軟件定義衛(wèi)星研究現(xiàn)狀與技術發(fā)展

多功能軟件定義衛(wèi)星是以軟件無線電技術為基礎，通過衛(wèi)星平臺與載荷的模塊復用，實現(xiàn)衛(wèi)星平臺與載荷綜合一體化，同時在通用硬件平臺上通過軟件定義功能，實現(xiàn)功能的動態(tài)重構(gòu)，并具有在軌軟件更新升級能力的綜合衛(wèi)星系統(tǒng)[1-2]。多功能軟件定義衛(wèi)星具有用途廣、效率高、響應快、應變強等優(yōu)點，其概念和理念具有創(chuàng)造性，改變了開發(fā)、利用空間的方式，對未來衛(wèi)星技術發(fā)展具有重大引領作用[3-6]。

軟件定義衛(wèi)星技術涉及軟件定義無線電技術、多任務載荷、多功能衛(wèi)星（星座）等概念，當前關于軟件定義衛(wèi)星側(cè)重于軟件無線電技術的星載應用。為進一步深化軟件定義衛(wèi)星的內(nèi)涵，促進軟件定義衛(wèi)星技術的應用，本文首先對軟件無線電技術的衛(wèi)星應用、多載荷多功能衛(wèi)星、在星座上實現(xiàn)多功能等軟件定義衛(wèi)星相關國內(nèi)外研究應用進展進行梳理，在此基礎上，以應用效能、應用效率、應用效費比為牽引，提出多功能可重構(gòu)系統(tǒng)架構(gòu)、多任務多功能星座優(yōu)化設計方法、算法組件化技術和智能化技術等軟件定義衛(wèi)星技術發(fā)展展望，給出了初步研究思路。

（1）軟件無線電技術在衛(wèi)星上的應用

基于軟件定義重構(gòu)硬件功能是實現(xiàn)單星多功能的一種高級形態(tài)，其采用軟件無線電技術的基本科學內(nèi)涵，設計理念不是將多種功能的硬件設備進行拼接組合，而是基于一套通用硬件平臺，通過部署軟件實現(xiàn)衛(wèi)星功能的定義、更新和升級，具有高度的靈活性。

國外在基于軟件定義重構(gòu)衛(wèi)星功能的先進概念和基礎理論方面已開展了十多年的探索。文獻[7-8]提出了對通信衛(wèi)星利用軟件無線電技術建立不同用途和傳輸速率的通信載荷系統(tǒng)，應用碼分多址(code division multiple access，CDMA）技術和現(xiàn)場可編程邏輯門陣列（field programmable gate array，F(xiàn)PGA）技術重構(gòu)載荷處理平臺來實現(xiàn)對不同CDMA結(jié)構(gòu)的傳輸應用。這種基于可重構(gòu)的軟件無線電技術實現(xiàn)載荷業(yè)務的靈活配置，具有很實際的應用背景，是可重構(gòu)載荷業(yè)務的雛形。

2015年，歐洲通信衛(wèi)星公司和歐洲空間局簽訂合同，開始研制新型“歐洲通信衛(wèi)星量子”衛(wèi)星，邁出了基于軟件定義重構(gòu)衛(wèi)星功能工程實踐的關鍵一步。該衛(wèi)星屬于“完全軟件定義衛(wèi)星”，具備改變衛(wèi)星覆蓋范圍、頻段、功率和帶寬的能力，其覆蓋區(qū)域可通過軟件實現(xiàn)重新定義，衛(wèi)星功率和帶寬也可在軌重新配置，從而響應服務需求變化；配置的相控陣天線可通過地面指令控制波束指向，且衛(wèi)星在Ku頻段頻率可調(diào)，因此，不受國際電信聯(lián)盟對不同地區(qū)頻段規(guī)定的影響。首顆“量子”衛(wèi)星發(fā)射質(zhì)量3 500 kg，采用全Ku頻段，容量6 Gbps~7 Gbps，設計壽命15年。

（2）多載荷多功能衛(wèi)星

由一顆衛(wèi)星搭載多種載荷實現(xiàn)多種功能是實現(xiàn)單星多功能的有效途徑，20世紀以來美日歐等各國在這方面開展了大量探測。

日本新一代具有氣象探測功能的多功能運輸衛(wèi)星MTSAT-R1于2005年2月26日由H-2A火箭在日本南部距東京1 000 km的鹿兒島縣種子島航天發(fā)射中心發(fā)射，該衛(wèi)星搭載了氣象載荷和航空管制載荷。

