洛馬公司智能衛星軟件定義架構技術方案研究

北京航天長征科技信息研究所 許 源 才 華 李 攀 劉祎然

一、引言

軟件定義衛星的興起以微納衛星技術的發展為基礎，是利用通用化和模塊化設計思路設計提出的一種新型衛星[1]。曾有研究人員將軟件定義衛星的研制與使用概括為“智能手機的軟硬件研制模式，共享單車的應用方式”，并給出了解釋性定義，即改變分系統實現通信、載荷等功能的傳統模式，將應用任務與衛星硬件設計解耦，以計算為中心、以軟件為手段，通過軟件定義無線電、載荷、數據處理計算機、網絡等，將各類敏感器和執行機構連接為一個整體，使得衛星功能軟件化，從而實現衛星功能在軌重構，適應不斷變化的應用需求[2]。美國、歐洲、中國等國家和地區已經開始了相關研究，分別提出了不同的設計方案，開展了不同程度的工程化應用。

目前，關于軟件定義衛星的技術方案與應用前景偏向于商業應用，如改善無線網絡欠發達地區以及解決無線網絡無法覆蓋地區的通信問題等，但對軟件定義技術以及軟件定義衛星的軍事應用關注較少。本文將從跟蹤分析美國洛馬公司在軟件定義衛星領域的專利技術方案出發，結合美國政府、智庫公開的軟件定義技術在太空和軍事領域的應用計劃，探討軟件定義衛星在軍事領域的技術發展和應用前景。

二、洛馬公司智能衛星發展概述

美國洛馬公司在2019年推出了名為智能衛星的軟件定義架構，將網絡技術與航天技術有機結合，形成新一代航天技術，支撐衛星在軌任務調整[3]。洛馬公司開展該領域技術研究，一方面是緊跟美國國家戰略需要，另一方面是洞察到了該領域的技術與市場動向。

1.國家戰略政策引導

眾所周知，美國當前的作戰系統高度依賴太空通信，為了實現美國“絕對安全”的國家安全觀念，其太空體系必須兼具致命性、威懾性和低成本的特點，因此，美國提出了“彈性太空”的太空戰略發展要求。“彈性太空”這一名詞首先出現在美國太空司令部于2013年發布的《彈性和分散太空體系》白皮書，隨后經過美國國防部情報局等政府機關、美國外交政策研究所等智庫的豐富，形成了至少包含4個方面內容的概念。一是實現分散式、擴散式、多樣化的太空資產部署；二是建設隨時分解、重組、重構、重建與自我修復的太空力量體系；三是承擔全面感知威脅與快速溯源反擊的作戰任務；四是在高風險條件下持續支援其他域聯合作戰[4]。

在上述戰略實施層面，衛星領域已經明確的發展方向包括發展高機動衛星和軟件定義衛星。這兩方面技術在洛馬公司近年衛星技術研發上均有體現。

2.政府合同任務落地

洛馬公司于2020年獲得美國太空發展局（SDA）名為“傳輸層0期”的通信星座合同，要求在兩年內組建一個由10顆低軌中繼衛星組成的網狀星座。該合同發射的衛星全部使用SmartSat，通過應用程序快速動態調整星座衛星任務。該星座將與預警衛星連接，使高超聲速武器跟蹤、導彈防御系統和太空信息中繼融為一體[5]。該技術不僅限于洛馬公司新發射的衛星，該公司5年前交付的在軌衛星也能實現在軌任務調整。這意味著洛馬公司可以整合此前發射的定制化衛星平臺，實現一種全新的衛星平臺型譜[6]。

現有對洛馬公司SmartSat的研究成果多集中在其功能、進度和應用效果，本文將從洛馬公司專利技術作為切入點，重點挖掘和剖析其散落在軟件定義衛星相關的專利技術方案，梳理并整合出洛馬公司在“彈性太空”政策下的軟件定義衛星整體架構和技術實現路徑。

三、系統架構設計

SmartSat最重要的目標之一是實現軟件與硬件的解耦，用戶可根據任務需要，上傳和執行相應的應用程序。這種源于軟件定義和互聯網模式的設計思路在太空任務的實際應用上有待檢驗。

該系統架構通過調整和調用衛星的硬件或軟件實現定義衛星任務角色的功能。當具有此類通用設備的衛星被部署成星座，或被部署到已有星座中，可增強現有在軌衛星的軟件和硬件功能。

1.衛星系統架構設計

洛馬公司在名為“支持虛擬化的衛星平臺”的專利中（申請號US15297436）公開了該公司軟件定義衛星的系統架構[7]。該系統架構最重要的作用是實現軟件與硬件的解耦，具體的方法是通過分布式軟件技術對使設備與功能實現分離，利用開放的編程接口遠程維護和升級軟件功能，解決衛星設備更新和維護困難的問題。

該專利公開的技術方案將系統架構分為虛擬執行層、交互層和控制層3層，如圖1所示，其中，虛擬執行層利用分布式的軟件技術實現網絡功能的抽象，使網絡不再局限于硬件架構，進而支撐多顆軟件定義衛星根據業務需要高效編排、資源重構、快速靈活組網，執行定制化任務。

圖1 系統架構示意圖

2.軌道分層通信設計

目前，SmartSat的應用主要體現在星座任務上，以“傳輸層0期”的通信星座任務為例，作為中繼衛星同時需要與地面和其他星座的衛星進行信息交互。因此，洛馬公司提出了基于軟件定義衛星的分層網絡通信技術方案[8]。

