本帖最后由 中国计算机学会 于 2024-4-19 14:55 编辑
摘要—本文回顾了卫星发展的历程，探讨了卫星计算在多个应用场景下的需求及面临的挑战，展示了团队在卫星计算方面的尝试和初步成果。该团队围绕“天算星座”项目，在星载5G核心网系统、云原生卫星、面向星地融合的服务化架构、卫星操作系统、星载ARM SoC阵列等方面进行了探索与创新。
徐梦炜（北京邮电大学）
邢若粼（北京邮电大学）
王尚广（北京邮电大学）
关键词 ：卫星计算
卫星发展历程：为什么卫星计算成为机遇 自1957年人类成功发射第一颗卫星史普尼克1号以来，卫星技术从概念变成了现实，影响着人类社会生活的方方面面。卫星的出现不仅是国家和社会发展的必然要求，而且在很多方面具有不可替代的作用。 当今世界，卫星科技在一定程度上折射出大国的科技实力甚至国际地位。航天强国通常在国际事务中有更高的话语权。例如，中国、美国、俄罗斯等国家在卫星技术方面的先进程度直接影响其国际影响力。在国防军事层面，卫星技术在地缘政治方面发挥了关键作用，例如俄乌冲突、南海争端等。主要的军事卫星企业，如美国的波音（Boeing）和洛克希德·马丁（Lockheed Martin）以及中国的中国卫通、神州航天等企业，其产品在全球范围内有广泛的应用。在社会层面，卫星技术在通信、导航、遥感等方面为公众提供了极大的便利。在过去的几十年里，自然灾害平均每天造成115人死亡和数亿美元的损失[1]。借助通导遥（通信、导航、遥感）的卫星能力，能够极大程度上减少人员伤亡和财产损失。同时卫星也是地球观测、天文研究、环境监测、气象预测等多个科学领域不可或缺的工具。 在近70年的发展历程中，卫星经历了从小型化到大型化（1957年到2000年左右），再从大型化到小型化（2000至今）的两个截然不同的发展阶段。传统卫星的重量通常是400 kg或更重，但现在微小型卫星（microsatellite）和立方星（CubeSat）的重量可能只有1 kg左右。从1957年到20世纪80年代，重量在400 kg以内的小型化卫星数量占比从70%下降到不到30%。这一趋势主要源于卫星制造技术的进步，更大型的卫星得以生产。从20世纪80年代开始，小型化卫星在专用领域得到一定程度的应用，例如美国国家航空航天局（NASA）于1992年发射的用于探究地球磁场中带电粒子特征的小型探测器SAMPEX。2008年之后，随着商业航天的发展，在近地轨道投放载荷的成本越来越低，例如SpaceX的Falcon-9火箭在近地轨道投放1 kg重量的成本约为2700美元。同时，卫星的制造已经高度模块化，相比面向专用场景定制化开发的大型卫星，小型卫星快速开发和高性价比的优势带来了新一轮的卫星发射热潮。大规模卫星星座如星链（Starlink）、OneWeb等计划通过发射大量小型卫星来提供全球覆盖服务的方式逐渐成为主流。例如，截至2023年5月，星链计划已经成功发射了4469颗卫星，OneWeb在2023年3月完成了582颗卫星的发射。在此背景下，卫星计算[2]的需求和应用场景也在快速拓展。 卫星计算与执行计算的商业现成品（COTS）硬件密不可分。在遥感数据处理等方面，全球遥感卫星每天可获取高达100 TB的数据，但由于下行传输带宽（目前的先进水平能够达到1.6 Gbps左右）与卫星通信窗口有限（太阳同步轨道卫星单次过境6~8分钟），无法及时下传所有数据，借助COTS计算设备进行预先处理能够大大缓解目前的下行带宽与通信窗口限制问题。与地面边缘计算中广泛采用的COTS硬件相似，卫星COTS计算硬件也经历了从专用到通用的转变。这种转变极大地推动了卫星计算的发展，因为COTS硬件通常在可接受的可靠性范畴内，在兼容性、开发周期和成本方面都更有优势。市面上常见的边缘计算设备（涵盖CPU、GPU、NPU等算力类型），如树莓派（Raspberry Pi）、英伟达（NVIDIA）的Jetson TX2、谷歌（Google）的TPU等能够方便地进行机电热改造并部署在低轨卫星中，复用成熟的软件开发流程与人工智能（AI）应用架构。