软件定义卫星技术概念及发展_徐帆江.pdf

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。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-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 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Table2Classicalpayload-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）、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.1SchematicofJWST2020 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，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，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/电等硬件资源作为基础保障条件，将更能适应未来体系应用的需求。如图 2 所示，在算法优先阶段，算法将成为整个卫星系统的首要约束条件。为了适应不断变化的任务需求，星上算法需要更多的计算资源、更灵活的重构能力，这将反过来对计算、传感等载荷的设计提出强制性约束，并进一步对平台能力提出要求。此时，卫星及星座的功能和灵活性都大幅提升，在整个任务体系中，地面端与卫星端各司其职、互相配合，共同提高航天任务满足率。机电光计算(算法/软件)机光电平台/载荷优先算法优先计算计算计算图2卫星平台/载荷优先向算法优先演进概念Fig.2Conceptofsatelliteevolutionfromplatform/payload-firsttoalgorithm-first纵观 3 个阶段，平台、载荷、算法始终存在、相互博弈，博弈的核心在于卫星系统设计中谁应该被第7期徐帆江，等：软件定义卫星技术概念及发展1545优先保障。在发展初期，卫星技术尚不成熟，稳定、可靠的卫星平台成为首要考虑因素；随着平台技术的发展成熟，高性能载荷的地位作用更加凸显；未来，随着平台和载荷技术的成熟，多样化应用将成为核心要素，而高效、灵活的算法作为任务逻辑的载体，将逐步成为卫星设计中的首要设计约束。当前，以美国为代表的航天大国已经实现载荷优先，正在逐渐向算法优先阶段演进。而中国仍处于平台优先向载荷优先的过渡阶段，并在算法优先方面做了一些初步探索。软件定义卫星技术正是在这样的需求背景下应运而生。2软件定义卫星技术的概念与边界2.1软件定义卫星技术的概念“软件定义”起源于“软件无线电”。1992 年，Mitola 教授在无线电领域首次提出了软件定义的概念，即软件定义无线电34，其核心思想是尽可能早地将接收到的模拟信号数字化，以最大程度地通过软件来实现设备的各种通信功能。受当时硬件水平限制，这一设想在宽带射频天线、宽带 AD/DA及高速信号处理等方面遇到了技术瓶颈，但如今都已成为现实。在此基础上，软件定义的方法逐渐扩展到其他领域。2010 年，斯坦福大学 McKeown 教授提出软件定义网络的概念，核心思想是将网络的控制与数据分离，根据上层应用需求，通过控制层集中对物理网络资源进行灵活配置35。目前，软件定义网络技术几乎成了高端网络交换机的标配，已被广泛用于 Cisco、NEC、华为等国际一线品牌的网络交换机中36。2012 年，软件巨头 VMware 公司提出软件定义存储（software-definedstorage,SDS）的概念37，核心思想是将所有存储相关的控制工作都放在物理存储硬件之外的软件中完成，这一软件不是作为存储设备的固件而存在，而是运行于服务器上或者作为操作系统的一部分。软件定义存储可以管理来自不同厂商的所有物理和虚拟存储资源，并按需进行配置，因此迅速成为云计算、云存储的革命性技术。