Page 334 - 《软件学报》2026年第1期

张其阳 等: 卫星边缘计算智能化技术研究进展 331

通过将服务程序及其相关依赖打包到容器中统一部署, 依据实际需求动态调整资源, 按需启动或关闭服务, 显著提
高了星载智能化服务的资源管理和调度方面的能力. 相比之下, 非云原生平台通常提供定制化服务, 因长时间占用
有限的星载资源, 导致服务利用率下降. 表 3 总结了云原生卫星和传统卫星在轨部署、扩展性和成本费用等方面
的差异.

表 3 传统卫星与云原生卫星的特点比较

特点 传统卫星 云原生卫星
对模拟环境进行现场调试 打包和随时可用的容器镜像
部署
通信协议适应星地链路 未感知IP通信
不可更改的自定义任务 更换镜像, 更新应用
扩展性
终端设备固定, 不能被动态管理 可插拔的设备管理框架
由测控机构管理的遥测和遥控 云统一管理卫星边缘云
成本费用
数据传输站管理的下行数据 负载均衡, 高效利用星座计算资源

图 1 展示了首颗集成卫星和地面计算资源共同处理星载任务的智能化云原生卫星架构. 该架构包括 3 大核心
组成部分: 卫星平台、基础功能和泛在服务. 完整的卫星平台由电力系统、通信系统、有效载荷系统以及指挥和
数据处理系统组成. 各子系统协同工作以完成复杂的太空任务. 其中, 通信子系统建立无线链路负责数据和命令的
传输; 有效载荷系统管理任务数据生成与回传; 指挥和数据处理系统负责遥测和遥控, 确保航天器和地面操作员间
的稳定通信.

虚拟化
泛在服务
通信 网络切片 服务编排 服务保障

基础功能
计算 接入控制与 会话管理 用户面功能
移动性管理
卫星平台
存储 命令和数据
通信子系统 负载子系统 处理子系统
图 1 云原生卫星功能结构示意图

随着星载处理能力的提升, 卫星系统的智能化水平不断提高, 特别是在信号处理和分组处理方面. 信号处理增
强了卫星波束的高效切换, 使卫星能够灵活分配无线资源, 实现精细化的策略管理与服务质量控制; 分组处理则支
持全星座组网, 为卫星系统提供了更强的互联互通能力. 此外, 基于 SDN 和 NFV 技术的云原生卫星展现了灵活且
可编程的资源管理方式, 通过相同的底层硬件提供多种服务, 具备一定程度的通用性, 展示出智能化的网络架构与
服务功能. 以卫星核心网为例, 基本网元功能 (即 AMF、SMF、UPF) 满足用户注册和会话管理程序的基本需求,
而身份验证和数据持久化等功能则进一步完善了网络功能. 云原生卫星不仅提供基础的网络连接功能, 还实现了
更高级的泛在服务特性, 为最终用户和多样化业务场景提供了更加全面且灵活的支持.
3.2 智能化操作系统
随着低轨卫星任务复杂性的不断提高, 传统操作系统难以同时满足实时性和通用性的需求. 例如, POSIX 系
统的实时内核在兼容性方面存在问题, 而采用同时运行实时内核与通用内核的虚拟机方案又会引入大量核间通信
开销. 为了解决这些问题, SpaceX 等公司采用了 COTS 器件和 Preempt-Linux 作为主要的硬件与软件方案, 然而,
这种方案仅能实现软实时性能, 实时性仍然不足. 此外, 国内外在新一代卫星操作系统的研发上也取得了一定进
展. 例如, Sputnix 的软件定义卫星操作系统和 Starlink 基于传统 Linux 的操作系统. 提升卫星性能、增强容错能力、
降低开发难度及优化资源调度等方面, 这些探索取得了积极成效, 但仍存在一些不足之处: 以 Sputnix 为代表的软
件定义卫星在操作系统设计中较好地平衡了性能、容错、开发难度和调度资源能力, 但在系统稳定性和实时性方