然而，在卫星应用场景中，COTS硬件面临着适配性、安全性和可靠性等多方面的挑战。例如，卫星可能需要执行军事目标侦查等特殊任务，因此必须严格防范安全漏洞和恶意攻击；同时，必须确保其在太空特殊环境下具有稳定性和长期可靠性。 当前阶段，卫星计算逐渐展现出前所未有的研究和应用机遇，无论是缓解大量遥感数据难以下传的窘境，还是需要快速响应的场景，其都有潜力发挥重要作用。如灾害应急中，卫星计算可提供近乎实时的数据分析，大大缩短抢险救灾的反应时间。此外，轨道上的卫星还能承担一些地面实验环境无法模拟的科学研究任务，如深空探测和地球环境监测等。因此，无论是从数据处理、实时应用，还是科学研究的角度来看，卫星计算都已成为一个值得深入研究和投资的新兴领域。 卫星计算应用需求 面对日益增长的数据处理需求和多样化的应用场景，卫星计算已成为卫星应用解决方案的关键组成部分。从传统遥感的数据处理效率，到卫星边缘计算在广域异构网络方面的应用，再到科学实验和太空云计算的前沿探索，卫星计算不仅在满足当前需求方面表现出色，而且在预见和驱动未来科技发展方面具有巨大潜力。下面将从增强传统遥感、拓展边缘计算、科学实验与太空云三个方面，详细探讨卫星计算应用的需求和挑战。 增强传统遥感 遥感卫星50余年的技术发展使得卫星捕获数据的速率远远超过网络传输的速率。从1972年陆地卫星1号（Landsat 1）的三个光谱带和四波段的多光谱扫描器（MSS）发展到今天的陆地卫星9号（Landsat 9）。Landsat 9拥有11个由OLI-2和TIRS-2仪器获取的光谱带，分辨率也从8位提高到了14位，数据值从256增加到16384。这一系列的技术进步使Landsat 9在数据收集量上远超最早的Landsat 1。从总体上看，2022年新增的遥感数据量就超过了6000 PB[2]，这对数据传输和实时处理都构成巨大挑战。 针对传统遥感卫星数据量庞大和实时性需求的挑战，星上数据处理技术提供了一个高效而先进的解决方案[3]。首先，基于数据过滤和筛选方法，卫星能在源头即时地识别和剔除冗余或不相关的数据，仅将有价值或紧急的信息传输回地面，大大加速了数据处理流程，并减轻了地面数据中心的计算负担。其次，卫星可以借助任务驱动的数据压缩算法，根据任务需求和优先级实时地压缩数据。例如，在森林火灾或洪水等自然灾害情况下，卫星能优先传输具有高重要性的图像和传感器数据，从而更快地启动应急响应，极大提升任务的实时性。最后，在机器学习推理方面，随着机器学习理论创新和AI模型与算法的优化，未来星上数据处理的智能化程度将得到更大提升。这意味着卫星不仅能进行基础的数据筛选和压缩，还能在轨道上进行更复杂的数据分析任务，如物体识别或趋势预测，进一步提高数据传输和应用的精确性与效率。这样的多维度处理不仅提高了数据处理的速度和效率，还为地面控制中心提供了更加精准和实用的信息，以应对各种复杂和紧急的应用需求。 拓展边缘计算 卫星计算可被视为一种特殊的边缘计算形式[4]。边缘计算主要在离数据源较近的地方进行数据处理，以减少延迟和带宽使用[5]。卫星计算适用于地理位置分散和网络环境复杂的场景。例如，在内容分发网络（Content Distribution Network，CDN）中，卫星计算能让用户更快地获取所需内容[6]。 以物联网（IoT）领域的应用为例，卫星计算在数据处理和实时监控方面具有明显优势，并广泛适用于多个垂直行业。在精细农业中，Myriota和FarmBot等公司通过卫星连接的IoT设备，实现了对土壤湿度、天气状况和水位的远程监控，以优化灌溉和水资源管理。环境监测方面，英国南极调查队和CLS公司利用卫星IoT设备和系统，进行全球范围内的野生动物追踪和环境监控。在石油和天然气行业，铱星公司（Iridium）及其合作伙伴通过卫星IoT解决方案，实现了远程管道和海上平台的监控，以提升运营效率和安全性。