巨型星座高效管理及智能應用關鍵技術研究

李宗凌 宋桂萍 汪路元 于登云

(1 北京理工大學 信息與電子學院，北京 100081)(2 北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)(3 中國航天科技集團有限公司，北京 100048)

萬顆規模以上衛星節點構成的巨型星座是天基系統未來發展方向，應用領域涵蓋通信、導航、遙感、深空探測等，擁有巨量傳感器、計算、存儲和通信等資源，可提供廣域時空覆蓋、精準特性感知、高效信息獲取和全域互聯互通等能力[1]。各國爭相開始大規模網絡化星座建設，掀起一股浪潮。

2018年4月，美國國防部先進研究項目(Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA)開始實施黑杰克(Blackjack)計劃，尋求研發具有較低尺寸、質量、功耗及成本特征的低軌軍事通信與監視衛星，包括低成本衛星有效載荷和商業化衛星平臺。為降低集成風險，Blackjack計劃將為每個航天器開發一個名為“賭場指揮官”(Pit Boss)的航天電子單元，實現星座自主管控，靈活快速地對信息進行收集、處理和分配，實現多源信息的處理、預測與分析。

2019年3月，美國防部成立太空發展局(Space Development Agency，SDA)，提出國防太空體系(National Defense Space Architecture，NDSA)七層架構，利用低軌大規模星座、人工智能、操作系統等先進技術構建“全域感知目指，云端智能服務”的天基網云體系[2]。

隨著大規模星座建設推進，大量航天器進入太空，星座節點的高效管理及智能應用非常急迫，成為業內研究熱點。本文圍繞巨型星座高效管理及智能應用需求，提煉巨型星座核心共性基礎功能，研究其中關鍵技術。通過操作系統這一技術手段，研制面向巨型星座復雜應用場景的巨型星座操作系統，作為上述巨型星座核心共性基礎功能的軟件載體，構建巨型星座的統一基礎軟件平臺和信息基座，有效支撐巨型星座高效建設及能力快速形成。

1 問題提出

近年來，以星鏈、一網為代表的大規模星座網絡已展開建設并初步形成能力[3]。截至2022年10月，SpaceX公司已累計發射3558顆星鏈衛星，具備全球通信能力。大規模星座的快速部署可以更好滿足我國發展經濟、服務大眾民生的需求，也是我國占據空間軌位和頻率資源的必然要求，已經上升為國家戰略，并被納入“新基建”。巨型星座資源管理、互聯互通、協同應用、自主運控和安全可信等作為巨型星座系統核心共性基礎功能及應用需求[4]，是實現巨型星座高效管理及智能應用的關鍵難點。

操作系統是管理硬件與軟件資源的基礎軟件，發展至今，精準匹配應用需求是發展的主流路線，新場景的出現都會催生出新的領域操作系統。因此，巨型星座場景必然會有相應的操作系統作為核心基礎設施支撐應用，發揮其體系效能。雖然全球大規模星座已開展建設，但是巨型星座操作系統研究還處于起步階段，基本采用在單星操作系統上改進或針對具體場景定制應用軟件的技術途徑，無法滿足巨型星座復雜場景下互聯互通、靈活組網、資源共享、軟件定義復雜應用、安全可信等全新應用需求。

當前星載操作系統主要分為單星操作系統及星座操作系統兩類。單星操作系統以輕量化、強實時、高可靠為基本需求，完成系統任務管理調度、任務間通信、內存管理等功能，支撐實現星務管理、平臺姿態和載荷控制等基礎功能，包含Vxworks、Linux、RTEMS、μC/OS-II、eCOS等典型操作系統[5]。星座操作系統在單星操作系統基礎上，需要具備星座節點管控、互聯互通、智能協同以及安全可信等增量功能[6]。美國SpaceX公司的星鏈衛星裝載了帶有自定義補丁和驅動程序的Linux操作系統，通過這種改進版分布式Linux實時操作系統與硬件交互，滿足衛星互聯網應用需求[7]。美國DARPA推出的Black-jack項目通過Pit Boss實現星座管理、節點互聯互通、智能協同以及信息安全等應用需求，其中的核心技術之一為智能操作系統[8]。

