資訊｜美國探索使用軟體定義地面站

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構建與學術的橋梁 拉近與權威的距離

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文章轉載自:電科小氙。版權歸原作者及刊載媒體所有，所刊載內容僅供交流參考使用，不代表本刊立場。

據C4ISRNET網站2020年10月21日報導，軟體定義有效載荷已經徹底改變了工業和政府實現衛星的方式。已經有廠商開始考慮軟體定義地面站了。Kratos公司，一家在構建衛星支持系統方面經驗豐富的五角大樓長期承包商，就於2020年10月20日，公布了其新的OpenSpace平臺——一個將軟體定義方法應用於地面站的虛擬產品系列。OpenSpace使用開放標準、基於雲的系統，可以根據任務需求不斷調整，而無需安裝新硬體。

五角大樓官員經常抱怨說，美國目前的衛星地面架構受到煙囪式定製專有地面系統的阻礙。美國防部表示，它計劃轉移到一種企業地面系統，但還沒有實現。

Kratos公司希望OpenSpace平臺至少能成為解決方案的一部分。因為該平臺是基於軟體的，因而衛星運營商不再需要使用定製硬體來連接和控制其在軌系統。相反，OpenSpace用軟體虛擬化了地面系統，使之可有效通過數字轉換器連接到任何天線。Kratos公司稱，這一平臺意義重大，因為它將解決許多全面挑戰航天工業的關鍵問題，特別是國防和政府界正在經歷的一些問題。

軟體定義有效載荷為航天工業開闢了新的可能性。以前，衛星被設計成相當靜態的工具，衛星一旦進入軌道，就幾乎不可能物理替換有效載荷硬體或重構軟體。這意味著發射的系統就是最後的系統，不管任務是否需要改變，或者是否想用軌道技術做些新事情。美國防部正在投資開發最終允許通過機器人太空飛行器物理訪問運行衛星的能力，但這仍在開發中。

當軍方建造衛星時，它建造衛星的預期就是，在太空飛行器的整個壽命期間，空間有效載荷將在很大程度上是靜態的。換句話說，它將完成其設計任務，而不能改做他用。

Kratos公司稱，美國目前的地面系統被困在2G類型技術中。系統是煙囪式的，是靜態的，是用定製硬體製造的，採用專用於特定衛星的特定軟體技術。無法讓他們在即將到來的新世界中發揮作用。

為每顆新衛星或星座建立一個新的定製地面系統不僅成本高，而且會限制靈活性。現有地面系統的衛星專用性質使得很難建立能夠便於跨系統安裝的第三方應用程式。此外，它還會限制運營商使用同一地面系統同時連接多個星座的能力。

然而，工業界創造了一個變通辦法：衛星可能在物理上無法訪問，但它們經常通過射頻信號與運營商通信。如果給定有效載荷功能在很大程度上被虛擬化（這意味著它們是軟體定義而不是硬體定義的），那麼運營商就可以通過簡單安裝新軟體來改變給定衛星的能力和任務。

因此，人們對構建軟體定義有效載荷越來越感興趣。事實上下一個GPS有效載荷就將是一個完全數位化的有效載荷。

藉助OpenSpace平臺，Kratos公司正在將軟體定義有效載荷的基本原理應用到衛星地面系統中，利用這種技術在太空飛行器進入軌道後對其進行指揮控制。地面系統是運營商用來提示、下載數據和監控衛星的。Kratos公司稱，其OpenSpace平臺是第一個動態軟體定義地面系統，它將把從空間層學到的經驗應用到地面層。

Kratos公司將該平臺與新5G網絡的底層架構進行了比較，稱：「我們使用OpenSpace所做的是，我們實際上從零開始使用一個全新平臺，該平臺基於網絡功能虛擬化（NFV）和軟體定義網絡（SDN）。」「我們採用了相同的基本前提，並將其應用於地面系統構建，將軟體定義衛星、多星座網絡和地面網絡相互連接。」OpenSpace的一個關鍵特性是儘可能靠近天線將射頻信號數位化，將數據流轉換成有效的大型乙太網。一旦將(射頻)信號轉移到數字域，就可以通過所謂的虛擬網絡功能在軟體中處理這些子信道，即帶寬。

