軟體定義衛星——商業航天發展的助推器

根據市場預測，全球商業航天的規模將超過1.7萬億元，商業航天的規模在2020年之前將達到8000億元。可以說，隨著國家相關政策的制定，商業航天迎來了重大的發展機遇期。

在發展商業航天的大環境具備之後，成本過高自然就成了制約商業航天發展的突出問題。按照傳統方式設計和製造一顆衛星，動輒需要建立一支成百上千人的隊伍，花費三到五年時間、幾千萬到幾億甚至幾十億元的經費。投資大、風險高、周期長，一般企業或投資者根本無法承受。降低衛星的研發成本和縮短衛星的研製周期，已經迫在眉睫。

衛星研製成本高、周期長，除了航天產品固有的複雜性高、質量/可靠性要求高等因素之外，另一個重要的原因是當前衛星的設計和生產大多是面向特定任務的。

不同的衛星之間很難做到完全兼容。即便是同一顆衛星，它所包含的遙測遙控分系統、星務分系統、載荷分系統、數傳分系統等等多個部組件都具備單獨計算單元，這些計算單元由不同單位或者部門開發，僅服務於本分系統，無法實現計算資源共享或者功能替代。

航天工程中可直接繼承和復用的產品很少，一般都需要做一些定製化工作，然後再進行大量的調試、測試、聯試。此外，目前的衛星研製大都以硬體為主，經費也大量向硬體傾斜。造成這一個現象的歷史原因是星上計算能力太差（以CPU為例，宇航級主流處理器的處理能力為幾百MIPS，性能不到商用處理器的百分之一）。因此大部分功能必須藉助定製化的硬體來完成。

為了有效降低衛星的研製成本，縮短其研製周期，靠划延長線方式的技術進步是解決不了問題的，至少在短期內無法有效解決問題。必須另闢蹊徑——大力發展軟體定義衛星就是突破口之一。發展軟體定義衛星，不但要充分借鑒計算機、互聯網、智能手機等產業的發展模式和經驗，而且要充分利用好這些產業多年來所累積的巨大設計能力、製造能力。發展軟體定義衛星的思路如下：

軟體定義(Software Defined)是近年來的熱議話題之一，那麼軟體究竟能定義些什麼呢？從軟體定義無線電，到軟體定義網路，目前已經發展到軟體定義數據中心、軟體定義信息系統，甚至有人發出了「軟體定義一切」的感慨。 軟體定義的好處是顯而易見的。首先，軟體易於復用且不增加生產成本；其次，軟體比硬體靈活，通過升級就可以更好地滿足新的應用場景和需求。

那麼，軟體定義衛星行不行得通？能不能像智能手機產業那樣，研發出類似android系統的開源的軟體解決方案，並開設一個航天應用商店？衛星製造商能不能像智能手機廠商設計生產android手機一樣來生產和製造衛星？衛星用戶能不能像手機用戶那樣從航天應用商店選擇和上注新的APP，進而讓在軌運行的衛星去承擔新的任務？傳統衛星會不會逐步演變為智能衛星？

科學院軟體研究所發起的「軟體定義衛星開放創新聯盟」在這一方面進行了有益的嘗試，並計劃於2018年6月發射其第一顆在軌試驗衛星「天智一號」（如下圖所示）。

這是一顆以軟體為主的衛星，與其他衛星不同的是，這顆衛星真的設有「航天應用商店」，人們還可以通過手機訪問這顆衛星：給它下任務，並在手機上查看執行結果。同時，這也是一顆智能衛星，可以通過上注應用軟體或是在地面訓練好的神經網路模型，在軌實時執行一些智能任務，例如智能目標檢測識別、智能雲判讀、基於強化學習的智能姿態控制等等。

如圖所示，藉助基於軟體容錯技術的分散式并行計算環境，實現了軟體和硬體的解耦，為航天應用軟體創造了一個與衛星平台無關的執行環境，同時兼容Linux和Android系統，做到了與地面主流編程環境最大程度的兼容。也就是說，只要能為Linux或Android開發軟體的程序員，都可以從容地開始自己的航天軟體生涯。

