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浅谈软件定义卫星

文章来源:软件研究所    发布时间:2017-11-14  【字号:      】

  从1957年发射第一颗卫星“斯普特尼克(Sputnik)1号”开始,人们开始了星辰大海的征程。遥感卫星、气象卫星、导航卫星、通信卫星……人们为每一次卫星发射成功而欢呼;国际空间站、阿波罗登月、行星探测……人们为向太空迈出的每一步而自豪。目前,空间活动政府资助比例远远大于私人资本,绝大多数人仍是航天领域的围观者。原因主要在于进入轨道的成本很高。卫星工程包括卫星研制、地面站建造以及运载发射。传统卫星研制,首先要基于任务分析卫星轨道、功率、构型、质量、载荷等需求,然后设计卫星结构、电源、姿态和轨道控制、遥测遥控、热控、数据处理、推进、有效载荷等多个子系统,涉及多个学科领域,研制周期可达十年以上,研制成本以亿为单位计算。此外,运载发射的费用很高,重量一千克的物体发射费用等价于一千克黄金。卫星运行时需要投入大量的专业人员进行遥测遥控。高昂的投入、专业性很强的前沿技术让普通大众对航天望而却步。

  进入21世纪,50公斤以下的微纳卫星技术日渐活跃,特别是1999年由美国加州理工大学和斯坦福大学提出并制定了立方星(Cubesat)标准以来,国际上微纳卫星技术迎来日新月异的发展势头。2003年,第一颗立方星发射升空,短短十年,相关技术发展很快。2017年2月15日,印度用一枚火箭向太空发射了104颗卫星,包括101颗不到10千克的纳米卫星,媒体将其比作“向太空撒了一麻袋土豆”。2017年7月14日,俄罗斯一箭73星发射成功。据美国智库SpaceWorks统计,2017年至2023年,1-50kg卫星的发射需求达2400颗。微纳卫星以体积小、功耗低、开发周期短,可编队组网,以更低的成本完成很多复杂的空间任务的优势,已被广泛试验应用于对地观测、通信、导航、空间科学探测、空间天气、深空探测和新技术试验等领域,成为空间系统的重要组成部分。然而,大部分微纳卫星制造商未摆脱传统卫星的研制方式,仅通过简化卫星功能,降低卫星质量等手段降低了卫星成本,继续进行着重复发明轮子的工作,重复开发微纳卫星软硬件,其灵活性、智能性、可复用性等方面仍然欠缺。

  为此,我们提出了软件定义卫星。它以计算为中心,以软件为手段,通过软件定义无线电、软件定义载荷、软件定义数据处理计算机、软件定义网络等手段,将传统上由分系统实现的通信、载荷等功能以软件方式实现,总体上将各类敏感器和执行机构通过软件连接为一个整体,最终实现大部分卫星功能的软件化。将应用任务与卫星硬件设计解耦,便于通过软件实现卫星功能的在轨重构,适应不断变化的应用需求。是不是难以理解?简单的说,软件定义卫星像Android智能手机一样进行软硬件研制,支持像共享单车一样的应用方式。

  像Android智能手机一样进行软硬件研制

  软件定义卫星借鉴智能手机的研制开发模式,包括硬件与软件两个相辅相成的两个方面。

  在Android智能手机出现前,智能手机价格均在五六千之上,功能不多,属于手机中的阳春白雪。2007年,Google与84家硬件制造商、软件开发商及电性运营商,组建开发手机联盟共同研发改良Android系统。目前,Android市场的App数量已经超过450000,每月下载量达十亿,每天有850000台Android装置开通。同样,为了充分利用互联网丰富的开源软件,我们提出为软件定义卫星开发一个适用于卫星的类Android操作系统,构建软件定义卫星生态环境,通过该环境可以最大化地吸引各类开发人员、吸收不断更新的各类优秀开源软件,为软件定义卫星体系结构中的各层次、各模块提供自发展、自完善的机制。通过构建软件定义卫星开发工具链,可方便各类开发人员对相关软件进行编码、调试、测试、安装及部署等。在此基础上,建立航天应用App商店,向各类客户提供卫星应用App定制服务平台,方便客户根据自身需要购买或定制特定卫星功能的App应用,从而建立完善的软件定义卫星生态环境体系。

  Android智能手机的研发与传统手机产品有很大区别。老牌手机厂商纷纷退出手机制造舞台。新的Android手机产业链分工在不断细化,开发的核心聚焦在用户需求痛点的挖掘、目标市场的定位与拓展,以及商业模式的设计与探索,而在智能手机硬件产品和方案研发本身,通过基于互联网的合作共享经济,寻找‘外脑’进行设计开发外包,加速产品化进程,正在成为一种普遍的趋势。卫星的构成与智能手机类似,都拥有低功耗快速处理能力、多种多样的传感器、摄像头、GPS接收器、多种通信模块和操作系统等。智能手机性能越来越好,集成度越来越高,功能越来越多样,其迭代速度远远超过了卫星的技术更新速度。借鉴智能手机产业的研发模式有利于卫星的硬件与软件开发,势必会推动航天科学技术的发展。

  像共享单车一样的应用方式

  近两年,各种颜色的共享单车涌上了城市的大街小巷,解决了“最后一千米”出行难题,为人们上班、旅游提供了便利。软件定义卫星支持普通人像使用共享单车一样共享卫星。卫星制造商制造卫星硬件平台,卫星运营商发射并维护卫星运行,航天应用商店聚集了大量的航天应用App。普通用户不用考虑卫星的研制、发射、运行测控等问题,只是通过卫星运营商租用一定时间来达到自己的目标。任务需要的App软件可以自行开发,也可以从航天应用商店中下载,上传到租用卫星上。卫星完成任务后将用户所需数据返回给用户。

  ——一个天文爱好者想拍夏季星空,但城市里灯光污染严重,很难获得满意的图片。他可以短期全时段租用一颗卫星采用大视场可见光相机对天成像,在没有大气遮挡的太空获得更高质量、更多暗弱目标的星空图像。

  ——一个具有大片农田的农场主为了避免叶圣陶老先生《多收了三五斗》里面谷贱伤农的情形,需要认真考虑种植什么种类的农作物。他可以长期分时段租用一颗周期经过本地区农田上空的卫星,定期重复获取本地区农田图像,判断农作物种植情况,从而避免某种类农作物产量过剩,造成巨大的经济损失。

  ——一个环境保护组织想摸清某一水域的水藻污染情况,有针对性的采取治理措施。该组织可短时租用多次重访该水域的卫星,上注图像拼接、水藻区域识别等软件,通过短时间多次重访获取的图像识别结果估计水藻污染区域以及水藻污染扩散速度,制定合理的治理措施,进行有效的环境保护。

  软件定义卫星革新了我国航天产业模式,对建设我国新型空间体系具有重大意义。同时为普通大众的航天梦提供技术支持,让卫星应用从曲高和寡到每个人的日常生活,将我们的目光延伸到宇宙,看的更高、更远、更清吧。




(责任编辑:侯茜)

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