在海事行业中，exactEarth和Orbcomm等公司提供基于卫星的船舶跟踪和环境监控服务。在物流和供应链管理中，AST公司的全球卫星基础设施支持资产追踪，特别是在偏远地区。卫星计算尽管具有巨大的潜力，但在实际应用中仍面临包括安全性和数据一致性在内的多种挑战，整体发展还处于早期。 科学实验与太空云 近年来的太空计算项目，如阿联酋的“希望号”火星探测器和慧与（Hewlett Packard Enterprise）的星载计算机-2（Spaceborne Computer-2），不仅验证了太空计算的在轨数据预处理能力，还执行了多样化的太空数据分析任务。这些项目的主要目标是验证星上数据处理的可行性和效益。例如，Spaceborne Computer-2成功地在太空环境中运行了多种机器学习算法，为未来的太空计算应用提供了有力证据。这些进展催生了“太空云”这一新兴概念，即基于卫星网络构建的分布式计算环境。值得注意的是，太空云不仅有助于数据存储和处理，还能高效地利用近地轨道的太阳能资源，为实现全球碳中和提供支持。例如，英国政府正在考虑投资160亿英镑建设空间太阳能电站作为其“净零创新组合”项目的一部分，而美国和中国也在积极推进相关的空间太阳能项目。这些空间太阳能电站可以24小时不间断地收集太阳能，然后通过高频无线电波将能量传输到地球，大大增强了太空云的能源自足性。总体而言，太空计算和太空云的综合应用不仅在数据处理和实时应用方面具有巨大潜力，还在可持续能源利用方面展示了前瞻性，虽然仍面临技术和安全等方面的挑战，但其在全球碳中和与可持续发展中的角色日益凸显。 卫星计算挑战 卫星计算正处于快速发展的交汇点，但在实现其广泛应用和最大潜力的过程中，还面临一系列复杂和多维度的挑战。这些挑战涵盖了资源受限、网络协同、健壮可靠和架构融合等多个方面。从卫星的硬件配置到其在动态和复杂网络环境中的表现，再到在极端太空条件下的稳健性，以及与地面和其他空中网络的高效融合，每一个方面都对卫星计算提出了严峻的考验。接下来分别从这四个关键方面深入探讨卫星计算面临的主要挑战及潜在解决路径。
资源受限。卫星平台面临的资源限制如图1所示。火箭载荷的计价标准主要考虑重量和体积，因此卫星在发射之前就要在这两方面做出限制。而在发射后，卫星平台的热量控制和能源管理就成为主要的限制条件。尤其是COTS计算设备，其面向地面的边缘计算场景进行开发，在太空环境下和卫星平台中，对温度和能耗都有更加严苛的要求。例如，在我们实测的结果中，星载树莓派在高负载下的工作温度迅速升高到80 ℃以上，与地面环境下平均不到60 ℃相比有明显差距；此外，太阳能在单个轨道周期内仅能供应有限电量，对于12U（20 cm×20 cm× 30 cm）的主流卫星平台所需电能在15~40 Wh之间。这些因素严重限制了高功率、高处理能力任务的持续进行。因此，如何在重量和体积的约束下，构建温度范围合理、能量供应高效以及计算效率优越的卫星计算架构成为新的挑战。 网络协同。低轨卫星大约以27 km/s的高速绕地旋转，其经过地面站的单次过顶通信窗口仅有7~10分钟。卫星高度动态的移动性给卫星网络带来了一系列挑战。卫星网络在物理通信层面，必须确保在无线链路不稳定的情况下维持高度的鲁棒性，例如针对星链的网络测量揭示了天气对卫星的无线链路性能的影响很大，在恶劣天气条件下卫星网络的吞吐量减小，延迟和丢包率都会增加[7]；在网络路由层面，高度动态的网络拓扑要求高速收敛的路由算法，网络拓扑和路由需要快速适应星座变化；在网络应用层面，极短的通信窗口期要求低轨卫星具有离线自治能力，在断连或弱网条件下依然能保证服务的稳定性。目前，许多研究工作已经对这些问题进行了深入探讨，提出了一些潜在的解决方案[8, 9]。 健壮可靠。卫星在太空环境下容易受到单粒子效应（Single Event Effects，SEE）的影响，如单粒子翻转、单粒子锁定、单粒子烧毁等[10]。