巨型星座高效管理及智能應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)研究

李宗凌 宋桂萍 汪路元 于登云

(1 北京理工大學(xué) 信息與電子學(xué)院，北京 100081)(2 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)(3 中國航天科技集團(tuán)有限公司，北京 100048)

萬顆規(guī)模以上衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的巨型星座是天基系統(tǒng)未來發(fā)展方向，應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋通信、導(dǎo)航、遙感、深空探測等，擁有巨量傳感器、計(jì)算、存儲和通信等資源，可提供廣域時(shí)空覆蓋、精準(zhǔn)特性感知、高效信息獲取和全域互聯(lián)互通等能力[1]。各國爭相開始大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)化星座建設(shè)，掀起一股浪潮。

2018年4月，美國國防部先進(jìn)研究項(xiàng)目(Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA)開始實(shí)施黑杰克(Blackjack)計(jì)劃，尋求研發(fā)具有較低尺寸、質(zhì)量、功耗及成本特征的低軌軍事通信與監(jiān)視衛(wèi)星，包括低成本衛(wèi)星有效載荷和商業(yè)化衛(wèi)星平臺。為降低集成風(fēng)險(xiǎn)，Blackjack計(jì)劃將為每個(gè)航天器開發(fā)一個(gè)名為“賭場指揮官”(Pit Boss)的航天電子單元，實(shí)現(xiàn)星座自主管控，靈活快速地對信息進(jìn)行收集、處理和分配，實(shí)現(xiàn)多源信息的處理、預(yù)測與分析。

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

隨著大規(guī)模星座建設(shè)推進(jìn)，大量航天器進(jìn)入太空，星座節(jié)點(diǎn)的高效管理及智能應(yīng)用非常急迫，成為業(yè)內(nèi)研究熱點(diǎn)。本文圍繞巨型星座高效管理及智能應(yīng)用需求，提煉巨型星座核心共性基礎(chǔ)功能，研究其中關(guān)鍵技術(shù)。通過操作系統(tǒng)這一技術(shù)手段，研制面向巨型星座復(fù)雜應(yīng)用場景的巨型星座操作系統(tǒng)，作為上述巨型星座核心共性基礎(chǔ)功能的軟件載體，構(gòu)建巨型星座的統(tǒng)一基礎(chǔ)軟件平臺和信息基座，有效支撐巨型星座高效建設(shè)及能力快速形成。

1 問題提出

近年來，以星鏈、一網(wǎng)為代表的大規(guī)模星座網(wǎng)絡(luò)已展開建設(shè)并初步形成能力[3]。截至2022年10月，SpaceX公司已累計(jì)發(fā)射3558顆星鏈衛(wèi)星，具備全球通信能力。大規(guī)模星座的快速部署可以更好滿足我國發(fā)展經(jīng)濟(jì)、服務(wù)大眾民生的需求，也是我國占據(jù)空間軌位和頻率資源的必然要求，已經(jīng)上升為國家戰(zhàn)略，并被納入“新基建”。巨型星座資源管理、互聯(lián)互通、協(xié)同應(yīng)用、自主運(yùn)控和安全可信等作為巨型星座系統(tǒng)核心共性基礎(chǔ)功能及應(yīng)用需求[4]，是實(shí)現(xiàn)巨型星座高效管理及智能應(yīng)用的關(guān)鍵難點(diǎn)。

操作系統(tǒng)是管理硬件與軟件資源的基礎(chǔ)軟件，發(fā)展至今，精準(zhǔn)匹配應(yīng)用需求是發(fā)展的主流路線，新場景的出現(xiàn)都會催生出新的領(lǐng)域操作系統(tǒng)。因此，巨型星座場景必然會有相應(yīng)的操作系統(tǒng)作為核心基礎(chǔ)設(shè)施支撐應(yīng)用，發(fā)揮其體系效能。雖然全球大規(guī)模星座已開展建設(shè)，但是巨型星座操作系統(tǒng)研究還處于起步階段，基本采用在單星操作系統(tǒng)上改進(jìn)或針對具體場景定制應(yīng)用軟件的技術(shù)途徑，無法滿足巨型星座復(fù)雜場景下互聯(lián)互通、靈活組網(wǎng)、資源共享、軟件定義復(fù)雜應(yīng)用、安全可信等全新應(yīng)用需求。

