盘点|国外软件定义卫星的发展概况

　　来源 | 高端装备产业研究中心（chinaequip）

　　作者 | 太阳谷

导读

　　2019年10月，BIS Research发布《2019-2030年全球软件定义卫星市场预测——专注于终端用户、质量、轨道技术、分系统和服务》报告，其预测未来十年，全球软件定义卫星（SDS）市场的复合年均增长率按照价值和数量分别计算将达到14.81%和14.85%。2018年，欧洲占据了全球软件定义卫星市场的最大份额，如英国和法国是欧洲软件定义卫星市场上表现最为突出的国家。

　　未来十年，亚太地区由于对先进卫星的需求不断增长，预计增长速度最高。作为软件定义卫星的核心，软件定义卫星载荷分系统在2018年软件定义卫星市场占比最大，预计将在未来十年内占主导地位；由于部分软件定义无线电（SDR）全球小卫星星座的部署和多颗SDR技术验证小卫星，小型软件定义卫星在2018年软件定义卫星市场占比最大。

　　BIS的2018-2030年软件定义卫星市场预测

　　软件定义卫星是一种以天基超算平台为核心，采用开放系统架构，支持有效载荷即插即用、应用软件按需加载，能够方便地通过更新软件去重新定义卫星功能，从而灵活适应多种任务、多类用户的新型智能卫星。传统卫星原先是按单一任务要求定制的，而卫星开发人员正在逐渐采用可重编程、重配置的软件定义卫星设计思想，以提升卫星性能并使其能支持全新应用。采用可重构载荷、人工智能（AI）与云计算，以及软件定义无线电（SDR）等各种技术将能提高卫星的可重构性和灵活性。

　　软件定义卫星具有如下典型特征：

　　1.需求可定义——软件定义卫星可根据需要重构整个系统，可灵活响应多种不同的空间任务需求，能够满足通信、导航、遥感、科学探测等多种应用场景，提供多种功能，完成多种任务；

　　2.硬件可重组——软件定义卫星采用开放系统架构，具有丰富的接口形式，支持各类有效载荷的即插即用，可以根据任务需求进行有效载荷、计算资源、交换资源、存储资源的重组；

　　3.软件可重配——软件定义卫星具有一致的程序执行环境，具有丰富的应用软件，可以根据任务需求动态配置和执行不同的APP，完成不同的任务；

　　4.功能可重构——通过接入不同的硬件部件、加载不同的软件组件，即可快速重构出不同的功能。

　　一、欧洲通信卫星公司Quantum

　　欧洲通信卫星公司量子卫星（Eutelsat Quantum）是一颗具有软件可重配置有效载荷的实验性通信卫星，是欧洲航天局（ESA）与欧洲通信卫星公司（Eutelsat）及卫星制造商空客公司共同开展的电信系统先进研究（ARTES）合作项目。欧洲量子卫星的发射重量为3.5吨，设计寿命为15年，将于2020年下半年发射。该卫星使用萨里卫星技术有限公司（SSTL）的GMPT新型小型对地静止卫星平台。由于量子卫星采用了软件定义的方式，因此在发射入轨后依然能够进行修改，例如调整卫星的覆盖范围、频率、功率和带宽等，这使其能在任意轨道位置运作。此外用户也能主动定义并确定卫星的性能，使之满足用户需求。

　　欧洲通信卫星公司量子卫星概念图

　　量子卫星使政府、移动和数据市场中的用户能够积极定义和塑造卫星的性能和覆盖范围。量子卫星使用基于软件的设计，将是第一颗反复调整以适应业务需求并在世界任何地理区域运行的通用卫星。在轨可重编程功能将在灵活性方面设定一个新标准，并将主要针对高度多变和移动的市场，包括：

　　移动通信——可根据海上、航空和陆基运输的需要，针对功率和吞吐量动态优化波束成形和船舶跟踪能力；

　　数据网络——广域网络和动态流量塑造的定制设计，在需要的地方和时间响应需求；

　　政府用户——快速响应公共保护和灾后复苏，以及使用最新加密技术的安全控制。

　　量子卫星采用了空客领导研发的电子可控天线——ELSA+（ELectronically Steerable Antenna+）。ELSA+是欧洲首个用于商业卫星通信的多波束有源天线，工作在Ku波段，有8个独立可重构波束。其固有的灵活性使卫星操作员能够在覆盖区重新配置射频波束，其可重配置能力可以单独在一个波束或同时在八个波束上实现，包括每个波束跳跃到几十个预先定义的不同配置（波束跳变/切换）。由于ELSA+能够定位干扰源并使干扰失效，因此能减轻可能有意或者无意的信号干扰。ELSA+对新一代全数字有效载荷进行了补充，卫星操作员因此可以改变卫星轨道位置、频率和功率。

