CN112506664A - 软件定义卫星的电子电气架构、计算资源调度方法、电子设备 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种软件定义卫星的电子电气架构、计算资源调度方法、电子设备，该架构包括：电源模块、核心交换机、计算节点、外部设备；电源模块，用于提供电能；核心交换机，与电源模块连接，包括多个TSN/PoE接口，TSN/PoE接口用于连接计算节点，用于实现数据交换，并将电源模块提供的电能向外传输；计算节点，与核心交换机连接，包括中央处理器和辅助处理器，用于从核心交换机获取电能，并实现数据存储和计算功能；外部设备，与计算节点连接，用于生成计算参数。本申请在外部设备的功能最小化的情况下，将属于功能设备的计算功能剥离，由与外部设备对接的计算节点来计算；计算节点的计算资源可共享，提升了卫星的整体计算能力。

Description

软件定义卫星的电子电气架构、计算资源调度方法、电子设备
技术领域
本申请涉及卫星电气***领域，特别涉及一种软件定义卫星的电子电气架构、计算资源调度方法、电子设备。
背景技术
卫星***的电子电气架构(Electrical/Electronic Architecture，EEA)是承载卫星功能的主要载体，电子电气架构决定了卫星软件***的开发模式。当前卫星***的研制，通常将卫星电子电气***分为卫星平台和载荷***。根据卫星功能需求，载荷***可以特定的功能设备，并采用CAN(Controller Area Network，控制器局域网络)、MIL-STD-1553等作为***总线连接各功能设备，实现卫星的遥测、遥控等基本控制和状态数据的传输。参见图1，为本申请一实施例提供的卫星传统的电子电气架构的架构示意图，如图1所示，电子电气架构中包括若干指定特定功能的功能设备，设备之间通过***总线连接。
随着对卫星***的智能化需求的提升，传统的卫星电子电气架构逐渐不能满足星载软件***的功能和开发需求。传统的功能设备功能单一，在任一功能设备故障或闲置时，计算能力无法被利用，导致卫星的整体计算能力较低；功能设备的处理器主要是MCU(Microcontroller Unit，微控制单元)和宇航级FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)，计算能力较差。此外，各功能设备功能固化，不支持软件在轨更新。
发明内容
本申请实施例的目的在于提供一种软件定义卫星的电子电气架构、计算资源调度方法、电子设备，用于提升卫星的计算能力。
本申请实施例第一方面提供了一种软件定义卫星的电子电气架构，包括：
电源模块、核心交换机、计算节点、外部设备；
所述电源模块，用于提供电能；
所述核心交换机，与所述电源模块连接，包括多个TSN/PoE接口，所述TSN/PoE接口用于连接所述计算节点，用于实现数据交换，并将所述电源模块提供的电能向外传输；
所述计算节点，与所述核心交换机连接，包括中央处理器和辅助处理器，用于从所述核心交换机获取电能，并实现数据存储和计算功能；
所述外部设备，与所述计算节点连接，用于生成计算参数。
在一实施例中，所述核心交换机包括至少两个互为热备份的交换机，所述交换机之间通过万兆网进行数据交换。
在一实施例中，所述计算节点包括接入不同类别外部设备的多个计算节点；所述计算节点的辅助处理器包括FPGA、GPU、DSP、ASIC中的任意一种。
在一实施例中，所述外部设备包括卫星平台传感器、卫星平台执行器、载荷类单机；
其中，所述卫星平台传感器包括星敏感器、太阳敏感器、九轴传感器、温度传感器、电源相关外设中一种或多种的组合；
所述卫星平台执行器包括推进器、动量轮、磁力矩器、热控组件、特种电机中一种或多种的组合；
所述载荷类单机包括相机、无线电载荷、导航载荷中一种或多种的组合；所述无线电载荷包括GNSS-SDR、X-SDR、S-SDR、Ku-SDR、UHF-SDR中一种或多种的组合。
在一实施例中，所述核心交换机，用于调度所述计算节点的计算资源。
在一实施例中，所述计算节点包括至少两个互为热备份的中央计算节点，所述中央计算节点用于调度所述计算节点的计算资源。
本申请实施例第二方面提供了一种计算资源调度方法，包括：
获取本地多个应用程序中任一应用程序的计算调度请求；
依据所述计算调度请求的计算性质，确定与所述计算性质对应的若干候选计算节点；其中，所述候选计算节点包括与所述计算性质对应的辅助处理器；
从所述候选计算节点中选择负载最低的预设数量的计算节点，作为指定计算节点；
