未來的軟件定義衛(wèi)星

衛(wèi)星運營商不穩(wěn)定的商業(yè)案例和數(shù)字技術(shù)的進步要求衛(wèi)星制造商提供軟件定義解決方案，從而使衛(wèi)星更便宜、更靈活。

下個月，美國衛(wèi)星制造商洛克希德馬丁將發(fā)射一批低軌立方星。這個立方星與通常的立方星有所不同，他們將形成空間云計算平臺，進行星上數(shù)據(jù)處理，功能通過地面上傳的軟件更新進行變更。這個展示代表洛克希德馬丁公司進入了軟件定義衛(wèi)星時代，軟件定義衛(wèi)星基于通用硬件和靈活的軟件來定義整個任務(wù)。

洛克希德的該項新技術(shù)被命名為SmartSat（智慧星？）。即將進行的試驗混合了公司新的SpaceCloud和HiveStar技術(shù)，而后面的HiveStar技術(shù)負責星群飛行功能。

據(jù)SmartSat項目經(jīng)理Adam Johnson介紹，SmartSat基本上是一個操作系統(tǒng)，或者說是一個操作環(huán)境，有點類似衛(wèi)星的iOS。在未來，系統(tǒng)可以運行在所有洛克希德馬丁的空間飛行器上，從最下的立方星到旗艦級的靜止軌道平臺。運營商可根據(jù)任務(wù)需求上傳任何應(yīng)用。

Johnson表示：“我們將衛(wèi)星銷售給客戶，他們有能力給衛(wèi)星賦予多種應(yīng)用。就像智能手機，所有的東西都是一種應(yīng)用。你可以根據(jù)需要開啟或停止那些應(yīng)用，像在智能手機上那樣操作?？梢苑浅７奖愕闹匦屡渲眯l(wèi)星?！?/span>

靈活性需求

在有些在軌衛(wèi)星上已經(jīng)實現(xiàn)的靈活性和衛(wèi)星的重新配置能力是衛(wèi)星運營商要求了很多年的特性。特別是對于GEO靜止軌道衛(wèi)星的運營商，通常一顆衛(wèi)星的在軌壽命達到15年或更多，能夠根據(jù)市場需求調(diào)整衛(wèi)星是基本的需求。包括將衛(wèi)星調(diào)整到新的軌道位置，將功能從電視廣播切換的互聯(lián)網(wǎng)連接，有時這些需求無法在傳統(tǒng)的硬件定義衛(wèi)星上實現(xiàn)。

空客空間系統(tǒng)的Jean-Marc Nasr在9月初的世界衛(wèi)星商務(wù)周上說：“衛(wèi)星運營商無法在15年內(nèi)保持穩(wěn)定的商業(yè)模型。大約5年前，他們告訴我們他們需要具備改變?nèi)蝿?wù)特性的能力，還需要很便宜?！?/span>

Airbus（空客）已經(jīng)在今年早些時候發(fā)布了全部可配置的軟件定義靜止軌道平臺OneSat，并獲取了Inmarsat的一個合同，生產(chǎn)三顆下一代Global Express Flex系統(tǒng)的衛(wèi)星。三顆Ka頻段衛(wèi)星，GX7，8，9將在2023年發(fā)射，具備星上處理和主動性天線，能夠調(diào)整覆蓋、容量和頻率。

Airbus表示OneSat平臺基于標準、模塊化和設(shè)計到制造的方法，相比目前的通信衛(wèi)星可以更快速的交付。

在世界衛(wèi)星商務(wù)周，波音和泰雷茲阿麗亞娜宇航都用自己的軟件定義平臺回應(yīng)了Airbus的方案。

波音的702X家族軟件定義衛(wèi)星包括一個1900公斤的GEO產(chǎn)品和小一點的MEO平臺。波音表示702X可以在3年內(nèi)交付用戶，允許用戶給大量終端用戶分配容量。

泰雷茲阿麗亞娜宇航推出了Space Inspired（INstant Space In-orbit REconfiguration的縮寫，及時空間在軌重配置）衛(wèi)星產(chǎn)品線，具備任務(wù)和服務(wù)的重新配置，根據(jù)需求及時在軌調(diào)整，從視頻廣播到寬帶連接服務(wù)的轉(zhuǎn)換等能力。泰雷茲表示全電子衛(wèi)星將由于其系列產(chǎn)品降低成本。

泰雷茲阿麗亞娜宇航戰(zhàn)略和電信解決方案的Didier Leboulch說：“我們通常一顆一顆的建造衛(wèi)星，就像一件精工細作的手藝活，因此成本很高。軟件定義的一個好處就是產(chǎn)品的標準化，無論是模塊級或整個衛(wèi)星級別，通過軟件來增加特定的功能。我們可以期待一個低成本的產(chǎn)品，我們的客戶能夠從中獲益?！?/span>

