一种基于云池端的智能天基系统体系的制作方法

本发明涉及天基技术领域，具体是一种基于云池端的智能天基系统体系。

背景技术：

当今时代人工智能、云计算等技术的快速发展颠覆了人们获取资源、享受服务的方式，云计算让人们随时随地都可通过手机、电脑等终端获取不受地理、设备限制的资源服务。作为网络信息体系的重要组成，天基信息系统具有独特的时空优势，在未来智慧城市等的建设中地位更加突出。

由于天基系统的重要战略地位，国内外一直不遗余力的发展天基系统。天基系统体系最早是各功能天基系统的独立建立阶段。典型的美国共建成以“锁眼”等为代表的43颗天基电子侦察卫星，以“先进极高频”等为代表的30多颗天基信息传输类卫星，以gps全球定位系统为代表的导航卫星，为美军作战提供可靠的情报收集、军事通信和导航定位服务能力；我国建立和形成了卫星通信、卫星对地观测、卫星导航定位三大卫星应用系统。

针对独立建设的各天基系统无法有效实现互联、互通、互操作等问题，天基系统进入全球组网互联阶段。美国通过“全球信息网格”、“综合空间通信体系结构(scan)”、“联合太空运行中心任务系统”(jms)项目及“一体化指挥与控制”(isc2)项目等实现天基系统间的信息互连共享，极大提高了美军作战的快速响应能力；目前我国正在大力发展天地一体化信息网络，利用天基骨干网、天基接入网、地基节点网等组成，并与地面互联网和移动通信网互联互通，构建“全球覆盖、随遇接入、按需服务、安全可信”的天地一体化信息网络体系。

天基系统及网络发展长期以来严重滞后于地面，功能单一、信息孤立、资源分散、响应缓慢等影响多样化、智能化作战应用的问题仍然突出。天基系统普遍采用地面为主的管控、运维以及信息处理方式，系统的运行严重依赖地面。受境内布站限制，卫星等天基系统可见弧段不足，必然存在运行控制间断、管控不及时等问题，无法适应日益全球化、全天时的服务需求。而以地面为主的信息综合处理方式，则会导致响应速度慢、安全性差等问题，难以提供安全可靠、快速实时的天基资源服务。

技术实现要素：

针对上述现有技术中存在的一项或多项不足，本发明提供一种基于云池端的智能天基系统体系，能够改变现有天基系统仅支持特定功能的服务模式，通过天基系统组网互联、资源共享以及自主协同，实现系统功能按需定义、性能按需增强以及按需服务协作，以适应未来灵活多样、快速实时的天基资源应用需求，提高天基系统的智能化水平。

为实现上述目的，本发明提供一种基于云池端的智能天基系统体系，其主要分为云、池、端三大部分，其中，“云”管业务，“池”聚资源，“端”享服务。云是天基云平台，负责管理来自用户发起的任务请求。池是组网互联的卫星所有计算、存储、网络等资源，经过虚拟化后建立的统一的虚拟资源池，即天基资源池，提供与其他卫星实现资源共享的能力。端则是最终资源服务的对象，包括装备和人员，比如飞机舰艇士兵等。

为实现上述目的，本发明提供一种基于云池端的智能天基系统体系，包括天基云平台、天基资源池与用户终端。

天基云平台和地面的云平台类似，是提供天基云计算、存储、网络及传感等多类资源服务的平台。天基云平台依托于分布式操作系统和云计算服务技术构建，即依托于分布式的云网络操作系统构建，位于天基系统的最上层，是整个天基网络的运行管控中心。天基云平台的工作过程中，首先会解析用户终端的任务请求，获得任务的目标特点、时间要求及性能要求等要素，在兼顾卫星的轨道信息、有效载荷能力、服务优先级等因素的同时，完成对任务、环境、资源的建模。再根据资源池当前的资源消耗情况和各颗卫星的工作状态，对资源池中的共享资源进行统一调度和合理分配。最终基于调度结果将应用程序部署至各颗卫星，通过软件定义技术重构卫星的功能，使其采用网络协同的方式完成任务。天基云平台在天基各卫星组网互联的基础上，遵循按需接入、资源虚拟、时空统一和规范传输的原则，以任务为中心，根据任务对资源的需求，合理规划及调用资源，实现天基系统中各卫星的资源互联互通、功能有机融合、软件快速部署、应用高效服务的目的。