操作系統軟件在各類計算機應用中的核心地位，其設計已經得到國際學術界的廣泛重視，取得很大進展。但是，巨型星座場景下操作系統的研究總體來說仍然處于探索階段，尚面臨很多挑戰。對于巨型星座信息系統構建及應用，傳統面向具體場景通過星座管控組網、天基傳感器管理調度、星座天地一體測運控、星座信息安全、在軌多源數據智能解譯等“一事一議”定制改進的設計方法，沒有構建統一的基礎軟件平臺，難以形成有效的知識積累、軟硬件生態、標準化貨架產品以及提升巨型星座建設和應用效率。

2 關鍵技術及解決思路

針對巨型星座復雜應用場景，構建巨型星座信息基座——巨型星座操作系統，本文對巨型星座操作系統研制時涉及的體系架構、高效內核、融合組網、安全可信、生態體系等關鍵技術進行梳理分析，并提供初步的解決思路。

2.1 體系架構關鍵技術

架構定義涵蓋需求、層次結構、功能結構、層間接口、內核架構、協議架構、安全架構等內容，是實現巨型星座操作系統研制的核心基礎和難點。

采用系統工程、多級分層軟硬件抽象和接口標準化方法，對巨型星座系統進行建模，模型如圖1所示，主要包含海量硬件資源、操作系統內核、操作系統應用框架以及巨量應用軟件等層次架構。

注：SDK為軟件開發工具包；DSP為數字信號處理器；FPGA為現場可編程門陣列；SPARC為可擴充處理器架構；RISC-V為第五代精簡指令集計算架構；ARM為精簡指令集計算架構微處理器。圖1 巨型星座管理及應用模型Fig.1 Management and application model of mega-constellation

海量硬件資源主要由CPU、ARM、FPGA、DSP、XPU等處理器構成，各處理器間基于分布式軟總線，利用消息模式進行信息交互和任務協同，主要完成巨型星座系統中數據級處理。

內核主要完成海量硬件、軟件資源抽象管理和高效調度，包含系統軟件安全實時內核以及系統服務功能模塊。采用功能最小化設計原則，為上層運行的操作系統服務提供基礎抽象，但不實現具體提供給應用程序使用的功能，主要完成巨型星座系統中信息級處理。

應用框架是便于操作系統服務通信、導航、遙感等多類型空間任務設定，采用模塊化、定制化設計，具備規?？缮炜s和功能可裁剪特點，包含用戶分級服務、資源庫管理、知識庫管理、任務協同以及平臺運控等功能模塊，主要完成巨型星座系統中任務級處理。

應用軟件是操作系統通過軟件定義衛星功能的核心，通過不斷豐富、改進星載軟件和算法，將衛星平臺和有效載荷的功能盡可能地遷移到計算平臺之上，改用軟件實現。通過軟件和算法的快速迭代和演化，實現衛星產品的持續演進，主要完成巨型星座系統中服務級處理。

綜上，根據巨型星座核心共性基礎功能和后續持續演化需求，精細定義每個層次的功能，在不影響其他層次的前提下，根據技術的進步或需求的變化，自由地替換某一層次的具體實現方式，實現快速高效的功能重構和升級。

2.2 高效內核關鍵技術

內核是巨型星座操作系統的基礎，對下管控硬件，對上提供抽象，負責資源管理與任務調度。面向巨型星座復雜應用場景，巨型星座操作系統內核需要滿足輕量化、低時延及強容錯等需求。

面向不同的應用場景，操作系統種類很多、功能豐富各異，按內核結構主要分為宏內核結構操作系統、簡要結構操作系統、外核結構操作系統、微內核結構操作系統[9]。操作系統內核典型架構頻譜如圖2所示，架構詳細介紹如下。

圖2 操作系統內核典型架構頻譜Fig.2 Spectrum of typical architecture of operating system kernel

簡要結構操作系統：該結構將應用程序與操作系統運行在相同的特權級別和同一個地址空間中，主要面向不支持地址空間隔離或特權隔離等功能的嵌入式設備以及僅需要運行單個程序的簡單場景。這種結構的一個優勢是應用程序和操作系統之間的交互簡單且快速。但也正因如此，應用程序中的錯誤可能直接導致整個系統崩潰。該操作系統結構缺乏可持續演進能力，在面向異構星載硬件資源等方面擴展能力較差。

