卫星软件测试中的可靠性分析技术研究

卫星型号所使用的软件为嵌入式软件。软件能否正常工作成为了保障卫星安全的重要条件之一。软件可靠性分析技术则是保障嵌入式软件可靠性的重要手段。软件可靠性也成为中国航天领域最重视的方面之一。如何在软件测试过程中采用可靠性分析方法,将软件问题准确定位,提高软件可靠性,是软件第三方测试所亟待解决的问题。

软件定义卫星技术概念及发展

针对在轨卫星呈现海量化、网络化、智能化发展的趋势,重点探讨了软件定义卫星技术的产生背景、概念、内容与挑战。通过历史回顾,归纳卫星系统研制的3个阶段,指出目前卫星系统正在从平台、载荷优先向算法优先演进,这一趋势推动了软件定义卫星技术的产生与发展;阐述软件定义卫星技术的概念与边界,指出研究软件定义卫星技术的目的不是研制一类新型卫星,而是利用软件定义技术实现硬件资源虚拟化、系统软件平台化、应用软件多样化,提升卫星系统的网络化与智能化;分析软件定义卫星技术的主要内容与挑战,并对未来的发展进行展望。

面向软件定义卫星网络的协同接入认证机制

接入认证是保障卫星网络安全的重要基础技术之一,一直为传统卫星网络安全领域的研究热点,但在新兴的软件定义卫星网络中的相关研究尚处于“襁褓”阶段。本文面向软件定义卫星网络提出了一种协同接入认证机制,其目标为:将安全技术和软件定义技术有机融合,在保证基本安全接入认证功能基础上,抵御卫星网络接入认证拒绝服攻击,规避由于切换认证中断导致的服务访问质量问题。协同接入认证机制设计中的主要贡献主要包括:协同接入认证模型和空间拓扑动态变化高容忍的接入认证协议两部分。其中,为了抵御接入认证拒绝服务攻击,协同接入认证模型设计为以地面合法端用户设备身份作为序参量,协同软件定义卫星网络管理面、控制面与转发面,仅上报注册的合法端用户设备的接入认证请求,减少接入认证暴露的攻击面;为了提升服务访问的连续性,空间拓扑动态变化高容忍的接入认证协议则基于椭圆曲线无证书算法,通过主动更新预接入和接入认证阶段的控制面转发控制参数,使合法端用户设备的服务访问对切换无感知,降低重认证次数。通过安全性分析,本文证明了所提出的接入认证机制不仅能够满足安全性需求,并且与典型认证方法相比,在抵御接入认证抗拒绝服务攻击和保障访问连续性等方面具有优势;进一步,通过数值仿真,验证了所提接入认证机制不仅可有效降低重认证次数,并且可达到毫秒级的认证算法计算效率。

基于VxWorks的卫星载荷管理软件设计与实现

卫星载荷管理软件是卫星平台载荷的核心软件,对各载荷单元进行精确控制和调度,确保各载荷单元数据正确传输,以及各任务在时间维度上的严格准确执行。随着卫星载荷的迅速发展,系统对载荷管理软件提出了更高的要求,在对卫星载荷管理软件的需求分析的基础上,提出了一种基于VxWorks实时操作系统的软件设计与实现方法,给出了基于分层理念的嵌入式软件架构设计,介绍了卫星管理软件的多任务设计和调度,在软件层面给出了可靠性的设计方法。实验表明,提出的卫星载荷管理软件设计可很好地满足系统对实时性和可靠性的要求,对卫星载荷管理软件设计具有参考价值。

卫星图像软件在判断矿井地质构造中的应用

以北京长沟峪煤矿为背景,根据矿井的地质报告,指出地质构造与地表形态存在的关联。大致判断出京西煤田向斜、背斜构造及大型断裂构造与地表的关系。并利用卫星图像软件谷歌地球(Google Earth)得到的图像对矿区井田范围内的相关地质构造进行分析,并进行井上下对比。以此作为判断井下地质条件的依据,为判明葫芦棚区煤层赋存状况提供帮助。

