+ 任勃1，張明昆1，劉建平1,2，吳濤1，胡科飛1 (1. 西安衛(wèi)星測(cè)控中心) (2. 宇航動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

隨著智能終端的大規(guī)模普及，計(jì)算和存儲(chǔ)服務(wù)從客戶端轉(zhuǎn)向云端，計(jì)算機(jī)軟件正在以數(shù)字比特的形式改寫現(xiàn)實(shí)世界中的方方面面，軟件定義蓬勃發(fā)展[1]。2017年9月，中國(guó)科學(xué)院軟件研究所聯(lián)合國(guó)內(nèi)三十余家單位發(fā)起成立軟件定義衛(wèi)星技術(shù)聯(lián)盟，提出了以天基超算平臺(tái)和星載操作環(huán)境為核心的軟件衛(wèi)星開(kāi)放式系統(tǒng)[2-3]。聯(lián)盟計(jì)劃搭建以天智系列衛(wèi)星為基礎(chǔ)的平臺(tái)化軟件解決方案，設(shè)立航天應(yīng)用軟件商店，形成軟件定義衛(wèi)星開(kāi)放生態(tài)，稱之為“Sputnix”。

建立航天應(yīng)用商店時(shí)，不同的應(yīng)用軟件需要和衛(wèi)星進(jìn)行不同的信息交互，涉及到各種星載硬件和鏈路協(xié)議，一定程度上造成了衛(wèi)星服務(wù)和軟件接口的重復(fù)開(kāi)發(fā)，數(shù)據(jù)交互比較復(fù)雜，對(duì)星上鏈路和軟件安全造成威脅[4]。在星載操作環(huán)境中部署一個(gè)強(qiáng)大的公用平臺(tái)可以為星上航天應(yīng)用軟件提供完善豐富的系統(tǒng)配置和基礎(chǔ)服務(wù)支持，符合釋放平臺(tái)能力和生產(chǎn)力的技術(shù)趨勢(shì)[5]。公共平臺(tái)使衛(wèi)星應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)者可以專注于軟件功能和用戶體驗(yàn)，而與衛(wèi)星硬件傳感器產(chǎn)生的在軌數(shù)據(jù)的交互全部由公用平臺(tái)來(lái)完成。洪錫軍等提出的軟件通用運(yùn)行平臺(tái)主要關(guān)注應(yīng)用軟件的可移植性[6]，廖明宏等提出的小衛(wèi)星軟件公用平臺(tái)側(cè)重于基于功能的程序語(yǔ)言類庫(kù)的建設(shè)[7]，本文針對(duì)軟件定義衛(wèi)星提出在系統(tǒng)上建立一個(gè)公共軟件服務(wù)平臺(tái)，包括硬件計(jì)算設(shè)施、系統(tǒng)軟件倉(cāng)庫(kù)、計(jì)算作業(yè)算法庫(kù)、信息交互接口四大模塊。硬件計(jì)算設(shè)施由天基超算平臺(tái)、磁盤陣列數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器等組成，衛(wèi)星硬件傳感器與公共軟件平臺(tái)的接口暫不考慮；系統(tǒng)軟件倉(cāng)庫(kù)主要為星上軟件提供各類基礎(chǔ)性軟件包安裝源，類似于Ubuntu系統(tǒng)軟件更新中心；計(jì)算作業(yè)算法庫(kù)為應(yīng)用軟件提供多樣化、具有一定普適性的在軌計(jì)算算法；交互接口則負(fù)責(zé)所有應(yīng)用軟件與軟件定義衛(wèi)星系統(tǒng)的信息交換。模塊化的設(shè)計(jì)符合軟件定義衛(wèi)星的重組、重配和重構(gòu)理念，同時(shí)也提升了整個(gè)系統(tǒng)的安全性。

1 公共服務(wù)平臺(tái)整體架構(gòu)