2016 年，百度公司提出软件定义汽车（software-definedvehicle,SDV）38，其核心思想是决定未来汽车的是以人工智能为核心的软件技术，而不再是汽车的马力大小、机械性能好坏等。目前，以特斯拉为代表的新能源汽车与自动驾驶技术已经成为汽车行业的重要增长点39。梅宏院士认为，软件定义的技术本质是把原先一体化的硬件设施打破，将基础硬件虚拟化并提供标准化的基本功能，通过管控软件，控制其基本功能，提供更开放、灵活、智能的管控服务12。倪光南院士认为，软件定义一切反映了一种技术趋势，即软件按需地赋予硬件设备各种不同的功能，但这并不意味着软件可以取代硬件，而是硬件会趋于标准化，实现高性能和低价格，而软件则趋向于个性化，实现多样性和灵活性，二者将协调使人类进入软件定义时代40。李培根院士认为，在“工业互联网”、“工业 4.0”的发展蓝图中，软件定义将成为企业核心竞争力的战略需要，伴随着软件定义的泛化与延伸，软件将有望为物理实体定义新的功能、效能与边界41。可以预见，软件定义将渗透在未来各行各业的发展中，万物皆可互联，软件定义一切。综上所述，软件定义的核心是削弱甚至消除软硬件之间的强耦合关系，最大限度发挥硬件的通用性和软件的灵活性，推动应用软件向个性化方向发展、硬件资源向标准化方向发展、系统功能向网络化与智能化方向发展。因此，软件定义卫星技术是以星载高性能计算平台为支撑，采用开放系统架构，支持有效载荷即插即用、应用软件按需加载、系统功能快速重构、卫星系统增智赋能的相关软件定义技术的统称。2.2软件定义卫星技术的研究目标研究软件定义卫星技术的目的，不是研制一类新型卫星，而是研究如何利用软件定义技术支撑智能化卫星的研制与应用，有力推动航天工业系从平台中心化向任务中心化的转变。具体而言，软件定义卫星技术，是要实现硬件资源虚拟化、系统软件平台化、应用软件多样化，用软件来定义卫星的功能、提升卫星的性能、加速卫星的生产，最大限度地发挥硬件的通用性和软件的灵活性。硬件资源虚拟化，是指将各种实体硬件资源抽象化，打破其物理形态的不可分割性，制定组件的接口标准，泛化其访问形式，隐藏其实现细节，以便通过灵活重组、重用发挥其最大效能。系统软件平台化，是指通过基础软件对硬件资源进行统一管控、按需分配，并通过标准化的编程接口解除上层应用软件和底层硬件资源之间的紧耦合关系，使其可以各自独立演化。应用软件多样化，是指在成熟的平台化系统软件解决方案的基础上，应用软件不受硬件资源约束，对外提供更为灵活高效和多样化的服务。软件定义的卫星系统，将随着硬件性能的提升、算法效能的改进、应用数量的增多，逐步向智能卫星系统演变。2.3软件定义卫星技术的发展层次软件定义卫星技术不是一蹴而就的，其发展层次由浅入深可以分为人在控制回路的软件缺陷修复、软件算法升级和软件功能重构，最终达到人在监督回路的软件自主演进。1546北 京 航 空 航 天 大 学 学 报2023年1）软件修复。指在不改变输入输出和算法核心的前提下，通过修复软件中存在的问题缺陷，保障卫星正常完成既定任务目标。在卫星发射入轨初期，通过在轨测试发现卫星软件缺陷，可通过上注更新完成软件修复。目前，大多数新型卫星都已具备软件修复的能力。2）算法升级。指在保持任务目标不变的前提下，通过算法逻辑优化、输入参数扩展、多元传感信息融合等手段，提高算法输出的丰富性、准确性、鲁棒性，从而更好地完成既定任务目标。初级的算法升级并不改变输入输出，仅仅是算法逻辑的优化，而高级的算法升级并不局限于固定的输入输出，而是可以根据需要实现星载传感、地面遥测等数据输入的变更。为支撑算法持续升级，应使算法软件尽量靠近后端，而不与前端传感或控制载荷过分耦合。目前，只有 Quantum 等极少数卫星具备较理想的算法升级能力。3）功能重构。指利用卫星系统现有的硬件资源，通过软件算法或接口的组合调整与配置，重构卫星系统的功能，以满足新任务的要求。卫星入轨后，用户可能会对卫星提出既定任务目标之外的功能要求，这在传统卫星系统中是无法实现的，但在新型卫星系统中，可以通过功能重构实现新的任务目标，从而不断提高在轨卫星的任务满足率。这 3 个层次不断进行螺旋式发展迭代，如图 3所示。初期的软件修复算法升级功能重构可能仅涉及少量代码的更改，进一步可实现软件重要模块甚至整个软件架构的更新。