航天測運控一體化物聯(lián)網(wǎng)混合架構云中心設計

摘 要：針對航天測運控領域各中心物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的現(xiàn)狀與不足進行了總結分析，結合我國衛(wèi)星應用向產(chǎn)業(yè)化、泛在化和民眾化發(fā)展所面臨的實際需求，提出了面向服務的混合架構測運控一體化物聯(lián)網(wǎng)云中心設計思想，通過構建云平臺、分布式面向服務軟件架構，運用“中心化”和“去中心化”混合型軟件交互模式，采用面向服務和混合架構的軟件系統(tǒng)等技術，提升了航天測運控物聯(lián)網(wǎng)并行任務執(zhí)行能力和資源調度與管理能力，提升了系統(tǒng)響應時效性和精準性，滿足了海量用戶的實時服務響應需求。

關鍵詞：云架構；面向服務；混合型一體化；中心化；去中心化；測運控；物聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）08-0-04

0 引 言

隨著我國衛(wèi)星發(fā)射日趨密集，衛(wèi)星在軌運行階段的測控、運控任務日益繁重，負責衛(wèi)星測控與運控的地面中心通過不斷升級和改造物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)以適應和滿足新形勢的需要。但這種“打補丁”的方式建設周期較長，并對物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的體系能力提升極為不利。另外，商業(yè)航天日趨興起，衛(wèi)星應用向產(chǎn)業(yè)化、泛在化和民眾化發(fā)展，面對互聯(lián)網(wǎng)海量的用戶需求，如何打破這種追加分布式“煙囪”架構建設，提升物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)響應時效性和精準性亦是亟待解決的問題[1]。

因此，本文通過對目前航天領域各類型中心現(xiàn)狀的分析，以及互聯(lián)網(wǎng)云計算等新技術適用領域的探究，提出面向服務的混合架構測運控一體化物聯(lián)網(wǎng)云中心設計思路。通過構建云平臺、分布式面向服務軟件架構，提升中心并行任務執(zhí)行能力；通過采用“中心化”和“去中心化”混合型的軟件交互模式，提升中心統(tǒng)一資源調度與管理能力以及物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的集成和擴展程度；通過面向服務和混合架構的軟件系統(tǒng)，提升中心海量用戶的實時服務響應能力。

1 現(xiàn)狀分析

航天飛行器在軌運行期間的數(shù)據(jù)處理主要由地面中心物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)完成，根據(jù)業(yè)務劃分，目前中心物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)主要分為測控、運控和應用中心[2]。測控中心主要實現(xiàn)飛行器在軌運行期間的軌道數(shù)據(jù)處理、姿態(tài)數(shù)據(jù)處理、遙控數(shù)據(jù)處理等。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)按照功能進行分布式構建，具有高可靠性、高實時性、高安全性和功能多樣性的特點。經(jīng)過近年對云平臺的研究和適配，測控中心開始在局部范圍采用云平臺構建功能物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)；運控中心作為應用中心與測控中心的紐帶，主要完成在軌運行期間衛(wèi)星工作狀態(tài)控制計劃生成[3]；接收應用中心觀測需求，接收測控中心軌道數(shù)據(jù)，生成有效載荷工作計劃，并發(fā)送至測控中心；應用中心主要服務衛(wèi)星用戶，根據(jù)用戶需求，接收衛(wèi)星載荷數(shù)據(jù)，生成衛(wèi)星應用產(chǎn)品[4]。

根據(jù)航天任務需求論證周期較長、建設周期有限、質量要求高等特點，系統(tǒng)在構建過程中一般采用以需求牽引為主的方式開展研制建設，注重系統(tǒng)功能完備性、可靠性和健壯性，而沒有過多地關注系統(tǒng)能力的體系性提升、企業(yè)IT資源的沉淀、業(yè)務系統(tǒng)動態(tài)靈活的適應性、功能服務化、業(yè)務之間同類功能模塊的整合與復用[5]。航天測運控中心物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)特點和目前存在的主要問題如下：

