巨型星座高效管理及智能应用关键技术研究_李宗凌.pdf

书书书第 卷第期 年月航天器工程 巨型星座高效管理及智能应用关键技术研究李宗凌，宋桂萍汪路元于登云（北京理工大学 信息与电子学院，北京 ）（北京空间飞行器总体设计部，北京 ）（中国航天科技集团有限公司，北京 ）摘要针对未来万颗规模巨型星座资源管理、互联互通、即时协同、自主运控和安全可信等共性基础功能需求，提出一种基于操作系统实现上述功能需求和构建巨型星座信息基座的技术方法，满足天基系统前向兼容和持续扩展需求。通过研究体系架构、高效内核、融合组网、安全可信、生态体系等巨型星座高效管理及智能应用关键技术，为构建面向巨型星座复杂应用场景的统一基础软件平台巨型星座操作系统提供解决思路以及发展建议，将支撑我国卫星互联网等大规模星座高效建设及能力快速形成。关键词巨型星座；高效管理；智能应用；操作系统中图分类号：文献标志码：，（，）（，）（，）：，：；收稿日期：；修回日期：基金项目：国家自然科学基金（；）作者简介：李宗凌，男，博士研究生，研究员，研究方向为图像目标检测识别、星载计算机设计、高速雷达信号处理等。：。万颗规模以上卫星节点构成的巨型星座是天基系统未来发展方向，应用领域涵盖通信、导航、遥感、深空探测等，拥有巨量传感器、计算、存储和通信等资源，可提供广域时空覆盖、精准特性感知、高效信息获取和全域互联互通等能力。各国争相开始大规模网络化星座建设，掀起一股浪潮。年 月，美 国 国 防 部 先 进 研 究 项 目（，）开始实施黑杰克（）计划，寻求研发具有较低尺寸、质量、功耗及成本特征的低轨军事通信与监视卫星，包括低成本卫星有效载荷和商业化卫星平台。为降低集成风险，计划将为每个航天器开发一个名为“赌场指挥官”（）的航天电子单元，实现星座自主管控，灵活快速地对信息进行收集、处理和分配，实现多源信息的处理、预测与分析。年月，美国防部成立太空发展局（，），提 出 国 防 太 空 体 系（，）七层架构，利用低轨大规模星座、人工智能、操作系统等先进技术构建“全域感知目指，云端智能服务”的天基网云体系。随着大规模星座建设推进，大量航天器进入太空，星座节点的高效管理及智能应用非常急迫，成为业内研究热点。本文围绕巨型星座高效管理及智能应用需求，提炼巨型星座核心共性基础功能，研究其中关键技术。通过操作系统这一技术手段，研制面向巨型星座复杂应用场景的巨型星座操作系统，作为上述巨型星座核心共性基础功能的软件载体，构建巨型星座的统一基础软件平台和信息基座，有效支撑巨型星座高效建设及能力快速形成。问题提出近年来，以星链、一网为代表的大规模星座网络已展开建设并初步形成能力。截至 年 月，公司已累计发射 颗星链卫星，具备全球通信能力。大规模星座的快速部署可以更好满足我国发展经济、服务大众民生的需求，也是我国占据空间轨位和频率资源的必然要求，已经上升为国家战略，并被纳入“新基建”。巨型星座资源管理、互联互通、协同应用、自主运控和安全可信等作为巨型星座系统核心共性基础功能及应用需求，是实现巨型星座高效管理及智能应用的关键难点。操作系统是管理硬件与软件资源的基础软件，发展至今，精准匹配应用需求是发展的主流路线，新场景的出现都会催生出新的领域操作系统。因此，巨型星座场景必然会有相应的操作系统作为核心基础设施支撑应用，发挥其体系效能。虽然全球大规模星座已开展建设，但是巨型星座操作系统研究还处于起步阶段，基本采用在单星操作系统上改进或针对具体场景定制应用软件的技术途径，无法满足巨型星座复杂场景下互联互通、灵活组网、资源共享、软件定义复杂应用、安全可信等全新应用需求。当前星载操作系统主要分为单星操作系统及星座操作系统两类。单星操作系统以轻量化、强实时、高可靠为基本需求，完成系统任务管理调度、任务间通信、内存管理等功能，支撑实现星务管理、平台姿态和载荷控制等基础功能，包含 、等典型操作系统。星座操作系统在单星操作系统基础上，需要具备星座节点管控、互联互通、智能协同以及安全可信等增量功能。