在轨分布式信息资源应用服务系统

1.本发明涉及遥感卫星数据星上实时处理技术领域，特别涉及一种在轨分布式信息资源应用服务系统。


背景技术：

2.目前，天基信息处理和服务方式仍然沿用传统的地面规划、指令上注、天基观测、数据下传、地面处理、产品分发的固有模式，星上仅能实现单星载荷数据的压缩和目标检测定位等简单处理，无法适应数据快速获取、多源多尺度信息融合的新型天基信息服务要求。并且，现在的星上处理系统设计主要面向单星单载荷数据处理应用，根据卫星和载荷的特点进行定制，不具备通用性，不能适应包含任务规划、数据处理和信息提取在内的多样化信息服务要求，更无法满足未来多星组网条件的网络化协同信息服务应用要求。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明提供一种在轨分布式信息资源应用服务系统，包括：服务平台层，用于整合、封装和管理分布式在轨卫星的计算资源、存储资源、通信资源、数据资源和插件资源，以向在轨卫星提供任务规划服务、数据处理服务和信息提取服务；硬件环境层，用于支撑服务平台层及上层应用进行任务规划服务、数据处理服务和信息提取服务所需软件程序的运行；应用插件层，用于在服务平台层支撑下开发、集成和运行任务规划服务、数据处理服务和信息提取服务所需的插件资源。
4.可选地，服务平台层包括：平台资源管理模块，用于对在轨卫星的状态信息和在轨卫星对应的载荷的状态信息进行管理维护，以提供任务规划服务和数据处理服务；处理引擎模块，用于实现从计算资源、插件资源到任务规划服务、数据处理服务和信息提取服务分别对应的任务流程的聚合、调度和执行；数据组织管理模块，用于对数据资源进行统一的存储、更新、传输、检索和访问；其中，数据资源包括原始观测数据、在轨卫星和载荷提供的任务规划服务、数据处理服务和信息提取服务分别产生的处理数据以及基础支撑数据；星群资源管理模块，用于对分布式在轨卫星的各类资源进行组网管理，以实现分布式在轨卫星的协同观测、数据同步和数据融合；安全管理模块，用于对接入在轨卫星的用户进行身份认证以及进行轻量级数据保护；通信服务模块，用于对底层通信网络设备提供的接口进行封装，以提供支持消息和文件传输的可靠通信服务接口。
5.可选地，数据组织管理模块对原始观测数据、处理数据和基础支撑数据进行数据生命周期管理；数据组织管理模块提供多进程和/或多线程并发的检索和访问方式来检索和访问原始观测数据、处理数据和基础支撑数据。
6.可选地，星群资源管理模块实现分布式在轨卫星之间的数据同步，包括：星群资源管理模块控制一在轨卫星只向临近卫星节点发布增量数据资源和插件资源。
7.可选地，星群资源管理模块通过定期广播或订阅或查询访问的发布方式实现分布式在轨卫星之间的数据发布。
8.可选地，通信服务模块基于接收校验和重传机制实现数据资源的可靠传输。
9.可选地，硬件环境层采用板卡式结构，包括：主控板卡，用于支撑服务平台层及上层应用进行任务规划服务、数据处理服务和信息提取服务所需软件程序的运行；协处理板卡，用于将不同处理能力的硬件资源按标准进行封装，以进行数据处理服务；存储板卡，用于存储数据资源以及任务规划服务、数据处理服务和信息提取服务分别产生的处理数据。
10.可选地，主控板卡的接口类型能够根据在轨卫星的需求动态配置；协处理板卡的数量能够根据在轨卫星对应的载荷的数据处理需求动态配置。
11.可选地，应用插件层采用增量更新策略更新插件资源。
12.可选地，服务平台层根据任务的优先级和当前可分配的计算资源进行任务调度。
附图说明
13.通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：图1示意性示出了根据本发明实施例的在轨分布式信息资源应用服务系统的架构图。
14.图2示意性示出了根据本发明实施例的服务平台层的体系架构图。
15.图3示意性示出了根据本发明实施例的服务平台层的体系架构功能组成框图。
16.图4示意性示出了根据本发明实施例的平台资源管理模块的功能框图。
17.图5示意性示出了根据本发明实施例的处理引擎模块的工作流程框图。
18.图6示意性示出了根据本发明实施例的服务自动聚合调度的流程图。
19.图7示意性示出了根据本发明实施例的故障重构的流程图。
20.图8示意性示出了根据本发明实施例的数据组织管理模块的工作流程图。
21.图9示意性示出了根据本发明实施例的资源发布与组织管理的工作流程图。
22.图10示意性示出了根据本发明实施例的资源广播包处理流程图。
23.图11示意性示出了根据本发明实施例的多星分布式计算资源调度的流程图。
24.图12示意性示出了根据本发明实施例的星群资源发布流程图。
25.图13示意性示出了根据本发明实施例的星群数据资源查询下载流程图。
26.图14示意性示出了根据本发明实施例的应用插件上注流程图。
27.图15示意性示出了根据本发明实施例的需求提交、任务规划与数据处理流程图。
28.图16示意性示出了根据本发明实施例的数据分发流程图。
具体实施方式
29.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
30.在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
31.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或可以互相通讯；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
