软件定义卫星研究现状与技术发展
转自：学术plus 作者：吴启星
引 言
多功能软件定义卫星是以软件无线电技术为基础，通过卫星平台与载荷的模块复用，实现卫星平台与载荷综合一体化，同时在通用硬件平台上通过软件定义功能，实现功能的动态重构，并具有在轨软件更新升级能力的综合卫星系统[1-2]。多功能软件定义卫星具有用途广、效率高、响应快、应变强等优点，其概念和理念具有创造性，改变了开发、利用空间的方式，对未来卫星技术发展具有重大引领作用[3-6]。
软件定义卫星技术涉及软件定义无线电技术、多任务载荷、多功能卫星（星座）等概念，当前关于软件定义卫星侧重于软件无线电技术的星载应用。为进一步深化软件定义卫星的内涵，促进软件定义卫星技术的应用，本文首先对软件无线电技术的卫星应用、多载荷多功能卫星、在星座上实现多功能等软件定义卫星相关国内外研究应用进展进行梳理，在此基础上，以应用效能、应用效率、应用效费比为牵引，提出多功能可重构系统架构、多任务多功能星座优化设计方法、算法组件化技术和智能化技术等软件定义卫星技术发展展望，给出了初步研究思路。
1 软件定义卫星相关研究现状
1.1国外总体研究情况
（1）软件无线电技术在卫星上的应用
基于软件定义重构硬件功能是实现单星多功能的一种高级形态，其采用软件无线电技术的基本科学内涵，设计理念不是将多种功能的硬件设备进行拼接组合，而是基于一套通用硬件平台，通过部署软件实现卫星功能的定义、更新和升级，具有高度的灵活性。
国外在基于软件定义重构卫星功能的先进概念和基础理论方面已开展了十多年的探索。文献[7-8]提出了对通信卫星利用软件无线电技术建立不同用途和传输速率的通信载荷系统，应用码分多址(code division multiple access，CDMA）技术和现场可编程逻辑门阵列（field programmable gate array，FPGA）技术重构载荷处理平台来实现对不同CDMA结构的传输应用。这种基于可重构的软件无线电技术实现载荷业务的灵活配置，具有很实际的应用背景，是可重构载荷业务的雏形。
2015年，欧洲通信卫星公司和欧洲空间局签订合同，开始研制新型“欧洲通信卫星量子”卫星，迈出了基于软件定义重构卫星功能工程实践的关键一步。该卫星属于“完全软件定义卫星”，具备改变卫星覆盖范围、频段、功率和带宽的能力，其覆盖区域可通过软件实现重新定义，卫星功率和带宽也可在轨重新配置，从而响应服务需求变化；配置的相控阵天线可通过地面指令控制波束指向，且卫星在Ku频段频率可调，因此，不受国际电信联盟对不同地区频段规定的影响。首颗“量子”卫星发射质量3 500 kg，采用全Ku频段，容量6 Gbps~7 Gbps，设计寿命15年。
（2）多载荷多功能卫星
由一颗卫星搭载多种载荷实现多种功能是实现单星多功能的有效途径，20世纪以来美日欧等各国在这方面开展了大量探测。
日本新一代具有气象探测功能的多功能运输卫星MTSAT-R1于2005年2月26日由H-2A火箭在日本南部距东京1 000 km的鹿儿岛县种子岛航天发射中心发射，该卫星搭载了气象载荷和航空管制载荷。
作为美国快速响应（ORS）计划的主要技术验证项目，Tacsat项目于2009年5月由米诺陶-1火箭发射，卫星携带超光谱成像（HIS）有效载荷，以及先进反映战术效果军事成像分光计（ARTEMIS）。
2013年9月30日，猎鹰-9（Falcon-9）火箭携带加拿大“级联小卫星和电离层磁极探索者”（CASSIOPE）科学和通信卫星，从位于加利福尼亚州的范登堡空军基地发射升空。该卫星是加拿大研发的、旨在对太空磁暴现象及规律进行研究的专业科技卫星，并携带有新型的太空通信测试设施。CASSIOPE卫星搭载有2套重要载荷：一套是由8台科学仪器组成，名为“增强型两极辐射探测仪”的具有创新意义的科学探测系统；另一套则是名为“级联”的新型数据传输及分发测试系统。
（3）分布式多种功能
多功能卫星和星座设计是降低系统投入总成本，提高应用效能的重要发展趋势。天基信息系统的建设投入不仅包括卫星产品，还涉及运载及发射、地面管控、接收处理等一系列配套系统。在此方面，欧美各国已经在多个领域，开展了大量的探索和实践，在推进卫星及星座的多功能化开发建设方面积累了丰富经验，对我军天基装备建设具有重要的参考和借鉴价值。
