在迈向深空探测的征途中,NASA的阿尔忒弥斯任务计划引领人类重返月球,并在月球表面建立可持续的科学与生活基地。构建适应月球严苛环境的先进技术平台,是确保航天员安全、任务成功的关键。本文将深入剖析"宇宙边缘"实时解决方案的发展现状、技术挑战与创新路径,探讨未来月球和更远太空探索中的核心技术趋势。太空探索的极限挑战此前一直限制着技术的发展,尤其是对于高度依赖实时反应和智能导航的航天系统而言尤为明显。月球表面复杂多变的环境要求航天计算系统不仅具备超强的可靠性,还需保证低延迟、高精度的实时性能。传统上,航天计算平台多采用专用、分散的系统应对不同任务,但随着AI与机器学习(ML)技术的引入,多功能、高度集成的计算架构成为实现智能自主运行的必由之路。
实现实时危险检测与自动导航迫切呼唤大幅度提升计算效率的方案。未来的空间计算面对着诸多棘手挑战,其中包括如何在保障任务关键性的同时将传统遗留系统与新兴AI自主功能无缝融合。空间任务对系统体积、重量、功耗(SWaP)的严格限制促使硬件设计必须进一步优化。此外,随着任务预算和科学需求不断调整,项目不确定性增大,加剧了研发难度。在复杂环境下完成实时危险检测、智能导航与操作持续性保障,是航天系统必须攻坚的核心。此外,实现多优先级任务混合在一套硬件平台上的运行,避免系统冗余,提高资源利用率,也是现代空间计算发展的方向。
近年来,在IEEE空间任务信息技术与空间计算大会上,行业专家展示了前沿的嵌入式系统解决方案,探讨了借助高性能空间飞行计算平台(HPSC)实现传统架构向多用途整合平台转型的重大进展。Wind River作为行业领导者,与Microchip合作推动的HPSC平台及其实时操作系统VxWorks,已成为支持NASA航天软件框架(如核心飞行系统cFS和F')的重要基础。这些软件架构助力系统实现即时数据处理与决策反馈,满足极限环境下快速、高效响应的需求。大会进一步强调,为应对月球及深空探索日益复杂的任务,航天计算正经历范式转变。由原先为不同功能设计独立系统的模式,逐步向多功能、高度集成的计算平台转变。这种整合不仅提升硬件利用率和任务灵活性,也形成了更坚韧的系统架构,以适应空间环境中体积、重量及功耗限制的苛刻要求。
现代空间计算平台能够在边缘设备上同步处理AI/ML与关键实时任务,使得机器学习算法可以运行于通用GPU硬件之上,同时确保实时性不受影响。这突破性设计让航天器具备自动危险识别、智能导航和适应性系统管理能力,有力支撑月球表面复杂的操作需求和深空环境的未知挑战。成功的空间计算平台必须具备内在的可扩展性和面向未来的设计理念,以满足不同等级任务载荷的需求,并灵活应对机密等级从A到D的载荷处理。这种多级任务协同能力确保了平台的多样性和广泛适用性,同时也体现出高度的网络安全性和软件互操作性。面对潜在的网络威胁和安全风险,航天系统软件必须严格经受认证和可靠性测试,符合航天行业极端严苛的质量标准。Wind River在航天领域拥有深厚积淀,提供包括VxWorks实时操作系统在内的多项关键技术。
VxWorks以其确定性强、基于优先级的抢占式实时调度机制,极大降低延迟和抖动,保障关键任务的可靠运行。其同时支持基于GPU的AI/ML工作负载,使系统兼具现实需求与未来技术潜力。结合NASA核心飞行系统架构,VxWorks为数据实时处理、危险感知及决策提供坚强软件支撑。Wind River Linux基于开源Yocto项目,搭配Wind River Helix虚拟化平台,实现了安全性不同的任务混合运行,即安全关键以及非安全关键应用共存于单一硬件平台中。该方案确保任务隔离、系统可扩展性和资源高效利用,适应未来航天任务多样且复杂的软件需求。未来的太空探索不仅仅是踏上新的天体,更在于持续在那里,保证运营安全,深化宇宙认知,持续突破极端环境下的技术边界。
借助先进实时系统、人工智能与高度集成的空间计算平台,航天行业正迈入智能互联的新纪元。Wind River等技术供应商致力于为太空任务提供稳定、灵活、可扩展的计算解决方案,推动人类走向更广阔的宇宙边疆。在月球表面,每一次实时的自主决策,或每一次高精度的智能识别,都将成为保障航天员生命安全及任务成功的基石。推动空间计算从单一功能转向深度融合、全面智能的进化,将加速航天领域的创新步伐。未来,随着技术不断成熟,高性能、低SWaP的实时系统将成为深空探索的核心动力,助力人类实现"登陆、存续、探索和发现"的太空梦想。 。