外核結構操作系統：外核結構通過將硬件抽象封裝到與應用程序直接鏈接的庫操作系統中，而庫操作系統是應用程序開發人員自主配置或者自行開發的。在運行時，庫操作系統和應用程序運行在同一個地址空間并運行在用戶態，外核不提供具體抽象而僅負責保證多個應用程序能夠安全且高效地共享硬件資源。但是，在面向復雜場景，庫操作系統將會變得非常復雜，甚至相當于一個完整的宏內核，從而喪失外核架構本身的優勢。

宏內核結構操作系統：整個操作系統都運行在內核態且屬于同一地址空間。操作系統中所有的模塊組件，如文件系統、網絡棧、硬件驅動、進程管理等，都運行在具有特權的內核態。宏內核結構操作系統的一個顯著優勢為擁有良好的生態。不過，宏內核結構操作系統架構缺乏系統隔離、在安全和可靠方面存在不足，難以使用形式化方法進行驗證。

微內核結構操作系統：微內核結構操作系統包括運行在內核態的微核和運行在用戶態的若干操作系統功能模塊，比如文件系統、網絡協議棧、硬件驅動等。微核本身代碼量很少，主要包括支撐上層系統服務運行、提供不同系統服務之間通信能力等必要機制；不同系統服務運行在用戶態及不同的地址空間中，彼此隔離。通過微核提供的通信能力進行交互協同，從而為應用程序提供服務。微內核結構操作系統的架構優勢在于擁有更好的容錯性和安全性，保證不同系統服務之間的隔離，即使某個系統服務出現故障或受到安全攻擊，也不會直接導致整個操作系統崩潰或被攻破。此外，微內核結構操作系統比較方便為不同場景定制不同的系統服務，從而更好適應不同應用需求。

綜上，圍繞巨型星座任務需求，選用全自主研發微內核結構操作系統的技術路線，在輕量化、可控時延、運行效率、可靠性、安全性、擴展性以及自主軟件生態構建等方面優勢明顯，滿足巨型星座復雜應用場景需求。

2.3 融合組網關鍵技術

節點間互聯互通、靈活組網是實現巨型星座高效管理及智能應用的基礎。巨型星座場景下，空間網絡具有網絡復雜、規模巨大、高動態拓撲、故障難以預測等特點，為網絡的實時性和可靠性帶來了挑戰[9]。因此，需要結合操作系統對整個網絡進行優化設計。

采用SDN(軟件定義網絡)作為基本技術路線，采用分級管控與分域管控兩大技術路線來實現。分級管控是提升網絡對單個網絡的可管控規模，分域管控則是將大網劃分為可相對獨立管控的小網，兩條路線結合，可以實現對萬顆規模以上衛星實時、高效、優化、魯棒的管控，如圖3所示。

圖3 高效網絡管控架構Fig.3 Efficient network management and control architecture

首先，分域管控是將萬顆規模以上衛星劃分為多個相對獨立的、較小的網絡域，對每個獨立的網絡域進行分而治之，不同網絡域之間內部信息互不干擾，只提供抽象層面的路由與協作接口，可以以指數級的速度降低衛星節點規模對于網絡整體管控的可擴展性壓力。

面向萬顆規模以上衛星節點的管控需求，衛星網絡基于星座功能和軌道特征兩種規則進行劃分。首先，將衛星網絡按照功能劃分為多個星座，如遙感星座、通信星座、氣象星座、導航星座等；基于上述劃分，針對規模比較大的星座進一步劃分為規模更小的網域，按照相對穩定的組網結構進行劃分，比如一個軌道面的衛星劃分為一個網域。一般情況下，一個網域的規模不超過200個節點。

其次，針對海量節點導致的軟件定義網絡(SDN)控制平面擴展性不足的問題，采用分布式多控制器協同控制衛星網絡。將地面控制器分為中心控制節點和分布式控制節點：中心控制節點由控制器集群構成，提供全網拓撲和路由轉發策略的統一獲取和管理，實現全局流量調度和網絡優化；分布式控制節點采用分布式部署，負責部分天基網絡節點的管控，處理不需要進行全局決策的網絡控制請求，能夠有效降低網絡操作的響應時延，避免不必要的長距離傳輸[10]。