32.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“长度”、“周向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的子系统或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
33.贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。可能导致本发明的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状、尺寸、位置关系不反映真实大小、比例和实际位置关系。另外，在本发明中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对本发明的限制。
34.类似地，为了精简本发明并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本发明示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分到单个实施例、图或者对其描述中。参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或者多个实施例或示例中以合适的方式结合。
35.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。
36.针对于现有技术的不足，本发明实施例提供一种在轨分布式信息资源应用服务系统，该系统整合分布式在轨卫星的观测、通信、计算、存储等资源，并进行资源化封装，通过对各类软硬件资源的自动聚合组织，实现数据处理融合与信息服务。整个系统采用“平台 插件”的架构。采用这一架构设计的好处是一方面使得系统能够通用安装在各卫星上，采用统一的开发、集成和产品规范，方便构建多星网络化应用；另一方面，可根据卫星载荷特点有针对性地定制开发数据传输和处理插件，充分利用单星计算存储资源实现载荷数据的高精度处理。
37.图1示意性示出了根据本发明实施例的在轨分布式信息资源应用服务系统的架构图。
38.如图1所示，该在轨分布式信息资源应用服务系统例如可以包括服务平台层、硬件环境层和应用插件层。
39.服务平台层，用于整合、封装和管理分布式在轨卫星的计算资源、存储资源、通信资源、数据资源和插件资源，以向在轨卫星提供任务规划服务、数据处理服务和信息提取服务。
40.在本发明实施例中，服务平台层也称为天基信息资源应用服务平台，是实现在轨
分布式信息资源应用服务系统自主运行和信息服务的关键。服务平台层对各卫星平台（包括在轨卫星和载荷）的计算资源、存储资源、通信资源、数据资源和插件资源进行标准封装，隐藏技术实现细节，对外提供上述资源的统一访问调度接口，从而实现了资源调用和资源实体之间的有效分离。
41.硬件环境层，用于支撑服务平台层及上层应用进行任务规划服务、数据处理服务和信息提取服务所需软件程序的运行。
42.在本发明实施例中，硬件环境层采用板卡式结构，包括：主控板卡、协处理板卡、存储板卡等。主控板卡用于支撑服务平台层及上层应用进行任务规划服务、数据处理服务和信息提取服务所需软件程序的运行，也即主控板卡的处理器上运行服务平台层软件，实现多样化应用服务能力的承载。主控板卡还用于实现与星务计算机、对地观测载荷和通信载荷间的各类数据和信息交互。协处理板卡用于将不同处理能力的硬件资源按标准进行封装，以进行数据处理服务，例如，载荷数据处理等计算密集型任务。存储板卡用于存储各类数据资源，包括对各类载荷原始数据、在轨卫星提供任务规划服务、数据处理服务和信息提取服务产生的在轨处理产品和基础支撑数据的存储。其中，主控板卡的接口类型能够根据在轨卫星的要求动态配置。协处理板卡的数量能够根据载荷的数据处理要求动态配置。
43.应用插件层，用于在所述服务平台层支撑下开发、集成和运行各类任务规划服务、数据处理服务和信息提取服务所需的插件资源。
44.在本发明实施例中，应用插件层是在服务平台层之上开发的资源调用组合方式。应用插件层面向天基信息服务对独立的天基资源完成进一步封装，基于统一标准规范实现对任务规划、各类载荷数据处理、目标检测与识别和信息融合插件的开发和集成，并自动聚合为信息服务流程，在服务平台层的调度下自动化运行。
45.由此，本发明实施例提供的在轨分布式信息资源应用服务系统能够通用适配各卫星平台。服务平台层可通用部署在各卫星平台的主控板上，可适配多型处理器，应用插件层根据卫星平台和观测载荷特点进行定制，按照统一的接口规范集成在服务平台层之上，根据用户需要定制各类个性化信息服务流程。
46.下面结合附图对图1所示的在轨分布式信息资源应用服务系统进行详细介绍。
47.在轨分布式信息资源应用服务系统体系设计的核心是服务平台层，即天基信息资源应用服务平台。天基信息资源应用服务平台实现了对底层各类硬件驱动的抽象封装，实现标准的卫星资源、星地通信、星间通信和数据存储访问接口。具备计算资源管理、数据管理、插件管理与流程聚合等功能。同时，基于星间通信网络实现了多星资源的分布式整合。
48.图2示意性示出了根据本发明实施例的服务平台层的体系架构图。
49.图3示意性示出了根据本发明实施例的服务平台层的体系架构功能组成框图。
50.如图2和图3所示，服务平台层例如可以包括平台资源管理模块、通信服务模块、处理引擎模块、数据组织管理模块、星群资源管理模块和安全管理模块共六部分功能模块。
51.平台资源管理模块，用于对在轨卫星的状态信息和载荷的状态信息进行管理维护，以提供任务规划服务和数据处理服务。