从外部设备获取与所述计算调度请求对应的计算参数，并将所述计算参数下发至所述指定计算节点，使得所述指定计算节点执行计算任务。
在一实施例中，所述方法还包括：
接收针对任一应用程序的升级请求；
依据所述升级请求中的应用程序安装包完成升级。
在一实施例中，所述方法还包括：
在所述应用程序升级后，判断所述应用程序是否运行异常；
如果是，将所述应用程序回滚至上一版本。
本申请实施例第三方面提供了一种电子设备，所述电子设备包括：
处理器；
用于存储处理器可执行指令的存储器；
其中，所述处理器被配置为执行上述计算资源调度方法。
在本申请实施例中，在外部设备的功能最小化的情况下，将原本属于功能设备的计算功能剥离，由与外部设备对接的计算节点实现计算；且计算节点的计算资源可以共享，从而提升了卫星的整体计算能力；此外，由于功能设备的功能转为通过搭载应用程序的计算节点来实现，计算节点又包含中央处理器和辅助处理器，计算能力强大，且可以支持应用程序在轨更新。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本申请一实施例提供的卫星传统的电子电气架构的架构示意图；
图2为本申请一实施例提供的软件定义卫星的电子电气架构的架构示意图；
图3为本申请一实施例的电子设备的结构示意图；
图4为本申请一实施例提供的计算资源调度方法的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。
相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
参见图2，为本申请一实施例提供的软件定义卫星的电子电气架构的架构示意图，如图2所示，该软件定义卫星的电子电气架构可以包括：电源模块20、核心交换机30、计算节点40、外部设备50，其中：
电源模块20可以用于提供电能。
核心交换机30，与电源模块20连接，可以包括多个TSN(Time SensitiveNetworks，时间敏感网络)/PoE(Power Over Ethernet，有源以太网)接口，TSN/PoE接口用于连接计算节点40，用于实现数据交换，并将电源模块提供的电能向外传输。单个核心交换机30可以按需选配8、16、32(或其它定制数量)个TSN/PoE接口，以支持不同数量的计算节点40。
计算节点40，与核心交换机30连接，包括中央处理器和辅助处理器，用于从核心交换机获取，并实现数据存储和计算功能。不同计算节点40之间可以通过核心交换机30进行通信，从而实现数据交换。其中，中央处理器可以用于***控制及计算节点40上的管理功能，辅助处理器可以实现计算加速、对接外部设备50等功能。
外部设备50，与计算节点连接，用于生成计算参数。其中，计算参数可以是外部设备50采集到的数据，为实现卫星功能而用于计算。示例性的，如果外部设备50为相机，计算参数可以是相机采集的图像。
在一实施例中，核心交换机30包括至少两个互为热备份的交换机，交换机之间通过万兆网进行数据交换。在这种情况下，电源模块20可以与每一核心交换机30连接，从而可在任一核心交换机30出现故障时，向接替故障的核心交换机30的工作的另一核心交换机30供电，从而避免软件定义卫星的电子电气架构断电。在这种情况下，每一计算节点40可以通过TSN/PoE接口与每一核心交换机30连接，从而保证软件定义卫星的电子电气架构的高可用性。
在一实施例中，计算节点40可以包括接入不同类别外部设备的多个计算节点，每一计算节点40可以接入一个或多个外部设备50；同一计算节点40接入的多个外部设备50可以是相同的设备，也可以是不同的设备。
计算节点40的辅助处理器可以包括FPGA、GPU(Graphics Processing Unit，图形处理器)、DSP(Digital Signal Process，数字信号处理)芯片、ASIC(ApplicationSpecificIntegrated Circuit，专用集成电路)芯片中的任意一种。
在一实施例中，外部设备50可以包括卫星平台传感器、卫星平台执行器、载荷类单机。
其中，卫星平台传感器可以包括星敏感器、太阳敏感器、九轴传感器、温度传感器、电源相关外设中一种或多种的组合。换而言之，可以根据卫星的实际需求选择性接入卫星平台传感器。
卫星平台执行器可以包括推进器、动量轮、磁力矩器、热控组件、特种电机中一种或多种的组合。换而言之，可以根据卫星的实际需求选择性接入卫星平台执行器。
