采访时间/地点：2025年5月17日 / 安徽寿县

采访人：薄震宇、王劲博

编辑：郭东昊

       当“嫦娥”探测器稳稳降落在月球虹湾，当“北斗”卫星精准地为我们导航，背后离不开一个强大而可靠的“大脑”——航天器操作系统。在月面着陆前最惊心动魄的“黑色750秒”里，地面遥控完全中断，一切只能依靠航天器自主决策。任何微秒级的失误，都可能导致整个任务功败垂成。这颗确保万无一失的太空“中国心”，名为SpaceOS，是我国首个拥有完全自主知识产权的嵌入式实时操作系统。

       它的背后，站着一位中国科大校友——97级校友乔磊。从科大扎实的数理基础，到航天五院的工程实践，他带领团队攻克无数技术难关，将SpaceOS成功应用于包括载人航天、探月工程在内的400多个航天器上。他的故事，是“理实交融”的生动写照，更是“为国铸剑”的航天精神的传承。

       2025年5月17日，我们有幸对乔磊研究员进行深度专访。他不仅揭秘了太空操作系统的硬核技术，更分享了从科大汲取的力量，以及对后辈学子的殷切期望。

【系统篇】

太空“中国心”：一句话读懂航天器操作系统

Q：

您的报告标题是关于航天器操作系统的研究与实践，可以用一句话概括其核心观点吗？

乔磊：

主要就是介绍我国航天器操作系统近年来的发展情况，包括它的研制历程、应用情况以及一些相关技术。我希望通过我在这方面的工作积累，能让同学们了解我国的航天器，特别是基础软件的研制、当前状态和应用情况，希望能给他们提供思考和启发，并且对这方面感兴趣，最后从事这方面的工作。

着陆前“黑色750秒”：SpaceOS如何上演生死时速？

Q：

您主持研发的SpaceOS应用在众多航天器中。能否结合具体案例，例如嫦娥探月，说明SpaceOS如何实现强实时、高可靠，并解决关键挑战？

乔磊：

SpaceOS是我国第一个拥有完全自主知识产权的嵌入式实时操作系统，从2000年左右第一代研发到现在已经是三代产品，在400多个航天器上应用，包括载人、探月和北斗等六大领域。

我可以举一个我亲身负责的嫦娥三号任务的例子。当时航天器有着陆器和巡视器，两器发射到月球，着陆后巡视器会从着陆器上分离，在月面走动。航天器在落月过程中，尤其是在距离月面约15公里的最后阶段，地面是无法控制的，我们称之为“黑色时间”。因为受到黑障影响，操作系统必须确保所有任务都实时完成，只要有稍许闪失，整个着陆器就会坠毁，任务失败。

在这个过程中，操作系统需要对许多任务进行确定性调度，在规定的时间（deadline）内完成核心任务的执行，一旦错过截止期，系统就会崩溃。我们的调度算法需要非常精准，当时要求在几十微秒的量级内完成任务调度。航天器需要不停拍照进行识别，判断这块地方能否着陆，如果不能，就要在极短的时间内完成计算并进行调整。我们需要精准调度，以确保最终安全着陆。

从O(n)到O(1)的跨越：破解“既要又要”的调度难题

Q：

您认为您的团队攻克了哪些技术难关，才让SpaceOS实现了如此高的性能？

乔磊：

你提的很好，就是强实时、高可靠。一个核心是确定性调度。在多种类型、有不同时间约束的混合任务同时存在时，要能保证它们全部在截止期内完成，这是一个混合调度问题。

第二个方面是我们的算法需要保证实时性和性能，时间复杂度要控制在O(1)量级，这与任务数量无关。此外，还有很多可靠性保证的策略，我们能够保证在这个过程中不出现故障，即使出现故障，也要能够纠错并解决故障，这是可靠性方面的要求。主要通过机制化设计来实现这些功能。

航天OS vs. 家用OS：当“不死机”成为一种信仰

Q：

如果用一句话概括航天操作系统和我们普通家用电脑操作系统的区别，您会怎么说？

乔磊：

最重要的一点是可靠性。因为它是安全关键系统，所以最重要的是实时性，我不仅需要保证可靠性，还需要快速完成任务，在时间规定范围内完成。这两个方面是与普通地面应用最大的区别。

【展望篇】

从单星智能到万物互联：未来太空属于“网络化”与“智能化”

Q：

您认为未来几年，航天器操作系统的研发需要重点关注哪些方向？

乔磊：

我认为主要有两个方面：网络化和智能化。网络化，是因为未来国家要实现星座联网，大量星座会发射上去，例如马斯克的星链，他们有几万颗卫星，我们国家也会发射大规模星座上天。这就需要联网，已经不是单星管理了。

智能化，是因为人工智能在地面应用越来越广，未来也是发展趋势。未来许多卫星在天上，不可能依靠地面的人再去控制它，发指令只能依靠它自主控制和运行，这需要提高它的智能化水平。它能根据不同场景和变化自主调整并制定运行方案。

当AI遇上形式化验证：为下一代航天软件注入“双重保险”

