1、http:/DOI:10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0562软件定义卫星技术概念及发展徐帆江1，2，周鑫1，2，*，赵军锁1，2，吴凤鸽1，2，林翊钧1，2，夏玉立1(1.中国科学院软件研究所，北京100190；2.中国科学院大学，北京100190)摘要：针对在轨卫星呈现海量化、网络化、智能化发展的趋势，重点探讨了软件定义卫星技术的产生背景、概念、内容与挑战。通过历史回顾，归纳卫星系统研制的 3 个阶段，指出目前卫星系统正在从平台、载荷优先向算法优先演进，这一趋势推动了软件定义卫星技术的产生与发展；阐述软件定义卫星技术的概念与边界，指出研究软件定义卫星技术的目的不是研
2、制一类新型卫星，而是利用软件定义技术实现硬件资源虚拟化、系统软件平台化、应用软件多样化，提升卫星系统的网络化与智能化；分析软件定义卫星技术的主要内容与挑战，并对未来的发展进行展望。关键词：软件定义；软件定义卫星技术；算法优先；功能重构；智能卫星中图分类号：V474；TP391文献标志码：A文章编号：1001-5965（2023）07-1543-10近年来，随着巨型低轨卫星星座、卫星互联网等计划的推进，全球卫星产业迅猛发展，在轨卫星呈现海量化、网络化、智能化趋势1。据忧思科学家联盟（UCS）统计，截至 2021 年 4 月，全球在轨运行卫星数量已达到 4200 颗，并以每年上千颗的速度加速增长2
3、。预计到 2027 年，仅 Starlink 卫星就将达到 12000 颗3，全球卫星总数将超过 2 万颗。庞大的卫星系统将为飞机、船舶、车辆、个人等提供各种天基服务，产生巨大的商业价值。商业应用如火如荼，太空领域的军事竞赛也激烈展开4。2018 年 6 月，美国成立太空军，组建太空站实验室，并开展太空军事演习，不断加强对太空的军事利用5。美国空军、陆军均先后与太空探索技术公司（SpaceX）签署了合作协议，研究 Starlink卫星6用于军事通信的可行性。其他国家也逐步强化太空军事计划。日本宇宙基本法规定太空资产要为“国家安全”服务，突破了“太空只限于和平目的”决议的禁令7。然而，卫星数量的
4、快速增长，也给卫星的研制、部署和应用带来了巨大挑战8。传统的“为特定任务定制卫星，为特定卫星定制载荷，为特定载荷定制软件”的卫星研制思路，导致卫星功能单一、灵活性不足、技术迭代周期长、任务满足率偏低等问题，无法适应未来卫星系统网络化、智能化、体系化发展趋势。如何加速卫星研制与技术演进，实现在轨功能重构，降低复杂卫星星座的成本，提高航天任务满足率，这些现实而严峻的问题，迫使人们重新思考卫星技术发展的重心和思路9-11。从软件定义无线电（software-definedradio,SDR）到软件定义网络（software-definednetwork,SDN），再到软件定义一切（software-
5、definedanything,SDx），软件定义已经成为一种不可逆转的趋势，在各个行业悄然兴起12。软件定义就是通过硬件资源标准化和功能服务软件化，在软硬件解耦与硬件资源虚拟化、标准化的基础上，充分发挥软件灵活、开放的优势，发掘系统潜力13。这一技术思想正在推动卫星系统从平台优先向载荷优先转变，进而向算法优先演进，软件定义技术将成为未来卫星技术发展的重要驱动力。收稿日期：2021-09-22；录用日期：2021-10-18；网络出版时间：2021-11-0210：31网络出版地址： J.北京航空航天大学学报，2023，49（7）：1543-1552.XU F J，ZHOU X，ZHAO J
6、S，et al.Conception and development of software-defined satellite technologyJ.Journal of Beijing Universityof Aeronautics and Astronautics，2023，49（7）：1543-1552（in Chinese）.2023年7月北京航空航天大学学报July2023第49卷第7期JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsVol.49No.7SpaceX 公司充分利用软件定义技术的优势，实现了高速卫星互联网
