综述：卫星自主性与适应性参考架构

《Journal of Systems and Software》：Reference architecture for autonomy and adaptivity in satellites

基于系统文献综述和专家访谈，提出面向自主自适应卫星系统的参考架构，整合MAPE-K反馈循环与ECSS标准，分离应用级推理与操作级执行，并通过NIMBUS卫星验证了架构可行性。

　　

弗朗切斯科·巴斯奇亚尼（Francesco Basciani）|卢西亚娜·雷贝洛（Luciana Rebelo）|帕特里齐奥·佩利奇奥内（Patrizio Pelliccione）

意大利拉奎拉的Gran Sasso科学研究所（Gran Sasso Science Institute, GSSI）

摘要

背景。软件在航天领域发挥着越来越重要的作用。自主性和适应性对于管理任务复杂性、处理通信延迟、提高效率以及实现无需地面干预的操作至关重要。目标。本文提出了一种自主和适应性卫星系统的参考架构（Reference Architecture, RA）。方法。该架构基于系统的文献综述，并通过行业专家进行了验证。遵循ISO/IEC/IEEE 42010标准，我们确定了相关利益方和关注点，定义了架构决策，并介绍了各个组件和连接方式。结果。该架构沿着MAPE-K循环组织了五个功能组件，并区分了应用层和操作层的角色。我们在Thales Alenia Space Italy为IRIDE星座开发的NIMBUS卫星上实现了这一架构。这一实施验证了将抽象职责映射到实际机载软件和子系统上的可行性。结论。所提出的RA为设计自主和适应性航天系统提供了结构化的基础。其在NIMBUS上的成功实现表明了其适用于具有安全关键性的分区平台。未来的工作将包括支持学习模块、星座级规划和安全重构。

引言

航天工业正在经历快速变革，这得益于机载系统自主性的提高以及卫星生产和部署的普及。卫星平台的模块化和发射服务的商业化使得新的参与者能够参与复杂的航天任务。公司正在投资航天服务基础设施，以支持轨道资产的全生命周期，从运输和在轨组装到加注燃料、维护和碎片管理。这些趋势要求具备支持自主和分布式卫星环境中适应性、弹性和可扩展性的强大软件架构。自主性和适应性对于现代航天任务至关重要，尤其是在深空和基于星座的操作中。这些能力减少了持续地面控制的需求，在通信条件下降的情况下支持决策制定，并使机载系统能够应对动态任务场景。它们在管理多颗卫星之间的复杂交互、提高响应速度以及确保在无法进行人工干预时的任务连续性方面尤为重要（Rouff, 2002）。随着任务变得越来越分布式，需要新的软件基础设施来支持机载推理、灵活调度和安全重构。

本文通过提出一种针对航天领域的自主和适应性系统的参考架构（RA）来做出贡献，重点关注卫星平台。参考架构在软件架构研究中的重要性得到了广泛认可（Cloutier等人，2010年；Bucaioni等人，2023年），并体现在ISO/IEC/IEEE的标准化工作中（ISO, 2024年）。然而，据我们所知，目前还没有架构同时解决该领域中的自主性和适应性问题。我们的提案通过基于系统的文献综述并经过专家访谈进行了验证，填补了这一空白。

这项工作是与Thales Alenia Space Italy（TAS-I, 2025）合作进行的，作为研究软件在现代航天系统中日益重要性的项目的一部分。所提出的参考架构建立在SAVOIR（ESA, 2024）和ECSS-E-ST-40C（ECSS, 2024a）等现有标准的基础上，同时明确纳入了MAPE-K反馈循环以支持运行时自主性和系统级适应。它还补充了ECSS-Q-ST-30-02C（ECSS, 2024b）等标准，通过设计用于支持自主行为的组件和执行语义扩展了故障管理原则。尽管在航天领域已经提出了几种参考架构和框架，但大多数仅关注模块化、故障管理或规划自主性等特定方面，而没有提供一个在同一架构框架下整合自主性和适应性的统一模型。我们的提案通过结合MAPE-K反馈语义和符合ECSS标准的软件分区及保证原则来填补这一空白。第4节（表8）中对现有架构和标准进行了详细比较，我们在其中定位了我们的参考架构。这些特性使得该架构非常适合在地面交互减少的不确定环境中运行的下一代卫星星座。最近的研究还强调了在航天领域对基于AI/ML的软件进行评估和验证的日益增长的挑战（Petrucci等人，2025年），因为基于学习的组件的引入增加了复杂性和不确定性，传统保证方法可能不够充分。

本研究直接受到我们之前关于基于AI的航天架构的系统文献综述（Rebelo等人，2025年）的启发。那项研究确定了八个反复出现的架构视角，并表明“自主性和适应性”视角是分析中最常被讨论且相互关联的视角。在此基础上，本文通过提出一种专门针对卫星系统自主性和适应性的参考架构来深入探讨这一视角。

在本研究中，我们将自主性和适应性定义为卫星根据变化的环境或操作条件动态调整其任务操作和任务调度的能力，而无需持续的地面干预。因此，我们的重点在于任务层面的自主性，旨在提高响应速度并减轻操作员的工作负担，而不是姿态或轨道调节等低级控制方面。

