云計算在商業(yè)航天中的應(yīng)用及其對衛(wèi)星組網(wǎng)的影響研究

秦寶倩

(中國電科網(wǎng)絡(luò)通信研究院,河北 石家莊 050081)

0 引言

商業(yè)航天活動,特別是衛(wèi)星組網(wǎng),涉及大量的數(shù)據(jù)傳輸、處理和分析。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理模式往往受限于計算能力和存儲空間的不足,無法適應(yīng)商業(yè)化趨勢,也無法滿足日益增長的數(shù)據(jù)需求。而云計算平臺能夠提供強大的計算能力和幾乎無限的存儲空間,恰好能夠為商業(yè)航天活動提供有力支持,通過云計算,商業(yè)航天企業(yè)可以更加高效地處理和分析衛(wèi)星數(shù)據(jù),提升運營效率。

1 云計算基礎(chǔ)知識

1.1 云計算概述

云計算不僅僅是一種計算模型,更是一種服務(wù)模式的轉(zhuǎn)變[1]。云計算的核心思想是將計算資源、存儲資源以及應(yīng)用服務(wù)等進(jìn)行集中管理和動態(tài)分配,為商業(yè)航天提供服務(wù)體驗。

1.2 云計算架構(gòu)

云計算架構(gòu)是實現(xiàn)云計算服務(wù)模式的核心技術(shù)支撐,包括硬件層、虛擬化層、管理層和應(yīng)用層等多個層次。商業(yè)航天領(lǐng)域的硬件層可提供穩(wěn)定的硬件支撐,完善硬件資源的穩(wěn)定運行。而在虛擬化層,通過虛擬化技術(shù)對硬件資源進(jìn)行抽象和池化,使得資源可以動態(tài)分配和靈活調(diào)度。在管理層,可以對整個云計算平臺進(jìn)行統(tǒng)一管理和監(jiān)控,確保平臺的穩(wěn)定運行和高效服務(wù)。應(yīng)用層是商業(yè)航天平臺的最終服務(wù)形態(tài),能夠直接感知和使用,采用逐層分離的架構(gòu)設(shè)計,能夠輕松應(yīng)對不斷增長的業(yè)務(wù)需求,確保商業(yè)航天服務(wù)的順利進(jìn)行。

1.3 云計算服務(wù)模型

商業(yè)航天領(lǐng)域采納了云計算服務(wù)模型,將其劃分為基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)(IaaS)、平臺即服務(wù)(PaaS)和軟件即服務(wù)(SaaS)3大類別。這一劃分使得商業(yè)航天企業(yè)能夠更好地利用云計算的優(yōu)勢,提高效率并降低成本。在商業(yè)航天中,基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)(IaaS)提供了一種靈活的解決方案,允許企業(yè)通過云平臺獲取和管理所需的計算資源,如服務(wù)器、存儲和網(wǎng)絡(luò)。平臺即服務(wù)模型讓航天公司能夠?qū)Ｗ⒂趹?yīng)用的開發(fā),平臺即服務(wù)模型的使用將進(jìn)一步加快航天應(yīng)用程序的開發(fā)速度,推動技術(shù)創(chuàng)新,而軟件即服務(wù)模型完善了商業(yè)航天企業(yè)所需的各種軟件應(yīng)用程序。通過軟件即服務(wù)模型,航天公司無需安裝和管理復(fù)雜的軟件系統(tǒng),只需通過云平臺訂閱所需的應(yīng)用程序,簡化航天企業(yè)的操作流程,節(jié)省時間和資源。

2 商業(yè)航天發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 商業(yè)航天概述

商業(yè)航天是指航天產(chǎn)業(yè)商業(yè)化的進(jìn)程。隨著衛(wèi)星密集發(fā)射前期的到來,未來10年內(nèi)預(yù)計會在地球近地軌道上部署大約6萬顆衛(wèi)星,商業(yè)發(fā)射需求也將快速增長[2]。整體上,中國的航天產(chǎn)業(yè)仍然具有較強的軍用背景,航天科技集團和航天科工集團組成了主要的航天工業(yè)體系。打破“封閉”的航天產(chǎn)業(yè),成為航天產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新趨勢。