當(dāng)前星載操作系統(tǒng)主要分為單星操作系統(tǒng)及星座操作系統(tǒng)兩類。單星操作系統(tǒng)以輕量化、強(qiáng)實(shí)時(shí)、高可靠為基本需求，完成系統(tǒng)任務(wù)管理調(diào)度、任務(wù)間通信、內(nèi)存管理等功能，支撐實(shí)現(xiàn)星務(wù)管理、平臺姿態(tài)和載荷控制等基礎(chǔ)功能，包含Vxworks、Linux、RTEMS、μC/OS-II、eCOS等典型操作系統(tǒng)[5]。星座操作系統(tǒng)在單星操作系統(tǒng)基礎(chǔ)上，需要具備星座節(jié)點(diǎn)管控、互聯(lián)互通、智能協(xié)同以及安全可信等增量功能[6]。美國SpaceX公司的星鏈衛(wèi)星裝載了帶有自定義補(bǔ)丁和驅(qū)動(dòng)程序的Linux操作系統(tǒng)，通過這種改進(jìn)版分布式Linux實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)與硬件交互，滿足衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求[7]。美國DARPA推出的Black-jack項(xiàng)目通過Pit Boss實(shí)現(xiàn)星座管理、節(jié)點(diǎn)互聯(lián)互通、智能協(xié)同以及信息安全等應(yīng)用需求，其中的核心技術(shù)之一為智能操作系統(tǒng)[8]。

操作系統(tǒng)軟件在各類計(jì)算機(jī)應(yīng)用中的核心地位，其設(shè)計(jì)已經(jīng)得到國際學(xué)術(shù)界的廣泛重視，取得很大進(jìn)展。但是，巨型星座場景下操作系統(tǒng)的研究總體來說仍然處于探索階段，尚面臨很多挑戰(zhàn)。對于巨型星座信息系統(tǒng)構(gòu)建及應(yīng)用，傳統(tǒng)面向具體場景通過星座管控組網(wǎng)、天基傳感器管理調(diào)度、星座天地一體測運(yùn)控、星座信息安全、在軌多源數(shù)據(jù)智能解譯等“一事一議”定制改進(jìn)的設(shè)計(jì)方法，沒有構(gòu)建統(tǒng)一的基礎(chǔ)軟件平臺，難以形成有效的知識積累、軟硬件生態(tài)、標(biāo)準(zhǔn)化貨架產(chǎn)品以及提升巨型星座建設(shè)和應(yīng)用效率。

2 關(guān)鍵技術(shù)及解決思路

針對巨型星座復(fù)雜應(yīng)用場景，構(gòu)建巨型星座信息基座——巨型星座操作系統(tǒng)，本文對巨型星座操作系統(tǒng)研制時(shí)涉及的體系架構(gòu)、高效內(nèi)核、融合組網(wǎng)、安全可信、生態(tài)體系等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行梳理分析，并提供初步的解決思路。

2.1 體系架構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)

架構(gòu)定義涵蓋需求、層次結(jié)構(gòu)、功能結(jié)構(gòu)、層間接口、內(nèi)核架構(gòu)、協(xié)議架構(gòu)、安全架構(gòu)等內(nèi)容，是實(shí)現(xiàn)巨型星座操作系統(tǒng)研制的核心基礎(chǔ)和難點(diǎn)。

采用系統(tǒng)工程、多級分層軟硬件抽象和接口標(biāo)準(zhǔn)化方法，對巨型星座系統(tǒng)進(jìn)行建模，模型如圖1所示，主要包含海量硬件資源、操作系統(tǒng)內(nèi)核、操作系統(tǒng)應(yīng)用框架以及巨量應(yīng)用軟件等層次架構(gòu)。

注：SDK為軟件開發(fā)工具包；DSP為數(shù)字信號處理器；FPGA為現(xiàn)場可編程門陣列；SPARC為可擴(kuò)充處理器架構(gòu)；RISC-V為第五代精簡指令集計(jì)算架構(gòu)；ARM為精簡指令集計(jì)算架構(gòu)微處理器。圖1 巨型星座管理及應(yīng)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(gòu)成，各處理器間基于分布式軟總線，利用消息模式進(jìn)行信息交互和任務(wù)協(xié)同，主要完成巨型星座系統(tǒng)中數(shù)據(jù)級處理。

