软件定义卫星——提升卫星智能化水平

在日前召开的2019软件定义卫星高峰论坛上，中国科学院软件研究所（以下简称软件所）研究员、软件定义卫星技术联盟秘书长赵军锁抛砖引玉，并告诉《中国科学报》：“在未来，数以万计的智能卫星将被发射到太空，并涌现出大量的卫星App软件，用手机就能访问卫星、使用卫星。”

中国工程院院士、中国科学院上海技术物理所研究员龚惠兴指出：“软件定义卫星有望降低卫星的价格、重量和功耗，让更多的科研院所、民营企业、产业部门有机会参与卫星的研制、发射和使用。”

软件定义卫星由来

卫星不仅可以影响人们的日常生活，甚至还可以重塑未来的经济形态。目前的发展现状是，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。”赵军锁说。

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，然后对卫星展开设计，整个过程包含多个子系统，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。

为此，软件所提出了软件定义卫星。“软件定义卫星以计算为中心，以软件为手段，通过软件定义无线电、载荷、数据处理计算机、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。”赵军锁解释道。

简单来说，软件定义卫星支持像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。

“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。”赵军锁指出，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。

关于软件定义卫星的应用，来自中科院软件研究所的科研人员列举了一些例子：天文爱好者可以短期全时段租用一颗卫星，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；农场主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，从而避免某种类农作物产量过剩；环境保护组织针对某一水域的水藻污染情况，可以短时租用多次重访该水域的卫星，制定合理的治理措施……

提升卫星智能化水平

可以预见，软件定义卫星不仅革新了我国航天产业模式，同时也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发展到进入走进每个人的日常生活。

赵军锁指出，软件定义卫星的未来是智能卫星。而智能卫星的发展取决于三个方面：一是星载计算能力，二是有效载荷性能，三是软件和算法。

随着软件容错技术的提高、硬件加固工艺的改进，越来越多的工业级高性能器件被用于卫星平台，这将大幅度提高星载计算能力，为发挥有效载荷的效能、支持更多的在轨信息处理任务创造必要的条件。

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，待程序员编写好实现特定功能的应用程度，由卫星来执行程序，并向用户提供特定的服务。

智能卫星的特点就是有丰富的应用软件，尤其是智能软件。随着开放卫星系统架构的建立和平台化软件解决方案的完善，势必出现大量的第三方应用程序。

对此，中国科学院院士、中科院软件所研究员林惠民表示，尽管软件定义一切的时代正在到来，但新问题随时都可能出现，软件也需要随时更新和修改。计算机虽然是智能机器，但不等于人的全部智能，新的算法还需要人定义并实现。

随着软件和算法的发展，未来的卫星在智能感知、智能控制、智能组网、智能服务方面将日益增强，原来需要在地面完成的数据处理工作将逐步迁移到星上执行，信息处理的时效性将大大提高；原来需要人的回路管理和控制工作将由卫星自主完成，地面测运控的压力将大幅降低。

清华大学计算机系教授孙增圻认为，提升卫星智能化水平需要提升卫星智能运行和应用能力，其中卫星智能运行包括自主导航、自主热控、自主管理、自主故障诊断、自主系统重构等，软件定义卫星可以在这几方面发挥作用。

发布“天智协议栈”

随着信息技术的迅猛发展，未来信息服务行业对多维综合信息资源的需求日益提高，各领域的战略信息服务将在空、天、地多维空间展开。

两院院士李德仁曾在2018软件定义卫星高峰论坛上提出，无所不在的空天地传感器将产生前所未有的时空大数据，需要建立天地一体化信息网络，这将推动软件定义卫星的跨越发展。

为解决天地一体化组网面临的动态互联、智慧接入、精准传输等核心难题，历经10多年的攻关，软件所天基综合信息系统国家级重点实验室近日发布了面向天地一体化组网的“天智协议栈”。

软件所研究员刘立祥告诉记者：“‘天智协议栈’提供了天地一体化的整体解决方案，可有效支持星座、编队、天空地一体等不同的组网模式，动态可变的组网规模和多样化的业务流程，填补了国内空白。

据悉，“天智协议栈”由5层组成，包括应用层、传输层、网络层、链路层和物理层，基础协议模块28个、核心协议模块37个，为了更好地服务于天基复杂应用环境，协议栈嵌入了天基环境、故障、安全等关键模型15个。

刘立祥介绍：“‘天智协议栈’通过不同的功能组合与调用，不仅可支持短报文、文本、指令、语音、图像、视频等常规业务类型，还具有数据分级、安全可靠、实时分发、频谱认知等不同传输模式可供选择。”

“我们还开发了一套面向天地一体化组网应用的天智网络测试床。”刘立祥说，“天智网络测试床可以灵活配置各类卫星系统，实现其体系和载荷建模，提供针对各类卫星子网的评估指标体系和计算模型，支持卫星、终端、链路等实体视景模型展现，协议模块还可按需定制、加载和卸载。”

刘立祥认为，“天智协议栈”的发布，一方面可以使国内卫星网络协议领域掀起新的研究热潮，另一方面可以凝聚更多人才，加速推进天基组网协议的发展完善，为软件定义卫星的发展提供技术支撑。