这是由高能粒子与卫星电子器件相互作用引发的，其中轨道高度、太阳活动和电子器件设计都是关键影响因素。在太阳活动期，这种风险尤为突出。传统的主流应对策略分为两类。第一是选择辐射硬化的器件，但是这种器件的计算性能极低，且造价昂贵。以同等体积和重量的ARM SoC（System on Chip，片上系统）与典型的辐射硬化器件RAD750对比为例，前者的造价约50美元，主频为1.4 GHz，后者的造价为20万美元，而主频仅为200 MHz。在系统架构层面多采用如三模冗余、差错检测和纠正（Error Detection and Correction，EDAC）软硬件的系统架构，以及对其进行软件层面的加固。例如，慧与星载计算机在2017年发射至空间站，能够提供teraFLOP级（每秒一万亿次浮点运算）算力，与地面误差为0.03%，仅采用软件层可靠性优化。这些措施提高了系统的整体可靠性，但无法完全消除辐射的影响，因此太空环境下类似高能粒子冲击对卫星计算的影响仍需要进一步的研究。 架构融合。长久以来卫星领域的标准化推进都较为困难，最根本的原因就是传统的卫星应用与发展模式已经远远落后于卫星发展的新趋势。早期的卫星通信面向对通话可靠性要求极高的小范围客户群体，采用专用的通信制式和设备并主要基于高轨卫星。如早期卫星可用于广播电视信号，采用电视广播协议（Digital Video Broadcasting，DVB）进行通信。卫星高度定制化造成了遥感、通信、导航卫星呈现出“星星并存”的特点，并直接导致了应用部署不灵活、星座资源利用不充分等问题。由于星座通信规范和网络协议的不统一，很多现有应用无法直接在卫星网络中运行，给空天地一体化网络融合发展带来巨大的挑战。标准化组织第三代合作伙伴计划（3GPP）针对此问题提出了非地面网络（non-terrestrial networks，NTN）的解决方案，不过目前这项工作仍处于早期阶段。长期来看，卫星与地面基础设施的架构融合既是趋势也是挑战，这些挑战需要全新的网络架构和协议来解决，并已成为当前研究的热点之一。 卫星计算尝试 随着卫星网络和计算进入一个全新的创新阶段，不少科研团队和企业正在探索如何更有效地利用卫星作为一种具备通信能力的先进计算平台，但目前的很多尝试都因受制于高昂的发射成本与冗长的实验周期而无法达成。为了更好地支持卫星计算和网络领域开放开源的基础实验，推动算网融合趋势在卫星上的演进，我们发起了“天算星座”项目[11]，定位于“面向国家需求，瞄准国际前沿，立足产学研用，坚持开放开源，争创国际领先，服务人类社会”，力争成为国际卫星领域的一支重要探索力量，为我国构建智能化综合性数字信息基础设施开展前期研究。围绕“天算星座”项目，我们进行了多方面的技术探索，产生了一系列标志性成果，包括星载5G核心网系统、云原生卫星平台以及以“北邮一号”为代表的全栈云原生化的新型卫星系统。通过攻克星地一体服务化测控管理与资源配置、面向多类卫星业务的地面站跨域协同与服务供应等关键技术，天算星座将云原生技术体系应用到卫星上，并攻克了功耗散热失衡下的容器轻量化、星地网络协议兼容性等关键技术挑战，整合了以5G核心网为基础的星载交换技术及卫星异构设备管理功能，使“北邮一号”“宝酝号”等卫星具备了载荷服务化组合能力，有效解决了传统卫星载荷不兼容、软硬件难复用、星地AI计算任务难协同、技术迭代慢导致的难以满足用户的业务多样性和试验的及时性需求等问题。同时，依托“天算星座”，我们在系统软件层面研发了面向卫星应用场景的基于Rust语言的RROS双内核操作系统，以解决传统操作系统在支持卫星计算任务的通用性和实时性方面的局限。在硬件架构层面，我们提出了一种星载ARM SoC阵列方案，目的是验证大算力集群在卫星网络下的可行性，探索针对卫星平台的算网融合。这一解决方案有望大幅提升卫星的数据处理能力，还能有效减轻地面数据中心的运算负担。 