GEO、MEO、LEO

NSR的產(chǎn)業(yè)分析師Shagun Sachdeva表示軟件定義的衛(wèi)星將在多大程度上決定未來，目前還沒有定論?！败浖x衛(wèi)星將在未來占據(jù)很大的份額，但一定不是全部。我相信軟件定義技術(shù)將吸引部分GEO運營商，他們面對很大的不確定性，將從軟件定義技術(shù)中獲益，不僅僅提供了靈活性，也能夠降低成本?！?/span>

靜止軌道衛(wèi)星通常有較長的壽命周期和最高的價格標簽，使得他們在面對不穩(wěn)定的市場時最為脆弱。

但是，制造商和運營商也已經(jīng)介紹了LEO和MEO的部分軟件定義衛(wèi)星星座。

2019年2月，銥星完成了下一代75顆LEO衛(wèi)星星座的部署，衛(wèi)星由泰雷茲阿麗亞娜宇航制造。窄帶星座被描述為世界上最為復(fù)雜的通信系統(tǒng)，為全球每個角落的用戶提供語音和數(shù)據(jù)服務(wù)。

泰雷茲的Leboulch說：“銥星第二代衛(wèi)星有星上處理器，可以進行軟件重新編程。我們可以上傳軟件來提供新的更好的服務(wù)?！彼€表示，銥星這樣的窄帶衛(wèi)星，軟件定義功能相比寬帶靜止軌道衛(wèi)星平臺的軟件定義 比較容易實現(xiàn)。“更多的帶寬，更高的吞吐量帶來更大的挑戰(zhàn)?！睙o論如何，利用數(shù)字技術(shù)的進步，功能已經(jīng)可以實現(xiàn)。

總部位于盧森堡的衛(wèi)星運營商SES是軟件定義技術(shù)最早的倡導(dǎo)者之一。該公司即將推出的MEO星座O3B MPOWER，它被設(shè)置為增強現(xiàn)有的O3B，將基于部分軟件定義的方法，這將允許在帶寬分配方面具有前所未有的靈活性。

SES Networks技術(shù)執(zhí)行副總裁Stewart Sanders說：“O3B MPower不是最嚴格意義上的軟件定義，而是具有可定義的功能?！薄拔覀儸F(xiàn)在擁有全數(shù)字化的有效載荷以及全電子束形成?！?/span>

然而，這些衛(wèi)星不僅是通過軟件定義的，而且運行在定制的芯片組上，每一次任務(wù)都是獨一無二的。Sanders說，完全由軟件定義的方法在現(xiàn)階段將相當?shù)托?。不過，這些優(yōu)勢還是相當可觀的。

桑德斯說：“我們減少了模擬組件的數(shù)量，這明顯減少了衛(wèi)星的尺寸、質(zhì)量和成本?！薄白畲蟮膬?yōu)勢是，我們可以進入頻譜的完全數(shù)字化，這給了我們在頻譜上所能做的巨大的靈活性?！?/span>

可以根據(jù)客戶在任何給定時刻的實際需求靈活地定義信道，并根據(jù)需求的變化進行調(diào)整?！爱斈惆阉碗娮邮刂平Y(jié)合在一起，這就是我們使用o3b mpower所做的，我們可以為每個客戶專門生成一個波束，并給他們所需要的帶寬?！?/span>

桑德斯說，傳統(tǒng)上，客戶會購買固定數(shù)量的帶寬，通常會高于他們實際需要的帶寬，這意味著很多容量將被閑置。靈活的方法使衛(wèi)星運營商能夠更有效地使用可用帶寬，并潛在地服務(wù)更多的客戶。另一方面，顧客只支付他們實際使用的東西。

正在成熟的技術(shù)

不過，在完全由軟件定義的衛(wèi)星真正起飛之前，技術(shù)障礙仍有待解決。

“放大器是這些軟件定義衛(wèi)星的瓶頸之一，”Leboulch說?！败浖粫糯笮盘枺栽谀硞€時候，你需要離開軟件和計算機，將信號放大在發(fā)送到地面。”

Leboulch說，在軟件定義的衛(wèi)星上使用的有源天線固態(tài)功率放大器仍然比傳統(tǒng)技術(shù)效率低。

他說：“由于固態(tài)功率放大器的技術(shù)效率低下，如果你只是將軟件定義的有效載荷插入一顆正常的衛(wèi)星，你就不會有那么大的功率。這就是為什么，通常，如果你想擁有高效的軟件定義的衛(wèi)星，你能僅僅改變有效載荷，你需要改變整個平臺，以提供更多的瓦特和更多的耗散能力，以便使你的有效載荷具備傳統(tǒng)衛(wèi)星的性能?！?/span>

據(jù)洛克希德馬丁公司的Johnson稱，完全釋放軟件定義衛(wèi)星潛力的新技術(shù)剛剛成熟。

“多核處理器的可用性是第一步，這是我們現(xiàn)在正在采取的步驟，”他說?！暗孛嫔系钠胀ㄅ_式電腦可能有8核甚至更多。但我們最近才開始從供應(yīng)商那里獲得耐輻射和抗輻射的多處理器?！?/span>