內(nèi)核主要完成海量硬件、軟件資源抽象管理和高效調(diào)度，包含系統(tǒng)軟件安全實(shí)時(shí)內(nèi)核以及系統(tǒng)服務(wù)功能模塊。采用功能最小化設(shè)計(jì)原則，為上層運(yùn)行的操作系統(tǒng)服務(wù)提供基礎(chǔ)抽象，但不實(shí)現(xiàn)具體提供給應(yīng)用程序使用的功能，主要完成巨型星座系統(tǒng)中信息級處理。

應(yīng)用框架是便于操作系統(tǒng)服務(wù)通信、導(dǎo)航、遙感等多類型空間任務(wù)設(shè)定，采用模塊化、定制化設(shè)計(jì)，具備規(guī)?？缮炜s和功能可裁剪特點(diǎn)，包含用戶分級服務(wù)、資源庫管理、知識庫管理、任務(wù)協(xié)同以及平臺運(yùn)控等功能模塊，主要完成巨型星座系統(tǒng)中任務(wù)級處理。

應(yīng)用軟件是操作系統(tǒng)通過軟件定義衛(wèi)星功能的核心，通過不斷豐富、改進(jìn)星載軟件和算法，將衛(wèi)星平臺和有效載荷的功能盡可能地遷移到計(jì)算平臺之上，改用軟件實(shí)現(xiàn)。通過軟件和算法的快速迭代和演化，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星產(chǎn)品的持續(xù)演進(jìn)，主要完成巨型星座系統(tǒng)中服務(wù)級處理。

綜上，根據(jù)巨型星座核心共性基礎(chǔ)功能和后續(xù)持續(xù)演化需求，精細(xì)定義每個(gè)層次的功能，在不影響其他層次的前提下，根據(jù)技術(shù)的進(jìn)步或需求的變化，自由地替換某一層次的具體實(shí)現(xiàn)方式，實(shí)現(xiàn)快速高效的功能重構(gòu)和升級。

2.2 高效內(nèi)核關(guān)鍵技術(shù)

內(nèi)核是巨型星座操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)，對下管控硬件，對上提供抽象，負(fù)責(zé)資源管理與任務(wù)調(diào)度。面向巨型星座復(fù)雜應(yīng)用場景，巨型星座操作系統(tǒng)內(nèi)核需要滿足輕量化、低時(shí)延及強(qiáng)容錯(cuò)等需求。

面向不同的應(yīng)用場景，操作系統(tǒng)種類很多、功能豐富各異，按內(nèi)核結(jié)構(gòu)主要分為宏內(nèi)核結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)、簡要結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)、外核結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)、微內(nèi)核結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)[9]。操作系統(tǒng)內(nèi)核典型架構(gòu)頻譜如圖2所示，架構(gòu)詳細(xì)介紹如下。

圖2 操作系統(tǒng)內(nèi)核典型架構(gòu)頻譜Fig.2 Spectrum of typical architecture of operating system kernel

簡要結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)：該結(jié)構(gòu)將應(yīng)用程序與操作系統(tǒng)運(yùn)行在相同的特權(quán)級別和同一個(gè)地址空間中，主要面向不支持地址空間隔離或特權(quán)隔離等功能的嵌入式設(shè)備以及僅需要運(yùn)行單個(gè)程序的簡單場景。這種結(jié)構(gòu)的一個(gè)優(yōu)勢是應(yīng)用程序和操作系統(tǒng)之間的交互簡單且快速。但也正因如此，應(yīng)用程序中的錯(cuò)誤可能直接導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)崩潰。該操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)缺乏可持續(xù)演進(jìn)能力，在面向異構(gòu)星載硬件資源等方面擴(kuò)展能力較差。

外核結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)：外核結(jié)構(gòu)通過將硬件抽象封裝到與應(yīng)用程序直接鏈接的庫操作系統(tǒng)中，而庫操作系統(tǒng)是應(yīng)用程序開發(fā)人員自主配置或者自行開發(fā)的。在運(yùn)行時(shí)，庫操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序運(yùn)行在同一個(gè)地址空間并運(yùn)行在用戶態(tài)，外核不提供具體抽象而僅負(fù)責(zé)保證多個(gè)應(yīng)用程序能夠安全且高效地共享硬件資源。但是，在面向復(fù)雜場景，庫操作系統(tǒng)將會變得非常復(fù)雜，甚至相當(dāng)于一個(gè)完整的宏內(nèi)核，從而喪失外核架構(gòu)本身的優(yōu)勢。

