CN110460369B - 基于卫星集群的星上云计算平台及其管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于卫星集群的星上云计算平台及其管理方法，该星上云计算平台包括：与卫星集群中的每颗卫星一一对应的多个子云平台，每个子云平台包括：资源层、虚拟化层、管理层和应用层。资源层包含对应卫星上的硬件资源；虚拟化层用于将硬件资源抽象成资源池。管理层用于硬件资源管理、支持地面运控中心对子云平台的遥测和遥控、接收地面运控中心上传的数据块、为应用层的应用程序提供所需硬件资源和应用程序接口。应用层用于运行应用程序进行数据处理。本发明的基于卫星集群的星上云计算平台及其管理方法，为星上数据处理提供高效的平台支撑，实现卫星间的资源和数据共享，提升星上资源利用率和数据处理速度。

Description

基于卫星集群的星上云计算平台及其管理方法

技术领域

本发明涉及卫星数据处理技术领域，尤其涉及一种基于卫星集群的星上云计算平台及其管理方法。

背景技术

由于受到体积、重量、功率等因素限制，单颗卫星的数据处理能力有限。运用星间链路将多颗卫星组织成集群能获得“1+1>2”的效果。

当前，卫星采集的数据可下传至地面数据处理中心或在星上直接进行处理。星上数据处理能极大降低星地间数据传输量，从而提升星地间带宽资源利用率，已成为卫星数据处理的重要发展趋势。现有的星上数据处理主要有两种实现方式：(1)集中式处理；(2)分布式处理。集中式处理指星上数据处理统一由星载计算机完成，单星数据处理能力有限。分布式处理指星上各个有效载荷配置专属的处理单元对自己采集的数据进行处理，很难实现多源数据融合，而且导致整星设计难度增大。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供了一种基于卫星集群的星上云计算平台及其管理方法。具体技术方案如下：

第一方面，提供了一种基于卫星集群的星上云计算平台，包括：与卫星集群中的每颗卫星一一对应的多个子云平台，所述多个子云平台之间通过星间链路连接，每个所述子云平台包括：资源层、虚拟化层、管理层和应用层；所述虚拟化层与所述资源层连接，所述管理层分别与所述虚拟化层、所述应用层和对应卫星上的星务计算机连接，所述星务计算机通过对应卫星上的测控模块和对应卫星上的数传模块与地面运控中心连接，所述星务计算机与对应卫星上的有效载荷连接；所述资源层包含对应的卫星上的硬件资源；所述虚拟化层，用于将硬件资源抽象成资源池；所述管理层，用于硬件资源管理、支持地面运控中心对子云平台的遥测和遥控、接收地面运控中心上传的数据块、为应用层的应用程序提供所需硬件资源和应用程序接口；所述应用层，用于运行应用程序进行数据处理。

可选地，所述硬件资源包括存储资源、计算资源和网络资源，所述网络资源用于实现子云平台内部的互联互通，所述网络资源还包括星间通信单元，用于星间通信和数据传输；所述存储资源与所述星务计算机和所述数传模块连接，用于存储星上数据，所述数传模块读取星上数据传回地面。

第二方面，提供了一种基于卫星集群的星上云计算平台的管理方法，所述管理方法包括自主协同模式和统一管理模式；所述自主协同模式包括：集群中的某一卫星发生资源短缺时，该卫星作为请求卫星向集群中的其它卫星发送资源请求；若其它卫星无可用资源，将待处理数据传回地面进行处理；若其它卫星有可用资源，有可用资源的卫星作为响应卫星向请求卫星发送响应消息；请求卫星向响应卫星发送消息，使响应卫星准备运行环境；响应卫星通过遥测消息向地面运控中心更新响应卫星的资源使用情况；响应卫星运行环境准备完毕后，请求卫星向响应卫星发送待处理数据；响应卫星进行数据处理工作，并根据请求卫星的指令将运行结果发送给请求卫星或地面；所述统一管理模式包括：集群中的某一卫星发生资源短缺时，该卫星作为请求卫星向地面运控中心发送资源请求；地面运控中心查询集群中其它卫星是否有可用资源，有可用资源的卫星为可用卫星，若无可用卫星，将待处理数据传回地面进行处理；若有可用卫星，地面运控中心向可用卫星发送遥控指令使可用卫星准备运行环境；可用卫星运行环境准备完毕后，可用卫星向地面运控中心发送消息，地面运控中心向请求卫星发送遥控指令，使请求卫星向可用卫星发送待处理数据；可用卫星进行数据处理，并根据地面运控中心的指令将运行结果发送给请求卫星或地面。

