卫星的巨大应用前景,欧洲通信卫星公司宣布再订购至少两枚“量子”系列卫星,将通过软件定义卫星的星座组建,实现面向全球的通信信号覆盖。

软件定义卫星拥有丰富的星上应用软件,能够按需重构完成不同任务部署,为更多的用户提供卫星服务,或将开启智能卫星发展新时代。当软件定义卫星遇到军民融合,它们将会书写出怎样的新时代故事?一方面,采用软件定义的开放系统构架,能有力提升卫星对载荷的适配能力和对软件算法的兼容性,把卫星彻底打造成“多面手”。另一方面,能实现高速信息传输、存储、处理和灵活应用的软件定义卫星,也将为智能化军事应用和民用领域带来无限的发展前景。

在软件定义卫星得到高度重视的通信卫星领域,传统的通信卫星设计常常在发射前数年就已经“冻结”,在此后十多年的使用过程中将保持不变。软件定义卫星具有的可重构优势,不仅能延长在轨卫星的使用寿命,还能实现辐射功率、带宽、覆盖范围和技术性能的与时俱进。这也难怪欧洲航天局就曾表示,“量子”卫星项目及其拓展的软件应用,将为无人机、飞机和舰艇编队提供更加机动灵活的通信保障服务。

同时,软件定义卫星还能为人们提供诸如精确导航、授时、精细化观测、空间态势感知等多样化服务。行驶在大洋上的海军舰艇需要获取卫星图像,不再需要与地面站联系下载处理,可直接通过舰艇终端与卫星进行“星地对话”,将大大提升战场情报快速获取与精准分析能力。同样,天文爱好者也可以通过短期全时段租用卫星,获取所需的更高质量星空图像。农民要判断本地区农作物种植情况,也可以长期分时段租用卫星,通过对比合理判断应当种植的农作物种类。诸如此类科技改变生活的场景,还有许许多多。

更为重要的是,软件定义卫星采用了开放系统构架,符合标准的软硬件都可在不同卫星平台之间灵活使用,将进一步扩充卫星系统的运用能力。借助软件定义卫星,有望搭建成互联互通的天地一体信息网,把人类的网上冲浪推向太空时代。

制图:杨俊滨

张玉民 许妍敏

张玉民 许妍敏

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