基于软件定义微纳卫星的多模式计算光学成像技术

为实现有效载荷具备上载软件在轨定义多功能、软件可控多功能、参数可重构的软件定义微纳卫星需求,需要突破传统卫星平台和传统光学相机的设计局限,开展基于微纳卫星的软件定义下新型计算光学成像载荷技术研究。充分考虑有效载荷的软件和硬件两者之间联合设计可能存在的发展空间,分析了亚像元信息、卫星平台参数、光学系统参数、探测器参数、噪声、大气对图像数据处理,特别是超分辨率重建的影响。根据各个影响因素的物理机制分别建立物理模型和误差模型,作为重建方法的先验信息,将这些有利于超分辨技术的先验信息约束应用于相机设计过程,使得相机获取的图像可以很好地匹配超分辨方法。该方法可以提升视觉分辨率和实质分辨率,同时保持对噪声的抑制能力,并有可能降低传统相机的结构尺寸和研制难度。研制实现集超分辨成像、动态范围增强成像、视频成像等软件智能可控的多种成像处理模式于一体的通用型计算光学成像相机,将对航天产业提供更大的灵活性和增值空间,为未来智能卫星航天技术研究与快速创新提供一种可行的方案。

软件定义卫星网络的链路故障检测和恢复方案

针对具有星间链路的卫星网络,提出了一种软件定义卫星网络架构下的链路故障检测和恢复方案。首先基于软件定义卫星网络架构设计了一种主动上报式故障检测机制,并设计了链路故障检测算法,实现对卫星网络中链路故障的快速发现和准确定位。在此基础上,提出了一种保护加恢复式故障恢复机制来快速恢复因故障导致的业务中断。最后在原型系统中对该方案进行了验证。实验结果表明,该方案可以在毫秒级的时间内快速检测并准确定位到链路故障,并可以在10±2ms的时间内对故障进行快速恢复。同时,该方案可适用于多种卫星网络拓扑。

支持任务自主接入的星务软件重构方法

目前卫星设计领域软件在轨重构方式安全性低,灵活性差,大大制约了星务软件在轨功能的持续更新与扩展需求。针对以上背景,提出了一种支持任务级重构的星务软件架构,介绍了基于容错SRAM的典型硬件环境和基于软总线的软件分层设计方法;开展对任务自主接入及硬件重启后自主恢复机制的研究,提出支持任务自主接入的星务软件重构流程及补丁协议,最终针对新型软件架构和任务接入方法进行仿真,验证了该方法的安全有效性,解决了目前星务软件重构灵活性差的问题,为提升卫星软件好用易用性提供了解决方案。

发展软件定义卫星的总体思路与技术实践

软件定义卫星是以天基先进计算平台和星载通用操作环境为核心,采用开放系统架构,支持有效载荷即插即用、应用软件按需加载、系统功能按需重构的新一代卫星系统。本文结合以发展天基智能为目标的天智工程,介绍了我们推动软件定义卫星发展的总体思路以及正在进行的一些技术实践,给出了有助于加速传统卫星向智能卫星演化的路线图。

国外软件定义卫星技术进展

软件定义卫星是基于软件定义无线电技术的新型卫星,可通过软件更新实现卫星功能特性的重新配置,即实现功能"定义"。美国国家航空航天局(NASA)已开展多项天基试验:"迷你射频"载荷验证了S、X双频雷达成像和S频段通信能力的集成;"空间通信与导航"平台的3个软件定义无线电载荷分别试验了S频段通信和L频段导航能力的集成,以及Ka频段高速通信能力。Aireon公司的天基广播式自动相关监视系统(ADS-B),可实时跟踪飞机位置信息。欧洲启动研制首颗软件定义卫星,实现覆盖区域、频段、带宽和功率的在轨重新配置,可显著提升通信卫星运行和制造灵活性。英国针对"天网"-5军事通信卫星,研制部署基于软件定义无线电的地面终端。

