發(fā)展軟件定義衛(wèi)星的總體思路與技術(shù)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(gòu)(MOSA)的概念。MOSA的核心思想是：首先通過軟硬件解耦將系統(tǒng)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(tǒng)的效能。采用MOSA架構(gòu)的設(shè)備，不但便于引入新技術(shù)、便于升級改造，而且由于可選擇的供應(yīng)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(shù)的發(fā)展，軟件和算法在各行各業(yè)中發(fā)揮的作用越來越大，在互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)環(huán)境下，軟件定義正在成為一種新的發(fā)展趨勢。從軟件定義無線電、軟件定義雷達，到軟件定義網(wǎng)絡(luò)、軟件定義存儲、軟件定義數(shù)據(jù)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(yè)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(shù)以百億計的各種處理器上日夜運行的代碼成為驅(qū)動這個世界正常運轉(zhuǎn)和向前發(fā)展的最為重要、最為強大的力量之一。

與開放的互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)環(huán)境相比，航天產(chǎn)業(yè)顯得相對封閉，其研發(fā)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(wù)定制一顆衛(wèi)星，研發(fā)周期長、研發(fā)成本高。不同型號的衛(wèi)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(wèi)星上直接運行。廣大的第三方也無法為某個衛(wèi)星型號開發(fā)并在其上部署軟件。

這種以硬件為主、軟件為輔的研發(fā)思路已經(jīng)成為制約航天技術(shù)發(fā)展的重要瓶頸之一。發(fā)展以天基先進計算平臺和星載通用操作環(huán)境為核心，采用開放系統(tǒng)架構(gòu)，支持有效載荷即插即用、應(yīng)用軟件按需加載、系統(tǒng)功能按需重構(gòu)的新一代衛(wèi)星系統(tǒng)勢在必行。

發(fā)展軟件定義衛(wèi)星關(guān)鍵在于解除衛(wèi)星產(chǎn)品軟硬件之間的耦合關(guān)系，使得衛(wèi)星軟件可以獨立演化、按需加載、動態(tài)重構(gòu)，從而可以在不改變硬件的情況下實現(xiàn)更多的功能，完成更多的任務(wù)。本文將圍繞如何解除衛(wèi)星產(chǎn)品軟硬件之間的緊耦合關(guān)系，以實現(xiàn)衛(wèi)星軟件的獨立演化，提高衛(wèi)星智能化水平為主線，討論發(fā)展軟件定義衛(wèi)星技術(shù)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(fā)展天基智能,該計劃將通過一系列新技術(shù)試驗衛(wèi)星的研制，推動軟件定義衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，對軟件定義衛(wèi)星所涉及的一些關(guān)鍵技術(shù)進行在軌演示驗證，加快傳統(tǒng)衛(wèi)星向智能衛(wèi)星演化速度。

天智工程所使用的衛(wèi)星模型稱之為CACAS （Computing platform, Apps, Communicators, Actuators, Sensors),即任何衛(wèi)星都包含若干傳感器(Sensors)、執(zhí)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(yīng)用程序(Apps)。CACAS模型是典型的開放系統(tǒng)架構(gòu)，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(gòu)出具有不同功能的衛(wèi)星系統(tǒng)。這是一個通用模型，不僅使用于各種類型的衛(wèi)星,也適用于很多形式的端系統(tǒng)節(jié)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(wèi)星軟硬件之間的緊耦合關(guān)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(chǔ)，遵循“如無必要，勿增實體”的原則，簡化硬件實現(xiàn)。

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(wèi)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(xiàn)）。通過軟件和算法的快速迭代和演化，實現(xiàn)衛(wèi)星產(chǎn)品的持續(xù)演進。在天基先進計算平臺和星載通用操作環(huán)境之上，安裝不同的軟件，即可實現(xiàn)不同的功能，完成新的空間任務(wù)。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(zhí)行機構(gòu)。

在技術(shù)實現(xiàn)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(shù)路線，如圖2所示。

其中計算節(jié)點的一般實現(xiàn)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(wèi)星的概念模型CACAS

圖2 CACAS模型中的計算平臺

計算節(jié)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(zhí)行機構(gòu)、天線或通信單元。根據(jù)計算節(jié)點的CPU和FPGA的選型、DDR和Flash的容量和性能，可以把計算節(jié)點細分為通用計算節(jié)點、算法加速節(jié)點、高速存儲節(jié)點和大容量存儲節(jié)點。