可选地，所述自主协同模式中，若其它卫星无可用资源，将待处理数据传回地面进行处理之后，请求卫星查询集群中其它卫星是否有可用资源，若其它卫星有可用资源，有可用资源的卫星作为响应卫星向请求卫星发送响应消息；请求卫星向响应卫星发送消息，使响应卫星准备运行环境；响应卫星运行环境准备完毕后，请求卫星向响应卫星发送待处理数据，响应卫星进行数据处理工作。

可选地，所述统一管理模式中，若无可用卫星，将待处理数据传回地面进行处理之后，地面运控中心查询集群中是否有可用卫星，若有可用卫星，地面运控中心向可用卫星发送遥控指令使可用卫星准备运行环境；可用卫星运行环境准备完毕后，可用卫星向地面运控中心发送消息，地面运控中心向请求卫星发送遥控指令，使请求卫星向可用卫星发送待处理数据；可用卫星进行数据处理，并根据地面运控中心的指令将运行结果发送给请求卫星或地面。

可选地，地面运控中心对子云平台的遥测过程包括：管理层收集应用层和资源层的运行状态，并将收集到的状态信息发送给星务计算机；星务计算机将状态信息按遥测数据格式进行封装，通过测控模块将封装后的状态信息发送给地面运控中心。

可选地，地面运控中心对子云平台的遥控过程包括：地面运控中心通过测控模块将遥控指令发送给星务计算机；星务计算机接收到遥控指令后，对遥控指令进行解析和校验，确认无误后通过测控模块向地面运控中心发送确认消息，并将遥控指令发送给管理层；管理层执行指令，并将执行情况发送给星务计算机；星务计算机通过测控模块将执行情况发送给地面运控中心。

可选地，数据块上传过程包括：地面运控中心通过测控模块向星务计算机发送数据块，数据块为软件更新程序或程控指令序列；星务计算机接收数据块，解析和校验无误后向地面运控中心发送确认消息，并将数据块存入存储资源池中；管理层读取数据块进行软件更新或者执行程控指令序列。

可选地，多个子云平台之间通过请求-响应的方式进行数据共享。

本发明技术方案的主要优点如下：

本发明的基于卫星集群的星上云计算平台及其管理方法，每个子云平台能够独立进行运算，根据任务需求输出执行结果。且多个子云平台通过星间链路连接，实现数据交互，为星上数据处理提供高效的平台支撑，实现卫星间的资源和数据共享，提升星上资源利用率和星上数据处理速度。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明一个实施例提供的基于卫星集群的星上云计算平台的系统架构图；

图2为本发明一个实施例提供的基于卫星集群的星上云计算平台的管理方法中自主协同模式的流程图；

图3为本发明一个实施例提供的基于卫星集群的星上云计算平台的管理方法中统一管理模式的流程图；

图4为本发明一个实施例提供的基于卫星集群的星上云计算平台的管理方法中遥测流程示意图；

图5为本发明一个实施例提供的基于卫星集群的星上云计算平台的管理方法中遥控流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以下结合附图，详细说明本发明实施例提供的技术方案。

第一方面，本发明实施例提供了一种基于卫星集群的星上云计算平台，如附图1所示，包括：与卫星集群中的每颗卫星一一对应的多个子云平台，多个子云平台之间通过星间链路连接，每个子云平台包括：资源层、虚拟化层、管理层和应用层；虚拟化层与资源层连接，管理层分别与虚拟化层、应用层和对应卫星上的星务计算机连接，星务计算机通过测控模块与数传模块与地面运控中心连接，星务计算机与对应卫星上的有效载荷连接；资源层包含对应的卫星上的硬件资源；虚拟化层，用于将硬件资源抽象成资源池；管理层，用于硬件资源管理、支持地面运控中心对子云平台的遥测和遥控、接收地面运控中心上传的数据块、为应用层的应用程序提供所需硬件资源和应用程序接口；应用层，用于运行应用程序进行数据处理。可以理解的是，附图1中的卫星2与卫星3与卫星1具有相同的构造，出于简洁没有进行标注。