作為美國快速響應（ORS）計劃的主要技術驗證項目，Tacsat項目于2009年5月由米諾陶-1火箭發(fā)射，衛(wèi)星攜帶超光譜成像（HIS）有效載荷，以及先進反映戰(zhàn)術效果軍事成像分光計（ARTEMIS）。

2013年9月30日，獵鷹-9（Falcon-9）火箭攜帶加拿大“級聯(lián)小衛(wèi)星和電離層磁極探索者”（CASSIOPE）科學和通信衛(wèi)星，從位于加利福尼亞州的范登堡空軍基地發(fā)射升空。該衛(wèi)星是加拿大研發(fā)的、旨在對太空磁暴現(xiàn)象及規(guī)律進行研究的專業(yè)科技衛(wèi)星，并攜帶有新型的太空通信測試設施。CASSIOPE衛(wèi)星搭載有2套重要載荷：一套是由8臺科學儀器組成，名為“增強型兩極輻射探測儀”的具有創(chuàng)新意義的科學探測系統(tǒng)；另一套則是名為“級聯(lián)”的新型數(shù)據(jù)傳輸及分發(fā)測試系統(tǒng)。

（3）分布式多種功能

多功能衛(wèi)星和星座設計是降低系統(tǒng)投入總成本，提高應用效能的重要發(fā)展趨勢。天基信息系統(tǒng)的建設投入不僅包括衛(wèi)星產(chǎn)品，還涉及運載及發(fā)射、地面管控、接收處理等一系列配套系統(tǒng)。在此方面，歐美各國已經(jīng)在多個領域，開展了大量的探索和實踐，在推進衛(wèi)星及星座的多功能化開發(fā)建設方面積累了豐富經(jīng)驗，對我軍天基裝備建設具有重要的參考和借鑒價值。

美國海軍于20世紀60年代末啟動了“美國海軍海洋監(jiān)視系統(tǒng)”（NOSS）計劃，即著名的“白云”計劃。到1995年止，共發(fā)展了三代“白云”系列的電子型海洋偵察衛(wèi)星。“白云”系統(tǒng)是由1顆主星和3顆子星組成，子星間隔一定距離，在空間成三角形。子星分別接收對方雷達信號，根據(jù)時差定位技術和雷達信號特征，判明目標位置、航向和航速。第二代“白云”主星采用高級的KH-11衛(wèi)星和長曲棍球雷達成像衛(wèi)星，使新一代“白云”可對動態(tài)目標快速定位，并擁有多種偵察手段。

2008年，歐空局提出了“多用途衛(wèi)星組網(wǎng)規(guī)劃”項目，研究將“電信、地球觀測及導航衛(wèi)星集成到一個星座”。功能軟件可升級，衛(wèi)星通過星間鏈路互通，三類功能合一，實現(xiàn)按需快速提供地球觀測、導航以及電信業(yè)務。

2002年，美軍開始研究在“銥”星星座集成iGPS功能，以提高GPS導航系統(tǒng)的定位精度、授時精度、完好性、連續(xù)性、可用性、首次定位時間以及抗干擾能力等。銥星公司新一代星座Iridium NEXT擬在保持原有星座架構(gòu)的基礎上，加入對地觀測功能。從目前發(fā)展來看，Iridium NEXT已經(jīng)確定搭載具備氣候變化監(jiān)視、多光譜對地成像、空間氣象監(jiān)視、航空監(jiān)視（ADS-B）能力的載荷，為全球范圍內(nèi)美軍作戰(zhàn)平臺提供實時的通信/空間目標監(jiān)視以及導航定位等的綜合能力。

2018年，DARPA啟動了“黑杰克”項目，“黑杰克”星座是一種“非地球同步軌道”（NGSO）衛(wèi)星星座，將與商業(yè)低軌衛(wèi)星星座共用1 000 km左右高度的軌道，在商業(yè)星座附近或者分散在商業(yè)衛(wèi)星中運行，同時與商業(yè)低軌星座建立星間連接，從而利用商業(yè)低軌衛(wèi)星提供的全球覆蓋能力，為軍事戰(zhàn)區(qū)用戶提供高性能衛(wèi)星服務。

2019年美國陸軍已經(jīng)在各研究機構(gòu)和大學征求能在雷達、電子戰(zhàn)、信號情報和通信之間迅速轉(zhuǎn)換的可配置多功能系統(tǒng)，其概念與軟件星技術非常相近。

