衛星通信資源統一管理系統發展思考

王 濤，喻 韜

(北京跟蹤與通信技術研究所七室，北京 100094)

0 引 言

隨著在軌通信衛星數量和種類不斷增加，如何有效挖掘衛星通信資源使用效率、增強衛星運行健康保障能力，已成為衛星通信領域的突出問題。當前，衛星通信資源管理系統多采用按衛星類型進行控制管理和開展業務應用服務的運行方式，涵蓋衛星控制運行管理、星地通信鏈路運行管理、衛星通信應用服務運行管理。衛星運行控制運行管理主要解決在軌通信衛星在軌運行狀態實時監控、運行調度和配置管理問題。星地通信鏈路管理實時監控星地通信鏈路的運行態勢，承擔衛星鏈路的健康診斷、故障預警處置。衛星通信應用服務對使用衛星通信數據的應用服務系統運行質量進行監控管理，及時發現應用數據接收發送異常情況并實施應急處置。

由于不同衛星系統配屬各自的后臺軟硬件運行管理信息系統，獨立承擔本系統的衛星測運控、星地鏈路調度、通信應用等管理服務職能，數據處理、應用服務和基礎數據資源等彼此相互獨立，系統間缺乏有效的資源共享融合平臺和軟件復用協同能力，不能統籌利用多衛星系統的管理服務資源和通用基礎服務。同時，分散存儲的各類數據資源難以集中管理和統籌運用，缺少能夠綜合掌控各類衛星通信系統的資源忙閑狀態、系統運行態勢和鏈路健康狀態的統一系統，難以通過數據挖掘技術對不同衛星系統的資源調配、設備運維、應用質量進行統籌和整體聯動。

利用云計算的資源池技術，可以方便的將不同系統平臺集成在具有統一管理支撐的資源池系統，解決因計算資源分散獨立而導致無法全面進行計算資源統籌和科學調配的問題。此外，在數據服務方面，利用大數據技術能夠將不同系統擁有的數據集成在一個大數據平臺下進行統一的數據存儲、加工處理和分析管理，并能夠通過集成相關算法模型，構建智能化的輔助分析決策系統，極大拓展衛星通信資源一體化運行管理能力，提高衛星通信運行質量和管理服務效率。

1 衛星通信資源統一管理發展考慮

利用云計算、大數據技術重構衛星通信資源管理技術架構，按照一體化、標準化、服務化要求，構建具有統一平臺、統一數據接口、統一服務模式的分布式衛星通信資源統一運行管理平臺，實現全系統管理數據充分共享、運行態勢全維感知、通信資源統一監管調配、健康運維綜合評估。同時，通過改造建設同構化分布平臺，實現功能域的動態調整、功能互換和靈活重組。基于大數據平臺，構建數據統一存儲系統，為數據實時共享、深度融合和智能分析提供支持。基于服務化的軟件統一架構，構建插件化的應用服務體系，形成應用服務的組件化擴展和插件化重組能力。實現集標準數據交換、綜合態勢監視、智能健康診斷、計劃分析決策、統一資源調配、應用執行效果評估于一體，按需靈活定制的衛星通信資源綜合管理系統。

首先，利用云計算技術構建面向整個衛星通信資源管理的統一資源管理后臺服務系統。該系統在現有各衛星通信管理中心的架構下，通過高速網絡系統與通信衛星運行管理系統、星地通信鏈路管理系統以及衛星通信應用服務運行管理系統互聯。形成衛星通信資源統一管理和專業管理的兩級管理平臺運行體系。

其次，基于建設統一的大數據平臺和標準化信息交換系統合，通過標準化數據接口完成兩級管理平臺系統的管理服務信息的采集引接、格式化處理和交換，構建面向系統運行管理、業務應用以及專題服務的分布式數據存儲體系，為數據資源融合、數據挖掘和數據分析統計提供支持。

再者，建設服務化的衛星通信資源統一管理應用體系，統一采用容器化、微服務架構改造各現有專業管理應用系統，實現本地和遠程的統一服務注冊、服務調用、數據訂閱分發，同時提升管理服務架構重塑、定制遷移和負載均衡能力，實現專業資源管理軟件與上層綜合管理系統的集成運用和統一管理。

