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                    作者:沈春蕾 來源: 中國科學報 發布時間:2019/7/16 10:29:51
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                    “用手機就能訪問衛星” 軟件定義升級衛星智能

                    ▲“天智一號”是全球首顆實際開展工程研制并發射的軟件定義衛星。軟件所供圖

                    ▲專家學者探討開源、開放的航天生態環境。沈春蕾攝

                     

                    ■本報記者 沈春蕾

                    “假設未來30年將發射10萬顆,這些衛星該怎么造、怎么算、怎么用?”

                    在日前召開的2019軟件定義衛星高峰論壇上,中國科學院軟件研究所(以下簡稱軟件所)研究員、軟件定義衛星技術聯盟秘書長趙軍鎖拋磚引玉,并告訴《中國科學報》:“在未來,數以萬計的智能衛星將被發射到太空,并涌現出大量的衛星App軟件,用手機就能訪問衛星、使用衛星。”

                    中國工程院院士、中國科學院上海技術物理所研究員龔惠興指出:“軟件定義衛星有望降低衛星的價格、重量和功耗,讓更多的科研院所、民營企業、產業部門有機會參與衛星的研制、發射和使用。”

                    軟件定義衛星由來

                    衛星不僅可以影響人們的日常生活,甚至還可以重塑未來的經濟形態。目前的發展現狀是,空間活動政府資助比例遠遠大于私人資本,絕大多數人仍是航天領域的圍觀者。“原因主要在于進入軌道的成本很高。”趙軍鎖說。

                    衛星工程包括衛星研制、地面站建造以及運載發射。傳統衛星研制,首先要基于任務分析衛星軌道、功率、構型、質量、載荷等需求,然后對衛星展開設計,整個過程包含多個子系統,涉及多個學科領域,研制周期可達十年以上,研制成本以億為單位計算。

                    此外,運載發射的費用很高,重量一千克的物體發射費用等價于一千克黃金。衛星運行時需要投入大量的專業人員進行遙測遙控。高昂的投入、專業性很強的前沿技術,讓普通大眾對航天望而卻步。

                    為此,軟件所提出了軟件定義衛星。“軟件定義衛星以計算為中心,以軟件為手段,通過軟件定義無線電、載荷、數據處理計算機、網絡等手段,將傳統上由分系統實現的通信、載荷等功能以軟件方式實現。”趙軍鎖解釋道。

                    簡單來說,軟件定義衛星支持像智能手機一樣進行軟硬件研制,支持像共享單車一樣的應用方式。

                    “衛星制造商制造衛星硬件平臺,衛星運營商發射并維護衛星運行,航天應用商店聚集了大量的航天應用App。普通用戶不用考慮衛星的研制、發射、運行測控等問題,只是通過衛星運營商租用一定時間來達到自己的目標。”趙軍鎖指出,任務需要的App軟件可以自行開發,也可以從航天應用商店中下載,上傳到租用衛星上,衛星完成任務后將用戶所需數據返回給用戶。

                    關于軟件定義衛星的應用,來自中科院軟件研究所的科研人員列舉了一些例子:天文愛好者可以短期全時段租用一顆衛星,在沒有大氣遮擋的太空獲得更高質量、更多暗弱目標的星空圖;農場主可以長期分時段租用一顆周期經過本地區農田上空的衛星,定期重復獲取本地區農田圖像,從而避免某種類農作物產量過剩;環境保護組織針對某一水域的水藻污染情況,可以短時租用多次重訪該水域的衛星,制定合理的治理措施……

                    提升衛星智能化水平

                    可以預見,軟件定義衛星不僅革新了我國航天產業模式,同時也為普通大眾的航天夢提供技術支持,讓衛星應用從曲高和寡發展到進入走進每個人的日常生活。

                    趙軍鎖指出,軟件定義衛星的未來是智能衛星。而智能衛星的發展取決于三個方面:一是星載計算能力,二是有效載荷性能,三是軟件和算法。

                    隨著軟件容錯技術的提高、硬件加固工藝的改進,越來越多的工業級高性能器件被用于衛星平臺,這將大幅度提高星載計算能力,為發揮有效載荷的效能、支持更多的在軌信息處理任務創造必要的條件。