卫星导航系统综合分析处理软件PANDA及研究进展

简要介绍了卫星导航系统综合处理软件卫星精密定轨定位综合分析软件(PANDA)的数据处理方法与策略,重点阐述了PANDA软件目前的新进展,并对PANDA软件的进一步的发展进行了讨论。软件目前的研究进展以及与国外研究水平的比较表明,PANDA软件具有很好的发展前景,可作为基础性研究的软件平台,可为我国自主导航系统及卫星应用项目的发展提供技术支持。

用卫星工具软件包进行北斗单天线姿态仿真测量

从载体姿态测量的实际需要和多天线姿态测量的局限性出发,分析了单天线测姿的应用价值和基本原理,从我国的具体国情出发,提出了基于北斗系统的单天线测姿算法。利用卫星工具软件包仿真的北斗系统星座,以民航飞机为载体,基于MATLAB平台进行了仿真实验,仿真结果分析表明,基于北斗系统的单天线测姿方法在适用条件和测姿准确性等方面效果理想,在一定精度要求下满足应用需要,对建立实用可靠的单天线测姿具有积极的推动作用。

基于深度强化学习的软件定义卫星姿态控制算法

深度强化学习(DRL)作为一种新型的基于机器学习的控制算法,在机器人和无人机等智能控制领域展现出了优异的性能,而卫星姿态控制领域仍然在广泛使用传统的PID控制算法。随着卫星的小型化、智能化以至软件定义卫星的出现,传统控制算法越来越难以满足姿态控制系统对适应性、自主性、鲁棒性的需求。因此对基于深度强化学习的姿态控制算法进行了研究,该算法使用基于模型的算法,比非基于模型的算法拥有更快的收敛速度。与传统控制策略相比,该算法无需对卫星的物理参数和轨道参数等先验知识,具有较强的适应能力和自主控制能力,可以满足软件定义卫星适应不同硬件环境,进行快速研发和部署的需求。此外,该算法通过引入目标网络和并行化启发式搜索算法之后,在网络精度和计算速度方面进行了优化,并且通过仿真实验进行了验证。

软件定义卫星网络多控制器部署策略

软件定义网络依赖于可编程与可重构的概念,将在未来卫星网络发展中发挥重要作用。通过解耦控制平面和数据平面,软件定义网络方法简化了网络管理,加快了网络创新。伴随着卫星“轨道革命”的全面深化以及卫星通信需求的不断增长,对软件定义卫星网络的关注和研究正不断深入,并使其成为一种新的范式,该架构提供了灵活管理卫星网络所需的可编程性。控制器部署作为影响网络性能的关键,是构建软件定义卫星网络的基础。在现有研究中,处理时延和链路状态对网络性能的影响往往被忽略,而这可能造成控制域规划不合理并进而导致控制器负载不均衡、网络可靠性差等问题。因此,与以往工作不同,在将处理时延和链路状态纳入优化模型的基础上,提出了针对软件定义卫星网络的基于控制时延的多控制器可靠部署策略。实验结果表明,所提策略在具有合理重构开销的条件下能够明显提升网络负载均衡性能;此外,相较于对比方案,该策略使控制时延降低近35%,且增强了网络可靠性。

一种软件定义卫星网络的多波束切换机制

传统的卫星网络通常将控制层和数据层集中在同一网络设备中,使得网络结构复杂、带宽固定、资源利用率差,而软件定义卫星网络(SDSN)架构能实现卫星资源的有效管理,提高资源利用率,为多波束间切换机制提供有效的技术支撑。针对具有多波束覆盖的SDSN,提出了一种多决策指标切换(MDIH)机制。首先,分析了传统切换机制的缺陷,确立了基于SDSN的切换框架。其次,在传统信道预留机制的基础上,引入时间门限的概念,使得切换机制能够精确触发;同时,在切换决策过程中,采用MDIH算法来确定用户的切换优先级,决策粒度细。最后,给出了一种抽象化多决策指标实例,进一步体现了MDIH算法的可扩展性。

