CN111547270A - 一种卫星电子一体化处理系统及微纳卫星 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种卫星电子一体化处理系统和微纳卫星，卫星电子一体化处理系统包括硬件架构平台、硬件资源管理模块以及虚拟机。硬件资源管理模块用于对所述硬件架构平台的硬件资源进行管理；虚拟机配置在所述硬件资源管理模块中；所述虚拟机中配置有操作系统以及用于实现不同功能的应用程序。本公开实现了应用程序与硬件架构平台之间的解耦，不同应用程序对于硬件环境的不同需求通过虚拟机的资源调配来实现，不需要对硬件架构平台进行重复构建和配置，有助于卫星快速研制、降低研制成本，提高卫星功能构件质量、可进化和维护水平。

Description

一种卫星电子一体化处理系统及微纳卫星

技术领域

本发明涉及人造卫星技术领域，尤其涉及一种卫星电子一体化处理系统及微纳卫星。

背景技术

随着集成电路与微系统、新材料、计算机硬件及软件、网络等技术的迅猛发展及其在微纳卫星领域的推广应用，为微纳卫星的设计、研发和应用带来了新的机遇和挑战。卫星一般可分为卫星平台和业务载荷两部分，卫星平台是支持和保障有效载荷正常工作的所有服务系统构成的组合体。通信卫星的业务载荷主要完成来自地球站的信号接收、信号变换和向地球站的信号发送。业务载荷一般由天线分系统和转发器分系统组成，两者配合起来完成信号转发任务。传统典型的以平台为中心的分系统模块化设计理念已经向以载荷为中心的无平台一体化方向发展。随着基于卫星的业务网络化应用不断增加，使得网络式部署和服务及其对卫星批量大规模生产的需求进一步常态化。卫星平台和业务载荷的边界越来越模糊，尤其是为了进一步提高卫星功能集成密度、降低卫星研制成本、加快卫星研制周期，平台和载荷呈现一体化融合发展的趋势越来越明显。

而现有的卫星电子处理系统的架构包括卫星平台所属的星务计算机、测控应答机、电源控制器等以及业务载荷(例如通信载荷)所属的信号处理单元、业务数据处理单元、载荷管理控制单元等，前者基于CPU、FPGA等处理器，后者基于信号密集型和数据密集型的处理器部分，两者分别属于不同的硬件架构，并且卫星平台和业务载荷由不同的研发机构分别进行研发设计，在元器件、基础软件等选型方面，存在差异化，例如操作系统选型不同，应用软件采用闭源开发。由此导致了在开发卫星应用软件时，许多共用的硬件资源需要进行重复构建和配置，增加了卫星的重量、体积、功耗和成本，并且对实现卫星应用软件及硬件构件的可重复、可维护、可成长的生态环境建设起到了消极影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种卫星电子一体化处理系统及微纳卫星，可以使不同的卫星应用软件在异构的硬件架构平台上整合、共享硬件资源，避免重复构建和配置硬件资源。

本发明采用的技术方案是，一种卫星电子一体化处理系统，包括：

硬件架构平台；

硬件资源管理模块，用于对所述硬件架构平台的硬件资源进行管理；以及

虚拟机，配置在所述硬件资源管理模块中；所述虚拟机中配置有操作系统以及用于实现不同功能的应用程序。

根据本公开的至少一个实施方式，所述硬件架构平台包括处理器、存储器及网络通信组件；其中，所述网络通信组件、所述存储器及所述处理器通过总线相互连接并完成相互间的通信。

根据本公开的至少一个实施方式，单个所述处理器中集成有多个内核，所述多个内核用于并行处理接收到的所述应用程序。

根据本公开的至少一个实施方式，所述硬件资源管理模块采用宿主机模式进行硬件虚拟化，以建立所述虚拟机，或者采用虚拟机监视器模式进行硬件虚拟化，以建立所述虚拟机。

根据本公开的至少一个实施方式，所述硬件资源管理模块中配置有多个所述虚拟机，多个所述虚拟机之间通过所述硬件资源管理模块进行数据交换和多个任务之间的协调管理；其中，每个任务由至少一个所述应用程序来完成。

