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今日荐文的作者为中国科学院计算机网络信息中心专家岳兆娟、李俊，中国电子科学研究院专家秦智超等。本篇节选自论文《面向天地一体化信息网络的在轨信息处理机制设计》，发表于《中国电子科学研究院学报》第15卷第6期。
摘 要：随着组网技术和传输技术的发展，提高信息的在轨处理和多源信息融合能力是提升天地一体化信息网络服务能力急需解决的重点问题。针对目前卫星具有的处理和存储能力，本文研究天基信息业务流程及处理模式，可有效简化传统卫星的通信过程，降低星地传输链路带宽损耗。本文设计一种分布式、网络化天基信息在轨处理系统，该处理系统基于CPU、DSP、GPU等不同的异构资源搭建，通过虚拟化技术将不同轨道、不同类型的卫星资源逻辑上形成一个大的资源池，实现处理系统的灵活扩展、互为备份、协同服务等。
关键词: 信息在轨处理；天地一体化信息网络；分层架构；处理模式
论文全文摘编如下，仅供学术交流与参考
引言
随着科技的进步，航天技术也在不断地发展，人类开启了探索地球、深空甚至宇宙等科学活动。目前全球在卫星的数量已经超过2000颗，大部分应用于气象服务、海洋观测、定位导航、环境监测等。为了充分利用空间信息资源，人类利用和探索空间的模式也从单项任务向网络化、体系化发展。
传统的通信卫星在天基段接收到信号时，一般采用“弯管”式转发器，只完成信号放大和频率切换等，不对信号本身进行处理，仅仅透明的转发，所有的信息和协议转化等都集中地面关口站、地面控制中心等进行处理，这种传输方式的优点是简单、灵活。但是这种非在轨的信息处理方式，日益面临着宽带业务需求的增长和多样化的应用所带来的星地之间信息传输增长的压力。同时由于目前星地间传输链路带宽和时延的约束，非在轨的信息处理方式下，星地间传输的数据量、实时性和有效性等都受到极大的影响和限制。
世界各国的研究都已经明显注意到了这类问题。继美军提出“网络中心战”概念后，2007年美国国防部将“太空互联网路由器”（IRIS）计划纳入财政预算。2009年11月，宇宙神-5号运载火箭发射的Intelsat 14携带太空互联网路由器计划的有效载荷进入太空，首台安装在卫星的路由器进行在轨测试，开启空间卫星组网的模式，这将有效的提高卫星的传送容量、减少了星、地传输频率，简化传统卫星的通信过程，充分利用有限的带宽资源。
近年来出现的新一代卫星系统，也都在尝试把在轨信息处理的方式纳入设计过程中，尝试增加星上信号和数据处理能力、星上多源融合、信道编译码和信息存储等能力，旨在提高信息传输性能和效率及系统的灵活性。但如何设计在轨信息处理机制，融合多源信息，提升天地一体化网络的信息服务能力仍然是一个值得研究的重要问题。
国内外发展现状
（1）国外在轨处理系统发展现状与趋势
由于充分认识到天基信息网络对海洋、地球资源探测、自然灾害、空间科学研究等领域的重要作用，西方国家起步较早，对相关技术研究和投入巨大，已经推出一些具有商用和军事价值的卫星网络系统。比较典型的系统有Globalstar、MILSTAR、WGS、Orbcomm、Spaceway、Inmarsat、Teledesic、TSAT等，其中涉及到星上处理能力的主要有AEHF、TDRSS和铱星三个系统。
AEHF系统
AEHF（即先进极高频）卫星系统是用于接替在轨运行十余年的“军事星”（Milstar）卫星系统。AEHF卫星系统是美国新一代受保护的军事通信卫星，它将为美军关键战略和战术部队提供防截获、高容量、高生存能力、抗干扰的全球范围的地球静止轨道军事通信卫星系统。AEHF卫星系统整个星座计划发射6颗卫星，目前已发射5颗，最后一颗计划在2020年发射。AEHF各卫星间除了通过60GHZ的星间链路互连，同时尝试增加了路由功能和部分星上处理能力，可以直接处理用户端的请求，提供点到点的全球通信和网络服务。
TDRSS