美国 公司的星链卫星装载了带有自定义补丁和驱动程序的 操作系统，通过这种改进版分布式 实时操作系统与硬件交互，满足卫星互联网应用需求。美国 推出的 项目通过 实现星座管理、节点互联互通、智能协同以及信息安全等应用需求，其中的核心技术之一为智能操作系统。操作系统软件在各类计算机应用中的核心地位，其设计已经得到国际学术界的广泛重视，取得很大进展。但是，巨型星座场景下操作系统的研究总体来说仍然处于探索阶段，尚面临很多挑战。对于巨型星座信息系统构建及应用，传统面向具体场景通过星座管控组网、天基传感器管理调度、星座天地一体测运控、星座信息安全、在轨多源数据智能解译等“一事一议”定制改进的设计方法，没有构建统一的基础软件平台，难以形成有效的知识积累、软硬件生态、标准化货架产品以及提升巨型星座建设和应用效率。关键技术及解决思路针对巨型星座复杂应用场景，构建巨型星座信息基座 巨型星座操作系统，本文对巨型星座操作系统研制时涉及的体系架构、高效内核、融合组网、安全可信、生态体系等关键技术进行梳理分析，并提供初步的解决思路。航天器工程 卷 体系架构关键技术架构定义涵盖需求、层次结构、功能结构、层间接口、内核架构、协议架构、安全架构等内容，是实现巨型星座操作系统研制的核心基础和难点。采用系统工程、多级分层软硬件抽象和接口标准化方法，对巨型星座系统进行建模，模型如图所示，主要包含海量硬件资源、操作系统内核、操作系统应用框架以及巨量应用软件等层次架构。注：为软件开发工具包；为数字信号处理器；为现场可编程门阵列；为可扩充处理器架构；为第五代精简指令集计算架构；为精简指令集计算架构微处理器。图巨型星座管理及应用模型 海 量 硬 件 资 源 主 要 由 、等处理器构成，各处理器间基于分布式软总线，利用消息模式进行信息交互和任务协同，主要完成巨型星座系统中数据级处理。内核主要完成海量硬件、软件资源抽象管理和高效调度，包含系统软件安全实时内核以及系统服务功能模块。采用功能最小化设计原则，为上层运行的操作系统服务提供基础抽象，但不实现具体提供给应用程序使用的功能，主要完成巨型星座系统中信息级处理。应用框架是便于操作系统服务通信、导航、遥感等多类型空间任务设定，采用模块化、定制化设计，具备规模可伸缩和功能可裁剪特点，包含用户分级服务、资源库管理、知识库管理、任务协同以及平台运控等功能模块，主要完成巨型星座系统中任务级处理。应用软件是操作系统通过软件定义卫星功能的核心，通过不断丰富、改进星载软件和算法，将卫星平台和有效载荷的功能尽可能地迁移到计算平台之上，改用软件实现。通过软件和算法的快速迭代和演化，实现卫星产品的持续演进，主要完成巨型星座系统中服务级处理。综上，根据巨型星座核心共性基础功能和后续持续演化需求，精细定义每个层次的功能，在不影响其他层次的前提下，根据技术的进步或需求的变化，自由地替换某一层次的具体实现方式，实现快速高效的功能重构和升级。高效内核关键技术内核是巨型星座操作系统的基础，对下管控硬件，对上提供抽象，负责资源管理与任务调度。面向巨型星座复杂应用场景，巨型星座操作系统内核需要满足轻量化、低时延及强容错等需求。面向不同的应用场景，操作系统种类很多、功能丰富各异，按内核结构主要分为宏内核结构操作系统、简要结构操作系统、外核结构操作系统、微内核结构操作系统。操作系统内核典型架构频谱如图所示，架构详细介绍如下。简要结构操作系统：该结构将应用程序与操作系统运行在相同的特权级别和同一个地址空间中，第期李宗凌 等：巨型星座高效管理及智能应用关键技术研究主要面向不支持地址空间隔离或特权隔离等功能的嵌入式设备以及仅需要运行单个程序的简单场景。这种结构的一个优势是应用程序和操作系统之间的交互简单且快速。但也正因如此，应用程序中的错误可能直接导致整个系统崩溃。该操作系统结构缺乏可持续演进能力，在面向异构星载硬件资源等方面扩展能力较差。外核结构操作系统：外核结构通过将硬件抽象封装到与应用程序直接链接的库操作系统中，而库操作系统是应用程序开发人员自主配置或者自行开发的。