52.具体的，平台资源管理模块对卫星平台状态信息和载荷工作状态进行管理维护，方便载荷数据处理、自主任务规划等相关应用访问卫星相关资源数据。平台资源管理模块接收对地观测载荷推送的载荷观测原始数据，推送至各处理模块进行处理。平台资源管理
模块根据本星承载的载荷类型构建载荷代理服务，实现对载荷参数信息、状态信息的统一描述，并提供载荷控制接口，根据上层应用插件请求向载荷下达观测任务。也即，平台资源管理模块实现了对卫星和有效载荷提供的各类资源进行封装，形成资源访问和控制的接口。上层的应用插件可以使用标准接口对资源进行访问和控制，而不必关注底层细节。
53.图4示意性示出了根据本发明实施例的平台资源管理模块的功能框图。
54.如图4所示，平台资源管理模块例如可以包括资源代理服务和系统硬件资源管理两部分。
55.资源代理服务，用于对卫星平台状态信息和载荷工作状态进行管理维护。通过与卫星平台交互获取卫星轨道、姿态、能源、存储等信息，并对各类数据进行存储管理，方便载荷数据处理、任务规划等相关应用访问平台资源数据。同时，根据平台承载的载荷类型分别构建载荷代理服务，实现对载荷参数信息、状态信息的统一描述，并提供载荷控制接口，根据上层应用插件请求向载荷下达观测任务。
56.系统硬件资源管理，用于负责硬件环境层各类板卡的开关控制和工作状态切换，根据上层应用发出的切换指令，控制各型板卡依次完成开关机。系统硬件资源管理实现对硬件资源状态的监控，维护系统可用资源信息列表，并基于系统可用硬件资源列表控制各型板卡开关和工作状态切换。可监控的状态包括处理器的运行状态，各主要芯片的电压、温度等。通过对获取的监控信息进行解析，判断系统硬件是否出现故障，并对出现故障的硬件进行断电或重启等操作，实现故障的隔离和恢复。在硬件设备层面，采用硬件看门狗实现对各板卡的状态监控，当板卡与看门狗间的通信出现异常时，对硬件设备进行重启。当判断硬件出现永久性故障时，则对该设备进行隔离。
57.此外，系统硬件资源管理将采集到的硬件状态信息发送给卫星平台并下传到地面，为系统故障判断和容错重构提供决策依据。收到系统重构指令后，对系统可用资源信息列表进行修改，对fpga等芯片完成功能重构。
58.处理引擎模块，用于实现从计算资源、插件资源到任务规划服务、数据处理服务和信息提取服务分别对应的任务流程的聚合、调度和执行。
59.具体的，处理引擎模块实现从计算资源、应用插件到业务流程的全部处理过程的调度和执行。其中，插件是经过良好封装的能够实现特定功能的可执行软件或函数库，多个插件可以聚合构成完整的业务流程，能够根据用户需求按照一定的规则协同完成请求。流程的聚合可以利用较小的、较简单的且易于执行的轻量级插件来创建功能更为丰富、更易于用户定制的复杂流程，从而能够将松散耦合的、分散在不同在轨平台上的各类相关插件有机地组织成一个更为可用的完整流程，进而支持复杂应用。处理引擎模块实现对cpu、fpga、gpu等计算资源的调度，支持负载均衡控制和优先级调度，其具备各类处理与服务插件的注册、升级、部署、注销和版本管理等功能，针对上行链路的带宽瓶颈，设计了在轨插件增量更新机制，基于统一流程描述语言实现流程的定制，自动创建、启动和运行流程。
60.图5示意性示出了根据本发明实施例的处理引擎模块的工作流程框图。
61.如图5所示，处理引擎模块主要包括计算资源调度单元、插件管理单元和流程聚合单元。
62.在本发明实施例中，计算资源调度单元对系统硬件承载的多类型计算资源实现统一的池化管理，进行合理的资源调配和均衡控制，实现具体计算节点对于业务处理部件的
透明化。计算资源调度单元定义了各类应用插件访问计算资源的统一接口，屏蔽了不同类型计算设备间的硬件差异，为计算基础平台提供了标准化的并行计算环境。
63.计算资源调度单元可完成处理模块的状态监控以及任务的调度执行。各处理模块的负载监视单元负责收集处理模块的状态信息，包括资源、内存使用率和任务执行情况等，将处理模块的状态信息和心跳信号发送到计算资源调度单元。计算资源调度单元根据各处理模块的心跳信号维护当前可用资源列表，实现对不可用资源的隔离处理。
64.当作业任务队列中有正在排队的任务时，计算资源调度单元获取队列中优先级最高的任务，解析其资源需求信息，根据当前可用资源分配计算资源，并将该任务调度到处理模块进行处理。处理模块的任务执行单元负责接收处理任务并调度执行，在任务执行过程中定期向计算资源调度单元发送任务执行状态。当任务执行完成后，计算资源调度单元实现计算资源的回收。
65.在本发明实施例中，插件管理单元实现各类处理与服务插件的注册、升级、部署、注销和版本管理等功能，支持对已注册插件进行查询检索等操作。各应用插件根据天基信息资源应用服务平台应用开发规范要求进行研制开发，由插件管理单元统一集成管理。
66.考虑到卫星上行链路的带宽限制，在轨条件下实现完整应用插件的上注相当困难，因此服务插件的注册主要在卫星发射前预装完成。在轨条件下，主要完成插件的升级、部署和注销等，为此专门设计了在轨插件增量构建机制。
67.应用插件进行注册时，将插件源代码及描述信息提交至地面插件管理单元系统，将插件可执行程序及依赖库部署到天基信息资源应用服务平台指定的位置。插件描述信息如下表所示，插件的参数模板包括插件的输入输出参数列表和处理参数要求，插件运行资源需求包括需要的计算节点个数、进程数、内存大小、优先级等，如下表1所示。
68.表 1
插件注销时，将插件描述信息在插件描述表中状态改为废除，并到相应的部署路径下将插件实体删除。