可以看出，天基先進計算平臺在體系架構(gòu)上和互聯(lián)網(wǎng)中最為常見的計算環(huán)境是兼容的，這樣做的目的也是為了能夠更多地使用現(xiàn)有的高質(zhì)量的開源代碼資源，降低廣大程序員開發(fā)星載軟件的學習門檻。和互聯(lián)網(wǎng)主流計算環(huán)境不同的是，天智先進計算平臺中采用了冗余架構(gòu)，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(xiàn)有載荷。

星載通過操作環(huán)境是面向衛(wèi)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(shù)庫構(gòu)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(gòu)能力、計算能力和容錯能力。其系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。

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

圖3 計算節(jié)點的通用形式

圖4 標準化的星載通用操作環(huán)境

其中“有效載荷接入和計算加速環(huán)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)收發(fā)；

“與地面主流計算環(huán)境兼容的應(yīng)用程序執(zhí)行環(huán)境”用于支撐星載APP的動態(tài)加載、執(zhí)行和調(diào)度；

“基于軟件容錯技術(shù)的高性能分布式計算環(huán)境”是整個星載操作環(huán)境的核心，其作用相當于操作系統(tǒng)，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(diào)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(xù)有效的可靠計算服務(wù)、存儲服務(wù)和信息交換服務(wù)。

“實時數(shù)據(jù)處理引擎”用于支持在軌實時數(shù)據(jù)處理任務(wù)。

“智能信息處理引擎”用于支持在軌智能信息數(shù)據(jù)任務(wù)。

“離線數(shù)據(jù)處理引擎”用于支持無實時性要求的一般性后臺數(shù)據(jù)處理任務(wù)。

2 發(fā)展軟件定義衛(wèi)星的總體思路

天智工程的主要任務(wù)是研制一系列的新技術(shù)試驗衛(wèi)星，以推動軟件定義衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，其主要目標如下：

（1）建立開放的衛(wèi)星系統(tǒng)架構(gòu)。與傳統(tǒng)衛(wèi)星大多屬于封閉系統(tǒng)不同，軟件定義衛(wèi)星應(yīng)該采用開放的系統(tǒng)架構(gòu)。首先，這將有利于提升衛(wèi)星系統(tǒng)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(chǎn)品，從而有效降低整星的研發(fā)成本，縮短其研發(fā)周期。

（2）借助平臺化的軟件解決方案解除衛(wèi)星系統(tǒng)軟硬件之間的緊耦合關(guān)系，讓衛(wèi)星軟件可以脫離硬件而獨立演化，而不再和某個具體的衛(wèi)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(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)、Android/ios對移動互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生了巨大的推動作用一樣，面向衛(wèi)星的平臺化軟件解決方案可能引發(fā)航天產(chǎn)業(yè)生態(tài)的變革。

（3）發(fā)展第三方應(yīng)用程序，不斷提升衛(wèi)星在軌智能信息處理能力，加速傳統(tǒng)衛(wèi)星向智能衛(wèi)星的演變。通過不斷升級軟件和算法逐漸提升衛(wèi)星自身的環(huán)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(wèi)星的運維成本，讓衛(wèi)星能夠完成更為復雜的空間任務(wù)，發(fā)揮更大的效能，在國防、經(jīng)濟發(fā)展中發(fā)揮更大的作用，為商業(yè)航天建立更好的生態(tài)環(huán)境。

圖5 天智星云開放式試驗環(huán)境

圖6 各自為政的航天測控網(wǎng)方案

圖7 統(tǒng)一協(xié)議標準的航天測控網(wǎng)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(shù)試驗衛(wèi)星明顯是不夠的。還有兩件事情亟待推進，一是拉近衛(wèi)星與開發(fā)者的距離，讓普通程序員就可以開發(fā)和發(fā)布星載APP；二是拉近衛(wèi)星與大眾的距離，讓普通大眾可以方便地訪問和使用衛(wèi)星。為此，天智工程組搭建了天智星云開放式試驗環(huán)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(fā)揮現(xiàn)有天地基測控資源的效能，為在軌運行的天智系列新技術(shù)試驗衛(wèi)星（用于軟件定義衛(wèi)星技術(shù)的開發(fā)、測試和在軌試驗驗證）提供靈活高效的測運控服務(wù)。天智星云大數(shù)據(jù)平臺的目的是對來自天智系列新技術(shù)試驗衛(wèi)星的數(shù)據(jù)進行接收、轉(zhuǎn)換、存儲、匯總、分析、解釋、利用、交換與分發(fā)，為不同行業(yè)的用戶提供及時準確的信息服務(wù)，以發(fā)揮其最大效能，二者均可基于云計算平臺或超算平臺構(gòu)建。

天智星云訪問者門戶，承擔著打通天智系列新技術(shù)試驗衛(wèi)星和互聯(lián)網(wǎng)用戶之間的信息鏈路的作用，方便用戶通過互聯(lián)網(wǎng)訪問衛(wèi)星。