　　ELSA+基于在轨成功运行的天线载荷，例如Hispasat 36W1的DRA/ELSA、军事安全通讯用途的SpainSat（西班牙卫星）的在轨重构多波束天线IRMA(In-orbit Reconfigurable Multibeam Antenna)和设计的直接辐射阵列/电子转向天线和在负责传输大量数据用以描绘数十亿星宿的Gaia卫星有源天线。

　　电子可控天线ELSA+

　　欧洲量子卫星是商业卫星的革命性进步，它是全球首颗软件定义商业通信卫星，其覆盖范围、频率、带宽、功率等性能可在轨重构，也就是可通过更新软件实现重新定义，因此也称为“变色龙”卫星。这将允许卫星运营商根据需求调整卫星业务，也可允许卫星制造商批量制造通信卫星，在卫星发射入轨后进行配置，缩短卫星制造周期以及降低卫星的运营和制造成本。

　　2014年，量子卫星项目最初概念产生，最初代号为“AnySAT”。

　　2015年7月9日，Eutelsat、空客和ESA签署了建造量子卫星的公私合营（PPP）协议。

　　2019年1月9日，萨里卫星技术有限公司（SSTL）完成了量子卫星平台的建造，并移交空客进行卫星组装与测试。

　　2019年5月10日，欧洲首颗发射后可重新编程的“量子”卫星在法国图卢兹空客公司工厂成功完成载荷与平台的组装。

　　2019年8月6日，因卫星制造延迟和运载火箭可用性问题，量子卫星发射由原本计划的2019年底推迟至2020年下半年。

　　2019年11月21日，空客、ESA和Eutelsat在西班牙马德里的空客分公司展示ELSA+多波束有源天线有效载荷。

　　二、洛克希德马丁公司SmartSat

　　智星（SmartSat）是美国洛克希德马丁公司开发多年的软件定义技术架构，并正在研制采用了该软件定义技术架构的微纳卫星。该型卫星可通过软件“推送”改变或增加卫星功能，就像在智能手机上添加应用程序一样方便。原计划在2019年制造并发射5颗配备SmartSat架构、基于其LM 50总线平台的纳米试验卫星。

　　SmartSat特点

　　2019年3月20日，洛马表示其正在将SmartSat应用到10个甚至更多的卫星项目中。首批发射的项目包括Linus和Pony Express。

　　Linus项目由2颗12U的立方星组成，将验证SmartSa架构和3D打印卫星部件。

　　Pony Express项目包括多颗6U立方星，计划部署在低地球轨道，验证卫星网络通信技术。项目首颗试验星用于测试云计算基础设施，计划9个月开发完毕。项目后续卫星将验证基于射频网络的集群编队和星间通信网络。

　　洛马公司的SmartSat卫星具有以下优势：

　　1.带宽可调，可动态调整工作频率和通信速率；

　　2.波束可变，可改变卫星覆盖区域；

　　3.多核处理——首次在卫星上采用多核处理器，增强了星上数据处理能力；

　　4.弹性架构——基于该公司的LM50微小卫星总线平台研制，但设计也可以用在包括LM2100大型平台在内的其他洛马公司卫星平台；

　　5.建造迅速——采用标准平台架构，减少集成时间。

　　SmartSat目前使用的LM 50卫星总线平台

　　SmartSat卫星的星载计算机由美国国家科学基金会下属太空、高性能和弹性计算中心（SHREC）研制，具备高功率、抗辐射等特点。其采用虚拟机技术，充分利用星载多核处理器，可在同一台计算机中同时运行多个服务器，最大限度地提高内存利用率、星上处理能力和网络带宽。该技术最终将可应用于未来太空数据中心的建设。

　　由于星载软件可在轨更新，因此网络安全是SmartSat卫星的核心。SmartSat卫星一方面具备能够准确问题诊断和快速重置能力，另一方面采用自主检测和防御网络威胁技术，可定期更新星载网络防御软件。

　　无论是欧洲的“变色龙”卫星还是洛马公司在研的SmartSat卫星，都是卫星设计、建造和交付方式的重要发展，一方面将改变传统卫星在轨运行期间无法及时更新的劣势，另一方面也将改变目前的卫星制造模式，卫星制造商可按照一定规格实现卫星批量制造，在卫星发射入轨后进行能力配置，缩短研制周期和降低研制成本。