2.2 商業(yè)航天發(fā)展現(xiàn)狀

以SpaceX為代表的一批商業(yè)航天企業(yè),通過技術(shù)創(chuàng)新和商業(yè)模式的探索,打破了傳統(tǒng)航天產(chǎn)業(yè)的格局。全球航天產(chǎn)業(yè)規(guī)模持續(xù)增長,全球航天發(fā)射進(jìn)程也在不斷加快,中國等國家的航天發(fā)射次數(shù)位居世界前列,隨著全球商業(yè)航天的持續(xù)增長,中國商業(yè)航天的發(fā)展勢態(tài)尤為良好。中國已形成全產(chǎn)業(yè)鏈的商業(yè)航天體系,正逐步成為全球航天產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要力量。

2.3 商業(yè)航天對衛(wèi)星組網(wǎng)的需求

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)可以分為高軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)和低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)。高軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)是一種衛(wèi)星系統(tǒng),衛(wèi)星與地面之間的距離約為36000 km。由于衛(wèi)星軌道固定,高軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)可以實現(xiàn)高速寬帶通信,為全球范圍內(nèi)的用戶提供覆蓋。低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)運行在500～2000 km的近地軌道上,能夠?qū)崿F(xiàn)更低的通信傳輸時延,使其更加適合車聯(lián)網(wǎng)、自動駕駛等實時性要求較高的應(yīng)用。

3 云計算在商業(yè)航天中的應(yīng)用

3.1 云計算在商業(yè)航天中的應(yīng)用優(yōu)勢

商業(yè)航天活動產(chǎn)生大量的遙感數(shù)據(jù)、實驗數(shù)據(jù)等,而云計算平臺可以提供超大規(guī)模的計算能力,能夠高效地存儲、處理和分析這些海量數(shù)據(jù),商業(yè)航天項目往往面臨不確定的任務(wù)需求和工作負(fù)載波動,云計算平臺能夠根據(jù)需求自動擴展計算資源[3]。這意味著商業(yè)航天企業(yè)可以根據(jù)實際需要快速調(diào)整計算能力。云計算平臺采用多副本容錯機制和分布式存儲技術(shù),即使某個節(jié)點發(fā)生故障,云計算平臺也能自動將任務(wù)遷移至其他可用節(jié)點上。

3.2 云計算在商業(yè)航天中的應(yīng)用挑戰(zhàn)

商業(yè)航天活動產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù),涉及設(shè)計、制造、測試、發(fā)射、運行等各個環(huán)節(jié)。在航天器發(fā)射和運行過程中,需要實時接收并處理大量測控數(shù)據(jù),以確保航天器的安全和任務(wù)的順利完成。云計算平臺需要具備低延遲、高可靠的數(shù)據(jù)傳輸和處理能力,以滿足商業(yè)航天活動的實時性需求。

3.3 云計算在商業(yè)航天中的應(yīng)用實踐案例

采用1000臺以上高性能圖形處理器(Graphic Processing Unit,GPU)的服務(wù)器進(jìn)行高性能計算,計算能力達(dá)到650萬次/天。這些服務(wù)器與天翼云的資源池相結(jié)合,協(xié)同商業(yè)航天以及其他領(lǐng)域的研發(fā)機構(gòu),利用物理及服務(wù)云上的裸機、IB、GPGPU云主機、分布式存儲和Infiniband網(wǎng)絡(luò)等技術(shù),FAST成功搭建了一個完善的云上超級計算中心。云上超級計算中心使商業(yè)航天以及其他研發(fā)機構(gòu)得以更好地處理復(fù)雜的計算任務(wù)。

4 云計算對衛(wèi)星組網(wǎng)的影響

4.1 云計算對衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的影響

地面站服務(wù)供應(yīng)商正在加快改造/擴充現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施,使用支持云的服務(wù)或建立在共享基礎(chǔ)設(shè)施上的虛擬地面站。傳統(tǒng)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)可能依賴于單一或有限數(shù)量的處理節(jié)點,在面對大量數(shù)據(jù)或突發(fā)流量時可能導(dǎo)致處理瓶頸或故障[4]。而云計算允許系統(tǒng)通過分布在多個地理位置的服務(wù)器集群來分散處理負(fù)載,即使是在部分節(jié)點出現(xiàn)故障時,整體服務(wù)也能夠保持連續(xù)性。云計算平臺可以根據(jù)需求動態(tài)分配計算資源,確保在高負(fù)載時能夠迅速擴展處理能力,讓大型“云”服務(wù)供應(yīng)商進(jìn)入航天行業(yè)以及地面站服務(wù)的虛擬化。云計算對衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的影響如表1所示。

