自主软载荷及其在空间综合信息系统的应用设想

李少伟， 赵 良， 秦永强， 苏汉生

(空间物理重点实验室 北京 100076)

自主软载荷及其在空间综合信息系统的应用设想

李少伟， 赵 良， 秦永强， 苏汉生

(空间物理重点实验室 北京 100076)

在分析现有空间信息系统存在的弊端和未来远程作战需要的支援的基础上，介绍“软件星”和“软件星”有效载荷的基本概念和组成原理，并将其扩展，提出自主软载荷的概念。文中还阐述了具备多功能、自主任务载荷的空间信息系统对远程作战的重要性，并提出基于自主软载荷构建面向远程作战的空间综合信息系统的初步设想。

软件无线电； 软件星； 自主软载荷； 空间综合信息系统

引 言

随着空间信息技术的发展，战场逐渐呈现透明化的特征，因此未来的战争将是以信息优势为基础，以远距离、快速精确打击为主要作战模式的高科技战争。这种模式下，武器系统和信息系统比以往任何时候都结合得更加紧密。美国近年的军事行动无不表明，空间信息系统在战争中发挥着越来越重要的作用，也彰显了未来战争的作战形态将越来越依赖于空间信息系统的趋势。

空间信息系统主要包括情报侦察(传感器)系统、信息传输(通信)系统和信息对抗系统。当前国内外在役的空间信息系统大多以功能划分，如通信卫星、遥感遥测卫星、导航卫星、气象卫星、情报侦察卫星、导弹预警卫星等等[1]。虽然这种以功能划分的体制相对于当时的管理和技术水平有其先进性，但是随着电子元器件水平和数字处理能力的大幅提高，以功能划分的理念之弊端也逐渐显现，主要表现在以下两个方面：

①功能单一，一旦发射，难以适应用户需求的发展和变化，为了实现综合的信息系统功能，就必须大量发射各类不同功能的卫星，效费比大大降低；

②有效载荷的设计以硬件为核心，体制相对固定，可重构能力差，难以适应空间日益复杂的电磁环境，导致对突发事件的应对和重新部署能力较差。

针对当前空间信息系统的不足，以软件无线电设计理念为指导，文献[1，2]提出了“软件星SDS (Software-Defined Satellite)”的概念，并以此为基础，进一步提出了基于“软件星”的综合一体化空间信息系统的设想。这种理念已经逐渐被认可，并在越来越多的通信卫星和侦察卫星中得到应用。

但是深入分析后会发现，“软件星”主要还是强调卫星功能的多样性，以及构成信息系统的灵活性，其抗干扰能力及对导弹等武器系统的支持和支援并不够。在反导系统日趋成熟、电磁环境日益复杂的情况下，要实施超远程的军事任务变得越来越困难。结合我国国情，研究支持超远程打击的空间信息系统就变得非常迫切。

本文首先介绍“软件星”有效载荷技术，并在此基础上进行扩展，提出“自主软载荷”的概念，然后提出构建基于自主软载荷的面向超远程打击的空间信息系统的设想。

1 “软件星”有效载荷[3]

“软件星”是指卫星的有效载荷以软件无线电为通用硬件平台，通过软件来定义其功能的卫星系统。因此，“软件星”具有以软件无线电为通用硬件、通过软件定义其功能的有效载荷。它可以利用无线遥控信道上载、更新、升级相应的功能软件，从而以较低成本丰富和提升卫星有效载荷的性能，让卫星具备一星多能、一星多用的能力，使其可以完成通信功能、导航功能，或者实现对雷达/通信信号的技术侦察，亦可进行有源探测或电子对抗等。

“软件星”有效载荷的基本构成主要包括宽带天线阵列、天线开关矩阵、软件无线电通用平台、有效载荷控制与数据处理计算机等，如图1所示。其中，全频段大带宽天线是主要的技术瓶颈，从现有的水平看还需分频段实现，每一频段可以是单副天线，也可以是若干副天线组成的天线子阵；天线开关矩阵用来分配不同频段的射频信号；软件无线电通用平台作为核心设备，可以通过执行加载的软件完成相应的功能(如通信、侦察或干扰等)，如图2所示，其组成可分为宽带通用射频前端(实现对信号的放大、频率变换、滤波)和高速信号处理单元(实现对宽带中频和基带信号的数字化处理)；有效载荷控制与处理计算机主要完成对有效载荷可用资源的控制和管理。

“软件星”有效载荷作为通用化的载荷平台，其软件可以在统一的体系架构下实现多种功能；同时，其硬件具有很强的通用性，可以实现标准化、模块化、规模化生产，不仅可以降低成本，缩短研制周期，还可实现即插即用。

图1 “软件星”有效载荷组成

2 自主软载荷

“软件星”有效载荷技术虽然功能强大，但是其抗干扰能力较差，而且当它与地面指挥站失去联系时，状态将变得不可控。另外，基于“软件星”有效载荷的空间信息系统与武器系统的结合也不紧密。

自主软载荷在继承“软件星”有效载荷优点的基础上，根据战时环境和协同作战的需求，在以下两个方面做出了增强：

①增强其智能程度。应用人工智能和现代信号处理等技术，无需人工介入，对未知的无线电环境具有自适应能力，并通过强大的计算能力识别和处理未知无线电信号，一方面提高系统性能和效率，另一方面根据分析得到的参数，自动生成所需的波形，进行通信、探测和对抗等。也就是说，在软件无线电的基础上增加了认知无线电(Cognitive Radio)和认知雷达(Cognitive Radar)的能力。根据CR(Cognitive Radio＆Cognitive Radar)的基础核心思想，它具备感知能力、学习和推理能力、重构能力三个主要特征。

