一种卫星计算体系的自主演化实现方法技术

一种卫星计算体系的自主演化实现方法，将卫星所拥有的全部智能运算单元建立起高速网络互联，形成统一的计算资源池，在计算需求与计算资源之间建立智能自组织的联系，为所有的计算需求统一分配并提供计算服务。当体系结构中的计算节点增加或(部分)删除时，通过智能自组织的动态服务分配，完成计算任务在不同节点间的无缝动态移动，从而形成计算体系的自主演化，不影响对计算需求的服务满足。同样，当计算需求有增加或减少时，计算资源通过自主演化的动态服务分配，仍能提供满足需求的计算服务。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于卫星控制领域，涉及一种基于星载高速对等网络的计算体系的实现方法。
技术介绍
卫星计算体系提供卫星各组成分系统、各单机等进行通讯、计算和控制的能力。目前，国内外卫星的计算体系的实现方法主要包括三种方式，分别为：基于串口的计算体系实现方法、基于内部总线的计算体系实现方法以及基于串口和内部总线混合的计算体系实现方法。采用串口的计算体系如欧空局的PROBA系列卫星，其主要采用以主控计算机为核心的星型拓扑，通过串口实现点到点的通信方式；基于内部总线的计算体系如洛克希德马丁公司的A2100平台、欧洲阿姆斯特留姆公司的EuroStar3000平台采用基于1553B总线的体系结构，Surrey卫星技术实验室的GMP平台控制系统采用CAN内部总线结构；基于串口和内部总线混合的计算体系如欧空局的SpaceBus4000平台、洛克希德马丁空间系统公司的LM900平台采用1553B总线和串口结合的计算体系。另外，随着对总线速率要求的提高，促使各国逐渐采用如LVDS、SpaceWire、1394以及星载以太网等，用于与低速总线搭配使用，如低速率通道用于指令，高速率通道用于数据等。然而，目前这些卫星计算体系在设计时不是统一考虑的，而是分配在各个分系统上，不同的分系统存在各自的智能运算单元(如数管、姿轨控计算机、载荷计算机等)，且很多单机产品(如星敏感器、推进线路盒等)也具有自己的计算机，其功能性能自我封闭，割裂了卫星整体之间存在的耦合联系。核心的计算体系虽然具备较多的备份，但是在故障时需要地面指令进行干预，星上的自主管理不能保证无缝切换，而且对每个计算节点处都使用多机热备又很不现实。特别是由于内外部原因造成的局部损伤或故障不能由星载完全自主处理，因此其生存能力受到了测控弧段的较大限制。除此之外，所有卫星上的计算节点所承担的计算任务都是预先设定的，大部分在轨时不可更改，核心计算机虽然可以重新上传程序，但仍需要大量的测控弧段，同时承担某种计算功能的节点如果损坏，意味着卫星该部分功能的丧失，严重的时候会危及整星。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种卫星计算体系的自主演化实现方法，利用高速对等网络互联的多个计算节点统一为整星的计算需求提供服务，均衡各计算节点的负载；同时，利用整体的计算能力为每个节点提供备份，从而减少单节点的备份；每个计算节点均可以动态改变其承担的计算任务，容易敏捷制造和扩展维护，能够在轨同时满足自主单机故障恢复和变化的用户需求。本专利技术的技术解决方案是：一种卫星计算体系的自主演化实现方法，包括如下步骤：(1)构建包括标准计算节点、对等网络、路由器、存储器的卫星计算体系，每个标准计算节点和存储器均通过路由器经对等网络与任一其他标准计算节点进行通信，交换数据和指令信息；(2)在每个标准计算节点上预装基础软件，并为每个标准计算节点设定唯一的编号；所述的基础软件用于标准计算节点的启动运行、网络接口驱动、从存储器下载所分配的应用软件模块并加载运行；在存储器上预存储基础软件和所有应用软件模块，并建立存储区域表和任务分配表；其中存储区域表用于标识基础软件和所有应用软件模块的存储位置和大小，任务分配表用于标识各标准计算节点上执行的目标码模块的种类和运行进度，所述的应用软件模块包括能够独立执行并完成特定功能的目标码模块，目标码模块均有唯一编号；(3)加电后，各标准计算节点运行基础软件，存储器和路由器启动工作；(4)各标准计算节点向对等网络上广播本节点