宏內(nèi)核結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)：整個(gè)操作系統(tǒng)都運(yùn)行在內(nèi)核態(tài)且屬于同一地址空間。操作系統(tǒng)中所有的模塊組件，如文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)棧、硬件驅(qū)動(dòng)、進(jìn)程管理等，都運(yùn)行在具有特權(quán)的內(nèi)核態(tài)。宏內(nèi)核結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)的一個(gè)顯著優(yōu)勢為擁有良好的生態(tài)。不過，宏內(nèi)核結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)架構(gòu)缺乏系統(tǒng)隔離、在安全和可靠方面存在不足，難以使用形式化方法進(jìn)行驗(yàn)證。

微內(nèi)核結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)：微內(nèi)核結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)包括運(yùn)行在內(nèi)核態(tài)的微核和運(yùn)行在用戶態(tài)的若干操作系統(tǒng)功能模塊，比如文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧、硬件驅(qū)動(dòng)等。微核本身代碼量很少，主要包括支撐上層系統(tǒng)服務(wù)運(yùn)行、提供不同系統(tǒng)服務(wù)之間通信能力等必要機(jī)制；不同系統(tǒng)服務(wù)運(yùn)行在用戶態(tài)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(jìn)行交互協(xié)同，從而為應(yīng)用程序提供服務(wù)。微內(nèi)核結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)的架構(gòu)優(yōu)勢在于擁有更好的容錯(cuò)性和安全性，保證不同系統(tǒng)服務(wù)之間的隔離，即使某個(gè)系統(tǒng)服務(wù)出現(xiàn)故障或受到安全攻擊，也不會直接導(dǎo)致整個(gè)操作系統(tǒng)崩潰或被攻破。此外，微內(nèi)核結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)比較方便為不同場景定制不同的系統(tǒng)服務(wù)，從而更好適應(yīng)不同應(yīng)用需求。

綜上，圍繞巨型星座任務(wù)需求，選用全自主研發(fā)微內(nèi)核結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)的技術(shù)路線，在輕量化、可控時(shí)延、運(yùn)行效率、可靠性、安全性、擴(kuò)展性以及自主軟件生態(tài)構(gòu)建等方面優(yōu)勢明顯，滿足巨型星座復(fù)雜應(yīng)用場景需求。

2.3 融合組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

節(jié)點(diǎn)間互聯(lián)互通、靈活組網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)巨型星座高效管理及智能應(yīng)用的基礎(chǔ)。巨型星座場景下，空間網(wǎng)絡(luò)具有網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜、規(guī)模巨大、高動(dòng)態(tài)拓?fù)洹⒐收想y以預(yù)測等特點(diǎn)，為網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性和可靠性帶來了挑戰(zhàn)[9]。因此，需要結(jié)合操作系統(tǒng)對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

采用SDN(軟件定義網(wǎng)絡(luò))作為基本技術(shù)路線，采用分級管控與分域管控兩大技術(shù)路線來實(shí)現(xiàn)。分級管控是提升網(wǎng)絡(luò)對單個(gè)網(wǎng)絡(luò)的可管控規(guī)模，分域管控則是將大網(wǎng)劃分為可相對獨(dú)立管控的小網(wǎng)，兩條路線結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)對萬顆規(guī)模以上衛(wèi)星實(shí)時(shí)、高效、優(yōu)化、魯棒的管控，如圖3所示。

圖3 高效網(wǎng)絡(luò)管控架構(gòu)Fig.3 Efficient network management and control architecture

首先，分域管控是將萬顆規(guī)模以上衛(wèi)星劃分為多個(gè)相對獨(dú)立的、較小的網(wǎng)絡(luò)域，對每個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)域進(jìn)行分而治之，不同網(wǎng)絡(luò)域之間內(nèi)部信息互不干擾，只提供抽象層面的路由與協(xié)作接口，可以以指數(shù)級的速度降低衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)規(guī)模對于網(wǎng)絡(luò)整體管控的可擴(kuò)展性壓力。

面向萬顆規(guī)模以上衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的管控需求，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)基于星座功能和軌道特征兩種規(guī)則進(jìn)行劃分。首先，將衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)按照功能劃分為多個(gè)星座，如遙感星座、通信星座、氣象星座、導(dǎo)航星座等；基于上述劃分，針對規(guī)模比較大的星座進(jìn)一步劃分為規(guī)模更小的網(wǎng)域，按照相對穩(wěn)定的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分，比如一個(gè)軌道面的衛(wèi)星劃分為一個(gè)網(wǎng)域。一般情況下，一個(gè)網(wǎng)域的規(guī)模不超過200個(gè)節(jié)點(diǎn)。