在这项工作中，我们旨在回答以下研究问题（RQs）：

• •
  RQ1：自主和适应性航天系统的主要相关利益方及其关注点是什么？
• •
  RQ2：自主和适应性航天系统的主要架构决策是什么？
• •
  RQ3：自主和适应性航天系统的参考架构的主要组成部分是什么？

RQ1确定了相关的利益方及其关注点。我们根据ISO/IEC/IEEE 42010:2022标准（ISO/IEC/IEEE, 2022）中推荐的方法来定义这一研究问题，该标准建议识别利益方的关注点，因为它们是个体或群体（利益方）对正在设计的系统感兴趣或需要了解的信息。RQ2定义了支持这些关注点所需的架构决策，而RQ3则提出了RA的整体结构和组成部分。为了回答这些问题，我们进行了系统的文献综述以提取相关知识，并通过与领域专家的访谈验证了所得到的架构。此外，为了证明该架构的适用性，我们在TAS-I为意大利IRIDE星座（Orusa等人，2024）开发的NIMBUS（TAS-I-NIMBUS, 2025）卫星上实现了该架构。这一实现使我们能够将抽象的架构职责具体映射到实际的机载软件和子系统上，验证了模型的表达能力，并揭示了其工程意义。这一实现帮助我们研究了所提出的RA如何在运营卫星环境中得到实现。

本文的结构如下：第2节描述了研究方法。第3节讨论了RQ1。第4节介绍了RA，并探讨了RQ2和RQ3。第5节强调了利益方、关注点与参考架构之间的对齐。第6节描述了我们进行的验证，其中6.1节报告了验证过程，6.2节描述了在NIMBUS上的RA实现。第7节介绍了相关工作。第8节讨论了有效性的威胁。第9节总结了本文并概述了未来的研究方向。

研究方法

为了提出参考架构，本研究遵循了Wieringa（2014）提出的设计科学方法论（Design Science Methodology, DSM）的原则。根据DSM，以设计为导向的研究分为五个阶段：问题调查、处理设计、设计验证、实施和实施评估。这些阶段在图1中进行了说明，指导了我们提出的自主和适应性卫星系统参考架构的开发和评估。

关注点和利益方（RQ1）

控制卫星的软件系统本质上非常复杂，尤其是在涉及自主性和适应性时。它们的设计在技术、操作和组织层面带来了多重挑战。通过RQ1，我们旨在确定自主和适应性航天系统的主要利益方及其关注点。根据ISO/IEC/IEEE 42010标准（ISO/IEC/IEEE, 2022），识别利益方及其关注点对于构建架构描述至关重要

参考架构（RQ2和RQ3）

在本节中，我们旨在回答RQ2（“自主和适应性航天系统的主要架构决策是什么？”）和RQ3（“自主和适应性航天系统的参考架构的主要组成部分是什么？”）。我们确定的架构决策（AD）及其定义理由如下所述。

图3提供了架构组件和连接方式的描述。该图直观地反映了

利益方关注点与参考架构的对齐

监控组件对地面操作员和任务操作员等利益方非常重要。它确保通过导航遥测和传感器实时收集数据。这一组件对于需要跟踪变化和配置以及管理安全模式和直接干预的地面操作员尤为重要。它解决了关于管理软件不确定性以及确保在故障存在时的可操作性的关注点C3、C5和C8，同时也解决了C1，即控制

验证

在本节中，我们报告了对参考架构的验证结果。我们旨在回答以下两个验证问题：

•

VQ1：专家们如何看待该参考架构在适用性、对自主性和适应性的支持、技术稳健性以及实际使用方面的表现？

我们在6.1节中回答了这一验证问题。

•

VQ2：如何在一个具体的运营环境中实现和评估自主和适应性系统的参考架构？

我们回答了

相关工作

我们调查了相关文献，以定义航天自主性的参考架构。本节通过将我们的工作与研究同一主题的次要研究进行比较来补充文献分析。我们使用了表1中提供的搜索字符串，并结合了（“系统综述” OR “文献综述” OR “系统映射” OR “映射研究” OR “系统图” OR 调查）等术语来定义合适的搜索字符串，以检索次要研究，正如Napole?o所建议的

有效性的威胁

这里提出的研究面临有效性威胁。接下来，我们将讨论与四种常见有效性威胁相关的有效性问题（Zhou等人，2016年）。

构建有效性。这种性质的威胁可能源于未能充分代表概念的指标，也可能在概念的表述中存在偏见（Sj?berg和Bergersen，2023年）。为了减少选择相关研究的威胁，我们使用了Scopus这一广泛认可的计算机科学资源。

结论和未来工作

本文提出了一种基于系统文献综述并通过专家访谈验证的自主和适应性航天系统的参考架构。该架构以MAPE-K循环为中心，整合了针对航天领域的核心设计决策，例如应用层推理与操作层执行之间的分离。

为了评估我们模型在具体环境中的适用性，我们在NIMBUS卫星上实现了该架构

CRediT作者贡献声明

弗朗切斯科·巴斯奇亚尼（Francesco Basciani）：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、可视化、验证、监督、软件、资源管理、项目管理、方法论、调查、形式分析、数据整理、概念化。卢西亚娜·雷贝洛（Luciana Rebelo）：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、可视化、验证、监督、软件、资源管理、项目管理、方法论、调查、形式分析、数据整理、概念化。帕特里齐奥·佩利奇奥内（Patrizio Pelliccione）：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。