天基资源池为组网互联的卫星的所有资源经过虚拟化后建立的统一的共享资源池。天基资源池的构建过程为：首先通过星间链路，将卫星组网互联为一个分布式的卫星网络集群；然后卫星将自身的星载资源虚拟化，将其封装为计算资源、存储资源、网络资源、传感资源和执行资源这五类资源。然后各个卫星通过分布式的云网络操作系统，共享自身的资源，多个卫星的资源统一池化为一个逻辑上的天基资源池，实现了资源的有机融合，保证了资源灵活、弹性的部署，提高了资源的利用率。分布式的云网络操作系统的资源管理器一方面会向管理各卫星共享出来的资源，同时也会向天基云平台提供相应的资源信息，有利于天基网络对资源进行优化分配，提高系统整体的服务能力。

其中，天基资源池分三层，第一层是物理类资源，具体包括传感资源、计算资源、存储资源、网络资源、执行资源；第二层是平台类资源，具体包括时空数据、载荷数据、系统状态数据、专业知识库、规则库与模型库；第三层是软件类资源等，具体包括系统软件、应用软件、系统镜像、应用镜像。资源池由统一的资源管理与调度器进行三级资源调度管理，实现物理类资源由操作系统自主调度、平台类资源由云平台统一调度、软件类资源根据业务需求按需调度。

用户终端为向智能天基系统发出资源服务请求、使用相关天基资源服务等任务请求的用户及终端。用户终端包括装备或者人员。用户终端包括了陆、海、空多维度、多领域的设备，能够享受天基网络提供的个性化信息服务。用户终端能与天基网络中的节点实现随遇建链，直接向天基网络发起任务请求，也可以通过云平台对天基资源池进行管控调度，利用特定的天基资源，提高自身的任务执行效率。典型的装备比如需要导航服务的飞机、车辆、船舶、导弹等。

与传统天基系统相比，本发明基于云池端的智能天基系统体系具有如下有益效果：

1.避免对地面运控系统的依赖，直接由天基云平台对天基系统管控和资源调度，使控制链条缩短，响应实时性、可靠性显著提升；

2.构建天基资源池实现所有天基资源开放共享，实现资源统一调度管理，极大提高空间资源利用率和系统运行效能；

3.卫星功能由软件定义，支持系统功能按需重构，提高天基系统执行任务的灵活性和多样性；

4.基于“云池端”的智能天基系统体系针对传统天基系统仅支持特定功能的服务模式的问题，通过组网互联、资源共享以及自主协同，实现功能按需定义、性能按需增强和任务按需协作，提供灵活多样、快速实时、精准智能的天基信息及资源服务。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明实施例中基于云池端的智能天基系统体系的结构示意图；

图2为本发明实施例中天基资源池建立过程示意图；

图3为本发明实施例中天基云平台资源服务到天基资源池业务对接过程示意图；

图4为本发明实施例中天基云平台资源服务到用户终端业务对接过程示意图；

图5为本发明实施例中天基资源库资源分层示意图；

图6为本发明实施例中天基资源库的资源服务终端示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

如图1所示为本实施例公开的一种基于云池端的智能天基系统体系，采用“云+池+端”的业务模式，实现云管业务，池聚资源，端管服务。云是天基云平台，负责管理来自用户发起的任务请求。池是组网互联的卫星所有计算、存储、网络、传感、执行等资源，经过虚拟化后建立的统一的虚拟资源池，即天基资源池，是该架构中的中间层，也是云和端的核心连接点，提供与其他卫星实现资源共享的能力。端则是最终资源服务的对象，包括装备和人员，比如飞机舰艇士兵等。