69.在本发明实施例中，流程聚合指利用已注册插件，根据用户预先定义的流程配置信息，形成实现特定功能的服务流程，并对流程配置信息存档管理。流程聚合单元基于工作流技术对作业流程进行管理和实施，负责流程实例的创建、启动、运行及任务的发起，流程状态信息的跟踪，以及执行过程的控制，是作业流程执行和管理的具体实施者。流程任务队列用于保存上层应用提交的流程订单，具有优先级排队功能，支持基于优先级的动态排队策略。
70.图6示意性示出了根据本发明实施例的服务自动聚合调度的流程图。
71.如图6所示，该过程包括自动化业务订单生成和业务流程的工作流调度两个过程。
72.自动化业务订单生成的过程可以为：根据任务规划的处理任务信息关联流程模板库中相对应的处理服务流程。并根据规划的任务参数调用自动订单生产单元，修改模板中的相关工作参数如启动时间、处理节点数、数据分发参数、输出要求等，同时根据用户需求分配订单优先级等，最终生成一个处理业务订单并提交执行。
73.业务流程的工作流调度的过程可以为：根据前面提交的处理业务订单，由流程聚合单元完成业务流程的工作流调度。流程聚合单元基于工作流技术对作业流程进行管理和实施，负责流程实例的创建、启动、运行及任务的发起，流程状态信息的跟踪，以及执行过程的控制，是作业流程执行和管理的具体实施者。流程聚合单元首先提取流程队列中的流程订单，生成流程实例，验证流程中任务对应的处理插件的有效性，并将任务提交给计算资源调度单元执行。流程聚合单元通过计算资源调度单元对各任务节点的任务执行情况进行监
控，并更新流程的执行状态。
74.此外，系统在轨工作时，数据处理的任务节点可能受空间辐射等因素的影响导致部分处理节点出现临时故障。
75.图7示意性示出了根据本发明实施例的故障任务重构的流程图。
76.如图7所示，可以利用工作心跳监测机制，计算资源调度单元能够快速定位故障处理节点，并进行计算任务在线重构，恢复局部故障的问题。当执行节点整体功能故障，如无工作心跳或处理进程陷入永久性故障无法在执行节点上恢复工作时，计算资源调度单元首先将故障执行节点移除，查询该处理任务信息，将该处理任务调度到冗余的执行节点上继续运行，从而实现处任务的重构恢复。
77.数据组织管理模块，用于对所述数据资源进行统一的存储、更新、传输、检索和访问；其中，所述数据资源包括原始观测数据、所述在轨卫星和所述载荷提供任务规划服务、所述数据处理服务和所述信息提取服务分别产生的处理数据以及基础支撑数据。
78.具体的，数据组织管理模块对载荷原始观测数据、处理产品（处理数据）、基础支撑数据进行统一的组织管理、更新、传输和访问服务，并实现自动化的数据生命周期管理。数据组织管理根据业务需求和运行状态对各类数据进行智能存储，从而达到数据的高效访问和存储空间的高效利用；提供数据检索与访问服务，数据组织管理模块将数据分类存储，并预先制定数据存储目录规则。其中，数据产品是星上处理得到的；基础支撑数据和特性数据等主要是在卫星发射前预先加载，部分目标数据通过地面上注或星上自主学习得到。
79.图8示意性示出了根据本发明实施例的数据组织管理模块的工作流程图。
80.如图8所示，该过程主要包括数据存储与组织、数据检索与访问和数据生命周期管理。
81.在本发明实施例中，对于各类数据组织管理需求，抽象出通用的数据组织管理过程主要包括：数据入库、数据获取、上注更新、远程删改等。
82.数据入库：对新产生或新加入的数据进行维护管理，自动提取数据关键字信息、对数据进行编目、对数据文件进行校验，然后入库管理。
83.数据获取：接收数据访问请求，查询获取相应的数据并返回给请求端。
84.数据更新：如果数据状态发生变化，则发起数据更新操作。
85.远程删改：支持经过权限验证的地面运控人员调用数据访问与管理操作函数完成相应的删改命令。
86.在本发明实施例中，数据检索与访问的过程可以为：基于数据存储与组织模块向上层应用插件和远程资源访问代理提供数据检索与访问服务，支持数据在线浏览。其中数据检索包括基于属性信息、地理信息或者模糊检索等方式；对于数据量较小的数据信息，检索服务直接返回结果；对于数据量较大的数据如图像产品，上层应用插件需要根据数据地址信息直接访问存储系统。为了提高检索效率，平台提供元数据排序和缓存机制，以提高访问命中率。
87.在本发明实施例中，对星上数据进行动态的生命周期管理。在生命周期管理机制中，充分考虑数据的重要性、使用频度、产生时间、数据类型等要素，以确保最有价值的数据保存在系统中。根据产品数据的生成时间、访问频次等计算数据的存储价值。在每次平台启动之后，若系统剩余存储容量过低报警，则启动数据自动清理流程，对所有产品数据的价值
进行计算，按照预定策略清理低价值数据。
88.星群资源管理模块，用于对分布式在轨卫星的各类资源进行组网管理，以实现分布式卫星的协同观测、数据同步和数据融合。
89.具体的，星群资源管理模块实现对分布式在轨卫星的各类资源进行组网管理，对网络内可用的其他卫星平台的资源进行抽象和封装，以便实现对其他卫星资源的高效利用和访问，为多星在轨协同任务规划和信息融合服务提供基础支撑。其中，资源的发布方式可分为定期广播、订阅和查询访问三种，可以通过建立目录服务来存放和管理收到的远程卫星资源描述信息，通过构建远程资源访问代理来为上层应用提供本地化的远程资源使用访问服务，支持远程数据访问服务。
90.星群资源管理模块包括资源发布与组织管理和远程资源访问代理。
91.图9示意性示出了根据本发明实施例的资源发布与组织管理的工作流程图。
