技术领域
[0001] 本
发明星载信息处理与空间数据系统领域，特别是空间智能飞行器云边协同信息处理架构。
背景技术
[0002] 以深空探测及在轨服务与维护为应用背景的新的空间飞行任务对空间飞行器的智能化、模
块化、网络化、协同化提出了更高要求。其中，智能化要求飞行器具备高
精度自主导航、复杂环境智能认知、操作任务智能决策以及自主管理与控制等能
力。这类能力的实现均需要以实时采集内外部数据，并完成在轨实时处理与决策为
基础。然而，在可接受在轨维修与维护的能力要求之下，这类空间飞行器通常采用“器-舱-模块-单元”的模块化架构，即上述智能化的功能分散到了具有松耦合结构特征的各个功能舱段/模块/单元中，彼此之间通过标准化
接口实现连接与功能汇聚。因此，与传统的空间飞行器相比，这类新型空间智能飞行器面临的典型信息应用场景具有以下特征：
[0003] (1)各个智能化功能舱段/模块/单元会实时采集大量本地数据，且大部分智能服务要求这些数据在本地完成实时处理与应用；
[0004] (2)对于在轨较高级别的决策与操作，需要多个局部模块/单元的数据或信息为其提供
支撑，以便通过信息融合等智能化处理实现可信的决策。
[0005] (3)当某个智能化功能舱段/模块/单元出现处理能力缺失(在轨故障或损坏)时，仍可通过备份组件实现可靠计算；通过在轨维修维护服务更换新组件之后，获得历史关键数据的加注，重启本地服务，以确保可靠生存，从而获得连续服务。
[0006] 除了在轨获取信息实时处理、可信决策、可靠生存的要求之外，在复杂空间环境下，智能空间飞行器的在轨资源高效利用、信息高可靠传输以及
载荷的模块化、可维修维护等要求也逐步凸显。这些都要求空间智能飞行器采用先进的信息技术实现适用于在轨维修服务、可支持模块化
硬件更换与
软件升级并具有高效、可靠特性的新型信息处理架构。
[0007] 目前空间飞行器系统内部的数据与信息处理主要由空间飞行器的综合
电子系统承担。在硬件架构方面，目前正向分布式的方向发展。通过集成化的设计，传统需要由几十余台单机完成的功能已逐渐可由几台集成化程度很高的单机完成，同时由于对星载
高性能计算能力以及容错能力的需求，不同的任务可通过分布式计算的方式由多个
节点完成，其信息通过星载网络完成交换；且在故障情况下可实现任务在不同节点间的迁移。在信息传输方面，一般空间飞行器的综合电子系统及其接口都是基于空间任务的特定要求设计开发的，飞行器上的仪器设备多种多样，设备之间的接口各不相同。综合电子系统和仪器设备的开发者各自使用专用的标准，导致飞行器综合电子系统、星载仪器设备和接口的可重用性很差，给在轨复杂任务的资源重用和交互支持带来很大的技术上的困难。空间数据系统咨询委员会(CCSDS)开发了
航天器接口业务(SOIS)协议体系，其核心思想是①通过一套精确定义的标准化的空间飞行器数据业务规范用户对星载各种仪器设备的
访问操作；②通过汇聚技术将底层的各种不同的仪器设备接口和数据链路转化为对上层提供支持的通用接口和通用业务；③上述二者结合实现空间飞行器内部数据系统各部分之间的标准化通信。到目前为止，SOIS还没有给出每个具体业务的推荐标准，但设备虚拟化和数据链路汇聚是SOIS实现空间飞行器接口标准化的关键。设备虚拟化将各种星载物理设备映射为一系列逻辑设备，对特定设备的操作即为向该逻辑设备发送指令列表，不必关心其在飞行器上的实际
位置。数据链路汇聚则需要对应用层提供标准化业务，同时能够通过下层各类星载通信链路(如1553B、CAN总线等，Spacewire等)访问实际的物理设备。
[0008] 对于空间智能飞行器的信息处理需求来说，已有的单纯分布式或集中式的信息处理架构已无法同时满足在轨实时处理、资源高效利用、高可靠生存与决策等多方面的实际任务要求。随着信息技术的飞速发展，云计算、
智能芯片、实时网络传输等技术逐渐成熟，需要结合未来在轨应用的多样化任务，并综合利用多项先进技术，设计一套适用于未来空间智能飞行器的协同信息处理架构。
发明内容
[0009] 本发明解决的技术问题是：克服现有星载信息处理架构资源共享、实时可靠处理、支持在轨维修维护等能力的不足，提供一种空间智能飞行器云边协同信息处理架构，解决目前星载信息处理架构无法高效资源共享、实时在轨信息处理与决策、支持在轨维修维护以及为知识的生成与处理提供计算、存储与通信资源的问题，可为未来具有高精度自主导航、复杂环境智能认知、操作任务智能决策以及自主管理与控制等能力的空间智能飞行器提供可靠、高效的信息处理架构。
