發展軟件定義衛星的總體思路與技術實踐

+ 趙軍鎖 吳鳳鴿 劉光明 李丹 潘晏濤（中國科學院軟件研究所）

軟件定義的說法始于軟件定義無線電。美國國防部1990s提出了模塊化開放體系架構(MOSA)的概念。MOSA的核心思想是：首先通過軟硬件解耦將系統分解為一系列標準化的軟硬件模塊，然后再通過對這些軟硬件模塊進行不斷的升級和重組，逐步提升整個系統的效能。采用MOSA架構的設備，不但便于引入新技術、便于升級改造，而且由于可選擇的供應商多，也便于控制和降低成本。美軍基于MOSA和軟件定義的思想，對其電臺和雷達進行了升級和改造，都取得了良好的效果。軟件定義無線電、軟件定義雷達的成功，顯示了MOSA和軟件定義的巨大威力[1,2]。

隨著計算機、通信和人工智能技術的發展，軟件和算法在各行各業中發揮的作用越來越大，在互聯網生態環境下，軟件定義正在成為一種新的發展趨勢。從軟件定義無線電、軟件定義雷達，到軟件定義網絡、軟件定義存儲、軟件定義數據中心，再到軟件定義一切[3]、軟件定義世界，人的智力通過軟件和算法快速向外延伸，極大地提高了各行各業的智能化程度和整個社會的智能化水平，人類的生活再也離不開軟件代碼了，在數以百億計的各種處理器上日夜運行的代碼成為驅動這個世界正常運轉和向前發展的最為重要、最為強大的力量之一。

與開放的互聯網生態環境相比，航天產業顯得相對封閉，其研發基本上還是以硬件為主，軟件為輔。比較常見的做法是為某個具體的功能或任務定制一顆衛星，研發周期長、研發成本高。不同型號的衛星在硬件上互不適配，部組件無法互換；在軟件上互不兼容，為某個型號研制的軟件無法在另一個型號的衛星上直接運行。廣大的第三方也無法為某個衛星型號開發并在其上部署軟件。

這種以硬件為主、軟件為輔的研發思路已經成為制約航天技術發展的重要瓶頸之一。發展以天基先進計算平臺和星載通用操作環境為核心，采用開放系統架構，支持有效載荷即插即用、應用軟件按需加載、系統功能按需重構的新一代衛星系統勢在必行。

發展軟件定義衛星關鍵在于解除衛星產品軟硬件之間的耦合關系，使得衛星軟件可以獨立演化、按需加載、動態重構，從而可以在不改變硬件的情況下實現更多的功能，完成更多的任務。本文將圍繞如何解除衛星產品軟硬件之間的緊耦合關系，以實現衛星軟件的獨立演化，提高衛星智能化水平為主線，討論發展軟件定義衛星技術的總體思路和一些工程實踐活動。

1 天智工程介紹

天智工程的目標是發展天基智能,該計劃將通過一系列新技術試驗衛星的研制，推動軟件定義衛星技術的發展，對軟件定義衛星所涉及的一些關鍵技術進行在軌演示驗證，加快傳統衛星向智能衛星演化速度。

天智工程所使用的衛星模型稱之為CACAS （Computing platform, Apps, Communicators, Actuators, Sensors),即任何衛星都包含若干傳感器(Sensors)、執行器(Actuators)和通信單元(Communicators)，并以計算平臺(Computing platform)為核心，支持多種多樣的應用程序(Apps)。CACAS模型是典型的開放系統架構，以通用計算平臺為核心，通過接入不同的有效載荷，加載不同的Apps，即可快速重構出具有不同功能的衛星系統。這是一個通用模型，不僅使用于各種類型的衛星,也適用于很多形式的端系統節點(例如無人機、無人車等)，如圖1所示。

在CACAS模型中，通用計算平臺是核心。天智工程希望借助通用計算平臺解除衛星軟硬件之間的緊耦合關系，使其可以各自獨立演化。在API之上，一切皆可編程；在API之下，以模塊化、標準化為基礎，遵循“如無必要，勿增實體”的原則，簡化硬件實現。