92.如图9所示，在本发明实施例中，资源发布机制可以为：本地资源的发布方式分为定期广播、订阅和查询访问等。平台可根据应用需要采用适当的发布方式，提高星间通信带宽的利用效率。为了支撑联合任务规划和多源信息融合，发布的资源信息包括卫星姿轨状态信息、存储和能源余量、观测载荷资源状态、数据产品元数据信息等。本星资源发布采用单跳方式向临近节点广播本星资源信息，资源信息广播由本地资源信息变化事件或服务请求消息触发。每次资源信息广播相比上一次广播只发送增量信息，从而抑制服务消息的重复递送，避免网络带宽的浪费，加快资源的发现速度。各卫星同时向临近节点转发本星收到的其它卫星资源信息，当卫星网络路由拓扑发生变化时，向新加入节点发送全部资源信息。本地发布的资源信息包含资源有效期限，超时后资源信息将失效。
93.远程资源组织管理例如可以为：建立目录服务来存放和管理收到的远程资源描述信息。
94.具体的，在收到卫星资源广播信息包后，对数据包进行解析。
95.图10示意性示出了根据本发明实施例的资源广播包处理流程图。
96.如图10所示，远程资源组织管理通过建立多星资源信息目录来保存收到的其它平台资源信息。当资源过期失效时，将该资源在多星资源信息目录中删除。远程资源组织管理将当前收集到的其它平台资源信息以单跳方式向临近节点广播，使得卫星资源信息能够快速发布到整个卫星网络中。在进行广播之前，对待广播的卫星资源信息进行筛选，避免相同的资源信息相互转发。
97.在本发明实施例中，远程资源访问代理包括远程数据访问代理、发布订阅管理和多星分布式计算服务。
98.远程数据访问代理的过程例如可以为：用户获取所需远程数据的元信息后，根据实际需要访问该远程数据。收到用户的数据访问请求后，将用户的数据访问请求发送到远程数据访问代理。远程数据访问代理根据元数据信息匹配到相应的远程卫星后，将数据访问请求通过星间链路发送到该远程卫星。该卫星的远程数据访问代理获取所需数据将其发送给用户。
99.采用发布订阅机制的目标是高效地将有用的信息分发到真正有需要的节点，尤其是在星间和星地通信资源非常紧缺的卫星上。发布订阅机制具有松耦合、多对多和异步通信的特点，可以有效避免通信带宽的浪费，实现通信资源的真正高效利用。
100.具体的，天基信息资源应用服务平台提供信息的发布订阅机制供终端用户使用。订阅发布模型由发布者、订阅者和事件代理服务单元组成。当待发布的数据较小时，可以采用直接订阅的方式，即在各卫星的星群资源管理模块建立事件代理服务单元，接收用户的订阅服务信息，同时接收上层应用插件的信息发布，经过发布和订阅信息的匹配后，将信息发送至订阅者所在卫星的事件代理服务单元，再经该代理发送至订阅信息的上层应用程序。事件代理服务单元具有订阅管理、通知服务、事件监控、事件匹配等功能。应用插件将订阅信息提交到卫星的事件代理服务单元，由事件代理服务单元与应用插件id关联后统一缓存管理，并解析订阅类型和图像类型，然后将该订阅信息发送至相应卫星的事件代理服务单元进行管理。各卫星的载荷数据处理插件处理完载荷数据后，将处理结果的元数据信息发布至卫星的事件代理服务器，由事件代理服务器进行解析，并与订阅请求进行匹配，若完成匹配，则将该处理结果发送至订阅者所在卫星的事件代理服务器，由该代理服务器通知发起订阅请求的应用插件读取数据。如果应用插件不再订阅某一信息后，则发送订阅取消通知到事件代理服务器，由其通知相应远程卫星的事件代理服务器取消订阅。
101.多星分布式计算服务利用网络中邻近卫星的空闲计算能力来协助完成计算任务。
102.图11示意性示出了根据本发明实施例的多星分布式计算资源调度的流程图。
103.如图11所示，多星分布式计算服务框架包括任务管理、资源管理和任务接收与执行3个单元组成。
104.其中，任务管理单元负责接收应用插件提交的分布式计算任务信息，包括执行插件信息、计算输入信息、计算能力要求、内存使用要求、存储要求、最晚完成时间要求等。任务管理单元收到计算任务后通知计算资源筛选单元对远程卫星资源进行筛选，根据筛选结果完成任务调度，并接收任务执行结果，统计任务完成情况及资源利用情况。
105.资源管理单元根据邻近卫星平台的可用计算资源、内存、存储资源信息、通信链路质量、资源可用时长等信息筛选出可用资源列表，对资源状态进行监视，并查询该列表中平台的插件部署信息。首先检索是否存储该信息，若没有，则通过远程资源查询代理查询该平台的插件部署情况，最终筛选出满足远程计算要求的可用资源列表。
106.任务接收与执行单元负责接收计算任务信息，并确认该任务是否能够执行。若任务可执行，则将该任务提交至处理引擎调度执行，任务执行过程中定期发送任务执行状态信息和心跳信号。执行完成后，将执行结果发送至任务发起平台的任务管理单元。若不能执行，则通知远程任务管理单元重新调度。
107.安全管理模块，用于对接入在轨卫星的用户进行身份认证以及进行轻量级数据保护。
108.安全认证主要是指对通过星地通信网络接入的用户进行身份认证，拦截非法入侵，设计了用户授权访问机制，支持用户认证信息的星间和星地服务无缝切换，以确保业务服务访问的连续性和可靠性，提高服务效率。轻量级数据保护实现对业务数据的签名保护，防止数据遭窃密或篡改。
109.安全管理模块例如可以包括安全认证和数据轻量级保护两部分。
110.在本发明实施例中，安全认证服务包括用户管理和身份认证两部分。用户管理提供给管理者进行用户新增、用户信息编辑、用户锁定与解锁、用户删除功能，用户登录口令加密方式存储，支持权限新增、权限信息编辑、权限删除功能。各类用户最终都需要一定的
身份来请求在轨处理与资源服务系统来提供特定的服务，因此必须要对用户的身份和权限进行验证。安全认证服务实现对用户提交的身份和权限进行认证，只有通过认证的用户才可以启动后续的工作流程。平台允许管理员和多类具有不同权限的用户登录访问，因此需要对用户进行授权访问控制，保证用户按照权限划分去访问对应的资源。