天智星云開發(fā)者平臺用于為天智系列新技術(shù)試驗衛(wèi)星、天智星云測運控平臺、天智星云大數(shù)據(jù)平臺開發(fā)軟件。

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

3 天智星云開放測運控技術(shù)試驗平臺

現(xiàn)有的衛(wèi)星和測控站一般都自成體系。測控站和衛(wèi)星之間、廣大用戶和測控站之間只能采用私有協(xié)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(wèi)星效能的發(fā)揮。如圖6所示。

在這種模式下，一般衛(wèi)星公司只能選擇和個別測運控公司合作，一般衛(wèi)星用戶也只能選擇從個別測運控公司接收載荷數(shù)據(jù)，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(fā)明輪子的生態(tài)環(huán)境。很明顯，這樣的生態(tài)環(huán)境十分不利于航天測控網(wǎng)的健康發(fā)展，同時也阻礙了軍民深度融合。

為了建立良好的生態(tài)環(huán)境，航天測控采用統(tǒng)一的協(xié)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(tǒng)部分。建立了星地接口標準之后，原則上衛(wèi)星公司可以選擇任意地面站對其衛(wèi)星進行測控。建立了地面系統(tǒng)標準之后，原則上衛(wèi)星用戶便可以通過標準接口經(jīng)由互聯(lián)網(wǎng)VPN訪問符合標準的地面站，訪問不同的衛(wèi)星。如圖7所示。

但這里邊有一個問題，雖然在衛(wèi)星、測控站和衛(wèi)星用戶之間建立了統(tǒng)一的技術(shù)接口，但各家仍然需要面臨不同的商務(wù)接口。為了利用更多的資源，無論是衛(wèi)星廠商、測控服務(wù)提供商、還是衛(wèi)星用戶，都需要和多家公司進行商務(wù)談判，簽訂多份合約。在這種生態(tài)環(huán)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(wèi)星用戶方便地獲取衛(wèi)星服務(wù)。

由此可見，無論是傳統(tǒng)的測運控環(huán)境，還是正在逐步走向標準化的下一代測運控系統(tǒng)，都無法充分對在軌衛(wèi)星資源和測控資源進行高效利用，為不同行業(yè)的用戶提供更為方便和全面的服務(wù)。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(huán)境，發(fā)展智能測運控技術(shù)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(shù)試驗衛(wèi)星進行測運控；第二，通過互聯(lián)網(wǎng)對外提供服務(wù)，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(shù)試驗衛(wèi)星；第三，進行測運控新體制、新技術(shù)試驗，發(fā)展一種能夠調(diào)配數(shù)千個測控站、數(shù)傳站為在軌運行的成千上萬個衛(wèi)星提供智能測運控服務(wù)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(tǒng)架構(gòu)，不但可以方便地動態(tài)集成第三方測控資源，包括天基、地基和?；€可以集成廣大第三方開發(fā)的測運控軟件，例如：數(shù)據(jù)解析與可視化、任務(wù)規(guī)劃、智能信息處理、協(xié)議轉(zhuǎn)換、星地時統(tǒng)、加解密、解壓縮、衛(wèi)星遙測大數(shù)據(jù)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(fā)軟件。除了為天智系列新技術(shù)試驗衛(wèi)星進行測運控之外，該平臺還可以為其他商業(yè)衛(wèi)星提供測運控服務(wù)。

4 天智星云開放航天大數(shù)據(jù)試驗平臺

天智星云開放式大數(shù)據(jù)試驗平臺是一個典型的云計算環(huán)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(wèi)星數(shù)據(jù)，經(jīng)過格式轉(zhuǎn)換之后，存入存儲服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫。其次，可以支撐廣大第三方的智能信息處理程序，將衛(wèi)星數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為信息，為各行各業(yè)的用戶提供服務(wù)。

5 天智星云應(yīng)用開發(fā)者平臺

天智星云開發(fā)者平臺是以天智系列新技術(shù)試驗衛(wèi)星為基礎(chǔ)，用于推動軟件定義衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展、推動傳統(tǒng)衛(wèi)星向智能衛(wèi)星轉(zhuǎn)變的星載軟件云端協(xié)同開發(fā)環(huán)境。在天智星云應(yīng)用開發(fā)者平臺上，開發(fā)人員可以基于云端開發(fā)環(huán)境和虛擬衛(wèi)星在線完成星載App軟件的全部開發(fā)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(wèi)星上完成少量與硬件緊密相關(guān)的測試工作，最后將其App發(fā)布到在太空中飛行的天智系列新技術(shù)試驗衛(wèi)星上，開展在軌飛行試驗。天智星云應(yīng)用開發(fā)者平臺大大降低了程序員開發(fā)星載App的難度并且提高了開發(fā)效率。如圖10所示。

