基于云計算的衛星一體化管控體系設計

辛維政，張國亭，顏文嫻，萬俊偉，張利萍，王 鹿，劉曉麗

(1.北京跟蹤與通信技術研究所，北京 100094；2.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

衛星管控系統主要是管理控制在軌衛星， 實現應用目的并保持其正常在軌運行的信息系統。 該系統是衛星效能發揮和在軌正常穩定運行的管理控制中樞,其具備在軌衛星需求籌劃、任務規劃、狀態監視、運行控制和健康管理等功能,為衛星應用提供全方位支持,是我國龐大空間資產穩定運行、航天活動高效開展的基礎保證[1,2]。

當前，我國衛星管控系統分布在各衛星測(運)控中心，各類衛星管控中心獨立建設，雖然功能相同，但技術架構、軟硬件平臺差異較大，系統功能也難以快速遷移和重構恢復[3]，存在以下問題：① 容災能力弱：各衛星管控節點容災能力不足，一旦管控系統出現異常，衛星將難以發揮效能，甚至危害在軌衛星的安全；② 系統可擴展性不足：當前各衛星任務管控系統與衛星型號緊密耦合，軟硬件系統“跟著型號走”的問題比較突出，新上型號從頭開始建設，系統架構的可擴展能力嚴重不足；③ 系統接入靈活性不足：衛星管控必須與固定節點關聯，管控業務與服務只能在該地實施，發生故障時，衛星研制單位與管控單位跨地區協同難，時效性難以保證；④ 系統協同應用能力不足：各類衛星管控系統分署不同部門,各自獨立建設發展，缺乏統一接口標準,各系統難以互聯互通,系統間數據無法共享,一定程度上制約了衛星應用效能的發揮， 亟需適應衛星高效綜合運用要求,進行管控體系能力的升級[4-5]。

隨著我國航天事業蓬勃發展，在軌衛星數量劇增，將達到數百顆至上千顆，具備遙感、科學探測、通信等多用途的綜合型衛星快速發展，任務狀態更加復雜多變，對衛星任務管控系統高效管控、可靠運行能力提出了更高的要求。同時，為保證在軌衛星的連續穩定運行和可靠管理，衛星管控系統需要具備較強的健壯性，且以更少投入、在更短時間內實現高效的容災備份。如按照關鍵信息樞紐兩地三中心的容災備份方式[6-8]，每個衛星管控系統均需建設3套，建設規模龐大、投資要求高。

與此同時,信息領域技術快速發展,云計算、大數據和移動互聯等技術逐步成熟，并在軍、民、商各領域得到廣泛推廣應用,為衛星任務管控系統技術進步、體系革新和能力提升提供了有效途徑[9-11]。需要以創新驅動的理念，充分利用云計算、網絡互聯等新技術，創新系統體系架構、技術手段與運用模式，推動衛星管控資源充分共享和靈活重組，不斷提升系統建設與使用效益[12-14]。

本文基于云計算技術，構建了衛星任務管控云技術架構，并設計了基于云架構的衛星任務一體化管控產品體系、數據體系與運維體系，可實現各類衛星管控系統的互聯互通與統籌協同應用，可實現資源靈活擴展和共用共享，支撐管控軟件快速開發、部署和遷移重構。

1 衛星管控技術發展

美國、俄羅斯、歐空局等航天大國和組織均建立了較為完善的衛星管控體系，形成了一定規模的衛星管控能力，其中以美國最具代表性[15]。

1.1 美國國家航空航天局(NASA)高級多任務應用系統AMMOS

美國高度關注任務能力的保持與發揮，容災抗毀設施完備。航天任務建有異地部署且處于熱備狀態的主、備2個中心，形成了完備的容災能力，主中心平時出現災難時，異地備份系統能夠接替工作，確保能力不降級。