1.1 公共服務(wù)平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

公共軟件服務(wù)平臺(tái)外部主要與衛(wèi)星的各個(gè)硬件傳感器、航天軟件商店應(yīng)用軟件相聯(lián)系。平臺(tái)的目標(biāo)是使星載操作環(huán)境與航天應(yīng)用軟件適當(dāng)解耦，做到“緊貼和、弱隔離”?！熬o貼和”的前提是提供應(yīng)用軟件依賴軟件包的最大支持集合，以及完整、豐富、安全的系統(tǒng)配置，使星載操作環(huán)境能夠滿足個(gè)性化應(yīng)用軟件對(duì)系統(tǒng)環(huán)境的要求；在系統(tǒng)環(huán)境未能滿足應(yīng)用軟件需求時(shí)，可從系統(tǒng)軟件倉(cāng)庫(kù)下載安裝可選軟件包，或搜索衛(wèi)星作業(yè)算法庫(kù)中的算法列表進(jìn)行調(diào)用和引用，并通過(guò)接口和數(shù)據(jù)控制使應(yīng)用軟件與星載操作環(huán)境相對(duì)分離，實(shí)現(xiàn)“弱隔離”，避免應(yīng)用軟件對(duì)衛(wèi)星核心系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生干擾。公共服務(wù)平臺(tái)架構(gòu)如圖1所示。

所有星載應(yīng)用軟件的運(yùn)行均基于星載公共軟件服務(wù)平臺(tái)，新增上注的衛(wèi)星應(yīng)用軟件通過(guò)向公共平臺(tái)注冊(cè)后再進(jìn)入發(fā)布運(yùn)行階段。應(yīng)用程序管理，衛(wèi)星數(shù)據(jù)調(diào)度，系統(tǒng)狀態(tài)記錄，衛(wèi)星配置管理等衛(wèi)星在軌公共業(yè)務(wù)由公共軟件服務(wù)平臺(tái)的信息交互接口模塊統(tǒng)一處理，公共平臺(tái)按照一定的規(guī)則和時(shí)間間隔向全系統(tǒng)廣播系統(tǒng)狀態(tài)和配置信息。公共服務(wù)平臺(tái)上的應(yīng)用軟件作為一個(gè)獨(dú)立的Linux系統(tǒng)后臺(tái)進(jìn)程運(yùn)行，公共平臺(tái)負(fù)責(zé)所有應(yīng)用軟件傳輸數(shù)據(jù)的分發(fā)調(diào)度。

1.2 公共服務(wù)平臺(tái)在軌計(jì)算作業(yè)算法庫(kù)

公共軟件服務(wù)平臺(tái)的四大組成模塊中，系統(tǒng)軟件倉(cāng)庫(kù)主要解決應(yīng)用軟件依賴的下載與部署，對(duì)各種Linux系統(tǒng)引用軟件包進(jìn)行版本控制，建立系統(tǒng)軟件安全規(guī)范。計(jì)算作業(yè)算法庫(kù)的主要目標(biāo)是存儲(chǔ)各類常用并具有一定系統(tǒng)普適性和標(biāo)準(zhǔn)接口的算法，結(jié)合天基超算平臺(tái)的算力支持，為應(yīng)用軟件提供一個(gè)基礎(chǔ)業(yè)務(wù)環(huán)境，使應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)者不再需要關(guān)注衛(wèi)星硬件傳感器數(shù)據(jù)的產(chǎn)生和輸出，同時(shí)輔助實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星功能拓展。衛(wèi)星在軌運(yùn)行期間，需要計(jì)算軌道、姿態(tài)、能源等基本要素，這些內(nèi)容屬于傳統(tǒng)意義上衛(wèi)星的基礎(chǔ)計(jì)算作業(yè)。同時(shí)，基于強(qiáng)大的天基超算平臺(tái)，衛(wèi)星還可以進(jìn)行多樣化的復(fù)雜運(yùn)算和智能推理，稱之為智能計(jì)算作業(yè)。智能計(jì)算作業(yè)基于蒙特卡洛模擬方法、無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)等數(shù)據(jù)處理和機(jī)器學(xué)習(xí)算法，其應(yīng)用領(lǐng)域包括基于深度學(xué)習(xí)的對(duì)地觀測(cè)圖片在軌識(shí)別、太空VR/AR應(yīng)用效果渲染等。