美国海军于20世纪60年代末启动了“美国海军海洋监视系统”（NOSS）计划，即著名的“白云”计划。到1995年止，共发展了三代“白云”系列的电子型海洋侦察卫星。“白云”系统是由1颗主星和3颗子星组成，子星间隔一定距离，在空间成三角形。子星分别接收对方雷达信号，根据时差定位技术和雷达信号特征，判明目标位置、航向和航速。第二代“白云”主星采用高级的KH-11卫星和长曲棍球雷达成像卫星，使新一代“白云”可对动态目标快速定位，并拥有多种侦察手段。
2008年，欧空局提出了“多用途卫星组网规划”项目，研究将“电信、地球观测及导航卫星集成到一个星座”。功能软件可升级，卫星通过星间链路互通，三类功能合一，实现按需快速提供地球观测、导航以及电信业务。
2002年，美军开始研究在“铱”星星座集成iGPS功能，以提高GPS导航系统的定位精度、授时精度、完好性、连续性、可用性、首次定位时间以及抗干扰能力等。铱星公司新一代星座Iridium NEXT拟在保持原有星座架构的基础上，加入对地观测功能。从目前发展来看，Iridium NEXT已经确定搭载具备气候变化监视、多光谱对地成像、空间气象监视、航空监视（ADS-B）能力的载荷，为全球范围内美军作战平台提供实时的通信/空间目标监视以及导航定位等的综合能力。
2018年，DARPA启动了“黑杰克”项目，“黑杰克”星座是一种“非地球同步轨道”（NGSO）卫星星座，将与商业低轨卫星星座共用1 000 km左右高度的轨道，在商业星座附近或者分散在商业卫星中运行，同时与商业低轨星座建立星间连接，从而利用商业低轨卫星提供的全球覆盖能力，为军事战区用户提供高性能卫星服务。
2019年美国陆军已经在各研究机构和大学征求能在雷达、电子战、信号情报和通信之间迅速转换的可配置多功能系统，其概念与软件星技术非常相近。
1.2 国内总体研究情况
自2002年提出的软件星思想以后[1]，国内从“十一五”就开始着手开展综合体系架构下多功能可重构载荷技术的研究，完成了软件星技术体制研究和有效载荷方案设计。“十二五”期间，着力攻关软件星有效载荷的多项关键技术，研制了地面原理样机，取得了显著的科技成果，为研制多功能综合卫星打下了坚实的基础。十三五”以来，逐步将功能重构等部分关键技术应用于多型多颗卫星，取得了良好效果。十四五”期间，将就多颗软件星组网应用进行更深入的论证研究并推动在轨试验。2014年立项的空间站综合电子信息试验系统利用空间站“空间尺度大、载荷量大、天地往返、有人参与”等特点，构建基于综合架构及数字阵列体制的空间电子信息系统。国防科技大学魏急波教授团队在SCA软件架构体系方面开展了长期的研究。“软件定义卫星联盟”通过“天智一号”卫星的研制与试验，配置光学相机载荷，希望验证卫星应用的app化[9]。
总体而言，国外在星载软件无线电技术和多功能卫星系统方面多有探索，但与真正意义上的多功能软件星尚有差距；国内虽然就软件星概念及其应用开展了一定研究，但侧重于技术应用。
2 软件定义卫星技术发展展望
为了进一步深化软件定义卫星的内涵，促进软件定义卫星技术的应用，进一步推动软件定义卫星事业发展，有必要在体系架构、星座优化方法、高效重构设计、智能应用技术等方面开展更深入的研究与验证。以下就上述四方面给出软件定义卫星技术发展展望。
2.1 多功能可重构系统架构
硬件体系结构优化。针对软件星多功能、可重构的要求和特点，通过对软件无线电各种硬件体系结构的分析和研究，论证和提出在目前技术条件下的软件星有效载荷的最佳硬件体系结构。从流水线结构、总线式结构、交换式网络结构、计算机网络结构等4种常用的硬件体系结构入手，从时延、带宽、效率、硬件复杂度、伸缩性、通用性等方面进行分析优化，提出定量定性评估方法，使基于该硬件体系结构设计的硬件系统既能集成实现软件星各种功能，又能通过软硬件重配置实现功能重构和升级。
软件体系结构轻量化。针对软件星多功能、可重构的需求，从常用的软件总体体系结构、软件库体系结构、流处理体系结构入手，研究开放性软件体系结构，使基于开放性软件体系结构实现的软件系统通过分层化、构件化的设计，具备灵活的软件可重组装和重配置能力。可重构软件定义卫星的软件体系结构通常参考软件总体体系结构进行优化和论证。特别地，面向星载应用，应就软件体系结构的轻量化策略进行研究，建议从操作环境的三个组成部分进行研究，包括中间件的小型化策略、核心框架的小型化策略和采用轻量级应用环境。