通過不斷提升天基先進計算平臺的計算性能，不斷豐富、改進星載軟件和算法，對衛星平臺和有效載荷進行瘦身（將其功能盡可能地遷移到計算平臺之上，改用軟件實現）。通過軟件和算法的快速迭代和演化，實現衛星產品的持續演進。在天基先進計算平臺和星載通用操作環境之上，安裝不同的軟件，即可實現不同的功能，完成新的空間任務。通過軟件升級，還可以對既有功能進行完善，或者提高其性能、修復其故障。

此外，天基先進計算平臺還具有豐富的接口形式，可以支持各類有效載荷的即插即用，包括多模通信單元、各種傳感器和執行機構。

在技術實現上，CACAS中的天基先進計算平臺采用了以POE TTE交換機為核心的技術路線，如圖2所示。

其中計算節點的一般實現形式為CPU+FPGA(或其他專用計算引擎)。如圖3所示。

圖1 軟件定義衛星的概念模型CACAS

圖2 CACAS模型中的計算平臺

計算節點之間通過POE TTE交換機相連，并可以通過標準板級接口連接至接口擴展卡，最終連接至傳感器、執行機構、天線或通信單元。根據計算節點的CPU和FPGA的選型、DDR和Flash的容量和性能，可以把計算節點細分為通用計算節點、算法加速節點、高速存儲節點和大容量存儲節點。

可以看出，天基先進計算平臺在體系架構上和互聯網中最為常見的計算環境是兼容的，這樣做的目的也是為了能夠更多地使用現有的高質量的開源代碼資源，降低廣大程序員開發星載軟件的學習門檻。和互聯網主流計算環境不同的是，天智先進計算平臺中采用了冗余架構，并大量使用的FPGA作為算法加速部件。這樣做有三個考慮，一是為了容錯，提供可靠性，二是為了提高星載計算效能，三是為了方便接口擴展，能夠支持更多的現有載荷。

星載通過操作環境是面向衛星的一個平臺化的軟件解決方案，我們稱之為Sputnix。Sputnix是基于Linux和大量的第三方函數庫構建出來的，在保持簡單性、靈活性、可擴展性的同時，擁有強大的可重構能力、計算能力和容錯能力。其系統架構如圖4所示。

星載通用操作環境由“有效載荷接入和算法加速環境”、“基于軟件容錯技術的高性能分布式計算環境”、“與地面主流計算環境兼容的應用程序執行環境”、“實時數據處理引擎”、“智能信息處理引擎”、“離線數據處理引擎”組成。

圖3 計算節點的通用形式

圖4 標準化的星載通用操作環境

其中“有效載荷接入和計算加速環境”以FPGA為主，用于提供有效載荷接入所需要的各種接口，并承擔計算密集型載荷數據預處理算法的計算加速、實時性要求高的控制密集型算法的實時性保障和帶寬要求高的IO密集型的數據收發；

“與地面主流計算環境兼容的應用程序執行環境”用于支撐星載APP的動態加載、執行和調度；

“基于軟件容錯技術的高性能分布式計算環境”是整個星載操作環境的核心，其作用相當于操作系統，用于管理CPU計算陣列、Flash存儲陣列、FPGA計算陣列、DSP計算陣列、GPU計算陣列等硬件資源池。除了資源調度之外，其主要功能是檢測硬件故障、隔離硬件故障、修復硬件故障，對上提供連續有效的可靠計算服務、存儲服務和信息交換服務。

“實時數據處理引擎”用于支持在軌實時數據處理任務。

“智能信息處理引擎”用于支持在軌智能信息數據任務。

“離線數據處理引擎”用于支持無實時性要求的一般性后臺數據處理任務。

2 發展軟件定義衛星的總體思路

天智工程的主要任務是研制一系列的新技術試驗衛星，以推動軟件定義衛星技術的發展，其主要目標如下：

（1）建立開放的衛星系統架構。與傳統衛星大多屬于封閉系統不同，軟件定義衛星應該采用開放的系統架構。首先，這將有利于提升衛星系統對有效載荷的適配能力、對軟件/算法的兼容能力，做到符合標準的硬件部件和軟件組件可以即插即用、互相替換。其次，這將有助于催生更多的第三方廠商，形成更多的貨架級產品，從而有效降低整星的研發成本，縮短其研發周期。

