本发明涉及一种基于ROS系统的卫星操作系统及卫星。
背景技术：
自21世纪初以来，由于在纳米卫星的研究领域出现了许多新技术和研究成果，微小卫星的发展空间得到了充分扩大。目前，针对微小卫星的硬件系统资源和软件功能需要，嵌入式计算机系统是一种应用比较广泛的用于完成卫星任务的管理系统。具体来说，微小卫星的姿态控制，通讯功能和载荷任务等都是由嵌入式单片机来实现的。现有的系统由于构建在单片机上，存在以下缺点：
(1)系统资源有限；
(2)内核小，频率低，处理能力有限，实现的功能有限；
(3)软件对硬件的依赖性高，通用性低；
(4)对开发人员的专业性要求较高，开发周期长；
(5)卫星发射后不能在轨更换程序等。
当前微小卫星的设计和生产大多是基于特定的任务，不同任务的卫星很难实现兼容并且软件和硬件的再使用率低。
技术实现要素：
本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一或至少提供一种有用的商业选择。为此，本发明的一个目的在于提出一种基于ROS系统的卫星操作系统，所述基于ROS系统的卫星操作系统包括操作系统执行子单元以及更新子单元，通过更新子单元产生的新的控制指令从而控制述卫星执行新的载荷任务，降低卫星的研发成本和缩短研制周期，延长在轨卫星的使用寿命，具有开发简单，功能强大，操作简便等优势。本发明的另一个目的在于提出一种卫星。
根据本发明的基于ROS系统的卫星操作系统，用于实现对卫星的控制，所述基于ROS系统的卫星操作系统包括操作系统执行子单元，所述操作系统执行子单元包括至少一个，所述操作系统执行子单元用于执行卫星的载荷任务；更新子单元，所述更新子单元与操作系统执行子单元相连，用于产生控制指令并将所述控制指令传输至所述操作系统执行子单元，所述操作系统执行子单元接收所述控制指令并基于所述控制指令控制所述卫星执行新的载荷任务。
根据本发明的基于ROS系统的卫星操作系统，所述基于ROS系统的卫星操作系统包括操作系统执行子单元以及更新子单元，通过更新子单元产生的新的控制指令从而控制述卫星执行新的载荷任务，降低卫星的研发成本和缩短研制周期，延长在轨卫星的使用寿命，具有开发简单，功能强大，操作简便等优势。
另外，根据本发明上述的基于ROS系统的卫星操作系统，还可以具有如下附加的技术特征：
所述更新子单元包括一应用商店，所述应用商店包括多个载荷应用，所述应用商店可由用户操作。
用户可向所述应用商店添加、删除、修改、重置或者更新载荷应用。
所述卫星操作系统包括地面操作层、位于地面操作层上层的通用软件层以及位于通用软件层上层的特定应用层。
所述地面操作层是Linux操作系统或者Unix操作系统。
所述通用软件层实现卫星的姿态控制、主动温度调节、对地通讯功能。
所述特定应用层实现卫星的图像处理、轨道规划、定位导航功能。
所述更新子单元与所述操作系统执行子单元远程连接。
本发明还提供了一种卫星，所述卫星包括上述结构的基于ROS系统的卫星操作系统。
根据本发明的卫星，所述卫星包括基于ROS系统的卫星操作系统，所述基于ROS系统的卫星操作系统包括操作系统执行子单元以及更新子单元，通过更新子单元产生的新的控制指令从而控制述卫星执行新的载荷任务，降低卫星的研发成本和缩短研制周期，延长在轨卫星的使用寿命，具有开发简单，功能强大，操作简便等优势。
所述卫星是小卫星或低级别卫星。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明的一个实施例的基于ROS系统的卫星操作系统的结构框图；
图2是本发明的一个实施例的卫星工作原理的流程图；以及
图3是本发明的一个实施例的基于ROS系统的卫星操作系统的示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明提供了一种基于ROS系统的卫星操作系统，所述基于ROS系统的卫星操作系统应用于一卫星中，用于实现对卫星的控制，从而控制卫星完成相应的载荷任务。