根据本公开的至少一个实施方式，多个所述虚拟机中包括卫星综合管控虚拟机，所述卫星综合管控虚拟机中配置VxWorks操作系统；所述卫星综合控制虚拟机中包括但不限于星务管理应用程序、姿态解算应用程序、遥测遥控应用程序、电源管理应用程序、轨道控制应用程序和数据管理应用程序。

根据本公开的至少一个实施方式，多个所述虚拟机中包括通信波形处理虚拟机，所述通信波形处理虚拟机中配置嵌入式操作系统；所述通信波形处理虚拟机中包括但不限于波束管控应用程序、数字波束成形应用程序、基带信号处理应用程序和功率控制应用程序。

根据本公开的至少一个实施方式，多个所述虚拟机中包括边缘计算处理虚拟机，所述边缘计算处理虚拟机中配置Linux操作系统；所述边缘计算处理虚拟机中包括但不限于频谱数据处理应用程序、网络路由计算应用程序和业务数据在轨处理应用程序。

本发明还提供了一种微纳卫星，包括上述实施方式中任一项所述的卫星电子一体化处理系统。

根据本公开的至少一个实施方式，还包括星间和星地的业务平台接口，所述业务平台接口用于使卫星电子一体化处理系统及其虚拟机通过星间和星地通信链路与业务中心相连接，以进行虚拟机及其中应用程序的安装、更新或卸载；所述业务中心含有多个虚拟机集合及其中的应用程序形成的程序集合。

采用上述技术方案，本发明至少具有下列优点：

本发明所述的卫星电子一体化处理系统采用硬件资源管理模块对硬件架构平台的硬件资源进行管理(例如对硬件资源重新映射管理)，通过硬件资源管理模块建立、配置虚拟机，在虚拟机中配置所需的操作系统以及用于实现不同功能的应用程序。不同的应用程序所需要的运行环境和资源以及配置均是通过在虚拟机中实现，实现了应用程序与硬件架构平台之间的解耦，不同应用程序对于硬件环境的不同需求通过虚拟机的资源调配来实现，不需要对硬件架构平台进行重复构建和配置，有助于卫星快速研制、降低研制成本，提高卫星功能构件质量、可成长和维护水平。

附图说明

图1为本发明一种实施例的卫星电子一体化处理系统的架构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开。

根据本公开的一个方面，一种卫星电子一体化处理系统，如图1所示的卫星电子一体化处理系统的架构示意图，该卫星电子一体化处理系统包括硬件架构平台、硬件资源管理模块以及虚拟机(VM)。硬件架构平台是指根据卫星平台和载荷运行所需的元器件综合集成设置的硬件资源。硬件资源管理模块是运行在硬件架构平台上的硬件管理程序，用于对所述硬件架构平台的硬件资源进行管理。例如对某个硬件设备的启动、关闭以及访问的时序分配等。虚拟机配置在所述硬件资源管理模块中；虚拟机是在硬件资源管理模块对硬件资源进行重新映射管理的基础上建立的。所述虚拟机中配置有操作系统以及用于实现不同功能的应用程序。虚拟机中的虚拟硬件是通过硬件资源管理模块对硬件资源进行虚拟映射实现的，配置在虚拟机中的应用程序与硬件架构平台的物理实体硬件之间解耦，使得应用程序对于物理实体硬件的依赖关系变弱，能够适应不同架构的物理实体硬件。不同的应用程序所需要的运行环境和资源以及配置均是通过在虚拟机中实现，不需要对硬件架构平台进行重复构建和配置，有助于卫星快速研制、降低研制成本，提高卫星功能构件质量、可成长和维护水平。

在本公开的一些实施方式中，硬件架构平台可以包括处理器、存储器及网络通信组件。其中，所述网络通信组件、所述存储器及所述处理器通过总线相互连接并完成相互间的通信。虚拟机中的应用程序与硬件架构平台解耦，故硬件架构平台可以采用异构硬件，例如处理器可以包括CPU、FPGA、DSP和GPU之中的至少一种，不同类型的处理器所采用的架构不同。同样，存储器也可以包括ROM、RAM和FLASH之中的至少一种。本领域技术人员可知，硬件架构平台还可以包括其他的通用外设资源。硬件资源管理模块可以运行在不同架构的硬件资源上，对各种硬件资源进行重新映射管理，例如将某种架构的处理器、某种类型的存储器和相关外设映射成一套建立虚拟机的虚拟硬件平台。同时将另一种架构的处理器、另一种类型的存储器和相关外设映射成另外一套建立虚拟机的虚拟硬件平台，从而在共同的硬件架构平台上建立多个不同的虚拟机。

