洛马公司智能卫星软件定义架构技术方案研究

北京航天长征科技信息研究所 许 源 才 华 李 攀 刘祎然

一、引言

软件定义卫星的兴起以微纳卫星技术的发展为基础，是利用通用化和模块化设计思路设计提出的一种新型卫星[1]。曾有研究人员将软件定义卫星的研制与使用概括为“智能手机的软硬件研制模式，共享单车的应用方式”，并给出了解释性定义，即改变分系统实现通信、载荷等功能的传统模式，将应用任务与卫星硬件设计解耦，以计算为中心、以软件为手段，通过软件定义无线电、载荷、数据处理计算机、网络等，将各类敏感器和执行机构连接为一个整体，使得卫星功能软件化，从而实现卫星功能在轨重构，适应不断变化的应用需求[2]。美国、欧洲、中国等国家和地区已经开始了相关研究，分别提出了不同的设计方案，开展了不同程度的工程化应用。

目前，关于软件定义卫星的技术方案与应用前景偏向于商业应用，如改善无线网络欠发达地区以及解决无线网络无法覆盖地区的通信问题等，但对软件定义技术以及软件定义卫星的军事应用关注较少。本文将从跟踪分析美国洛马公司在软件定义卫星领域的专利技术方案出发，结合美国政府、智库公开的软件定义技术在太空和军事领域的应用计划，探讨软件定义卫星在军事领域的技术发展和应用前景。

二、洛马公司智能卫星发展概述

美国洛马公司在2019年推出了名为智能卫星的软件定义架构，将网络技术与航天技术有机结合，形成新一代航天技术，支撑卫星在轨任务调整[3]。洛马公司开展该领域技术研究，一方面是紧跟美国国家战略需要，另一方面是洞察到了该领域的技术与市场动向。

1.国家战略政策引导

众所周知，美国当前的作战系统高度依赖太空通信，为了实现美国“绝对安全”的国家安全观念，其太空体系必须兼具致命性、威慑性和低成本的特点，因此，美国提出了“弹性太空”的太空战略发展要求。“弹性太空”这一名词首先出现在美国太空司令部于2013年发布的《弹性和分散太空体系》白皮书，随后经过美国国防部情报局等政府机关、美国外交政策研究所等智库的丰富，形成了至少包含4个方面内容的概念。一是实现分散式、扩散式、多样化的太空资产部署；二是建设随时分解、重组、重构、重建与自我修复的太空力量体系；三是承担全面感知威胁与快速溯源反击的作战任务；四是在高风险条件下持续支援其他域联合作战[4]。

在上述战略实施层面，卫星领域已经明确的发展方向包括发展高机动卫星和软件定义卫星。这两方面技术在洛马公司近年卫星技术研发上均有体现。

2.政府合同任务落地

洛马公司于2020年获得美国太空发展局（SDA）名为“传输层0期”的通信星座合同，要求在两年内组建一个由10颗低轨中继卫星组成的网状星座。该合同发射的卫星全部使用SmartSat，通过应用程序快速动态调整星座卫星任务。该星座将与预警卫星连接，使高超声速武器跟踪、导弹防御系统和太空信息中继融为一体[5]。该技术不仅限于洛马公司新发射的卫星，该公司5年前交付的在轨卫星也能实现在轨任务调整。这意味着洛马公司可以整合此前发射的定制化卫星平台，实现一种全新的卫星平台型谱[6]。

现有对洛马公司SmartSat的研究成果多集中在其功能、进度和应用效果，本文将从洛马公司专利技术作为切入点，重点挖掘和剖析其散落在软件定义卫星相关的专利技术方案，梳理并整合出洛马公司在“弹性太空”政策下的软件定义卫星整体架构和技术实现路径。

三、系统架构设计

SmartSat最重要的目标之一是实现软件与硬件的解耦，用户可根据任务需要，上传和执行相应的应用程序。这种源于软件定义和互联网模式的设计思路在太空任务的实际应用上有待检验。

该系统架构通过调整和调用卫星的硬件或软件实现定义卫星任务角色的功能。当具有此类通用设备的卫星被部署成星座，或被部署到已有星座中，可增强现有在轨卫星的软件和硬件功能。

1.卫星系统架构设计

洛马公司在名为“支持虚拟化的卫星平台”的专利中（申请号US15297436）公开了该公司软件定义卫星的系统架构[7]。该系统架构最重要的作用是实现软件与硬件的解耦，具体的方法是通过分布式软件技术对使设备与功能实现分离，利用开放的编程接口远程维护和升级软件功能，解决卫星设备更新和维护困难的问题。

该专利公开的技术方案将系统架构分为虚拟执行层、交互层和控制层3层，如图1所示，其中，虚拟执行层利用分布式的软件技术实现网络功能的抽象，使网络不再局限于硬件架构，进而支撑多颗软件定义卫星根据业务需要高效编排、资源重构、快速灵活组网，执行定制化任务。

图1 系统架构示意图

2.轨道分层通信设计

目前，SmartSat的应用主要体现在星座任务上，以“传输层0期”的通信星座任务为例，作为中继卫星同时需要与地面和其他星座的卫星进行信息交互。因此，洛马公司提出了基于软件定义卫星的分层网络通信技术方案[8]。

