Page 333 - 《软件学报》2026年第1期

330 软件学报 2026 年第 37 卷第 1 期

2.3 健壮可靠
太空环境中, 卫星电子器件易受到单粒子效应的影响, 主要包括单粒子翻转、单粒子锁定、单粒子烧毁等现
象. 这些效应是由高能粒子与电子器件相互作用引发, 其发生概率受轨道高度、太阳活动及电子器件设计等因素
影响. 在太阳活动周期的峰值阶段, 这种风险尤为突出. 在航天器运行于恶劣的环境时, 宇宙射线或辐射带的高能
带电粒子 (如重离子或质子) 具有极强的穿透能力. 例如, 单个高能粒子可能导致存储器或微处理器出现故障, 即
发生单粒子事件. 在此类事件中, 单个高能粒子可能引发存储器或微电子器件状态改变, 导致数据位翻转 [15] . 虽然
单粒子翻转不会直接损坏器件, 但若发生在重要电路 (如控制计算机) 中, 可能导致错误指令或程序异常运行, 严
重时甚至危及航天器安全. 此外, 单粒子效应不仅会在低轨道明显, 在高轨道上更为显著. 受地磁场的影响, 南大西
洋异常区与两极区域的高能粒子辐射更为集中, 进一步增加了单粒子事件的风险.
针对单粒子效应的主流应对策略主要分为两类. 第 1 类是采用辐射硬化器件以降低单粒子事件的发生概率.
然而, 这类器件的计算性能较低且成本极高. 例如, 典型的辐射硬化器件 RAD750 主频仅为 200 MHz, 造价却高达
20 万美元, ARM SoC (system on chip, 片上系统) 的主频可达 1.4 GHz, 造价仅约 50 美元 [16] . 第 2 类是在软件层面.
通过三模冗余、差错检测和硬件纠错等容错机制提高系统可靠性 [17] . 例如, 慧与星载计算机算力可达 TeraFLOP
级 (每秒一万亿次浮点运算), 软件加固使其计算误差仅为 0.03%, 在一定程度验证了此类措施的有效性. 尽管上述
措施在一定程度上提升了系统的可靠性, 但在太空辐射对卫星边缘计算的影响仍需进一步的研究和应对.
2.4 架构融合
卫星领域的标准化推进长期面临较大困难, 主要原因在于传统卫星应用已难以适应技术发展的新趋势. 早期
卫星通信主要面向对可靠性要求极高的小范围客户群体, 采用专用的通信制式和设备, 且以高轨卫星为主. 例如,
广播电视采用高度定制化的电视广播协议进行信号传输 [18] , 导致遥感、通信、导航等不同类型卫星之间缺乏统
一标准, 形成孤立发展局面, 导致了应用部署不灵活、星座资源利用不充分等一系列问题. 此外, 由于星座间的通
信规范和网络协议未能统一, 许多现有应用无法直接在卫星网络中运行, 这不仅阻碍了网络的互联互通, 也给空天
地一体化网络融合发展带来巨大的挑战. 针对上述问题, 标准化组织 (如 3GPP) 提出了非地面网络的解决方案 [19] ,
该方案旨在通过统一的网络协议和架构设计, 实现星地网络的无缝融合. 然而, 这项工作仍处于早期阶段, 技术和
工程层面面临诸多挑战. 从长远来看, 卫星与地面基础设施的架构融合不仅是技术发展的必然趋势, 也是推动未来
卫星领域向标准化、协同化、智能化方向迈进的重要动力.

3 相关研究进展

卫星边缘计算智能化技术涵盖了多个关键领域的发展和探索, 是探索并实现智能化卫星的重要支撑. 首先, 云
原生卫星平台的兴起标志着卫星边缘计算向高效、灵活和可扩展方向的迈进. 与此同时, 专为卫星设计的智能化
操作系统不断演进, 以满足日益复杂的任务需求. 智能化在轨处理则大幅提升了卫星自主性和智能化水平, 使其能
够高效完成任务并应对复杂外部环境. 最后, 卫星任务调度与规划的优化是确保各类卫星任务高效完成的核心环节.
3.1 云原生卫星平台
传统卫星载荷依赖专用硬件进行数据传输和处理, 这种方式使卫星载荷的管理和扩展面临诸多挑战. 为此, 许
多国家和组织积极研发并应用云原生卫星平台. 例如, 美国国家航空航天局 (NASA) 和欧洲空间局 (ESA) 联合推
进的项目, 通过云计算技术显著提升了卫星数据处理与传输的效率. NASA 的多任务算法和分析平台将相关数据、
算法和计算能力集成于一个统一的云环境中, 从而有效解决数据共享和处理的难题. 随着边缘计算 [20] 的快速发展,
虚拟化技术广泛应用在资源受限的设备上. 因此, 基于虚拟化技术的云原生卫星能够整合计算、通信、存储等功
能, 在卫星上实现智能推理和多任务处理. 例如, 全球首颗云原生卫星“宝酝号”卫星利用卫星和地面站的计算资源,
成功实现了利用 AI 推理暴雨前后图像变化的能力, 从而达到提前预警灾害的效果. 针对卫星图像的高云覆盖率的
问题, 系统会丢弃低质量图像以降低传输开销, 而高质量的卫星图像数据则传回地面进行高精度模型计算, 从而显
著提升了数据处理效率和响应速度. 此外, 云原生卫星能够通过云原生应用实现按需更新. 例如, “北邮一号”卫星