随着人工智能技术的发展，这 3 个层次的发起者和执行者也会由地面控制中心逐渐转变为软件智能体本身，卫星系统可以自主完成软件修复、算法升级和功能重构，最终达到自主演进的目标。届时，人将处于监督回路，仅在必要时进行干预42。3软件定义卫星技术的内容与挑战软件定义卫星技术虽然名称上冠以“卫星”二字，但并不仅限于卫星个体上的技术，而是着眼于卫星前端、地面支撑、体系应用有机结合的全方位生态构建解决方案。如图 4 所示，软件定义卫星技术的研究内容大体可分为 4 个方面，分别为系统架构技术、共性基础支撑技术、智能应用技术，以及上述技术的标准和规范制定等。智能应用技术标准与规范共性基础支撑技术系统架构技术基石支撑灵魂助力图4软件定义卫星技术的主要研究内容Fig.4Contentsofsoftware-definedsatellitetechnology3.1系统架构技术软件定义卫星，架构定义软件，良好的系统架构是软件定义卫星技术的基石，其明确了卫星系统中的部件要素及其相互联系。如图 5 所示，软件定义卫星采用开放的系统架构，以高性能星载计算平台为核心，通过接入不同的有效载荷（传感器、执行器、通信载荷等），加载不同的软件，快速重构出具有不同功能的卫星系统。借助高性能星载计算平台强大的计算能力，将有效载荷的部分功能通过软件实现，并最终实现有效载荷的虚拟化。应用软件APPAPP APP APP APP APPAPP APP APP APP APP APPAPP天基高性能计算平台应用程序接口中间件层操作系统层异构计算单元层硬件抽象层星载产品货架星敏、太敏、磁强计、陀螺仪、GNSS、动量轮、CMG、磁力矩器、推进、数传发射机、测控应答机、可见光相机、红外相机、高光谱相机、SAR、雷达图5软件定义卫星系统架构Fig.5Systemframeworkofsoftware-definedsatellite对软件定义卫星系统架构技术的研究，具体可分为 3 个方面：1）软硬件解耦的功能组件模块化技术。将卫星平台/载荷的封闭系统分解为一系列模块化、组件化的松耦合软硬件单元，并根据传输需求制定标自主演进重构升级修复重构升级修复重构升级修复图3软件定义卫星技术的发展层次Fig.3Developmentlevelsofsoftwaredefinedsatellitetechnology第7期徐帆江，等：软件定义卫星技术概念及发展1547准的、实时高速数据总线接口，完成组件间的信息交互，从而提高卫星部件的兼容性，实现技术的低成本复用和独立演进。美国洛马公司尝试将这类技术用于构建快速响应、低成本的情报监视侦查(intelligence,surveillance,andreconnaissance,ISR)卫星43；美国国防高级研究计划局(DefenseAdvancedResearchProjectsAgency,DARPA)将其用于设计任务管理系统 PitBoss44，以快速集成军用载荷和自主软件等。2）异构高性能星载计算技术。将 CPU、GPU、DSP、FPGA 等不同种类的分布式计算单元“强强联合”，形成逻辑上一体化的高性能计算资源池，并可对资源进行弹性分配，从而为星载智能应用的部署和运行提供通用的、可扩展的、高效灵活的星上计算环境。美国NASA 曾将其异构计算系统SpaceCube用在超光谱仪、SAR 等新科学任务中，在降低功耗成本的同时提升了 10100 倍计算能力45。3）灵活开放的有效载荷技术。与载荷优先阶段不同，在算法优先阶段，有效载荷除了应具备更灵活的功能和更强的性能之外，还需要开放更多底层的、基本的功能服务接口，从而通过算法软件实现快速灵活的功能重构和任务响应，充分发掘系统潜力。欧洲 Quantum 卫星上的软件无线电载荷，可以在基带处理和天线波束 2 个层面对通信体制进行重新定义，具备极强的灵活性和新需求响应能力17。3.2共性基础支撑技术共性基础支撑技术聚焦于软件定义卫星技术中的软件开发、测试、加固、网络通信、数据储备等基础性支撑技术，具体包括：1）软硬件协同的系统可靠性与安全性加固技术。为弥补恶劣外太空环境带来的器件可靠性威胁，降低开放系统架构所导致的安全性隐患，需要软硬件协同实现可靠容错、漏洞修复、自主恢复、自主故障诊断与隔离等，保障卫星系统持续稳定与安全。