其次，針對海量節(jié)點(diǎn)導(dǎo)致的軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)控制平面擴(kuò)展性不足的問題，采用分布式多控制器協(xié)同控制衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。將地面控制器分為中心控制節(jié)點(diǎn)和分布式控制節(jié)點(diǎn)：中心控制節(jié)點(diǎn)由控制器集群構(gòu)成，提供全網(wǎng)拓?fù)浜吐酚赊D(zhuǎn)發(fā)策略的統(tǒng)一獲取和管理，實(shí)現(xiàn)全局流量調(diào)度和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化；分布式控制節(jié)點(diǎn)采用分布式部署，負(fù)責(zé)部分天基網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的管控，處理不需要進(jìn)行全局決策的網(wǎng)絡(luò)控制請求，能夠有效降低網(wǎng)絡(luò)操作的響應(yīng)時(shí)延，避免不必要的長距離傳輸[10]。

綜上，構(gòu)建巨型星座操作系統(tǒng)作為天基網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)、調(diào)度、控制及管理的核心，滿足天基網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、路由轉(zhuǎn)發(fā)策略的高效協(xié)同管控。

2.4 安全可信關(guān)鍵技術(shù)

操作系統(tǒng)作為巨型星座的核心基礎(chǔ)設(shè)施，其可信與安全是空間數(shù)據(jù)資產(chǎn)安全的基礎(chǔ)。巨型星座的組網(wǎng)方式?jīng)Q定了其節(jié)點(diǎn)在空間領(lǐng)域呈現(xiàn)分布式的特點(diǎn)。因此，操作系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)亟需完成由集中式向分布式轉(zhuǎn)變。同時(shí)，考慮星上的實(shí)際處理能力，衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)間需要相互合作，保證在有效控制和管理自身計(jì)算、存儲及網(wǎng)絡(luò)資源的同時(shí)完成指定任務(wù)。

如圖4所示，操作系統(tǒng)采用一種基于分布式基礎(chǔ)架構(gòu)和計(jì)算方式的區(qū)塊鏈技術(shù)，保證數(shù)據(jù)傳輸和訪問全鏈路安全的“云-邊-端”可信與安全架構(gòu)。

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(jù)巨型星座操作系統(tǒng)中不同節(jié)點(diǎn)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(xié)同可信與安全架構(gòu)作出以下定義。

核心云節(jié)點(diǎn)：將控制關(guān)鍵存儲、計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)資源的衛(wèi)星作為核心云節(jié)點(diǎn)。核心云節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的全量存儲，記錄完整的區(qū)塊鏈賬本，提供核心共識機(jī)制和核心網(wǎng)絡(luò)的接入，并結(jié)合“數(shù)據(jù)鏈+日志鏈”的雙鏈結(jié)構(gòu)，保障操作系統(tǒng)數(shù)據(jù)可信。

邊緣云節(jié)點(diǎn)：從核心云節(jié)點(diǎn)向邊緣擴(kuò)展資源的衛(wèi)星。邊緣云節(jié)點(diǎn)按需獲取核心云節(jié)點(diǎn)資源，并且僅緩存核心云分配的部分?jǐn)?shù)據(jù)，采用基于區(qū)塊鏈的多副本機(jī)制保證拜占庭容錯(cuò)下邊緣緩存數(shù)據(jù)之間的數(shù)據(jù)一致性，同時(shí)為終端提供低延時(shí)的訪問服務(wù)。

終端節(jié)點(diǎn)：單星節(jié)點(diǎn)、移動(dòng)設(shè)備等終端設(shè)備。無需緩存完整數(shù)據(jù)，僅儲存重要的區(qū)塊頭等信息，收集環(huán)境中的數(shù)據(jù)，可以向邊緣云節(jié)點(diǎn)請求計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)。

“云-邊-端”分布式協(xié)同可信與安全架構(gòu)：根據(jù)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)在外太空領(lǐng)域呈現(xiàn)分布式特點(diǎn)，結(jié)合區(qū)塊鏈技術(shù)構(gòu)建“核心云-邊緣云-終端”的可信與安全架構(gòu)，即“云-邊-端”分布式協(xié)同可信與安全架構(gòu)，應(yīng)用于操作系統(tǒng)中。核心云節(jié)點(diǎn)之間組網(wǎng)連通組成核心網(wǎng)絡(luò)，邊緣云節(jié)點(diǎn)可以和其他的邊緣網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行跨邊緣網(wǎng)絡(luò)協(xié)作，二者通過橫向和縱向的協(xié)同融合為終端提供多樣計(jì)算和低延遲服務(wù)。

