軟件定義衛(wèi)星——商業(yè)航天發(fā)展的助推器

根據(jù)市場預(yù)測，全球商業(yè)航天的規(guī)模將超過1.7萬億元，中國商業(yè)航天的規(guī)模在2020年之前將達(dá)到8000億元?？梢哉f，隨著國家相關(guān)政策的制定，商業(yè)航天迎來了重大的發(fā)展機(jī)遇期。

在發(fā)展商業(yè)航天的大環(huán)境具備之后，成本過高自然就成了制約商業(yè)航天發(fā)展的突出問題。按照傳統(tǒng)方式設(shè)計(jì)和制造一顆衛(wèi)星，動輒需要建立一支成百上千人的隊(duì)伍，花費(fèi)三到五年時(shí)間、幾千萬到幾億甚至幾十億元的經(jīng)費(fèi)。投資大、風(fēng)險(xiǎn)高、周期長，一般企業(yè)或投資者根本無法承受。降低衛(wèi)星的研發(fā)成本和縮短衛(wèi)星的研制周期，已經(jīng)迫在眉睫。

不同的衛(wèi)星之間很難做到完全兼容。即便是同一顆衛(wèi)星，它所包含的遙測遙控分系統(tǒng)、星務(wù)分系統(tǒng)、載荷分系統(tǒng)、數(shù)傳分系統(tǒng)等等多個(gè)部組件都具備單獨(dú)計(jì)算單元，這些計(jì)算單元由不同單位或者部門開發(fā)，僅服務(wù)于本分系統(tǒng)，無法實(shí)現(xiàn)計(jì)算資源共享或者功能替代。

航天工程中可直接繼承和復(fù)用的產(chǎn)品很少，一般都需要做一些定制化工作，然后再進(jìn)行大量的調(diào)試、測試、聯(lián)試。此外，目前的衛(wèi)星研制大都以硬件為主，經(jīng)費(fèi)也大量向硬件傾斜。造成這一個(gè)現(xiàn)象的歷史原因是星上計(jì)算能力太差（以CPU為例，宇航級主流處理器的處理能力為幾百M(fèi)IPS，性能不到商用處理器的百分之一）。因此大部分功能必須借助定制化的硬件來完成。

為了有效降低衛(wèi)星的研制成本，縮短其研制周期，靠劃延長線方式的技術(shù)進(jìn)步是解決不了問題的，至少在短期內(nèi)無法有效解決問題。必須另辟蹊徑——大力發(fā)展軟件定義衛(wèi)星就是突破口之一。發(fā)展軟件定義衛(wèi)星，不但要充分借鑒計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)、智能手機(jī)等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展模式和經(jīng)驗(yàn)，而且要充分利用好這些產(chǎn)業(yè)多年來所累積的巨大設(shè)計(jì)能力、制造能力。發(fā)展軟件定義衛(wèi)星的思路如下：

軟件定義(Software Defined)是近年來的熱議話題之一，那么軟件究竟能定義些什么呢？從軟件定義無線電，到軟件定義網(wǎng)絡(luò)，目前已經(jīng)發(fā)展到軟件定義數(shù)據(jù)中心、軟件定義信息系統(tǒng)，甚至有人發(fā)出了“軟件定義一切”的感慨。 軟件定義的好處是顯而易見的。首先，軟件易于復(fù)用且不增加生產(chǎn)成本；其次，軟件比硬件靈活，通過升級就可以更好地滿足新的應(yīng)用場景和需求。

那么，軟件定義衛(wèi)星行不行得通？能不能像智能手機(jī)產(chǎn)業(yè)那樣，研發(fā)出類似android系統(tǒng)的開源的軟件解決方案，并開設(shè)一個(gè)航天應(yīng)用商店？衛(wèi)星制造商能不能像智能手機(jī)廠商設(shè)計(jì)生產(chǎn)android手機(jī)一樣來生產(chǎn)和制造衛(wèi)星？衛(wèi)星用戶能不能像手機(jī)用戶那樣從航天應(yīng)用商店選擇和上注新的APP，進(jìn)而讓在軌運(yùn)行的衛(wèi)星去承擔(dān)新的任務(wù)？傳統(tǒng)衛(wèi)星會不會逐步演變?yōu)橹悄苄l(wèi)星？