（2）借助平臺化的軟件解決方案解除衛星系統軟硬件之間的緊耦合關系，讓衛星軟件可以脫離硬件而獨立演化，而不再和某個具體的衛星型號、特定的硬件單機綁定。就像Unix/Linux/Windows/MacOS這些平臺化軟件解決方案對互聯網產業、Android/ios對移動互聯網產業產生了巨大的推動作用一樣，面向衛星的平臺化軟件解決方案可能引發航天產業生態的變革。

（3）發展第三方應用程序，不斷提升衛星在軌智能信息處理能力，加速傳統衛星向智能衛星的演變。通過不斷升級軟件和算法逐漸提升衛星自身的環境自感知能力、自主運行能力和在軌智能信息處理能力以及決策能力，可有效降低衛星的運維成本，讓衛星能夠完成更為復雜的空間任務，發揮更大的效能，在國防、經濟發展中發揮更大的作用，為商業航天建立更好的生態環境。

圖5 天智星云開放式試驗環境

圖6 各自為政的航天測控網方案

圖7 統一協議標準的航天測控網方案

圖8 天智星云測運控平臺

為了達到上述三個目標，只著眼于天智系列新技術試驗衛星明顯是不夠的。還有兩件事情亟待推進，一是拉近衛星與開發者的距離，讓普通程序員就可以開發和發布星載APP；二是拉近衛星與大眾的距離，讓普通大眾可以方便地訪問和使用衛星。為此，天智工程組搭建了天智星云開放式試驗環境，其功能和組成如圖5所示。

其中，天智星云測運控平臺的目的是最大程度地發揮現有天地基測控資源的效能，為在軌運行的天智系列新技術試驗衛星（用于軟件定義衛星技術的開發、測試和在軌試驗驗證）提供靈活高效的測運控服務。天智星云大數據平臺的目的是對來自天智系列新技術試驗衛星的數據進行接收、轉換、存儲、匯總、分析、解釋、利用、交換與分發，為不同行業的用戶提供及時準確的信息服務，以發揮其最大效能，二者均可基于云計算平臺或超算平臺構建。

天智星云訪問者門戶，承擔著打通天智系列新技術試驗衛星和互聯網用戶之間的信息鏈路的作用，方便用戶通過互聯網訪問衛星。

天智星云開發者平臺用于為天智系列新技術試驗衛星、天智星云測運控平臺、天智星云大數據平臺開發軟件。

天智系列新技術試驗衛星、天智星云測運控平臺和天智星云大數據平臺均采用開放系統架構，支持第三方應用程序的部署。為了保證天智系列新技術試驗衛星、天智星云測運控平臺、天智星云大數據平臺三者之間最大程度地兼容和互操作性，必須制定統一的API/ABI規范和數據規范。為了保證不同廠家的星載產品能夠互換，必須制定開放的天基先進計算架構規范;為了保證天智系列新技術試驗衛星、天地基測運控資源、天智星云測運控平臺之間能夠互聯互通，行業用戶能夠方便地訪問天智系列新技術試驗衛星，必須建立相關的通信、服務和安全規范。上述問題是軟件定義衛星標準化工作的核心問題，對于推動智能衛星的發展至關重要。標準規范的建立是軟件定義衛星技術聯盟的主要工作之一。

3 天智星云開放測運控技術試驗平臺

現有的衛星和測控站一般都自成體系。測控站和衛星之間、廣大用戶和測控站之間只能采用私有協議進行通信和交互，極大地阻礙了對測控資源的綜合利用，也阻礙了衛星效能的發揮。如圖6所示。

在這種模式下，一般衛星公司只能選擇和個別測運控公司合作，一般衛星用戶也只能選擇從個別測運控公司接收載荷數據，造成了測控資源巨大浪費。這是一個壁壘重重，需要不斷重復發明輪子的生態環境。很明顯，這樣的生態環境十分不利于航天測控網的健康發展，同時也阻礙了軍民深度融合。

為了建立良好的生態環境，航天測控采用統一的協議標準十分重要。標準分為兩個部分，首先是星地接口部分，其次是地面系統部分。建立了星地接口標準之后，原則上衛星公司可以選擇任意地面站對其衛星進行測控。建立了地面系統標準之后，原則上衛星用戶便可以通過標準接口經由互聯網VPN訪問符合標準的地面站，訪問不同的衛星。如圖7所示。