信息，其他标准计算节点收到后将其注册在本机；各标准计算节点将本机所形成的所有标准计算节点的注册信息向网络广播，各标准计算节点的注册信息比对一致后进入下一步；当存在比对不一致情况时，各标准计算节点重新获取注册信息并再次比对，如果在设定的次数内比对一致则进入下一步；如果在设定的次数内比对不一致，则切除其上注册节点数量最少的标准计算节点，切除标准计算节点后重新执行本步骤，被切除的标准计算节点处于待机状态，等待下一次的注册；(5)各标准计算节点按照其唯一编号的顺序轮流从存储器下载目标码模块，下载时依据存储区域表，并填写任务分配表；最后一个下载完目标码模块的标准计算节点向对等网络上广播分配完毕信息，各标准计算节点收到分配完毕信息后加载各自的目标码模块并读取任务分配表，如果任务分配表中有与此目标码模块对应的截止数据，则根据截至数据的进度执行该目标码模块；如果任务分配表中没有与此目标码模块对应的截止数据，则从该目标码模块的起始部分开始运行；所述的截止数据用于标识目标码模块的运行进度；(6)运行期间，每个标准计算节点以固定周期向对等网络广播本机的健康信息，所述的健康信息包括本机编号、是否健康的标志以及正在执行的目标码模块编号；若其他标准计算节点无法收到其健康信息，则判定该标准计算节点故障；当有标准计算节点故障时，将故障的标准计算节点切除并重新进入步骤(4)进行注册，每当重新进入步骤(4)之前，各标准计算节点将所执行的目标码模块的截止数据上传到存储器的任务分配表。所述的标准计算节点有n个，n满足关系式：n＝ceiling((sumt/(unitt*ξ))*η)其中：sumt为单位时间内整星的峰值计算量，代表了该卫星的最高计算需求；unitt为单个计算节点在单位时间内的计算能力；ξ为单计算节点降额系数，取值在0.75～0.95之间；η为冗余度，取值在1.1～1.5之间；ceiling表示向上取整。所述的标准计算节点包括处理器、PROM、EEPROM与SRAM，PROM用于存储基础软件，容量依据基础软件大小配置，EEPROM用于存储所分配的目标码模块，其容量依据应用软件的大小和系统正常运行的最少计算节点个数配置，SRAM用于加载目标码模块并运行，提供目标码模块运行所需的存储空间，其容量依据应用软件的设计需求配置，处理器用于执行基础软件和所分配的目标码模块。所述的设定的次数为三次。所述的固定周期为200ms。本专利技术与现有技术相比的优点在于：(1)本专利技术的卫星计算体系的自主演化实现方法，将所有的计算节点用高速网络互联在一起，使得整星的所有测量信息、载荷信息、星间信息在这一计算体系内任意流转，构成信息系统与物理系统的深度融合，可以为整星的计算需求统一提供计算服务，并在多个计算节点之间达到负载均衡；(2)本专利技术的卫星计算体系的自主演化实现方法，将多个计算节点完全高速互联起来，计算任务可以在多个计算节点间动态迁移，每个节点在故障时，其所承担的计算任务都可以分配给计算体系中的其他节点承担，这样可以做到以计算体系的整体能力为任意计算节点的失效提供冗余容错，使得星载计算体系实现硬件的完全自主，不必再为单个计算节点设计单独的冗余备份，还可以取消传统设计中单计算机的容错单元与相关直接指令，简化电子系统，节省质量、体积与功耗；(3)本专利技术的卫星计算体系的自主演化实现方法，采用标准计算节点配合高速对等网络，不需要设计成需要高性能CPU的高复杂度系统，硬件和基础软件均通用化，每个计算节点均可以动态改变其承担的计算任务。在设计阶段和在轨运行时均可保证计算体系的可扩展性(只需加入网络)，且系统可以实现敏捷制造(只需互联标准节点)，单计算节点不仅可以通过承担故障节点的任务来解决故障恢复问题本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种卫星计算体系的自主演化实现方法，其特征在于包括如下步骤：(1)构建包括标准计算节点、对等网络、路由器、存储器的卫星计算体系，每个标准计算节点和存储器均通过路由器经对等网络与任一其他标准计算节点进行通信，交换数据和指令信息；(2)在每个标准计算节点上预装基础软件，并为每个标准计算节点设定唯一的编号；所述的基础软件用于标准计算节点的启动