綜上，圍繞巨型星座多星協(xié)同、動(dòng)態(tài)管控、攻擊防范等核心需求，基于區(qū)塊鏈技術(shù)構(gòu)建去中心化、“云-邊-端”分布式協(xié)同可信與安全架構(gòu)，形成巨型星座操作系統(tǒng)安全可信基座，運(yùn)行保障巨型星座安全。

2.5 生態(tài)體系關(guān)鍵技術(shù)

開源已成為一種軟件科技創(chuàng)新的主流模式，包括人工智能、區(qū)塊鏈等前沿IT技術(shù)幾乎都通過開源模式得以快速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新突破和產(chǎn)業(yè)生態(tài)發(fā)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(chuàng)客”，參與到新技術(shù)的革新和孕育之中，以尋求實(shí)現(xiàn)技術(shù)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(chǎn)品的成熟和傳播之中，以尋求迅速從邊緣低端產(chǎn)品變成主流高端產(chǎn)品。

巨型星座操作系統(tǒng)是一個(gè)新場景、新領(lǐng)域，如何實(shí)現(xiàn)快速發(fā)展僅僅靠一家單位是難以實(shí)現(xiàn)快速突破，需要汲取大規(guī)模群體智慧的力量，將核心開發(fā)者、各類廠商、科研機(jī)構(gòu)、志愿者等廣泛聯(lián)接起來，開展探索創(chuàng)新。

圍繞巨型星座操作系統(tǒng)的協(xié)同研發(fā)場景、測試和部署需求、應(yīng)用構(gòu)建特點(diǎn)等，構(gòu)建一套面向通用領(lǐng)域的基礎(chǔ)平臺，需要突破適用于巨型星座操作系統(tǒng)大規(guī)模分布式協(xié)同研發(fā)需求的代碼協(xié)作、任務(wù)協(xié)作和文檔協(xié)作等技術(shù)，研究針對巨型星座操作系統(tǒng)持續(xù)演化需求的質(zhì)量管理、持續(xù)集成、克隆檢測技術(shù)等，并在基礎(chǔ)平臺之上做進(jìn)一步的定制化開發(fā)，構(gòu)造針對巨型星座操作系統(tǒng)的開發(fā)與演化支撐環(huán)境。

綜上，通過巨型星座操作系統(tǒng)，促成星載硬件標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化，滿足星載軟硬件標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)和硬件資源虛擬化管理；促成軟件構(gòu)件化，提升軟件復(fù)用度和繼承性，減少二次開發(fā)，為形成軟件生態(tài)奠定基礎(chǔ)。

3 發(fā)展建議

以規(guī)模巨大、泛在物聯(lián)、組網(wǎng)協(xié)同、敏捷重構(gòu)、智能自主、彈性健壯等為基本特征的巨型星座已成為構(gòu)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(guī)模星座系統(tǒng)的建設(shè)。國外面向巨型星座場景的操作系統(tǒng)已開展研究，部分成果已走向工程應(yīng)用。我國已開展大規(guī)模星座的論證或建設(shè)，而現(xiàn)有星載操作系統(tǒng)只能支撐單星應(yīng)用，無法滿足巨型星座復(fù)雜應(yīng)用場景的需求，應(yīng)從以下幾方面加強(qiáng)研究。

3.1 強(qiáng)化巨型星座體系架構(gòu)頂層設(shè)計(jì)和規(guī)劃

我國已開始建設(shè)部署衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)等大規(guī)模衛(wèi)星星座，強(qiáng)化巨型星座體系架構(gòu)頂層設(shè)計(jì)與規(guī)劃，提升巨型星座的高效管理與智能應(yīng)用能力，支持巨型星座網(wǎng)絡(luò)化、云化、智能化以及用戶無感的高效運(yùn)行，將促進(jìn)巨型星座體系效能的整體性躍升。