（1）以需求為牽引“打補丁”建設的模式制約了中心體系化能力提升。隨著航天發(fā)射日益密集和衛(wèi)星運維工作量逐日遞增，針對不同衛(wèi)星的測運控等要求也不盡相同[6]。為滿足每一任務的需求，中心建設一般采用針對新需求新增功能子系統(tǒng)或改造現(xiàn)有系統(tǒng)的方式，這勢必造成系統(tǒng)內多種技術體制并存，功能分散、系統(tǒng)共享聚合力不夠，管理難度較大，一體化物聯(lián)網(wǎng)調度難以實施等問題[7]。而且，針對新增需求“打補丁”建設的模式，對系統(tǒng)體系化能力提升和自動化、智能化管理維護等方面都極為不利。此外，由于不同業(yè)務各自獨立，造成物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)IT資源沉淀和聚合能力極為薄弱[8]。

（2）多任務并行執(zhí)行能力不足。隨著在軌管理的衛(wèi)星數(shù)量的逐日遞增，中心目前的功能分布式架構已顯得日益笨拙。中心功能分布式架構需要增加更多的硬件平臺、部署相應的應用軟件，勢必導致現(xiàn)有物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的利用率和復用率較低，致使物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設周期長和平臺動態(tài)彈性能力較差，直接影響新增任務響應時效性，無法靈活支持不同類型、不同數(shù)量的多任務并行[9]。

（3）應用軟件之間耦合性較強，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)調整過程成本高昂。中心軟件系統(tǒng)大都按照功能進行分布式構建，軟件之間耦合性較大，更改或新增一個軟件需要與現(xiàn)有軟件進行接口、功能等多方面協(xié)調，涉及范圍較廣，項目團隊間協(xié)同成本較高，業(yè)務響應慢[10]。

（4）按照項目制和集成式構建的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，其所在部門或單位的IT資產(chǎn)流失嚴重、利用率極低。按照“項目制”模式建設的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，往往忽視了對功能模塊間共性內容的沉淀和積累，以及如何步發(fā)展這些共性內容。這將導致新的技術架構和新的功能需求不斷出現(xiàn)時，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的升級需要推倒重來，造成該部門IT資產(chǎn)大量流失。

2 架構總體設計

通過對中心現(xiàn)狀和未來需求之間存在的差距進行分析，以及對云、面向服務和混合型管理調度架構的闡述，同時對目前測控、運控和應用中心建設需求的初步調研，形成以云為基礎架構，以面向服務的“平臺+插件”模式構建軟件系統(tǒng)，形成面向服務的測運控應用一體化物聯(lián)網(wǎng)混合架構云中心，該中心由基礎設施層、平臺層、服務層和應用層組成。物聯(lián)網(wǎng)云中心架構設計如圖1所示。

（1）基礎設施層主要為中心其他層應用提供運行所需服務器、虛擬機、容器和與之配套的操作系統(tǒng)，以及配套的網(wǎng)絡、系統(tǒng)等。

（2）平臺層主要為服務層各軟件（即插件）有機運轉提供統(tǒng)一的資源調度與管理平臺，同時提供數(shù)據(jù)平臺以及軟件配套運行環(huán)境。

（3）服務層為上層應用提供測控、運控和應用數(shù)據(jù)處理等核心業(yè)務服務；同時，為用戶提供服務入口以及物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)運行所需的運維等共用類服務。

（4）應用層為需要應用物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的各類用戶提供服務。

（5）平臺層和基礎設施層共同構成“平臺+插件”體制的中心平臺物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，為中心提供公共服務和插件服務。

① 公共服務主要為中心內各子系統(tǒng)軟件（插件）提供數(shù)據(jù)服務和系統(tǒng)統(tǒng)一的管理與調度服務；

② 數(shù)據(jù)服務即為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)內各軟件提供數(shù)據(jù)存儲、瀏覽、提取、查詢等服務；

③ 管理與調度服務即通過該平臺，實現(xiàn)中心內各子系統(tǒng)交互的統(tǒng)一調度、中心內服務資源的統(tǒng)一分配等功能；

④ 插件服務分為接入其他軟件服務接口和對外提供服務接口；

⑤ 接入其他軟件接口，通過服務注冊的方式為各業(yè)務軟件提供統(tǒng)一的接入接口，注冊軟件可獲取中心內其他軟件提供的服務，亦可為中心內其他軟件提供服務；