2 設計實現

2.1 體系設計

(1)傳統體系架構

傳統衛星通信管理系統功能體系設計獨立分散，衛星運控、星地鏈路、通信應用服務等各有自身的后臺系統進行管理，如圖1所示。

圖1 傳統衛星通信資源管理技術架構

獨立結構設計的衛星管理系統間，各自維護自身的數據庫，數據體系相互獨立，系統間的數據共享需要通過彼此協調確定數據交換接口后，各自按照接口要求研制新的數據交換軟件功能，并需要大量的對接測試后才能實現不同業務系統間的數據共享和應用協同，一旦有新的需求，需要重復上述過程，由于缺少自動化的協同聯動服務機制，系統協同和資源共享效率低下，不能適應大規模系統集成擴展需要。

(2)統一體系架構

而衛星通信資源統一管理系統將傳統獨立的基礎軟硬平臺和基礎通用服務軟件融合到一個系統中進行集成設計，采用云資源服務體系架構建立具有虛擬化、容器化和彈性重組等擴展能力的統一資源池，各衛星通信業務管理系統依托統一服務后臺，計算存儲資源和網絡資源根據應用場景變化由平臺管理系統進行資源及時回收和再分配，滿足資源服務的快速調配和靈活遷移部署。

衛星通信統一管理系統按照分層結構對通信衛星管理、星地通信鏈路管理、衛星通信應用服務管理進行一體化設計，系統體系結構可以劃分為支撐層、服務層、應用層3個層次，如圖2所示。

圖2 衛星通信資源統一管理技術架構

基礎層為整個系統提供公共基礎平臺支撐，主要包括支撐上層應用的計算存儲設備、網絡通信設備、顯示設備、安全保密設備以及配套設施。基礎層采用云平臺建立計算存儲和網絡資源池，并提供容器化微服務支持，同時通過云防護技術手段對云平臺資源進行安全防護。

服務層為管理應用系統提供管理應用數據和公共基礎服務支持，又分為數據管理和通用服務。數據管理包括專業數據管理、公共數據管理。專業數據管理包括衛星運控、星地鏈路、應用服務管理運行狀態數據、運行配置數據、遙控操作數據以及相關歷史數據服務。公共數據管理基于統一的數據標準，對上提供元數據、基礎數據、接口標準支撐，同時也包括用于統籌衛星運控、星地鏈路、應用服務管理所需的綜合態勢數據、業務協同數據管理等。采用大數據平臺對數據進行統一管理，實現全系統數據的統一規劃、存儲、挖掘、關聯分析和統計。通用服務提供插件化、平臺化標準服務，提供傳輸交換、存儲、顯示、時間、安全、負載均衡等基礎服務，并為上層應用提供規則算法、統計仿真等智能化服務。

應用層提供專業和綜合管理應用服務。專業管理服務主要包括衛星運控、星地鏈路、應用服務管理，綜合管理主要包括態勢綜合監視、輔助決策分析、管理計劃、統一管理調度、應用執行評估、資源信息服務等。應用軟件以容器化、服務化的形式統一對外提供服務。

2.2 系統組成

衛星通信資源統一管理系統主要包括信息采集引接、信息處理、態勢監視、計劃分析、健康管理、統一管理調度、執行效果評估等應用服務子系統，如圖3所示。

圖3 衛星通信資源統一管理系統功能組成

信息采集引接子系統一是采集引接衛星及載荷狀態信息、衛星數傳信息、星地鏈路設備系統狀態信息、應用通信數據質量信息，并對無效數據進行初篩，并按照統一格式進行轉換分類等預處理，之后完成信息入庫，為后續數據處理提供支持;二是根據任務要求引接外部衛星通信需求和協同工作計劃信息，為后續資源統籌、分析評估提供依據;三是根據業務管理需要，進行數據推送和對外數據服務。

信息處理子系統一是完成衛星控制數據分類計算處理、數據判決選優、應急處置；二是完成數傳業務數據處理，按照業務應用服務要求，對數據進行歸類采集、處理分析、數據質量判斷。

健康管理子系統對采集的衛星遙外測狀態信息、鏈路設備系統狀態信息、業務應用通信需求完成情況信息等進行處理，基于大數據平臺，結合采集信息和歷史數據，基于各設備系統健康模型進行數據關聯分析，診斷預測設備系統健康狀態，對故障風險提出預警和定位，并引導啟動自動或手工故障處置措施。

態勢監視子系統對通信衛星在軌運行狀態信息、衛星控制操作信息、健康管理預警信息、通信資源使用情況、通信應用執行進程等信息分類別、分專題、分階段、定制化、綜合化的多視角文字圖表、二維/三維圖形方式進行動態展示。

