邢卓異 朱舜杰 黃曉峰 盛瑞卿

(北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094)

軟件定義技術(shù)從20世紀(jì)90年代出現(xiàn)以來，已經(jīng)在網(wǎng)絡(luò)[1-2]、大數(shù)據(jù)存儲[3-4]、汽車[5-6]等行業(yè)得到充分的應(yīng)用，其核心思想是通過統(tǒng)一的界面實現(xiàn)軟硬件解耦，從“面向?qū)Ｓ霉δ?，軟硬件定制化設(shè)計”轉(zhuǎn)向“標(biāo)準(zhǔn)化硬件預(yù)置，軟件面向應(yīng)用需求快速迭代升級”。軟件定義技術(shù)及思想啟發(fā)了航天領(lǐng)域，并在航天器上得到應(yīng)用，從早期的天線頻段、功率、覆蓋度可調(diào)，到出現(xiàn)“軟件定義航天器”的概念，軟件定義技術(shù)有望從根本上改變航天器的生產(chǎn)模式與產(chǎn)業(yè)生態(tài)，引發(fā)航天產(chǎn)業(yè)新一輪的技術(shù)革新[7]。

國內(nèi)外從“軟件定義載荷”、“開放式應(yīng)用加載”、“平臺與載荷電氣解耦”等方面開展了軟件定義航天器研究。這些嘗試多是在傳統(tǒng)航天器系統(tǒng)架構(gòu)的基礎(chǔ)上，進行“局部”的更改和升級，無法全面滿足未來航天器的發(fā)展需求。本文首先分析了未來航天器發(fā)展的總體趨勢和軟件定義航天器的發(fā)展現(xiàn)狀，針對未來航天器靈活、快速和自主的發(fā)展需求，提出了一種軟件定義航天器系統(tǒng)架構(gòu)，并對該架構(gòu)的技術(shù)特征、技術(shù)優(yōu)勢和可行性進行了分析，對其中的關(guān)鍵技術(shù)進行研究，希望未來能夠在統(tǒng)一的軟件定義航天器系統(tǒng)架構(gòu)下形成標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議規(guī)范，促進軟件定義航天器技術(shù)的發(fā)展。

1 航天器發(fā)展趨勢與技術(shù)需求分析

1.1 未來航天器的發(fā)展趨勢分析

自1957年10月4日蘇聯(lián)發(fā)射人類第1顆人造地球衛(wèi)星斯普特尼克-1(Sputnik-1)以來，航天器逐步從冷戰(zhàn)時期彰顯國力的科技制高點，變?yōu)榉?wù)民眾的基礎(chǔ)設(shè)施。近年來，以太空探索技術(shù)(SpaceX)公司的“星鏈”計劃為代表的商業(yè)航天項目大量涌現(xiàn)，航天活動持續(xù)蓬勃發(fā)展，每年火箭發(fā)射次數(shù)連續(xù)“破百”，每年發(fā)射的航天器數(shù)量激增，從2013年100多顆每年增加到目前1200多顆每年。未來，航天器的發(fā)射數(shù)量預(yù)期將持續(xù)快速增長。隨著天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的建立、人工智能等技術(shù)的廣泛應(yīng)用，航天產(chǎn)品和服務(wù)將全面融入人類社會的學(xué)習(xí)、生產(chǎn)和生活。屆時，人們可以隨時、隨地、按需獲得航天器各類便捷服務(wù)，諸如實景圖像、全球全時衛(wèi)星通信、災(zāi)害即時預(yù)警及太空旅游等。航天服務(wù)將極大提升人類生活的便利性和幸福感?？v觀通信、導(dǎo)航、遙感、空間科學(xué)、載人和深空探測六大航天領(lǐng)域，未來航天器將具有更強的靈活性、快速性和自主性。