⑥ 對外提供服務接口，即各業(yè)務軟件可通過平臺統(tǒng)一的對外服務接口調用平臺提供的公共服務。

通過應用基礎設施資源虛擬化、應用面向服務和去中心化的管理調度機制，從根本上提供了一套彈性可擴展的云中心物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，其應用前景主要體現(xiàn)在以下幾方面：

（1）多任務并行應用。通過基礎設施資源虛擬化，針對新增任務，可高效增加虛擬機。根據(jù)任務需要，靈活配置所需服務。

（2）商業(yè)航天互聯(lián)網(wǎng)海量用戶應用。隨著商業(yè)航天的日趨繁榮，衛(wèi)星應用也逐漸向互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展，采用“去中心化”的調度與管理機制，以及面向服務化的云架構設計的應用，滿足互聯(lián)網(wǎng)海量用戶使用的實時響應需求。

（3）業(yè)務應用動態(tài)變化的應用。通過構建云平臺物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，使相關應用具備彈性可擴展數(shù)據(jù)處理能力?？筛鶕?jù)被管衛(wèi)星數(shù)量、類型的不同，靈活構建或釋放硬件平臺，提供動態(tài)彈性平臺搭建能力。

（4）物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)改造集成效率高的應用。通過平臺加插件的軟件架構構建軟件系統(tǒng)，有效降低了中心內各子系統(tǒng)之間的耦合度，提升了中心軟件調整或新增的開發(fā)集成效率。

（5）“去中心化”和“中心化”相結合的管理調度機制，有效提升了物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的可擴展性，同時也兼顧了物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的易集成性。

3 關鍵技術分析

3.1 面向服務架構

面向服務架構（SOA）是一種通過應用面向服務而產(chǎn)生的架構類型。按照面向服務原則構建的應用服務最大的特點即靈活可重用性。圖2為從建設需求到面向服務的應用設計實現(xiàn)過程。

中心物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)主架構采用面向服務分布式架構，執(zhí)行關注點分離的設計方法，同時劃分單個服務單元時需要遵循面向服務的設計原則。由此，將建設需求具體化為面向服務的應用，真正構建一套面向服務的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。

3.2 “中心化”和“去中心化”混合架構

（1）綜合面向服務和“中心化”思想，軟件系統(tǒng)按照“平臺+插件”理念設計，由平臺統(tǒng)一管理和調度中心內軟件，降低軟件間耦合度；在服務負載均衡和服務管控方面提供相較于傳統(tǒng)“點對點”模式更專業(yè)的能力。

平臺提供統(tǒng)一管理和調度機制，降低軟件間耦合度。相對于傳統(tǒng)“點對點”即軟件之間直接交互的模式，通過軟件在平臺統(tǒng)一注冊發(fā)布和訂閱的方式，實現(xiàn)平臺統(tǒng)一調度和管理，有效降低了原有“點對點”直接交互的軟件耦合性。中心內軟件僅需要通過平臺訂閱所需服務即可，無需關注服務提供方的具體狀態(tài)和配置（服務的狀態(tài)和配置由平臺統(tǒng)一監(jiān)控和管理）；同理，服務提供方亦無需關注被服務者的具體位置和狀態(tài)，僅需在平臺注冊自身服務即可。

在服務負載均衡和服務管控方面提供相較于傳統(tǒng)“點對點”模式更專業(yè)的能力。由于中心內軟件均在平臺上注冊和訂閱服務，平臺了解服務數(shù)量的需求，可實時動態(tài)增加或注銷服務。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)更易于掌握中心全局運維態(tài)勢，可更加專業(yè)靈活的調整服務和平臺資源，有效維護中心運行的綠色生態(tài)。

（2）綜合“中心化”與“去中心化”的優(yōu)點，提出“中心化”與“去中心化”相結合的信息交互服務模式。確保平臺穩(wěn)定可靠的同時，提升物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的易集成和易擴展度?！爸行幕迸c“去中心化”交互模式示意圖如圖3所示。