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

圖10 天智星云開發(fā)者平臺

圖9 天智星云航天大數(shù)據(jù)平平臺

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

天智星云測運控系統(tǒng)和天智一號桌面衛(wèi)星直接相連，并通過測控站、數(shù)傳站和在太空中飛行的天智一號衛(wèi)星相連。開發(fā)者無論是在虛擬衛(wèi)星、桌面衛(wèi)星還是在天智一號衛(wèi)星上均可運行自己開發(fā)的App軟件，并且通過瀏覽器或者“追星App”查看任務(wù)執(zhí)行結(jié)果。

6 發(fā)展軟件定義衛(wèi)星技術(shù)的路線圖

發(fā)展軟件定義衛(wèi)星技術(shù)的路線圖如下：

（1）以衛(wèi)星開放系列架構(gòu)為基礎(chǔ)，規(guī)范軟件定義衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展。建立起軟件定義衛(wèi)星開放系統(tǒng)架構(gòu)相關(guān)的標準規(guī)范體系。涵蓋天基超算平臺、星載操作環(huán)境、星載APP開發(fā)規(guī)范、有效載荷接入規(guī)范、有效載荷數(shù)據(jù)規(guī)范等多個方面。

（2）以天智星云開發(fā)者平臺為依托發(fā)展航天軟件。在完善衛(wèi)星平臺化軟件解決方案Sputnix的同時，通過舉辦航天應(yīng)用創(chuàng)新設(shè)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(fā)中來，形成數(shù)量眾多、功能豐富的航天應(yīng)用軟件庫，以支持空間應(yīng)用的靈活實現(xiàn)。

（3）以天智系列新技術(shù)試驗衛(wèi)星為抓手推動軟件定義衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展。研制天智系列新技術(shù)試驗衛(wèi)星，對軟件定義衛(wèi)星關(guān)鍵技術(shù)進行在軌驗證，包有效載荷動態(tài)重組、應(yīng)用軟件動態(tài)重配、衛(wèi)星功能按需重構(gòu)等，全面評估軟件定義衛(wèi)星對通信、導航、遙感、氣象、科學探測等空間任務(wù)的支持能力，推動傳統(tǒng)衛(wèi)星向智能衛(wèi)星演變。

其中（1）、（3）工作主要在軟件定義衛(wèi)星技術(shù)聯(lián)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(fā)者平臺，參與航天軟件的開發(fā)。

7 發(fā)展與展望

軟件定義衛(wèi)星的未來是智能衛(wèi)星。而智能衛(wèi)星的發(fā)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(shù)的提高、硬件加固工藝的改進，越來越多的工業(yè)級高性能器件將被用于衛(wèi)星平臺，這勢必大幅度提高星載計算能力，為發(fā)揮有效載荷的效能，支撐更多的在軌信息處理任務(wù)創(chuàng)造必要的條件。

目前，很多有效載荷通過硬件設(shè)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(nèi)，軟件和算法將在提升有效載荷的功能和性能方面發(fā)揮較大的作用，例如通過計算攝影技術(shù)提升成像質(zhì)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(xiàn)載荷的功能，并將這部分軟件從載荷內(nèi)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(guān)算法的通用性、提高相關(guān)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(jié)，鼓勵第三方參與有效載荷軟件的研發(fā)，將逐步推動有效載荷向開放式、模塊化、可重配、自適應(yīng)的方向發(fā)展。

智能衛(wèi)星的特點就是有豐富的應(yīng)用軟件，尤其是智能軟件。隨著開放衛(wèi)星系統(tǒng)架構(gòu)的建立和平臺化軟件解決方案的完善，勢必出現(xiàn)大量的第三方應(yīng)用程序，在衛(wèi)星資源的調(diào)度和管理、有效載荷接入、載荷數(shù)據(jù)的預處理和智能信息處理、衛(wèi)星狀態(tài)信息分析和故障預判、自主任務(wù)規(guī)劃、星地通信、星間通信等方面發(fā)揮重要作用。隨著軟件和算法的發(fā)展，未來的衛(wèi)星在智能感知、智能控制、智能組網(wǎng)、智能服務(wù)方面將日益增強，原來需要在地面完成的數(shù)據(jù)處理工作將逐步遷移到星上執(zhí)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(wèi)星自主完成，地面測運控的壓力將大幅降低。

最后，智能衛(wèi)星星群的發(fā)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(wù)，將極大地增強全球范圍內(nèi)的經(jīng)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(zhàn). CNCC2017