綜上，構建巨型星座操作系統作為天基網絡組網、調度、控制及管理的核心，滿足天基網絡節點、路由轉發策略的高效協同管控。

2.4 安全可信關鍵技術

操作系統作為巨型星座的核心基礎設施，其可信與安全是空間數據資產安全的基礎。巨型星座的組網方式決定了其節點在空間領域呈現分布式的特點。因此，操作系統的技術架構亟需完成由集中式向分布式轉變。同時，考慮星上的實際處理能力，衛星節點間需要相互合作，保證在有效控制和管理自身計算、存儲及網絡資源的同時完成指定任務。

如圖4所示，操作系統采用一種基于分布式基礎架構和計算方式的區塊鏈技術，保證數據傳輸和訪問全鏈路安全的“云-邊-端”可信與安全架構。

圖4 “云-邊-端”分布式安全可信體系Fig.4 Cloud-edge-end distributed security and credibility system

根據巨型星座操作系統中不同節點所控制資源的不同和具體的功能需求[11]，對“云-邊-端”分布式協同可信與安全架構作出以下定義。

核心云節點：將控制關鍵存儲、計算和網絡資源的衛星作為核心云節點。核心云節點負責數據的全量存儲，記錄完整的區塊鏈賬本，提供核心共識機制和核心網絡的接入，并結合“數據鏈+日志鏈”的雙鏈結構，保障操作系統數據可信。

邊緣云節點：從核心云節點向邊緣擴展資源的衛星。邊緣云節點按需獲取核心云節點資源，并且僅緩存核心云分配的部分數據，采用基于區塊鏈的多副本機制保證拜占庭容錯下邊緣緩存數據之間的數據一致性，同時為終端提供低延時的訪問服務。

終端節點：單星節點、移動設備等終端設備。無需緩存完整數據，僅儲存重要的區塊頭等信息，收集環境中的數據，可以向邊緣云節點請求計算和網絡通信服務。

“云-邊-端”分布式協同可信與安全架構：根據衛星節點在外太空領域呈現分布式特點，結合區塊鏈技術構建“核心云-邊緣云-終端”的可信與安全架構，即“云-邊-端”分布式協同可信與安全架構，應用于操作系統中。核心云節點之間組網連通組成核心網絡，邊緣云節點可以和其他的邊緣網絡的節點進行跨邊緣網絡協作，二者通過橫向和縱向的協同融合為終端提供多樣計算和低延遲服務。

綜上，圍繞巨型星座多星協同、動態管控、攻擊防范等核心需求，基于區塊鏈技術構建去中心化、“云-邊-端”分布式協同可信與安全架構，形成巨型星座操作系統安全可信基座，運行保障巨型星座安全。

2.5 生態體系關鍵技術

開源已成為一種軟件科技創新的主流模式，包括人工智能、區塊鏈等前沿IT技術幾乎都通過開源模式得以快速發展，實現技術創新突破和產業生態發展。一方面，通過開源可以以更高的效率匯聚更多志同道合的“創客”，參與到新技術的革新和孕育之中，以尋求實現技術突破；另一方面，通過開源可以以更低的成本吸引更多的“新潮”用戶，參與到新產品的成熟和傳播之中，以尋求迅速從邊緣低端產品變成主流高端產品。

巨型星座操作系統是一個新場景、新領域，如何實現快速發展僅僅靠一家單位是難以實現快速突破，需要汲取大規模群體智慧的力量，將核心開發者、各類廠商、科研機構、志愿者等廣泛聯接起來，開展探索創新。

圍繞巨型星座操作系統的協同研發場景、測試和部署需求、應用構建特點等，構建一套面向通用領域的基礎平臺，需要突破適用于巨型星座操作系統大規模分布式協同研發需求的代碼協作、任務協作和文檔協作等技術，研究針對巨型星座操作系統持續演化需求的質量管理、持續集成、克隆檢測技術等，并在基礎平臺之上做進一步的定制化開發，構造針對巨型星座操作系統的開發與演化支撐環境。