TDRSS（跟踪与数据中继卫星系统）是美国民用中继卫星系统，是20世纪航天测控通信技术的重大突破。中继卫星是一种复杂的通信卫星，每颗星上有7副天线，用于和用户航天器之间高速交换数据，单址天线支持的返传输速率可达300Mb/s，具备对用户航天器测定轨的功能。1984年4月成功发射第一颗中继卫星TDRS-F1，2017年8月完成第三代跟踪和数据中继卫星群的构建，在轨卫星10颗，取代了大部分的地基测控站，实现100%的全球覆盖。TDRSS通过在轨信息处理的方式，为哈勃太空望远镜、中低轨航天器等提供测控和数据业务，从根本上解决了高速数传、覆盖率及多目标测控等技术难题。
铱星系统
“铱”星系统是为了适应第二代移动通信系统需求，而建立起来的窄带卫星通信系统，以便实现全球移动电话无缝漫游。“铱”星系统是全球第一个大型低轨卫星系统，由围绕6个极地圆轨道运行的66颗LEO卫星组成，卫星轨道高度约780km。每颗卫星拥有4条Ka频段（22.55~23.55GHz）的星间通信链路，具备组网能力，同时增加了星上处理和星上交换。
目前“铱”星系统正在完成其升级计划，2019年1月11日完成全部75颗下一代卫星的部署，在L频段为用户服务的基础上，还支持Ka频段便携式和可移动服务，数据速率高达8Mbit / s。“铱”星系统相当于把地面蜂窝移动系统搬到天上，通过在轨信息处理的方式，除了提供电话业务外，还提供传真、全球定位、全球寻呼等移动业务。“铱”星系统最大的特点是轨道低，传输速率快，通信质量好，可以很好的应用于人口密度低，通信落后的边远地区及应急救灾等场景。
从国外典型系统分析可以看到，运营比较成功的系统在系统设计过程中都考虑到了在轨信息处理方式，加强星上处理和星上交换的能力，以减少信号传输时延，大大提高了实时性、安全性、可靠性、抗毁性和独立性。但是这些在轨信息处理应用还比较初级，以简单的信息存储和交换为主。
（2）我国在轨处理系统发展现状和趋势
中国目前拥有的卫星数量一百多颗，涉及通信卫星、遥感卫星、导航卫星等，主要用于海洋观测、定位导航、气象业务、立体测绘、环境监测等。目前在轨的通信卫星系统包括中星系列、亚太系列等，中继卫星系统包含天链系列数据中继卫星，为载人航天提供数据中继服务，同时，我国自主建设了北斗导航系统，后续将向全球用户提供导航业务。
总体来说，卫星研制取得较大的成就，但卫星总体性能和技术与欧美强国有较大差距。由于发展初期卫星资源过于分散，自成体系，没有形成网络，而且在轨信息处理能力和交换能力有限。
2006年，沈荣俊院士在《我国天地一体化航天互联网构想》论文中，首次提出了我国建设天地一体化信息网络体系模型。
2016年，吴曼青院士撰写《天地一体化信息网络总体架构设想》论文，深入阐述天地一体化信息网络的系统架构和技术体系。
2018年，我国将天地一体化信息网络确定为科技创新2030重大工程，将在轨信息处理的方式明确定义为发展方向，旨在提升星上处理能力和交换能力，形成天地互联互通、全球覆盖、安全可信、随遇接入的网络。
目前国内学术界和工业界对天地一体化信息网络的体系架构初步达成统一的认识如图 1所示，其由天基骨干网、天基接入网、地基节点网组成。天基骨干网由分布在同步轨道的多种类型卫星通过激光链路、微波链路互联组成。天基接入网由分布在中低轨道的卫星、星座、飞艇等组成。地基节点网由地面移动通信网、地面互联网、分属于不同部门的地面数据中心组成。在轨信息处理与地面信息处理具有同等的地位。通过发展成熟的地面网络为依托，以天基网络为拓展的天地双骨干架构，实现陆、海、空、天多层次的组网和跨域的信息共享，为政府、企业、大众提供全球移动通信、应急救灾、反恐维稳、海事应用等信息服务。
图1 天地一体化信息网络体系架构
信息处理模式设计
随着空间组网能力和激光技术的不断进步，天基网络涉及信息的获取、传输、处理、存储和分发等环节，在星上进行处理和存储在技术和经济上逐渐变得可行，本节主要介绍两种空间信息处理模式，分为基于地面的处理模式和基于在轨处理模式。
（1）基于地面的处理模式
在地面处理模式中，高中低轨道卫星在接收到有用的信息后，不做处理，直接下传到地面处理，空间节点只是作为信息采集的信源节点。基于地面处理模式如图 2所示，由应用数据服务中心、信源节点（由高轨星座和低轨星座组成），用户终端组成。用户终端向应用数据服务中心发送请求获取所需信息，应用数据服务中心若存在该数据，则响应用户的请求将信息反馈给用户终端，否则向空间信源节点申请用户终端所需数据。
