國產操作系統飛天記：我們是認真的!

“我們都知道衛星產品的設計有著非常苛刻的可靠性要求，整個系統設計必須做到‘萬無一失’。一次航天任務耗資巨大，一旦出現問題，那么數年努力可能毀于一旦。”近日，翼輝信息方面專家對記者表示。

據新華社此前報道稱，12月7日12時12分，我國在酒泉衛星發射中心用長征二號丁運載火箭，成功將沙特-5A/5B衛星發射升空，搭載發射10顆小衛星，衛星均進入預定軌道。

此次搭載的多顆小衛星中，有一顆“個頭最大”的衛星是來自于中國商業航天新秀：九天微星的瓢蟲一號，相比我國之前發射的幾公斤、十幾公斤的微型商業衛星，瓢蟲一號重量達到一百公斤，在小型衛星領域算得上是個“大塊頭”，它也是我國發射的第一顆百公斤級民營商業衛星。

據報道，瓢蟲一號身法靈活、功能豐富，可執行對地定點觀測、太空自拍、模擬星光閃爍;還可進行太空全景直播……。

2016年，日本宇航局研發的X射線太空望遠鏡(官方名字：Astro-H)失聯，最后檢查出的原因是姿態控制代碼存在設計缺陷。在地面，也許重新修改程序后故障可立即修復，可是在太空，由于姿態異常無法進行有效修復，19億人民幣和無數工程師的心血毀于一旦。這顆衛星失敗后，日本宇航局十年內也不會再有相關的預算來發射替代衛星。

回到瓢蟲一號衛星，此顆衛星是由九天微星聯合翼輝信息等多家單位深度合作，基于翼輝SylixOS實時操作系統打造的多功能小衛星。其中翼輝信息負責設計基于SylixOS的高容錯、低耦合衛星軟件總體服務平臺，這套軟件平臺的可靠性直接決定整星是否能夠正常運轉。

傳統的衛星開發使用的是“按需實現”的模式，由于沒有強大的操作系統和標準服務框架支持，衛星上運行的業務軟件都是根據需求“重新開發”，存在軟件復用度低，開發測試驗證周期長等問題。

這次瓢蟲一號衛星軟件使用了全新的設計模式，不同于傳統設計模式，這次翼輝采用與“智能操作系統”相似軟件架構，即在一個成熟可靠的操作系統內核上建立一套專門針對航天產品共性需求的標準軟件框架。有了這套標準軟件框架，衛星應用軟件可以不用因為硬件改動或驅動升級而頻繁修改代碼，絕大多數系統功能與服務全部提供脫離硬件具體實現的標準化接口，大大縮短衛星應用軟件開發周期，降低應用程序與其他服務的耦合性，提高系統可靠性，降低了衛星軟件開發與測試成本。

衛星看似遨游太空、自由自在，其實充滿了危險，例如：太空中高能粒子“打到”衛星計算機上可能引起的單粒子翻轉;衛星向陽面溫度可達100攝氏度以上，同時背陽面溫度可能降至零下60攝氏度;而且這些情況時時刻刻都在發生。衛星就好比一個自成體系的小生態系統，如何保證自身穩定地運行環境決定了衛星能否正常運轉。另外此顆衛星能源全靠太陽能，當運轉至地球陰影區衛星將只能依靠電池工作，如何進行有效可靠的能源管理同樣至關重要。這些都是衛星生存的必要條件。

雖然瓢蟲一號屬于低軌衛星，受地球磁場保護，輻射劑量不是很高，但出于安全考慮，瓢蟲一號計算系統仍采用多機容錯設計，每臺計算機均提供單粒子翻轉檢測與修復、熱平衡控制、電源管理等功能，同時還提供軟件冗余備份功能，當檢測出計算機程序被高能粒子損壞，可以自動切換到備份系統上，大大增強了衛星的生存能力。

衛星運行狀態保障還有一項非常重要的工作：姿態控制。衛星上幾乎所有的設備都對姿態有要求，例如太陽能帆板需要對準太陽，相機和通信天線需要對準目標等等，沒有姿態控制，隨意翻轉的衛星實際作用與“磚頭”差不多。與地面環境相比，在失重條件下調整姿態更為困難，一般小衛星多采用的“自旋”或“重力梯度”等被動姿控系統，而瓢蟲一號則采用更為復雜且靈活的主動姿態控制系統，整個控制系統分為：測量、控制、執行機構三個部分，講到這里是不是有些同學已經想到經典頻域控制理論的“微分方程、拉普拉斯變換、傳遞函數、穩定性分析”和現代控制理論“狀態空間”等概念?沒錯!衛星姿態控制就是這些理論的具體應用。

瓢蟲一號的姿控測量組件包括：太敏(通過太陽計算空間方位)、星敏(通過已知的多顆恒星計算方位)、磁強計，執行機構主要是飛輪與磁阻尼器。翼輝信息參與瓢蟲一號的姿控系統設計不多，由于時間緊任務重，沒有完成預先設想的姿控系統模型化目標，既將所有控制系統抽象成統一的模型接口，不同衛星只需要導入不同的控制系統模型文件與參數，即可完成姿態控制系統。這樣做的優勢不僅僅可以將姿控系統設計變得標準化，同時也可降低風險，在有重力條件下實現姿控實物仿真較為困難，單純通過計算機仿真還是有一定的設計風險，翼輝信息未來想通過在半實物化仿真方面積累的經驗，將目標機運行的控制系統模型通過半實物化方式接入Matlab進行半實物化仿真，從而有效提高開發效率，降低風險。關于這項工作，翼輝信息已經與相關航天院所展開合作，希望在不久的將來能夠應用于其他航空航天系統。

目前，瓢蟲一號衛星已經完成一系列在軌測試，測控、熱控、姿控、能量管理等系統狀態一切正常。未來，瓢蟲一號將在野生動物保護、野外應急救援、車輛船舶監測、物流追溯等領域開展系統級驗證。

其實此次航天任務并不是SylixOS第一次飛向太空。在兩個月前，SylixOS曾作為載荷計算機操作系統，成功為某衛星載荷提供高可靠軟件平臺支撐，表現優異。安全可靠地為客戶提供加密的衛星通訊服務。

目前，基于SylixOS設計的航天器與運載系統包括但不限于：多顆通訊衛星、多顆資源衛星、某商業航天火箭飛行控制系統等，更多的航天器和運載組件將會在2019年相繼發射升空。

翼輝信息方面還表示，通過多次深度參與航天任務，翼輝信息已掌握多余度高可靠引導程序、驅動程序、操作系統、星務服務框架等技術。從2019年開始翼輝信息還會參與到更多大衛星與深空探測項目，未來是否會將這些經驗進行抽象，打造一款衛星操作系統?翼輝信息的操作系統專家表示，正在嚴肅考慮中。但確定的是，未來翼輝信息將和他們自主研發的SylixOS操作系統承擔越來越多航天任務，為人類宇航事業提供更多的服務。