(1)靈活性。隨著技術(shù)水平的不斷進步，航天器設(shè)計壽命不斷提升。例如，“國際通信衛(wèi)星”設(shè)計壽命從1990年以后就基本達到15年左右并在不斷提高，目前國際通信衛(wèi)星-20的設(shè)計壽命已達到了25年。在如此長的壽命周期內(nèi)，相關(guān)技術(shù)會持續(xù)進步且新技術(shù)也會不斷涌現(xiàn)，但是航天器一般在發(fā)射前幾年就已經(jīng)將技術(shù)狀態(tài)固化，無法適應(yīng)用戶需求的快速迭代。未來航天器必然需要更高的靈活性，能夠通過在軌升級、在軌重構(gòu)實現(xiàn)航天器功能在軌可定義，靈活適應(yīng)不同的用戶需求及工作場景。

(2)快速性。隨著航天器的發(fā)射數(shù)量不斷增加、用戶各種新需求不斷涌現(xiàn)，未來航天器需要更快速地實現(xiàn)設(shè)計、生產(chǎn)、測試等一系列研制活動，大幅度縮短研制周期、降低成本，實現(xiàn)批量化生產(chǎn)。

(3)自主性。隨著航天器發(fā)射數(shù)量和壽命的增長，在軌運行的航天器數(shù)量將出現(xiàn)爆發(fā)式增長(例如“星鏈”計劃包含4萬多顆衛(wèi)星)，當(dāng)前高度依賴地面的航天器運行方式將難以維系。因此，未來航天器必然具有更高的自主性，具備長期自主運行的能力，能夠獨立完成任務(wù)。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，航天器將具備智能化服務(wù)的能力。

1.2 軟件定義航天器發(fā)展現(xiàn)狀

軟件定義技術(shù)可以使航天器的軟硬件解耦，支持硬件通用化、在軌功能定義等，為滿足航天器未來發(fā)展需求提供了技術(shù)途徑。美國、歐洲、中國等均開展了“軟件定義航天器”的嘗試，大致可以分為“傳統(tǒng)航天器+軟件定義載荷”、“平臺+中間件+載荷”及“智能航天器”3條不同的技術(shù)路線。

波音公司的波音衛(wèi)星系統(tǒng)-702(BSS-702)系列[8-9]、歐洲通信衛(wèi)星公司的“量子”(Quantum)衛(wèi)星[10]、空客公司的“一星”(OneSat)[11]、泰雷茲-阿萊尼亞航天公司的“太空靈感”(Space Inspire)[12]等任務(wù)，采用型譜化航天器平臺配置“軟件定義載荷”的架構(gòu)，以滿足頻率、波束、覆蓋區(qū)域重構(gòu)的任務(wù)需求，進而靈活實現(xiàn)通信、偵察、導(dǎo)航等功能。這一路線的優(yōu)點是技術(shù)成熟，缺點是功能定義能力局限在載荷部分，航天器平臺的功能定義能力受限，并且仍是傳統(tǒng)的研制模式，敏捷設(shè)計能力有限。

美國國防高級研究計劃局(DARPA)為實現(xiàn)多用途批量生產(chǎn)，提出了“黑杰克”(Black Jack)[13]架構(gòu)驗證項目。“黑杰克”項目相對傳統(tǒng)航天器增加了中間件，負(fù)責(zé)整星業(yè)務(wù)管理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)融合、指揮與控制，平臺僅負(fù)責(zé)與載荷機構(gòu)連接，平臺、載荷與中間件獨立研制，采用標(biāo)準(zhǔn)接口連接。“黑杰克”架構(gòu)的優(yōu)點是航天器平臺與載荷解耦，通過中間件實現(xiàn)整星功能定義，可實現(xiàn)性較強；缺點是沒有完全實現(xiàn)軟硬件解耦，平臺、載荷內(nèi)部缺乏功能定義能力，一定程度上限制了軟件定義技術(shù)優(yōu)勢的發(fā)揮。