[0010] 本发明的技术解决方案是：空间智能飞行器云边协同信息处理架构，包括高可靠站载服务云、智能化终端、实时以太网及交换机，其中：
[0011] 高可靠站载服务云，采用虚拟化技术将站载
服务器集群实现物理服务器资源的
池化；为空间智能飞行器提供天基数据安全存储与高性能计算服务，根据空间飞行器其他舱段的数据存储与处理
请求，实现资源分配、高容错性的任务级动态迁移、准实时的存储与计算；
[0012] 智能化终端，用于空间智能飞行器各功能舱段数据的采集、处理和管理、控制；作为高可靠站载服务云用户端向高可靠站载服务云提出协同处理请求，获取存储与计算资源，实现优先级敏感的存储与计算任务；通过即插即用接口与各舱段及系统的设备单元互联互通，进行实时信息处理与交互；
[0013] 实时以太网及交换机，用于空间智能飞行器内部站载服务云与各个智能化终端的网络化互联与数据传输。
[0014] 所述的高可靠站载服务云包括分布式部署的两个服务器集群形成物理备份，两个服务器集群分别通过实时以太网及交换机与其他舱段的智能化终端互联互通，形成高速数据传输网络；其中，高速数据传输网络中的舱段均可获得站载服务云提供的数据存储与处理服务。
[0015] 所述的高可靠站载服务云的服务对象为实时性要求低、资源消耗大、可靠性要求高的在轨服务应用，其中，数据融合、
机器学习、模型更新通过站载服务云+智能化终端”协作完成。
[0016] 所述的可靠站载服务云包括动态资源监控与管理软件、任务级容错服务调度软件、应用接口软件、虚拟化资源池软件，其中，应用接口软件对应的功能包括采集数据归档、数据访问、
数据处理、信息融合与机器学习；任务级容错服务调度软件对应的功能包括服务注册、优先级管理、服务执行监督、统一数据访问、虚拟容器
申请、虚拟容器管理、信息服务、虚拟存储；动态资源监控与管理软件对应的功能包括用况监控、资源申请、资源分配、资源调整、资源回收。
[0017] 所述的可靠站载服务云在任务级、资源级、物理级三个层次提供容错可靠性保障，针对特殊任务的处理请求，可靠站载服务云提供优先级调度以确保服务的时效性；在任务执行过程中，因底层处理资源被抢占或故障引发的任务异常或终止，该任务通过虚拟化技术以及实时的资源用况监管与调整，可动态迁移至其他空闲资源，以确保任务可持续运行；双集群备份服务器在轨可更换设计，可在部分服务器物理硬件故障的情况下，实现应急接管、模块更换，以确保服务云的可靠运行，并且通过分批发射入轨、升级拓展的方式，保证在轨系统与技术的同步更新与发展。
[0018] 所述的智能化终端包括主、从异步结构的多个CPU、GPU处理器，各个智能化终端分布式安装在具有智能化功能需求的舱段内，实现所在舱段本地数据的实时高效处理，其中，主处理器负责智能化终端与外部进行数据或任务交互、任务调度与执行数据融合处理任务，多个从处理器具备任务级并行处理能力，负责信息处理任务；主处理器、从处理器均配备时钟同步模块，通过时钟同步总线确保分布式多处理器的时间统一，以确保异步数据实现分布式、同步处理；主处理器、从处理器拥有各自独立的存储空间，主处理器具有访问从处理器存储空间的权限。
[0019] 所述的智能化终端通过Space Fiber总线及路由器接收外部设备发送的待处理数据，当特定处理任务需要利用舱段本地设备外的数据时，能够使用高可靠站载服务云提供的数据资源、处理资源开展协同处理。
[0020] 所述的智能化终端的信息实时处理与协同处理方法为：
[0021] (a)设定智能化终端包括两类实时
操作系统级的常驻任务，站载服务云的用户终端任务、舱段终端的管理控制任务；
[0022] (b)控制站载服务云的用户终端任务、舱段终端的管理控制任务通过共享存储进行数据交互，并利用终端本地的多处理器并行处理或向云服务请求资源、共同协作或直接请求服务云完成异步数据处理；
[0023] (c)主处理器、从处理器通过共享存储实现异步数据访问，本地设备通过Space Fibre总线和路由器向智能化终端发送待处理数据；
[0024] (d)对于实时性要求较高的任务，将由主处理器直接按需分配本地空闲资源实现实时处理，对于资源消耗大、准实时的业务，向站载服务云请求数据资源、处理资源开展协同处理。