管理計劃子系統收集和受理各方應用和管理服務需求，進行需求統籌分析和任務分解，制定和生成對通信衛星在軌運行控制、星地通信鏈路資源調配和設備配置、通信應用運行等計劃方案，形成合理優化的資源利用計劃和工作實施方法、步驟和具體策略。

輔助決策分析利用大數據挖掘分析，對通信衛星在軌運行控制、星地通信鏈路資源調配和設備配置、通信應用運行等計劃方案進行綜合分析、組織相關數據進行方案仿真推演，發現和及時修正流程環節可能出現的問題和錯誤，并形成合理優化的資源管理工作實施計劃和任務管理操作指令。

統一管理調度依據工作實施計劃，形成控制操作指令或作業流程文件，直接通過指令進行全局衛星通信資源調度配置，或通過作業流程文件交由下級專業管理系統進行分析管理調度。

應用執行評估子系統對衛星通信系統支撐的通信業務應用完成情況按照相關評估指標體系進行分析，評估系統運行和管理計劃執行的質量和效果，并形成相關評估報告。

資源信息服務子系統按照公共、專題等分類要求，面向系統各類用戶提供信息采編發服務功能，并為整個衛星通信管理系統提供公共和專題信息資源瀏覽、下載以及互動交流服務。

2.3 系統實現

(1)拓撲結構

衛星通信統一管理系統按照后臺管理服務區、資源服務區、前臺管理區3個功能區設計實現，后臺管理服務區基于云平臺，采用虛擬機或容器化服務的方式運行部署信息采集引接、信息處理、綜合態勢監視、計劃分析、健康管理、統一管理調度、執行效果評估等應用服務軟件，為管理應用提供對應的軟件應用支持。系統拓撲結構如圖4所示。

圖4 衛星通信資源統一管理系統拓撲結構

后臺管理服務區部署由大數據平臺和應用服務平臺及其平臺之上的，在服務化基礎平臺大數據平臺之上構建統一資源服務系統，為服務化封裝的信息和應用提供注冊、調用和管理提供支持；在大數據平臺之上構建支持結構化和非結構化數據的數據統一交換服務系統和數據挖掘分析系統，建立具有統一命名規則的業務系統公共基礎數據資源索引，為數據統一交換、融合應用提供平臺，提供基于模型方法智能化資源加工處理、分析評估和統計顯示的平臺支持能力。

前臺管理區部署操作處理管理終端和綜合態勢顯示系統，為統一管理調度服務和態勢監視分析、健康管理等衛星通信資源管理提供前臺用戶操作維護支持。

現有衛星通信專業管理系統(中心)，對應用服務系統和數據交換系統進行改造升級，建設資源服務系統，進行業務管理軟件的服務化升級，實現全系統公共資源的統一化服務應用集成，基于統一標準進行數據交換系統、數據分類目錄、公共數據存儲系統的改造，實現多級數據的統一交換和融合利用，實現衛星通信資源的統一管理。

(2)統一資源服務

資源服務系統以資源目錄的統一管理方式對外提供數據共享和服務復用功能，提高多系統綜合集成和協同聯動的統一管理問題。資源服務主要提供基于目錄化管理的應用服務化調用和數據共享服務，如圖5所示。

圖5 統一資源服務模式

應用服務化調用提取衛星通信各業務系統的公共基礎服務建立能夠為系統全局共享使用的服務資源池。采用標準化的服務調用方式，降低服務共享的復雜程度。應用服務化調用通過建立具有統一描述、組織、調用的服務目錄系統，對基礎公共服務應用進行服務化封裝，利用服務網關注冊代理向服務目錄系統進行注冊，通過目錄索引實現對所需服務的調用。衛星通信資源統一管理軟件模塊基于服務目錄實現對服務資源池的統一服務訪調用和服務消息協同工作。跨服務目錄的服務調用，通過服務網關發起調用請求，并利用消息服務向服務調用發起者返回服務處理結果。

數據服務實現基于數據目錄的訂閱分發服務。通過對衛星各業務系統公用數據進行主題分類、格式化封裝和服務代理注冊，建立基于數據主題的數據目錄，利用數據目錄對注冊后的數據進行編目管理，建立具有統一描述、組織、存取、管理和分發機制的結構化數據目錄系統，實現對衛星通信管理各類異構資源的標準化共享訪問。數據服務可以通過查詢訂閱的方式進行數據分發，也可以通過配置主動推送的方式向特定用戶和應用推送定制信息。同時，數據目錄支持分級和跨域的目錄同步和數據交換功能。