中國科學(xué)院軟件所的天智一號[14]、洛馬公司的“智星”(SmartSat)[15]、矢量空間(Vector Space)公司的銀河天空-1(Galactic Sky-1)等任務(wù)，以“計算機+外設(shè)”的思路設(shè)計航天器架構(gòu)，其本質(zhì)是在型譜化的航天器平臺裝上一個操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)實現(xiàn)了軟件和硬件的解耦，為航天應(yīng)用軟件創(chuàng)造了一個與航天器平臺無關(guān)的執(zhí)行環(huán)境，用戶可以根據(jù)航天器任務(wù)要求上傳所需要的任何應(yīng)用程序。這種類似于計算機的智能航天器架構(gòu)的優(yōu)點是智能、開放，用戶可訪問、可定義航天器功能，天然地適應(yīng)軟件定義和互聯(lián)網(wǎng)模式，缺點也是過于計算機化，未涵蓋對航天器自身特點及對機械和熱接口的針對性設(shè)計。

可見，“傳統(tǒng)航天器+軟件定義載荷”、“平臺+中間件+載荷”的模式，均是在現(xiàn)有航天器平臺基礎(chǔ)上的升級，對航天器平臺缺乏軟件定義能力，無法實現(xiàn)完全的“功能可定義”，航天器的靈活性、快速性受到限制?！爸悄芎教炱鳌钡哪Ｊ桨押教炱骱唵蔚乜醋髋c計算機類似的電子電氣系統(tǒng)，忽視了航天器的固有特征。例如，設(shè)備需要溫度控制，以適應(yīng)空間環(huán)境，需要承受發(fā)射過程的振動條件等?！爸悄芎教炱鳌钡募軜?gòu)固然簡潔，但其底層硬件配置、功能服務(wù)框架沒有針對航天器基本功能需求進行設(shè)計，設(shè)備的機械、熱控、電源接口沒有納入到架構(gòu)設(shè)計中。為此，本文從未來航天器靈活、自主和快速的發(fā)展需求出發(fā)，基于軟件定義技術(shù)軟硬件解耦的核心思想，設(shè)計了一種軟件定義航天器系統(tǒng)架構(gòu)。該架構(gòu)考慮航天器是一種融機、電、熱、信息于一體的復(fù)雜物理信息系統(tǒng)，通過標(biāo)準(zhǔn)化的機、電、熱、信息接口，將通用化硬件設(shè)備相互連接，利用器載操作系統(tǒng)實現(xiàn)軟件和硬件解耦，提供航天器姿態(tài)/軌道控制、溫度控制等基礎(chǔ)服務(wù)，并向用戶開放應(yīng)用。相比以往的軟件定義航天器架構(gòu)，該架構(gòu)將軟件定義擴展至整個航天器，并充分考慮了航天器的固有特征。

2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)架構(gòu)是對系統(tǒng)元素及元素之間關(guān)系的抽象描述。系統(tǒng)架構(gòu)的重要性在于它決定了一個系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)、宏觀特性，以及具有的基本功能和特性。正如大型建筑物設(shè)計成功的關(guān)鍵在于主體結(jié)構(gòu)，復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計成功的關(guān)鍵在于系統(tǒng)宏觀層次上結(jié)構(gòu)設(shè)計的正確性和合理性。航天器的系統(tǒng)元素包括感知器、作動器、計算平臺、電源裝置等硬件設(shè)備和操作系統(tǒng)、硬件抽象、功能服務(wù)等軟件組件；元素關(guān)系包括硬件設(shè)備之間的機、電、熱、信息接口，硬件與軟件之間的抽象接口及軟件組件之間的應(yīng)用接口等。

本文基于軟硬件解耦的核心思想，對上述航天器系統(tǒng)元素及元素關(guān)系進行架構(gòu)設(shè)計，提出了一種軟件定義航天器系統(tǒng)架構(gòu)，如圖1所示。

圖1 軟件定義航天器系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Architecture for software-defined spacecraft

