C114讯 3月14日消息(苡臻)软件是数字经济的灵魂,小到一颗智能传感器,大到一整座智慧城市,无不依赖软件系统的驱动,软件定义一切正在成为现实。当软件走向太空,遇到卫星互联网和商业航天,又将会碰出什么样的火花呢?
近日,C114采访了中国科学院软件研究所研究员、软件定义卫星技术联盟秘书长赵军锁,围绕软件定义卫星的概念定义、体系架构、关键技术、应用前景,以及商业航天的现在与未来等话题展开深入交流。
卫星需从“任务定义”走向“软件定义”
在卫星领域,长期以来人们谈论较多的是“任务定义”,即卫星依据特定任务来设计,如导航卫星专注导航功能,遥感卫星聚焦遥感任务。然而,如今卫星发展正面临从“任务定义”向“软件定义”转变趋势。那么,究竟什么是软件定义卫星?为何会产生这样的转变需求呢?
赵军锁指出,传统卫星通常在设计之初就被赋予了既定功能,基于此功能进行针对性设计。这种模式的优势在于经济实惠,因其仅需实现特定功能,卫星体系架构可围绕该功能进行优化。但弊端也十分明显,卫星上天后,只能为既定目标用户提供服务,一旦用户需求发生变化或出现新需求,便难以满足。
“这时就要将卫星变成一个公共计算平台,当有新用户需求时,可通过加载新的软件对卫星功能进行重构,以适应多样化需求。”倘若天上卫星众多,构成一个庞大资源池,理论上便能从中选取所需卫星资源,并加载软件重新定义其功能,为动态多变的用户需求提供临时解决方案,增加卫星的灵活性。
“在商业航天背景下,软件定义卫星已成为备受认可的技术发展方向。许多卫星在发射前,若仅针对特定用户设计,市场空间往往受限。而卫星入轨后的有限寿命期内,灵活调整功能以满足新用户需求,是实现更大运营收益的关键,这已成为行业内的重要共识。”他说道。
但太空环境复杂恶劣,软件定义的实现绝非地面移植那般简单。软件定义卫星虽前景广阔,实现过程面临诸多挑战。赵军锁认为,实现软件定义卫星技术,需分三步走:
首先,对卫星硬件资源进行虚拟化,通过设计API接口,使上层应用程序能够调用原本不对外开放的硬件资源;其次,实现资源复用,让不同应用程序可同时使用底层资源,提升应用效率;最后,进行系统软件平台化,将公共功能沉淀到系统软件中,为高层应用软件提供便捷访问途径,在此基础上推动应用软件生态化。“届时,不同用户和行业能依据自身需求编制 APP 加载到卫星上,当卫星飞过头顶时,动态加载软件,为星下点用户提供定制化、个性化服务。”
然而在这一实现路径中,存在诸多关键技术难题。例如,为支撑更多星上APP运行,需大幅提升星上算力。以往星上算力较低,复杂算法难以运行,而如今神经网络乃至未来大模型对算力要求极高,若算力不足,相关应用将缺乏运行平台。为此,前些年提出的“天基超算”概念,旨在将星上算力提升几个数量级,与地面算力基本持平,使地面能运行的复杂算法在天上也可运行。当然,针对太空环境,算法可能需进行轻量化、精简处理,以适配天上硬件,但不能存在量级差异。
与此同时,要实现高算力,需采用高算力芯片。但这类芯片工艺水平在太空环境中无法直接使用,因此要进行硬件加固和软件容错,构建可靠计算系统,满足空间环境对算力和可靠性的要求,为软件定义卫星发展创造条件。
“但是,软件定义卫星的难点不仅在于技术层面,未来其规模化应用时,多星协同工作将成为关键。”卫星多星协同需要大量星间链路支撑以及更复杂算法实现,这就要求行业内达成共识,形成统一标准和规范。若体系架构不统一、缺乏技术规范,应用将无法在不同卫星间迁移和协同,难以发挥星座整体效能。
推动全球共享星座建设 纳入统一资源池
赵军锁提到,软件定义卫星技术联盟对相关技术进行了多方面验证。联盟成立7年来,不同成员单位对软件定义卫星技术的各个方面开展了在轨飞行验证,发射一系列“天智”卫星,从单一技术来看,基本达到预期。