图2 地面信息处理模式
应用数据服务中心收到信源节点的数据后，将对数据进行加工处理后反馈给用户终端。地面处理模式的优点是可以充分利用成熟的地面网络和强大的地面信息处理资源，但缺点也很明显，用户终端获取有效数据的响应时间受传输链路带宽，是否过境等因素影响较大，用户响应时间较长。
（2）基于在轨处理模式
在在轨处理模式中，高中低轨道卫星在接收到有用的信息后，在空间对获取有用信息进行预处理、处理、存储、融合、生成数据产品，直接下传到地面，空间节点只是作为信息采集和处理信源节点。
基于在轨处理模式如图 3所示，同样有应用数据服务中心、信源节点（由高轨星座和低轨星座组成），用户终端组成。用户终端向应用数据服务中心发送请求获取所需信息，应用数据服务中心若存在该数据，则响应用户的请求将信息反馈给用户终端，否则向空间信源节点申请用户终端所需数据。此时应用数据服务中心接收到信源节点的数据是处理加工过的数据产品。
图3 在轨信息处理模式
通过地面信息处理模式和在轨信息处理模式的处理过程分析可知，在采用轨信息处理模式时，空间信源节点采集的原始数据，数据产品的数据量大大降低，有效减少传输链路压力，提高用户响应时间。在轨信息处理模式的优点是由于信息处理目的明确，空间信源节点采集的原始数据，数据产品的数据量大大降低，能有效减少传输链路压力，提高用户响应时间，但缺点是对在轨载荷的能力要求很高，很难依托单一硬件载荷完成任务和目标。
网络化空间信息处理系统设计
通过空间信息处理模式的分析，以天地一体化信息网络模式为依托，搭建空间高效能的信息处理系统。如图 4所示，采用云计算的设计思想，将分布于高、中低轨道的各类卫星的处理资源、网络资源、存储资源等虚拟化，以物理上分散，逻辑上统一的方式构建统一的资源池，实现不同行业、不同部门自治基础上的卫星资源的逻辑整合，形成“虚拟的大卫星”，并实现处理系统的灵活扩展、互为备份、协同服务等，提升空间信息系统的在轨处理能力，降低空间带宽资源的损耗。
图4 网络化空间信息处理系统
由于受空间环境、体积、功耗、散热等因素的影响，空间信息处理与地面信息处理有较大的不同，如何在器件可靠性、性能、功耗、抗辐照等角度获得一个折衷是设计系统首要考虑的因素。
在目前的天基信息处理领域，不同的行业应用，针对不同的需求和系统特点，多采用ASIC专用芯片实现信号和数据的处理，其优点是功耗低，计算速率更快，但是存在成本贵、开发周期长、通用性差、可扩展性差等缺点。
通常来说，不同的处理器是针对不同的应用需求设计的。
CPU处理能力弱，但是擅长管理和控制，如文件管理、人机交互、读取文件等。DSP主要应用于信号处理的领域有大量递归操作的浮点运算，同时具有一定控制能力。
GPU主要应用于图像处理领域，适合多进程并发的流处理中。
FPGA即现场可编程阵列，具有静态可重复编程和动态重构特点，具有较强的并行处理能力，处理过程采用定点运算。
本文采用CPU、FPGA、GPU、DSP等多种异构的处理资源搭建分布式高效能处理系统，目的是充分发挥不同处理器的特点，取长补短，发挥最优效能。分布式网络化信息处理系统如图 5所示的物理实体由不同卫星的处理资源构成，如数据处理模块、信号处理模块、存储模块、通用处理模块、专用处理模块等，不同的卫星处理资源可能不同，属于非对称的、异构的资源。单颗卫星处理模块通过以太网、RapidIO、CAN等总线互联，传输遥控、遥测和数据信息，多颗卫星中间通过微波和激光混合链路，传输多种类型的信息。
通过资源虚拟化技术，实现不同卫星之间资源的虚拟化，构成一个由CPU、GPU、DSP、ASIC、存储和交换构成的逻辑资源池。智能管理单元是网络化空间信息处理系统的核心，它可以根据建模和学习形成模型库，基于不同的任务特点，根据处理和交换资源所需的资源使用率、负载均衡等以及资源功耗等因素，自动化或者半自动化的调度合适的资源，来完成所需处理的任务，详细的管理调度流程可以参见文献[9][10]。考虑到宇航级产品价格、国产化及处理性能的限制，本文采用COTS器件搭建该系统，通过软件容错、硬件加固等技术防止单粒子翻转、单粒子闩锁等，保障系统的可靠性和稳定性。