調(diào)研我國現(xiàn)有和規(guī)劃的天基資源，并結(jié)合典型應(yīng)用樣式，應(yīng)用體系工程設(shè)計(jì)方法研究建立未來巨型星座資源應(yīng)用需求與體系架構(gòu)，優(yōu)化體系結(jié)構(gòu)、增強(qiáng)功能性能、強(qiáng)化綜合效能，實(shí)現(xiàn)需求到操作系統(tǒng)架構(gòu)的映射連接，為我國自主開發(fā)巨型星座操作系統(tǒng)提供需求輸入。

3.2 打造巨型星座系統(tǒng)核心基礎(chǔ)設(shè)施和信息基座

操作系統(tǒng)作為巨型星座的核心基礎(chǔ)設(shè)施和信息基座，將星座的各節(jié)點(diǎn)資源進(jìn)行虛擬化連接和融合，是實(shí)現(xiàn)巨型星座網(wǎng)絡(luò)化、云化和智能化的星上基礎(chǔ)軟件，負(fù)責(zé)支持大規(guī)模星座資源管理、互聯(lián)互通、自主運(yùn)控和安全可信等核心基礎(chǔ)功能。

結(jié)合巨型星座任務(wù)需求，巨型星座操作系統(tǒng)采用自研微內(nèi)核進(jìn)行全自主研發(fā)的技術(shù)路線，滿足核心基礎(chǔ)設(shè)施必須自主可控、安全可信的國家戰(zhàn)略需求。而且，不需要背負(fù)Linux等成熟開源操作系統(tǒng)沉重的歷史包袱，在輕量化、可控時(shí)延、高可靠性、自主可控方面具有強(qiáng)優(yōu)勢。與此同時(shí)，操作系統(tǒng)應(yīng)用成功的關(guān)鍵在于建立完整的生態(tài)，自研操作系統(tǒng)將掌握構(gòu)建生態(tài)的主動(dòng)權(quán)，形成面向航天領(lǐng)域的自主可控開源軟件生態(tài)。

3.3 建立自主可控的航天軟件生態(tài)體系

現(xiàn)有星載操作系統(tǒng)主要基于行業(yè)成熟或開源操作系統(tǒng)進(jìn)行功能定制開發(fā)，安全可信、自主可控等方面難以保障，且只支持單星數(shù)據(jù)管理或平臺控制等基礎(chǔ)功能，無法滿足巨型星座場景下全動(dòng)態(tài)自主管控、互聯(lián)互通、靈活組網(wǎng)、資源共享、智能協(xié)同、軟件定義復(fù)雜應(yīng)用等全新需求。

未來，通過巨型星座操作系統(tǒng)賦能，支撐實(shí)現(xiàn)巨型星座高效管理及智能應(yīng)用，形成開放包容、自主可控的航天軟件生態(tài)體系、萬顆規(guī)模衛(wèi)星的互聯(lián)互通和自主運(yùn)控、千顆規(guī)模衛(wèi)星任務(wù)即時(shí)協(xié)同、巨型星座全鏈路安全可信等新質(zhì)能力，顯著提升我國航天裝備研制效率和天基系統(tǒng)體系效能。

4 結(jié)束語

本文提出了一種面向巨型星座復(fù)雜應(yīng)用場景的操作系統(tǒng)構(gòu)想，梳理了體系架構(gòu)、高效內(nèi)核、融合組網(wǎng)、安全可信、生態(tài)體系等關(guān)鍵技術(shù)，支持實(shí)現(xiàn)巨型星座高效管理及智能應(yīng)用。既可作為單星基礎(chǔ)軟件，支持單節(jié)點(diǎn)資源高效管理和任務(wù)即時(shí)調(diào)度；也可作為巨型星座基礎(chǔ)軟件，支持海量硬件資源融合管理，形成云服務(wù)能力。

巨型星座操作系統(tǒng)向下管理和驅(qū)動(dòng)海量異構(gòu)感知、計(jì)算、存儲、網(wǎng)絡(luò)和安全等基礎(chǔ)硬件資源，即時(shí)聚合、關(guān)聯(lián)、調(diào)配、遷移軟硬件資源，管理任務(wù)；向上支持巨量航天App，為軟件賦能航天裝備提供統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)、安全、可靠的運(yùn)行環(huán)境和接口，形成快速有彈性的軟件能力。通過即時(shí)聚合、關(guān)聯(lián)、調(diào)配和遷移軟硬件資源，完成任務(wù)高效協(xié)同，為新技術(shù)通過軟件定義的技術(shù)手段快速轉(zhuǎn)化為新戰(zhàn)力提供統(tǒng)一基礎(chǔ)軟件平臺。