目前,软件定义卫星技术已具备大规模产业化应用的前期条件,从“0 到 1”的技术突破阶段已取得诸多成果,接下来需将这些技术进行集成,实现从“1 到多”的大规模应用。
商业航天的未来要建立在软件定义卫星技术之上,这个理念目前已形成共识。目前,标准化和产业链的成熟度正逐渐增强。联盟正推进航天应用商店和卫星产品货架建设,未来可将符合标准规范的应用程序和硬件单机纳入其中。
同时,联盟还推动技术生态形成,每年举办联盟技术大会及其他小型论坛,制定相关标准规范,促进产业界与学界联合,营造技术生态繁荣发展的环境。
产业方面,联盟实践软件定义卫星技术,推动全球共享星座建设。鉴于众多商业航天公司各自建设星座,技术路线未必符合软件定义标准,联盟呼吁卫星厂商在研制卫星时遵循标准规范,将卫星空闲资源纳入统一资源池,构建全球共享星座。如此一来,不同用户可从资源池中选取资源,重新编程并加载软件,服务自身目标客户,提高卫星厂商在轨收益。这不仅关乎星座建设商和运营商的业务发展,更是整合星上闲散资源、服务更多行业用户、构建产业网络的关键举措。“未来的产业应该是形成一张网资源,各方共同向资源池贡献资源,用户从中获取资源,实现更大收益和产业规模扩张。”他说道。
“目前,联盟已成功举办两次全球共享星座大会,吸引国内外众多响应,已有更多厂商和星座运营商愿意将卫星纳入全球共享星座。”
后续,联盟计划构建 “珍珠链” 实验星座,在一个轨道面上部署一两百颗星间可通信的卫星,这些卫星遵循统一架构规范,用于验证多星协同及组合形成新能力,实现软件规模和品种的拓展,形成应用示范。该星座建成后可进行复制,在不同轨道面间还可实现协同,之后逐步发展为大型星座,以经济实惠的方式推动技术进步。今年,联盟将积极推动更多人参与 “珍珠链” 星座示范建设及应用市场拓展工作。
竞争无出路 须建立太空命运共同体
从产业链来看,卫星互联网和商业航天主要包括卫星研制、卫星发射、地面设备、运营及服务四大环节。向上延伸主要为材料、燃料、电子元器件,向下延伸为卫星应用。
赵军锁认为,当前,商业航天领域面临“建不起来、连不起来、管不起来、用不起来、迭代不起来”等诸多挑战。
“建不起来”即很难在短期之内形成大规模星座,在卫星和发射成本未降低的情况下,仍存在很多困难;“连不起来”即在轨卫星之间难以连接成网,不同厂家研制的卫星若不遵循统一标准规范,无法形成整体网络;“管不起来”即管理调配困难,现有卫星由各家分散管理,缺乏统一调配机制,技术上也难以同时管理众多卫星;“用不起来”即使用受限,不同厂家卫星协议规范各异,难以临时获取使用权并加载应用软件,只能使用提供的既定功能,限制更多的个性化需求;“迭代不起来”即技术更迭缓慢,卫星入轨后软件更新多由研制者负责,更新速度慢且缺乏第三方参与。
尽管挑战重重,但未来发展方向明确,即构建规模化、网络化、服务化、智能化、生态化体系。
在这种形势下,业界应加强合作,摒弃单纯竞争。“这个行业,我认为竞争是没有出路的。与其在不大的市场中争抢有限份额,不如大家携手合作,共同挖掘市场潜力,将市场规模做大,将行业‘蛋糕’做大。这样一来,大家都能在更广阔的市场空间里获取更大的收益,推动行业良性循环,实现长远发展 。”
他指出,软件定义卫星技术标准规范以及全球共享星座运行规则的建立,将对行业发展起到积极推动作用。联盟希望其观点和理念能得到更多业界认可,会有更多人加入到总体设想中来,凝聚各方力量,共同构建太空命运共同体。
采访最后,赵军锁表示,太空资源应公平合理地利用,未来的目标是实现太空平权。未来随着更多卫星成功入轨,必然会有部分国家或组织建立起自身的太空优势。然而,从长远和整体发展来看,不应将追求太空优势作为主要目标,而应将实现太空平权作为核心追求。这意味着每个国家都应拥有平等使用太空资源、借助太空资源推动本国经济发展的机会与权利。
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