圖1中，系統(tǒng)架構(gòu)分為4層，自底向上分別為設(shè)備層、連接層、功能層和應(yīng)用層。設(shè)備層對外界物理環(huán)境進行感知和作動，將航天器的各類信息通過連接層形成數(shù)據(jù)流、控制流、能源流與上層交互，在功能層實現(xiàn)對航天器的功能抽象。用戶可以根據(jù)航天器任務(wù)需求，通過功能層中的功能組合，定制不同的應(yīng)用層服務(wù)。

2.1 設(shè)備層

設(shè)備層包含航天器系統(tǒng)中的各種物理實體，如感知部件、作動部件、計算部件、電源部件及結(jié)構(gòu)支撐部件等，是航天器與外界環(huán)境交互的終端，可以通過傳感器感知外界信息，并接收系統(tǒng)的指令驅(qū)動作動器與外界環(huán)境相互作用，同時為系統(tǒng)提供電源、計算、結(jié)構(gòu)等硬件資源。

軟件定義航天器系統(tǒng)架構(gòu)中設(shè)備層為標(biāo)準(zhǔn)化、產(chǎn)品化設(shè)備，需要滿足規(guī)范的機、電、熱、信息接口要求，從而實現(xiàn)硬件可替換。設(shè)備層可以分為平臺設(shè)備，器載超算平臺和載荷設(shè)備。它們都采用模塊化設(shè)計，并通過可重構(gòu)接口單元接入系統(tǒng)，實現(xiàn)設(shè)備即插即用[16-17]。可重構(gòu)接口單元具有相同的硬件，但是根據(jù)不同的設(shè)備可以配置不同的固件或定制的軟件，從而可以最大限度地兼容各類設(shè)備，并向上層系統(tǒng)提供統(tǒng)一的接口，實現(xiàn)硬件可重構(gòu)。器載超算平臺集成了各種計算/存儲資源，如中央處理器(CPU)，圖像處理單元(GPU)，數(shù)字信號處理器(DSP)，可編程門陣列(FPGA)，非易失大容量存儲(FLASH)陣列等，具備強大的器上實時信息處理和海量數(shù)據(jù)存儲能力，是整個航天器的信息中樞。器載超算平臺上運行著支持動態(tài)加載的器載操作環(huán)境。

2.2 連接層

連接層實現(xiàn)了航天器系統(tǒng)中各種物理實體的有效連接。航天器各類物理設(shè)備確定后，通過連接層實現(xiàn)節(jié)點的各類物理連接，以滿足物理實體的安裝需求、供電需求、熱控需求及信息交互需求等。

軟件定義航天器系統(tǒng)架構(gòu)中連接層由標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的熱總線、數(shù)據(jù)總線和電源母線組成，所有的設(shè)備都通過可重構(gòu)接口單元接入系統(tǒng)?？芍貥?gòu)接口單元向上級系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)的熱接口、數(shù)據(jù)接口、電接口，對下級模塊化設(shè)備支持各種常見的接口，如RS422，LVDS，1553B等。系統(tǒng)需要升級或更換某個功能模塊時，只需要對接口單元的固件進行相應(yīng)的升級和配置就可以適應(yīng)新模塊。連接層與設(shè)備層構(gòu)成了航天器的硬件部分，是實現(xiàn)軟件定義航天器的硬件核心，總體上采用以器載超算平臺為中心的集中式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

2.3 功能層

功能層是對航天器系統(tǒng)中各類物理實體動作的抽象，向下通過連接層轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)流、控制流和能源流，驅(qū)動物理設(shè)備實現(xiàn)航天器的各項功能，向上為應(yīng)用層提供應(yīng)用接口，便于用戶進行配置、組合、調(diào)用，以實現(xiàn)對應(yīng)的服務(wù)。