111.天基信息资源应用服务平台实现对空间网络实体身份的统一管理；使用分布式入网身份认证协议，提高安全认证效率；采用单点登录模式、空间信任传递及安全切换机制，支持单次认证多次访问和星间服务无缝切换，以确保业务服务访问的连续性和可靠性，提高服务效率。
112.在本发明实施例中，轻量级数据保护机制可以为：为了保护星间和星地通信数据本身的安全，需要探索分层次多类别的轻量级数据自保护方法，能够从业务需求出发保证数据自身的安全。数据保护算法可采用数字签名分摊、tesla等算法。
113.轻量级数据保护机制的数据发送过程如下：首先，确定用户与数据的权限信息，根据权限信息为数据包创建安全属性标签并填充权限信息字段。
114.然后，对数据包选择并填充其他安全属性标签信息字段，对数据包和标签进行数字签名并填充签名字段。
115.最后，将处理过的数据交付给通信服务模块发送。
116.当另一颗卫星的天基信息资源应用服务平台收到被保护的数据，进行验签处理，并将经过验证的数据发送到上层应用。
117.通信服务模块，用于对底层通信网络设备提供的接口进行封装，以提供通信服务接口。
118.通信服务对底层通信网络设备提供的接口进行封装，屏蔽复杂的网络通信细节，使得上层应用和底层通信链路实现解耦，并向上层提供通信服务接口，实现星间和星地高效可靠通信。通信服务根据应用申请基于优先级和当前可用通信能力进行分配，支持应用服务优先级动态调整；提供透明化的数据传输服务。
119.通信服务包括传输任务管理和数据收发管理2部分组成。
120.在本发明实施例中，传输任务管理负责通信链路的使用分配，上层应用插件需要使用通信网络时，提出使用申请。传输任务管理负责审核链路使用申请并分配链路。具体功能包括：负责对星间和星地通信链路进行统一管理，接收应用插件的通信请求，根据应用申请基于优先级和当前可用通信能力进行分配；支持应用服务优先级动态调整。传输任务管理周期性的与互联通信设备同步星间路由拓扑，维护拓扑路由表，包括跳数、链路质量、链路使用情况等信息；响应上层应用的路由查询请求，将当前路由拓扑反馈给应用。
121.在本发明实施例中，数据收发管理需要完成大容量数据传输功能，是实现配置数据上注、应用插件更新、多平台信息融合和用户终端产品下发的重要保障。数据收发管理通过建立接收校验，自动重传机制，有效解决了星间链路中“长延时，高误码率”的难题，保证数据文件高效准确传输，此外，数据收发管理还支持断点续传，保证链路再次建立时能准确续接上次传输断点，避免了重复开始和冗余传输，提高了传输效率，甚至在极端恶劣的链路环境下也能保证数据传输效率。
122.上层应用获得链路使用权限后，将数据经复杂参数的序列化并且加入校验位后发
送至数据发送缓存队列。同时，数据收发管理发送消息通知对端开启接收模式，等待回复确认，收到确认消息后，依次调用底层驱动程序将缓存队列中的数据下传，发送完成后将发送结束标志消息，等待对端回复丢包重传消息，如此往复循环，直到收到接收完成消息结束传输。
123.接收端依次接收并缓存底层通信模块发送的数据信息，并对数据包进行解析，完成复杂参数的反序列化处理，当接收到数据收发管理的发送结束消息后，查看缓冲队列，将误传和丢失的消息包信息通知数据收发管理，如此循环，直到接收完整，发送接收完成消息，最后通知相应的上层应用取走数据。
124.基于前述在轨分布式信息资源应用服务系统的典型工作流程包括：星群资源发布流程，星群数据资源查询下载流程，应用插件上注，需求提交、任务规划与数据处理流程以及数据分发流程。
125.在本发明实施例中，星群资源发布流程例如可以为：星群内各卫星通过星间路由设备建立通信链路后，相互同步卫星和载荷状态信息，使得星群内各卫星都能获取整个网络内的卫星和载荷资源信息，为各卫星收到用户需求后进行多星协同任务规划创造条件。
126.为了使得卫星资源信息尽快发布至整个星群，同时避免带宽浪费，采取的策略是卫星只向临近节点（一跳）发布资源信息，各卫星收到临近节点信息后，再将卫星获取的当前星群卫星资源信息向临近节点转发，转发时只发送增量数据资源和已变化的数据资源，从而实现了卫星资源在整个星群内的快速发布。
127.图12示意性示出了根据本发明实施例的星群资源发布流程图。
128.如图12所示，星群资源发布流程描述如下：（1）天基信息资源应用服务平台查询平台收集的卫星轨道、姿态、能源和存储等信息，以及载荷成像能力、工作计划和状态等信息。
129.（2）平台定期获取星群路由拓扑信息，并向临近节点发布卫星资源信息。
130.（3）各卫星天基信息资源应用服务平台解析卫星收到的卫星资源信息，并统一组织管理。
131.（4）平台定期查询星群路由拓扑信息，若拓扑连接关系未变化，则转（5），否则转（6）。
132.（5）平台定期或在资源信息变化时向临近节点转发本星及其搜集到的远程资源增量信息，转（3）。
133.（6）卫星更新远程资源信息，删除失效资源。
134.（7）卫星向新加入的临近节点转发本星及其搜集到的远程资源信息，转（3）。
135.在本发明实施例中，星群数据资源查询下载流程可以为：用户通过星地链路接入卫星天基信息资源应用服务平台后，能够获取和使用该卫星所在星群拥有的全部资源和服务。天基信息资源应用服务平台向已接入用户提供星群数据资源查询下载服务。平台收到查询请求后，首先根据请求类型确定星群检索范围，并在该星群范围内依次检索各卫星，获取满足要求的数据，并下传至用户终端。
136.图13示意性示出了根据本发明实施例的星群数据资源查询下载流程图。