以下对本发明实施例提供的基于卫星集群的星上云计算平台的工作原理进行说明：

资源层包含该卫星上可用于构建云平台的硬件资源(如，存储、计算、网络)。网络资源包含星间通信单元，用于不同卫星云平台间通信和数据传输。虚拟化层运用虚拟化技术将硬件资源抽象成资源池。如果硬件为嵌入式设备，则采用嵌入式虚拟化技术对资源进行虚拟化。星上有效载荷采集的数据也存入虚拟化后的共享存储单元中，便于云平台对数据进行星上处理。管理层主要包括四项功能：(1)硬件资源管理，对硬件资源的使用情况和运行状态等进行监控，利用云平台管理技术(如实时迁移技术、资源整合技术)保证硬件资源的高效利用。(2)支持地面对云平台的遥测遥控。管理层将云平台的运行状态发送给星务计算机，由星务计算机通过测控模块传至地面运控中心；同时，地面运控中心对云平台的管理和控制通过测控模块和星务计算机传至管理层实现。(3)接收地面运控中心上传的数据块，用于更新云平台中软件。数据块可能为软件更新程序，也可能为对云平台的程控指令序列。(4)为应用层各种应用程序提供所需硬件的资源和应用程序接口(ApplicationProgramming Interface，API)。应用层以虚拟机或容器的方式运行各种应用程序。如果应用程序需要将数据处理结果传回地面，则将数据通过星务计算机和数传模块传至地面。运行于应用层的各种应用程序可利用星间通信单元分配的网络资源在各子云平台间实现资源和数据共享。

本发明实施例提供的基于卫星集群的星上云计算平台，通过建立与卫星集群中的每个卫星对应的子云平台，每个子云平台能够独立进行运算，根据任务需求输出执行结果。且多个子云平台通过星间链路连接，实现数据交互，为星上数据处理提供高效的平台支撑，实现卫星间的资源和数据共享，提升星上资源利用率和星上数据处理速度。

本发明实施例中，硬件资源包括存储资源、计算资源和网络资源，网络资源用于实现子云平台内部的互联互通，网络资源还包括星间通信单元，用于星间通信和数据传输；存储资源与星务计算机和数传模块连接，用于存储星上数据，数传模块读取星上数据传回地面。

可以理解的是，星上数据可以包括且不限于对应卫星平台数据、子云平台内部数据和有效载荷采集的数据。

第二方面，本发明实施例提供了一种基于卫星集群的星上云计算平台的管理方法，管理方法包括自主协同模式和统一管理模式；

如附图2所示，自主协同模式包括：

集群中的某一卫星发生资源短缺时，该卫星作为请求卫星向集群中的其它卫星发送资源请求；

若其它卫星无可用资源，将待处理数据传回地面进行处理；

若其它卫星有可用资源，有可用资源的卫星作为响应卫星向请求卫星发送响应消息；

请求卫星向响应卫星发送消息，使响应卫星准备运行环境；

响应卫星通过遥测消息向地面运控中心更新响应卫星的资源使用情况；

响应卫星运行环境准备完毕后，请求卫星向响应卫星发送待处理数据，响应卫星进行数据处理工作。其中，请求卫星为附图2中的卫星1，响应卫星为附图2中的卫星2。

如附图3所示，统一管理模式包括：

集群中的某一卫星发生资源短缺时，该卫星作为请求卫星向地面运控中心发送资源请求；

地面运控中心查询集群中其它卫星是否有可用资源，有可用资源的卫星为可用卫星，若无可用卫星，将待处理数据传回地面进行处理；

若有可用卫星，地面运控中心向可用卫星发送遥控指令使可用卫星准备运行环境；

可用卫星运行环境准备完毕后，可用卫星向地面运控中心发送消息，地面运控中心向请求卫星发送遥控指令，使请求卫星向可用卫星发送待处理数据；

可用卫星进行数据处理，并根据地面运控中心的指令将运行结果发送给请求卫星或地面。其中，请求卫星为附图3中的卫星1，可用卫星为附图3中的卫星2。

本发明实施例提供的基于卫星集群的星上云计算平台的管理方法，能够在集群中的多个卫星之间实现数据交互，为星上数据处理提供高效的平台支撑，实现卫星间的资源和数据共享，提升星上资源利用率和星上数据处理速度。