功能層是將航天器基本功能向硬件動作轉(zhuǎn)換的橋梁，通過驅(qū)動協(xié)議控制物理設(shè)備，也為航天器應(yīng)用軟件提供相應(yīng)接口。軟件定義航天器系統(tǒng)架構(gòu)中功能層由操作系統(tǒng)和服務(wù)框架兩個部分組成。功能層的最底層是實時操作系統(tǒng)，如SPACEOS，RT-Linux，VxWorks，RTEMS等，負(fù)責(zé)基礎(chǔ)的進程調(diào)度、底層硬件驅(qū)動等。操作系統(tǒng)還包括一個硬件抽象子層，它將硬件抽象化，隱藏硬件設(shè)備的接口細(xì)節(jié)，為操作系統(tǒng)提供虛擬硬件資源，從而實現(xiàn)軟硬件分離。航天器軟硬件之間的耦合關(guān)系解除后，器載軟件及算法便可以獨立研制和快速迭代。操作系統(tǒng)之上建立器載服務(wù)框架。該服務(wù)框架將器載應(yīng)用常用的基礎(chǔ)業(yè)務(wù)封裝起來，為開發(fā)者提供統(tǒng)一的服務(wù)接口。開發(fā)者只需要在此框架內(nèi)完成自身的主要業(yè)務(wù)內(nèi)容即可，而不用為航天器如何通信、如何控制姿態(tài)這樣基礎(chǔ)且專業(yè)的問題而“重新發(fā)明輪子”。

2.4 應(yīng)用層

應(yīng)用層是面向用戶的，主要負(fù)責(zé)完成用戶定制的各類服務(wù)/任務(wù)，用戶不需要考慮底層物理設(shè)備的工作機制或原理，只需要通過應(yīng)用接口方便快捷地與航天器進行交互。

軟件定義航天器架構(gòu)中器載應(yīng)用包括系統(tǒng)應(yīng)用和用戶應(yīng)用，系統(tǒng)應(yīng)用一般具有更高的權(quán)限，可以控制航天器的最底層。用戶應(yīng)用的權(quán)限是有限的，被置于系統(tǒng)的監(jiān)管之下，由應(yīng)用層中的器載應(yīng)用綜合調(diào)度管理程序進行控制。用戶可以在軌發(fā)布應(yīng)用(APP)、動態(tài)加載各種軟件組件，把各種強大的新算法不斷地集成到航天器系統(tǒng)中，不但可以通過在軌重構(gòu)為航天器系統(tǒng)增加新的功能，還可以通過改進算法提升航天器的性能，或者對出現(xiàn)的故障進行修復(fù)。

3 系統(tǒng)架構(gòu)分析

3.1 技術(shù)特征

本文提出的架構(gòu)充分體現(xiàn)了軟件定義技術(shù)的核心思想，即通過統(tǒng)一的交界面，將軟件與硬件解耦合。在硬件性能足夠的前提下，軟件開發(fā)者負(fù)責(zé)滿足不同用戶的差異化需求，硬件開發(fā)者在統(tǒng)一的規(guī)范架構(gòu)下專注于提高硬件性能。這種軟件定義的方式可以最大化地降低開發(fā)周期與成本，賦予系統(tǒng)功能更新與升級的靈活度。該架構(gòu)的技術(shù)特征可以歸納為設(shè)計分層化、接口規(guī)范化、硬件通用化、功能軟件化、資源虛擬化。

(1)設(shè)計分層化。采用分層化設(shè)計，實現(xiàn)軟硬件解耦。通過統(tǒng)一界面將軟硬件剝離，打破傳統(tǒng)的軟硬件耦合結(jié)構(gòu)。軟件由用戶自定義，硬件全面標(biāo)準(zhǔn)化。

(2)接口規(guī)范化。構(gòu)建規(guī)范架構(gòu)，統(tǒng)一軟硬件的界面。操作系統(tǒng)向上開放標(biāo)準(zhǔn)化接口，并通過硬件抽象層，向下兼容各類硬件平臺。