[0025] 所述的准实时的存储与计算、准实时的业务对应的延迟为微秒级。
[0026] 所述的实时以太网及交换机，在普通以太网基础上增加时间触发以太网交换组件，实现智能化终端这类时间触发类节点与服务云集群之间的信息传输相互兼容，提供微秒级时延的确定性网络互连服务。
[0028] (1)本发明提出了站载服务云作为空间智能飞行器新型在轨信息处理架构的核心，为在轨信息提供了可靠存储与计算的技术途径；通过飞行器内部实时以太网及路由器，可为飞行器多个舱段的智能化终端提供云端数据存储、信息融合、模型验证等信息服务资源，并支持智能化终端更新与升级，使得空间智能飞行器信息处理架构更为高效、可靠；
[0029] (2)本发明提出了可支持在轨维修维护的智能化终端，采用主、从异构多个CPU、GPU处理器，通过实时响应外接硬件中断及多任务调度，实现在轨数据的实时与高效处理；并可通过所在舱段交换机及实时以太网，获得站载服务云的存储资源、计算资源及
知识库支持，协同实现数据分析与模型更新等，使得终端满足所在舱段实时处理与决策需求的同时，获得了可持续的智能化升级的能力；
[0030] (3)本发明提出的“站载服务云+智能化终端”的信息处理架构，在满足未来多样性的飞行任务需求的同时，为空间智能飞行器的在轨维修维护奠定了基础；能够支持未来实现全星统一的
数据网络、统一的
数据库和分布式操作系统支持下的系统级任务调度以及对资源的按需分配，尤其是在不同飞行任务阶段和在故障状态下的系统级重组和自动升降级运行。
附图说明
[0031] 图1为本发明所述的空间智能飞行器云边协同信息处理架构示意图；
[0032] 图2为本发明所述的高可靠站载服务云的软件架构示意图；
[0033] 图3为本发明所述的智能化终端示意图；
[0034] 图4为本发明所述的智能化终端面向任务的多处理器实时响应原理示意图；
[0035] 图5为以告警信息综合处理为例，对本发明所述云边协同信息处理架构的说明示例。
具体实施方式
[0036] 一、架构实施软硬件及网络环境
[0037] (1)网络及硬件环境
[0038] 空间智能飞行器云边协同处理架构包括高可靠站载服务云、智能化终端和实时以太网三个核心模块。如图1所示，高可靠站载服务云硬件主要由若干物理上分布的服务器联网组成的分布式集群构成；在实际空间应用中，通常在两个舱段中分布式部署两个集群形成物理备份，即高可靠站载服务云I、高可靠站载服务云II形成冷备份；并分别通过实时以太网及交换机与分布在飞行器内各个舱段中的智能化终端互联，为各个终端提供高可靠站载云计算服务。集群中服务器封装成在轨可更换单元，交换机支持可在轨升级。
[0039] 位于各个功能舱段的智能化终端为模块化结构，可根据其功能要求进行配置；终端处理器采用多处理架构及共享存储，通过SpaceFibre总线及路由器(可向下兼容SpaceWire)与配置的多个测量敏感器/
传感器实现数据获取与指令通信。终端通过实时以太网向站载服务云提出协同处理服务请求、数据共享及指令传输；均可获得站载服务云提供的数据存储与处理服务。
[0040] 实时以太网以时间触发以太网为核心，提供了微秒级时延的确定性网络互连服务，为空间飞行器内云边协同计算提供了高速数据传输通道。
[0041] (2)软件环境
[0042] 如图2所示，在高可靠站载服务云服务器资源(CPU、GPU、内存、存储及网络)虚拟化的基础上，云端通过动态资源监控与管理、任务级容错服务调度等，实现实时数据访问、准实时数据处理。各功能舱段智能化终端的信息处理
软件组件为按需进行配置，在终端本地实时操作系统的调度与管理基础上，实现本地实时处理、云边协同计算。站载服务云与各舱段的智能化终端形成层次化的存储、计算能力保障。
[0043] 二、关键部件实施设计
[0044] (1)高可靠站载服务云
[0045] 高可靠站载服务云用于为空间智能飞行器提供天基数据安全存储与高性能计算服务。该站载服务云建立在高性能站载服务器集群之上，采用虚拟化技术实现物理服务器资源的池化；可根据空间飞行器中其他舱段的数据存储与处理请求，实现优先级敏感的动态资源(存储与计算资源)分配、高容错性的任务级动态迁移，以满足各舱段及系统的准实时、高可靠信息处理需求。
[0046] 本发明中站载服务云的高可靠性通过以下方法保障：