在运行时，库操作系统和应用程序运行在同一个地址空间并运行在用户态，外核不提供具体抽象而仅负责保证多个应用程序能够安全且高效地共享硬件资源。但是，在面向复杂场景，库操作系统将会变得非常复杂，甚至相当于一个完整的宏内核，从而丧失外核架构本身的优势。图操作系统内核典型架构频谱 宏内核结构操作系统：整个操作系统都运行在内核态且属于同一地址空间。操作系统中所有的模块组件，如文件系统、网络栈、硬件驱动、进程管理等，都运行在具有特权的内核态。宏内核结构操作系统的一个显著优势为拥有良好的生态。不过，宏内核结构操作系统架构缺乏系统隔离、在安全和可靠方面存在不足，难以使用形式化方法进行验证。微内核结构操作系统：微内核结构操作系统包括运行在内核态的微核和运行在用户态的若干操作系统功能模块，比如文件系统、网络协议栈、硬件驱动等。微核本身代码量很少，主要包括支撑上层系统服务运行、提供不同系统服务之间通信能力等必要机制；不同系统服务运行在用户态及不同的地址空间中，彼此隔离。通过微核提供的通信能力进行交互协同，从而为应用程序提供服务。微内核结构操作系统的架构优势在于拥有更好的容错性和安全性，保证不同系统服务之间的隔离，即使某个系统服务出现故障或受到安全攻击，也不会直接导致整个操作系统崩溃或被攻破。此外，微内核结构操作系统比较方便为不同场景定制不同的系统服务，从而更好适应不同应用需求。综上，围绕巨型星座任务需求，选用全自主研发微内核结构操作系统的技术路线，在轻量化、可控时延、运行效率、可靠性、安全性、扩展性以及自主软件生态构建等方面优势明显，满足巨型星座复杂应用场景需求。融合组网关键技术节点间互联互通、灵活组网是实现巨型星座高效管理及智能应用的基础。巨型星座场景下，空间网络具有网络复杂、规模巨大、高动态拓扑、故障难以预测等特点，为网络的实时性和可靠性带来了挑战。因此，需要结合操作系统对整个网络进行优化设计。采用 （软件定义网络）作为基本技术路线，采用分级管控与分域管控两大技术路线来实现。分级管控是提升网络对单个网络的可管控规模，分域管控则是将大网划分为可相对独立管控的小网，两条路线结合，可以实现对万颗规模以上卫星实时、高效、优化、鲁棒的管控，如图所示。图高效网络管控架构 首先，分域管控是将万颗规模以上卫星划分为多个相对独立的、较小的网络域，对每个独立的网络域进行分而治之，不同网络域之间内部信息互不干扰，只提供抽象层面的路由与协作接口，可以以指数级的速度降低卫星节点规模对于网络整体管控的可航天器工程 卷扩展性压力。面向万颗规模以上卫星节点的管控需求，卫星网络基于星座功能和轨道特征两种规则进行划分。首先，将卫星网络按照功能划分为多个星座，如遥感星座、通信星座、气象星座、导航星座等；基于上述划分，针对规模比较大的星座进一步划分为规模更小的网域，按照相对稳定的组网结构进行划分，比如一个轨道面的卫星划分为一个网域。一般情况下，一个网域的规模不超过 个节点。其次，针对海量节点导致的软件定义网络（）控制平面扩展性不足的问题，采用分布式多控制器协同控制卫星网络。将地面控制器分为中心控制节点和分布式控制节点：中心控制节点由控制器集群构成，提供全网拓扑和路由转发策略的统一获取和管理，实现全局流量调度和网络优化；分布式控制节点采用分布式部署，负责部分天基网络节点的管控，处理不需要进行全局决策的网络控制请求，能够有效降低网络操作的响应时延，避免不必要的长距离传输。综上，构建巨型星座操作系统作为天基网络组网、调度、控制及管理的核心，满足天基网络节点、路由转发策略的高效协同管控。安全可信关键技术操作系统作为巨型星座的核心基础设施，其可信与安全是空间数据资产安全的基础。巨型星座的组网方式决定了其节点在空间领域呈现分布式的特点。因此，操作系统的技术架构亟需完成由集中式向分布式转变。同时，考虑星上的实际处理能力，卫星节点间需要相互合作，保证在有效控制和管理自身计算、存储及网络资源的同时完成指定任务。如图所示，操作系统采用一种基于分布式基