中國科學(xué)院軟件研究所發(fā)起的“軟件定義衛(wèi)星開放創(chuàng)新聯(lián)盟”在這一方面進(jìn)行了有益的嘗試，并計(jì)劃于2018年6月發(fā)射其第一顆在軌試驗(yàn)衛(wèi)星“天智一號”（如下圖所示）。

這是一顆以軟件為主的衛(wèi)星，與其他衛(wèi)星不同的是，這顆衛(wèi)星真的設(shè)有“航天應(yīng)用商店”，人們還可以通過手機(jī)訪問這顆衛(wèi)星：給它下任務(wù)，并在手機(jī)上查看執(zhí)行結(jié)果。同時(shí)，這也是一顆智能衛(wèi)星，可以通過上注應(yīng)用軟件或是在地面訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，在軌實(shí)時(shí)執(zhí)行一些智能任務(wù)，例如智能目標(biāo)檢測識別、智能云判讀、基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的智能姿態(tài)控制等等。

“天智一號”參照的體系架構(gòu)如下：

如圖所示，借助基于軟件容錯(cuò)技術(shù)的分布式并行計(jì)算環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了軟件和硬件的解耦，為航天應(yīng)用軟件創(chuàng)造了一個(gè)與衛(wèi)星平臺無關(guān)的執(zhí)行環(huán)境，同時(shí)兼容Linux和Android系統(tǒng)，做到了與地面主流編程環(huán)境最大程度的兼容。也就是說，只要能為Linux或Android開發(fā)軟件的程序員，都可以從容地開始自己的航天軟件生涯。

“Anyone can fly their app in the space”也是軟件定義衛(wèi)星的主要目標(biāo)之一；借助商用器件陣列技術(shù)，大幅提高了星上計(jì)算性能，同時(shí)也保證了航天工程所要求的可靠性；借助基于FPGA陣列的可重構(gòu)接入環(huán)境，不但可以最大程度地兼容傳統(tǒng)的衛(wèi)星載荷，同時(shí)也為發(fā)展軟件定義相機(jī)、軟件定義雷達(dá)、軟件定義通信等新型載荷創(chuàng)造了條件，為發(fā)展軟件定義衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)鋪平了道路。

為了將這顆衛(wèi)星的能力發(fā)揮到極致，中國科學(xué)院軟件研究所發(fā)起舉辦了“軟件定義衛(wèi)星航天應(yīng)用大賽”，目前正面對科研院所、高校、公眾開展參賽設(shè)計(jì)征集，歡迎廣大航天愛好者積極參與，動手編寫自己人生中的第一個(gè)星載軟件。

沒有規(guī)矩，不成方圓。任何一個(gè)行業(yè)，只有建立了必要的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，才能形成產(chǎn)業(yè)合力和有效競爭。

在軟件層面，編程環(huán)境、執(zhí)行環(huán)境、數(shù)據(jù)格式等標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范要最大程度與計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)、智能手機(jī)產(chǎn)業(yè)兼容，這樣才能夠有效利用起這三大產(chǎn)業(yè)中數(shù)以千萬計(jì)的人力資源和數(shù)以百億行計(jì)的代碼資源，而不至于什么都要從頭做起。

在互聯(lián)層面，應(yīng)該向互聯(lián)網(wǎng)、移動通信靠攏。星內(nèi)互聯(lián)應(yīng)最大程度地借助以太網(wǎng)、TCP/IP協(xié)議，把衛(wèi)星打造成一個(gè)在盒子中的微型互聯(lián)網(wǎng)，即“Internet in Box”；星間局域互聯(lián)可借助移動通信技術(shù)，將基站搬上天，并以此為基礎(chǔ)建立衛(wèi)星星群；星間廣域互聯(lián)可以借助現(xiàn)有的星間通信技術(shù)。