技術(shù)的進一步進步將使能力逐步提高，并最終為復(fù)雜的人工智能算法提供動力。

“允許在軌道上對人工智能機器學(xué)習(xí)進行更大處理的硬件將變得非常重要，”約翰遜說?！癎PU在地面上被大量用于人工智能機器學(xué)習(xí)，最終在太空擁有這種能力可能會釋放出一個全新的機會?！?/span>

智能地面段

衛(wèi)星方面的創(chuàng)新不止于此。泰雷茲阿萊尼亞航天公司首席執(zhí)行官讓·洛伊克·加勒說，該公司正在尋求開發(fā)數(shù)字地面基礎(chǔ)設(shè)施，能夠自動與太空中的數(shù)字資產(chǎn)連接，并管理數(shù)字有效載荷。

SES正朝著同樣的方向發(fā)展，最近宣布與Kythera Space Solution合作開發(fā)一個名為ARC（自適應(yīng)資源控制）的軟件系統(tǒng)，該系統(tǒng)將動態(tài)同步空間和地面資產(chǎn)。

桑德斯說：“新的有效載荷是能力的一個重要步驟，也是復(fù)雜性的一個重要步驟?！薄霸跊]有軟件組件的情況下，管理這種復(fù)雜性已經(jīng)不再現(xiàn)實了?！?/span>

更自動化的整體生態(tài)系統(tǒng)是玩家期待的未來。約翰遜說，隨著星上數(shù)據(jù)處理和衛(wèi)星交鏈技術(shù)的發(fā)展，將使衛(wèi)星間能夠相互通信。

“地面云計算的出現(xiàn)使許多革命性的應(yīng)用成為可能，例如uber，”Johnson說?！爱敃r，沒有人知道這會怎樣，而我們正處于太空中的一個可比時刻。在太空中創(chuàng)造云環(huán)境的難度要大得多，我們才剛剛起步，所以十年后，我們會看到會有什么結(jié)果?！?/span>

Astranis：利用軟件定義的無線電實現(xiàn)便宜的GEO覆蓋

總部位于舊金山的初創(chuàng)企業(yè)Astranis認為，在其衛(wèi)星上使用軟件定義的無線電將使制造過程實現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟，從而大大降低成本。

Astranis首席執(zhí)行官約翰·格德馬克說：“每顆衛(wèi)星基本上都與其他衛(wèi)星相同?！靶l(wèi)星的有效載荷可以在生產(chǎn)過程中很晚的時候配置，甚至可能在它已經(jīng)進入軌道后配置。”

Astranis 希望建立一個由350公斤重的地球靜止衛(wèi)星組成的星座，為需要幫助的地區(qū)提供連接。這些衛(wèi)星中的每一顆都只有普通靜止軌道衛(wèi)星典型的轉(zhuǎn)發(fā)器的一小部分，而且占用空間要小得多。

“你可以把它看作是分解，”Gedmark 說?！拔覀儗⒁活w非常大的傳統(tǒng)地球同步衛(wèi)星的容量或能力分成更小的塊，在最需要的時候部署一個塊，而不是一下子全部完成?！?/span>

Gedmark 說，傳統(tǒng)上用于地球同步衛(wèi)星上的模擬中繼器極大地限制了有效載荷的使用。軟件無線電支持數(shù)字信號處理，允許運營商根據(jù)客戶的實際需要調(diào)整頻率、覆蓋范圍和帶寬。

“隨著行業(yè)標準的發(fā)展，你甚至可以調(diào)整你支持的波形，”他說?！爱斢行碌牟ㄐ喂┛蛻羰褂脮r，您可以應(yīng)用此新波形。你可以做很多事情?！?/span>

該公司在2018年試飛了一個名為Demosat-2的原型，并成功測試了軟件定義的無線電，將高清視頻上傳至航天器，實時處理信號，并將其下行發(fā)送至阿拉斯加的一個地面站。

該小組目前正在執(zhí)行其首次商業(yè)任務(wù)，該任務(wù)有望使美國最北端州的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)容量增加兩倍。

Gedmark 說：“我們將擁有大約每秒7.5Gbps的容量?！薄斑@是一個很大的帶寬，所以軟件無線電中的數(shù)字處理能力必須能夠同時處理所有這些。第二個挑戰(zhàn)是使電子產(chǎn)品能夠在空間輻射環(huán)境中生存?！?/span>

Astranis希望更新其資產(chǎn)的頻率遠高于常規(guī)的地理運營商，而且只計劃衛(wèi)星的七年壽命。Gedmark 認為，需要這種技術(shù)來補充現(xiàn)有的GEO衛(wèi)星覆蓋，并期望公司在未來幾年內(nèi)發(fā)射幾十顆衛(wèi)星。