137.如图13所示，星群数据资源查询下载流程描述如下：（1）卫星天基信息资源服务平台收到用户数据检索请求，对用户请求进行解析。
138.（2）天基信息资源服务平台根据用户请求类型，结合本星搜集到的远程资源信息，确定星群中执行数据检索的卫星范围。
139.（3）若需要检索本星数据，则调用数据组织管理检索数据信息。检索到满足用户需求的数据后将其通过星地链路发送至用户终端。
140.（4）查询本星可访问的远程资源信息，依次向检索范围内的卫星发送远程数据检索请求。
141.（5）远程卫星收到数据检索请求后，查询本星数据资源信息，判断数据是否存在。若存在该数据，则将该数据通过星间链路传输到请求发起卫星，否则返回不存在。
142.（6）请求发起卫星收到远程卫星发送的数据信息后，则将该数据通过星地链路发送至用户。
143.在本发明实施例中，应用插件上注的流程可以为：用户能够根据自身业务需求定制应用插件，天基信息资源服务平台面向用户提供应用插件上注服务，并支持用户提交自定义的流程描述信息。由于星地上行链路资源十分有限，应用插件的版本更新代价较大。为了更加高效的利用星地通信链路，在应用插件更新时采用增量更新策略。首先在地面中心建立应用插件代码管理库，用户更新代码时，地面中心生成代码增量信息，经压缩处理后得到插件升级补丁。卫星过境时，通过星地链路上注插件升级补丁。天基信息资源应用服务平台的插件管理单元获取插件更新补丁后，更新源代码及代码版本库，并对源代码重新进行编译，生成可执行程序并进行校验。
144.图14示意性示出了根据本发明实施例的应用插件上注流程图。
145.如图14所示，应用插件上注流程描述如下：（1）用户提交源代码。
146.（2）地面中心将源代码与之前版本进行对比，生成增量源码信息。
147.（3）对增量源码信息进行压缩生成增量源代码补丁并通过星地链路上注。
148.（4）天基信息资源服务平台获取插件更新补丁，进行解压缩处理并更新源代码，并更新代码版本库。
149.（5）对源代码进行编译，生成可执行程序并校验确认。
150.（6）将插件更新状态信息通过星地链路返回给地面中心。
151.（7）地面中心更新星上代码库版本状态，与星上应用插件版本保持同步。
152.（8）用户登录地面中心查看应用插件更新状态。
153.在本发明实施例中，需求提交、任务规划与数据处理流程可以为：星群内任一卫星均可以提供用户接入服务，用户能够浏览卫星资源信息，并提交需求。卫星的天基信息资源应用服务平台收到用户需求后，根据本星获取的星群资源状态信息进行任务规划，规划完成后将任务规划方案发送至执行观测任务的卫星。执行任务的各颗卫星将任务规划发送至星务综合电子，由其控制载荷对地观测。系统收到载荷实时发送的原始观测数据后，发起产品生产，并将生产结果按照任务规划要求发送至主星进行数据融合处理，生成用户需要的信息。
154.图15示意性示出了根据本发明实施例的需求提交、任务规划与数据处理流程图。
155.如图15所示，需求提交、任务规划与数据处理流程描述如下：（1）用户经过授权认证后登录卫星天基信息资源服务平台。
156.（2）用户查询星群资源信息，若未检索到需要的信息，则向卫星提交需求。
157.（3）天基信息资源应用服务平台收到用户观测需求后，进行解析并获取星群状态信息，调用任务规划插件进行任务规划。
158.（4）天基信息资源应用服务平台将任务规划方案发送至各执行任务卫星。
159.（5）各卫星天基信息资源应用服务平台接收任务规划方案后，根据卫星载荷工作信息判断是否能执行该任务规划方案。若能执行，则将任务规划方案发送至星务综合电子，并返回确认；若不能执行，则返回拒绝信息。
160.（6）任务发起星的天基信息资源应用服务平台解析各卫星返回信息，若方案被确认则转（9）。
161.（7）若方案被拒绝，判断需求是否超时。若需求超时，则结束。
162.（8）若需求未超时，再次进行任务规划，并发送至各执行任务卫星，转（5）。
163.（9）任务执行卫星的观测载荷执行任务规划，同时将原始观测数据发送到在轨分布式信息资源应用服务系统进行数据处理，并将处理结果按照任务规划要求进行传输。
164.（10）各卫星处理结果汇总后，由主星完成数据融合处理，生成用户需要的信息。
165.在本发明实施例中，数据分发流程例如可以为：天基信息资源应用服务平台获取并处理各类载荷数据，生成用户需要的数据信息后，通过星地链路分发至用户。用户提交需求或数据订阅请求后，平台发起任务规划、对地观测、数据处理等工作流程，需要耗费较长时间，而用户通过星地链路接入天基信息资源应用服务平台的持续时间通常不超过10分钟，因此用户只有再次接入平台时才能获取需要的数据信息。
166.用户接入卫星后，天基信息资源应用服务平台将该用户登录信息在星群内广播，各卫星收到该用户登录信息后，将本星缓存的用户订阅数据发送给用户。
167.图16示意性示出了根据本发明实施例的数据分发流程图。
168.如图16所示，数据分发流程描述如下：（1）用户通过验证后登录天基信息资源服务平台。
169.（2）天基信息资源应用服务平台查询本星可访问的远程卫星路由信息，并将用户登录信息依次发送至各卫星。
170.（3）天基信息资源应用服务平台查询本星保存的用户需求信息和数据订阅信息，检索是否有用户需要的数据。
171.（4）检索到用户需要的数据后，通过星地链路发送至用户终端。
172.（5）各卫星天基信息资源应用服务平台解析收到的用户登录信息，并查询本星保存的用户需求信息和数据订阅信息，检索是否有用户需要的数据。
173.（6）检索到用户需要的数据后，通过星间链路发送至用户登录卫星的天基信息资源应用服务平台，由该卫星平台通过星地链路下传数据。
