软件定义卫星：数字卫星实践

随着巨型低轨卫星星座、卫星互联网等计划的推进，近年来全球卫星产业迅速发展，在轨卫星呈现规模化、网络化以及智能化趋势。大规模卫星系统为飞机、船舶、车辆等提供了各种各样的天基服务，对国防、科研、生产生活具有重要意义。

与此同时，卫星数量的快速增长也给卫星的研制、部署和应用带来了巨大挑战。传统的单一定制化研制思路灵活性不足、技术迭代周期长、任务满足率偏低，无法适应未来卫星系统智能化、体系化的发展趋势。如何加速卫星研制与技术演进、降低复杂卫星星座的成本，这些现实迫切的问题促使人们重新思考卫星技术发展的重心和思路。其中，软件定义技术已成为未来卫星技术发展的重要驱动力。

01.软件定义卫星

软件定义卫星技术旨在实现硬件资源虚拟化、系统软件平台化、应用软件多样化，通过用软件来定义卫星功能、提升卫星性能、加速卫星生产的方式，最大限度发挥硬件的通用性和软件的灵活性。

▲图1 软件定义卫星

在硬件资源虚拟化的发展中，“数字孪生”（或数字样机/数字模型）无疑是当下最热门的关键词。随着数字化技术在航空航天领域的关键作用日渐凸显，数字孪生技术无疑将成为新一代信息技术的主要发展方向。

数字孪生系统可大幅提升卫星系统诊断结果的准确性，并提升产品量化性能指标与决策性数据的准确度，不同于传统意义上基于启发式经验和最坏情况的传统维护方法，数字孪生技术使用高精度的主动虚拟模型，能够实现卫星系统的超高保真模拟，有助于验证卫星系统设计方案可行性，进行动态任务规划并显著降低成本。

02.卫星的系统组成

典型的卫星（航天器）由两部分组成：卫星平台与卫星有效载荷。

卫星平台是有效载荷的服务系统，用于保障卫星从运载火箭起飞到工作寿命终止星上所有分系统的正常工作。

有效载荷是指卫星上直接完成特定飞行任务的设备、仪器或系统，是卫星的核心部分。

载荷系统被称为卫星的“大脑”，是卫星在轨期间发挥最终航天使命的至关重要的一个分系统——载荷的功能和性能品质将直接影响最终航天任务实现质量，只有装载了有效载荷，卫星才能成为一个完整的能完成特定空间任务的航天器。

▲图2 卫星的组成

03.数字卫星实践

以卫星载荷系统为例，真实载荷系统开发与试验成本高、测试场景构建要求高，为降低系统研发风险，通常需要在地面搭建仿真系统来验证真实系统的可行性与可靠性。这其中，硬件资源环境的虚拟化对于降低成本至关重要。全系统虚拟仿真技术能够帮助实现卫星的数字孪生，在地面构建高保真的完整的卫星载荷系统虚拟运行环境，已应对越来越复杂的嵌入式软件开发、测试和验证要求。

天目全数字实时仿真软件SkyEye作为基于可视化建模的硬件行为级仿真平台，能够为卫星嵌入式软件提供虚拟化运行环境，开发、测试人员可在该虚拟运行环境上进行软件开发、软件测试和软件验证活动。

目前，SkyEye已实现基于AT697、龙芯等嵌入式处理器的卫星载荷系统的全数字仿真，支持代码在虚拟仿真平台上运行，同时支持代码质量分析等测试任务。

▲图3 SkyEye载荷系统仿真

此外，基于多领域分布式系统仿真平台DigiThread，SkyEye可与其他仿真软件协同，构建完整的卫星数字孪生。真实卫星的运行数据可在卫星数字模型中实现超实时仿真，仿真结果通过可视化应用呈现，以供分析、预测真实卫星的未来走向，有助于用户进行后续决策并优化物理实体。

▲图4 数字孪生卫星示意图

参考文献

[1] 徐帆江，周鑫，赵军锁，等. 软件定义卫星技术概念及发展[J]. 北京航空航天大学学报，2023，49（7）：1543-1552 doi:  10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0562

[2] 蔡先军,姜海坚,沈靖等.基于数字孪生的星载智能软件虚拟测试技术[J].电子元器件与信息技术,2023,7(05):