開啟衛(wèi)星應用的“大眾時代”

文 張玉民 許妍敏

打開智能手機里的應用程序，像使用共享單車一樣駕馭飛行在太空里的衛(wèi)星——這樣的場景即將成為現(xiàn)實。據(jù)中新社消息，我國首顆軟件定義衛(wèi)星“天智一號”研制進展順利，將于今年下半年發(fā)射升空。這枚主要載荷為小型云計算平臺、超分相機和智能手機的開放型衛(wèi)星，能提供集成各類衛(wèi)星應用的方案解決平臺。不久的將來，人們不僅可為衛(wèi)星開發(fā)軟件，“航天應用商店”更將促使衛(wèi)星應用“飛入尋常百姓家”。

用衛(wèi)星的人比造衛(wèi)星的人少

不久的將來，衛(wèi)星應用將“飛入尋常百姓家”。

自從1957年發(fā)射第一顆衛(wèi)星開始，人類探索太空的步伐就從未停止過。但不可否認的是，無論是遙感衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星、導航衛(wèi)星、通信衛(wèi)星的一次次發(fā)射成功，還是登月計劃、國際空間站和太空行走的一次次創(chuàng)舉，太空活動至今依舊是“少數(shù)人”的“高端游戲”，大眾只是航天領域的“圍觀者”。

究其原因，主要在于飛行器進入軌道的高昂成本。就拿一枚普通衛(wèi)星來說，研制過程首先要根據(jù)任務需求來“量身打造”，研制周期動輒數(shù)年，耗費成本常常以億為單位計算。好不容易把衛(wèi)星成功送入太空，它還是個硬件不能互換、軟件不能復用的封閉系統(tǒng)。除干好自己原先設定的本職工作外，衛(wèi)星無法實現(xiàn)計算資源共享或功能替代，不同“家族”的衛(wèi)星也是互不“搭理”。這也難怪有研究人員曾開玩笑說，現(xiàn)如今用衛(wèi)星的人比造衛(wèi)星的人還要少。

近年來，微納衛(wèi)星和立方星技術的發(fā)展，為解決衛(wèi)星發(fā)展應用瓶頸開辟了新前景。2017年，印度和俄羅斯先后實現(xiàn)了一箭104顆和一箭73顆衛(wèi)星的發(fā)射，好比向太空撒了一袋子“土豆”。這些微納衛(wèi)星雖然體積小、功耗低、開發(fā)周期短、可編隊組網(wǎng)，但絕大多數(shù)仍未擺脫傳統(tǒng)衛(wèi)星的研制方式，靈活性、智能性和可復用性依舊有待提高。

事實上，美國國防部早在20世紀90年代就提出了“模塊化開放體系架構”，旨在將軟硬件平臺分解為一系列標準化模塊，通過對不同模塊的“搭積木”實現(xiàn)不同的應用效果。這種開放體系不但能方便引入技術升級，也能大幅降低使用成本，有利于提升整個系統(tǒng)的使用效能。在這一思想指引下，軟件定義衛(wèi)星由此誕生。

軟件定義衛(wèi)星是一種以天基超算平臺為基礎的開放型智能衛(wèi)星。它以計算為中心，借助軟件定義無線電、軟件定義載荷、軟件定義數(shù)據(jù)處理和軟件定義網(wǎng)絡等手段，把衛(wèi)星上的各類傳感器和計算單元通過軟件連接起來，專門為你所用。通俗地講，發(fā)射升空的軟件定義衛(wèi)星，就是一臺運行在太空里的智能計算機，編寫好實現(xiàn)特定功能的應用，衛(wèi)星執(zhí)行程序后就能為你提供“專門服務”。

人人都能為“太空計算機”寫程序

有了這樣一臺“太空計算機”，那可真是方便了大眾。想知道衛(wèi)星的實時狀態(tài)，人人都可以通過手機應用程序直接訪問查詢，甚至還能指揮衛(wèi)星在軌實施“太空自拍”。為充分拉近衛(wèi)星與軟件開發(fā)程序員的“星地距離”，軟件定義衛(wèi)星還實現(xiàn)了主流編程環(huán)境最大程度的兼容，人人都可開發(fā)星載軟件，并上傳到“航天應用商店”進行軟件上注和在軌試驗。

別以為軟件定義衛(wèi)星還只是想象中的“下一代太空計算機”。早在2008年，歐洲航天局就針對空天飛行器應用提出了“軟件定義有效載荷”概念，旨在實現(xiàn)針對不同場景可重構通信衛(wèi)星的研制應用。美國國家航空航天局還曾在航天軟件定義有效載荷體系的基礎上，研發(fā)了Ka波段軟件無線電臺、合成孔徑雷達等航天應用產(chǎn)品。2015年，歐洲通信衛(wèi)星公司和歐洲航天局開始研制“量子”新一代衛(wèi)星載荷，向著實現(xiàn)完全軟件定義衛(wèi)星又邁出了重要一步。此外，能將通信、偵察與干擾融為一體的多功能軟件定義衛(wèi)星的研制工作，也早已悄然開始。