Q：

您提到下一代航天器操作系统需要解决时间确定性和多任务协同等难题，人工智能、形式化验证等新技术将如何赋能航天软件的升级？

乔磊：

刚才提到了网络化和智能化。网络化中如何提升协同工作能力是关键。未来我们组网后，可能有十几颗、几十颗甚至上千颗卫星同时观测一个目标，能力提升可能是几个数量级的。

智能化在这里面的体现也非常深刻，未来我们可能会引入人工智能算法，包括DeepSeek等，将其应用于我们的卫星上以提升智能化水平。

你提到的形式化技术也非常重要。可靠性是航天器的命脉。传统的测试方法有局限，因为测试用例有限，不能完全覆盖所有理论上的情况，可能会带来隐患。而形式化是从数学上证明程序的正确，可以从根本上解决可靠性和可行性问题。这些都是未来非常重要的方向，值得学弟学妹们如果感兴趣，就可以向这方面深入钻研。

【科大篇】

“五年制”的馈赠：科大数理基础如何“引爆”工程潜能？

Q：

您是科大97级校友，当时科大重视数理基础的氛围，对您日后的发展是否起到了积极作用？

乔磊：

我非常感激科大对我的培养。那时我们是5年制，基础课内容非常丰富，包括数学、物理、计算机等。虽然当时我们并不认为这些内容（有多重要），但是后来在工作中发现，尤其是在复杂的工作中，你会发现自己比别人有优势。因为你的基础更扎实，所以在处理复杂问题时思维会更缜密、更多元、更周全、更深入，这对解决复杂问题的帮助非常大。特别是那些时候打下的理论功底结合我在五院的工程实践，确实能迸发出很强大的能量，对我的研发工作有非常大的帮助，我的体会非常大。

“没有科大的训练，我想不到”：从数据结构到400颗星辰的算法传奇

Q：

能列举一个您认为受益匪浅的小故事吗？

乔磊：

当然。我在设计第二代操作系统时，主要负责思考调度算法，如何实施高可靠，如何达到强实时，如何保证O(1)量级的调度时间复杂度。这需要具备非常强的计算机数据结构算法基础，我们在科大这方面锻炼得非常到位和深入。当时顾乃杰老师教我们数据结构，对数据结构的训练要求非常严格。

为了达到O(1)量级，必须要时间空间的配合，像位图（bitmap）、哈希表（hash table）和多级链表等数据结构都要非常精准地操控和设计，这必须有很好的基础，否则很难实现。内存管理也是一样，当时我的设计涉及两级bitmap表和两级多级链表，数据结构非常复杂。如果不在科大，经过顾老师严格的训练和指导就很难想到这些，都是原始创新，别人没有做过的。我从07年到五院开始设计第二代O(1)复杂度调度算法和内存管理算法，我刚刚说的400多个航天器都仍然在使用这些算法，它们发挥了巨大作用。

【寄语篇】

从神舟五号到航天五院：一次“毫不犹豫”的选择

Q：

师兄，是什么样的契机让您最终选择了航天事业，并一直坚持至今？

乔磊：

我清醒地记得我当时为什么会到五院工作。我是07年博士毕业，03年在读博士期间，当时在实验室做研究时，杨利伟的神舟5号飞船——中国第一艘载人飞船——成功发射。看着中国人上天，我当时激动万分，想“我能要是从事这个事业多好”。我想，一定要从事这样的事业。

机会总是留给有准备的人。我从小就有探索宇宙的志向，小学六年级就让我父亲买望远镜观测彗星撞木星。刚好进入科大，那几年航天开始起步，杨利伟成功后我更坚定了这个想法。到了07年，戚发轫院士带领团队到科大招聘，我看到机会便去应聘，毫不犹豫。最后五院也把我招聘过去，就是这样一个契机。所以人和学弟学妹们都要有理想抱负，只要敢想，以后一定有机会。

“志、能、体”三位一体：未来航天人修炼手册

Q：

作为计算机系本科生，如果想投身航天事业，有什么可以做的或者应该注意的？

乔磊：

我认为有三点。第一，要立大志，有远大的志向，这是最基础的东西。我们需要立大志，为国家、民族和航天事业作出贡献，这样的志向是第一位的。

第二，要有真本领。仅仅有志向不够，还需要有实际行动，不断提升自己的能力，打好基础。

第三，要锻炼好身体，这非常重要。航天事业是艰苦的，需要通宵达旦、加班加点，身体作为保障很难坚持。正如毛主席所言，“文明其精神，野蛮其体魄”。把身体练好，这样才能“为祖国健康工作50年”，有健康的身体和充足的精力去工作。

最后的寄语：抬头看天，脚踏实地

Q：

最后，能否请您用一句话寄语科大的在校学子？

乔磊：

一方面要志存高远，锻炼身体，提高能力。另一方面，要牢记我们的校训“红专并进，理实交融”，这些都是我切身的体会。我们要树立为国家民族复兴的理想，把自己的能量奉献给国家建设和发展。简单说就是，理论结合实践，抬头看天，脚踏实地。只要这两方面做好，一定会取得非常好的成绩。我希望这些对他们有帮助。