但這里邊有一個問題，雖然在衛星、測控站和衛星用戶之間建立了統一的技術接口，但各家仍然需要面臨不同的商務接口。為了利用更多的資源，無論是衛星廠商、測控服務提供商、還是衛星用戶，都需要和多家公司進行商務談判，簽訂多份合約。在這種生態環境下，并不能對隸屬多家公司的測控資源進行綜合利用，也不利于衛星用戶方便地獲取衛星服務。

由此可見，無論是傳統的測運控環境，還是正在逐步走向標準化的下一代測運控系統，都無法充分對在軌衛星資源和測控資源進行高效利用，為不同行業的用戶提供更為方便和全面的服務。其開放性和共享性都有待增強。

因此，建立一個開放、共享的測運控試驗環境，發展智能測運控技術是十分必要的。天智星云測運控平臺就是針對上述問題而建立的。

天智星云測運控平臺是一個可以集成第三方天地基測控資源的云平臺。建立該平臺的目的有三個，第一，對天智系列新技術試驗衛星進行測運控；第二，通過互聯網對外提供服務，讓普通人能夠方便地通過智能手機、或者瀏覽器訪問天智系列新技術試驗衛星；第三，進行測運控新體制、新技術試驗，發展一種能夠調配數千個測控站、數傳站為在軌運行的成千上萬個衛星提供智能測運控服務的能力。

天智星云測運控平臺采用的是可以共享的開放系統架構，不但可以方便地動態集成第三方測控資源，包括天基、地基和?；?，還可以集成廣大第三方開發的測運控軟件，例如：數據解析與可視化、任務規劃、智能信息處理、協議轉換、星地時統、加解密、解壓縮、衛星遙測大數據分析、故障診斷和預測等。如圖8所示。

天智星云測運控平臺歡迎第三方閑置的測控資源能夠接入進來，也歡迎任何組織和個人為平臺開發軟件。除了為天智系列新技術試驗衛星進行測運控之外，該平臺還可以為其他商業衛星提供測運控服務。

4 天智星云開放航天大數據試驗平臺

天智星云開放式大數據試驗平臺是一個典型的云計算環境，其概念視圖如圖9所示：

首先，該平臺可以接入各種類型的衛星數據，經過格式轉換之后，存入存儲服務器和數據庫。其次，可以支撐廣大第三方的智能信息處理程序，將衛星數據轉化為信息，為各行各業的用戶提供服務。

5 天智星云應用開發者平臺

天智星云開發者平臺是以天智系列新技術試驗衛星為基礎，用于推動軟件定義衛星技術發展、推動傳統衛星向智能衛星轉變的星載軟件云端協同開發環境。在天智星云應用開發者平臺上，開發人員可以基于云端開發環境和虛擬衛星在線完成星載App軟件的全部開發工作和大部分測試工作，然后通過天智星云測運控平臺在桌面衛星上完成少量與硬件緊密相關的測試工作，最后將其App發布到在太空中飛行的天智系列新技術試驗衛星上，開展在軌飛行試驗。天智星云應用開發者平臺大大降低了程序員開發星載App的難度并且提高了開發效率。如圖10所示。

天智星云應用開發者平臺的主要功能是為每一個開發者提供一個專屬的云端開發環境和一顆與之配套使用的虛擬衛星。開發者通過瀏覽器界面可以更改虛擬衛星的默認配置、查看虛擬衛星的飛行狀態，在其上加載、運行、測試自己開發的App。開發者通過瀏覽器可以登錄到云端開發環境，在線完成App軟件的全部開發和大部分調試測試工作。借助云端開發環境,可以免去開發人員親自動手搭建和維護本地開發環境的繁雜工作，讓開發人員專注于開發本身,并且可以利用云端的代碼資源和數據資源，從而大幅度提高開發效率。

圖10 天智星云開發者平臺

圖9 天智星云航天大數據平平臺

在開發過程中，除了可以利用虛擬衛星開展App的調試、測試之外，還可以通過天智星云測運控系統將App發布到桌面衛星上，在“真實”的運行環境下進行模飛測試，甚至將App發布到在軌飛行的天智一號衛星上開展在軌飛行試驗。虛擬衛星和天智一號衛星具有完全兼容的應用程序執行環境，桌面衛星是天智一號衛星的模樣星，在電性能上和在太空中飛行的天智一號衛星沒有任何差別。利用虛擬衛星和桌面衛星，開發者可以在正式發布App之前進行充分的測試。