最初的NASA航天操控中心采用的是單任務應用系統。進入21世紀，NASA許多創新的空間任務，在衛星數目、結構配置、交互作用上與以往存在較大差異，對于每個新的任務，都要重新設計任務應用系統，系統開發維護成本高、地面系統重復利用率低、人員兼顧不同任務操作難，于是NASA提出了新一代用于支持深空和航天任務操控的新體系——高級多任務應用系統(AMMOS)。AMMOS利用虛擬化技術和軟件共享技術構建多任務應用系統體系結構，提高系統實用性和計算機資源利用效率。計劃6年內，實現任務飛行和地面系統支持兼容性，自動生成上行鏈路程序，提供端到端數據服務和自動化的飛行系統監控。

1.2 美軍衛星管控系統

20世紀90年代，美軍衛星地面系統在經歷了“煙囪”式發展后，進行自上而下、有計劃的整合，并探索用體系結構方法進行頂層設計的發展途徑。為進一步提升聯合作戰能力，加快向“網絡中心”轉型，美軍啟動了相關系統建設。2004年確定的核心建設領域包括快速反應和可靠的網絡資源與服務、無縫安全可靠的連通性和互操作性、分布式協同支持等[16]。目前，美軍正按照C4ISR體系結構框架的要求全面更新衛星應用裝備，向一體化裝備體系方向發展。

以往任務管控都是面向單任務應用，不同任務系統在結構、配置和交互等上存在較大差異，對于新的任務均需要重新設計，系統開發維護成本高、地面系統重復利用率低、人員兼顧不同任務操作難。近年來，充分利用虛擬化、軟件共享等新技術，發展構建面向多任務的地面系統體系結構，推行統一的技術架構、共享資源與網絡通用服務，提升信息系統的開放性、靈活共享能力以及建設效益。

每個控制中心又可細分為數個“航天指揮控制設施”(MCC)。一個MCC一般負責一個衛星系列，若星座不大也可負責幾個衛星系列。衛星管控系統建設中，采用了分布式架構，并推行統一的技術架構、共享資源與網絡通用服務，可通過多類總線獲取軌道確定、遙測顯示、用戶顯示、事件分析和系統監控等通用服務，并針對GPS和MILSATCOM等不同類別衛星管理開發了特殊應用組件，如圖1所示。

圖1 美軍用衛星管控系統架構示意Fig.1 Schematic diagram of US military satellite management and control system architecture

2 衛星管控云體系設計

2.1 體系架構

按照“云—網—端”架構，建立由云中心、各衛星管控端節點和輕量化用戶端共同組成的一體化、分布式、彈性的衛星任務管控云，形成網絡化分布式任務中心體系，實現體系性容災，支持功能快速部署、系統快速重建以及能力快速遷移[17]。分布式衛星任務管控云體系架構如圖2所示。

圖2 分布式衛星任務管控云體系架構Fig.2 Cloud architecture of distributed satellite mission management and control

其中，云中心是衛星任務管控云監控、管理中樞和軟件、數據的存儲以及綜合服務的中樞，具備承接所有衛星管控任務的能力，具體發揮“數據中心+軟件中心+容災中心+服務中心+運維中心”五大作用，為保證其可靠運行，采取異地雙活部署；各衛星管控節點主要承擔相應類別衛星在軌管控任務，技術架構與一體化管控云中心相同，可基于衛星管控通用平臺獨立建設部署，也可調用云中心計算資源和存儲資源，形成本地化管控能力(根據不同用戶可靠性要求以及管控模式，該端節點可不部署)；輕量化用戶端，采用App或B/S方式遠程接入管控云，獲取管控服務，實現異地或移動管控；網即通信網，為云中心、端節點以及用戶端提供柵格化通信接入，實現管控數據、運行數據等信息網絡化傳輸。通過體系化架構，有效減少專用備份系統的數量，提高系統建設效益。

