软件定义卫星 智能引领航天

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1、软件定义卫星智能引领航天记软件 定义卫星技术联盟及其天智工程作者：暂无来源：科学中国人2020年第10期吴彪李桐自1957年苏联发射第一颗人造卫星以来，人类探索太空的脚步从未停止。截至2018年11 月，人类先后向太空发射了近5000颗人造卫星。但这些卫星都有一个共同特点，那就是它们都 是为特定任务专门定制，功能单一，用户单一。2018年11月20日7点40分，中国科学院软件研究所牵头的软件定义卫星技术联盟在酒 泉卫星发射中心向500公里外的太阳同步轨道发射了一颗代号为“天智一号”的新技术试验卫 星。这颗卫星打破传统卫星延续60多年的常规，有着诸多显著特点。它采用开放系统架构，其核心是一个微型

2、云计算平台；它支持多用户、多任务，任何人都 可以为其开发软件并将其上注到星上开展在轨试验；它还有一个“追星” A p p客户端，通过 智能手机即可实时查看这颗卫星的在轨飞行状态，指挥它完成“拍照”任务；它还支持对“图 像”进行在轨实时智能处理，不用将无效数据传回地面，只需将有用信息或“好的照片”下传 即可这在航天界是一个“新鲜事”。中央电视台、新华社、人民网等诸多媒体对这次航天 领域的“小”事件进行了大量报道。一个航天界的“小事件”何以吸引这么多媒体的密切关注？对很多普通老百姓来说，他们 或许有这样的疑问，但对很多业内人士来说，他们知道其实这件“小”事并不小，它极有可能 会对航天产业的未来发展

3、产生“颠覆性”的影响，甚至可能会改变其走向。它意味着：从此， 航天活动不再只是“少数人的游戏”，大众也不再只是“旁观者”。从此，航天开始逐渐步入 大众时代和智能时代“天智一号”是一颗怎样的卫星？什么是软件定义卫星？软件定义卫星技术联盟（以下简 称“联盟”）是一个怎样的组织？软件定义卫星将有一个怎样的未来带着一系列的疑问， 耗时1年，科学中国人走访了联盟的诸多单位，参加了他们在山东日照举行的2019软件定 义卫星高峰论坛，与诸多与会院士、专家和商业航天公司的代表进行了大量交流。根据获得的 大量的第一手材料，我们力争对这一系列疑问有全面、细致的答疑解惑。天基无小事智胜在编程一一从平台优先到载荷优先

4、，从载荷优先到算法优先“天智一号”是由中国科学院软件研究所牵头，中国科学院微小卫星创新研究院、航天九 院771所、中国科学院光电院、中国科学院西光所等单位共同研制的软件定义新技术试验卫星， 整星重约27公斤，是“天智”系列首星。“这是一颗可以通过上注A p p改变其功能的卫星，你可以把它看成一台在太空飞行的配 有多种特殊外设（有效载荷）的迷你型超级计算机（天基超算平台）。”作为软件定义卫 星技术联盟的秘书长，中国科学院软件研究所研究员赵军锁的解释通俗易懂，他将天基超算平 台比作卫星的“大脑”，而有效载荷相当于卫星的“眼睛、耳朵和四肢”，其中，软件定义卫 星的核心，也就是“大脑”一一天基超算平台

5、，它是帮助卫星直接在天上进行实时智能计算的 功臣。“天智的意思就是天基智能。”赵军锁和他的联盟同伴们有一个梦想，就是将传统卫星演 变为智能卫星，“就像传统手机演变为智能手机一样。”“虽然说摩尔定律快要失效了，但30 多年来，计算能力、存储能力、传输能力提升了差不多100万倍。可惜航天界没能充分利用好 摩尔定律红利，我们希望能尽快补上这一课。”他们在“天智一号”卫星上搭载了 4部国产智 能手机作为天基超算平台的重要组成部分，利用硬件加固和软件容错技术，对利用商用器件大 幅提高星载计算能力进行了有益的尝试。他们还在软件定义卫星上建设了航天应用商店，“我 们不但欢迎广大第三方为其开发软件，也欢迎广大