图5 空间信息处理系统资源映射
软件架构设计
天基分布式高效能处理系统采用平台+插件的思想构建，支持应用的扩充、在线升级、服务的可定制，按需分发等，实现软硬件解耦、不同系统的兼容。软件架构如图 6所示采用分层架构的概念，自底向上包含基础资源层、中间件层、服务层和应用层。
图6 软件架构图
基础资源层包含不同异构处理器构成的硬件资源、网络资源、I/O资源、存储资源及其部署其上的多样操作系统及基础软件，如锐华操作系统、Linux操作系统、Windows操作系统等。
通信中间件层采用虚拟化技术，把物理上分属于不同卫星的硬件资源统一成一个逻辑资源池，对上层的服务层提供统一的对外接口。并基于发布订阅的模式，实现不同硬件之间通信、应用与物理资源间的映射。
数据服务层是建立在基础服务之上的支撑服务，针对不同的上层应用和用户提供信息处理和分析服务，包含通用数据处理、专业数据处理、多源融合、在线处理服务等。
业务应用层主要基于下层基础资源层和服务层，可以提供面向抢险救灾、海洋监测、环境监测、反恐维稳等行业的服务。
系统管理层是整个架构的中枢神经，负责整个空间信息处理平台的管理控制。主要包含资源管理、负载均衡、任务管理、任务调度、故障监测、系统重构等，主要实现硬件资源和任务的调度、重构及故障恢复等。通过各传感器资源周期性的上报BIT信息，感知不同资源的电源、电压、电流等状态信息。基于上注的遥控信息，对任务进行解析，根据网络、硬件、通信等软硬件资源决策任务是否执行。当出现故障时，基于容错措施，对任务进行迁移和重构。
空间信息处理的关键技术
（1）多源数据融合技术
空间信息网络处理的数据是来自不同轨道、涉及通信、导航、遥感等多种类型卫星的多源、多维的时空基准及数据融合，打破传统的单独行业或者单类有效载荷的处理。快速对有效信息进行预处理、特征提取、分类、并进行特征级和决策级的智能化和自动化的融合，提高系统的可信度和精度，提升全球范围、全天候、全天时的快速响应和空间信息处理能力。
（2）天地一体网络任务调度技术
天地一体的网络任务调度技术涉及地面网络和空间信息网络两张网络，鉴于空间信息网络存在拓扑结构变化频繁、星地链路传输时延长、链路质量易受环境影响等特征，传统的地面网络任务调度技术不能照搬到天上。需综合考虑软件、硬件、人力等资源，以便对天地双骨干网络资源进行科学管理和灵活的配置、分析、评价、调度和控制，保障天地一体信息网络高效、安全、可靠的运行。
（3）天地一体化网络信息存储技术
天地一体化网络的信息存储技术是建立网络任务调度和信息计算的基础支撑服务，需要针对不同的上层应用数据和通用数据分类分时处理。主体数据信息存储仍然主要依赖于地面数据中心庞大而廉价的硬件资源，但仍需保障在轨信息处理的数据需求，通过网络任务调度的时隙分类实现星地的数据传输。
（4）天地一体化网络异构资源计算技术
天地一体化网络异构资源计算技术，主要是采用云计算的设计思想，将分布于高、中低轨道的各类卫星和地面数据中心的异构资源虚拟化，以物理上分散，逻辑上统一的方式构建统一的资源池，实现不同行业、不同部门自治基础上的异构计算资源的逻辑整合，并实现处理系统的灵活扩展、互为备份、协同服务等。
结语
基于国内外空间信息处理技术的发展，本文提出一种面向天地一体化网络的在轨信息处理系统方案，该方案基于COTS器件搭建异构的处理资源，并基于虚拟化技术，把不同的卫星资源通过激光、微波混合链路互联，形成逻辑上的大卫星，有效提高星上处理和多源融合的能力。本文分析了地面处理模式和在轨处理模式，在轨处理模式可以有效简化传统卫星处理过程，减少星地间传输压力，提高系统的实时性和有效性。在下一步的研究中，我们将继续深化研究该系统，尤其是在天地一体的网络管理技术方面深入研究，以便对网络有效管理和控制。
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