(3)應用分級協同

衛星通信資源統一管理系統采用兩級服務聯動模式進行管理。第一級由衛星通信資源統一管理系統的綜合應用服務軟件模塊組成，承擔全系統的統一運行服務管理。第二級由衛星運控、鏈路調配、通信應用服務等專業管理系統相關軟件模塊組成，承擔業務系統的專業化服務管理。如圖6所示。

圖6 兩級服務模式

數據采集方面，各二級業務系統通過信息采集功能軟件完成本專業領域的信息采集工作，并通過數據注冊和目錄同步的方式完成專業信息的采集和對外共享。一級信息采集引接軟件完成對各專業信息的目錄同步和信息匯集，并根據需求對信息進行主動推送或按需訂閱分發。

健康管理方面，各二級業務系統根據本系統設備運行狀態信息，通過專業健康模型預判相關設備系統健康狀況，同時，統一管理系統獲取全系統健康狀態關聯分析信息，基于跨專業綜合健康模型分析判斷系統宏觀健康狀態，結合專業系統健康狀況分析結果，完成對整個系統的全方位健康分析，實現系統的統一健康管理。

管理計劃方面，一級管理計劃軟件收集匯總用戶的運行管理需求，經過對需求的統籌分析，完成需求合并、歸類，形成覆蓋各業務系統的管理任務需求，分解并下達到各業務系統，各業務系統利用各自的計劃分析功能軟件，完成專業系統的管理計劃并上報管理計劃軟件，管理計劃軟件通過計劃關聯、融合和優化形成整個系統的管理計劃，并下達到統一管理調度系統。

管理調度方面，按照管理計劃形成管理調度執行代碼指令，經仿真推演分析和校正，形成系統運行操控的實際指令，下達至業務系統的管理調度功能系統完成系統管理調度任務。

應用執行評估方面，各業務系統根據應用任務執行情況按照專業評估模型作出專業評估結論，整個系統的應用執行評估軟件將專業評估結論作為輸入，按照應用執行綜合評估模型進行分析評估，獲得對整個系統執行情況的綜合評估結果。

大數據分析平臺對系統產生的結構化、非結構化數據進行統一存儲管理，對來自衛星通信資源管理的各類數據進行深度挖掘、綜合分析和數據關聯分析，建立綜合性的智能化分析模型，同時集成和研制通用分析工具，為上層衛星通信資源業務管理和統一綜合管理提供平臺支持。

2.4 系統運行工作流程

衛星通信統一管理系統按照子系統間的接口約定和流程關系完成衛星通信資源統一管理。系統運行工作流程如圖7所示。

圖7 衛星通信資源統一管理系統工作流程

系統首先通過信息采集引接子系統實時獲取衛星運控、星地鏈路、衛通應用等業務管理系統的資源狀態信息，經過預處理和相關格式轉換，經信息匯集分發，形成信息處理子系統要求的輸入信息。

信息處理子系統通過數據分類分級、篩選合并、加工處理，形成數據成果，進入管理計劃和綜合態勢監視子系統，支撐開展管理計劃方案制定和系統綜合態勢監視。

綜合態勢監視子系統接收信息處理、健康管理、管理計劃、統一管理調度、應用執行評估等子系統的態勢送顯信息，按照管理要求進行二三維定制圖形顯示或格式化的文字圖表多維展示。

健康管理系統子系統接收綜合態勢監視子系統異常情況發出預警，同時接收輔助決策系統關聯分析各業務系統狀態后形成的綜合分析告警，根據態勢信息確定衛星通信資源整體運行情況，通過健康模型比對分析和智能診斷形成故障處置執行方案，并發送到統一管理調度子系統操作處置。

輔助決策分析子系統接收信息處理、管理計劃的相關管理需求和計劃信息，根據決策分析模型進行管理可行性和最佳管理預案篩選分析，針對相關分析結果進行仿真推演，進行計劃校正和選優，同時對于系統整體運行管理狀態進行分析，按照關聯模型進行異常預警判斷，形成綜合分析預警信息。

統一管理調度子系統完成對衛星通信資源的整體管理調度和操作控制，對遠端系統設備實施遠程控制，或通過發送操作指令啟動遠端設備系統進行相關控制操作。同時，具備對管理調度實施情況進行反饋和再干預操作的能力。同時根據需要可以經過信息采編發后送資源信息服務子系統，為用戶提供任務完成情況的查詢服務。