[0047] (a)针对特殊任务的处理请求，服务云提供优先级调度以确保服务的时效性。
[0048] (b)在任务执行过程中，因底层处理资源被抢占或故障引发的任务异常或终止，该任务可动态迁移至其他空闲资源，以确保任务可持续运行。
[0049] (c)通过虚拟化技术以及实时的资源用况监管与调整，屏蔽了底层硬件故障的影响，可不中断地为运行任务提供其所需的充足、可用资源，以满足服务
质量要求。
[0050] (d)双集群备份以及服务器在轨可更换设计，可在部分服务器物理硬件故障的情况下，实现应急接管、模块更换，以确保服务云的可靠运行。
[0051] (e)通过分批发射入轨、升级拓展的方式，可保证空间智能飞行器在轨系统与技术的同步更新与发展。
[0052] (f)不间断汇聚各舱段的高价值数据，通过信息融合、机器学习等智能
算法进行分析，进一步对智能化终端的模型、参数进行验证与修订，并反馈信息至智能化舱段/模块/单元，实现在轨应用过程中的终端能力更新与升级。
[0053] (2)智能化终端
[0054] 智能化终端用于空间智能飞行器各功能舱段数据的采集、处理和管理，以及作为站载服务云用户端向站载服务云提出协同处理请求，获取服务资源，实现复杂的存储与计算任务。如图3所示，智能化终端通过Space Fibre总线及路由器获取挂载在即插即用接口上的本地设备数据；本地设备通常根据舱段功能要求进行配置，其信息处理过程和处理结果与外部环境的交互性要求较高，信息处理具有实时性特征。对一些处理要求较高的舱段，如导引、控制、操作舱等，智能化终端与站载服务云协同开展信息处理。实现在轨图像/视频数据、
激光雷达测量数据以及其他设备采集数据的实时/准实时、智能化信息提取与多源数据融合，生成综合性处理结果，直接服务于所在舱段的各模块/单元，即为舱段端侧提供实时/准实时的信息处理服务。
[0055] 本发明中智能化终端的信息实时处理与协同处理通过以下途径实现：
[0056] (a)如图4所示，智能化终端中包括两类实时操作系统级的常驻任务，一是作为站载服务云的用户终端任务，另一个是作为舱段终端的管理控制任务。
[0057] (b)在实时操作系统的调度下，两类任务通过共享存储进行数据交互，并利用终端本地的多处理器(CPU、GPU)并行处理和/或向云服务请求资源，共同协作或直接请求服务云完成异步数据处理。
[0058] (c)智能化终端中的多个CPU、GPU处理器采用主、从异步结构。如图4所示，主处理器负责终端与外部系统的数据/任务交互，以及内部任务调度、执行本地数据融合处理等任务，单设备的信息处理任务由从处理器具体完成，多个从处理器具备任务级并行处理能力。
[0059] (d)各处理器均配备时钟同步模块，通过时钟同步总线确保分布式多处理器的时间统一，以确保多源(来自多个本地设备)、异步数据实现分布式、同步处理。
[0060] (e)各处理器通过共享存储实现异步数据访问。主处理器和从处理器拥有各自独立的存储空间，但只有主处理器具有访问从处理器存储空间的权限，以便分发任务数据。
[0061] (f)本地设备通过Space Fibre总线和路由器向智能化终端发送待处理数据；根据事前设定，数据被放入共享存储的相应区域。
[0062] (g)对于实时性要求较高的任务，将直接按需分配本地空闲资源实现实时处理；对于资源消耗大(如多舱段数据联合决策等)、准实时(如高价值数据存储、模型在轨校验等)的业务，则向站载服务云请求资源(数据资源、处理资源)开展协同处理。
[0063] 如图4所示，智能化终端采用的多处理器、多核硬件架构使得在舱段上分布式安装、分时使用的多个设备的信息处理模块能够整合至一个终端设备中。处理器可通过Space Fibre总线及路由器访问和控制连接至终端的任何一个本地设备，既高效利用资源实现了并行计算，提高了任务处理时效性；也为单台设备的信息处理提供了冗余备份(本地多处理器、站载服务云)，尤其是作为站载服务云用户端的功能，还在物理上提供了远程备份的可能，避免了点对点式的信息处理模块失效导致的设备信息损失，提高了设备的容错性。多端口
实时时钟中断模块可同时响应多个外接硬件设备的信息处理服务请求，且各端口相互独立，确保了异构信息的独立、可靠处理，实现可靠的实时在轨信息处理以及多源信息整合。
[0064] (3)实时以太网及交换机