軌道分層通信的技術方案設計上層軌道部署了一個星座，構成第一通信網絡；在下層軌道部署了一個星座，構成第二通信網絡，形成一個最簡單的分層通信模式 ，如圖2所示。在這個通信網絡中，上層軌道和下層軌道的衛星之間可以通過識別、部署和分配，選擇性地進行通信；與地面控制系統之間，可配置建立前向通信路徑和反向通信路徑的通信網絡。

圖2 軌道分層通信示意圖

該方案實現了同一軌道衛星之間的通信鏈路、軌道層之間的通信鏈路，以及各軌道層與地面的通信鏈路。借助星座衛星之間、星座和星座衛星之間的角色分配，可以實現偽地球同步衛星的功能，解決地球同步衛星軌道緊張、通信延時和費用高昂等問題。

軌道分層通信技術使軟件定義衛星得以在實際執行任務中區別于傳統衛星，使軟件定義衛星在執行任務過程中，具備分散、重組、自我修復等“彈性”能力。

四、關鍵技術方案

支撐SmartSat軟件定義架構功能實現以及保障“傳輸層0期”的通信星座任務的關鍵技術包括質量評價技術、角色定義技術、資源調配與管理技術等，如圖3所示。

圖3 關鍵技術示意圖

1.質量評價技術

為了識別出一個星座或多個星座中滿足執行任務所需條件的衛星，并對衛星執行任務的質量形成分級。在洛馬公司故障識別與跳轉技術方案中，星座中某衛星執行指定任務，傳輸任務數據給備份衛星進行校驗和故障診斷。當備份衛星診斷到故障時，中止并代替任務衛星執行該部分任務，同時調用星座中的第三顆衛星作為備份衛星對該部分任務進行校驗和故障識別[9]。

為了保障任務質量，支撐資源合理調配，洛馬公司提出了衛星服務質量動態保障技術，收集衛星完整的數據并進行質量分級。一般情況下，當衛星的軌道與特定地理區域重合時，衛星處理資源、傳感器資源和通信資源的質量為最高級；當衛星的軌道與感興趣的地理區域不一致時，提供的服務質量為次一級；有了任務質量分級，便于讓用戶選擇服務消費等級；當衛星運行到完全無法提供服務的軌道位置時，可以通過任務休眠延長在軌壽命[10]。

2.角色定義技術

軟件定義衛星的突破在于可以在軌調整任務，即角色調整。衛星角色調整的前提是質量評價，在此基礎上，為了管理每顆衛星執行的應用，需生成調度表，作為調用各應用及各應用對用戶傳感器的訪問，也是實現衛星資源整合調用的依據[11]。

角色定義是雙向的，調度表是衛星在滿足相關任務要求的情況下可以調用應用的依據，同時用戶需要一個調用衛星的依據，因此產生了屬性評分度量。屬性評分度量指示了每顆衛星對于至少一部分專用角色的能力等級，可幫助用戶選擇目標衛星設備[12]。用戶可以是地面用戶，也可以是機載用戶。從洛馬公司專利重點提及的實施例可以看出，該技術主要考慮無人機機載平臺使用[13]。

角色識別和配置技術應用于對興趣目標的識別，調用星載和機載軟件定義載荷的各類傳感器采集相關數據并傳遞到地面指控中心；當興趣目標多且分散時，星座可配置執行中繼任務的衛星[14]。

3.資源調配與管理技術

在資源調配與管理方面，除了衛星設置的質量分級、用戶選擇衛星的屬性評分度量以外，還有一個綜合調配與管理的遷移準則，該準則包括與相應供應層中的各個資源使用相關的一個或多個閾值。 這些閾值對應通信資源的使用（如帶寬）、處理資源的使用（如供應層中處理器的使用率）、存儲資源的使用以及一些其他類似資源的使用[15]。

資源調配和管理不僅體現在被動的利用星座固有狀態下的調配與管理，還體現在必要時為了擴展通信帶寬、提高任務質量而調動衛星變換軌道，以及設置任務窗口，將星座衛星調整后，實現偽地球同步衛星的功能[16]。

五、系統架構應用分析

從洛馬公司目前申請的專利看，該公司對SmartSat軟件定義架構的應用主要是完成“傳輸層0期”的通信星座任務。該公司利用一個低軌道衛星星座與其他較高軌道的星座實現任務配合，或作為較高軌道星座的中繼衛星，或執行部分任務將數據傳輸給較高軌道的星座或地面指控中心；低軌道星座根據任務要求接收和傳輸不同傳感器獲取的任務信息給機載平臺，如無人機、戰斗機、飛艇等；為了更好地發揮軟件定義架構的作用，洛馬公司設計了一系列的資源調配和管理評價指標，為了最大限度實現任務要求，搭載了SmartSat軟件定義架構的衛星星座，可以通過任務窗口設置、調整衛星軌道高度、衛星之間距離等途徑實現偽地球同步衛星等功能，如圖4所示。

圖4 系統架構應用示意圖

六、結論

軟件定義衛星的出現重新定義了現有的軌道資源，打破了固有的航天器應用方案，加之軟件定義架構在航天器、飛行器以及地面設備之間相互作用，必將在軍用與民用領域牽引出諸多應用方案。美國商業航天在航天運輸領域帶來的變革已經被西方研究者稱之為“太空競賽2.0”時代來臨。隨著軟件定義架構在航天器領域的應用，世界航天大國各大星座建設計劃的推進，人類的外層空間活動必將快速進入“大航海時代”。我國國防領域的從業者在關注國內外各領域先進裝備與前沿技術發展的過程中，還需積極思考這些變革性的技術和技術應用將給現有的裝備體系與作戰模式帶來的影響。