“中心化”即傳統(tǒng)的企業(yè)服務總線（ESB）模式，軟件間信息交互均需要通過平臺完成，雖然提供了統(tǒng)一接口方便軟件交互，但平臺信息交互的壓力極大，一旦并發(fā)用戶量過大，極易出現(xiàn)系統(tǒng)“雪崩”現(xiàn)象。

“去中心化”即軟件之間實際的信息交互由實際需要交互的服務雙方完成，僅通過平臺實現(xiàn)最初的服務間連接，即平臺僅告知被服務方如何與服務提供者建立連接，而具體的業(yè)務信息交互由服務提供方與被服務方完成，可保證在高并發(fā)情況下，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定運行。但這樣的方式會導致新增系統(tǒng)接入，致使其他軟件接口調整較多。

因此，本物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)采用“中心化”與“去中心化”相結合的模式。中心內現(xiàn)有物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)間的交互按照“去中心化”完成，有效保證中心在用戶大并發(fā)情況下的穩(wěn)定運行；新增功能模塊根據(jù)需要可選擇“中心化”模式完成信息交互，有效規(guī)避“去中心化”帶來的與現(xiàn)有軟件接口匹配調整的問題。即若新增功能模塊或改造模塊的接口發(fā)生變化，中心內原有物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)無需變動，僅由平臺調用接口轉換服務即可。新增系統(tǒng)進入中心，僅需在平臺完成服務注冊、調整平臺與新系統(tǒng)之間的接口即可，無需調整中心內與新增系統(tǒng)相關的軟件接口。兩種方式相結合的設計，既有效保證了物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，又提升了新增或改造系統(tǒng)的集成便捷度。

（3）綜合云架構的優(yōu)勢，設計平臺基礎設施，有效提升物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)動態(tài)資源分配能力、物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)平臺利用率、集約化運行能力以及便捷高效的重構與管理能力。

動態(tài)資源分配能力。云架構的突出特點即彈性可擴展，針對商業(yè)航天在軌衛(wèi)星長期管理和待發(fā)射衛(wèi)星聯(lián)調聯(lián)試并行，中心用戶動態(tài)變化且用戶的服務要求不同等問題。中心采用云平臺架構，靈活劃分不同的資源池，滿足不同用戶的使用需求。

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)平臺利用效率高。對于退出或新增用戶，均可做到靈活釋放和重組資源，提升了物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)平臺資源的利用率。

集約化運行能力。傳統(tǒng)模式下，針對不同用戶劃分相對獨立的服務器資源。用戶之間為避免服務干擾，一般不采用服務器共用的方式。然而，云平臺可在單臺服務器上劃分不同的虛擬資源，且虛擬資源之間相對獨立，有效解決了由于不同用戶獨占資源造成的平臺資源浪費等問題，提升了物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的集約程度。

便捷高效的重構與管理能力。通過云平臺預先配置完成的各業(yè)務或各用戶模板（含操作系統(tǒng)和軟件運行環(huán)境），可針對宕機服務迅速恢復其運行環(huán)境，提升了物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的故障恢復效率；同時管理人員可在云平臺對物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)資源進行方便快捷的統(tǒng)一管理。

（4）通過平臺層和公共服務層的構建，形成了中心的共享服務資源，有效固存了企業(yè)IT資源。

在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)使用和建設過程中，每一新增的業(yè)務需求，均需共享服務資源，同時，共享服務資源也需要根據(jù)新增業(yè)務做適應性調整，因此有效規(guī)避了傳統(tǒng)的按照業(yè)務需求新增一套系統(tǒng)，造成“業(yè)務煙囪”，企業(yè)IT資源難以積淀的問題，并且從根本上鏟除了信息系統(tǒng)“煙囪”林立的根源。

4 其他難點及解決方法

承載航天測運控的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，大都處于長期在線運行狀態(tài)，如何將新物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)平穩(wěn)上線，是在設計過程中需要解決的關鍵問題。

