云计算在商业航天中的应用及其对卫星组网的影响研究

秦宝倩

(中国电科网络通信研究院,河北 石家庄 050081)

0 引言

商业航天活动,特别是卫星组网,涉及大量的数据传输、处理和分析。传统的数据处理模式往往受限于计算能力和存储空间的不足,无法适应商业化趋势,也无法满足日益增长的数据需求。而云计算平台能够提供强大的计算能力和几乎无限的存储空间,恰好能够为商业航天活动提供有力支持,通过云计算,商业航天企业可以更加高效地处理和分析卫星数据,提升运营效率。

1 云计算基础知识

1.1 云计算概述

云计算不仅仅是一种计算模型,更是一种服务模式的转变[1]。云计算的核心思想是将计算资源、存储资源以及应用服务等进行集中管理和动态分配,为商业航天提供服务体验。

1.2 云计算架构

云计算架构是实现云计算服务模式的核心技术支撑,包括硬件层、虚拟化层、管理层和应用层等多个层次。商业航天领域的硬件层可提供稳定的硬件支撑,完善硬件资源的稳定运行。而在虚拟化层,通过虚拟化技术对硬件资源进行抽象和池化,使得资源可以动态分配和灵活调度。在管理层,可以对整个云计算平台进行统一管理和监控,确保平台的稳定运行和高效服务。应用层是商业航天平台的最终服务形态,能够直接感知和使用,采用逐层分离的架构设计,能够轻松应对不断增长的业务需求,确保商业航天服务的顺利进行。

1.3 云计算服务模型

商业航天领域采纳了云计算服务模型,将其划分为基础设施即服务(IaaS)、平台即服务(PaaS)和软件即服务(SaaS)3大类别。这一划分使得商业航天企业能够更好地利用云计算的优势,提高效率并降低成本。在商业航天中,基础设施即服务(IaaS)提供了一种灵活的解决方案,允许企业通过云平台获取和管理所需的计算资源,如服务器、存储和网络。平台即服务模型让航天公司能够专注于应用的开发,平台即服务模型的使用将进一步加快航天应用程序的开发速度,推动技术创新,而软件即服务模型完善了商业航天企业所需的各种软件应用程序。通过软件即服务模型,航天公司无需安装和管理复杂的软件系统,只需通过云平台订阅所需的应用程序,简化航天企业的操作流程,节省时间和资源。

2 商业航天发展现状

2.1 商业航天概述

商业航天是指航天产业商业化的进程。随着卫星密集发射前期的到来,未来10年内预计会在地球近地轨道上部署大约6万颗卫星,商业发射需求也将快速增长[2]。整体上,中国的航天产业仍然具有较强的军用背景,航天科技集团和航天科工集团组成了主要的航天工业体系。打破“封闭”的航天产业,成为航天产业发展的新趋势。

2.2 商业航天发展现状

以SpaceX为代表的一批商业航天企业,通过技术创新和商业模式的探索,打破了传统航天产业的格局。全球航天产业规模持续增长,全球航天发射进程也在不断加快,中国等国家的航天发射次数位居世界前列,随着全球商业航天的持续增长,中国商业航天的发展势态尤为良好。中国已形成全产业链的商业航天体系,正逐步成为全球航天产业发展的主要力量。

2.3 商业航天对卫星组网的需求

卫星互联网可以分为高轨卫星互联网和低轨卫星互联网。高轨卫星互联网是一种卫星系统,卫星与地面之间的距离约为36000 km。由于卫星轨道固定,高轨卫星互联网可以实现高速宽带通信,为全球范围内的用户提供覆盖。低轨卫星互联网运行在500～2000 km的近地轨道上,能够实现更低的通信传输时延,使其更加适合车联网、自动驾驶等实时性要求较高的应用。

3 云计算在商业航天中的应用

3.1 云计算在商业航天中的应用优势

商业航天活动产生大量的遥感数据、实验数据等,而云计算平台可以提供超大规模的计算能力,能够高效地存储、处理和分析这些海量数据,商业航天项目往往面临不确定的任务需求和工作负载波动,云计算平台能够根据需求自动扩展计算资源[3]。这意味着商业航天企业可以根据实际需要快速调整计算能力。云计算平台采用多副本容错机制和分布式存储技术,即使某个节点发生故障,云计算平台也能自动将任务迁移至其他可用节点上。

3.2 云计算在商业航天中的应用挑战

商业航天活动产生海量的数据,涉及设计、制造、测试、发射、运行等各个环节。在航天器发射和运行过程中,需要实时接收并处理大量测控数据,以确保航天器的安全和任务的顺利完成。云计算平台需要具备低延迟、高可靠的数据传输和处理能力,以满足商业航天活动的实时性需求。