互聯(lián)層面的核心協(xié)議要與互聯(lián)網(wǎng)兼容，這樣才便于將衛(wèi)星接入互聯(lián)網(wǎng)，或者將互聯(lián)網(wǎng)向太空自然延伸。當(dāng)然，在互聯(lián)層面，還要充分考慮航天的特點(diǎn)，以便最大程度地兼容相對成熟的現(xiàn)有航天產(chǎn)品或部組件。最后，在系統(tǒng)層面，要充分繼承航天工程領(lǐng)域已經(jīng)形成的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，以最大程度地保證航天工程所要求的質(zhì)量和可靠性。

建立標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范不是哪一家單位自己的事情，需要廣大航天企事業(yè)單位的充分參與，而軟件定義衛(wèi)星開放創(chuàng)新聯(lián)盟作為一個(gè)開放性合作平臺，將致力于推動“軟件定義衛(wèi)星”的進(jìn)程。

在互聯(lián)網(wǎng)+時(shí)代，“平臺+個(gè)人”將成為一種重要的產(chǎn)業(yè)生態(tài)模式。而開放、開源和活躍的生態(tài)環(huán)境正是軟件定義衛(wèi)星這一構(gòu)想取得成功的重要條件。為推動相關(guān)生態(tài)體系的建構(gòu)，軟件定義衛(wèi)星開放創(chuàng)新聯(lián)盟制定了相應(yīng)的規(guī)劃步驟：

1、計(jì)劃定期舉辦軟件定義衛(wèi)星高峰技術(shù)論壇，持續(xù)推動該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展。

2、將建立軟件定義衛(wèi)星開放創(chuàng)新平臺，擇機(jī)開放全部源碼，并基于互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建一個(gè)支持大規(guī)模異地協(xié)同開發(fā)的云環(huán)境，開發(fā)軟件定義衛(wèi)星模擬器，搭建并維護(hù)“航天應(yīng)用商店”，為廣大開發(fā)者提供有效的支撐（如下圖所示）。

3、將搭建一個(gè)軟件定義衛(wèi)星測控運(yùn)維試驗(yàn)平臺，為商業(yè)衛(wèi)星接入互聯(lián)網(wǎng)，為通過PC、平板和智能手機(jī)靈活訪問在軌運(yùn)行的衛(wèi)星資源奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

軟件定義衛(wèi)星開放創(chuàng)新聯(lián)盟是非盈利性組織，其宗旨是推動相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，在衛(wèi)星制造商、衛(wèi)星用戶和廣大開發(fā)者之間搭建起一座橋梁，為商業(yè)航天的發(fā)展提供助力?？梢灶A(yù)見在不遠(yuǎn)的將來，軟件定義衛(wèi)星將改變傳統(tǒng)衛(wèi)星的研發(fā)模式和產(chǎn)業(yè)格局，傳統(tǒng)衛(wèi)星也將逐漸演變?yōu)橹悄苄l(wèi)星。在智能衛(wèi)星時(shí)代，商業(yè)航天必將迎來更大的市場機(jī)遇和更廣闊的應(yīng)用前景，而更多的機(jī)構(gòu)甚至普通民眾，都將有機(jī)會參與其中，分享太空經(jīng)濟(jì)成果、體驗(yàn)商業(yè)航天帶來的生活方式的改變。

軟件定義衛(wèi)星開放創(chuàng)新聯(lián)盟秉持開放的態(tài)度，歡迎任何單位和個(gè)人積極加入。與我們共同攜起手來，以開放、創(chuàng)新、合作、共贏為理念，快速推進(jìn)軟件定義衛(wèi)星乃至智能衛(wèi)星時(shí)代的到來。