在日前召開的2019軟件定義衛(wèi)星高峰論壇上，中國科學(xué)院軟件研究所（以下簡稱軟件所）研究員、軟件定義衛(wèi)星技術(shù)聯(lián)盟秘書長趙軍鎖拋磚引玉，并告訴《中國科學(xué)報(bào)》：“在未來，數(shù)以萬計(jì)的智能衛(wèi)星將被發(fā)射到太空，并涌現(xiàn)出大量的衛(wèi)星App軟件，用手機(jī)就能訪問衛(wèi)星、使用衛(wèi)星。”

中國工程院院士、中國科學(xué)院上海技術(shù)物理所研究員龔惠興指出：“軟件定義衛(wèi)星有望降低衛(wèi)星的價(jià)格、重量和功耗，讓更多的科研院所、民營企業(yè)、產(chǎn)業(yè)部門有機(jī)會(huì)參與衛(wèi)星的研制、發(fā)射和使用。”

軟件定義衛(wèi)星由來

衛(wèi)星不僅可以影響人們的日常生活，甚至還可以重塑未來的經(jīng)濟(jì)形態(tài)。目前的發(fā)展現(xiàn)狀是，空間活動(dòng)政府資助比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于私人資本，絕大多數(shù)人仍是航天領(lǐng)域的圍觀者。“原因主要在于進(jìn)入軌道的成本很高。”趙軍鎖說。

衛(wèi)星工程包括衛(wèi)星研制、地面站建造以及運(yùn)載發(fā)射。傳統(tǒng)衛(wèi)星研制，首先要基于任務(wù)分析衛(wèi)星軌道、功率、構(gòu)型、質(zhì)量、載荷等需求，然后對(duì)衛(wèi)星展開設(shè)計(jì)，整個(gè)過程包含多個(gè)子系統(tǒng)，涉及多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，研制周期可達(dá)十年以上，研制成本以億為單位計(jì)算。

此外，運(yùn)載發(fā)射的費(fèi)用很高，重量一千克的物體發(fā)射費(fèi)用等價(jià)于一千克黃金。衛(wèi)星運(yùn)行時(shí)需要投入大量的專業(yè)人員進(jìn)行遙測遙控。高昂的投入、專業(yè)性很強(qiáng)的前沿技術(shù)，讓普通大眾對(duì)航天望而卻步。

為此，軟件所提出了軟件定義衛(wèi)星。“軟件定義衛(wèi)星以計(jì)算為中心，以軟件為手段，通過軟件定義無線電、載荷、數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)等手段，將傳統(tǒng)上由分系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的通信、載荷等功能以軟件方式實(shí)現(xiàn)。”趙軍鎖解釋道。

簡單來說，軟件定義衛(wèi)星支持像智能手機(jī)一樣進(jìn)行軟硬件研制，支持像共享單車一樣的應(yīng)用方式。

“衛(wèi)星制造商制造衛(wèi)星硬件平臺(tái)，衛(wèi)星運(yùn)營商發(fā)射并維護(hù)衛(wèi)星運(yùn)行，航天應(yīng)用商店聚集了大量的航天應(yīng)用App。普通用戶不用考慮衛(wèi)星的研制、發(fā)射、運(yùn)行測控等問題，只是通過衛(wèi)星運(yùn)營商租用一定時(shí)間來達(dá)到自己的目標(biāo)。”趙軍鎖指出，任務(wù)需要的App軟件可以自行開發(fā)，也可以從航天應(yīng)用商店中下載，上傳到租用衛(wèi)星上，衛(wèi)星完成任務(wù)后將用戶所需數(shù)據(jù)返回給用戶。

關(guān)于軟件定義衛(wèi)星的應(yīng)用，來自中科院軟件研究所的科研人員列舉了一些例子：天文愛好者可以短期全時(shí)段租用一顆衛(wèi)星，在沒有大氣遮擋的太空獲得更高質(zhì)量、更多暗弱目標(biāo)的星空?qǐng)D；農(nóng)場主可以長期分時(shí)段租用一顆周期經(jīng)過本地區(qū)農(nóng)田上空的衛(wèi)星，定期重復(fù)獲取本地區(qū)農(nóng)田圖像，從而避免某種類農(nóng)作物產(chǎn)量過剩；環(huán)境保護(hù)組織針對(duì)某一水域的水藻污染情況，可以短時(shí)租用多次重訪該水域的衛(wèi)星，制定合理的治理措施……

提升衛(wèi)星智能化水平

可以預(yù)見，軟件定義衛(wèi)星不僅革新了我國航天產(chǎn)業(yè)模式，同時(shí)也為普通大眾的航天夢提供技術(shù)支持，讓衛(wèi)星應(yīng)用從曲高和寡發(fā)展到進(jìn)入走進(jìn)每個(gè)人的日常生活。