2.2 技術架構設計

衛星任務管控云技術架構基于云計算三層架構[18]，在基礎設施層(IaaS)實現服務器、存儲設備和網絡設備等資源在分布式環境的融合共享，對分布在云中心和各管控節點的計算、存儲和網絡等資源進行池化，建立全網資源統一視圖；在平臺服務層(PaaS)構建共性基礎服務環境，提供輕量級容器、微服務以及數據庫、文件系統、中間件、大數據、用戶管理等云平臺支撐服務，構建共性云環境；在軟件服務層(SaaS)基于管控通用服務進行集成和定制，形成管控業務中臺和型號專用應用，構建面向各型衛星的任務管控系統。云中心和各節點應用遵循相同的技術架構，可根據各自任務定位和能力要求，各層裁剪，選用的具體軟件功能，如圖3所示，其中，輕量級用戶端只包含應用層，基于移動互聯技術，為任務管理、衛星管控、服務運維等崗位人員提供便攜式用戶端，支撐相關人員遠程掌握衛星狀態和管控人員“離崗”值班。

圖3 衛星任務一體化管控云技術架構Fig.3 Cloud technology architecture for integrated management and control of satellite mission

2.3 數據體系設計

管控數據在云中心和各管控端節點上分布式部署，如圖4所示。各管控端節點和云中心內部擁有獨立的數據管理系統，業務數量動態增長，各管控端節點的數據按要求同步備份到云中心，以支持管控數據的日常備份及系統遷移重構。

圖4 衛星任務一體化管控數據體系Fig.4 Integrated datamanagement and control system for satellite mission

云中心承擔自身業務數據的管理與所有管控端節點數據的備份功能，作為所有管控端節點的全量數據中心，各管控端節點的數據備份到云中心。各管控端節點承擔自身業務數據的管理功能，當端節點重構時，云中心可以將備份的端節點數據恢復到重構的端節點，并作為此新端節點的云中心。當管控端節點出現故障后，云中心數據可以支持接管原有管控端節點的任務。

云中心和各管控端節點的數據采用統一標準，根據不同類型衛星管控所需的靜態數據和任務管控動態數據特點，設計和制定統一的衛星管控數據結構、數據管理模式、數據交換規程、數據共享機制和數據服務接口，形成統一的衛星管控數據倉庫，為各用戶按需提供數據服務。

2.4 產品體系設計

所有業務應用軟件采用輕量級、易擴展的微服務架構研制開發，并基于容器技術容器化封裝、部署和運行。為提升軟件復用性，衛星任務管控軟件由基礎通用服務、領域類通用管控服務和衛星專用管控服務3類微服務拼裝構建而成。其中，基礎通用管控服務為所有型號衛星管控任務通用，領域類通用管控服務為某類衛星管控任務通用，專用管控服務應用于具體衛星型號。

按照不同衛星管控系統的功能定位，形成相應衛星應用產品包，構建產品型譜，支持管控任務軟件的積木式組裝和一鍵式部署。云中心具有管控產品的全部備份，在端初始構建時，從云中心一鍵式下載衛星應用產品包，完成在本地的安裝和驗證，按照需要定制端任務管控應用系統，同時為系統重構、重啟奠定基礎，是構建系統容災抗毀能力的關鍵。針對不同類型端節點的功能，管控系統產品包涵蓋遙感、通信和導航等各個衛星門類，按照管控范圍分為單星管控產品和中心級衛星管控產品2大類。

在云中心構建統一的應用門戶體系，在云環境下實現管控應用的統一管理、備份同步、開發上架、拓展更新能力。在衛星任務管控云技術架構下，基于管控業務中臺提供通用服務，針對衛星個性化特征研制新衛星專用管控插件集，可快速構建新衛星任務管控產品，通過應用門戶快速部署發布，加入產品型譜。云中心/各管控端節點應用體系如圖5所示。

圖5 云中心/各管控端節點應用體系Fig.5 Application system of cloud center/node of each management and control terminal

2.5 運維體系設計

通過云端協同，構建覆蓋“云中心—端節點—用戶端”多層次、“系統—資源—服務”多維度、“態勢—監控—處置”多能力的全域系統運維體系，在任一節點均可實現運維態勢綜合、資源統一管理、系統精細監控以及維護遠程實施；通過自助服務、智能分析等技術，建立系統運維自動化手段，提高運維效率。衛星任務管控云運維體系如圖6所示。