在基礎(chǔ)作業(yè)算法庫(kù)部署精密定軌工具。精密定軌是保證衛(wèi)星正常在軌運(yùn)行的基本條件，一個(gè)完整的定軌流程包括GNSS（Global Navigation Satellite System，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）定位數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)解包與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、迭代計(jì)算定軌三個(gè)步驟。相應(yīng)的，基礎(chǔ)作業(yè)算法庫(kù)提供位置數(shù)據(jù)解包、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、定軌算法引用列表等基礎(chǔ)服務(wù)包，為衛(wèi)星在軌長(zhǎng)期管理提供基本信息，也可以供地球參數(shù)解算等基礎(chǔ)科學(xué)研究類型的航天應(yīng)用軟件調(diào)用。

圖1 公共軟件服務(wù)平臺(tái)框架

在智能作業(yè)算法庫(kù)中部署C++庫(kù)Tensor RT。Tensor RT是英偉達(dá)（NVIDIA）公司發(fā)布的高性能深度學(xué)習(xí)推理引擎[8]，在對(duì)地觀測(cè)圖像處理、空間操作、航天器碰撞預(yù)警等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。航天應(yīng)用軟件首先利用天基超算平臺(tái)中的GPU對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型訓(xùn)練，經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)前向和后向傳播，生成模型文件；再調(diào)用推理引擎使用訓(xùn)練好的模型對(duì)新數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，并進(jìn)行前向傳播。當(dāng)星上航天應(yīng)用軟件使用基于Caあe（伯克利大學(xué)人工智能研究團(tuán)隊(duì)提出的一種深度學(xué)習(xí)框架）和TensorFlow（谷歌公司推出的機(jī)器學(xué)習(xí)框架）等深度學(xué)習(xí)框架時(shí)，推理引擎能夠直接加載開(kāi)發(fā)人員在地面訓(xùn)練好的模型文件，并根據(jù)天基超算平臺(tái)GPU陣列的參數(shù)對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化，遙控上注改進(jìn)的模型文件就可以持續(xù)發(fā)揮Tensor RT的巨大潛力。

公共平臺(tái)的作業(yè)算法庫(kù)中的算法模塊提供動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)可以供應(yīng)用軟件直接引用，也提供標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用程序接口，具體以算法函數(shù)的封裝演進(jìn)版本等級(jí)而定。針對(duì)沒(méi)有動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的情況，初步設(shè)計(jì)了如圖2的接口，其中算法實(shí)例是指一次算法服務(wù)的實(shí)例化，服務(wù)單元負(fù)責(zé)算法服務(wù)實(shí)例的創(chuàng)建、配置和刪除，代理服務(wù)器負(fù)責(zé)創(chuàng)建請(qǐng)求、從通信服務(wù)中接收數(shù)據(jù)單元等,底層采用TCP/IP協(xié)議連接。作業(yè)算法庫(kù)的引入使航天領(lǐng)域各類算法能夠在軌驗(yàn)證、比較和標(biāo)定，同時(shí)極大的拓展了衛(wèi)星系統(tǒng)的功能，實(shí)現(xiàn)軟件定義衛(wèi)星智能化、需求動(dòng)態(tài)重構(gòu)的目標(biāo)。

2 公共服務(wù)平臺(tái)接口設(shè)計(jì)