天智星云測運控系統和天智一號桌面衛星直接相連，并通過測控站、數傳站和在太空中飛行的天智一號衛星相連。開發者無論是在虛擬衛星、桌面衛星還是在天智一號衛星上均可運行自己開發的App軟件，并且通過瀏覽器或者“追星App”查看任務執行結果。

6 發展軟件定義衛星技術的路線圖

發展軟件定義衛星技術的路線圖如下：

（1）以衛星開放系列架構為基礎，規范軟件定義衛星技術的發展。建立起軟件定義衛星開放系統架構相關的標準規范體系。涵蓋天基超算平臺、星載操作環境、星載APP開發規范、有效載荷接入規范、有效載荷數據規范等多個方面。

（2）以天智星云開發者平臺為依托發展航天軟件。在完善衛星平臺化軟件解決方案Sputnix的同時，通過舉辦航天應用創新設計大賽，鼓勵高校和科研院所的科研人員、研究生、大學生積極投入到航天軟件的開發中來，形成數量眾多、功能豐富的航天應用軟件庫，以支持空間應用的靈活實現。

（3）以天智系列新技術試驗衛星為抓手推動軟件定義衛星技術的發展。研制天智系列新技術試驗衛星，對軟件定義衛星關鍵技術進行在軌驗證，包有效載荷動態重組、應用軟件動態重配、衛星功能按需重構等，全面評估軟件定義衛星對通信、導航、遙感、氣象、科學探測等空間任務的支持能力，推動傳統衛星向智能衛星演變。

其中（1）、（3）工作主要在軟件定義衛星技術聯盟框架下進行；（2）則完全開放，任何組織和個人均可注冊和登錄到天智星云開發者平臺，參與航天軟件的開發。

7 發展與展望

軟件定義衛星的未來是智能衛星。而智能衛星的發展取決于三個方面：一是星載計算能力，二是有效載荷性能，三是軟件和算法。

隨著軟件容錯技術的提高、硬件加固工藝的改進，越來越多的工業級高性能器件將被用于衛星平臺，這勢必大幅度提高星載計算能力，為發揮有效載荷的效能，支撐更多的在軌信息處理任務創造必要的條件。

目前，很多有效載荷通過硬件設計進一步提升其性能均遇到了較大的瓶頸，在接下來的一段時間之內，軟件和算法將在提升有效載荷的功能和性能方面發揮較大的作用，例如通過計算攝影技術提升成像質量。按照接口標準化、硬件最小化、軟件最大化的指導思想，盡可能以軟件形式實現載荷的功能，并將這部分軟件從載荷內部遷移到通用計算平臺之上，借助于計算能力的提升、算法的改進，即可不斷擴充有效載荷的功能、提升其性能。通過提高相關算法的通用性、提高相關軟件(含可以配置到FPGA中的IP核資源)的復用度，可以不斷縮短有效載荷的研制周期、降低有效載荷的研制成本。通過公開底層硬件細節，鼓勵第三方參與有效載荷軟件的研發，將逐步推動有效載荷向開放式、模塊化、可重配、自適應的方向發展。

智能衛星的特點就是有豐富的應用軟件，尤其是智能軟件。隨著開放衛星系統架構的建立和平臺化軟件解決方案的完善，勢必出現大量的第三方應用程序，在衛星資源的調度和管理、有效載荷接入、載荷數據的預處理和智能信息處理、衛星狀態信息分析和故障預判、自主任務規劃、星地通信、星間通信等方面發揮重要作用。隨著軟件和算法的發展，未來的衛星在智能感知、智能控制、智能組網、智能服務方面將日益增強，原來需要在地面完成的數據處理工作將逐步遷移到星上執行，信息處理的時效性將大大提高；原來需要人在回路的管理和控制工作將由衛星自主完成，地面測運控的壓力將大幅降低。

最后，智能衛星星群的發展有助于我們從太空對地球進行更精細、更全面的實時觀測，為全球任何角落的用戶提供更好的通信、定位和導航服務，將極大地增強全球范圍內的經濟繁榮、安全與和平。

[1]Nelson John A. Net centric radar technology and development using an open system architecture approach[J]. IEEE National Radar Conference Proceedings,2010, 1476-1479.

[2]DoD. Department of Defense Instruction：5000.02.2008.

[3]梅宏. 軟件定義一切——機遇和挑戰. CNCC2017