自2002年提出的軟件星思想以后[1]，國內(nèi)從“十一五”就開始著手開展綜合體系架構(gòu)下多功能可重構(gòu)載荷技術的研究，完成了軟件星技術體制研究和有效載荷方案設計。“十二五”期間，著力攻關軟件星有效載荷的多項關鍵技術，研制了地面原理樣機，取得了顯著的科技成果，為研制多功能綜合衛(wèi)星打下了堅實的基礎。十三五”以來，逐步將功能重構(gòu)等部分關鍵技術應用于多型多顆衛(wèi)星，取得了良好效果。十四五”期間，將就多顆軟件星組網(wǎng)應用進行更深入的論證研究并推動在軌試驗。2014年立項的空間站綜合電子信息試驗系統(tǒng)利用空間站“空間尺度大、載荷量大、天地往返、有人參與”等特點，構(gòu)建基于綜合架構(gòu)及數(shù)字陣列體制的空間電子信息系統(tǒng)。國防科技大學魏急波教授團隊在SCA軟件架構(gòu)體系方面開展了長期的研究?！败浖x衛(wèi)星聯(lián)盟”通過“天智一號”衛(wèi)星的研制與試驗，配置光學相機載荷，希望驗證衛(wèi)星應用的app化[9]。

總體而言，國外在星載軟件無線電技術和多功能衛(wèi)星系統(tǒng)方面多有探索，但與真正意義上的多功能軟件星尚有差距；國內(nèi)雖然就軟件星概念及其應用開展了一定研究，但側(cè)重于技術應用。

為了進一步深化軟件定義衛(wèi)星的內(nèi)涵，促進軟件定義衛(wèi)星技術的應用，進一步推動軟件定義衛(wèi)星事業(yè)發(fā)展，有必要在體系架構(gòu)、星座優(yōu)化方法、高效重構(gòu)設計、智能應用技術等方面開展更深入的研究與驗證。以下就上述四方面給出軟件定義衛(wèi)星技術發(fā)展展望。

硬件體系結(jié)構(gòu)優(yōu)化。針對軟件星多功能、可重構(gòu)的要求和特點，通過對軟件無線電各種硬件體系結(jié)構(gòu)的分析和研究，論證和提出在目前技術條件下的軟件星有效載荷的最佳硬件體系結(jié)構(gòu)。從流水線結(jié)構(gòu)、總線式結(jié)構(gòu)、交換式網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)、計算機網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)等4種常用的硬件體系結(jié)構(gòu)入手，從時延、帶寬、效率、硬件復雜度、伸縮性、通用性等方面進行分析優(yōu)化，提出定量定性評估方法，使基于該硬件體系結(jié)構(gòu)設計的硬件系統(tǒng)既能集成實現(xiàn)軟件星各種功能，又能通過軟硬件重配置實現(xiàn)功能重構(gòu)和升級。

軟件體系結(jié)構(gòu)輕量化。針對軟件星多功能、可重構(gòu)的需求，從常用的軟件總體體系結(jié)構(gòu)、軟件庫體系結(jié)構(gòu)、流處理體系結(jié)構(gòu)入手，研究開放性軟件體系結(jié)構(gòu)，使基于開放性軟件體系結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的軟件系統(tǒng)通過分層化、構(gòu)件化的設計，具備靈活的軟件可重組裝和重配置能力?？芍貥?gòu)軟件定義衛(wèi)星的軟件體系結(jié)構(gòu)通常參考軟件總體體系結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化和論證。特別地，面向星載應用，應就軟件體系結(jié)構(gòu)的輕量化策略進行研究，建議從操作環(huán)境的三個組成部分進行研究，包括中間件的小型化策略、核心框架的小型化策略和采用輕量級應用環(huán)境。

由多顆軟件星組成的衛(wèi)星星座具有可一軌內(nèi)遂行多種任務、功能可按需動態(tài)重構(gòu)響應臨時任務需求等特點，傳統(tǒng)的星座優(yōu)化方法一般均針對某種特定功能的衛(wèi)星星座，且衛(wèi)星星座的優(yōu)化目標以其靜態(tài)能力為主（因為衛(wèi)星任務相對固定），無法滿足多任務、可動態(tài)重構(gòu)的軟件星星座優(yōu)化設計。為實現(xiàn)面向多任務的多功能星座優(yōu)化，需研究提出跨功能且包含軟件星動態(tài)能力的衛(wèi)星星座性能評估指標體系，在此基礎上研究提出不同任務（功能）之間異構(gòu)星座性能統(tǒng)一評估方法，最后研究多功能星座優(yōu)化算法，以期設計出滿足應用任務需求的星座參數(shù)。