可选地，自主协同模式中，若其它卫星无可用资源，将待处理数据传回地面进行处理之后，请求卫星查询集群中其它卫星是否有可用资源，若其它卫星有可用资源，有可用资源的卫星作为响应卫星向请求卫星发送响应消息；请求卫星向响应卫星发送消息，使响应卫星准备运行环境；响应卫星运行环境准备完毕后，请求卫星向响应卫星发送待处理数据，响应卫星进行数据处理工作。如此设置，可以在其它卫星出现可用资源后，即可使用该卫星进行数据处理工作，降低传回地面进行处理的数据量，更加高效。

可选地，统一管理模式中，若无可用卫星，将待处理数据传回地面进行处理之后，地面运控中心查询集群中是否有可用卫星，若有可用卫星，地面运控中心向可用卫星发送遥控指令使可用卫星准备运行环境；可用卫星运行环境准备完毕后，可用卫星向地面运控中心发送消息，地面运控中心向请求卫星发送遥控指令，使请求卫星向可用卫星发送待处理数据；可用卫星进行数据处理，并根据地面运控中心的指令将运行结果发送给请求卫星或地面。如此设置，可以在其它卫星出现可用资源后，即可使用该卫星进行数据处理工作，降低传回地面进行处理的数据量，更加高效。

本发明实施例中，管理层支持地面对子云平台的遥测和遥控，示例地，地面运控中心对子云平台的遥测过程包括：

管理层收集应用层和资源层的运行状态，并将收集到的状态信息发送给星务计算机；

星务计算机将状态信息按遥测数据格式进行封装，通过测控模块将封装后的状态信息发送给地面运控中心。该过程的示意图可以参见附图4。

示例地，地面对子云平台的遥控过程包括：

地面运控中心通过测控模块将遥控指令发送给星务计算机；

星务计算机接收到遥控指令后，对遥控指令进行解析和校验，确认无误后通过测控模块向地面运控中心发送确认消息，并将遥控指令发送给管理层；

管理层执行指令，并将执行情况发送给星务计算机；

星务计算机通过测控模块将执行情况发送给地面运控中心。

该过程的示意图可以参见附图5。

本发明实施例中，管理层用于接收地面上传的数据块，示例地，数据块上传过程包括：

地面运控中心通过测控模块向星务计算机发送数据块，数据块为软件更新程序或程控指令序列。

星务计算机接收数据块，解析和校验无误后向地面运控中心发送确认消息，并将数据块存入存储资源池中。可以理解的是，硬件资源经虚拟化后形成资源池，对应的，硬件资源中的存储资源经虚拟化后形成存储资源池。

管理层读取数据块进行软件更新或者执行程控指令序列。

本发明实施例提供的星上云计算平台的管理方法中，多个子云平台间通过请求-响应的方式进行数据共享。详细阐述如下：卫星一旦发射入轨，其搭载的有效载荷不会发生变化，因此每颗卫星产生的数据也相对固定。当集群中的某颗卫星(如卫星1)需要某种数据时，可直接向拥有该数据的卫星(如，卫星2)发送数据请求。根据是否有该数据，卫星2向卫星1发送数据或者发送无数据的响应消息。

可以理解的是，本发明实施例中，“地面”和“地面运控中心”为不同概念，相互间没有明确联系，“地面”指一切可以与集群卫星进行通信的地面设备及系统，可以是地面运控中心，也可以是专用的卫星数据处理中心，也可以是卫星地面终端；“地面运控中心”专指负责集群卫星运行管理的机构及系统。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。此外，本文中“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”均以附图中表示的放置状态为参照。

最后应说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种基于卫星集群的星上云计算平台的管理方法，其特征在于，所述管理方法利用基于卫星集群的星上云计算平台实施，所述星上云计算平台包括：与卫星集群中的每颗卫星一一对应的多个子云平台，所述多个子云平台之间通过星间链路连接，每个所述子云平台包括：资源层、虚拟化层、管理层和应用层；所述虚拟化层与所述资源层连接，所述管理层分别与所述虚拟化层、所述应用层和对应卫星上的星务计算机连接，所述星务计算机通过对应卫星上的测控模块和对应卫星上的数传模块与地面运控中心连接，所述星务计算机与对应卫星上的有效载荷连接；所述资源层包含对应卫星上的硬件资源；所述虚拟化层，用于将硬件资源抽象成资源池；所述管理层，用于硬件资源管理、支持地面运控中心对子云平台的遥测和遥控、接收地面运控中心上传的数据块、为应用层的应用程序提供所需硬件资源和应用程序接口；所述应用层，用于运行应用程序进行数据处理；