軟件定義衛(wèi)星的核心就是天基超算平臺和星載操作環(huán)境，好比計算機的主板與操作系統(tǒng)。天基超算平臺是星載傳感器、執(zhí)行器和通信器的動態(tài)集成，能提供強大的計算能力以及豐富的接口形式。星載操作環(huán)境主要為各類應用程序提供運行支撐，實現(xiàn)各類軟硬件的即插即用和動態(tài)配置。此外，軟件定義衛(wèi)星的關鍵技術還包括軟件定義有效載荷和應用程序組件等。軟件定義有效載荷就是盡可能以軟件形式實現(xiàn)載荷的功能，為衛(wèi)星應用程序的開發(fā)和使用提供最佳“人機環(huán)境”。

為“太空計算機”編寫應用程序，只需根據(jù)衛(wèi)星提供的超算平臺和星載操作環(huán)境，根據(jù)需求合理調(diào)配計算、存儲和信息交換服務。程序成功上注衛(wèi)星后，還可通過硬件載荷動態(tài)重組、軟件應用動態(tài)重配，靈活改變衛(wèi)星應用模塊的軟硬件組成，以便搭建出能滿足各種任務需求的衛(wèi)星系統(tǒng)，完成復雜多變的空間任務。

可以預見，未來有著需求可定義、硬件可重組、軟件可重配、功能可重構的軟件定義衛(wèi)星，就是一臺隨時可以更換內(nèi)存顯卡、重裝操作系統(tǒng)、安裝不同應用軟件的智能計算機。由于能根據(jù)不同任務需求加載不同組件、執(zhí)行不同的應用程序，軟件定義衛(wèi)星也有望成為飛行在太空里的“掌中寶”。

當軟件定義衛(wèi)星遇到軍民融合

2017年，首枚發(fā)射升空的立方體衛(wèi)星“UPSat”開啟了衛(wèi)星開源的新時代。這臺外形像個小型電腦主機，全部采用開源軟硬件搭建的“小家伙”，加速了衛(wèi)星應用的普及程度，也成為軟件定義衛(wèi)星探索的先行者。同樣看到了軟件定義衛(wèi)星的巨大應用前景，歐洲通信衛(wèi)星公司宣布再訂購至少兩枚“量子”系列衛(wèi)星，將通過軟件定義衛(wèi)星的星座組建，實現(xiàn)面向全球的通信信號覆蓋。

軟件定義衛(wèi)星擁有豐富的星上應用軟件，能夠按需重構完成不同任務部署，為更多的用戶提供衛(wèi)星服務，或?qū)㈤_啟智能衛(wèi)星發(fā)展新時代。當軟件定義衛(wèi)星遇到軍民融合，它們將會書寫出怎樣的新時代故事？一方面，采用軟件定義的開放系統(tǒng)構架，能有力提升衛(wèi)星對載荷的適配能力和對軟件算法的兼容性，把衛(wèi)星徹底打造成“多面手”。另一方面，能實現(xiàn)高速信息傳輸、存儲、處理和靈活應用的軟件定義衛(wèi)星，也將為智能化軍事應用和民用領域帶來無限的發(fā)展前景。

在軟件定義衛(wèi)星得到高度重視的通信衛(wèi)星領域，傳統(tǒng)的通信衛(wèi)星設計常常在發(fā)射前數(shù)年就已經(jīng)“凍結”，在此后10多年的使用過程中將保持不變。軟件定義衛(wèi)星具有的可重構優(yōu)勢，不僅能延長在軌衛(wèi)星的使用壽命，還能實現(xiàn)輻射功率、帶寬、覆蓋范圍和技術性能的與時俱進。這也難怪歐洲航天局就曾表示，“量子”衛(wèi)星項目及其拓展的軟件應用，將為無人機、飛機和艦艇編隊提供更加機動靈活的通信保障服務。

同時，軟件定義衛(wèi)星還能為人們提供諸如精確導航、授時、精細化觀測、空間態(tài)勢感知等多樣化服務。行駛在大洋上的海軍艦艇需要獲取衛(wèi)星圖像，不再需要與地面站聯(lián)系下載處理，可直接通過艦艇終端與衛(wèi)星進行“星地對話”，將大大提升戰(zhàn)場情報快速獲取與精準分析能力。同樣，天文愛好者也可以通過短期全時段租用衛(wèi)星，獲取所需的更高質(zhì)量星空圖像。農(nóng)民要判斷本地區(qū)農(nóng)作物種植情況，也可以長期分時段租用衛(wèi)星，通過對比合理判斷應當種植的農(nóng)作物種類。諸如此類科技改變生活的場景，還有許許多多。

更為重要的是，軟件定義衛(wèi)星采用了開放系統(tǒng)構架，符合標準的軟硬件都可在不同衛(wèi)星平臺之間靈活使用，將進一步擴充衛(wèi)星系統(tǒng)的運用能力。借助軟件定義衛(wèi)星，有望搭建成互聯(lián)互通的天地一體信息網(wǎng)，把人類的網(wǎng)上沖浪推向太空時代。