参考图2为本实施例中天基资源池池化过程示意图，其具体包括如下过程：

(1)天基系统里的卫星，都是具备一定计算、存储、传感及执行资源的节点。这些卫星节点通过星间网络连接成为一个分布式卫星集群，组成天基网络。

(2)天基网络里的每一个节点首先通过资源虚拟化技术将自身资源虚化为通用的计算资源、存储资源、网络资源、传感资源和执行资源，这和地面的虚拟化技术一样，采取的是基于kvm的资源虚拟化方案，通过嵌入在操作系统中的虚拟化模块实现在物理硬件层上直接就是虚拟化层。而通过虚拟化层能够实现对计算、存储和网络资源的虚拟化。而传感和执行资源的虚拟化在加载设备驱动将其抽象为逻辑上的设备，通过为传感和执行资源添加标签和接口封装，也能够统一表现为通用的逻辑资源，实现传感和执行资源的虚拟化。

(3)通过分布式的云网络操作系统，将各节点的虚化资源整合，池化为统一的cpu池、存储池、传感池、执行池以及网络资源池，实现池聚资源。分布式的云网络操作系统可将分散在各个卫星的资源共享成为一个整体，通过操作系统中的虚拟化模块实现对硬件资源的最细化颗粒度资源，面向需求按需调用，可以减少操作而增加资源配置和使用灵活性。

(4)资源池中的五个资源池，分别建立自身的资源目录和索引，对外提供为一个统一的资源目录和通用的索引方法，实现由逻辑资源通过资源目录和索引，可映射到实际共享出该资源的卫星。

参考图3为本实施例中天基云平台云管业务的分层示意图，也就是将天基资源池的资源对接服务于业务的过程。具体步骤如下：

(1)天基资源池中的资源通过虚拟的资源接入适配器，为上层调用提供使用方法。虚拟资源接入适配器相当于资源池的接入通道。对于计算资源而言，虚拟资源接入适配器相当于cpu时间片调度、内存地址等内容的访问管理。对于存储资源而言，虚拟资源接入适配器相当于存储块、io读写等内容的访问管理。对于网络资源而言，虚拟资源接入适配器相当于网络端口、路由及网关等内容的访问管理。对于传感资源而言，虚拟资源接入适配器相当于传感器的驱动、数据读写接口等内容的访问管理。对于执行资源而言，虚拟资源接入适配器相当于执行器的驱动、执行指令控制等内容的访问管理。

(2)通过对各类资源访问统一封装成api，为各类资源的调度提供调度接口。每类资源的调度都要用自己的封装方法，避免资源的调度混乱发生冲突等问题。在这一步，可分别封装为弹性计算api、弹性存储api和弹性网络api，以及通用传感api和通用执行api。前三类资源，也就是计算、存储和网络的资源，重在弹性。这里的弹性指的是针对这三类资源在调度时的性能可大可小，根据业务需求按需调度。后两类资源，也就是传感和执行资源，重在通用。这里的通用指的是针对这两类资源可不受电气、物理接口等限制，它提供的是通用的调度方法，在使用时可根据卫星的时空属性按需调用这两类资源。

(3)各类资源由调度服务综合协同调度。每类资源并非是单独的调度，而是由统一的协同调度进程，按照一定的调度策略，比如队列时间最小、功耗最少等多类调度策略综合的协同调度，达到资源高效利用的目的。

(4)资源和业务需求进行匹配。调度服务服务调度资源，业务资源匹配管理完成将天基云应用的各类业务资源请求匹配到具体的资源服务上，实现从业务到资源的映射，建立两者的服务连接。综合上述流程，也就是实现天基云平台管理业务的功能。