　　三、美国银河天空公司GSky-1

　　GSky-1是美国小型固体火箭创企矢量空间（Vector Space）公司旗下银河天空（Galactic Sky）的软件定义卫星。该卫星采用了Galactic Sky自主研发的软件定义卫星专利技术GalacticSky，添加了基于云的智能层。

　　GSky-1卫星

　　GSky-1主要任务是充当Galactic Sky和其他3种有效载荷的在轨测试平台。发射后，卫星将由Vector进行远程控制，并由SERC研究团队从南加州大学的地面天线和SERC进行监视。主要任务计划在发射后90天内完成，但卫星将继续运行长达数年并提供系统性能数据。

　　GalacticSky架构

　　GalacticSky将现代计算硬件与一组GalacticOS软件服务结合在一起，通过GUI或一组REST API，使诸如卫星应用程序的调度、部署、监视和管理资源等任务变得简单。Galactic Sky软件定义卫星技术有如下特征：

　　1.更快地获得可行的数据——在轨处理仅允许从太空获取最相关的数据，从而节省了时间、带宽和地面资源；

　　2.创建安全的多客户租用环境——在单个卫星上提供多个隔离环境的能力，允许多个客户共享卫星资源；

　　3.随时进行任务修改——一种具有添加或更改任务本身能力的软件定义卫星体系结构，比如延长其使用寿命同时增加潜在收入；

　　4.最大化运营效率——共享服务基础架构可在单个卫星上或在多个卫星上提供弹性，从而简化了操作任务；

　　5.提高可靠性——卫星内部和卫星间的自我修复、状态监视和恢复，为宝贵的卫星资产提供保护；

　　6.利用通用架构——相同的有效载荷可以部署在任何卫星（LEO、MEO、GEO）或机载节点上，并提供完全集成的解决方案。

　　GalacticSky卫星使用Citrix虚拟化管理程序和定制的GalacticOS软件服务集。虚拟机可用的操作系统包括Windows 7到10以及各种版本的Debian和Ubuntu Linux，另外GPU支持是可选的。

　　GalacticSky硬件平台

　　2019年3月22日，Galactic Sky宣布其第一颗GalacticSky软件定义卫星GSky-1在南加利福尼亚大学（USC）信息科学学院（ISI）的空间工程研究中心（SERC）上成功完成了整星集成。

　　2019年4月5日，矢量空间公司向加利福尼亚州中区地方法院提出诉讼，状告洛马公司的SmartSat侵犯其GalacticSky软件定义卫星技术的3项专利。据悉，Galactic Sky已申请到十余项软件定义卫星美国专利。

　　四、空中客车公司OneSat

　　OneSat是欧洲空中客车公司研发的软件定义中型电信卫星平台，可以在轨道上完全重新配置，能够调整其覆盖范围、容量和频率。OneSat基于标准、模块化和“按制造而设计”的方法，可以比现有通信卫星更快地交付，并且成本更低。OneSat继承自空客欧洲之星（Eurostar）电信卫星平台。

　　OneSat平台卫星入轨后部署概念图

　　2019年5月30日，空中客车公司与国际移动卫星组织(Inmarsat)签署了一份合同，为其设计制造下一代Ka波段地球同步卫星Inmarsat GX7/8/9，也是第一批基于空客新型“一星”（OneSat）产品线的卫星，该型产品线可在轨完全重构。三星寿命标准为15年，可由火箭一次全部发射入轨。OneSat以星上处理和有源天线为特色，使3颗卫星能够调整其覆盖范围、容量和频率,将实时动态地提供电力和带宽，以适应Inmarsat为移动市场提供高通量宽带连接的要求。

　　OneSat三星示意

　　五、泰雷兹阿莱尼亚空间公司Space Inspire

　　泰雷兹阿莱尼亚空间公司（Thales Alenia Space）“太空灵感”（Space Inspire）是一款新型全电卫星，产品名称由“即时太空在轨重构”（INstant SPace In-orbit REconfiguration）缩写而来。该卫星系列可实现无缝的任务和重新配置服务，根据需求即时进行在轨调整，从视频广播过渡到宽带连接服务，同时最大程度地提高卫星资源的效率和有效利用。

