不為人知的中國航天 SpaceOS 操作系統

說起微軟的Windows，蘋果的Mac OS以及谷歌的Android，相信大家都不會陌生，它們都是操作系統，即對計算機的各種資源進行管理的軟件，是計算機能夠運行的靈魂，美國的一些航天器 上用的就是VxWorks操作系統。但是，如果問起我國航天器上的計算機用的是什么操作系統，也許很少有人知道。

事實上，中國航天科技集團公司五院從2001年就開始研發星載計算機特有的操作系統——SpaceOS，并在2006年首飛成功。此次的嫦娥三號探月任務 控制計算機使用的是經過升級和改進后的第二代星載計算機操作系統SpaceOS2。該系統首次亮相應用，就吸引了眾多關注的目光。

中國航天要有自己的操作系統

盡管與普通家用的操作系統設計原理相似，但“上天”的操作系統為了適應惡劣太空環境，對安全性、可靠性等要求要苛刻許多。

地面使用的計算機死機了可以重啟，壞了還可以換新的，但飛行器上的計算機開機了通常就不會再關閉或重啟。在軌運行時間較長的衛星壽命可達十幾年，這也就意味著計算機程序要同步運行十幾年不出現問題。

更重要的是，對于航天這樣的事關國家安全的關鍵領域，“拿來主義”是很危險的。而要研發自己的操作系統，相關核心技術國外嚴密封鎖，想要借用也沒有可能。

在星載計算機操作系統投入使用以前，中國的衛星通常都采用程序控制的方式來完成指令。這種“傻瓜”式的運行模式非常簡單，但也非常機械，它要求技術人員在 地面設計好衛星要進行的每一個動作，嚴格按照時序編寫程序。形象地說，就是如果設定衛星的任務為“吃飯—喝水—睡覺”，衛星上天之后只能按照這個順序重復 動作，想要先喝水后吃飯是做不到的。

由于衛星的運行軌道相對封閉和確定，程序控制雖然機械繁瑣，也能夠滿足任務要求。但隨著我國在軌任務越來越復雜，對計算機軟件管理提出了越來越高的要求。

研發中國自己的星載計算機操作系統勢在必行。沒有借鑒，就從零開始慢慢摸索。獨立自主創新，成為了擺在研發團隊面前唯一道路。

兩代SpaceOS的華麗蛻變

2006年，SpaceOS1成功在軌運行。那時的操作系統功能簡單，只做到了多種資源的管理和任務調度，卻沒有任務間的通信和動態內存管理等更為復雜的功能。

3年以后，嫦娥三號立項，巡視器要實現月面行走。相比衛星軌道，月球是一個開放的空間，環境惡劣、不確定因素多、控制復雜。這種任務對航天器智能性和自主性的要求很高，而這恰恰是操作系統的絕佳用武之地。

此時功能簡單的SpaceOS1已無法滿足任務要求，科研人員開始著手進行第二代產品的攻關。經過2年研發，SpaceOS2正式推出，在很多方面都實現了質的飛躍，并成功應用到了嫦娥三號巡視器的中心控制計算機上。

在任務調度和內存管理方面，SpaceOS2可以同時管理幾十個任務，與原來5個任務相比，提高了一個量級，同時可以做到快速、有序存儲。月球車在月面行 走時，要一邊不停地拍攝月面環境，一邊快速保存和處理這些信息。如果此時突然遇到一個坑，操作系統必須在最短的時間內作出判斷并反應，否則就有可能掉進坑 里。目前，研究人員設計的內存管理方法和調度方法，從功能、效率上來講，已經可以和國際上最先進的類似產品相媲美。

而如果說到最具有我國特色和競爭力的技術，就不得不提到三機容錯。一般衛星上會有兩臺計算機冷備份，一臺工作時另一臺不工作，如果工作的計算機出現了故障 或問題，就立刻切換到另一臺。但切換的過程中，不可避免的會有一些因計算機啟動等帶來的秒級的時間差。為了實現真正的無縫切換，嫦娥三號上第一次實現了三 機熱備份，即三個計算機同時工作，處理同樣的任務，有可能其中一臺計算機給出的計算結果是錯的，那么三機容錯就要發現哪臺計算機有錯，并最終給出正確的結 果。

從雙機冷備份到三機熱備份，看上去似乎只增加了一臺計算機，但帶來的難度和工作量卻是呈指數級增長的。研發人員坦言，那種壓力來自于知道應該實現什么目標，但對怎么實現毫無頭緒。那時做夢都在思考這些問題，有些難關甚至是在夢里攻克的。

未來或可發展為民用

目前，這個只有十幾個人組成的年輕團隊正在進行SpaceOS3的研發工作，第三代產品的技術將更加先進和前沿。

例如研制高性能多核計算機，讓運算速度和處理能力大幅度提升；還有目前操作系統領域最前沿的技術——形式化驗證，即從建模和證明的角度來驗證設計領域軟硬 件的正確性，如果這一技術得以突破，將改變航天目前通過大量測試來驗證設計正確性的方法，從根本上確保設計的無差錯和高可靠。

SpaceOS操作系統能否發展民用？

當被問及這個問題時，研發人員表示，航天操作系統技術本身是可以轉為民用的。但由于航天精品化和個性定制的特點，不夠產品化和通用化，距推廣成熟的民用產品還有一定距離。

目前，SpaceOS操作系統正在考慮航天系統內的推廣應用，未來還將逐步拓展到其他領域。也許有一天，我們每個人的手機上，都可以使用到“中國航天”品牌的操作系統了。

來自: 中國航天報