2.1 基于共享內(nèi)存的高速率數(shù)據(jù)傳輸處理

衛(wèi)星硬件傳感器產(chǎn)生的高碼率數(shù)據(jù)（大于1Mbps）通過(guò)公共軟件平臺(tái)發(fā)送給應(yīng)用軟件，如果接收同一類工程數(shù)據(jù)的應(yīng)用軟件都對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，或存入存儲(chǔ)器再讀出，則會(huì)極大的占用系統(tǒng)硬件資源，數(shù)據(jù)時(shí)延也會(huì)對(duì)實(shí)時(shí)類應(yīng)用產(chǎn)生很大負(fù)面影響[9]。因此本文設(shè)計(jì)“數(shù)據(jù)類型相同，緩沖內(nèi)存共享”的數(shù)據(jù)交互方式，使公共平臺(tái)和應(yīng)用軟件的數(shù)據(jù)交互在共享內(nèi)存中完成。共享內(nèi)存區(qū)是最快的Linux進(jìn)程間通信形式，一旦這樣的內(nèi)存映射到共享它的進(jìn)程的地址空間，這些進(jìn)程間的數(shù)據(jù)傳遞不再涉及到Linux內(nèi)核。共享內(nèi)存允許兩個(gè)或多個(gè)進(jìn)程共享一個(gè)給定的存儲(chǔ)區(qū)域，數(shù)據(jù)不需要在多個(gè)進(jìn)程之間進(jìn)行復(fù)制?？紤]部分應(yīng)用軟件對(duì)高碼率數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨螅谛禽d操作環(huán)境下設(shè)計(jì)公共平臺(tái)與應(yīng)用軟件共享內(nèi)存的數(shù)據(jù)交互方式。

圖2 作業(yè)算法庫(kù)與應(yīng)用軟件接口

在搭建數(shù)據(jù)交互流程時(shí)，采用模塊化的設(shè)計(jì)方式，將涉及共享內(nèi)存的操作封裝為一個(gè)MemoryHighWay類，該類實(shí)例化后以命名和空間大小為標(biāo)記開(kāi)辟共享內(nèi)存，定義一個(gè)環(huán)形數(shù)據(jù)緩沖區(qū)并將緩沖區(qū)寫入共享內(nèi)存進(jìn)行維護(hù)。每個(gè)需要高速數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)的應(yīng)用軟件調(diào)用MemoryHighWay類，在該應(yīng)用軟件與數(shù)據(jù)緩沖區(qū)之間形成管道，多個(gè)應(yīng)用軟件以緩沖區(qū)為中心形成多個(gè)管道，MemoryHighWay類可以對(duì)管道上的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，在必要情況下可以對(duì)數(shù)據(jù)幀的時(shí)序進(jìn)行檢查。在操作管道數(shù)據(jù)時(shí)，啟用多線程，利用線程互斥保護(hù)數(shù)據(jù)安全，在每次操作流程中加入計(jì)數(shù)信號(hào)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行同步，示意圖如圖3。在星載操作環(huán)境下，應(yīng)用軟件的交互對(duì)象既可以是其他一個(gè)或多個(gè)應(yīng)用軟件，也可以是公共軟件服務(wù)平臺(tái)。

測(cè)試環(huán)境采用中標(biāo)麒麟國(guó)產(chǎn)化Linux操作系統(tǒng)，使用C++語(yǔ)言和Qt平臺(tái)開(kāi)發(fā)高碼率數(shù)據(jù)發(fā)生器軟件，以及兩個(gè)基于共享內(nèi)存方案的應(yīng)用軟件接收處理數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)地面測(cè)試，在4M帶寬下傳輸1.13Mbps的數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)用軟件收到的數(shù)據(jù)沒(méi)有逆序；軟件能夠正確處理數(shù)據(jù)丟失等異常情況；在數(shù)據(jù)發(fā)生器進(jìn)行主備機(jī)切換時(shí)，測(cè)試軟件能夠正確完成新數(shù)據(jù)幀序列的重新捕獲接收。

