洛馬公司智能衛(wèi)星軟件定義架構(gòu)技術(shù)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(wèi)星的興起以微納衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展為基礎(chǔ)，是利用通用化和模塊化設(shè)計思路設(shè)計提出的一種新型衛(wèi)星[1]。曾有研究人員將軟件定義衛(wèi)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(tǒng)實現(xiàn)通信、載荷等功能的傳統(tǒng)模式，將應用任務與衛(wèi)星硬件設(shè)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(shù)據(jù)處理計算機、網(wǎng)絡(luò)等，將各類敏感器和執(zhí)行機構(gòu)連接為一個整體，使得衛(wèi)星功能軟件化，從而實現(xiàn)衛(wèi)星功能在軌重構(gòu)，適應不斷變化的應用需求[2]。美國、歐洲、中國等國家和地區(qū)已經(jīng)開始了相關(guān)研究，分別提出了不同的設(shè)計方案，開展了不同程度的工程化應用。

目前，關(guān)于軟件定義衛(wèi)星的技術(shù)方案與應用前景偏向于商業(yè)應用，如改善無線網(wǎng)絡(luò)欠發(fā)達地區(qū)以及解決無線網(wǎng)絡(luò)無法覆蓋地區(qū)的通信問題等，但對軟件定義技術(shù)以及軟件定義衛(wèi)星的軍事應用關(guān)注較少。本文將從跟蹤分析美國洛馬公司在軟件定義衛(wèi)星領(lǐng)域的專利技術(shù)方案出發(fā)，結(jié)合美國政府、智庫公開的軟件定義技術(shù)在太空和軍事領(lǐng)域的應用計劃，探討軟件定義衛(wèi)星在軍事領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展和應用前景。

二、洛馬公司智能衛(wèi)星發(fā)展概述

美國洛馬公司在2019年推出了名為智能衛(wèi)星的軟件定義架構(gòu)，將網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與航天技術(shù)有機結(jié)合，形成新一代航天技術(shù)，支撐衛(wèi)星在軌任務調(diào)整[3]。洛馬公司開展該領(lǐng)域技術(shù)研究，一方面是緊跟美國國家戰(zhàn)略需要，另一方面是洞察到了該領(lǐng)域的技術(shù)與市場動向。

1.國家戰(zhàn)略政策引導

眾所周知，美國當前的作戰(zhàn)系統(tǒng)高度依賴太空通信，為了實現(xiàn)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(zhàn)略發(fā)展要求?！皬椥蕴铡边@一名詞首先出現(xiàn)在美國太空司令部于2013年發(fā)布的《彈性和分散太空體系》白皮書，隨后經(jīng)過美國國防部情報局等政府機關(guān)、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(nèi)容的概念。一是實現(xiàn)分散式、擴散式、多樣化的太空資產(chǎn)部署；二是建設(shè)隨時分解、重組、重構(gòu)、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(zhàn)任務；四是在高風險條件下持續(xù)支援其他域聯(lián)合作戰(zhàn)[4]。

在上述戰(zhàn)略實施層面，衛(wèi)星領(lǐng)域已經(jīng)明確的發(fā)展方向包括發(fā)展高機動衛(wèi)星和軟件定義衛(wèi)星。這兩方面技術(shù)在洛馬公司近年衛(wèi)星技術(shù)研發(fā)上均有體現(xiàn)。

2.政府合同任務落地

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

現(xiàn)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(shù)作為切入點，重點挖掘和剖析其散落在軟件定義衛(wèi)星相關(guān)的專利技術(shù)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(wèi)星整體架構(gòu)和技術(shù)實現(xiàn)路徑。

三、系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

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

該系統(tǒng)架構(gòu)通過調(diào)整和調(diào)用衛(wèi)星的硬件或軟件實現(xiàn)定義衛(wèi)星任務角色的功能。當具有此類通用設(shè)備的衛(wèi)星被部署成星座，或被部署到已有星座中，可增強現(xiàn)有在軌衛(wèi)星的軟件和硬件功能。

1.衛(wèi)星系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

洛馬公司在名為“支持虛擬化的衛(wèi)星平臺”的專利中（申請?zhí)朥S15297436）公開了該公司軟件定義衛(wèi)星的系統(tǒng)架構(gòu)[7]。該系統(tǒng)架構(gòu)最重要的作用是實現(xiàn)軟件與硬件的解耦，具體的方法是通過分布式軟件技術(shù)對使設(shè)備與功能實現(xiàn)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(wèi)星設(shè)備更新和維護困難的問題。

該專利公開的技術(shù)方案將系統(tǒng)架構(gòu)分為虛擬執(zhí)行層、交互層和控制層3層，如圖1所示，其中，虛擬執(zhí)行層利用分布式的軟件技術(shù)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能的抽象，使網(wǎng)絡(luò)不再局限于硬件架構(gòu)，進而支撐多顆軟件定義衛(wèi)星根據(jù)業(yè)務需要高效編排、資源重構(gòu)、快速靈活組網(wǎng)，執(zhí)行定制化任務。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

2.軌道分層通信設(shè)計

目前，SmartSat的應用主要體現(xiàn)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(wèi)星同時需要與地面和其他星座的衛(wèi)星進行信息交互。因此，洛馬公司提出了基于軟件定義衛(wèi)星的分層網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)方案[8]。