轨道分层通信的技术方案设计上层轨道部署了一个星座，构成第一通信网络；在下层轨道部署了一个星座，构成第二通信网络，形成一个最简单的分层通信模式 ，如图2所示。在这个通信网络中，上层轨道和下层轨道的卫星之间可以通过识别、部署和分配，选择性地进行通信；与地面控制系统之间，可配置建立前向通信路径和反向通信路径的通信网络。

图2 轨道分层通信示意图

该方案实现了同一轨道卫星之间的通信链路、轨道层之间的通信链路，以及各轨道层与地面的通信链路。借助星座卫星之间、星座和星座卫星之间的角色分配，可以实现伪地球同步卫星的功能，解决地球同步卫星轨道紧张、通信延时和费用高昂等问题。

轨道分层通信技术使软件定义卫星得以在实际执行任务中区别于传统卫星，使软件定义卫星在执行任务过程中，具备分散、重组、自我修复等“弹性”能力。

四、关键技术方案

支撑SmartSat软件定义架构功能实现以及保障“传输层0期”的通信星座任务的关键技术包括质量评价技术、角色定义技术、资源调配与管理技术等，如图3所示。

图3 关键技术示意图

1.质量评价技术

为了识别出一个星座或多个星座中满足执行任务所需条件的卫星，并对卫星执行任务的质量形成分级。在洛马公司故障识别与跳转技术方案中，星座中某卫星执行指定任务，传输任务数据给备份卫星进行校验和故障诊断。当备份卫星诊断到故障时，中止并代替任务卫星执行该部分任务，同时调用星座中的第三颗卫星作为备份卫星对该部分任务进行校验和故障识别[9]。

为了保障任务质量，支撑资源合理调配，洛马公司提出了卫星服务质量动态保障技术，收集卫星完整的数据并进行质量分级。一般情况下，当卫星的轨道与特定地理区域重合时，卫星处理资源、传感器资源和通信资源的质量为最高级；当卫星的轨道与感兴趣的地理区域不一致时，提供的服务质量为次一级；有了任务质量分级，便于让用户选择服务消费等级；当卫星运行到完全无法提供服务的轨道位置时，可以通过任务休眠延长在轨寿命[10]。

2.角色定义技术

软件定义卫星的突破在于可以在轨调整任务，即角色调整。卫星角色调整的前提是质量评价，在此基础上，为了管理每颗卫星执行的应用，需生成调度表，作为调用各应用及各应用对用户传感器的访问，也是实现卫星资源整合调用的依据[11]。

角色定义是双向的，调度表是卫星在满足相关任务要求的情况下可以调用应用的依据，同时用户需要一个调用卫星的依据，因此产生了属性评分度量。属性评分度量指示了每颗卫星对于至少一部分专用角色的能力等级，可帮助用户选择目标卫星设备[12]。用户可以是地面用户，也可以是机载用户。从洛马公司专利重点提及的实施例可以看出，该技术主要考虑无人机机载平台使用[13]。

角色识别和配置技术应用于对兴趣目标的识别，调用星载和机载软件定义载荷的各类传感器采集相关数据并传递到地面指控中心；当兴趣目标多且分散时，星座可配置执行中继任务的卫星[14]。

3.资源调配与管理技术

在资源调配与管理方面，除了卫星设置的质量分级、用户选择卫星的属性评分度量以外，还有一个综合调配与管理的迁移准则，该准则包括与相应供应层中的各个资源使用相关的一个或多个阈值。 这些阈值对应通信资源的使用（如带宽）、处理资源的使用（如供应层中处理器的使用率）、存储资源的使用以及一些其他类似资源的使用[15]。

资源调配和管理不仅体现在被动的利用星座固有状态下的调配与管理，还体现在必要时为了扩展通信带宽、提高任务质量而调动卫星变换轨道，以及设置任务窗口，将星座卫星调整后，实现伪地球同步卫星的功能[16]。

五、系统架构应用分析

从洛马公司目前申请的专利看，该公司对SmartSat软件定义架构的应用主要是完成“传输层0期”的通信星座任务。该公司利用一个低轨道卫星星座与其他较高轨道的星座实现任务配合，或作为较高轨道星座的中继卫星，或执行部分任务将数据传输给较高轨道的星座或地面指控中心；低轨道星座根据任务要求接收和传输不同传感器获取的任务信息给机载平台，如无人机、战斗机、飞艇等；为了更好地发挥软件定义架构的作用，洛马公司设计了一系列的资源调配和管理评价指标，为了最大限度实现任务要求，搭载了SmartSat软件定义架构的卫星星座，可以通过任务窗口设置、调整卫星轨道高度、卫星之间距离等途径实现伪地球同步卫星等功能，如图4所示。

图4 系统架构应用示意图

六、结论

软件定义卫星的出现重新定义了现有的轨道资源，打破了固有的航天器应用方案，加之软件定义架构在航天器、飞行器以及地面设备之间相互作用，必将在军用与民用领域牵引出诸多应用方案。美国商业航天在航天运输领域带来的变革已经被西方研究者称之为“太空竞赛2.0”时代来临。随着软件定义架构在航天器领域的应用，世界航天大国各大星座建设计划的推进，人类的外层空间活动必将快速进入“大航海时代”。我国国防领域的从业者在关注国内外各领域先进装备与前沿技术发展的过程中，还需积极思考这些变革性的技术和技术应用将给现有的装备体系与作战模式带来的影响。