6、第三方在其上部署软件，卫星A p p品种和 数量越多，卫星能够做的事情就越多。这样一来，卫星就可以共享使用了。就像可以租用云计 算、使用虚拟机一样，将来人们也可以租用虚拟卫星。我们可以借助软件和算法把天上飞行的 成百上千颗支持软件定义的物理卫星演变为成千上万颗虚拟卫星，从而大大提升卫星的效费 比。”“传统卫星都是封闭架构，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 软件等，可谓一星一任务，一箭定终生；动辄三五亿，鬓白功始成。封闭系统架构的结果 必然导致硬件、软件不兼容，无法互换复用。这样卫星成本肯定下不来。此外，卫星是一个特 殊行业，保密是一大特色。有些是国家秘密，必须得保，但保密

7、带来的最大问题就是无法形成 大的技术生态，整个行业很封闭，技术迭代很慢。无止境地追求高可靠性是这个行业的另一大 特色。为了确保项目成功，甚至到了不计成本、不计代价的地步。没有人从大系统的角度考虑 问题，用户部门觉得既然造一颗卫星要花这么多钱，那么肯定希望它能多用几年，当长寿命成 为一种无止境的追求时，行业就进入了一种没有上限的正反馈这是一个怪圈儿！所以，凡 事儿都要有一个度，有一个平衡点。要想技术进步快，必须多迭代，不能指望着一劳永逸，一 次解决所有问题”在行业内摸爬滚打多年，赵军锁对行业发展的形势、面临的机遇和挑战 都有着再清醒不过的认识。“万物皆数，很多问题都可以转换成计算问题。软件定义卫

8、星的思想就是以计算为核心、 硬件最小化、软件最大化。奥卡姆剃刀原理说得好，如无必要勿增实体。不是不要硬件， 而是简化硬件。在必要的硬件基础上，通过软件去解决剩下的问题。”“我对软件定义卫星的 看法是：软件定义概念同，赋值赋智又赋能，天基从来无小事，智胜未来在编程。软件定 义卫星是必然的发展趋势，是通往智能航天时代的金钥匙。目前，卫星研制正在从平台优先向 载荷优先过渡，而软件定义卫星等于把卫星研制向前又推进了一大步，变成了软件优先、算法 优先。这是一个巨大的进步”深入研究换来的是对整个行业的真知灼见，作为联盟的“总 体规划师”，以赵军锁秘书长为代表的中国科学院软件研究所人对软件定义卫星的未来发展

9、方 向也越走越清晰。在天基综合信息系统国家级重点实验室的墙上有一句话“胸中有梦想，脚下有力量”，可 以感受到这支团队是一支心怀梦想奋力前行的团队。他们从事软件定义卫星技术研究已经有17 个年头了。从一开始的模糊概念，到现在的在轨演示验证，期间也经历了大量的挫折、反复和 质疑，然而，他们并没有退缩，而是迈着坚实的步伐一步一步走到了现在。“天智一号卫 星的成功发射意味着软件定义卫星的发展已经步入了快车道，我们计划发射18颗新技术试验卫 星，天智一号之后还有天智二号天智三号，一直到天智十号。我们的梦想是 用十几年的时间，把传统卫星演变成智能卫星。”为心中的目标，他们一直在努力。聚四海之气借八方之力一

10、一八仙过海共推软件定义卫星事业发展党的十九大报告中，国家主席习近平提出了要建立航天强国，2018年他提出要让“太空领 域的军民融合走在全国全军前列”。当冲刺的号角嘹亮吹起，中国商业航天人将何去何从?“聚四海之气，借八方之力。”习近平主席在中国科学院第十九次院士大会、中国工程院 第十四次院士大会开幕会上的讲话可以说是为中国商业航天发展指明了方向道路，也是联盟成 立的初衷。2017年9月9日，“软件定义卫星技术联盟”正式成立。这是一个极具创新意义的联盟。 作为联盟的“总师”，中国科学院软件研究所相关研究的成员们在摸爬滚打的实践摸索中越来 越深刻地感受到传统卫星发展的困顿以及软件定义卫星的未来发展前

11、景，同时也更深切地感受 到这是一项需要“聚众力、纳百川”的事业。而这样的感触，相关行业里的很多优秀单位、联 盟的共同发起人其实也早就有同样的体会。记者接触到的联盟成员，都无一例外地透露早在联盟成立之前，他们就已经萌生了想要在 相关领域发挥所长，力求打破传统卫星困局的强烈愿望和想法，就像是长期积累体验孕育出的 梦想种子，静待花开。在日常紧密的项目合作往来沟通过程中，他们豁然发现原来大家都有同 样的想法，于是一拍即合。向上级有关部门递交申请、很快得到批复后“自带干粮”参与组织 筹备势如破竹，联盟从决定筹备的那一刻起短短几个月内就破壳而出，只因从上至下，大 家都觉得这是一件“可以撸起袖子干起来的事情