所述管理方法包括自主协同模式和统一管理模式；

所述自主协同模式包括：

集群中的某一卫星发生资源短缺时，该卫星作为请求卫星向集群中的其它卫星发送资源请求；

若其它卫星无可用资源，请求卫星向其对应的星务计算机发送命令，通过其对应的数传模块将待处理数据传回地面进行处理；

若其它卫星有可用资源，有可用资源的卫星作为响应卫星向请求卫星发送响应消息；

请求卫星向响应卫星发送消息，使响应卫星准备运行环境；

响应卫星通过其对应的星务计算机和其对应的测控模块向地面运控中心发送遥测消息，以向地面运控中心更新响应卫星的资源使用情况；

响应卫星运行环境准备完毕后，请求卫星向响应卫星发送待处理数据；

响应卫星进行数据处理工作，并根据请求卫星的指令将运行结果发送给请求卫星或地面；

所述统一管理模式包括：

集群中的某一卫星发生资源短缺时，该卫星作为请求卫星通过其对应的星务计算机和其对应的测控模块向地面运控中心发送资源请求；

地面运控中心查询集群中其它卫星是否有可用资源，有可用资源的卫星为可用卫星，若无可用卫星，将待处理数据传回地面进行处理；

若有可用卫星，地面运控中心向可用卫星发送遥控指令使可用卫星准备运行环境；

可用卫星运行环境准备完毕后，可用卫星向地面运控中心发送消息，地面运控中心向请求卫星发送遥控指令，使请求卫星向可用卫星发送待处理数据；

可用卫星进行数据处理，并根据地面运控中心的指令将运行结果发送给请求卫星或地面；

所述自主协同模式中，若其它卫星无可用资源，将待处理数据传回地面进行处理之后，请求卫星查询集群中其它卫星是否有可用资源，若其它卫星有可用资源，有可用资源的卫星作为响应卫星向请求卫星发送响应消息；请求卫星向响应卫星发送消息，使响应卫星准备运行环境；响应卫星运行环境准备完毕后，请求卫星向响应卫星发送待处理数据，响应卫星进行数据处理工作，并根据请求卫星的指令将运行结果发送给请求卫星或地面；

所述统一管理模式中，若无可用卫星，将待处理数据传回地面进行处理之后，地面运控中心查询集群中是否有可用卫星，若有可用卫星，地面运控中心向可用卫星发送遥控指令使可用卫星准备运行环境；可用卫星运行环境准备完毕后，可用卫星向地面运控中心发送消息，地面运控中心向请求卫星发送遥控指令，使请求卫星向可用卫星发送待处理数据；可用卫星进行数据处理，并根据地面运控中心的指令将运行结果发送给请求卫星或地面。

2.根据权利要求1所述的基于卫星集群的星上云计算平台的管理方法，其特征在于，地面运控中心对子云平台的遥测过程包括：

管理层收集应用层和资源层的运行状态，并将收集到的状态信息发送给星务计算机；

星务计算机将状态信息按遥测数据格式进行封装，通过测控模块将封装后的状态信息发送给地面运控中心。

3.根据权利要求1所述的基于卫星集群的星上云计算平台的管理方法，其特征在于，地面运控中心对子云平台的遥控过程包括：

地面运控中心通过测控模块将遥控指令发送给星务计算机；

星务计算机接收到遥控指令后，对遥控指令进行解析和校验，确认无误后通过测控模块向地面运控中心发送确认消息，并将遥控指令发送给管理层；

管理层执行指令，并将执行情况发送给星务计算机；

星务计算机通过测控模块将执行情况发送给地面运控中心。

4.根据权利要求1所述的基于卫星集群的星上云计算平台的管理方法，其特征在于，数据块上传过程包括：

地面运控中心通过测控模块向星务计算机发送数据块，数据块为软件更新程序或程控指令序列；

星务计算机接收数据块，解析和校验无误后向地面运控中心发送确认消息，并将数据块存入存储资源池中；

管理层读取数据块进行软件更新或者执行程控指令序列。

5.根据权利要求1所述的基于卫星集群的星上云计算平台的管理方法，其特征在于，多个子云平台之间通过请求-响应的方式进行数据共享。

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