(3)硬件通用化。采用標(biāo)準(zhǔn)化機、電、熱、信息接口，保證硬件通用性。硬件的通用化為實現(xiàn)系統(tǒng)功能與硬件“脫鉤”奠定基礎(chǔ)，使硬件設(shè)計關(guān)注底層的通用功能，而與系統(tǒng)的具體任務(wù)解綁定。

(4)功能軟件化。系統(tǒng)功能主要由應(yīng)用軟件來實現(xiàn)。系統(tǒng)提供基礎(chǔ)的功能服務(wù)框架，應(yīng)用軟件在此框架內(nèi)利用不同的基礎(chǔ)功能服務(wù)進行配置或重構(gòu)，從而迅速適應(yīng)各種不同應(yīng)用場景的功能需求。

(5)資源虛擬化。在軟件和硬件之間提供一個抽象層，實現(xiàn)將物理資源轉(zhuǎn)換為邏輯或虛擬的資源。運行在抽象層之上的應(yīng)用或管理軟件，能在不掌握底層資源物理細(xì)節(jié)的條件下管理和使用這些資源。

3.2 與傳統(tǒng)系統(tǒng)架構(gòu)的比較分析

3.2.1 系統(tǒng)架構(gòu)對比

傳統(tǒng)航天器系統(tǒng)架構(gòu)的各層之間沒有形成標(biāo)準(zhǔn)化接口，設(shè)備層采用定制化設(shè)備，連接層需要根據(jù)設(shè)備層定制，功能層與硬件緊密耦合，無法實現(xiàn)在軌功能重構(gòu)。一旦某個設(shè)備或者需求發(fā)生變化，將會傳導(dǎo)至整個系統(tǒng)，研制周期和成本居高不下。應(yīng)用層一般需要根據(jù)工作程序，通過地面指令完成用戶任務(wù)，靈活性、自主性不足，系統(tǒng)不具備開放性。

軟件定義航天器系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)備層采用符合接口標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備，支持即插即用。連接層采用標(biāo)準(zhǔn)機、電、熱、信息接口，將標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備接入航天器。連接層可訪問所有硬件資源，實現(xiàn)內(nèi)部資源全開放。功能層由操作系統(tǒng)統(tǒng)一管理，并通過服務(wù)框架為應(yīng)用層的程序提供基本功能的管理與調(diào)用接口。接口完全封裝，與硬件、應(yīng)用程序解耦。應(yīng)用層向第三方開放，運行航天器系統(tǒng)自帶的基礎(chǔ)應(yīng)用程序和豐富的商業(yè)應(yīng)用，應(yīng)用程序及系統(tǒng)軟件均可以在軌加載和更新。

3.2.2 研制模式對比

傳統(tǒng)航天器系統(tǒng)架構(gòu)下，航天器的研制試驗主要采用針對具體任務(wù)和用戶需求的“量身定制”模式。過去的航天器設(shè)計、研制和驗證過程全部圍繞特定任務(wù)展開，航天器的設(shè)計與具體任務(wù)緊密聯(lián)系，軟硬件設(shè)計相互耦合。硬件產(chǎn)品形式各異，無法實現(xiàn)部組件互換。軟件產(chǎn)品互不兼容，軟件重用性差。研制周期長、成本高，在軌使用不靈活，功能重構(gòu)能力差。

如圖2所示，在軟件定義航天器系統(tǒng)架構(gòu)下，航天器的研制試驗向標(biāo)準(zhǔn)化、產(chǎn)品化發(fā)展。航天器不再針對特定任務(wù)進行設(shè)計和驗證，而是主要考慮用戶的通用需求，通過預(yù)置硬件資源和基礎(chǔ)服務(wù)功能，形成成熟可靠的通用型譜。針對用戶的特殊需求，通過應(yīng)用軟件的方式進行快速響應(yīng)和持續(xù)迭代升級。軟件定義航天器系統(tǒng)架構(gòu)采用開放的應(yīng)用軟件接口規(guī)范，應(yīng)用軟件設(shè)計人員只需要按照接口規(guī)范編制滿足用戶特定需求的應(yīng)用即可，而不需要考慮航天器的具體設(shè)計。應(yīng)用軟件可以在虛擬化數(shù)字平臺中完成測試和驗證，再上注至在軌航天器即可實現(xiàn)用戶需求。因此，軟件定義航天器的研制試驗與具體應(yīng)用場景相剝離，航天器甚至可以在具體應(yīng)用確定前預(yù)先開展設(shè)計、試驗、生產(chǎn)、發(fā)射和部署，航天器的研制周期將有效縮短。