[0065] 实时以太网及交换机用于空间智能飞行器内部站载服务云与各个智能化终端的网络化互联与数据传输，在普通以太网基础上增加时间触发以太网交换组件，实现智能化终端这类时间触发类节点与服务云集群之间的信息传输相互兼容，可确保标准以太网业务和微秒级延时的时间触发以太网业务的服务质量。
[0066] 三、应用示例
[0067] 以空间智能飞行器中用于外部环境
感知的监测告警信息处理为例，对云边协同信息处理架构的应用进行说明。
[0068] 按照模块化的设计思路，大型空间智能飞行器通常由核心舱和多个功能舱段组成。其中，核心舱段为空间飞行器的“大脑”，搭载了用于整个飞行器信息处理的核心组件，即本发明所述的高可靠站载服务云；各个功能舱段分别实现
能源供给、推进、控制、环境感知以及其他试验任务等功能。监测告警信息处理是环境感知舱段的主要任务，需要遂行局部态势感知和威胁探测与告警任务，通过将分布于空间飞行器不同方位的多个环境感知舱监视视场拼接，形成4π空间的监视告警信息。每个监视告警舱由光学监视相机、激光探测与告警设备、
微波探测与告警设备、电子侦察设备和告警信息综合处理器等组成，探测设备/天线和信息处理器一体化设计成可在轨更换单元。
[0069] 以告警信息综合处理为例，对本发明的云边协同信息处理架构进行说明。
[0070] (1)终端本地实时处理
[0071] 如图5所示，告警信息综合处理器采用多处理器并行架构，通过共享
存储器实现来自主被动光学监视相机、激光探测与告警设备、微波探测与告警设备、电子侦察设备的异步、多源数据共享。主要流程如下：
[0072] (a)各个设备通过Space Fibre总线及路由器将在轨实时获取的数据发送至共享存储的
指定区域。
[0073] (b)终端实时操作系统任务级常驻任务检测到共享存储特定区域的输入数据后，终端当前主处理器根据本地资源使用情况及任务调度策略实现多处理任务并行处理调度；由多个从处理器(CPU、GPU)分别实现多源数据的预处理，生成的数据存储在共享存储器中。
主处理器若出现故障，终端实时操作系统将以一定策略
选定其中一个从处理器作为新的主处理器，以确保终端处理任务的连续性。
[0074] (c)主处理器监测各任务进展，在第一时间启动本地局部态势感知处理任务，实现主被动光学监视、激光探测与告警、微波探测与告警、电子侦察等告警设备测量数据的实时匹配融合以及局部视场拼接、态势生成、威胁告警等综合处理，直接服务于所在舱段的各模块/单元，即为舱段端侧提供实时的信息处理服务。
[0075] (d)终端实时操作系统的任务级常驻
进程不间断检测共享存储器输入数据区域，获取各个设备的新周期数据，并启动实时处理任务；同时，实时操作系统的另一常驻进程通过实时以太网向站载服务云请求资源，实现局部态势信息存储以及全局告警综合信息的拼接服务。
[0076] (2)云端准实时处理
[0077] (a)站载服务云接收来自终端的存储服务请求，分配相应资源，实现局部态势信息的可靠存储。
[0078] (b)站载服务云对于终端的全局告警综合信息拼接请求以最高优先级任务进行资源调度。首选检测存储区确认同一时段拼接数据是否已到达，如拼接所需的多个终端的局部信息均已存在，则分配相应计算资源，调取数据库知识数据，完成4π空间的告警信息综合；如拼接服务所需终端局部信息不完整，则任务挂起等待信息到达，在获取相应信息后第一时间继续执行拼接任务。
[0079] (c)在站载服务云生成全局告警信息之后，对拼接生成的4π空间告警信息进行综合分析与知识比对，识别并评估告警级别；并将全局告警信息及其评估信息进行可靠存储，以供机器学习算法在线学习；结合其他历史数据及后续数据，云端可实现告警评估模型的
迭代更新。
[0080] (3)云端反馈信息至终端
[0081] (a)站载服务云可根据全局告警信息等级，反馈环境感知控制信息至相应的舱段，配合其他舱段实现快速告警响应；同时，可根据全局及历史数据的在线学习，将更新后的评估模型发送至智能化终端。
[0082] (b)终端在收到云端发送的新模型信息之后，同步更新本地模型组件，实现局部告警信息综合的能力提升；根据云端控制指令，对相应的本地设备实施控制操作，实现局部环境感知数据的协同、协调获取。
[0083] 本发明
说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