3.3 云计算在商业航天中的应用实践案例

采用1000台以上高性能图形处理器(Graphic Processing Unit,GPU)的服务器进行高性能计算,计算能力达到650万次/天。这些服务器与天翼云的资源池相结合,协同商业航天以及其他领域的研发机构,利用物理及服务云上的裸机、IB、GPGPU云主机、分布式存储和Infiniband网络等技术,FAST成功搭建了一个完善的云上超级计算中心。云上超级计算中心使商业航天以及其他研发机构得以更好地处理复杂的计算任务。

4 云计算对卫星组网的影响

4.1 云计算对卫星通信网络的影响

地面站服务供应商正在加快改造/扩充现有基础设施,使用支持云的服务或建立在共享基础设施上的虚拟地面站。传统的卫星通信系统可能依赖于单一或有限数量的处理节点,在面对大量数据或突发流量时可能导致处理瓶颈或故障[4]。而云计算允许系统通过分布在多个地理位置的服务器集群来分散处理负载,即使是在部分节点出现故障时,整体服务也能够保持连续性。云计算平台可以根据需求动态分配计算资源,确保在高负载时能够迅速扩展处理能力,让大型“云”服务供应商进入航天行业以及地面站服务的虚拟化。云计算对卫星通信网络的影响如表1所示。

表1 云计算对卫星通信网络的影响

4.2 云计算对卫星数据处理与分析的影响

经过多年发展,卫星系统已从过去单一类型的卫星转变为现在的陆地观测和高分系列卫星,商业航天卫星每天都会产生大量的数据,这些数据需要进行复杂的处理和分析才能转化为有价值的信息[5]。云计算平台通过分布式计算模式,可以迅速调动成千上万的计算节点进行并行处理,云计算平台提供了弹性可扩展的存储空间,根据需求随时调整存储容量,而且数据的安全性也得到了有效保障。据统计,某商业航天公司在采用云计算平台后,其数据存储成本降低了30%,数据可用性也得到了显著提升。云计算对商业航天卫星数据处理的影响数据如表2所示。

表2 云计算对商业航天卫星数据处理的影响数据

通过分布式计算模式,数据处理速度提升了500%,处理时间从24 h缩减至30 min,提高了商业航天卫星数据的处理效率。云计算平台提供的弹性可扩展存储空间,使得数据存储成本降低了30%,每年为商业航天公司节省了大量资金,保证了数据的灵活存储需求。云计算平台数据可用性提升至99.999%,确保了业务的连续性;而数据分析周期的缩短和决策效率的提升,则使得商业航天公司能够更快地洞察市场趋势和客户需求,优化运营策略。

4.3 云计算对卫星资源管理与调度的影响

云计算的核心思想是将计算资源(如服务器、存储、网络等)汇聚成一个动态可伸缩的资源池,这种思想同样可以应用于卫星资源的管理。通过将卫星资源(如通信带宽、数据处理能力、存储空间等)抽象化并汇聚到资源池中,实现资源的统一管理和灵活调度,从而提高卫星资源的利用效率。通过云计算平台,某商业航天公司的数据处理速度提升了500%。

云计算的弹性调度能力可以应用于卫星资源的调度中。根据任务的需求和优先级,动态分配和调整卫星资源,云计算结合人工智能、机器学习等技术,可以实现卫星资源的智能化管理。通过对卫星资源使用情况的监控和分析,可以预测未来的资源需求,提前进行资源调度和分配。云计算通过虚拟化技术将物理资源转化为逻辑资源,采用分布式计算技术,将计算任务分配到多个计算节点上并行处理。云计算卫星资源调度如表3所示。

表3 云计算卫星资源调度

云计算在卫星资源调度中展现出了显著的弹性,气象监测作为高优先级任务,得到了最多的计算节点和通信带宽,确保了其能够在最短时间内完成监测任务。地面成像任务虽然优先级中等,但也获得了不少资源,这反映了云计算能够根据任务的具体需求灵活地进行资源调配。轨道计算和数据备份作为低优先级任务,虽然分配的资源较少,但依然能够保证任务的顺利完成。这体现了云计算环境下资源的有效利用。

5 结语

云计算以其独特的优势,如弹性计算能力和灵活的资源调度,实现了卫星资源的优化配置和高效共享。这不仅提高了卫星网络的整体性能,还降低了运营成本,为商业航天企业带来了经济效益。