圖6 衛星任務管控云運維體系Fig.6 Cloud operation and maintenance system of satellite mission management and control

運維管理用戶可根據權限實施對各自管理域云資源的管控，動態發現各類云資源及物理服務器的使用狀態及健康狀態，確保云資源能夠得到合理的使用，既避免資源配置申請過高而導致的浪費，又可分析出是否存在配置過低導致業務運行的不穩定。

3 典型管控場景設計

3.1 系統運行方式

根據任務場景的不同，設計以下運行方式：

① 管控端節點獨立運行。各管控端節點獨立運行模式是各任務管控中心的日常工作模式，各端節點按分工具體完成相應型號衛星管控任務，云中心只負責端節點業務數據的備份，并通過端的運維數據監視端節點的運行狀態。端節點接收各用戶提出的任務需求，進行需求籌劃、任務規劃和衛星管控等工作，同步將任務數據發送至云中心進行備份。

② 云中心與端節點協同運行。云中心與端節點協同運行模式是端節點計算資源有限的情況下，直接調用云中心提供的服務。端節點管控人員通過遠端登錄，調用云中心的任務規劃算法和軌道計算等服務，生成衛星任務方案和接收方案[19]。

③ 主備同時運行(熱備)。管控云中心和管控節點，或主、備管控節點同時實施相同任務，具備快速接替能力。

④ 云中心接管。在特定情況下(如應急或某端節點故障情況)，云中心對某類或所有衛星管控任務進行接管。

3.2 節點重構模式

基于云體系，各衛星管控中心能夠從云中心獲取管控應用和任務數據，實現不同類型衛星任務管控應用的快速下載與接替，并提供重啟及重構2種模式，完成端節點內各應用的整合和統一配置，并對重構端管控能力測試與評估，以實現衛星管控的功能快速異地重建。基于云中心管控產品與數據的同步備份，節點重構與重啟能力，構建系統容災抗毀體系，當某端衛星管控節點系統故障或被毀時，通過基于衛星管控云中心進行節點重構或備份端重啟，快速啟動接替衛星管控系統，實現系統任務接續。云中心/各管控端節點應用體系架構如圖7所示。

圖7 云中心/各管控端節點應用體系架構Fig.7 Application architecture of cloud center/node of each control terminal

(1) 重構

重構是指在端中從云基礎上開始完全重新構建管控系統，遷移重構過程如圖8所示。遷移過程包括從云中心獲取管控應用和管控數據。整個過程包括管控應用和管控數據的查詢和下載，管控應用和管控數據的獲取可以并行進行。管控應用和管控數據遷移到端以后，需要在云環境中完成管控應用的重構，重構共分為4步：軟件安裝、數據導入、應用配置和應用驗證。

圖8 端節點系統重構流程Fig.8 Reconstruction process of terminal node system

(2) 重啟

重啟模式過程如圖9所示，管控應用在備份端已經安裝配置好，只需將當前的管控數據遷移到備份端，由備份端加載就可以實現衛星管控應用的有狀態遷移與重構。其基本過程與重構模式一致，但省去了應用獲取、應用安裝和應用配置的環節，耗時也大幅降低。

圖9 端節點系統重啟流程Fig.9 Restart process of terminal node system

針對不同任務可靠性、恢復時效性要求，通過不同模式的靈活選用，降低系統整體建設成本，提高建設效益。

4 結束語

本文設計了基于云架構的衛星任務一體化管控體系，可有效提升衛星管控系統建設效益。通過資源、應用和數據虛擬化，實現功能快速重構、業務快速遷移以及系統快速重建；通過“平臺+插件”管控軟件架構，將衛星管控系統從單星完全重新建設轉變為研制少量管控插件，有利于新增能力快速形成；基于體系化容災思路，將各中心任務分離、獨立容災備份轉變為一體化衛星管控、體系化容災抗毀；基于云-端架構，將固定式中心管控轉變為固定、移動管控相結合，終端功能可方便按需重構，實現不同航天器的管控能力。