图1是本发明的一个实施例的基于ROS系统的卫星操作系统的结构框图；图2是本发明的一个实施例的卫星工作原理的流程图；图3是本发明的一个实施例的基于ROS系统的卫星操作系统的示意图。参考图1-图3，本发明提供了一种基于ROS系统的卫星操作系统，包括操作系统执行子单元10与更新子单元20。
操作系统执行子单元10包括至少一个，操作系统执行子单元10用于执行卫星的载荷任务。具体地，卫星在飞行时可执行数个载荷任务，例如：拍摄、侦察、通信转播等。通常情况下，一个操作系统执行子单元10可以实现执行一个卫星的载荷任务。在其他情况下，也可以由一个操作系统执行子单元10执行多个卫星的载荷任务，或者由几个操作系统执行子单元10协同工作执行1个卫星的载荷任务。
更新子单元20与操作系统执行子单元10相连，用于产生控制指令并将所述控制指令传输至所述操作系统执行子单元10，所述操作系统执行子单元10接收所述控制指令并基于所述控制指令控制所述卫星执行新的载荷任务。具体地，更新子单元20与操作系统执行子单元10相连，该更新子单元20可产生控制指令，操作系统执行子单元10接收到该控制指令后即可控制所述卫星执行新的载荷任务，从而降低卫星的研发成本和缩短研制周期，延长在轨卫星的使用寿命，具有开发简单，功能强大，操作简便等优势。
本发明实施例的卫星操作系统基于ROS系统实现，ROS(Robot Operating System；机器人软件平台)是一个机器人软件平台，它能为异质计算机集群提供类似操作系统的功能。伴随着机器人技术的大发展，ROS系统应运而生并且新一代ROS2.0引入了数据分发服务(Data Distribution Service；简称DDS)，因此具有实时性强，持续性强和可靠性强的优势。而在ROS 2.0系统下开发软件化微小卫星的载荷从而延长在轨卫星的使用寿命。
在具体实施中，所述更新子单元20包括一应用商店，所述应用商店包括多个载荷应用，所述应用商店可由用户操作。具体地，更新子单元20可移植于一终端中，例如笔记本电脑、台式机、平板电脑、智能手机中的至少一个，其具体形式可以是网页或者移动终端的App store。本发明实施例的卫星操作系统类似智能手机的安卓等操作系统，智能手机作为移动终端，有利于应用软件的开发，还可通过下载APP扩展其功能。同样，利用现有的互联网资源为微小卫星定制一个应用商店，其具体形式可以是网页或者移动终端的App store。应用的操作平台可以是多种途径的，基于主流的Linux或者windows。在此基础上，客户可以根据自身需求购买或者定制相应的应用(App)。
例如，控制照相机拍摄是一个服务，在给定的起始和目标位置之间移动卫星也是一个服务。如果一个天文爱好者想要拍摄与地球相隔某特定距离的星座，他可以在应用商店下载相应的应用(App)，在卫星到达目标位置时对该星座进行拍摄。上述例子中，判断卫星到达该目标位置和对目标星座进行拍摄都是可以由ROS的节点来定义的服务项目。
本发明的卫星操作主，其通过采用ROS2.0开源软件可以在地面操作卫星进行变轨，完成导航，定位，拍摄，通讯，科研教育等载荷任务，也可以在地面进行系统优化和数据库更新。本发明将很大程度上降低卫星的研发成本和缩短研制周期，延长在轨卫星的使用寿命，具有开发简单，功能强大，操作简便等优势。
在具体实施中，用户可向所述应用商店添加、删除、修改、重置或者更新载荷应用。具体地，用户例如载荷应用开发者可以维护应用商店，其可以在该应用商店中对载荷应用进行操作，例如添加、删除、修改、重置、更新等，从而实现了对应用商店的动态管理。
在具体实施中，所述卫星操作系统包括地面操作层、位于地面操作层上层的通用软件层以及位于通用软件层上层的特定应用层。所述地面操作层是任何常用的操作系统，例如Linux操作系统、Unix操作系统或者Windows操作系统等，在本实施例中，所述地面操作层的操作系统是以一Linux操作系统为例；所述通用软件层实现卫星的姿态控制、主动温度调节、对地通讯功能；所述特定应用层实现卫星的图像处理、轨道规划、定位导航功能。具体地，参考图3，本发明实施例的卫星操作系统包括三层，第一层即最底层是开源多任务操作系统Linux，实现基本的处理资源管理、多任务调度和硬件驱动的适配；第二层是通用软件层，实现基本的姿态控制、主动温度调节和对地通讯等通用功能；第三层是特定应用层，实现图像处理、轨道规划、定位导航等具体功能。本发明实施例的有效载荷的软件开发平台基于ROS开源系统，可以适应特定领域并且智能化软件应用。
