10.1.2 软件定义系统架构
软件定义卫星是以天基超算平台和星载操作环境为基础的新一代开放架构的卫星系统，支持有效载荷动态重组、应用软件动态重配、卫星功能动态重构。随着通信、网络、计算机和软件等技术的迅猛发展，软件在各行各业发挥的作用越来越大，软件定义正在成为一种新的必然发展趋势。航天领域也不例外，发展软件定义卫星技术，将逐步提高卫星产品的软件密集度，不但可以逐步增强卫星功能、提升性能，而且可以极大地缩短研发周期、降低研发成本。
1）软件定义卫星的重要性
软件定义卫星拥有丰富的星上应用软件，能够按需重构完成不同功能/任务，可以被众多用户共享使用，为众多用户提供服务，其重要性主要体现在以下三个方面：
（1）为发展智能卫星创造良好的条件。智能卫星具有环境自感知能力，能够自主决策、自主运行，其数据处理流程更加灵活，信息处理算法更加强大，能够完成更为复杂的空间任务。采用软件定义的开放系统架构，将极大地提高卫星系统对有效载荷的适配能力、对算法软件的兼容能力，无论是硬件部件还是软件组件，都可以真正做到即插即用。软件定义卫星可以有效支持各类数据/信息的高速交换、高效存储、智能处理和灵活应用，可在此基础上逐步提升卫星的智能化水平。
（2）实现卫星功能和性能的持续演进。在空间任务日益多变、空间环境日趋恶劣（空间碎片日益增多、电磁环境日益复杂等）的情况下，对发射入轨之后的卫星不断进行升级和维护的需求也日渐迫切。软件定义卫星采用开放式架构，可以通过在轨发布APP、动态加载各种软件组件，把各种强大的新算法不断集成到卫星系统中，不但可以通过实时动态重构为卫星系统增加新的功能，还可以通过改进算法提升卫星的性能，或者对出现的故障进行修复。由此可见，软件定义卫星是一种可在轨持续演进的卫星，除了能够完成既定的任务，还可以通过上注软件完成一些新出现的空间任务。
（3）可以加快核高基成果在航天工程中的应用速度。软件定义卫星解除了卫星系统软硬件之间的紧耦合关系，使得符合标准的软件组件和硬件部件可以互换，这就为逐步提高整星产品的自主可控程度创造了更好的条件。例如，上层任务软件不做变更即可迁移到国产化处理器和操作系统上，底层硬件部件也可以逐步替换为完全自主可控的产品。
国际方面，1999年由美国加州理工大学和斯坦福大学提出并制定了立方星（Cubesat）标准以来，国际上微纳卫星技术迎来日新月异的发展。2003年第一颗立方星发射升空，近20年来，相关技术发展很快。据美国智库SpaceWorks统计，2017—2023年，1～50 kg卫星的发射需求达2 400颗。微纳卫星以体积小、功耗低、开发周期短、可编队组网，以及用更低的成本完成很多复杂空间任务的优势，已被广泛应用于对地观测、通信、导航、空间科学探测、空间天气、深空探测和新技术试验等领域，成为空间系统的重要组成部分。然而大部分微纳卫星制造商未摆脱传统卫星的研制方式，仅通过简化卫星功能、降低卫星质量等手段降低卫星成本，重复开发微纳卫星软硬件，然而其灵活性、智能性、可复用性等方面却仍然欠缺。
美国国防部早在20世纪90年代就提出了模块化开放体系架构（MOSA）的概念。MOSA的核心思想是：首先通过软硬件解耦将系统分解为一系列标准化的软硬件模块，然后通过对这些软硬件模块进行不断的升级和重组，逐步提升整个系统的效能。采用MOSA架构的设备，不但便于引入新技术、升级改造，而且由于可选择的供应商多，也便于控制和降低成本。美军基于MOSA和软件定义的思想，对其电台和雷达进行了升级和改造，都取得了良好的效果。软件定义无线电技术、雷达技术的成功，显示了MOSA和软件定义的巨大威力。
2）软件定义卫星的体系架构组成
软件定义卫星的体系架构包括应用服务器（application server）、载荷服务器（instruments server）、数据交换引擎（data exchange engine）和存储服务器（storage server）四个组成部分，如图10- 2所示。
图10-2 软件定义卫星的体系架构
（1）应用服务器。支持符合标准的软件组件的即插即用和按需执行。
（2）载荷服务器。支持符合标准的硬件部件的热插拔和按需配置。
（3）数据交换引擎。可根据需要完成有效载荷、存储设备、应用程序之间的高速信息交换与分发。
（4）存储服务器。实现对卫星平台数据、有效载荷数据的永久性可靠存储和临时性高速存储。
从其体系架构和概念内涵可以看出，软件定义卫星不但和地面主流计算环境保持了最大限度的兼容，而且内部模块划分科学合理、功能界面清晰，可以最大限度地保证标准部件的互换性。软件定义卫星的关键技术包括天基超算平台、星载操作环境、软件定义有效载荷和应用程序组件等，其中星载操作环境是软件定义卫星的核心。
航天任务需求的不断提升，促使卫星系统研制逐渐由平台优先、载荷优先向算法优先转变。软件定义卫星技术顺应了这一历史趋势，通过各种技术手段实现硬件资源虚拟化、系统软件平台化和应用软件多样化，最大效应发挥硬件的通用性和软件的灵活性，其思想已经渗入并将更加深入地影响卫星系统的设计、研制、生产、测试、应用和维护等全生命用期。当前，中国正在从航天大国向航天强国迈进，“天地一体化信息网络”“深空探测及空间飞行器在轨服务与维护系统”等国家重大工程对卫星系统网络化、智能化有迫切需求。未来应加速推进软件定义卫星技术研究，重点构建智能卫星系统的研制与应用生态，汇聚更多的尖端人才，助力中国航天技术实现弯道超车。