                    通俗地講,發射升空的軟件定義衛星,就是一臺運行在太空里的智能計算機,待程序員編寫好實現特定功能的應用程度,由衛星來執行程序,并向用戶提供特定的服務。

                    智能衛星的特點就是有豐富的應用軟件,尤其是智能軟件。隨著開放衛星系統架構的建立和平臺化軟件解決方案的完善,勢必出現大量的第三方應用程序。

                    對此,中國科學院院士、中科院軟件所研究員林惠民表示,盡管軟件定義一切的時代正在到來,但新問題隨時都可能出現,軟件也需要隨時更新和修改。計算機雖然是智能機器,但不等于人的全部智能,新的算法還需要人定義并實現。

                    隨著軟件和算法的發展,未來的衛星在智能感知、智能控制、智能組網、智能服務方面將日益增強,原來需要在地面完成的數據處理工作將逐步遷移到星上執行,信息處理的時效性將大大提高;原來需要人的回路管理和控制工作將由衛星自主完成,地面測運控的壓力將大幅降低。

                    清華大學計算機系教授孫增圻認為,提升衛星智能化水平需要提升衛星智能運行和應用能力,其中衛星智能運行包括自主導航、自主熱控、自主管理、自主故障診斷、自主系統重構等,軟件定義衛星可以在這幾方面發揮作用。

                    發布“天智協議棧”

                    隨著信息技術的迅猛發展,未來信息服務行業對多維綜合信息資源的需求日益提高,各領域的戰略信息服務將在空、天、地多維空間展開。

                    兩院院士李德仁曾在2018軟件定義衛星高峰論壇上提出,無所不在的空天地傳感器將產生前所未有的時空大數據,需要建立天地一體化信息網絡,這將推動軟件定義衛星的跨越發展。

                    為解決天地一體化組網面臨的動態互聯、智慧接入、精準傳輸等核心難題,歷經10多年的攻關,軟件所天基綜合信息系統國家級重點實驗室近日發布了面向天地一體化組網的“天智協議棧”。

                    軟件所研究員劉立祥告訴記者:“‘天智協議棧’提供了天地一體化的整體解決方案,可有效支持星座、編隊、天空地一體等不同的組網模式,動態可變的組網規模和多樣化的業務流程,填補了國內空白。

                    據悉,“天智協議棧”由5層組成,包括應用層、傳輸層、網絡層、鏈路層和物理層,基礎協議模塊28個、核心協議模塊37個,為了更好地服務于天基復雜應用環境,協議棧嵌入了天基環境、故障、安全等關鍵模型15個。

                    劉立祥介紹:“‘天智協議棧’通過不同的功能組合與調用,不僅可支持短報文、文本、指令、語音、圖像、視頻等常規業務類型,還具有數據分級、安全可靠、實時分發、頻譜認知等不同傳輸模式可供選擇。”

                    “我們還開發了一套面向天地一體化組網應用的天智網絡測試床。”劉立祥說,“天智網絡測試床可以靈活配置各類衛星系統,實現其體系和載荷建模,提供針對各類衛星子網的評估指標體系和計算模型,支持衛星、終端、鏈路等實體視景模型展現,協議模塊還可按需定制、加載和卸載。”

                    劉立祥認為,“天智協議棧”的發布,一方面可以使國內衛星網絡協議領域掀起新的研究熱潮,另一方面可以凝聚更多人才,加速推進天基組網協議的發展完善,為軟件定義衛星的發展提供技術支撐。

                    《中國科學報》 (2019-07-16 第8版 探索發現)
                     
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