目前，航天系统中主要采用冗余备份、错误检 查 与 纠 正（error-checking-and-correcting,ECC）内存、宇航级元器件、单粒子闩锁防护等硬件手段保障可靠性，采用鉴权、日志、加密等软件手段保障安全性。未来除了应该进一步完善现有技术手段外，还可以从软硬件协同的角度研究可靠性和安全性加固技术，针对体系结构和空间环境的特点，通过微重启、软件抗衰、基于容器的软件分区隔离等软件容错技术，结合总剂量防护等硬件加固手段，降低卫星的费效比。美国 NASA 曾尝试将图 6 所示（图片来源：https:/ DevOps 模式的云端软件测试48，以及数字孪生49等技术，对研发星载软件自动化测评工具具有重要借鉴意义。4）大型星座组网与高速传输技术。面向大型星座天地组网需求，如何构建高速、可靠、灵活的天地一体化通信网络，满足全球海量、分布式、差异化的通信业务需求至关重要50。卫星组网与传输技术，需要针对大型星座系统下的复杂网络和电磁环境，充分发挥协议软件灵活可扩展的优势，实现面向特定任务/业务需求的灵活高效资源分配、协调与复用。目前常用的 CCSDS、DVB-S、TCP/IP等组网协议体系，主要面向深空和互联网等场景51，而 Starlink 系统采用的私有组网传输技术，尚处于图6惠普星载超级计算机原型Fig.6HPSpace-bornecomputerprototype1548北 京 航 空 航 天 大 学 学 报2023年探索和试验阶段。因此，建立具有标准化接口的协议将是未来几年国内外研究的重点。5）多源多模态高精细样本库构建技术。基于多载荷类型，面向多应用目标，建立载荷源数据和样本库标准规范，实现对多元多模态源数据和样本库的增广、索引和管理，构建高精细样本库，为智能算法模型的训练提供数据支撑。同时，利用小样本学习、迁移学习等数据驱动方法，充分挖掘数据内蕴含的知识和数据间的关联性，以提高样本利用率、降低算法模型的构建门槛。目前，支持智能算法模型开发训练的样本库多针对地面应用场景，专门针对航天智能应用的样本库较少52。3.3智能应用技术智能应用是软件定义卫星技术的灵魂。在巨型星座或深空环境下，地面站难以实时大范围地参与到各卫星节点的信息处理回路中53，因此星载软件是感知环境、规划运行、控制行动的主体，航天任务满足率受算法智能化水平的直接影响。智能应用技术具体可分为感知、控制、规划 3 个层面，每个层面又包括很多应用场景。1）智能感知。智能感知是要借助星上强大计算能力，实现面向雷达、光学、无线电等多种载荷的数据处理及智能融合算法54-55，提高感知时敏性，降低星地通信传输压力。然而，受限于星上的计算能力，目前星上感知处理集中在预处理、目标检测等较少领域，将来的智能感知是计算机科学、数据科学和认知科学的融合，采用人工智能技术实现目标提取、目标认知、变化检测、热点事件检测等多领域应用。“天智一号”卫星通过星上实时智能云检测及图像质量判读，可实现无效积云数据的预先剔除，将下传效率提升 72%，初步窥探了智能感知的效用。2）智能控制。卫星控制不仅依赖动量轮、推进器、机械臂等物理执行机构，更需要算法的支撑。目前星上的姿控、温控等基本控制多以经典的 PID 控制算法为主，更加高层次的任务运行则需地面控制中心通过测控链路进行管控。其中，经典PID 控制系统属于预置式控制系统，对复杂、时变环境的适应能力较差；地面遥控方式更是增加了地面运维压力，并非常依赖测控链路的稳定性，具有严重的安全隐患。因此，不仅需要研究模糊系统、强化学习等智能控制理论，在传统的姿轨控、温控、能控等方面实现自主调节56，还需要研究环境认知与交互控制技术，实现更加智能化的行为，如自我故障修复、自主防卫、太空碎片清理等57-58。3）智能规划运行。卫星的规划运行，是在满足卫星任务约束的情况下，为给定的一组任务生成卫星的远程控制序列，从而达到高质量完成用户请求处理的目标。当前任务执行的控制序列主要在地面生成，通过构建任务规划的模型并对模型中的优化问题进行求解，从而生成卫星任务规划结果并上传至星上执行。未来的智能规划，将根据地面站制定的宏观任务目标，由卫星个体甚至星座整体对自身的任务序列做出规划59，并根据实际情况及时调整，降低卫星运行对地面站的依赖，缩短突发状况下的应急响应时间。