在端享服务方面，如图4所示的终端接入卫星、获取天基信息服务的示意图。飞机、舰艇、人员等终端一方面可接入互联网，通过地面的云数据中心，获取相应的数据产品及信息服务。地面云中心和地面站直连，对天基系统进行管控，或者是获取天基信息服务。另外一方面，拥有权限的终端，可以通过自身搭载的小型卫星接入设备、或者地面的卫星接入网，比如卫星网关、基站等，然后向天基系统发出资源服务请求，从而获取相应的天基服务。在接入网中设计加入边缘服务器，引入一定的计算、存储等资源，从而能够对请求和服务进行一定的边缘处理，减少延时，提供服务质量。

参考图5，为本实施例中天机资源池的进一步地实施方式，以上述的计算资源、存储资源、网络资源、传感资源和执行资源五类物理类资源为基础，加上云平台中的平台资源和软件资源，可以将天基资源池进一步构建构成天基资源库。天基资源库的资源按资源的软硬件分为三类，为：

(1)物理类：设施类为天基硬件资源，通过将卫星平台和有效载荷功能结构重新划分，对卫星各个分系统和模块进行功能解耦，将相同或相近功能的硬件结构有机融合，构成硬件资源池。卫星的硬件结构可以支持软件调用，也可以通过统一的接口实现网络之间的协同调度。

通用的基础设施资源有计算资源、存储资源、网络资源、传感资源和能量资源；而卫星本地资源即为执行资源。具体地，基础设施资源如下：

计算资源：cpu、arm、dsp、gpu、powerpc等；

存储资源：固态、sram、flash、eeprom等；

通信资源：射频通信模组、激光通信模组、量子通信模组、(频率、信道等具体表现为通信设施的参数)等；

执行资源：反力轮、磁力矩器、星敏感器等；

传感资源：陀螺仪、加速度计、磁强计、热敏电阻、相机、射频接收设备等。

(2)平台类：在平台层面，基于分布式存储建立天基云存储平台，支持存储资源动态部署、动态重构，可以实现高速数据存储以及按需数据服务。存储的数据资源主要包括天基时空信息、卫星状态信息、图像信息和知识库等。知识库是每个卫星自身存储的知识，这里的知识可以是预先存储的对于执行任务、完成数据处理的模型、规则等，也可以是对卫星在长期运行中将运行和执行任务的信息经过一定方法提取到的有用知识。具体地，有数据及数据库、知识/规则库、时空数据、图像数据、系统状态数据及文件等资源。

(3)软件类：在软件资源层面，软件资源指的是能实现特定功能的应用软件、系统软件及基于容器技术打包封装的容器镜像。本实施例中的软件资源支持天基系统对现有软件资源的直接调用及迁移应用。本实施例中的软件不仅仅局限于运行在本卫星的程序或镜像，还可以根据资源需求进行动态部署，运行在其他卫星上，实现卫星功能的灵活定义和在轨重构。具体地，有支撑程序、应用程序、系统程序、程序库、镜像等。软件类资源存储在卫星本地软件仓库里。

平台类和软件类资源属于天基系统中的可再生资源，偏数据类和软件类。这些资源数据庞大，共享性更加方便，次数也可能更高，所以在处于带宽受限的天基网络中，这类资源通过基于“请求—应答”的方式共享，才能高效的资源共享。这类资源调度同样通过云平台中的资源管理模块实现。天基云平台中的资源管理模块是分布式操作系统中的资源管理模块，是天基云平台中的分布式资源管理器，是分布在每一个卫星里的一个进程，负责处理对资源的管理和调度，即如图6所示。当一个卫星上的资源管理模块接收到某类资源请求时，判断是对物理类的或者是平台/软件类的资源需求，然后通过自身的资源目录进行搜索。如果有符合的资源，便响应请求，然后建立连接，发送响应的平台类或数据类资源，完成资源共享。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。