NASA开源软件实践与思考

+ 康海龙1＊，范亚楠2，李斌1

（1. 中国电子科技集团公司电子科学研究院）（2. 中国科学院国家空间科学中心）

引言

开源软件的迅速发展，逐渐改变了世界开发软件的格局。作为太空探索领域的佼佼者，美国国家航空航天局（NASA）在2017年3月发布了2017-2018软件目录[1]，开源了一系列航天相关项目，包括多年使用的设计仿真工具、应用软件和代码库等，大部分可免费使用，如用于与航天器交换大文件的标准工具CCSDS CFDP文件传输协议等。以往论文研究集中在NASA的技术成果转化政策和机制方面，本文从技术角度，对NASA开源软件进行了研究，二次开发实践，并思考了开源技术对软件定义类卫星技术发展，对解决卫星智能化问题的借鉴意义。

1 NASA开源软件发展概况

1.1 技术转让计划

从1964年开始，一直以尖端的科学技术领先全球的NASA通过设立技术转让计划，开始建立航天技术服务于民生的长效机制，每年都出版一期Spinoff报告，迄今为止，超过2000项技术成功转移到民用领域。NASA在履行好座右铭“我们努力奔向新的高度，为人类福祉而发现未知”的同时，其建立的技术转让计划使得众多中小企业利用NASA科研成果进行创业，使航天高科技在新的领域得到更广泛的应用。在航天领域NASA设立的技术转让计划成为运行良好、效益突出的高技术成果转化机制，加速了科技成果转化。

1.2 开源进展和目的

作为技术转让计划中的一部分，NASA在官网上发布了大量航天项目中的开源软件和工具，目前，一共有1072可用的程序软件，涵盖项目管理、数据和图像处理、电源系统、航天器设计与集成工具、自主系统等15个方面，见图1。这些代码来自NASA Ames、JPL、Jonhson、Armstrong等11个研发中心和机构。NASA的做法有两方面目的，一方面希望通过开源社区同行评审提高代码质量、加速开发，并能收获更多项目改进的建议，另一方面，最大化NASA研究的知名度和影响，同时也将技术转让给企业和个人，用于新的领域发展最新科技。

2 NASA典型开源项目

2.1 Livingstone2（L2）

Livingstone2[2-3]由NASA Ames中心研制，是基于模型的故障诊断和恢复引擎，目的使复杂系统如航天器，不断自主化和智能化，在最少人工干预下，实现系统状态自我感知、诊断和响应非正常状态，尤其是面临硬件故障或未知事件时。

图1 软件目录分类

通过建立一组多层次的定性逻辑模型，通过对比模型预测数据和传感器实测数据来检测和诊断系统故障，实现追踪系统的状态，并根据不同状态给出建议指令实现系统继续运行，原理见图2所示。L2已经在包括X34推进系统和国际空间站等几个试验床上实施和应用，同时也在地球观测卫星1号（EO-1）上进行过飞行试验。

2.2 Trick 航天器仿真环境

Trick 航天器仿真环境[4]由NASA 约翰逊空间中心研发，使用户可以对航天器研制的各个阶段建立仿真应用，包括早期设计、性能指标评估、飞行软件开发和测试，飞行过程动态分析，软件和硬件的闭环测试。目的是提供一种通用共性的仿真能力，以便各领域专家更专注在特定领域的模型，而不是仿真功能应用如任务排序、数据存储等。但是这款软件只对美国公民开放。图3为Trick蒙特卡洛高级仿真功能流程，允许用户对不同输入进行重复仿真，不断优化。

2.3 Open MCT[5]

Open MCT( Open Mission Control Technologies )是下一代具有数据可视化的任务控制框架，可在桌面端和移动端分别使用，由NASA Ames中心开发，用于航天器任务分析，运行控制和规划。作为一个通用开放的基础平台，用户可在Open MCT基础上进行二次开发，针对不同航天器开发任务规划、控制和数据分析等应用。系统效果图见图4。