趙軍鎖指出，軟件定義衛(wèi)星的未來是智能衛(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)，越來越多的工業(yè)級(jí)高性能器件被用于衛(wèi)星平臺(tái)，這將大幅度提高星載計(jì)算能力，為發(fā)揮有效載荷的效能、支持更多的在軌信息處理任務(wù)創(chuàng)造必要的條件。

通俗地講，發(fā)射升空的軟件定義衛(wèi)星，就是一臺(tái)運(yùn)行在太空里的智能計(jì)算機(jī)，待程序員編寫好實(shí)現(xiàn)特定功能的應(yīng)用程度，由衛(wèi)星來執(zhí)行程序，并向用戶提供特定的服務(wù)。

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，勢必出現(xiàn)大量的第三方應(yīng)用程序。

對(duì)此，中國科學(xué)院院士、中科院軟件所研究員林惠民表示，盡管軟件定義一切的時(shí)代正在到來，但新問題隨時(shí)都可能出現(xiàn)，軟件也需要隨時(shí)更新和修改。計(jì)算機(jī)雖然是智能機(jī)器，但不等于人的全部智能，新的算法還需要人定義并實(shí)現(xiàn)。

隨著軟件和算法的發(fā)展，未來的衛(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；原來需要人的回路管理和控制工作將由衛(wèi)星自主完成，地面測運(yùn)控的壓力將大幅降低。

清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系教授孫增圻認(rèn)為，提升衛(wèi)星智能化水平需要提升衛(wèi)星智能運(yùn)行和應(yīng)用能力，其中衛(wèi)星智能運(yùn)行包括自主導(dǎo)航、自主熱控、自主管理、自主故障診斷、自主系統(tǒng)重構(gòu)等，軟件定義衛(wèi)星可以在這幾方面發(fā)揮作用。

發(fā)布“天智協(xié)議棧”

隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，未來信息服務(wù)行業(yè)對(duì)多維綜合信息資源的需求日益提高，各領(lǐng)域的戰(zhàn)略信息服務(wù)將在空、天、地多維空間展開。

兩院院士李德仁曾在2018軟件定義衛(wèi)星高峰論壇上提出，無所不在的空天地傳感器將產(chǎn)生前所未有的時(shí)空大數(shù)據(jù)，需要建立天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)，這將推動(dòng)軟件定義衛(wèi)星的跨越發(fā)展。

為解決天地一體化組網(wǎng)面臨的動(dòng)態(tài)互聯(lián)、智慧接入、精準(zhǔn)傳輸?shù)群诵碾y題，歷經(jīng)10多年的攻關(guān)，軟件所天基綜合信息系統(tǒng)國家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室近日發(fā)布了面向天地一體化組網(wǎng)的“天智協(xié)議棧”。

軟件所研究員劉立祥告訴記者：“‘天智協(xié)議棧’提供了天地一體化的整體解決方案，可有效支持星座、編隊(duì)、天空地一體等不同的組網(wǎng)模式，動(dòng)態(tài)可變的組網(wǎng)規(guī)模和多樣化的業(yè)務(wù)流程，填補(bǔ)了國內(nèi)空白。

據(jù)悉，“天智協(xié)議棧”由5層組成，包括應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、鏈路層和物理層，基礎(chǔ)協(xié)議模塊28個(gè)、核心協(xié)議模塊37個(gè)，為了更好地服務(wù)于天基復(fù)雜應(yīng)用環(huán)境，協(xié)議棧嵌入了天基環(huán)境、故障、安全等關(guān)鍵模型15個(gè)。

劉立祥介紹：“‘天智協(xié)議棧’通過不同的功能組合與調(diào)用，不僅可支持短報(bào)文、文本、指令、語音、圖像、視頻等常規(guī)業(yè)務(wù)類型，還具有數(shù)據(jù)分級(jí)、安全可靠、實(shí)時(shí)分發(fā)、頻譜認(rèn)知等不同傳輸模式可供選擇。”

“我們還開發(fā)了一套面向天地一體化組網(wǎng)應(yīng)用的天智網(wǎng)絡(luò)測試床。”劉立祥說，“天智網(wǎng)絡(luò)測試床可以靈活配置各類衛(wèi)星系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)其體系和載荷建模，提供針對(duì)各類衛(wèi)星子網(wǎng)的評(píng)估指標(biāo)體系和計(jì)算模型，支持衛(wèi)星、終端、鏈路等實(shí)體視景模型展現(xiàn)，協(xié)議模塊還可按需定制、加載和卸載。”

劉立祥認(rèn)為，“天智協(xié)議棧”的發(fā)布，一方面可以使國內(nèi)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)協(xié)議領(lǐng)域掀起新的研究熱潮，另一方面可以凝聚更多人才，加速推進(jìn)天基組網(wǎng)協(xié)議的發(fā)展完善，為軟件定義衛(wèi)星的發(fā)展提供技術(shù)支撐。