7、星座 Starlink14、可靠的商业载人龙飞船15、经济高效的一箭 60 星与可回收火箭技术等16。欧洲航天局（EuropeanSpaceAgency,ESA）的 Quantum 卫星17和中国杨小牛院士提出的“软件星”18-19，则重点从软件定义无线电的角度探索通信卫星在轨功能重定义的潜力。中国科学院软件研究所牵头研制的“天智一号”卫星20，基于开放系统架构探索软件定义卫星技术，挖掘软件的潜力，并完成多项在轨试验，为提升卫星的功能灵活性和任务满足率提供了一种新的技术路径。本文首先梳理了卫星系统研制的演进脉络，然后阐述了软件定义卫星技术的概念与边界，最后分析了软件定义卫星技术的主要研究内容与
8、挑战，并对该技术的发展趋势进行展望。1卫星系统研制思路的演进自 1957 年第一颗人造地球卫星发射以来，卫星系统对于支撑对地观测、通信保障、导航定位、空间探索等任务发挥了重要作用21。而任务背景的变化及需求的不断提升，促使卫星系统研制由平台优先向载荷优先转变，且正在向算法优先阶段演进。1.1平台优先阶段卫星由卫星平台和有效载荷组成。其中，卫星平台部分主要包括结构系统、星务系统、能源系统、姿轨控系统、测控与数传系统等；有效载荷部分则根据卫星任务需要，选择配备雷、光、电、机等一种或多种21。早期，卫星平台在整个卫星系统的研制成本中占据绝大比例，其承重、供电等能力也是有效载荷设计的重要约束。经过多年
9、的应用验证，各大厂商均形成了谱系化产品，以满足不同的载荷质量与功率需求，如洛马公司的 LM 卫星平台系列（LM50/400/1000/2100）22、波音公司 BSS-702 系列（BSS-702HP/MP/SP）23、国内的东方红 DFH 系列、CAST 系列和微纳卫星平台 WN 系列（WN100/5000）24等。表 1 列举了主要的 DFH 系列卫星平台。在平台优先阶段，卫星平台是整个卫星系统的首要约束条件，而有效载荷、业务软件等都需要适配现有的平台能力，必要时还需进行功能降级或约简。表1东方红 DFH 卫星平台Table1DFHsatelliteplatform平台发射质量/kg载荷质
10、量/kg载荷功率/kW寿命/a首飞卫星与时间DFH-323202308东方红3号通信卫星,1994-11-30DFH-3A27403602.512中星22号,2000-01-26DFH-3B3800400450341215老挝1号,2015-11-21DFH-450005300450700481215鑫诺2号,2006-10-29DFH-4e550600080010001015亚太6D,2020-07-09DFH-565009000120022004221215实践20号,2020-01-051.2载荷优先阶段随着对地观测、通信保障等任务在分辨率、幅宽、大容量、低时延等方面的需求不断提升，极大
11、促使了星上合成孔径雷达（syntheticapertureradar,SAR）天线、相控阵天线及可展开光学成像系统等载荷的快速发展25。而现有谱系化平台在尺寸、功耗等方面越来越难以满足需求，在发展新体制卫星平台的同时，围绕特定载荷制造卫星成为了主要发展趋势，卫星系统迎来载荷优先阶段，表 2 列举了一些典型的卫星示例。就空间探索任务而言，作为哈勃空间望远镜的继任者，于 2021 年 12 月发射升空的詹姆斯韦伯太空望远镜（JamesWebbspacetelescope,JWST）26是美国国家航空航天局（NationalAeronauticsandSpace表2典型载荷优先的卫星示例Table2