3 基于开源软件的卫星健康状态监视原型系统

3.1 系统介绍

系统用于监视卫星平台健康状态，目前包括但不限于CPU温度、GPU温度、CPU使用率、RAM使用率、ROM使用率、姿态测量参数（如加速度传感器XYZ，磁强计XYZ等）等信息，将健康状态信息（SOH: State Of Health）以CCSDS数据包格式封装，通过无线射频链路发送到地面站系统，以图表形式进行显示信息。

3.2 系统架构

系统利用Raspberry PI+PC构建验证原型系统，RPI作为卫星端，运行Linux系统和飞控系统软件，应用软件SOH，PC端作为地面端，运行Linux系统及地面站软件，通过WiFi无线链路连接，系统运行后，可进行遥测遥控功能。系统架构图，见图5。

图2 L2诊断原理

图3 Trick的蒙特卡洛功能流程

图4 Open MCT系统效果

3.3 系统成果

系统集成开源软件的技术优势，并结合需求进行定制化改进，经过三个月测试，软件工作正常，系统运行稳定，实现了简单的健康状态监视功能。下一步可通过总线集成更多部件，进行对应功能软件开发，丰富完善。地面系统运行图，见图6

图5 系统架构

图6 地面系统运行图

4 思考与启示

4.1 航天领域开源软件思考

在航天软件领域，NASA开源了从航天器仿真、设计工具、星载软件、地面任务控制、结构材料设计工具等各类应用软件、代码库和工具。开源动机是希望通过开源社区同行的使用提高软件质量，但从某种程度上讲，使用这些代码尤其是二次开发会让技术实力稍弱的企业依赖NASA的基础级代码，影响自主创新能力。

航天软件对太空资产的重要性不言而喻，尤其是基础的核心软件。在操作系统方面，VxWorks 操作系统依然是国内大部分航天项目主流选择，开源化研究操作系统，值得思考。另一方面，人工智能技术共性的系统是Linux，许多机器学习算法基于Linux开发，卫星智能化发展是选择开源的路线，集智发展，抑或是传统领域吸收成熟智能算法融合发展，这也是一个值得探讨的研究方向。

4.2 开源将会是商业航天企业技术重要驱动

开源软件具有开放、共享、自由等特性，企业可避免重复造轮子，使用最少的人力、物力、财力就能很快构建一个系统，在开源软件基础上定制灵活，通过社区的力量，软件也更稳定、安全性更高，可及时发现和修复安全漏洞。一个非常成功的例子是，Android 2007年以开源形式发布后，阵营呈现爆炸式增长，成为份额第一的移动操作系统[6]。

更稳定、更安全、更可靠的追求促使航天软件开发测试成本更高，由于追求高可靠和责任重大，导致软件发展已慢于互联网软件行业发展。商业航天的发展，结合开源技术，在软件质量、软件成本方面，有望改变这一局面。

5 结束语

NASA开源的项目软件，部分代码每天迭代更新，提高了软件的质量，进一步降低了应用在航天类项目中的风险，这对于软件定义类卫星技术发展有着很大借鉴意义。

[1]NASA Open Source Software［EB/OL］http://code.nasa.gov.

[2]LivingStone2［EB/OL］https://github.com/nasa.

[3]陈治佐，刘兴钊，吕高焕. Livingstone 用于航天器推进系统故障诊断[J]. 太赫兹科学与电子信息学报，2013，11（5）：770-774.CHEN Zhi-zuo，LIU Xing-zhao，LV Gao-huan. Fault diagnosis of spacecraft propulsion system by using Livingstone[J]. Journal of Terahertz Science and Electronic Information Technology，2013，11（5）：770-774.

[4]Trick [EB/OL] https://www.nasa.gov/centers/ames/research.

[5]Open MCT [EB/OL] https://github.com/nasa/openmct.

[6]https://www.idc.com/promo/smartphone-market-share