管理計劃子系統根據用戶提報的運行管理需求制定管理計劃和方案，送輔助決策分析子系統進行推演分析和計劃優化，形成分析成果回送管理計劃子系統，管理計劃子系統形成執行計劃，送統一管理調度子系統操作實施。同時根據需要可以經過信息采編發后送資源信息服務子系統，為用戶提供計劃檢索、查詢等共享或專題服務。

應用執行評估子系統接收匯集統一管理調度子系統、健康管理子系統以及綜合態勢監視子系統的評估輸入信息，按照評估指標體系，通過數據分析統計和評估模型比對等手段完成對系統應用執行效果的評估，并將評估結果送綜合態勢監視子系統，根據顯示要求以圖表統計方式按需進行展示。同時根據需要可以經過信息采編發后送資源信息服務子系統，為用戶提供任務完成質量的評估結果信息。

資源信息服務子系統從系統外部和系統內部獲取對外服務信息，外部信息通過信息采編發方式以手工錄入、批量自動導入、服務鏈接等方式，按照公共、專題形式對外提供信息檢索、瀏覽、下載等服務。同時可以接收來自系統內部各子系統的共享信息，并按要求加工和對外發布。

2.5 應用效能分析

基于云服務和大數據分析的衛星通信資源統一管理系統，在數據服務、資源籌劃、數據處理、健康管理等方面的服務效能提升顯著。

數據服務范圍得到有效拓展。以往數據服務主要自研的數據分析統計和事后處理軟件配以傳統關系數據庫，獲取管理服務數據，數據服務方式單一，軟件研發和功能擴展周期較長，展現形式不豐富。統一管理系統利用大數據平臺的分布式存儲技術，實現對結構化和非結構化數據的統一管理，用于分析處理的數據更加豐富，特別是大數據平臺提供豐富的數據分析和數據展現工具，能夠滿足用戶靈活多變的數據統計和結果展示需求，此外，相比于獨立服務器固定配置，云平臺通過計算資源調度和負載均衡處理提高了大計算量數據分析處理能力，數據服務效能提升情況見表1。

表1 數據服務效能對比

通信資源統籌調度更加科學。實現不同類型衛星通信資源使用狀況全維展示，利用通信資源態勢一張圖實時標繪不同時刻和時間區間的衛星通信資源使用和空閑情況，為管理決策提供輔助分析支持。可以快速形成衛星通信資源統一調度計劃。相較于之前需要4 h甚至更長時間周期進行統計匯總、系統協調，形成衛星通信資源調度協同計劃。可以在3 min內完成衛星通信資源統一籌劃，并分析形成任務調度計劃。此外，對于不同管理任務的軟件運行狀態切換，傳統系統需要至少1天以上時間進行配置檢查和軟件重新部署。而采用云服務和容器化服務軟件體系設計后，任務運行狀態切換，通過預置的軟件配置模板和多級目錄化應用服務，可在1 h內實現對計算資源的重新配置和任務軟件的自動化推送和服務同步操作，有效降低人工配置的差錯風險。

系統健康運維能力進一步提升。原有系統對需要對衛星運控、星地鏈路、衛通應用的運行故障分析限于專業系統的排查，對于全系統關聯性故障導致的不同業務系統故障表現，在專業系統故障排查中，很難及時定位，需要通過業務會商環節才能發現關聯故障并對可能引發的下一步故障風險點作出判斷，耗時耗力，故障排查時間不可控，而通過衛星通信資源統一管理健康管理系統，將衛星運控、星地鏈路、衛通應用的運行健康信息進行統一匯集分析，并能夠在健康運維態勢上進行統一監視和預警，形成多系統聯動預警機制，通過系統建立的聯動健康診斷綜合模型，實現故障自動化快速定位并按照模型預設處置流程自動啟動處置預案，實現系統快速應急處置，提高系統健康管理能力。

資源服務效能提升情況見表2。

表2 管理服務效能對比

3 結束語

設計提出的衛星通信資源統一管理系統，利用統一平臺從基礎資源、共用支撐到應用服務將分散獨立的衛星通信業務系統進行了一體化優化整合，實現了數據服務、應用服務和運行管理的技術體制統一，為軟件復用、應用升級和服務定制提供了便利。特別是通過對不同衛星業務數據的統一加工處理，公共服務模塊的服務化復用，能夠快速實現信息資源的共享融合和服務協同，為通信資源統籌、衛星運控規劃、智能運行調度以及系統健康管理一體化運行管理提供技術參考。提高了衛星通信管理的科學化水平，實現衛星通信資源利用的最大化，成果可進一步推廣應用到其它衛星運行和應用管理系統的設計建設中。