飛行在太空中的衛星變身“航天應用商店”

來源︰中國軍網綜合作者︰張玉民 許妍敏責任編輯︰董
2018-09-07 09:14

據中新社消息,我國首顆軟件定義衛星“天智一號”研制進展順利,將于今年下半年發射升空。這枚主要載荷為小型雲計算平台、超分相機和智能手機的開放型衛星,能提供集成各類衛星應用的方案解決平台。不久的將來,人們不僅可為衛星開發軟件,“航天應用商店”更將促使衛星應用“飛入尋常百姓家”。

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制圖︰楊俊濱

把飛行在太空中的衛星變身“航天應用商店”,軟件定義衛星——

開啟衛星應用的“大眾時代”

■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星——這樣的場景即將成為現實。據中新社消息,我國首顆軟件定義衛星“天智一號”研制進展順利,將于今年下半年發射升空。這枚主要載荷為小型雲計算平台、超分相機和智能手機的開放型衛星,能提供集成各類衛星應用的方案解決平台。不久的將來,人們不僅可為衛星開發軟件,“航天應用商店”更將促使衛星應用“飛入尋常百姓家”。

用衛星的人比造衛星的人少

自從1957年發射第一顆衛星開始,人類探索太空的步伐就從未停止過。但不可否認的是,無論是遙感衛星、氣象衛星、導航衛星、通信衛星的一次次發射成功,還是登月計劃、國際空間站和太空行走的一次次創舉,太空活動至今依舊是“少數人”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。就拿一枚普通衛星來說,研制過程首先要根據任務需求來“量身打造”,研制周期動輒數年,耗費成本常常以億為單位計算。好不容易把衛星成功送入太空,它還是個硬件不能互換、軟件不能復用的封閉系統。除干好自己原先設定的本職工作外,衛星無法實現計算資源共享或功能替代,不同“家族”的衛星也是互不“搭理”。這也難怪有研究人員曾開玩笑說,現如今用衛星的人比造衛星的人還要少。

近年來,微納衛星和立方星技術的發展,為解決衛星發展應用瓶頸開闢了新前景。2017年,印度和俄羅斯先後實現了一箭104顆和一箭73顆衛星的發射,好比向太空撒了一袋子“土豆”。這些微納衛星雖然體積小、功耗低、開發周期短、可編隊組網,但絕大多數仍未擺脫傳統衛星的研制方式,靈活性、智能性和可復用性依舊有待提高。

事實上,美國國防部早在上個世紀90年代就提出了“模塊化開放體系架構”,旨在將軟硬件平台分解為一系列標準化模塊,通過對不同模塊的“搭積木”實現不同的應用效果。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的使用效能。在這一思想指引下,軟件定義衛星由此誕生。

軟件定義衛星是一種以天基超算平台為基礎的開放型智能衛星。它以計算為中心,借助軟件定義無線電、軟件定義載荷、軟件定義數據處理和軟件定義網絡等手段,把衛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,發射升空的軟件定義衛星,就是一台運行在太空里的智能計算機,編寫好實現特定功能的應用,衛星執行程序後就能為你提供“專門服務”。

人人都能為“太空計算機”寫程序

有了這樣一台“太空計算機”,那可真是方便了大眾。想知道衛星的實時狀態,人人都可以通過手機應用程序直接訪問查詢,甚至還能指揮衛星在軌實施“太空自拍”。為充分拉近衛星與軟件開發程序員的“星地距離”,軟件定義衛星還實現了主流編程環境最大程度的兼容,人人都可開發星載軟件,並上傳到“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,旨在實現針對不同場景可重構通信衛星的研制應用。美國國家航空航天局還曾在航天軟件定義有效載荷體系基礎上,研發了Ka波段軟件無線電台、合成孔徑雷達等航天應用產品。2015年,歐洲通信衛星公司和歐洲航天局開始研制“量子”新一代衛星載荷,向著實現完全軟件定義衛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星的研制工作,也早已悄然開始。

軟件定義衛星的核心就是天基超算平台和星載操作環境,好比計算機的主板與操作系統。天基超算平台是星載傳感器、執行器和通信器的動態集成,能提供強大的計算能力以及豐富的接口形式。星載操作環境主要為各類應用程序提供運行支撐,實現各類軟硬件的即插即用和動態配置。此外,軟件定義衛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載荷的功能,為衛星應用程序的開發和使用提供最佳“人機環境”。

為“太空計算機”編寫應用程序,只需根據衛星提供的超算平台和星載操作環境,根據需求合理調配計算、存儲和信息交換服務。程序成功上注衛星後,還可通過硬件載荷動態重組、軟件應用動態重配,靈活改變衛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星系統,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星,就是一台隨時可以更換內存顯卡、重裝操作系統、安裝不同應用軟件的智能計算機。由于能根據不同任務需求加載不同組件、執行不同的應用程序,軟件定義衛星也有望成為飛行在太空里的“掌中寶”。

當軟件定義衛星遇到軍民融合

2017年,首枚發射升空的立方體衛星“UPSat”開啟了衛星開源的新時代。這台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”,加速了衛星應用的普及程度,也成為軟件定義衛星探索的先行者。同樣看到了軟件定義衛星的巨大應用前景,歐洲通信衛星公司宣布再訂購至少兩枚“量子”系列衛星,將通過軟件定義衛星的星座組建,實現面向全球的通信信號覆蓋。

軟件定義衛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星服務,或將開啟智能衛星發展新時代。當軟件定義衛星遇到軍民融合,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構架,能有力提升衛星對載荷的適配能力和對軟件算法的兼容性,把衛星徹底打造成“多面手”。另一方面,能實現高速信息傳輸、存儲、處理和靈活應用的軟件定義衛星,也將為智能化軍事應用和民用領域帶來無限的發展前景。

在軟件定義衛星得到高度重視的通信衛星領域,傳統的通信衛星設計常常在發射前數年就已經“凍結”,在此後十多年的使用過程中將保持不變。軟件定義衛星具有的可重構優勢,不僅能延長在軌衛星的使用壽命,還能實現輻射功率、帶寬、覆蓋範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,軟件定義衛星還能為人們提供諸如精確導航、授時、精細化觀測、空間態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星圖像,不再需要與地面站聯系下載處理,可直接通過艦艇終端與衛星進行“星地對話”,將大大提升戰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星,獲取所需的更高質量星空圖像。農民要判斷本地區農作物種植情況,也可以長期分時段租用衛星,通過對比合理判斷應當種植的農作物種類。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,軟件定義衛星采用了開放系統構架,符合標準的軟硬件都可在不同衛星平台之間靈活使用,將進一步擴充衛星系統的運用能力。借助軟件定義衛星,有望搭建成互聯互通的天地一體信息網,把人類的網上沖浪推向太空時代。

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