2.2 基于消息中間件的信息交互機(jī)制

公共平臺(tái)和應(yīng)用軟件之間的信息交互主要有應(yīng)用軟件管理、衛(wèi)星數(shù)據(jù)調(diào)度，系統(tǒng)狀態(tài)記錄，衛(wèi)星配置管理等信息交換業(yè)務(wù)。為了便于衛(wèi)星內(nèi)部統(tǒng)一信息交換格式，解決系統(tǒng)表示層的互操作問(wèn)題，參考測(cè)控?cái)?shù)據(jù)表示[10]，定義一種稱為SDF（Satellite Data Format，衛(wèi)星數(shù)據(jù)格式）的協(xié)議作為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交換格式，各類數(shù)據(jù)按照約定的編碼表由信源新宿、數(shù)據(jù)類型等封裝成SDF數(shù)據(jù)包，假設(shè)衛(wèi)星硬件傳感器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)在到達(dá)公共平臺(tái)時(shí)已經(jīng)轉(zhuǎn)換為SDF格式。SDF格式可以與標(biāo)準(zhǔn)XML文件格式相互轉(zhuǎn)換，適應(yīng)主流應(yīng)用軟件配置文件格式的傳輸。

圖3 共享內(nèi)存方式數(shù)據(jù)交互

采用消息中間件完成公共平臺(tái)和應(yīng)用軟件之間的信息交互，C++消息服務(wù)（C++ Messaging Service，CMS）定義了消息中間件的接口規(guī)范，可以提供與各廠商無(wú)關(guān)的消息訪問(wèn)與收發(fā)服務(wù)。公共平臺(tái)與應(yīng)用軟件通過(guò)CMS接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，包括文本信息、可序列化對(duì)象信息、鍵值對(duì)屬性集合、字節(jié)流和原始值流信息等均可以在虛擬信道中傳輸。在應(yīng)用軟件與公共平臺(tái)之間數(shù)據(jù)傳輸速率較低的情況下，該方式可以代替共享內(nèi)存實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。基于CMS規(guī)范的消息中間件，屏蔽了底層操作系統(tǒng)、通信協(xié)議和數(shù)據(jù)格式的差異，使公共平臺(tái)與應(yīng)用軟件在數(shù)據(jù)層面解耦，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了公共平臺(tái)的管理功能和倉(cāng)儲(chǔ)功能。兩者之間的交互內(nèi)容主要包含以下幾個(gè)方面：

（1）應(yīng)用軟件向公共平臺(tái)發(fā)送注冊(cè)信息，建立信息管道；

（2）公共平臺(tái)向所有應(yīng)用軟件發(fā)送心跳信號(hào)；

（3）公共平臺(tái)向應(yīng)用軟件發(fā)送啟動(dòng)和關(guān)閉信號(hào)；

（4）應(yīng)用軟件按照SDF中數(shù)據(jù)類型和應(yīng)用軟件標(biāo)識(shí)向公共平臺(tái)發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求；

（5）公共平臺(tái)按照數(shù)據(jù)請(qǐng)求列表向應(yīng)用軟件發(fā)送數(shù)據(jù)；

（6）應(yīng)用軟件向公共平臺(tái)發(fā)送停發(fā)數(shù)據(jù)申請(qǐng)；

（7）應(yīng)用軟件關(guān)閉前向發(fā)送公共平臺(tái)發(fā)送下線信號(hào)；

（8）公共平臺(tái)向所有應(yīng)用軟件發(fā)送公共配置更新。

其中第（5）項(xiàng)是指，發(fā)送速率大于1Mbps時(shí)使用2.1節(jié)的共享內(nèi)存方式，低于1Mbps時(shí)使用消息中間件管道。