該平臺採用典型的專用地面站硬體——分路器、信道化機、矩陣開關、調製器、解調器等——並在虛擬環境中重建它們。一旦射頻數據被數位化，就可以通過所有這些虛擬工具進行處理。

這樣做的結果是，該軟體可以在任何地方運行，它不一定位於天線處。運營商可以在雲中或加密數據中心運行這一解決方案。這也意味著任何使用OpenSpace的地面站都可以針對不同用途進行快速調整。例如，以一個需要與衛星交互的操作員為例。通過使用開源的地面站，這個人可以將其自己的軟體定義解決方案加載到系統中，與衛星連接，下載任何數據，並提示太空飛行器進行下一步任務。一旦衛星從視野中消失，第二個操作員可以接管地面站，加載一個完全不同的軟體定義解決方案，並在衛星過頂時與衛星交互。這種情況下，兩個用戶都能夠使用一個地面站與他們自己獨特的衛星通信。

在另一個例子中，第一個用戶準備使用一個地面站與一顆過頂衛星交互，但是惡劣天氣中斷了這一過程。用戶只需找到衛星軌跡上的下一個可用地面站，虛擬加載軟體，然後從那裡訪問衛星，而不是等待衛星再次從頭頂飛過。

OpenSpace平臺顯然很有商業意義。事實上，微軟公司在2020年10月20日宣布，它將使用OpenSpace作為其Azure Orbital地面站即服務的一部分。

Azure Orbital是微軟公司針對亞馬遜公司網絡服務地面站模式的回應，該模式允許客戶通過在亞馬遜的地面站和AWS平臺上租用時間來訪問其衛星。這種商業模式可能會吸引那些希望裝備小型衛星但又不想建造大規模、成本高昂的地面系統的小型公司。

但是像OpenSpace這樣的產品可能會在軍事航天界引起更大轟動，尤其是在衛星通信方面。在2020年早些時候發布的一份聲明中，美國太空軍提出了「戰鬥衛星通信」（Fighting SATCOM）概念。該軍種設想讓作戰人員能夠在衛星通信提供商之間漫遊，以確保即使一個提供商阻塞或不可用，部隊也能保持連接。這種流動性要求軍方在傳統的衛星通信方式上做出一些重大改變。

Kratos公司稱，美國政府正在尋找的一個非常具體的東西是能夠為他們的受保護通信系統創建一個開放的企業級架構。

低地球軌道和中地球軌道星座的激增，為美國當前的地球同步空間通信環境中增加了通信選項、韌性和能力，這種地面架構對於達成美國國防目標非常關鍵。

目前，美軍在星座間漫遊以避免幹擾的能力受到其煙囪式系統的阻礙。因為OpenSpace平臺可以利用任何射頻天線，將信號數位化，並在軟體中處理數據，所以運營商可以針對多個星座使用同一個地面站。Kratos公司希望其系統能夠成為「戰鬥衛星通信」（Fighting SATCOM）概念的地面解決方案。

目前，美國政府在國防方面非常依賴其自己的天線和自己的硬體，這些硬體是為其通信基礎設施和衛星指揮控制環境部署的。其中一個原因是，目前戰場中的硬體是受保護的硬體：它可能有專門的波形，可能有專門的組件，甚至可能有專門的加密基礎設施。這限制了軍方只能使用某些特定通信孔徑。一旦轉移到這一動態環境，即Kratos公司所稱的OpenSpace環境，美軍就可為其系統使用任何商業或軍事天線基礎設施，並根據需要動態配置。結合將受保護硬體移出現場並將其放入受控雲環境的能力，美軍將有能力創建國防部正在尋找的韌性環境。

Kratos公司稱，該公司正在為幾個美國防部pLEO空間段團隊提供衛星地面系統工程支持。此外，該公司指出，隨著這些機會的成熟，它將投標pLEO系統上的OpenSpace和「企業地面服務」（Enterprise Ground Services）能力。

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