（1）軟硬件系統(tǒng)分別測試階段。針對完成航天任務的信息系統(tǒng)一般涉及的軟硬件規(guī)模較大，倘若全系統(tǒng)測試，一旦出現(xiàn)問題，很難查找和定位故障。因此，在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設過程中，開展軟硬件系統(tǒng)測試，且測試粒度盡可能小，以便確保后續(xù)全系統(tǒng)測試順利進行，并確保物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設過程測試的充分性和完備性。

（2）軟硬件系統(tǒng)聯(lián)合測試階段。軟硬件系統(tǒng)分別測試完成后，即可開展全物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)聯(lián)合測試。主要檢驗軟硬件之間的適配性和兼容性。

（3）新老物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)同時在線運行階段。新系統(tǒng)與老系統(tǒng)同時在線，老系統(tǒng)對外提供服務，同時將接收到的用戶請求轉發(fā)至新系統(tǒng)，即保持新老系統(tǒng)同時處理業(yè)務，但只有老系統(tǒng)對外提供服務。

（4）新老物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)切換。新老系統(tǒng)在線運行一段時間且沒有問題后，可擇機（業(yè)務量相對稀薄時期）進行新老系統(tǒng)切換。完成切換的新系統(tǒng)對外提供服務，老系統(tǒng)依舊同步運轉，但不對外提供服務，以防新系統(tǒng)出現(xiàn)故障后及時切換。

（5）老系統(tǒng)關閉，新系統(tǒng)正式獨立運行階段。新老系統(tǒng)并行運行一段時間后，老系統(tǒng)可正式關閉，由新系統(tǒng)獨立完成業(yè)務服務。

5 結 語

本文首先提出了目前測運控中心物聯(lián)網(wǎng)面臨的亟待解決的問題和實際需求，而后通過對云架構、面向服務、“去中心化”“中心化”等現(xiàn)狀問題的介紹和分析，提出了構建面向服務的測運控一體化物聯(lián)網(wǎng)混合架構云中心的理念，并著重分析了這種設計思路的優(yōu)勢、解決的問題、未來的應用前景，以及在工程應用中新老物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)過渡的初步想法，對后續(xù)相關航天測運控中心物聯(lián)網(wǎng)建設有一定的指導和借鑒意義。

注：本文通訊作者為陳洪雁。

參考文獻

[1]唐沛蓉，喻韜，閆宇晗.面向服務的混合架構測運控一體化云中心設計[J].指揮信息系統(tǒng)與技術，2024，15（2）：28-32.

[2]劉暢.面向珞珈三號01星的測運控信息服務方法研究[D].武漢：武漢大學，2023.

[3]李夢華，何賢云，張偉東，等.基于物聯(lián)網(wǎng)的油井工況綜合診斷與預警系統(tǒng)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術，2024，14（2）：18-20.

[4]劉建平，張?zhí)礻牛顐?，?面向全球覆蓋、隨遇接入的測運控服務構想[C]//中國衛(wèi)星導航系統(tǒng)管理辦公室學術交流中心.第十一屆中國衛(wèi)星導航年會論文集—S10 PNT體系與多源融合導航.宇航動力學國家重點實驗室；西安衛(wèi)星測控中心，2020：6.

[5]周笛.面向任務的空間信息網(wǎng)絡資源管理方法研究[D].西安：西安電子科技大學，2019.

[6]劉寒冰，王小涵.基于物聯(lián)網(wǎng)的水生態(tài)環(huán)境智慧監(jiān)測及管理系統(tǒng)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術，2024，14（2）：33-36.

[7]匡麟玲，靳瑾，姜春曉，等.空間信息網(wǎng)絡協(xié)同傳輸與資源管理[M].北京：人民郵電出版社，2019.

[8]柴欣欣，商亞東，秦曉坤.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術，2024，14（2）：66-68.

[9]張威，吳濤，馬宏，等.智能一體化航天測運控網(wǎng)絡發(fā)展探析[J].天地一體化信息網(wǎng)絡，2021，2（2）：82-89.

[10]蔡向忠，胡恬，徐魯榮，等.“物聯(lián)網(wǎng)+云平臺”技術在人工氣候室管理中的應用研究[J].物聯(lián)網(wǎng)技術，2024，14（2）：79-81.