本发明实施例的基于ROS开源系统软件化有效载荷的工作原理如下：
载荷的具体任务决定了其模块的组成。通常，为了感知和识别内部以及周围的环境，需要相应的内部和外部传感器；为了执行某项命令，需要具备多种能力的动作执行器；软件化载荷的核心是控制器，负责与载荷硬件进行数据交流，实现载荷的实时管控和智能处理。一般内部传感器内置于基本标准模块，例如姿态传感器，对卫星进行姿态控制。有效载荷所用的一般是外部传感器，例如视觉传感器：摄像机，用于开展低成本的对地观测以及其它空间探测的演示验证任务。进一步来说，摄像机也可以用于视频拍摄，实现对某一地区的一段时间的监测。实现方法就是在地面对有效光学载荷进行软件更新，更新观测模式，例如：凝视成像、区域扫描和定点跟踪。也就是说，基于同一套光学硬件设备，可以完成不同的载荷任务，而技术人员只需要在地面更新ROS编译的代码，对于用户来说只需要在应用商店购买新的应用。
控制器管理器连接若干不同的控制器，对应硬件上做出相应动作的接收器。在卫星的硬件处理器中会内置一些常用的程序，例如姿态控制、主动温度调控等等。对于有效载荷来说，控制器是其智能感知、决策控制、任务协同等的集成与实现。采用ROS开源系统作为微小卫星有效载荷的计算与控制平台，与卫星主体通过网络链接实现数据沟通，使软件化有效载荷具有系统开发的方便性和功能实现的灵活性。
本发明实施例的有效载荷的软件运行在微小卫星特定的硬件平台之上，不仅可以实现微小卫星的姿态轨迹控制、操作管理、与地面通信等功能，而且支持载荷的仿真、开发和测试等环节。
图2是本发明的一个实施例的卫星工作原理的流程图，参考图2，本发明的卫星的工作状况类似于机器人的机械臂运动，卫星的每一次载荷任务可以从上到下依次分为：硬件接口层，任务规划层和任务实施层。硬件接口层的设计理念主要来源与用于连接机器人硬件和软件的ROS Control中间件。
运用ROS Control建立卫星软件于硬件之间的数据通信，其优势是建立了统一的通信数据接口，并以插件的形式内置了一些常用的控制算法例如姿态改变，拍摄，测量温度等等。
以卫星改变姿态为例，借鉴控制使用机器臂的位置闭环算法，编译代码后运行，位于卫星硬件中相应的控制器(Controller1)会进行数据处理，根据使用者在代码编译界面输入的角度，内置算法自动转化为姿态改变所需的角动量；然后以write()函数对姿态控制器下命令进行姿态变化，待任务完成以后，read()函数会从姿态传感器读取新的数据并更新到姿态状态界面。
类似于机器人系统，这些不同的ROS Controllers被卫星硬件中的控制器管理器提供的通用接口管理。这些控制器可以由使用者加载，运行，结束和卸载，这就可以提高有效载荷的可重构可再生能力。也就是说，使用者在地面就可以对载荷任务修改，更新，重置或者终止任务。
在具体实施中，所述更新子单元20与所述操作系统执行子单元10远程连接。具体地，更新子单元20可以通过无线网络与操作系统执行子单元10远程连接。
本发明还提供了一种卫星，所述卫星包括上述的基于ROS系统的卫星操作系统。
根据本发明的卫星，所述卫星包括基于ROS系统的卫星操作系统，所述基于ROS系统的卫星操作系统包括操作系统执行子单元10以及更新子单元20，通过更新子单元20产生的新的控制指令从而控制述卫星执行新的载荷任务，降低卫星的研发成本和缩短研制周期，延长在轨卫星的使用寿命，具有开发简单，功能强大，操作简便等优势。
在具体实施中，所述卫星是小卫星或者其他低级别卫星。在本实施例中，所述卫星是以一小卫星为例。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换。