「Anyone can fly their app in the space」也是軟體定義衛星的主要目標之一；藉助商用器件陣列技術，大幅提高了星上計算性能，同時也保證了航天工程所要求的可靠性；藉助基於FPGA陣列的可重構接入環境，不但可以最大程度地兼容傳統的衛星載荷，同時也為發展軟體定義相機、軟體定義雷達、軟體定義通信等新型載荷創造了條件，為發展軟體定義衛星網路鋪平了道路。

為了將這顆衛星的能力發揮到極致，科學院軟體研究所發起舉辦了「軟體定義衛星航天應用大賽」，目前正面對科研院所、高校、公眾開展參賽設計徵集，歡迎廣大航天愛好者積极參与，動手編寫自己人生中的第一個星載軟體。

沒有規矩，不成方圓。任何一個行業，只有建立了必要的標準和規範，才能形成產業合力和有效競爭。

在軟體層面，編程環境、執行環境、數據格式等標準和規範要最大程度與計算機、互聯網、智能手機產業兼容，這樣才能夠有效利用起這三大產業中數以千萬計的人力資源和數以百億行計的代碼資源，而不至於什麼都要從頭做起。

在互聯層面，應該向互聯網、移動通信靠攏。星內互聯應最大程度地藉助乙太網、TCP/IP協議，把衛星打造成一個在盒子中的微型互聯網，即「Internet in Box」；星間局域互聯可藉助移動通信技術，將基站搬上天，並以此為基礎建立衛星星群；星間廣域互聯可以藉助現有的星間通信技術。

互聯層面的核心協議要與互聯網兼容，這樣才便於將衛星接入互聯網，或者將互聯網向太空自然延伸。當然，在互聯層面，還要充分考慮航天的特點，以便最大程度地兼容相對成熟的現有航天產品或部組件。最後，在系統層面，要充分繼承航天工程領域已經形成的標準和規範，以最大程度地保證航天工程所要求的質量和可靠性。

建立標準和規範不是哪一家單位自己的事情，需要廣大航天企事業單位的充分參與，而軟體定義衛星開放創新聯盟作為一個開放性合作平台，將致力於推動「軟體定義衛星」的進程。

在互聯網+時代，「平台+個人」將成為一種重要的產業生態模式。而開放、開源和活躍的生態環境正是軟體定義衛星這一構想取得成功的重要條件。為推動相關生態體系的建構，軟體定義衛星開放創新聯盟制定了相應的規劃步驟：

1、計劃定期舉辦軟體定義衛星高峰技術論壇，持續推動該項技術的發展。

2、將建立軟體定義衛星開放創新平台，擇機開放全部源碼，並基於互聯網構建一個支持大規模異地協同開發的雲環境，開發軟體定義衛星模擬器，搭建並維護「航天應用商店」，為廣大開發者提供有效的支撐（如下圖所示）。

3、將搭建一個軟體定義衛星測控運維試驗平台，為商業衛星接入互聯網，為通過PC、平板和智能手機靈活訪問在軌運行的衛星資源奠定技術基礎。

軟體定義衛星開放創新聯盟是非盈利性組織，其宗旨是推動相關技術的發展，在衛星製造商、衛星用戶和廣大開發者之間搭建起一座橋樑，為商業航天的發展提供助力。可以預見在不遠的將來，軟體定義衛星將改變傳統衛星的研發模式和產業格局，傳統衛星也將逐漸演變為智能衛星。在智能衛星時代，商業航天必將迎來更大的市場機遇和更廣闊的應用前景，而更多的機構甚至普通民眾，都將有機會參與其中，分享太空經濟成果、體驗商業航天帶來的生活方式的改變。

軟體定義衛星開放創新聯盟秉持開放的態度，歡迎任何單位和個人積極加入。與我們共同攜起手來，以開放、創新、合作、共贏為理念，快速推進軟體定義衛星乃至智能衛星時代的到來。

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