面向多任務的多功能星座優(yōu)化設計，其核心是“可重構(gòu)”、“異構(gòu)”、“多功能”和“多任務”。

為此，提出一種指標?效能?體系貢獻率?任務效益的面向多任務的多功能星座優(yōu)化設計技術路線，如圖1所示。

圖1 面向多任務的多功能星座優(yōu)化技術途徑

面向基于算法組件的局部高效重構(gòu)，突破情境感知的自適應高效重構(gòu)技術及面向多波形的細粒度組件靜態(tài)融合技術，構(gòu)建組件化應用框架，發(fā)展嵌入式處理器細粒度資源虛擬化與調(diào)度理論，設計相關調(diào)度算法，使能軟件定義技術在衛(wèi)星系統(tǒng)中的應用。

算法模塊細粒度組件劃分、融合與評估：應用粒度劃分對提升星間載荷資源利用率、優(yōu)化資源效率有重要意義。然而，組件具有極大的異質(zhì)性，不同組件在粒度、并行化能力、資源需求方面各不相同。此外，組件粒度影響星間載荷中應用的延時和吞吐量。因此，需要通過有效的劃分、融合與評估技術優(yōu)化組件粒度。針對粒度劃分、融合與評估要求構(gòu)建組件粒度優(yōu)化框架，為組件粒度優(yōu)化奠定基礎。

情境感知的自適應高效重構(gòu)技術：高效重構(gòu)技術對實現(xiàn)快速功能重構(gòu)有至關重要的作用。重構(gòu)延時影響應用的實時性和應用重構(gòu)速度。需對波形部分卸載技術及部分加載技術進行研究，構(gòu)建組件定向管理分系統(tǒng)，為自適應高效重構(gòu)技術提供支撐；同時，構(gòu)建情境感知引擎，建立并存儲用戶動態(tài)操作序列，驅(qū)動組件定向管理分系統(tǒng)，從而實現(xiàn)情境感知的自適應高效重構(gòu)。

細粒度可重構(gòu)系統(tǒng)資源調(diào)度技術：星間載荷通常具有細粒度可重構(gòu)能力，然而，硬件資源如何進行粒度劃分與應用緊密相關。針對硬件資源粒度劃分問題，聯(lián)合采應用實時性、資源需求信息，構(gòu)建應用部署-硬件資源粒度劃分聯(lián)合優(yōu)化策略，實現(xiàn)星間載荷系統(tǒng)效率最大化。

面向軟件星的智能應用，需開展微波遙感、電子偵察等典型功能智能處理算法研究，在此基礎上為實現(xiàn)智能處理能力的快速重構(gòu)，需開展面向多任務的智能處理統(tǒng)一網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)及基于星載處理架構(gòu)的在線推理實現(xiàn)方法研究，為軟件星的高效重構(gòu)和應用奠定技術基礎。

面向多任務深度學習網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)設計與優(yōu)化：面向多任務的深度學習模型構(gòu)建與訓練，存在任務差異大、模型構(gòu)建復雜且通用性差、模型無法自適應優(yōu)化等問題，從多任務學習出發(fā)，提出基于元遷移學習的多任務深度模型，設計基于策略共享的多任務深度強化學習模型，通過兩種模型高效提取跨類別任務間的泛化性特征，并利用這些特征進行深度模型元結(jié)構(gòu)優(yōu)化，取得更準確的分類結(jié)果。針對多任務的模型元結(jié)構(gòu)展開優(yōu)化，構(gòu)建輕量級的多任務深度模型，提出基于遺傳進化編程的深度學習模型優(yōu)化方法，有效精簡網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)輕量級多任務深度模型的構(gòu)建與自動優(yōu)化，并對圖像識別、信號處理等多領域復雜任務展開驗證。

智能算法在線推理實現(xiàn)技術：軍事處理系統(tǒng)對系統(tǒng)體積、功耗、實時性等有很高要求，單一GPU架構(gòu)并不一定適合。圍繞星載智能處理的特點，需研究面向在線推理的硬件架構(gòu)設計以及深度神經(jīng)網(wǎng)絡輕量化裁剪、量化技術，盡可能降低計算資源和存儲資源開銷，并研究智能推理加速實現(xiàn)技術，保證信息處理的實時性。

軟件定義衛(wèi)星是適應未來多域智能網(wǎng)聯(lián)、裝備體系化應用的新理念，以滿足應對突發(fā)事件的快速響應和分布式多域協(xié)同作戰(zhàn)需求。本文提出的軟件定義衛(wèi)星技術發(fā)展展望及初步研究思路，可為開展軟件定義衛(wèi)星技術深入研究和廣泛應用提供參考。

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