一种面向卫星集群的云边协同计算系统及其管理方法

本发明涉及卫星云计算，尤其涉及一种面向卫星集群的云边协同计算系统及其管理方法。

背景技术：

1、云计算中心可以为不同应用提供通用化的强大算力资源，在卫星数据处理中已被广泛使用。但是，由于云计算中心对算力、能源等需求较高，导致云计算中心很难在卫星上进行部署，因此，卫星上产生的数据通常需要传回地面云计算中心进行处理。

2、为了解决云计算中心离数据较远、计算延迟大等问题，目前提出了一种边缘计算技术，边缘计算技术通过将计算资源部署在离数据产生最近的地方，从而为应用提供低延迟的计算服务，同时也可降低与云计算中心交互的数据量。而随着边缘计算技术的发展，利用边缘计算技术，在卫星上构建天基边缘计算平台，为卫星上应用提供低延迟的计算服务已成为了目前航天发展的重要趋势之一。

3、然而，现有的天基边缘计算平台构建方法中，只是利用单个卫星构建天基边缘计算平台，相应的计算能力和资源利用率较低；并且，卫星上的天基边缘计算平台不能与地面云计算中心实现联动，地面云计算中心也不能与天基边缘计算平台进行状态同步，无法将天基边缘计算平台与地面云计算中心形成一体化的计算平台，难以满足多样化的使用需求。

技术实现思路

1、为解决上述现有技术中存在的部分或全部技术问题，本发明提供一种面向卫星集群的云边协同计算系统及其管理方法。

2、本发明的技术方案如下：

3、第一方面，提供了一种面向卫星集群的云边协同计算系统，包括：

4、部署在卫星上的天基边缘计算平台、星务计算机、应答机、数传组件、星间通信载荷和星上有效载荷；

5、所述天基边缘计算平台包括：相互连接的星上数据处理载荷、边缘计算平台管理模块和应用程序，所述星上数据处理载荷分别与所述数传组件、所述星间通信载荷和所述星上有效载荷连接，包含有计算资源、存储资源和网络资源，所述计算资源和所述网络资源能够与所述应用程序共享，所述存储资源用于存储所述天基边缘计算平台的数据、以及所述应用程序和所述星上有效载荷产生的数据，所述边缘计算平台管理模块用于对所述计算资源、所述存储资源和所述网络资源进行虚拟化，构建并管理资源池，对所述应用程序进行管理，解析并执行地面云计算中心上传的遥控指令，监测所述天基边缘计算平台的运行状态参数并生成遥测数据，监测并存储所述天基边缘计算平台的日志信息，以及与其他卫星进行计算任务协同；

6、所述星务计算机分别与所述边缘计算平台管理模块、所述应答机和所述星上有效载荷连接，用于进行信息和指令的收发与处理；

7、所述应答机能够与所述地面云计算中心通信连接，用于将遥测数据下传至所述地面云计算中心、以及接收所述地面云计算中心上传的遥控指令；

8、所述数传组件能够与所述地面云计算中心通信连接，用于将星上数据下传至所述地面云计算中心；

9、所述星间通信载荷用于与其他卫星进行信息交互；

10、所述星上有效载荷用于在所述星务计算机的控制下执行特定卫星任务；

11、所述地面云计算中心用于产生并上传所述天基边缘计算平台的控制指令，同步监测所述天基边缘计算平台运行状态，以及对接收到的星上数据进行分析处理。

12、在一些可能的实现方式中，所述边缘计算平台管理模块包括：

13、资源虚拟化单元，用于对所述计算资源、所述存储资源和所述网络资源进行虚拟化，构建资源池；

14、资源管理单元，用于对虚拟化后的资源池进行管理；

15、应用管理单元，用于对所述应用程序进行管理；

16、遥测遥控单元，用于解析并执行所述星务计算机发送的由所述地面云计算中心上传的遥控指令，监测所述天基边缘计算平台的运行状态参数并生成遥测数据，以及将所述遥测数据发送至所述星务计算机；

17、日志单元，用于监测所述天基边缘计算平台的日志信息，并将所述日志信息存储至所述星上数据处理载荷的存储资源；

18、边边协同单元，用于通过所述星上数据处理载荷的网络资源和所述星间通信载荷，与其他卫星进行计算任务协同。

19、在一些可能的实现方式中，所述地面云计算中心包括：

20、边缘平台管理模块，与边缘平台遥测遥控模块连接，用于产生所述天基边缘计算平台的控制指令，并将控制指令发送至所述边缘平台遥测遥控模块，以及根据遥测数据同步监测所述天基边缘计算平台运行状态；

21、所述边缘平台遥测遥控模块，能够与所述应答机通信连接，用于对控制指令进行编码，并将编码后的控制指令上传至所述应答机，接收所述应答机下传的遥测数据，并将遥测数据解析后发送至所述边缘平台管理模块；