载荷类单机可以包括相机、无线电载荷、导航载荷中一种或多种的组合。换而言之，可以根据卫星的实际需求选择性接入载荷类单机。其中，软件定义无线电(SDR，Software Defined Radio)载荷可以包括GNSS(Global Navigation Satellite，全球导航卫星***)-SDR、X-SDR、S-SDR、Ku-SDR、UHF(Ultra High Frequency，超高频)-SDR等射频前端中一种或多种的组合。
如图2所示，计算节点40和外部设备50可以依据功能的关联性和位置关系，被划分成多个组合，每一组合的设备可以包括至少一个计算节点40和与该计算节点40连接的外部设备50。如图2所示，虚线框内的计算节点40和外部设备50形成一个组合。每一组合中所有设备可被统称为一个“域”，比如，接入通信类相关的外部设备的计算节点和该计算节点下的所有外部设备，可被统称为SDR域；接入卫星姿轨控设备的计算节点和该计算节点下所有姿轨控设备，可被统称为姿轨控域；接入光学成像类设备的计算节点和该计算节点下所有光学成像类设备，可被统称为光学相机域。
本申请中，外部设备50不承担计算、存储等工作，由计算节点40来完成，从而可以实现外部设备50的功能最小化，并可使计算节点40进行计算资源共享，从而提高整个电子电气***的计算能力，为复杂应用程序的运行提供支持。
在一实施例中，核心交换机30可以用于调度计算节点40的计算资源。这里，计算资源包括计算节点40的存储资源、中央处理器和辅助处理器的计算能力。
在一实施例中，计算节点40可以包括至少两个互为热备份的中央计算节点，中央计算节点可以预先指定，也可以通过选举机制产生。中央计算节点可以用于调度计算节点40的计算资源。
本申请方案的电子电气架构面向软件定义卫星，替换了传统卫星的电子电气架构，使得卫星的软件和硬件解耦，可由计算节点处理各类计算任务，且计算节点的计算资源可以共享，从而提升了卫星的整体计算能力。由于计算节点包含中央处理器和辅助处理器，且可通过以太网通信，可支持应用程序在轨更新。
如图3所示，本实施例提供一种电子设备1，包括：至少一个处理器11和存储器12，图2中以一个处理器11为例。处理器11和存储器12通过总线10连接，存储器12存储有可被处理器11执行的指令，指令被处理器11执行，以使电子设备1可执行下述的实施例中方法的全部或部分流程。在一实施例中，电子设备1可以是上述核心交换机30或计算节点40。
存储器12可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现，如静态随机存取存储器(Static Random Access Memory，简称SRAM)，电可擦除可编程只读存储器(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory，简称EEPROM)，可擦除可编程只读存储器(Erasable Programmable Read Only Memory，简称EPROM)，可编程只读存储器(Programmable Red-Only Memory，简称PROM)，只读存储器(Read-Only Memory，简称ROM)，磁存储器，快闪存储器，磁盘或光盘。
参见图4，为本申请一实施例提供的计算资源调度方法的流程示意图，如图4所示，该方法可以包括以下步骤410-440。
步骤410：获取本地多个应用程序中任一应用程序的计算调度请求。
该方法应用于执行计算资源调度的电子设备，该电子设备可以是卫星电子电气架构中的核心交换机，或者，中央计算节点。下文以核心交换机为主体描述方案。
卫星上的应用程序可以按照功能搭载于多个计算节点上。示例性的，任一应用程序在执行过程中需使用外部设备的计算参数，则该应用程序可以安装在上述外部设备接入的计算节点上。或者，一个域中的任一计算节点均可安装对应功能的应用程序。
计算调度请求用于请求调度计算资源。当任一域中计算节点在执行应用程序的处理逻辑时，如果存在计算量较大、或者当前计算节点负载过高、或者当前计算节点出现故障等情况，应用程序可以向核心交换机发送计算调度请求。核心交换机接收到计算调度请求后，可以开始执行计算资源调度任务。
步骤420：依据计算调度请求的计算性质，确定与计算性质对应的若干候选计算节点；其中，候选计算节点包括与计算性质对应的辅助处理器。
计算性质表示计算所需的辅助处理器。比如：如果应用程序需对图像进行处理，则计算调度请求的计算性质可以指示GPU。
候选计算节点是依据辅助处理器初步筛选出的计算节点，可以从中继续筛选从而确定后续为上述应用程序执行计算逻辑的计算节点。
核心交换机依据计算性质，确定应用程序所需的辅助处理器，从而将搭载此类辅助处理器的计算节点作为候选计算节点。
步骤430：从候选计算节点中选择负载最低的预设数量的计算节点，作为指定计算节点。
