国防军工行业动态报告——软件定义卫星：AI+航天新突破

仅供机构投资者使用证券研究报告|行业动态报告 2024年01月02日 软件定义卫星：AI+航天新突破 评级及分析师信息 行业评级：推荐行业走势图 12% 7%1% -4%-9% -14% 2022/122023/032023/062023/092023/1 国防军工沪深300 分析师：陆洲邮箱：luzhou@hx168.com.cnSACNO：S1120520110001研究助理：林熹邮箱：linxi2@hx168.com.cn 国防军工 ►软件定义卫星：硬件标准化、功能软件化 软件定义卫星是指以计算为中心，以软件为手段，通过软件定义无线电、软件定义载荷、软件定义数据处理计算机、软件定义网络等手段，将传统上由分系统实现的通信、载荷等功能以软件方式实现，总体上将各类敏感器和执行机构通过软件连接为一个整体，最终实现大部分卫星功能的软件化。将应用任务与卫星硬件设计解耦，便于通过软件实现卫星功能的在轨重构，支持应用软件按需加载，因此卫星可以在不同空间、不同时间扮演不同角色，为不同用户服务。 ►软件定义是卫星智能化的关键，是大势所趋 软件定义方式助力卫星实现在轨计算、自主决策、任务规划等功能，并有效降低研发成本、缩短研发周期：1）将智能计算平台集成在卫星/火箭上成为"大脑"，便可承载姿态控制、星座管理、任务调度、图像处理等各类APP。2）通过软件最大化、硬件最小化，有助于降低卫星的研发成本、缩短其研发周期。软件易于迭代和复用，通过更改、优化软件即可满足多种多样的应用场景和需求。3）更多的工作直接在太空中完成，在星上就可以对数据进行及时识别和处理，而不是回到地面中心，这大幅提高了效率，减少了低效的星地数据传输，直接向地面提供加工后的业务数据。4）软件定义卫星是适应未来多域智能网联、装备体系化应用的新理念，以满足应对突发事件的快速响应和分布式多域协同作战需求。 ►欧美纷纷布局软件定义卫星，启动商业航天新纪元 欧洲于2021年发射世界首颗完全软件定义卫星“量子”卫星，具备改变卫星覆盖范围、频段、功率和带宽的能力，从而响应服务需求变化。据欧洲空间局官网2022年公告，“量子”卫星用于数据和移动通信的八个波束中的六个已出售给包括政府和其他用户在内的组织。 洛马公司推出最新智能卫星软件定义架构，将低轨卫星与预警卫星连接，使高超声速武器跟踪、导弹防御系统和太空信息中继融为一体。该技术不仅限于洛马公司新发射的卫星，该公司5年前交付的在轨卫星也能实现在轨任务调整。 SpaceX充分利用软件定义技术的优势，实现了高速卫星互联网星座Starlink、可靠的商业载人龙飞船、经济高效的一箭60星与可回收火箭技术等。据网易科技报道，SpaceX软件工程师曾于2020年表示，当时SpaceX每月向太空发射60颗“星链”互联网卫星，每批卫星都携带有4000台精简版Linux电脑。据悉，载人 龙飞船运行的也是Linux系统，SpaceX自行开发能与自家硬件交互的定制驱动程序，从而形成一个分布式计算机系统。 ►国内软件星发射成功，居国际一流水平 国内杨小牛院士最早于2002年提出“软件星”概念，致力于发展一种能够将通信、侦查、干扰融为一体多功能卫星。2014年开始，中科院软件所牵头组织上海微小卫星工程中心、中科院西光所、光电院、航天科技集团771所等单位开展了软件定义卫星技术的研究工作。2018年发射“天智一号”，目前已成功开展星箭分离成像、自主请求式测控、空间目标成像等10多项试验，涉及智能测运控、智能信息处理等不同领域。如通过云检测软件，“天智1号”卫星可剔除云层遮挡的无效图像，数据下传效率提高72%。天智超算系统型谱验证样机于2022年升空，单机在轨计算性能提升了4倍，达到国际先进水平。“天智二号”D星于2023 年1月发射，仅重19公斤，星载算力却高达每秒40万亿次，可支持星上超分，实现米级对地分辨率。 