174.（7）数据下传完成后，发送数据下传完成通知给数据来源卫星的天基信息资源应用服务平台。若在用户离线前未完成数据下传，则返回下传失败。
175.（8）各卫星收到数据下传完成通知后更新状态信息；若未收到下传完成通知，则维持数据状态信息不变。
176.综上所述，本发明实施例提供的在轨分布式信息资源应用服务系统，能够在一套硬件系统上同时满足多星协同任务规划、单载荷数据处理、多星融合等应用需求。此外，该
系统具有很强的可扩展性和适应性，能够适用于不同类型的遥感卫星。
177.附图中的流程图和框图，图示了按照本发明各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，上述模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图或流程图中的每个方框、以及框图或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。本领域技术人员可以理解，本发明的各个实施例中记载的特征可以进行多种组合和/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本发明中。特别地，在不脱离本发明精神和教导的情况下，本发明的各个实施例记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本发明的范围。

技术特征：
1.一种在轨分布式信息资源应用服务系统，包括：服务平台层，用于整合、封装和管理分布式在轨卫星的计算资源、存储资源、通信资源、数据资源和插件资源，以向所述在轨卫星提供任务规划服务、数据处理服务和信息提取服务；硬件环境层，用于支撑所述服务平台层及上层应用进行任务规划服务、数据处理服务和信息提取服务所需软件程序的运行；应用插件层，用于在所述服务平台层支撑下开发、集成和运行所述任务规划服务、数据处理服务和信息提取服务所需的插件资源。2.根据权利要求1所述的在轨分布式信息资源应用服务系统，其中，所述服务平台层包括：平台资源管理模块，用于对所述在轨卫星的状态信息和所述在轨卫星对应的载荷的状态信息进行管理维护，以提供所述任务规划服务和所述数据处理服务；处理引擎模块，用于实现从计算资源、插件资源到所述任务规划服务、所述数据处理服务和所述信息提取服务分别对应的任务流程的聚合、调度和执行；数据组织管理模块，用于对所述数据资源进行统一的存储、更新、传输、检索和访问；其中，所述数据资源包括原始观测数据、所述在轨卫星和所述载荷提供任务规划服务、所述数据处理服务和所述信息提取服务分别产生的处理数据以及基础支撑数据；星群资源管理模块，用于对分布式在轨卫星的各类资源进行组网管理，以实现分布式在轨卫星的协同观测、数据同步和数据融合；安全管理模块，用于对接入在轨卫星的用户进行身份认证以及进行轻量级数据保护；通信服务模块，用于对底层通信网络设备提供的接口进行封装，以提供通信服务接口。3.根据权利要求2所述的在轨分布式信息资源应用服务系统，其中，所述数据组织管理模块对所述原始观测数据、所述处理数据和所述基础支撑数据进行数据生命周期管理；所述数据组织管理模块提供多进程和/或多线程并发的检索和访问方式来检索和访问所述原始观测数据、所述处理数据和所述基础支撑数据。4.根据权利要求2所述的在轨分布式信息资源应用服务系统，其中，所述星群资源管理模块实现分布式在轨卫星之间的数据同步，包括：所述星群资源管理模块控制一在轨卫星只向临近在轨卫星节点发布增量数据资源和插件资源。5.根据权利要求2所述的在轨分布式信息资源应用服务系统，其中，所述星群资源管理模块通过定期广播或订阅或查询访问的发布方式实现分布式在轨卫星之间的数据发布。6.根据权利要求2所述的在轨分布式信息资源应用服务系统，其中，所述通信服务模块基于接收校验和重传机制实现数据资源的传输。7.根据权利要求1所述的在轨分布式信息资源应用服务系统，其中，所述硬件环境层采用板卡式结构，包括：主控板卡，用于支撑所述服务平台层及上层应用进行任务规划服务、数据处理服务和信息提取服务所需软件程序的运行；协处理板卡，用于将不同处理能力的硬件资源按标准进行封装，以进行所述数据处理服务；
存储板卡，用于存储所述数据资源以及所述任务规划服务、所述数据处理服务和所述信息提取服务分别产生的处理数据。8.根据权利要求7所述的在轨分布式信息资源应用服务系统，其中，所述主控板卡的接口类型能够根据所述在轨卫星的要求动态配置；所述协处理板卡的数量能够根据所述在轨卫星对应的载荷的数据处理要求动态配置。9.根据权利要求1所述的在轨分布式信息资源应用服务系统，其中，所述应用插件层采用增量更新策略更新插件资源。10.根据权利要求2所述的在轨分布式信息资源应用服务系统，其中，所述服务平台层根据任务的优先级和当前可分配的计算资源进行任务调度。

技术总结
本发明提供一种在轨分布式信息资源应用服务系统，包括：服务平台层，用于整合、封装和管理分布式在轨卫星的计算资源、存储资源、通信资源、数据资源和插件资源，以向所述在轨卫星提供任务规划服务、数据处理服务和信息提取服务；硬件环境层，用于支撑所述服务平台层进行任务规划服务、数据处理服务和信息提取服务所需软件程序的运行；应用插件层，用于在所述服务平台层支撑下开发、集成和运行所述任务规划服务、数据处理服务和信息提取服务所需的插件资源。件资源。件资源。


技术研发人员：胡玉新 张凯 林智莘 王振舟
受保护的技术使用者：中国科学院空天信息创新研究院
技术研发日：2022.04.24
技术公布日：2022/5/25