表1 云計算對衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的影響

4.2 云計算對衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理與分析的影響

經(jīng)過多年發(fā)展,衛(wèi)星系統(tǒng)已從過去單一類型的衛(wèi)星轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)在的陸地觀測和高分系列衛(wèi)星,商業(yè)航天衛(wèi)星每天都會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)需要進(jìn)行復(fù)雜的處理和分析才能轉(zhuǎn)化為有價值的信息[5]。云計算平臺通過分布式計算模式,可以迅速調(diào)動成千上萬的計算節(jié)點進(jìn)行并行處理,云計算平臺提供了彈性可擴展的存儲空間,根據(jù)需求隨時調(diào)整存儲容量,而且數(shù)據(jù)的安全性也得到了有效保障。據(jù)統(tǒng)計,某商業(yè)航天公司在采用云計算平臺后,其數(shù)據(jù)存儲成本降低了30%,數(shù)據(jù)可用性也得到了顯著提升。云計算對商業(yè)航天衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理的影響數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 云計算對商業(yè)航天衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理的影響數(shù)據(jù)

通過分布式計算模式,數(shù)據(jù)處理速度提升了500%,處理時間從24 h縮減至30 min,提高了商業(yè)航天衛(wèi)星數(shù)據(jù)的處理效率。云計算平臺提供的彈性可擴展存儲空間,使得數(shù)據(jù)存儲成本降低了30%,每年為商業(yè)航天公司節(jié)省了大量資金,保證了數(shù)據(jù)的靈活存儲需求。云計算平臺數(shù)據(jù)可用性提升至99.999%,確保了業(yè)務(wù)的連續(xù)性;而數(shù)據(jù)分析周期的縮短和決策效率的提升,則使得商業(yè)航天公司能夠更快地洞察市場趨勢和客戶需求,優(yōu)化運營策略。

4.3 云計算對衛(wèi)星資源管理與調(diào)度的影響

云計算的核心思想是將計算資源(如服務(wù)器、存儲、網(wǎng)絡(luò)等)匯聚成一個動態(tài)可伸縮的資源池,這種思想同樣可以應(yīng)用于衛(wèi)星資源的管理。通過將衛(wèi)星資源(如通信帶寬、數(shù)據(jù)處理能力、存儲空間等)抽象化并匯聚到資源池中,實現(xiàn)資源的統(tǒng)一管理和靈活調(diào)度,從而提高衛(wèi)星資源的利用效率。通過云計算平臺,某商業(yè)航天公司的數(shù)據(jù)處理速度提升了500%。

云計算的彈性調(diào)度能力可以應(yīng)用于衛(wèi)星資源的調(diào)度中。根據(jù)任務(wù)的需求和優(yōu)先級,動態(tài)分配和調(diào)整衛(wèi)星資源,云計算結(jié)合人工智能、機器學(xué)習(xí)等技術(shù),可以實現(xiàn)衛(wèi)星資源的智能化管理。通過對衛(wèi)星資源使用情況的監(jiān)控和分析,可以預(yù)測未來的資源需求,提前進(jìn)行資源調(diào)度和分配。云計算通過虛擬化技術(shù)將物理資源轉(zhuǎn)化為邏輯資源,采用分布式計算技術(shù),將計算任務(wù)分配到多個計算節(jié)點上并行處理。云計算衛(wèi)星資源調(diào)度如表3所示。

表3 云計算衛(wèi)星資源調(diào)度

云計算在衛(wèi)星資源調(diào)度中展現(xiàn)出了顯著的彈性,氣象監(jiān)測作為高優(yōu)先級任務(wù),得到了最多的計算節(jié)點和通信帶寬,確保了其能夠在最短時間內(nèi)完成監(jiān)測任務(wù)。地面成像任務(wù)雖然優(yōu)先級中等,但也獲得了不少資源,這反映了云計算能夠根據(jù)任務(wù)的具體需求靈活地進(jìn)行資源調(diào)配。軌道計算和數(shù)據(jù)備份作為低優(yōu)先級任務(wù),雖然分配的資源較少,但依然能夠保證任務(wù)的順利完成。這體現(xiàn)了云計算環(huán)境下資源的有效利用。

5 結(jié)語

云計算以其獨特的優(yōu)勢,如彈性計算能力和靈活的資源調(diào)度,實現(xiàn)了衛(wèi)星資源的優(yōu)化配置和高效共享。這不僅提高了衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的整體性能,還降低了運營成本,為商業(yè)航天企業(yè)帶來了經(jīng)濟效益。