此外，软件定义卫星技术联盟于2022年发布64800颗虚拟卫星的共享星座共建计划，将承载数以百万计的应用软件。据澎湃网，软件定义卫星技术联盟秘书长表示，按每颗虚拟卫星平均每天可以获得1万元的订单计算，则总的订单规模将高达2365.2亿元。考虑到全球有14.2亿辆汽车、3409万艘航船、56.4万架飞机，还有30亿人没有接入互联网，如果这些人、车、船、飞机都 能成为虚拟卫星的用户，按每天每人每车每船每飞机收1元服务 费，其总收益将高达1.6万亿元。 ►投资建议 目前，软件定义卫星仍处于初期验证阶段，国内主要由中科院软件所牵头，体制内院所及民营企业共同参与研制。但算法优先的卫星系统设计理念已是大势所趋，发展在轨数据处理、自主规划、协同组网等智能算法至关重要。未来在空天地一体化信息网络建设需求下，卫星将持续朝着软件化、智能化方向演化，人工智能技术将在其中发挥重要作用。AI+航天的融合和探索将持续创造新可能，进而推动卫星产业链的加速发展。 卫星产业链主要受益标的：普天科技、天奥电子、臻镭科技、铖昌科技等。 ►风险提示 研制进度不及预期等。 正文目录 1.软件定义是卫星智能化的关键，是大势所趋4 1.1.软件定义卫星：硬件标准化、功能软件化4 1.2.算法优先时代来临，软件定义卫星技术应运而生5 1.3.系统架构是软件定义卫星技术的基石，智能应用是其灵魂7 2.欧美纷纷布局软件定义卫星，启动商业航天新纪元8 2.1.欧洲发射首颗完全软件定义卫星，打通商业化路径8 2.2.洛马最新架构连接武器跟踪、导弹防御与太空信息中继9 2.3.SpaceX充分利用软件定义技术，加速迭代优化生态10 3.国内软件星发射成功，天基智能再进一步11 3.1.“天智卫星工程”启动，国内软件星研制居国际一流水平11 3.2.64800颗虚拟卫星共享共建计划发布，天基智能再进一步13 4.投资建议14 5.风险提示14 图表目录 图1软件定义卫星典型特征4 图2以开放操作系统为核心，实现卫星软件化、功能化5 图3卫星平台/载荷优先向算法优先演进概念6 图4软件定义卫星发展主要目标7 图5软件定义卫星技术的主要研究内容7 图6软件定义卫星系统架构7 图7首颗“量子”卫星于2021年12月成功发射9 图8“量子”卫星制造过程9 图9洛马公司SmartSat软件定义系统架构应用示意图10 图10星链卫星发射总数达到5592颗，在轨数量达到4835颗10 图11研制中的“天智一号”卫星11 图12“天智一号”发射图11 图13天智一号“云检测软件”使数据下传效率提高72%12 图14天智一号卫星自主请求式管控在轨试验获得成功12 图15软件定义卫星的概念模型CACAS12 图16天智星云开放式试验环境12 图17“天智二号”D星发射前在地面进行相关测试13 图18包括“天智二号”D星在内的“一箭十四星”与2023年1月成功发射升空13 图19将地表上空划分为64800个网格，每个网格中布设一颗全能的虚拟卫星13 图20共享星座带来的产业新生态14 图21共享星座系统结构14 表1典型载荷优先的卫星示例6 1.软件定义是卫星智能化的关键，是大势所趋 1.1.软件定义卫星：硬件标准化、功能软件化 软件定义卫星是一种以天基超算为基础的开放架构的智能卫星系统，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。软件定义卫星是指以计算为中心，以软件为手段，通过软件定义无线电、软件定义载荷、软件定义数据处理计算机、软件定义网络等手段，将传统上由分系统实现的通信、载荷等功能以软件方式实现，总体上将各类敏感器和执行机构通过软件连接为一个整体，最终实现大部分卫星功能的软件化。将应用任务与卫星硬件设计解耦，便于通过软件实现卫星功能的在轨重构，支持应用软件按需加载，因此卫星可以在不同空间、不同时间扮演不同角色，为不同用户服务。 软件定义的核心在于硬件资源标准化和功能服务软件化。软件定义赋能硬件，硬件作为标准件服务于软件。