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奔向太空,我们是认真的!国产操作系统飞天记

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发表于 2019-4-8 15:27:01 | 显示全部楼层 |阅读模式
奔向太空,我们是认真的!国产操作系统飞天记。
奔向太空:

北京时间12月7日12时12分,我国在酒泉卫星发射中心用“长征二号丁”运载火箭,成功将沙特-5A/5B 卫星发射升空。


据新华社酒泉12月7日电 12月7日12时12分,我国在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭,成功将沙特-5A/5B 卫星发射升空,搭载发射10颗小卫星,卫星均进入预定轨道。

此次搭载的多颗小卫星中,有一颗“个头最大”的卫星是来自于中国商业航天新秀:九天微星的瓢虫一号,相比我国之前发射的几公斤、十几公斤的微型商业卫星,瓢虫一号重量达到一百公斤,在小型卫星领域算得上是个“大块头”,它也是我国发射的第一颗百公斤级民营商业卫星。

瓢虫一号身法灵活、功能丰富,可执行对地定点观测、太空自拍、模拟星光闪烁;还可进行太空全景直播……。


我们是认真的:

我们都知道卫星产品的设计有着非常苛刻的可靠性要求,整个系统设计必须做到“万无一失”。一次航天任务耗资巨大,一旦出现问题,那么数年努力可能毁于一旦。

2016年,日本宇航局研发的 X 射线太空望远镜(官方名字:Astro-H)失联,最后检查出的原因是姿态控制代码存在设计缺陷。在地面,也许重新修改程序后故障可立即修复,可是在太空,由于姿态异常无法进行有效修复,19亿人民币和无数工程师的心血毁于一旦。这颗卫星失败后,日本宇航局十年内也不会再有相关的预算来发射替代卫星。

回到瓢虫一号卫星,此颗卫星是由九天微星联合翼辉信息等多家单位深度合作,基于翼辉 SylixOS 实时操作系统打造的多功能小卫星。其中翼辉信息负责设计基于 SylixOS 的高容错、低耦合卫星软件总体服务平台,这套软件平台的可靠性直接决定整星是否能够正常运转。

传统的卫星开发使用的是“按需实现”的模式,由于没有强大的操作系统和标准服务框架支持,卫星上运行的业务软件都是根据需求“重新开发”,存在软件复用度低,开发测试验证周期长等问题。

这次瓢虫一号卫星软件使用了全新的设计模式,不同于传统设计模式,这次翼辉采用与“智能操作系统”相似软件架构,即在一个成熟可靠的操作系统内核上建立一套专门针对航天产品共性需求的标准软件框架。有了这套标准软件框架,卫星应用软件可以不用因为硬件改动或驱动升级而频繁修改代码,绝大多数系统功能与服务全部提供脱离硬件具体实现的标准化接口,大大缩短卫星应用软件开发周期,降低应用程序与其他服务的耦合性,提高系统可靠性,降低了卫星软件开发与测试成本。


卫星看似遨游太空、自由自在,其实充满了危险,例如:太空中高能粒子“打到”卫星计算机上可能引起的单粒子翻转;卫星向阳面温度可达100摄氏度以上,同时背阳面温度可能降至零下60摄氏度;而且这些情况时时刻刻都在发生。卫星就好比一个自成体系的小生态系统,如何保证自身稳定地运行环境决定了卫星能否正常运转。另外此颗卫星能源全靠太阳能,当运转至地球阴影区卫星将只能依靠电池工作,如何进行有效可靠的能源管理同样至关重要。这些都是卫星生存的必要条件。

虽然瓢虫一号属于低轨卫星,受地球磁场保护,辐射剂量不是很高,但出于安全考虑,瓢虫一号计算系统仍采用多机容错设计,每台计算机均提供单粒子翻转检测与修复、热平衡控制、电源管理等功能,同时还提供软件冗余备份功能,当检测出计算机程序被高能粒子损坏,可以自动切换到备份系统上,大大增强了卫星的生存能力。

卫星运行状态保障还有一项非常重要的工作:姿态控制。卫星上几乎所有的设备都对姿态有要求,例如太阳能帆板需要对准太阳,相机和通信天线需要对准目标等等,没有姿态控制,随意翻转的卫星实际作用与“砖头”差不多。与地面环境相比,在失重条件下调整姿态更为困难,一般小卫星多采用的“自旋”或“重力梯度”等被动姿控系统,而瓢虫一号则采用更为复杂且灵活的主动姿态控制系统,整个控制系统分为:测量、控制、执行机构三个部分,讲到这里是不是有些同学已经想到经典频域控制理论的“微分方程、拉普拉斯变换、传递函数、稳定性分析”和现代控制理论“状态空间”等概念?没错!卫星姿态控制就是这些理论的具体应用。


瓢虫一号的姿控测量组件包括:太敏(通过太阳计算空间方位)、星敏(通过已知的多颗恒星计算方位)、磁强计,执行机构主要是飞轮与磁阻尼器。翼辉信息参与瓢虫一号的姿控系统设计不多,由于时间紧任务重,没有完成预先设想的姿控系统模型化目标,既将所有控制系统抽象成统一的模型接口,不同卫星只需要导入不同的控制系统模型文件与参数,即可完成姿态控制系统。这样做的优势不仅仅可以将姿控系统设计变得标准化,同时也可降低风险,在有重力条件下实现姿控实物仿真较为困难,单纯通过计算机仿真还是有一定的设计风险,翼辉信息未来想通过在半实物化仿真方面积累的经验,将目标机运行的控制系统模型通过半实物化方式接入 Matlab 进行半实物化仿真,从而有效提高开发效率,降低风险。关于这项工作,翼辉信息已经与相关航天院所展开合作,希望在不久的将来能够应用于其他航空航天系统。

目前,瓢虫一号卫星已经完成一系列在轨测试,测控、热控、姿控、能量管理等系统状态一切正常。未来,瓢虫一号将在野生动物保护、野外应急救援、车辆船舶监测、物流追溯等领域开展系统级验证。


其实此次航天任务并不是 SylixOS 第一次飞向太空。就在两个月前,SylixOS 作为载荷计算机操作系统,成功为某卫星载荷提供高可靠软件平台支撑,表现优异。安全可靠地为客户提供加密的卫星通讯服务。

目前,基于 SylixOS 设计的航天器与运载系统包括但不限于:多颗通讯卫星、多颗资源卫星、某商业航天火箭飞行控制系统等,更多的航天器和运载组件将会在2019年相继发射升空。

未来,翼辉信息和 SylixOS 操作系统会承担越来越多航天任务。为人类宇航事业提供更多的服务。

最后:

通过多次深度参与航天任务,翼辉信息已掌握多余度高可靠引导程序、驱动程序、操作系统、星务服务框架等技术。从2019年开始翼辉信息还会参与到更多大卫星与深空探测项目,未来是否会将这些经验进行抽象,打造一款卫星操作系统?我们正在严肃考虑中。

探索永无止境,翼辉信息一直与你同行。奔向太空,我们是认真的!


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