軌道分層通信的技術(shù)方案設(shè)計上層軌道部署了一個星座，構(gòu)成第一通信網(wǎng)絡(luò)；在下層軌道部署了一個星座，構(gòu)成第二通信網(wǎng)絡(luò)，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(wǎng)絡(luò)中，上層軌道和下層軌道的衛(wèi)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(tǒng)之間，可配置建立前向通信路徑和反向通信路徑的通信網(wǎng)絡(luò)。

圖2 軌道分層通信示意圖

該方案實現(xiàn)了同一軌道衛(wèi)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(wèi)星之間、星座和星座衛(wèi)星之間的角色分配，可以實現(xiàn)偽地球同步衛(wèi)星的功能，解決地球同步衛(wèi)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(shù)使軟件定義衛(wèi)星得以在實際執(zhí)行任務中區(qū)別于傳統(tǒng)衛(wèi)星，使軟件定義衛(wèi)星在執(zhí)行任務過程中，具備分散、重組、自我修復等“彈性”能力。

四、關(guān)鍵技術(shù)方案

支撐SmartSat軟件定義架構(gòu)功能實現(xiàn)以及保障“傳輸層0期”的通信星座任務的關(guān)鍵技術(shù)包括質(zhì)量評價技術(shù)、角色定義技術(shù)、資源調(diào)配與管理技術(shù)等，如圖3所示。

圖3 關(guān)鍵技術(shù)示意圖

1.質(zhì)量評價技術(shù)

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

為了保障任務質(zhì)量，支撐資源合理調(diào)配，洛馬公司提出了衛(wèi)星服務質(zhì)量動態(tài)保障技術(shù)，收集衛(wèi)星完整的數(shù)據(jù)并進行質(zhì)量分級。一般情況下，當衛(wèi)星的軌道與特定地理區(qū)域重合時，衛(wèi)星處理資源、傳感器資源和通信資源的質(zhì)量為最高級；當衛(wèi)星的軌道與感興趣的地理區(qū)域不一致時，提供的服務質(zhì)量為次一級；有了任務質(zhì)量分級，便于讓用戶選擇服務消費等級；當衛(wèi)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(shù)

軟件定義衛(wèi)星的突破在于可以在軌調(diào)整任務，即角色調(diào)整。衛(wèi)星角色調(diào)整的前提是質(zhì)量評價，在此基礎(chǔ)上，為了管理每顆衛(wèi)星執(zhí)行的應用，需生成調(diào)度表，作為調(diào)用各應用及各應用對用戶傳感器的訪問，也是實現(xiàn)衛(wèi)星資源整合調(diào)用的依據(jù)[11]。

角色定義是雙向的，調(diào)度表是衛(wèi)星在滿足相關(guān)任務要求的情況下可以調(diào)用應用的依據(jù)，同時用戶需要一個調(diào)用衛(wèi)星的依據(jù)，因此產(chǎn)生了屬性評分度量。屬性評分度量指示了每顆衛(wèi)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(wèi)星設(shè)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(shù)主要考慮無人機機載平臺使用[13]。

角色識別和配置技術(shù)應用于對興趣目標的識別，調(diào)用星載和機載軟件定義載荷的各類傳感器采集相關(guān)數(shù)據(jù)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(zhí)行中繼任務的衛(wèi)星[14]。

3.資源調(diào)配與管理技術(shù)

在資源調(diào)配與管理方面，除了衛(wèi)星設(shè)置的質(zhì)量分級、用戶選擇衛(wèi)星的屬性評分度量以外，還有一個綜合調(diào)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(guān)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(diào)配和管理不僅體現(xiàn)在被動的利用星座固有狀態(tài)下的調(diào)配與管理，還體現(xiàn)在必要時為了擴展通信帶寬、提高任務質(zhì)量而調(diào)動衛(wèi)星變換軌道，以及設(shè)置任務窗口，將星座衛(wèi)星調(diào)整后，實現(xiàn)偽地球同步衛(wèi)星的功能[16]。

五、系統(tǒng)架構(gòu)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(gòu)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(wèi)星星座與其他較高軌道的星座實現(xiàn)任務配合，或作為較高軌道星座的中繼衛(wèi)星，或執(zhí)行部分任務將數(shù)據(jù)傳輸給較高軌道的星座或地面指控中心；低軌道星座根據(jù)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(zhàn)斗機、飛艇等；為了更好地發(fā)揮軟件定義架構(gòu)的作用，洛馬公司設(shè)計了一系列的資源調(diào)配和管理評價指標，為了最大限度實現(xiàn)任務要求，搭載了SmartSat軟件定義架構(gòu)的衛(wèi)星星座，可以通過任務窗口設(shè)置、調(diào)整衛(wèi)星軌道高度、衛(wèi)星之間距離等途徑實現(xiàn)偽地球同步衛(wèi)星等功能，如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)架構(gòu)應用示意圖

六、結(jié)論

軟件定義衛(wèi)星的出現(xiàn)重新定義了現(xiàn)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(gòu)在航天器、飛行器以及地面設(shè)備之間相互作用，必將在軍用與民用領(lǐng)域牽引出諸多應用方案。美國商業(yè)航天在航天運輸領(lǐng)域帶來的變革已經(jīng)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(gòu)在航天器領(lǐng)域的應用，世界航天大國各大星座建設(shè)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(lǐng)域的從業(yè)者在關(guān)注國內(nèi)外各領(lǐng)域先進裝備與前沿技術(shù)發(fā)展的過程中，還需積極思考這些變革性的技術(shù)和技術(shù)應用將給現(xiàn)有的裝備體系與作戰(zhàn)模式帶來的影響。