3.4标准与规范制定标准与规范是软件定义卫星技术发展的助力，其以行业标准的形式统一了技术思想和框架，降低了用户参与的门槛，可以有力推动软件定义卫星技术的产业化。软件定义卫星技术的标准与规范涉及系统架构、共性基础支撑、智能应用等所有技术方向。在系统架构方面，需要定义卫星的功能组件分解、统一总线接口规范、载荷功能与接口标准等；在共性基础支撑方面，需要制定软件加固算法标准、软件开发、测试与集成规范、通信协议规范等；在智能应用方面，需要对智能感知、运行、任务规划等任务进行细化，在各自的子领域建立标准算法规范。目前，尚未形成关于软件定义卫星技术标准的行业共识，但相关工作早已展开。2017 年 11 月，软件定义卫星技术联盟成立标准化工作委员会，致力于推动软件定义卫星技术相关标准规范的制定。近年来，联盟在硬件功能抽象、载荷接口规范、软件开发接口、统一数据总线等方面做了很多积极探索。4结束语航天任务需求的不断提升，促使卫星系统研制逐渐由平台优先、载荷优先向算法优先转变。软件定义卫星技术顺应了这一历史趋势，通过各种技术手段实现硬件资源虚拟化、系统软件平台化、应用软件多样化，最大限度发挥硬件的通用性和软件的灵活性，其思想已经渗入、并将更加深入地影响卫星系统的设计、研制、生产、测试、应用、维护等全生命周期。当前，中国正在从航天大国向航天强国迈进，“天地一体化信息网络”、“深空探测及空间飞行器在轨服务与维护系统”等国家重大工程对卫星系统网络化、智能化有迫切需求。未来应加速推进软件定义卫星技术研究，重点构建智能卫星系统的研制与应用生态，汇聚更多的尖端人才，助力我国航天技术实现弯道超车。第7期徐帆江，等：软件定义卫星技术概念及发展1549参考文献（References）齐心,周思卓,林屹立.美军小卫星“三化”前沿技术发展探析J.国际太空,2021(3):54-59.QIX,ZHOUSZ,LINYL.AnanalysisofthefrontiertechnologydevelopmentoftheUSarmyssmallsatellitesJ.SpaceInternation-al,2021(3):54-59（inChinese）.1UCS.UCSsatellitedatabaseEB/OL.2021-09-01.https:/www.ucsusa.org/resources/satellite-database.2王迪,骆盛,毛锦,等.Starlink卫星系统技术概要J.航天电子对抗,2020,36(5):51-56.WANGD,LUOS,MAOJ,etal.OverviewofStarlinksatellitesystemtechnologyJ.AerospaceElectronicWarfare,2020,36(5):51-56（inChinese）.3郭丽红,蔡润斌,李臻.2020年美国太空军事力量发展综述J.国际太空,2021(5):43-47.GUOLH,CAIRB,LIZ.OverviewofU.S.spacemilitaryforcedevelopmentin2020J.SpaceInternational,2021(5):43-47（inChi-nese）.4司耀锋,吴林,郝媛媛,等.美军作战快速响应太空计划发展综述J.国际太空,2012(1):33-41.SIYF,WUL,HAOYY,etal.OverviewofthedevelopmentoftheU.S.militarysoperationalrapidresponsespaceprogramJ.SpaceInternational,2012(1):33-41（inChinese）.5SpaceX.StarlinkEB/OL.2021-09-01.https:/.6惠仲阳.范唯唯.日本发布新版宇宙基本计划J.空间科学学报,2020,40(6):968.HUIZY,FANGWW.Japanreleasesnewversionof“UniversalBasic 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