在本公开的一些实施方式中，单个所述处理器中可以集成有多个内核，所述多个内核用于并行处理接收到的所述应用程序。每个应用程序在执行时会产生多个线程，传统的星载电子系统架构，由于应用程序是直接针对实体硬件进行开发和运行，针对某种架构的处理器开发和运行的应用程序，不能利用其他架构的处理器的处理能力。即使采用多个内核的处理器，也不能有效适应多核硬件环境，不能充分发挥多核的处理能力，不能充分利用多核带来的系统设计的灵活性。而本公开的卫星电子一体化处理系统的架构中，虚拟机的建立使得应用程序与硬件架构平台之间解耦，应用程序可以充分利用不同架构处理器中的不同内核进行处理，即多个线程可以由不同的内核并行处理。例如，每个内核承担一个线程，多个内核同时处理不同的线程，以此加快应用程序的运行速度，提高系统执行效率。

在本公开的一些实施方式中，硬件资源管理模块采用宿主机(Host)模式进行硬件虚拟化，以建立所述虚拟机。宿主机模式是在硬件上先运行一个操作系统，在操作系统中运行虚拟机管理软件，通过虚拟机管理软件建立多个虚拟硬件资源，在虚拟硬件资源基础上构建虚拟机，虚拟机中配置有针对该虚拟机的操作系统，虚拟机中配置的操作系统可以与硬件上运行的操作系统不同。该模式中在硬件上运行的操作系统和其中的虚拟机管理软件形成硬件资源管理模块。

可选的，硬件资源管理模块也可以采用虚拟机监视器(Hypervisor)模式进行硬件虚拟化，以建立所述虚拟机。虚拟机监视器模式是在硬件上先运行一个虚拟机监视器。虚拟机监视器运行后会给每一台虚拟机分配适量的内存、处理器、网络和磁盘等资源，从而建立一个或多个虚拟机。在虚拟机中配置有针对该虚拟机的操作系统。该模式中在硬件上运行的虚拟机监视器和其中的虚拟机形成硬件资源管理模块。

在本公开的一些实施方式中，硬件资源管理模块中配置有多个所述虚拟机，多个所述虚拟机之间通过所述硬件资源管理模块进行数据交换和多个任务之间的协调管理。其中，每个任务由至少一个所述应用程序来完成。硬件资源管理模块对多个虚拟机统一协调管理。任务是指卫星要完成的功能，任务具体由各虚拟机里的应用程序来执行。要完成一项任务(功能)，可能需要运行多个应用程序共同实现。例如，要完成卫星的星间微波通信这个任务，需要用到两个虚拟机里的两个应用程序，一个虚拟机的应用程序完成卫星姿态调整，另一个虚拟机的应用程序完成通信。

在本公开的一些实施方式中，多个所述虚拟机中包括卫星综合管控虚拟机，所述卫星综合管控虚拟机中配置有VxWorks操作系统。VxWorks是硬实时操作系统，在航天电子领域应用广泛，硬实时是指操作系统必须在规定时间内完成任务，是确定性的。卫星需要地面站控制完成一系列动作，因此任务执行情况必须及时反馈给地面操作人员，VxWorks可以很好完成这项任务。所述卫星综合管控虚拟机中包括但不限于星务管理应用程序、姿态解算应用程序、遥测遥控应用程序、电源管理应用程序、轨道控制应用程序和数据管理应用程序。星务管理应用程序用于完成监视卫星各部件的健康状态，故障监测、隔离与恢复，卫星任务的调度与管理。姿态解算应用程序根据姿态测量器件的数据，利用算法对自身姿态进行计算，得出自身所处空间位置。遥测遥控应用程序用于完成各部件遥测参数的收集、打包，以及对上行来的遥控指令进行解码，并根据解码结果里的标识，通过总线发送到相关部组件。电源管理应用程序的作用是监测电池状态，监测和调整各部件电源使用情况，进行充放电管理。轨道控制应用程序用于根据上行指令要求，完成推进系统的状态监视、管理控制。数据管理应用程序用于对卫星存储的数据资源进行调度和管理。