12、Classicalpayload-firstsatellites序号卫星主要载荷发射时间1哈勃空间望远镜口径2.4m、长度16m的主反射镜1990-04-242詹姆斯韦伯太空望远镜载荷质量6.2t、口径6.5m的主反射镜2021-12-253NROL-44电子侦察载荷直径超100m、展开面积超数千平方米的巨型天线2020-12-114AEHF-6军事通信载荷调频无线电、相控阵天线、核加固等2020-03-265悟空号粒子探测载荷塑闪阵列探测器、硅阵列探测器、BGO量能器、中子探测器2015-12-171544北 京 航 空 航 天 大 学 学 报2023年Administration,NASA
13、）、ESA、加拿大航天局（CanadianSpaceAgency,CSA）联合研发的新一代红外太空望远镜，其主镜结构如图 1 所示（图片来源：https:/www.nasa.gov/content/goddard/webb-telescope-image-galleries-from-nasa）。该望远镜口径达 6.5m，是哈勃空间望远镜27（口径 2.4m）的 2.7倍，对暗光具有极高的灵敏度和出色的空间分辨率，可观测遥远宇宙的红外线，而这些高精密的有效载荷，对卫星平台、发射火箭等震动因素提出了更高要求，成为了约束卫星平台及火箭发射的主要因素。图1詹姆斯韦伯太空望远镜示意图Fig.1Sche
14、maticofJWST2020 年 12 月，美国 NASA 成功使用德尔塔-重型火箭发射了一颗绝密卫星（编号为 NROL-44），主要用于电子情报侦察。据悉该卫星造价超过20 亿美元，天线直径超过 100m，展开之后面积超过数千平方米28，给卫星平台和结构带来极大挑战。2015 年 12 月 17 日，中国科学院研制的暗物质粒子探测卫星“悟空号”在酒泉卫星发射中心成功发射。卫星主要通过在空间观测高能电子和伽马射线能谱，寻找暗物质粒子存在的证据29。其卫星采用“以载荷为中心、以科学任务为目标的整星一体化设计”理念，有效载荷由载荷数管与塑闪阵列等探测器构成，载荷平台比高达 3:1。在载荷优先阶段
15、，关键载荷成为整个卫星系统设计的首要约束条件，卫星平台在必要时可以根据载荷需求进行改造，甚至为其重新定制平台，平台软件也需要适配该载荷。此外，关键载荷通常采用硬件和软件一体化设计，软件以载荷的固件形式存在，灵活性较差，多个载荷之间也相对独立，载荷数据无法在轨复用，这些都限制了硬件效能的充分发挥。1.3算法优先阶段随着太空复杂环境下时敏任务保障、体系化应用等需求的提出，卫星平台和载荷技术得以快速发展，但仍面临存储和传输的数据量大、数据时效性较差、任务可扩展性低等问题30。因此，必须大力发展在轨数据处理、自主规划、协同组网等智能算法31，并围绕核心算法开展卫星系统的设计与研制。2019 年 3 月
16、，中国科学院的“天智一号”卫星完成了自主请求式管控试验，通过星上算法计算，实现自主实时定轨、高精度轨道外推、轨道超差判断和按需服务请求等功能，将“天智一号”卫星的轨道上注周期从 24h 延长至 72h。该技术可有效提升中国卫星测控网的保障支撑能力32。截至 2021 年 6 月，美国 SpaceX 公司共计发射了 1738 颗 Starlink 卫星6，实现全球南北纬 60以内的无缝覆盖。该卫星系统采用动态频谱共享、自动避障等一系列先进的软件算法，显著提高了大规模星座的应用效能和安全性14。2021 年 7 月 31 日，欧洲通信卫星公司 Eutelsat的 Quantum 卫星成功发射入轨。该卫星采用软件无线电技术，拥有 8 个独立运行的可重构波束，并利用灵活的基带软件实现通信功能重构，可以通过在轨软件升级，在其生命周期内对不断变化的需求做出响应17。与功能固定的有效载荷相比，星载智能软件算法可以根据体系应用需求在轨调整，在不改变现有硬件的前提下，实现任务灵活适变、体系动态重组，从而有效提升航天任务满足率和体系效能33。因此，确立软件算法的核心地位，而将传统的机/光/电等硬件资源作为