3.3 對航天器發(fā)展需求的滿足情況

本文提出的軟件定義航天器系統(tǒng)架構(gòu)，能夠適應(yīng)不同用戶的需求，可以很好解決現(xiàn)有研制模式存在的不足，滿足未來航天器靈活、快速和自主的發(fā)展需求，具體如下。

軟件定義航天器系統(tǒng)架構(gòu)支持功能可重構(gòu)、資源全開放、信息深加工，可以滿足未來航天器靈活性的發(fā)展需求。功能可重構(gòu)是指通過動態(tài)加載應(yīng)用軟件和系統(tǒng)組件，重新定義航天器的在軌功能。資源全開放是指在確保航天器安全前提下內(nèi)部資源完全開放可訪問，通過軟件重構(gòu)發(fā)揮航天器硬件的全部潛力。信息深加工是指實現(xiàn)在軌數(shù)據(jù)靈活處理，促使航天器從數(shù)據(jù)提供者向信息提供者轉(zhuǎn)變。

軟件定義航天器系統(tǒng)架構(gòu)支持敏捷化設(shè)計、批量化生產(chǎn)、數(shù)字化測試，可以滿足未來航天器快速性的發(fā)展需求。敏捷化設(shè)計是指在硬件通用化、架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化的支持下，設(shè)計場景走向“硬件和基礎(chǔ)功能預(yù)置+應(yīng)用軟件設(shè)計”的模式，地面僅完成硬件和基礎(chǔ)軟件的設(shè)計驗證，更多的應(yīng)用功能通過在軌軟件定義實現(xiàn)，極大簡化設(shè)計流程。批量化生產(chǎn)是指將航天器硬件的生產(chǎn)、驗證與具體任務(wù)“脫鉤”，實現(xiàn)航天器平臺化、模塊化，極大壓縮制造、總裝時間。數(shù)字化測試是指大部分功能性能測試將在數(shù)字化的模擬平臺實現(xiàn)，“設(shè)計-制造-測試-改進”流程中設(shè)計與測試可以并行開展，縮短整體研制流程。

軟件定義航天器系統(tǒng)架構(gòu)支持自主運行、智能服務(wù)，可以滿足未來航天器自主性的發(fā)展需求。自主運行是指航天器能夠自主完成健康監(jiān)測與修復(fù)、器上數(shù)據(jù)管理及在軌資源調(diào)度，降低對地面的依賴。智能服務(wù)是指從簡單的信息獲取向服務(wù)提供轉(zhuǎn)變，具備較高的智能水平，可識別、提取用戶需求，并針對性實施任務(wù)。

4 關(guān)鍵技術(shù)分析

實現(xiàn)軟件定義航天器系統(tǒng)架構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)包括開放架構(gòu)與規(guī)范、器載操作系統(tǒng)、器載超算平臺和安全機制共4個方面，如圖3所示。