單個(gè)航天應(yīng)用軟件在運(yùn)行過(guò)程中與公共平臺(tái)的數(shù)據(jù)交互如圖4，假設(shè)同時(shí)運(yùn)行多個(gè)應(yīng)用軟件，在普通硬件水平的計(jì)算機(jī)環(huán)境下，使用ActiveMQ在中標(biāo)麒麟Linux操作系統(tǒng)上對(duì)設(shè)計(jì)的交互機(jī)制進(jìn)行了測(cè)試。由飛行圈次序號(hào)、信息類別碼、數(shù)據(jù)類型、信息源（應(yīng)用軟件進(jìn)程號(hào)）、注冊(cè)和反注冊(cè)標(biāo)識(shí)、數(shù)據(jù)索取條件、注冊(cè)信息哈希碼等七項(xiàng)組成信息交互基類，基于C++的Boost庫(kù)的序列化模塊實(shí)現(xiàn)信息交互中基類的序列化和反序列化。該基類可以在應(yīng)用軟件向公共平臺(tái)注冊(cè)、應(yīng)用軟件向公共平臺(tái)發(fā)送數(shù)據(jù)申請(qǐng)兩種情況下通用，區(qū)別僅在于注冊(cè)時(shí)信息交互類中的數(shù)據(jù)類型為注冊(cè)類型，數(shù)據(jù)申請(qǐng)時(shí)數(shù)據(jù)類型為應(yīng)用軟件業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)類型。每個(gè)交互信息的哈希碼作為唯一鍵值索引動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)在公共平臺(tái)注冊(cè)列表和數(shù)據(jù)列表中，單個(gè)應(yīng)用軟件第一次注冊(cè)時(shí)加入注冊(cè)列表，第一次反注冊(cè)時(shí)從注冊(cè)列表中刪除；某個(gè)應(yīng)用軟件第一次申請(qǐng)某一種數(shù)據(jù)類型時(shí)加入數(shù)據(jù)列表，所有應(yīng)用軟件最后一次撤銷該數(shù)據(jù)類型時(shí)從數(shù)據(jù)列表中刪除。從測(cè)試情況來(lái)看，在通常的衛(wèi)星下行遙測(cè)數(shù)據(jù)傳輸速率下，數(shù)據(jù)的注冊(cè)和申請(qǐng)沒(méi)有丟失現(xiàn)象，數(shù)據(jù)的申請(qǐng)和索取沒(méi)有延遲，并且能夠?qū)崟r(shí)接收到，數(shù)據(jù)解包正常，ActiveMQ服務(wù)運(yùn)行穩(wěn)定，對(duì)硬件資源的消耗占用不明顯。

圖4 航天商店應(yīng)用軟件數(shù)據(jù)交換流程

3 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)軟件定義衛(wèi)星開(kāi)放系統(tǒng)建設(shè)中航天應(yīng)用軟件商店發(fā)展思路和面臨的具體問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種軟件定義衛(wèi)星公共服務(wù)平臺(tái)，設(shè)置衛(wèi)星作業(yè)算法庫(kù)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用軟件引用和衛(wèi)星功能擴(kuò)展，提出了應(yīng)用軟件和公共平臺(tái)的數(shù)據(jù)交互方法和信息交互機(jī)制，中標(biāo)麒麟Linux系統(tǒng)環(huán)境下的仿真數(shù)據(jù)測(cè)試表明本文的設(shè)計(jì)符合高速率數(shù)據(jù)的傳輸，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用軟件和公共平臺(tái)之間規(guī)范的信息交換。有效屏蔽了軟件定義衛(wèi)星硬件層面的交互，使軟硬件解耦。下一步將在地面使用TensorFlow建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)深度學(xué)習(xí)模型，重點(diǎn)研究在編隊(duì)衛(wèi)星伴飛、空間操作任務(wù)中，通過(guò)圖像處理識(shí)別衛(wèi)星物理邊緣、相對(duì)距離和速度，調(diào)用智能作業(yè)算法庫(kù)Tensor RT進(jìn)行航天器碰撞預(yù)警分析，使軟件定義衛(wèi)星公共服務(wù)平臺(tái)在天智系列衛(wèi)星中得到在軌測(cè)試和應(yīng)用。

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