运行、网络接口驱动、从存储器下载所分配的应用软件模块并加载运行；在存储器上预存储基础软件和所有应用软件模块，并建立存储区域表和任务分配表；其中存储区域表用于标识基础软件和所有应用软件模块的存储位置和大小，任务分配表用于标识各标准计算节点上执行的目标码模块的种类和运行进度，所述的应用软件模块包括能够独立执行并完成特定功能的目标码模块，目标码模块均有唯一编号；(3)加电后，各标准计算节点运行基础软件，存储器和路由器启动工作；(4)各标准计算节点向对等网络上广播本节点信息，其他标准计算节点收到后将其注册在本机；各标准计算节点将本机所形成的所有标准计算节点的注册信息向网络广播，各标准计算节点的注册信息比对一致后进入下一步；当存在比对不一致情况时，各标准计算节点重新获取注册信息并再次比对，如果在设定的次数内比对一致则进入下一步；如果在设定的次数内比对不一致，则切除其上注册节点数量最少的标准计算节点，切除标准计算节点后重新执行本步骤，被切除的标准计算节点处于待机状态，等待下一次的注册；(5)各标准计算节点按照其唯一编号的顺序轮流从存储器下载目标码模块，下载时依据存储区域表，并填写任务分配表；最后一个下载完目标码模块的标准计算节点向对等网络上广播分配完毕信息，各标准计算节点收到分配完毕信息后加载各自的目标码模块并读取任务分配表，如果任务分配表中有与此目标码模块对应的截止数据，则根据截至数据的进度执行该目标码模块；如果任务分配表中没有与此目标码模块对应的截止数据，则从该目标码模块的起始部分开始运行；所述的截止数据用于标识目标码模块的运行进度；(6)运行期间，每个标准计算节点以固定周期向对等网络广播本机的健康信息，所述的健康信息包括本机编号、是否健康的标志以及正在执行的目标码模块编号；若其他标准计算节点无法收到其健康信息，则判定该标准计算节点故障；当有标准计算节点故障时，将故障的标准计算节点切除并重新进入步骤(4)进行注册，每当重新进入步骤(4)之前，各标准计算节点将所执行的目标码模块的截止数据上传到存储器的任务分配表。...

【技术特征摘要】
1.一种卫星计算体系的自主演化实现方法，其特征在于包括如下步骤：(1)构建包括标准计算节点、对等网络、路由器、存储器的卫星计算体系，每个标准计算节点和存储器均通过路由器经对等网络与任一其他标准计算节点进行通信，交换数据和指令信息；(2)在每个标准计算节点上预装基础软件，并为每个标准计算节点设定唯一的编号；所述的基础软件用于标准计算节点的启动运行、网络接口驱动、从存储器下载所分配的应用软件模块并加载运行；在存储器上预存储基础软件和所有应用软件模块，并建立存储区域表和任务分配表；其中存储区域表用于标识基础软件和所有应用软件模块的存储位置和大小，任务分配表用于标识各标准计算节点上执行的目标码模块的种类和运行进度，所述的应用软件模块包括能够独立执行并完成特定功能的目标码模块，目标码模块均有唯一编号；(3)加电后，各标准计算节点运行基础软件，存储器和路由器启动工作；(4)各标准计算节点向对等网络上广播本节点信息，其他标准计算节点收到后将其注册在本机；各标准计算节点将本机所形成的所有标准计算节点的注册信息向网络广播，各标准计算节点的注册信息比对一致后进入下一步；当存在比对不一致情况时，各标准计算节点重新获取注册信息并再次比对，如果在设定的次数内比对一致则进入下一步；如果在设定的次数内比对不一致，则切除其上注册节点数量最少的标准计算节点，切除标准计算节点后重新执行本步骤，被切除的标准计算节点处于待机状态，等待下一次的注册；(5)各标准计算节点按照其唯一编号的顺序轮流从存储器下载目标码模块，下载时依据存储区域表，并填写任务分配表；最后一个下载完目标码模块的标准计算节点向对等网络上广播分配完毕信息，各标准计算节点收到分配完毕信息后加载各自的目标码模块并读取任务分配表，如果任务分配表中有与此目标码模块对应的截止数据，则根据截至数据的进度执行该目标码模块；如果...

【专利技术属性】
技术研发人员：王磊，梁俊，蒋庆华，朱琦，刘淑芬，孙帅，
申请(专利权)人：北京控制工程研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11