圖3 關(guān)鍵技術(shù)示意Fig.3 Diagram of key technologies

4.1 開放架構(gòu)與規(guī)范

為了最大程度實現(xiàn)一器多用，利用軟件定義技術(shù)實現(xiàn)航天器功能重構(gòu)，需要建立開放的架構(gòu)與接口規(guī)范，保證軟硬件接口開放，降低航天器的建造和使用成本，從而充分調(diào)動市場力量挖掘新技術(shù)、新需求與新應(yīng)用。具體包括：①制定用戶應(yīng)用軟件規(guī)范，定義航天器應(yīng)用軟件的標(biāo)準(zhǔn)接口，實現(xiàn)航天器基本功能框架。應(yīng)用軟件規(guī)范要求易懂且方便推廣，航天器基本功能框架要求完備且簡潔。②制定通用硬件接口規(guī)范，定義航天器設(shè)備的機、電、熱、信息標(biāo)準(zhǔn)接口，確保符合規(guī)范的設(shè)備可接入航天器。③統(tǒng)一軟硬件解耦架構(gòu)，保證標(biāo)準(zhǔn)硬件與軟件可以順利地接入航天器，所有硬件資源可被用戶訪問。

4.2 器載操作系統(tǒng)

操作系統(tǒng)是連接航天器硬件與軟件的界面，是調(diào)度航天器資源的平臺。軟件定義航天器需要操作系統(tǒng)統(tǒng)一調(diào)度資源，完成航天器基本管理，并在此基礎(chǔ)上支持用戶應(yīng)用。具體包括：①支持航天器應(yīng)用與軟件的在軌重構(gòu)。②支持設(shè)備虛擬化，保證設(shè)備能夠即插即用，通用設(shè)備可互換。③支持軟件加載重定向，可根據(jù)需求加載新的系統(tǒng)軟件，實現(xiàn)操作系統(tǒng)在軌升級。

4.3 器載超算平臺

器載超算平臺為器上自主任務(wù)管理、海量數(shù)據(jù)處理、信息智能提取等復(fù)雜任務(wù)提供強大的計算資源保障。具體包括：①空間高性能計算機架構(gòu)設(shè)計。②多種異構(gòu)計算平臺的容錯高可靠性設(shè)計。③環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計，保證超算平臺能夠適應(yīng)以熱環(huán)境、單粒子等空間輻射環(huán)境為代表的空間環(huán)境，保持連續(xù)、可靠運行。

4.4 安全機制

航天器開放必然帶來安全性方面的風(fēng)險，需要系統(tǒng)開展安全性研究，建立貫穿航天器設(shè)計、制造與運行始終的安全機制。具體包括：①器載操作系統(tǒng)安全技術(shù)，維護操作系統(tǒng)長期可靠運行，維持系統(tǒng)功能穩(wěn)定，能夠?qū)ν{航天器安全的操作進行檢測與隔離。②軟件缺陷檢測技術(shù)，在航天器軟件上注之前進行缺陷檢測，確保航天器安全。③入侵檢測及隔離技術(shù)，對入侵等惡意攻擊行為進行檢測與隔離。④地面站安全防護技術(shù)，保證地面站在引入商業(yè)應(yīng)用后依然能夠保持足夠的安全性。

5 結(jié)束語

軟件定義技術(shù)將顯著改變未來航天器的設(shè)計、生產(chǎn)與應(yīng)用模式。發(fā)展軟件定義航天器的首要任務(wù)是提出合適的系統(tǒng)架構(gòu)。本文提出的軟件定義航天器架構(gòu)能夠有效地實現(xiàn)軟硬件分離。硬件方面采用即插即用的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備，形成通用化的航天器平臺，顯著降低航天器成本與研制周期。在軟件方面，建立了基礎(chǔ)功能框架，支持開放式應(yīng)用軟件加載，將應(yīng)用軟件開發(fā)從系統(tǒng)設(shè)計中剝離，降低航天器應(yīng)用成本與技術(shù)門檻，擴大航天器應(yīng)用范圍與用戶群體。該架構(gòu)具有設(shè)計分層化、接口規(guī)范化、硬件通用化、功能軟件化、資源虛擬化的技術(shù)特征，能夠很好地滿足未來航天器的發(fā)展需求。下一步，將在該系統(tǒng)架構(gòu)的基礎(chǔ)上，形成軟硬件接口協(xié)議規(guī)范，推動軟件定義航天器技術(shù)的發(fā)展。