　　太空灵感卫星强调重量轻，重约2000kg，采用数字化有效载荷，并采取系列化生产方式，成本低，同时可一次发射3颗入轨。灵感系列拟只配备Ku和Ka波段，设计寿命15年。其容量将保持在100～200Gbps范围，以节约成本。卫星最终容量大小在一定程度上将会取决于地面基础设施，而太空灵感卫星的每Mb容量成本将能接近于容量是其5倍的卫星。由于采用能力很强的数字透明处理器，太空灵感卫星将比泰阿公司“Konnect VHTS”甚高通量卫星更为灵活。

　　“太空灵感”（Space Inspire）概念图

　　太空灵感卫星平台来源于数年前该公司创新集群（the Innovation Cluster）与研发部门合作设计的“迷你静地轨道”（mini-geo）紧凑卫星标准产品线，并经历了多次迭代和实现了全数字化。其研发除了内部资金支持，还得到了法国国家航天局（CNES）和欧洲空间局（ESA）的支持。

　　泰阿公司预计首颗灵感卫星在2023年前造出，后续卫星利用标准化部件将是卫星制造周期缩短到18个月。得益于其为铱星公司批量生产“下一代铱星”卫星，其计划采用系列化生产方式，降低成本的同时年产约6颗灵感卫星。

　　六、波音公司702X

　　波音公司702X系列软件定义卫星平台结合了波音自1995年推出的702系列中小型卫星平台和模块化有效载荷，同时引入静地小卫星平台。每个702X数字式可再编程有效载荷模块使用相控阵天线，可以数字生成5000个波束，并根据需要定制功率、位置和灵敏度。

　　702X系列采用新的数字有效载荷技术和3D打印部件，其重量比典型通信卫星降低一半。得益于可再编程软件定义有效载荷的低重量，其不加注燃料时重量约为1900kg。因其重量小，可一箭三星发射入轨。同时，702X静地小卫星平台将约4500个组件和近1300条射频电缆减少至348个组件和64条电缆。702X小型GEO卫星也使用固态元件，而不是难以构建的行波管放大器。

　　702X系列静地小卫星平台概念图

　　波音在702X软件定义有效载荷设计上力求让用户能够更容易地改变卫星任务和调整星上容量用途。例如，卫星运营商可从提供电视广播服务转为开展宽带互联网业务，还能在自己认为合适时重新分配容量。用户可根据需要调整波束形状，往给定的区域大量投放容量，而不浪费在服务无客户区域。

　　702X系列研制工作约开始于2014年，继承自波音公司为SES公司中地球轨道（MEO）高通量卫星星座建造的“O3b增强”（O3b mPower）卫星。O3b mPower采用的是702X系列中小型卫星平台（或称MEO平台），而新增天线反射面并调整了推进系统和热管理系统。702X系列中小型卫星平台设计寿命12年，而702X系列静地小卫星平台设计寿命15年并可在3年内交付。波音表示702X系列可以根据需要扩展到容量为TB的大型GEO卫星。

　　总结数年前，传统卫星还是提供通信、地球观测和导航等天基应用的最佳解决方案。 然而，随着高度灵活地面技术的不断进步以及商业卫星市场竞争的大幅加剧，从而导致卫星运营商和制造商需要迫切提高卫星的灵活性，以实现与地面网络灵活地兼容。 软件定义卫星的出现带来了巨大的变革，这项技术能改变在轨卫星的参数，如功率、覆盖范围、频率和带宽等，通过灵活重新配置卫星的能力来满足终端用户的不断变化的需求。

　　虽然经过近十年的较快发展，但目前软件定义卫星尚处于初步发展阶段。不容忽视的是，软件定义卫星作为新兴航天技术将革新航天产业模式，对建设新型空间体系具有重大意义。

　　主要参考文献

　　[1].Global Software-Defined Satellite Market: Focus>[2].Airbus presents ground-breaking technology for EUTELSAT QUANTUM

　　[3].Lockheed Martin's First Smart Satellites Are Tiny With Big Missions

　　[4].Thales Alenia Space hedges bet>[5].THALES ALENIA SPACE RELEASES FULLY DIGITAL SATELLITE TO ADDRESS FAST MOVING MARKET NEEDS

　　[6].Boeing unveils small GEO product as part of new 702X satellite lineup

　　[7].New Boeing 702X Satellites Offer Unique Multi-Mission Flexibility

　　[8].Boeing marketing its small GEO satellite to international governments

　　[9].空中客车公司获得国际移动卫星组织三颗革新性卫星合同_空客防务与航天

　　[10].软件定义卫星技术发展与展望_赵军锁，吴凤鸽，刘光明