天算星座的设计初衷是“开源开放，合作共建”，让卫星从传统的“功能机”转变为“智能机”，科研人员和相关从业者可以像在手机上安装APP一样，向卫星提交自己的试验任务，快速、经济地迭代和创新空天计算技术。至今，天算星座已经形成以“北邮一号”为主星的、基于“五星七站”的架构（见图2），并进行了多次技术验证。我们依托天算星座，已经与欧洲航天局通信综合应用部（ESA, TIA）、米兰大学等多个单位建立了合作关系。基于天算星座，我们也将探索更加具有颠覆性的技术和理念，包括6G网络、卫星数据中心、卫星边缘计算等，发挥学术界在原始创新上的优势，实现把卫星变成“带翅膀的计算机”的梦想。
具体地，在系统软件层面，我们从“新架构”和“新语言”的角度出发，构建了面向卫星计算新场景的星载操作系统RROS。由于低轨卫星任务越来越复杂，传统的操作系统已经难以满足通用性和实时性的需求。比如POSIX兼容的实时内核在兼容性上存在问题，而虚拟机运行实时内核和通用内核的方案在核间通信上开销很大。对此，SpaceX等公司采用了COTS器件和Preempt-Linux作为主要的硬软件方案，但此方案只能实现软实时，实时性仍然不足。因此，我们研发了基于Rust的RROS双内核操作系统。该系统由一个通用的Linux内核和一个提供硬实时保证的实时内核组成，能够同时满足实时性和通用性需求，并且在核间通信上具有吞吐量高、时延低的优势。除了具有出色的实时性和通用性，RROS还因其高稳定性和良好的适配性，在资源受限且有高实时性和高通用性需求的卫星计算场景中具有巨大的应用潜力。 目前RROS已经完成了第一版研发，实现了实时调度子系统、实时内存子系统、实时文件子系统，以及实时网络子系统等模块。该版本已经具备可以同时运行通用计算任务和实时任务的能力：通用内核可以运行TensorFlow、PyTorch、Spark、MySQL等任务，运行开销在5%以内；实时内核的实时响应时间与传统的实时操作系统内核（MicroC/OS、FreeRTOS）相比，已经在同一个量级。并且得益于RROS的双内核架构，一个应用可以同时调用实时内核和通用内核的API，提升了开发的灵活性。RROS可以支持x86/x86_64/ARMv7/v8商用硬件平台，在树莓派、ARM SoC集群服务器上运行正常。 RROS已于2023年12月9日搭载天仪33卫星顺利进入预定轨道并正常运行，标志着全球首款由Rust编写的双内核操作系统在卫星场景正式应用。同时，RROS源码及相关文档已完全开源（https://github.com/BUPT-OS/RROS）。未来，团队将依托RROS构建一个面向未来天地一体化算网融合的开源操作系统社区。 总结与展望 卫星计算的实质是卫星及地面基础设施从硬件到应用全方位服务化的转变，通过部署低成本计算设备在计算效率和可靠性间取得平衡，并充分利用以太阳能为主的清洁能源进行可持续的全天候服务。这种转变有望推动传统卫星在计算、通信领域相关应用的革新，通过实时、高精度的数据收集和处理，可以使气候模拟、灾害预警和资源管理等应用具备前所未有的实时性和准确性。在卫星网络向全方位服务化演进的过程中，成熟完善的云化技术将发挥重要作用。 展望未来，火箭运载效率的巨幅提升开启的大航天时代近在眼前。卫星计算的重要应用还在加速人类活动空间向外太空延伸这一进程，例如，卫星计算模式将为深空探测以及月球和火星基地的建设提供强有力的支持。借助高效的卫星计算能力，我们可以更快地分析和传输深空探测数据，为人类探索宇宙提供更为稳健的技术基础。而在月球和火星基地的建设中，强大的计算支持将有助于实现更为自主和可持续的生活支持系统，使人类得以在太空长期居住和工作。我们希望借助“天算星座”联合产学研用各方资源，不断推动卫星计算在科技和社会发展中发挥重要作用，为国家占据卫星技术与产业战略先机保驾护航，为人类探索新的生存边界开创新局面。 ■ 参考文献： [2] Wang S, Li Q. Satellite Computing: Vision and Challenges[J]. IEEE Internet of Things Journal, 2023. [4] Denby B, Lucia B. Orbital edge computing: Nanosatellite constellations as a new class of computer system[C]// Proceedings of the Twenty-Fifth International Conference on Architectural Support for Programming Languages and Operating Systems. 2020: 939-954. [5] Xu M, Fu Z, Ma X, et al. From cloud to edge: a first look at public edge platforms[C]// Proceedings of the 21st ACM Internet Measurement Conference. 2021: 37-53. [6] Bhattacherjee D, Kassing S, Licciardello M, et al. In-orbit computing: An outlandish thought experiment?[C]// Proceedings of the 19th ACM Workshop on Hot Topics in Networks. 2020: 197-204. [7] Kassem M M, Raman A, Perino D, et al. A browser-side view of starlink connectivity[C]// Proceedings of the 22nd ACM Internet Measurement Conference. 2022: 151-158. [8] Michel F, Trevisan M, Giordano D, et al. A first look at starlink performance[C]// Proceedings of the 22nd ACM Internet Measurement Conference. 2022: 130-136. [9] Ma S, Chou Y C, Zhao H, et al. Network Characteristics of LEO Satellite Constellations: A Starlink-Based Measurement from End Users[C]// IEEE INFOCOM 2023-IEEE Conference on Computer Communications. IEEE, 2023: 1-10. [10] Ye B, Mo L H, Liu T, et al. Influence of Orbital Parameters on SEU Rate of Low-Energy Proton in Nano-SRAM Device[J]. Symmetry, 2020, 12(12): 2030. [11] Wang S, Li Q, Xu M, et al. Tiansuan constellation: An open research platform[C]// 2021 IEEE International Conference on Edge Computing (EDGE). IEEE, 2021: 94-101.
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发表于 2024-4-12 17:14:59