在本公开的一些实施方式中，多个所述虚拟机中包括通信波形处理虚拟机，通信波形处理虚拟机用于完成卫星相关通信业务，包括移动通信、宽带接入、物联通信。所述通信波形处理虚拟机中配置嵌入式操作系统，嵌入式操作系统占用的系统资源更少，体积更小。本领域技术人员可以理解，除了采用嵌入式操作系统之外，也可以采用Linux操作系统。所述通信波形处理虚拟机中包括但不限于波束管控应用程序、数字波束成形应用程序、基带信号处理应用程序和功率控制应用程序。波束管控应用程序用于完成通信波束的大小、指向的管理和控制。数字波束成形应用程序用于完成模拟信号精确转换为数字信号。基带信号处理应用程序用于将信号转换为数据。功率控制应用程序用于完成信号能量的控制。

在本公开的一些实施方式中，多个所述虚拟机中包括边缘计算处理虚拟机，所述边缘计算处理虚拟机中配置Linux操作系统；由于计算的生态大多基于Linux系统，此处采用Linux系统可以快速、方便、成熟的使用现有的计算技术。所述边缘计算处理虚拟机中包括但不限于频谱数据处理应用程序、网络路由计算应用程序和业务数据在轨处理应用程序。频谱数据处理应用程序专门用于处理信号频谱大数据的算法或模型。网络路由计算应用程序专门根据网络拓扑情况，对全网路由计算，生成路由表。业务数据在轨处理应用程序用于针对某类业务数据进行数据分析、挖掘，生成更有价值的信息。

以下说明本公开卫星电子一体化处理系统的一个实施方式的构建方法：

步骤S10：在卫星异构硬件资源(硬件架构平台)的基础上，选择建立虚拟硬件资源的方式，例如采用Host模式或采用Hypervisor虚拟模式。

步骤S20：根据卫星的业务功能和要求来创建所需数量的虚拟机，如建立卫星综合管控虚拟机、通信波形处理虚拟机和边缘计算处理虚拟机。

步骤S30：在卫星综合管控虚拟机里，根据卫星SWAP-C(重量、体积、功耗和成本)情况及所研制的部组件，开发、移植或部署对应的功能构件，例如星务管理APP(应用软件)、姿态解算APP、遥测遥控APP、电源管理APP、轨道控制APP等。

步骤S40：在通信波形处理虚拟机里，根据卫星天线及信息传输体制，开发、移植或部署对应的功能构件，例如波束管控APP、数字波束成形APP、基带信号处理APP、功率控制APP等。

步骤S50：在边缘计算处理虚拟机里，根据业务通信载荷数据处理需求，开发、移植或部署对应的功能构件，例如基于频谱感知模型的频谱数据处理APP、网络路由计算APP、业务数据在轨处理APP等。

综上所述，本公开的卫星电子一体化处理系统在硬件架构平台的基础上采用的软件系统架构为VM(虚拟机)+OS(操作系统)+APP(应用程序)，VM和实际的硬件是解耦的，从而实现了应用软件和运行硬件的解耦。每一个VM+OS+APP构成了一个可以独立创建、部署、运行、管理的标准功能单元，提供各种标准功能服务。并且，在卫星批量生产过程中，如选用部组件相同的情况下，虚拟机可快速进行迁移、部署和运行。

本公开还提供了一种微纳卫星，该微纳卫星采用上述任一实施方式中所描述的卫星电子一体化处理系统。

可选的，微纳卫星还可以包括星间和星地的业务平台接口，所述业务平台接口用于使卫星电子一体化处理系统及其中的虚拟机通过星间和星地通信链路与业务中心相连接，以进行虚拟机及其中的应用程序的安装、更新或卸载；所述业务中心包含虚拟机集合及其中的多个应用程序形成的程序集合。其中，业务平台是指对各虚拟机及其中的应用程序统一进行管理的业务管理平台，其功能和作用相当于手机使用过程中用到的应用市场。业务平台接口是指为各虚拟机及其中的应用程序提供安装、更新或卸载的管理接口。业务平台接口的作用是使卫星电子一体化处理系统及其中的虚拟机通过星间和星地通信链路与业务中心(可以部署在卫星或部署在地面)相连接，业务中心包含有多个应用程序形成的程序集合(微云服务集合)。