一种面向软件定义卫星网络的轻量级快速安全认证策略

软件定义卫星网络通过将控制平面与数据平面解耦合,实现了网络的全局统一管理,是一种新型的卫星网络架构。安全认证是软件定义卫星网络中的一个核心问题,控制平面与数据平面之间的控制通路存在周期性切换等特点,使网络面临巨大的安全威胁。然而,目前国内外软件定义卫星网络安全方面的研究较少。文章提出了一种轻量级快速安全认证策略,在可证明安全性的前提下减少频繁切换产生的时间开销。仿真实验平台中的实验结果表明,该策略的计算开销虽大,但节约了通信时间,适用于软件定义卫星网络。

基于时延的软件定义卫星网络控制域规划策略

现有软件定义网络(SDN)多控制器划域研究大多基于拓扑相对固定的地面网络,难以适应拓扑动态变化的卫星网络,而现有卫星网络研究在处理时延问题时大多只考虑传播时延。针对这一问题,在建立模型时引入控制器处理时延、排队时延对划域的影响,提出了一种面向软件定义卫星网络(SDSN)的时延分析模型。借助该模型进行SDSN多控制域的划分。经过仿真验证,与现有的地面SDN多控制域规划算法及卫星网络控制域划分方法相比,该算法能够更好地适应卫星网络环境,有效降低网络时延,使控制器间负载均衡性能提升40%以上。同时迭代跳出机制使得算法运行速度快,能够适应卫星网络拓扑的快速变化。

兼顾控制流量的软件定义卫星网络路由策略

软件定义卫星网络(SDSN)通过解耦数据与控制平面,实现网络态势与控制的逻辑集中,为管理卫星网络提供了一种新的思路。在SDSN中,控制报文和数据报文同时在网络中传输,海量、动态、高优先级的控制流量将对数据报文传输产生极大的干扰。因此,提出了一种数据流退让路由(DFRR)策略。在计算数据报文路由时,DFRR将链路上控制流量大小作为影响链路代价的一个因素,以减少选择控制流量较大的链路;在网络操作控制中心(NOCC)连接的过顶卫星切换导致控制流量分布发生较大变化之前,DFRR预测可能发生拥塞的链路,并选出链路上部分数据流进行重路由,从而避免拥塞。在开发的SDSN研究平台OpenSatNet上对DFRR的性能进行了评估。实验结果表明,DFRR能够有效减少网络中的链路拥塞,以及控制报文和数据报文的分组丢失。

软件定义卫星研究现状与技术发展展望

对软件无线电技术的卫星应用、多载荷多功能卫星、在分布式多功能等软件定义卫星相关国内外研究应用进展进行梳理。在此基础上,以应用效能、应用效率、应用效费比为牵引,提出多功能可重构系统架构、多任务多功能星座优化设计方法、算法组件化技术和智能化技术等软件定义卫星技术发展展望,给出了初步研究思路。

软件定义卫星网络辅助的空基网络多域路由策略

卫星网络层与空基网络层作为下一代网络的重要组成部分将引领世界进入全球互联时代。然而,飞机作为空基网络的主要节点具有的高机动性和稀疏分布等特点限制了原本为地面自组织网络设计的传统路由算法的应用。利用空基网络接入软件定义卫星网络,通过卫星对飞机的连接实现航空网络中飞机的实时通信与状态同步。为了将航空组网和传输机制扩展到全球范围,提出通过全球范围内划分为多域方法并设计提出一种域间路由算法。该算法通过类比光的反射原理,限制路由学习包传播,高效避免多节点大规模网络场景中状态同步与泛洪学习所带来的巨额通信开销。采用真实的飞机数据进行实验仿真,验证了相较其余基准算法,设计的低代价域间路由算法可以有效地降低通信成本和提高传输质量。