綜上，通過巨型星座操作系統，促成星載硬件標準化、模塊化，滿足星載軟硬件標準化設計和硬件資源虛擬化管理；促成軟件構件化，提升軟件復用度和繼承性，減少二次開發，為形成軟件生態奠定基礎。

3 發展建議

以規模巨大、泛在物聯、組網協同、敏捷重構、智能自主、彈性健壯等為基本特征的巨型星座已成為構建新型天基能力的重要支撐，引起全球各國高度重視，并爭相開展大規模星座系統的建設。國外面向巨型星座場景的操作系統已開展研究，部分成果已走向工程應用。我國已開展大規模星座的論證或建設，而現有星載操作系統只能支撐單星應用，無法滿足巨型星座復雜應用場景的需求，應從以下幾方面加強研究。

3.1 強化巨型星座體系架構頂層設計和規劃

我國已開始建設部署衛星互聯網等大規模衛星星座，強化巨型星座體系架構頂層設計與規劃，提升巨型星座的高效管理與智能應用能力，支持巨型星座網絡化、云化、智能化以及用戶無感的高效運行，將促進巨型星座體系效能的整體性躍升。

調研我國現有和規劃的天基資源，并結合典型應用樣式，應用體系工程設計方法研究建立未來巨型星座資源應用需求與體系架構，優化體系結構、增強功能性能、強化綜合效能，實現需求到操作系統架構的映射連接，為我國自主開發巨型星座操作系統提供需求輸入。

3.2 打造巨型星座系統核心基礎設施和信息基座

操作系統作為巨型星座的核心基礎設施和信息基座，將星座的各節點資源進行虛擬化連接和融合，是實現巨型星座網絡化、云化和智能化的星上基礎軟件，負責支持大規模星座資源管理、互聯互通、自主運控和安全可信等核心基礎功能。

結合巨型星座任務需求，巨型星座操作系統采用自研微內核進行全自主研發的技術路線，滿足核心基礎設施必須自主可控、安全可信的國家戰略需求。而且，不需要背負Linux等成熟開源操作系統沉重的歷史包袱，在輕量化、可控時延、高可靠性、自主可控方面具有強優勢。與此同時，操作系統應用成功的關鍵在于建立完整的生態，自研操作系統將掌握構建生態的主動權，形成面向航天領域的自主可控開源軟件生態。

3.3 建立自主可控的航天軟件生態體系

現有星載操作系統主要基于行業成熟或開源操作系統進行功能定制開發，安全可信、自主可控等方面難以保障，且只支持單星數據管理或平臺控制等基礎功能，無法滿足巨型星座場景下全動態自主管控、互聯互通、靈活組網、資源共享、智能協同、軟件定義復雜應用等全新需求。

未來，通過巨型星座操作系統賦能，支撐實現巨型星座高效管理及智能應用，形成開放包容、自主可控的航天軟件生態體系、萬顆規模衛星的互聯互通和自主運控、千顆規模衛星任務即時協同、巨型星座全鏈路安全可信等新質能力，顯著提升我國航天裝備研制效率和天基系統體系效能。

4 結束語

本文提出了一種面向巨型星座復雜應用場景的操作系統構想，梳理了體系架構、高效內核、融合組網、安全可信、生態體系等關鍵技術，支持實現巨型星座高效管理及智能應用。既可作為單星基礎軟件，支持單節點資源高效管理和任務即時調度；也可作為巨型星座基礎軟件，支持海量硬件資源融合管理，形成云服務能力。

巨型星座操作系統向下管理和驅動海量異構感知、計算、存儲、網絡和安全等基礎硬件資源，即時聚合、關聯、調配、遷移軟硬件資源，管理任務；向上支持巨量航天App，為軟件賦能航天裝備提供統一、標準、安全、可靠的運行環境和接口，形成快速有彈性的軟件能力。通過即時聚合、關聯、調配和遷移軟硬件資源，完成任務高效協同，為新技術通過軟件定義的技術手段快速轉化為新戰力提供統一基礎軟件平臺。