微纳卫星通过业务平台接口进行微云服务的一个示例性实施过程可以描述如下：

根据卫星任务的需要，虚拟机通过业务平台接口发起需要安装某应用程序的请求。

该请求通过星间通信链路和星地通信链路发送到业务中心。

业务中心收到请求后，查询自己的应用程序集合库或微云服务库；根据业务中心部署的位置不同，可分为部署在卫星里的星载业务中心和部署在地面的地面业务中心。

如果业务中心部署在地面，均能找到请求安装的应用程序，因为地面可以通过人工进行操作，将程序集合库中目前没有的程序补充进去；地面业务中心查询到请求安装的应用程序后，将应用程序通过星间或星地链路发给请求的星载虚拟机。

如果业务中心部署在卫星里，则分为以下两种情况：

如果星载业务中心查询到请求安装的应用程序，则将应用程序通过星间或星地链路发给请求的星载虚拟机。

如果星载业务中心没有查询到请求安装的应用程序，则统一向地面业务中心发送查询请求；最终通过地面业务中心找到请求安装的应用程序，并将应用程序通过星间或星地链路发给请求的星载虚拟机。

通过具体实施方式的说明，应当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图示仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。

Claims (10)

1.一种卫星电子一体化处理系统，其特征在于，包括：

硬件架构平台；

硬件资源管理模块，用于对所述硬件架构平台的硬件资源进行管理；以及

虚拟机，配置在所述硬件资源管理模块中；所述虚拟机中配置有操作系统以及用于实现不同功能的应用程序。

2.根据权利要求1所述的卫星电子一体化处理系统，其特征在于，所述硬件架构平台包括处理器、存储器及网络通信组件；其中，所述网络通信组件、所述存储器及所述处理器通过总线相互连接并完成相互间的通信。

3.根据权利要求2所述的卫星电子一体化处理系统，其特征在于，单个所述处理器中集成有多个内核，所述多个内核用于并行处理接收到的所述应用程序。

4.根据权利要求1所述的卫星电子一体化处理系统，其特征在于，所述硬件资源管理模块采用宿主机模式进行硬件虚拟化，以建立所述虚拟机，或者采用虚拟机监视器模式进行硬件虚拟化，以建立所述虚拟机。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的卫星电子一体化处理系统，其特征在于，所述硬件资源管理模块中配置有多个所述虚拟机，多个所述虚拟机之间通过所述硬件资源管理模块进行数据交换和多个任务之间的协调管理；其中，每个任务由至少一个所述应用程序来完成。

6.根据权利要求5所述的卫星电子一体化处理系统，其特征在于，多个所述虚拟机中包括卫星综合管控虚拟机，所述卫星综合管控虚拟机中配置VxWorks操作系统；所述卫星综合管控虚拟机中包括但不限于星务管理应用程序、姿态解算应用程序、遥测遥控应用程序、电源管理应用程序、轨道控制应用程序和数据管理应用程序。

7.根据权利要求5所述的卫星电子一体化处理系统，其特征在于，多个所述虚拟机中包括通信波形处理虚拟机，所述通信波形处理虚拟机中配置嵌入式操作系统；所述通信波形处理虚拟机中包括但不限于波束管控应用程序、数字波束成形应用程序、基带信号处理应用程序和功率控制应用程序。

8.根据权利要求5所述的卫星电子一体化处理系统，其特征在于，多个所述虚拟机中包括边缘计算处理虚拟机，所述边缘计算处理虚拟机中配置Linux操作系统；所述边缘计算处理虚拟机中包括但不限于频谱数据处理应用程序、网络路由计算应用程序和业务数据在轨处理应用程序。

9.一种微纳卫星，其特征在于，包括权利要求1至8中任一项所述的卫星电子一体化处理系统。

10.根据权利要求9所述的微纳卫星，其特征在于，还包括星间和星地的业务平台接口，所述业务平台接口用于使卫星电子一体化处理系统及其包含的虚拟机通过星间和星地通信链路与业务中心相连接，以进行虚拟机及其中的应用程序的安装、更新或卸载；所述业务中心含有多个虚拟机集合以及其中应用程序形成的程序集合。

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