22、数据处理模块，能够与所述数传组件通信连接，用于接收并分析处理所述数传组件下传的星上数据。

23、在一些可能的实现方式中，所述应用程序包括：用于支撑卫星的正常运行和任务执行的辅助卫星运行类应用程序、以及用于对卫星上的各个载荷产生的数据进行处理分析的载荷数据处理类应用程序。

24、第二方面，还提供了一种用于上述的面向卫星集群的云边协同计算系统的管理方法，所述管理方法用于实现所述天基边缘计算平台的控制，包括：

25、所述地面云计算中心根据设定需求产生控制指令，根据航天测控协议标准对控制指令进行编码，并将编码后的控制指令上传至所述应答机；

26、所述应答机通过所述星务计算机将接收的控制指令发送至所述边缘计算平台管理模块；

27、所述边缘计算平台管理模块对接收到的控制指令进行解析，并根据解析结果执行相应动作。

28、第三方面，还提供了一种用于上述的面向卫星集群的云边协同计算系统的管理方法，所述管理方法用于实现所述天基边缘计算平台的运行状态的同步监测，包括：

29、所述天基边缘计算平台周期性采集平台运行状态数据，并存储至所述星上数据处理载荷；

30、所述天基边缘计算平台将平台的日志文件存储到所述星上数据处理载荷；

31、所述星务计算机根据卫星过顶情况，周期性通过所述边缘计算平台管理模块读取平台运行状态数据和日志文件，并通过所述应答机下传至所述地面云计算中心；

32、所述地面云计算中心对接收的数据进行解析，并根据解析结果实时更新所述天基边缘计算平台的运行状态。

33、第四方面，还提供了一种用于上述的面向卫星集群的云边协同计算系统的管理方法，所述管理方法用于实现所述天基边缘计算平台与所述地面云计算中心间的计算任务协同，包括：

34、所述地面云计算中心确定需要在所述天基边缘计算平台中运行的计算任务，生成相应控制指令，并上传至所述应答机；

35、根据接收的控制指令，所述天基边缘计算平台中的应用程序从所述星上数据处理载荷的存储资源中读取数据进行处理，并将处理后的数据存储至存储资源；

36、根据接收的控制指令，所述数传组件从所述星上数据处理载荷的存储资源中读取数据，并将读取的数据下传至所述地面云计算中心；

37、所述地面云计算中心对接收到的数据进行分析处理。

38、第五方面，还提供了一种用于上述的面向卫星集群的云边协同计算系统的管理方法，所述管理方法用于实现不同卫星的所述天基边缘计算平台间的计算任务协同，包括：

39、所述天基边缘计算平台周期性通过所述星间通信链路、所述网络资源和所述边缘计算平台管理模块获取其他卫星的所述天基边缘计算平台的资源使用情况；

40、当所述天基边缘计算平台的计算负载超过当前所述天基边缘计算平台的预设阈值时，所述边缘计算平台管理模块确定能够与其进行星间通信的其他卫星，并按照通信带宽对其他卫星进行排序；

41、所述边缘计算平台管理模块按照通信带宽从大到小的顺序依次判断其他卫星的所述天基边缘计算平台在接收其发送的待处理计算任务后的计算负载是否未超过对应的预设阈值，直至有卫星的计算负载未超过对应的预设阈值；

42、所述边缘计算平台管理模块选择计算负载未超过对应的预设阈值的卫星作为计算任务协同对象，向选择的卫星发送计算协同申请，并在计算协同申请得到通过后，将待处理计算任务发送至选择的卫星；

43、接收待处理计算任务的卫星对待处理计算任务进行处理，并将处理结果返回至发送待处理计算任务的卫星。

44、在一些可能的实现方式中，将待处理计算任务发送至选择的卫星，包括：

45、将完成待处理计算任务所需的应用程序和数据发送至选择的卫星。

46、在一些可能的实现方式中，将待处理计算任务发送至选择的卫星，包括：

47、将待处理计算任务的计算进程的上下文状态发送至选择的卫星。

48、本发明技术方案的主要优点如下：

49、本发明的面向卫星集群的云边协同计算系统及其管理方法通过利用边缘计算技术，将卫星集群的计算资源进行整合，能够为星上应用程序提供低延迟的计算服务；通过利用地面云计算中心实现天基边缘计算平台的控制和状态监测与同步，能够在各天基边缘计算平台自治运行的情况下，进一步增加集中管控能力，提升整个计算系统的管理效率；通过利用地面云计算中心和天基边缘计算平台的计算任务协同，能够充分整合地面云计算中心算力强大、天基边缘计算平台计算延迟低的优点，满足应用程序多样化的计算需求；通过利用不同天基边缘计算平台间的计算任务协同，能够提升天基边缘计算平台的计算能力和资源利用率；通过设置天基边缘计算平台间计算任务的两种协同粒度，能够满足不同的协同需求。