核心交换机可以检查各候选计算节点的负载情况(比如：查看计算任务量，或者，检查处理器使用率等指标)，并从中选择负载最低的预设数量的计算节点，作为指定计算节点。示例性的，核心交换机可以查看各候选计算节点的处理器使用率，并选择处理器使用率最低的三个候选计算节点作为指定计算节点。
步骤440：从外部设备获取与计算调度请求对应的计算参数，并将计算参数下发至指定计算节点，使得指定计算节点执行计算任务。
核心交换机可以从外部设备获取上述应用程序所需的计算参数，并将计算参数下发至指定计算节点，从而使得指定计算节点可以执行计算任务。
通过上述措施，可以完成计算资源的调度，从而避免计算资源的闲置导致卫星整体计算能力的低下。
在一实施例中，核心交换机可以接收针对任一应用程序的升级请求，该升级请求包括应用程序安装包。核心交换机可以从地面运营人员的终端设备获取上述升级请求，从而确定需执行升级任务。核心交换机可以依据升级请求中的应用程序安装包，控制计算节点完成应用程序升级。
通过该措施，可以实现卫星上应用程序的在轨更新。
在一实施例中，当应用程序升级后，核心交换机可以判断应用程序是否运行异常。核心交换机可以通过查看应用程序的运行日志，判断应用程序是否运行异常。如果应用程序运行异常，则可以通过上一版本的应用程序安装包，将应用程序回滚至上一版本，从而避免因新版本应用程序不完善，导致更新后运行失败的问题。

Claims (10)

1.一种软件定义卫星的电子电气架构，其特征在于，包括：
电源模块、核心交换机、计算节点、外部设备；
所述电源模块，用于提供电能；
所述核心交换机，与所述电源模块连接，包括多个TSN/PoE接口，所述TSN/PoE接口用于连接所述计算节点，用于实现数据交换，并将所述电源模块提供的电能向外传输；
所述计算节点，与所述核心交换机连接，包括中央处理器和辅助处理器，用于从所述核心交换机获取电能，并实现数据存储和计算功能；
所述外部设备，与所述计算节点连接，用于生成计算参数。
2.根据权利要求1所述的电子电气架构，其特征在于，所述核心交换机包括至少两个互为热备份的交换机，所述交换机之间通过万兆网进行数据交换。
3.根据权利要求1所述的电子电气架构，其特征在于，所述计算节点包括接入不同类别外部设备的多个计算节点；所述计算节点的辅助处理器包括FPGA、GPU、DSP、ASIC中的任意一种。
4.根据权利要求3所述的电子电气架构，其特征在于，所述外部设备包括卫星平台传感器、卫星平台执行器、载荷类单机；
其中，所述卫星平台传感器包括星敏感器、太阳敏感器、九轴传感器、温度传感器、电源相关外设中一种或多种的组合；
所述卫星平台执行器包括推进器、动量轮、磁力矩器、热控组件、特种电机中一种或多种的组合；
所述载荷类单机包括相机、无线电载荷、导航载荷中一种或多种的组合；所述无线电载荷包括GNSS-SDR、X-SDR、S-SDR、Ku-SDR、UHF-SDR中一种或多种的组合。
5.根据权利要求1所述的电子电气架构，其特征在于，所述核心交换机，用于调度所述计算节点的计算资源。
6.根据权利要求1所述的电子电气架构，其特征在于，所述计算节点包括至少两个互为热备份的中央计算节点，所述中央计算节点用于调度所述计算节点的计算资源。
7.一种计算资源调度方法，其特征在于，包括：
获取本地多个应用程序中任一应用程序的计算调度请求；
依据所述计算调度请求的计算性质，确定与所述计算性质对应的若干候选计算节点；其中，所述候选计算节点包括与所述计算性质对应的辅助处理器；
从所述候选计算节点中选择负载最低的预设数量的计算节点，作为指定计算节点；
从外部设备获取与所述计算调度请求对应的计算参数，并将所述计算参数下发至所述指定计算节点，使得所述指定计算节点执行计算任务。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
接收针对任一应用程序的升级请求；
依据所述升级请求中的应用程序安装包完成升级。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在所述应用程序升级后，判断所述应用程序是否运行异常；
如果是，将所述应用程序回滚至上一版本。
10.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括：
处理器；
用于存储处理器可执行指令的存储器；
其中，所述处理器被配置为执行权利要求7-9任意一项所述的计算资源调度方法。
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