2.2 多功能软件星星座优化方法
由多颗软件星组成的卫星星座具有可一轨内遂行多种任务、功能可按需动态重构响应临时任务需求等特点，传统的星座优化方法一般均针对某种特定功能的卫星星座，且卫星星座的优化目标以其静态能力为主（因为卫星任务相对固定），无法满足多任务、可动态重构的软件星星座优化设计。为实现面向多任务的多功能星座优化，需研究提出跨功能且包含软件星动态能力的卫星星座性能评估指标体系，在此基础上研究提出不同任务（功能）之间异构星座性能统一评估方法，最后研究多功能星座优化算法，以期设计出满足应用任务需求的星座参数。
面向多任务的多功能星座优化设计，其核心是“可重构”、“异构”、“多功能”和“多任务”。
“可重构”意味着软件星可按需变更功能，特别适合战术应用的场合，因此在评估星座性能时不仅要考虑常用的静态指标，还要考虑星座的动态能力。
“异构”意味着星座内部卫星的构成可以存在差异（如：主辅星配置等），通常而言代价越高的卫星（星座）可以产生更高的效能，因此必须考虑在代价与效能之间的权衡。
“多功能”意味着即使在遂行某个特定任务的时候可以提供多个功能，因此星座的设计必须在多个功能的效能之间进行权衡。
“多任务”意味着星座可以遂行多个任务，因此星座的设计还必须在多个任务之间进行权衡。
为此，提出一种指标￫效能￫体系贡献率￫任务效益的面向多任务的多功能星座优化设计技术路线，如图1所示。
图1 面向多任务的多功能星座优化技术途径
2.3 多功能软件星软件组件化技术
面向基于算法组件的局部高效重构，突破情境感知的自适应高效重构技术及面向多波形的细粒度组件静态融合技术，构建组件化应用框架，发展嵌入式处理器细粒度资源虚拟化与调度理论，设计相关调度算法，使能软件定义技术在卫星系统中的应用。
算法模块细粒度组件划分、融合与评估：应用粒度划分对提升星间载荷资源利用率、优化资源效率有重要意义。然而，组件具有极大的异质性，不同组件在粒度、并行化能力、资源需求方面各不相同。此外，组件粒度影响星间载荷中应用的延时和吞吐量。因此，需要通过有效的划分、融合与评估技术优化组件粒度。针对粒度划分、融合与评估要求构建组件粒度优化框架，为组件粒度优化奠定基础。
情境感知的自适应高效重构技术：高效重构技术对实现快速功能重构有至关重要的作用。重构延时影响应用的实时性和应用重构速度。需对波形部分卸载技术及部分加载技术进行研究，构建组件定向管理分系统，为自适应高效重构技术提供支撑；同时，构建情境感知引擎，建立并存储用户动态操作序列，驱动组件定向管理分系统，从而实现情境感知的自适应高效重构。
细粒度可重构系统资源调度技术：星间载荷通常具有细粒度可重构能力，然而，硬件资源如何进行粒度划分与应用紧密相关。针对硬件资源粒度划分问题，联合采应用实时性、资源需求信息，构建应用部署-硬件资源粒度划分联合优化策略，实现星间载荷系统效率最大化。
2.4 多功能软件星智能化技术
面向软件星的智能应用，需开展微波遥感、电子侦察等典型功能智能处理算法研究，在此基础上为实现智能处理能力的快速重构，需开展面向多任务的智能处理统一网络结构及基于星载处理架构的在线推理实现方法研究，为软件星的高效重构和应用奠定技术基础。
面向多任务深度学习网络结构设计与优化：面向多任务的深度学习模型构建与训练，存在任务差异大、模型构建复杂且通用性差、模型无法自适应优化等问题，从多任务学习出发，提出基于元迁移学习的多任务深度模型，设计基于策略共享的多任务深度强化学习模型，通过两种模型高效提取跨类别任务间的泛化性特征，并利用这些特征进行深度模型元结构优化，取得更准确的分类结果。针对多任务的模型元结构展开优化，构建轻量级的多任务深度模型，提出基于遗传进化编程的深度学习模型优化方法，有效精简网络结构，实现轻量级多任务深度模型的构建与自动优化，并对图像识别、信号处理等多领域复杂任务展开验证。
智能算法在线推理实现技术：军事处理系统对系统体积、功耗、实时性等有很高要求，单一GPU架构并不一定适合。围绕星载智能处理的特点，需研究面向在线推理的硬件架构设计以及深度神经网络轻量化裁剪、量化技术，尽可能降低计算资源和存储资源开销，并研究智能推理加速实现技术，保证信息处理的实时性。