不为人知的中国航天SpaceOS操作系统-未来将民用

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2024年6月5日发(作者：)

不为人知的中国航天SpaceOS操作系统 未来将民用

说起微软的Windows;苹果的Mac OS以及谷歌的Android;相信

大家都不会陌生;它们都是操作系统;即对计算机的各种资源进行管理

的软件;是计算机能够运行的灵魂;美国的一些航天器上用的就是

VxWorks操作系统..但是;如果问起我国航天器上的计算机用的是什

么操作系统;也许很少有人知道..

事实上;中国航天科技集团公司五院从2001年就开始研发星载计算机

特有的操作系统——SpaceOS;并在2006年首飞成功..此次的嫦娥三

号探月任务控制计算机使用的是经过升级和改进后的第二代星载计

算机操作系统SpaceOS2..该系统首次亮相应用;就吸引了众多关注的

目光..

中国航天要有自己的操作系统

尽管与普通家用的操作系统设计原理相似;但“上天”的操作系统为

了适应恶劣太空环境;对安全性、可靠性等要求要苛刻许多..

地面使用的计算机死机了可以重启;坏了还可以换新的;但飞行器上的

计算机开机了通常就不会再关闭或重启..在轨运行时间较长的卫星寿

命可达十几年;这也就意味着计算机程序要同步运行十几年不出现问

题..

更重要的是;对于航天这样的事关国家安全的关键领域;“拿来主义”

是很危险的..而要研发自己的操作系统;相关核心技术国外严密封锁;

想要借用也没有可能..

在星载计算机操作系统投入使用以前;中国的卫星通常都采用程序控

制的方式来完成指令..这种“傻瓜”式的运行模式非常简单;但也非常

机械;它要求技术人员在地面设计好卫星要进行的每一个动作;严格按

照时序编写程序..形象地说;就是如果设定卫星的任务为“吃饭—喝水

—睡觉”;卫星上天之后只能按照这个顺序重复动作;想要先喝水后吃

饭是做不到的..

由于卫星的运行轨道相对封闭和确定;程序控制虽然机械繁琐;也能够

满足任务要求..但随着我国在轨任务越来越复杂;对计算机软件管理

提出了越来越高的要求..

研发中国自己的星载计算机操作系统势在必行..没有借鉴;就从零开

始慢慢摸索..独立自主创新;成为了摆在研发团队面前唯一道路..

两代SpaceOS的华丽蜕变

2006年;SpaceOS1成功在轨运行..那时的操作系统功能简单;只做到了

多种资源的管理和任务调度;却没有任务间的通信和动态内存管理等

更为复杂的功能..

3年以后;嫦娥三号立项;巡视器要实现月面行走..相比卫星轨道;月球

是一个开放的空间;环境恶劣、不确定因素多、控制复杂..这种任务对

航天器智能性和自主性的要求很高;而这恰恰是操作系统的绝佳用武

之地..

此时功能简单的SpaceOS1已无法满足任务要求;科研人员开始着手

进行第二代产品的攻关..经过2年研发;SpaceOS2正式推出;在很多方

面都实现了质的飞跃;并成功应用到了嫦娥三号巡视器的中心控制计

算机上..

在任务调度和内存管理方面;SpaceOS2可以同时管理几十个任务;与

原来5个任务相比;提高了一个量级;同时可以做到快速、有序存储..

月球车在月面行走时;要一边不停地拍摄月面环境;一边快速保存和处

理这些信息..如果此时突然遇到一个坑;操作系统必须在最短的时间

内作出判断并反应;否则就有可能掉进坑里..目前;研究人员设计的内

存管理方法和调度方法;从功能、效率上来讲;已经可以和国际上最先

进的类似产品相媲美..

而如果说到最具有我国特色和竞争力的技术;就不得不提到三机容错..

一般卫星上会有两台计算机冷备份;一台工作时另一台不工作;如果工

作的计算机出现了故障或问题;就立刻切换到另一台..但切换的过程

中;不可避免的会有一些因计算机启动等带来的秒级的时间差..为了

实现真正的无缝切换;嫦娥三号上第一次实现了三机热备份;即三个计

算机同时工作;处理同样的任务;有可能其中一台计算机给出的计算结

果是错的;那么三机容错就要发现哪台计算机有错;并最终给出正确的

结果..

从双机冷备份到三机热备份;看上去似乎只增加了一台计算机;但带来

的难度和工作量却是呈指数级增长的..研发人员坦言;那种压力来自

于知道应该实现什么目标;但对怎么实现毫无头绪..那时做梦都在思

考这些问题;有些难关甚至是在梦里攻克的..

未来或可发展为民用

目前;这个只有十几个人组成的年轻团队正在进行SpaceOS3的研发

工作;第三代产品的技术将更加先进和前沿..

例如研制高性能多核计算机;让运算速度和处理能力大幅度提升；还

有目前操作系统领域最前沿的技术——形式化验证;即从建模和证明

的角度来验证设计领域软硬件的正确性;如果这一技术得以突破;将改

变航天目前通过大量测试来验证设计正确性的方法;从根本上确保设

计的无差错和高可靠..

SpaceOS操作系统能否发展民用

当被问及这个问题时;研发人员表示;航天操作系统技术本身是可以转

为民用的..但由于航天精品化和个性定制的特点;不够产品化和通用

化;距推广成熟的民用产品还有一定距离..

目前;SpaceOS操作系统正在考虑航天系统内的推广应用;未来还将逐

步拓展到其他领域..也许有一天;我们每个人的手机上;都可以使用到

“中国航天”品牌的操作系统了..江雪莹

本文标签： 计算机任务设计运行实现