②增强顶层管理能力。如要进行与有效载荷相关的管理以及与飞行相关的管理，就需要增加一个独立的管理系统[4]。这种管理功能既能在平台进行功能转换和属性转变时起到规划和决策的作用，同时也是空间平台与地面指挥站之间通信被切断后发挥权力受限的自主能力的关键。航天器或飞行器的自主飞行功能主要也在这个管理系统中通过软件实现。

图2 软件无线电通用处理平台

综合以上两点，自主软载荷的硬件架构除增加一个稳定的高性能处理模块外，基本可以延续“软件星”有效载荷的硬件架构，但需要增强其处理能力。从某种角度上说，智能程度可等效为计算能力。其他方面能力的提升主要依靠软件架构的变化和升级。其框架如图3所示。

图3 自主软载荷示意图

融合了“软件星”有效载荷优点的自主软载荷具有以下特点：

①统一的硬件体系结构

自主软载荷基于软件无线电技术，采用模块化设计，由统一的硬件平台组成。不同的平台和承载能力，只影响载荷系统的规模，不改变其硬件体系结构。统一通用化的硬件体系结构为软件和功能的灵活性构建奠定了基础。

②开放的功能体系结构

自主软载荷特别强调功能的开放性，其顶层的管理软件具有高度的统一性，而底层的功能软件又具有丰富的多样性，必要时只需通过软件的加载即可完成功能的转变。当其受干扰时，既可以使用其认知能力主动与地面指挥站建立联系，又可以根据当时的情况发挥其自主能力进行一定功能或属性的转换。

③协同的网络体系结构

自主软载荷有很强的网络能力，多个平台的自主软载荷，可以根据需求，或独立、或分组，自主形成所需的功能簇进行协同工作。

3 构建面向超远程作战的空间综合信息系统的设想

这里所指的空间是广义的空间，不仅包括卡门线之外的外层空间，还包括临近空间，平台也不仅指卫星，还包括其他各种航天器，以及亚轨道和临近空间飞行器。

空间系统有全天候、不受国界影响等优势，各国都极力开发自己的空间信息系统，因此空间资源的非独占性也日趋增强。真到需要进行超远程作战的时候，各国均会动用举国资源，这样会使得空间资源更加紧张，环境更加复杂，尤其是空间的频谱资源和电磁环境。

空间综合信息系统不仅要为武器系统提供足够的情报支援、电子支援，在一定的时间、空域及频段内，对敌方目标实施干扰、阻塞、欺骗、摧毁等信息攻击，降低甚至阻止其信息系统实施信息获取、传输和接收的能力，削弱敌方应用信息的能力；必要时其本身也可变身为战术武器，利用高度、位置优势，快、准、狠地攻击空间和地面目标，配合战略武器完成超远程打击，形成协同作战的能力，构成一个完整的信息作战体系。

自主软载荷对构建面向超远程作战的空间综合信息系统具有较好的适应性。

首先，自主软载荷具有统一的、标准化的硬件架构，且硬件具有较强的可重构能力；同时它具有开放的软件体系架构，可以通过加载相应软件实现各种无线电功能，包括综合电子侦察功能、通信广播功能、数据中继功能、电子对抗功能、有源探测功能以及多平台组网实现导航功能等，这种多功能特性为作战提供了快速反应能力。

其次，基于自主软载荷的空间综合信息系统采用自适应频谱管理和分配、动态干扰检测、根据需求自动波形变化等技术，这种智能性可以有效对抗敌方干扰和对敌方实施欺骗等反干扰，在很大程度上提高了作战体系的安全性和可靠性。

最后，基于自主软载荷的空间综合信息系统可以根据需要，支持通过软件来改变平台和有效载荷的属性，如将自身变为动能武器，此时探测功能也变成了制导功能。这种属性可变的灵活性极大地提高了作战体系的效能。

4 结束语

本文分析了当前空间信息系统的不足以及远程打击所需的支持，在“软件星”有效载荷的基础上进行扩展，提出了自主软载荷的概念，并提出基于自主软载荷构建未来面向超远程打击的空间综合信息系统的初步设想。希望能对我国空间信息系统的建设提供有益的参考。

[1] 杨小牛.基于“软件星”的综合一体化空间信息系统[J].电子科学技术评论，2004，(4)：15～22.

[2] 杨小牛，楼才义，徐建良.“软件星”概念研究[J].电子对抗，2002，(1)：1～5.

[3] 杨小牛，楼才义，徐建良.软件无线电技术与应用[M].北京：北京理工大学出版社，2010.

[4] 陈宗基，魏金钟，王英勋，等.无人机自主控制等级及其系统结构研究[J].航空学报，2011，32(6)：1075～1083.

李少伟 1981年生，高级工程师，从事测控与通信系统方面的工作。

赵 良 1975年生，高级工程师，从事测控与通信系统方面的工作。

秦永强 1971年生，高级工程师，从事测控与通信系统方面的工作。

苏汉生 1983年生，工程师，从事测控与通信系统方面的工作。

Autonomous Software-defined Payload and Its Application in Space Integrated Information System

Li Shaowei， Zhao Liang， Qin Yongqiang， Su Hansheng

Based on the analysis of drawbacks of current space information systems and requirements of future long-range battle，the concept and principle of software-defined satellite and its payload are introduced in this paper.Furthermore the autonomous software-defined payload is presented.Beyond the discussion of the significance of space information system with multifunction and autonomous task payload to the long-range battle，an outlook of constructing a long-range battle oriented space integrated information system with autonomous software-defined payload is proposed in this paper.

Software-defined radio； Software-defined satellite； Autonomous software-defined payload； Space integrated information system

V44

A

CN11-1780(2014)01-0041-04

2013-05-06