从信息技术领域的上层应用下沉到更底层的计算基础设施，通过改造基础架构，用软件定义硬件，硬件服务于软件。开放的架构将硬件视为标准的中间件，则可以低成本支持各类载荷的即插即用。在生产制造环节，同样的架构和生产线，核心处理硬件不变，光学卫星、SAR卫星、导航卫星、辐射探测卫星，装卫星和组装台式机没有区别。这一技术思想正在推动卫星系统从平台优先向载荷优先转变，进而向算法优先演进，软件定义技术将成为未来卫星技术发展的重要驱动力。 图1软件定义卫星典型特征 开放卫星应用平台，提供定制卫星功能。软件定义卫星借鉴智能手机的研制开发模式，可以理解为，开发一个适用于卫星的类Android操作系统，构建软件定义卫星生态环境，通过该环境可以最大化地吸引各类开发人员、吸收不断更新的各类优秀开源软件，为软件定义卫星体系结构中的各层次、各模块提供自发展、自完善的机制。通过构建软件定义卫星开发工具链，可方便各类开发人员对相关软件进行编码、调试、测试、安装及部署等。在此基础上，建立航天应用App商店，向各类客户提供卫星应用App定制服务平台，方便客户根据自身需要购买或定制特定卫星功能的App应用，从而建立完善的软件定义卫星生态环境体系。 图2以开放操作系统为核心，实现卫星软件化、功能化 软件定义方式助力卫星实现在轨计算、自主决策、任务规划等功能，并有效降低研发成本、缩短研发周期：1）将智能计算平台集成在卫星/火箭上成为"大脑"，便可承载姿态控制、星座管理、任务调度、图像处理等各类APP。2）通过软件最大化、硬件最小化，有助于降低卫星的研发成本、缩短其研发周期。软件易于迭代和复用，通过更改、优化软件即可满足多种多样的应用场景和需求。3）更多的工作直接在太空中完成，在星上就可以对数据进行及时识别和处理，而不是回到地面中心，这大幅提高了效率，减少了低效的星地数据传输，直接向地面提供加工后的业务数据。4）软件定义卫星是适应未来多域智能网联、装备体系化应用的新理念，以满足应对突发事件的快速响应和分布式多域协同作战需求。 1.2.算法优先时代来临，软件定义卫星技术应运而生 卫星系统的研制经历了平台优先、载荷优先和算法优先三大阶段。根据《软件定义卫星技术概念及发展》，当前，以美国为代表的航天大国已经实现载荷优先，正在逐渐向算法优先阶段演进。而中国仍处于平台优先向载荷优先的过渡阶段，并在算法优先方面做了一些初步探索。 在平台优先阶段，卫星平台是整个卫星系统的首要约束条件。早期，卫星平台在整个卫星系统的研制成本中占据绝大比例，其承重、供电等能力也是有效载荷设计的重要约束。而有效载荷、业务软件等都需要适配现有的平台能力，必要时还需进行功能降级或约简。根据《《软件定义卫星技术概念及发展》，经过多年的应用验证，各大厂商均形成了谱系化产品，以满足不同的载荷质量与功率需求。 载荷优先的研制方式能使卫星实现特定功能，但无法在轨复用，灵活性较差。随着对地观测、通信保障等任务在分辨率、幅宽、大容量、低时延等方面的需求不断提升，极大促使了星上合成孔径雷达天线、相控阵天线及可展开光学成像系统等载荷的快速发展。而现有谱系化平台在尺寸、功耗等方面越来越难以满足需求，在发展新体制卫星平台的同时，围绕特定载荷制造卫星成为了主要发展趋势，卫星系统迎来载荷优先阶段。在载荷优先阶段，关键载荷成为整个卫星系统设计的首要约束条件，卫星平台在必要时可以根据载荷需求进行改造，甚至为其重新定制平台，平台软件也需要适配该载荷。此外，关键载荷通常采用硬件和软件一体化设计，软件以载荷的固件形式存在，灵活性较差，多个载荷之间也相对独立，载荷数据无法在轨复用，这些都限制了硬件效能的充分发挥。 表1典型载荷优先的卫星示例 卫星 主要载荷 发射时间 哈勃空间望远镜 口径2.4m、长度16m的主反射镜 1990-04-24 詹姆斯韦伯太空望远镜 载荷质量6.2t、口径6.5m的主反射镜 2021-12-25 NROL-44 电子侦察载荷直径超100m、展开面积超数千