12、”，而他们在各自领域积累的优势为软件定义 卫星事业短时间内实现飞速发展奠定了坚实的基础。西安光机所：软件定义卫星是卫星载荷发展的一个新机会中国科学院西安光学精密机械研究所（以下简称“西安光机所”）是中国科学院在西北地 区最大的研究所之一，经过50多年的发展，已经成为一个以战略高技术创新与应用基础研究为 主的综合性科研基地型研究所。20世纪90年代以来，新一代西安光机所人立足祖国航天事业的发展需要，开始将关注的 目光投向广袤的太空，多年深耕取得了累累硕果：他们承担研制的CCD立体相机和干涉成像光 谱仪随“嫦娥一号”卫星顺利发射上空；他们为“神七”飞船研制的舱外摄像机成功拍摄、记 录了我国航天员首

13、次出舱的画面，见证了中国人首次进行太空行走的历史性壮举“作为研究航天光学载荷的一个重要单位，我们在参与很多航天工程载荷项目的过程中同 样也强烈地感受到我们研制的很多载荷，在研制之初都是为某一特定的用途、提出的一些特定 指标而专门设计打造的，所以导致卫星载荷一旦做出来，功能也就做死了。当软件定义卫 星的概念提出来以后，我们看到了一个很好的方向，如果能够在卫星软件定义载荷这方面有所 突破的话，对西安光机所未来在光学载荷研制模式上的创新一定会有所推动。软件定义可能不 仅是整个卫星平台，也是卫星载荷发展的一个新的机会。”联盟副秘书长、西安光机所的马彩 文书记如是阐述团队加入联盟的初衷。作为联盟的创始人

14、之一，马彩文在联盟成立前，就一直在积极支持和推动着联盟的发展。“民用航天发展风起云涌，继美国SpaceX、Rocket Lab之后，我国星际荣耀成为将运载火箭发 射入轨的民营初创公司，实现了中国商业运载火箭零的突破！人类每一次在民用航天领域取得 的成功突破都是在给大家提振信心，所以我们想在军民融合的大背景下，通过软件定义卫星技 术助力商业航天，使国家航天领域的成果能够走向国防国民经济各个领域，走进千家万户，这 是终极目标。”科研成果搬下高阁走入寻常百姓家，成为以马彩文书记为代表的新一代西安光 机所人奋力要实现的目标和方向。“在参与的过程中我们也感觉到这是一项需要众人拾柴的工作”在很多场合，马彩

15、文 书记笑称自己是软件定义卫星技术联盟的“铁杆”，也是为软件定义卫星事业“敲边鼓的人”， “虽然我们不做与软件定义相关的软件工作，但我希望能把这面鼓敲得更响一点，把人气聚得更旺一些，能够有更多国内的科研机构、高校和企业加入进来，因为软件定义的目标本身 就是建立一个开放的环境和平台，所以必须要有更多人参与进来，在中国营造一个更好的氛围， 这是大家共同推动软件定义卫星这件事的主要目的和意图。”在马彩文和他的研究团队心里， 早就把联盟看成一个目标一致的整体，为共同的目标他们可以不计付出、殚精竭虑。所以在联 盟成立前后，他们一直不遗余力地推动相关工作，参与确定联盟的发展方向和目标，规划联盟 的具体发展

16、路线，为联盟的发展及如何聚集起更多志同道合的人等出谋划策；从积极参与筹备 联盟成立的各种活动，到推动联盟第一次工作会议以及联盟标准化工作委员会在西安光机所召 开和成立只要有时间，马彩文都积极参与联盟召开的各种会议和论坛。“这是为表明我们 的态度：对于软件定义卫星和联盟的发展，我们支持且有信心能一起做好。”与此同时，马彩 文和他所带领的团队还积极参与到“天智一号”以及后续天智系列卫星尤其是载荷研制工作中， 为联盟的发展献智献力。“因为联盟毕竟是一个松散的组织，我们一直在思索如何把更多的实体团聚到软件定义卫 星这面大旗下来，应用商店其实是一个很好的纽带。作为国家双创的示范单位，这两年来我们 参与孵化的企业已经接近300家，开展工作的过程中，我们对如何推动高科技技术体系和技术 平台进入良性轨道有了一定认识，如果能建立一个能够实现多赢的平台，方便大家参与且发挥 所长、各取所需，这种模式能