李 斌，劉乘源，章宇兵，周 彬

(中國電子科學(xué)研究院,北京 100041)

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工程與應(yīng)用

天基信息港及其多源信息融合應(yīng)用

李 斌，劉乘源，章宇兵，周 彬

(中國電子科學(xué)研究院,北京 100041)

隨著天基信息系統(tǒng)的快速發(fā)展，如何提高在軌信息處理能力并開展天基信息應(yīng)用服務(wù)成為當前需求解決的重點問題。本文在分析了當前天基信息系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀和特點的基礎(chǔ)上，提出了一種具備高性能在軌信息處理能力的天基信息節(jié)點——天基信息港概念，及其基于高軌共位的模塊化衛(wèi)星組成的空間分布式系統(tǒng)的實現(xiàn)方案，闡述了天基信息港的系統(tǒng)組成、硬件架構(gòu)和軟件架構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上提出了一種基于天基信息港的多源信息融合應(yīng)用，創(chuàng)新天基信息應(yīng)用服務(wù)模式，滿足我國未來天基信息多樣化、高實時和綜合化應(yīng)用需求。

天基信息港；星上處理；多源信息融合；高軌共位；開放式分層軟件架構(gòu)；多層智能體

0 引 言

當前，航天技術(shù)發(fā)展迅猛，廣泛應(yīng)用在國家軍民信息建設(shè)中，天基信息系統(tǒng)是國家信息化建設(shè)的重要基礎(chǔ)性設(shè)施,它通過運行在外空間的星載資源實現(xiàn)信息的獲取、傳輸、處理及分發(fā)等功能，獲取全球范圍內(nèi)近實時的態(tài)勢感知情報。

空間信息化系統(tǒng)日益成為關(guān)注的焦點，以美國為首的軍事強國紛紛加快天基信息化裝備的研發(fā)與應(yīng)用進程，奪取空間信息優(yōu)勢。美國提出了“全球國防信息網(wǎng)”(GDIN)概念，及“一體化空間指揮控制”(ISC2)現(xiàn)代化計劃；意大利航天機構(gòu)受歐空局(ESA)委托進行通信系統(tǒng)(ESYS)和地球觀測系統(tǒng)(MDA)集成化的論證，俄羅斯提出“多功能衛(wèi)星通信和遠程地球監(jiān)視系統(tǒng)”(ROSTE-LESAT)計劃。

我國在天基信息系統(tǒng)領(lǐng)域也開展大量研究工作。文獻[1-2]關(guān)于我國天基綜合信息網(wǎng)的構(gòu)想，主要是不同軌道、種類、性能的飛行器及相應(yīng)地面設(shè)施和應(yīng)用系統(tǒng)組成，成員之間通過激光、微波鏈路互聯(lián)，共同構(gòu)成空天地一體化綜合信息網(wǎng)。該網(wǎng)絡(luò)具有智能化信息獲取、存儲、傳輸、處理、融合和分發(fā)能力，具備高度的自主運行和管理能力。文獻[3]提出在天基信息網(wǎng)絡(luò)中空間核心節(jié)點上采用軟件定義的多功能載荷平臺，并基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN) 架構(gòu)和空間容中斷網(wǎng)絡(luò)協(xié)議構(gòu)建天基信息網(wǎng)絡(luò)。文獻[4]針對天基信息系統(tǒng)資源與應(yīng)用服務(wù)的動態(tài)性特征，提出了一種適應(yīng)天基信息系統(tǒng)資源和應(yīng)用服務(wù)動態(tài)性特征的動態(tài)開放性應(yīng)用服務(wù)體系。

隨著天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)重大工程[5-6]的推進，有關(guān)天基信息系統(tǒng)建設(shè)的思路正在逐漸清晰，但是傳統(tǒng)的天基信息系統(tǒng)在軌信息處理能力較差，無法滿足高時敏、多任務(wù)協(xié)同等多樣性天基信息服務(wù)要求。

針對天基信息高實時、多樣化、體系化應(yīng)用需求，提出一種具備強大的信息處理和服務(wù)能力天基信息港。每一個天基信息港由同步軌道共位[7-8]的多顆模塊化衛(wèi)星組成，并通過星間鏈路連接，形成虛擬大衛(wèi)星，可為用戶提供高性能、高效能空間信息處理服務(wù)，具有極高的系統(tǒng)彈性和抗毀性，實現(xiàn)綜合感知、信息匯聚處理、高速分發(fā)、網(wǎng)絡(luò)管理、安全防護等多功能一體，是地面綜合數(shù)據(jù)中心的空間形態(tài)，將有效突破太空時空大尺度特性對信息時效性的約束，創(chuàng)新天基信息服務(wù)模式。

1 天基信息港

1.1 概念內(nèi)涵

天基信息港是一個全新的天基網(wǎng)絡(luò)節(jié)點概念，與傳統(tǒng)的衛(wèi)星在功能、設(shè)計思路和實現(xiàn)方式等方面截然不同：天基信息港由一簇在同步軌道上共位的模塊化衛(wèi)星組成，衛(wèi)星通過星間微波/激光鏈路相互連接，形成一個 “虛擬大衛(wèi)星”。天線孔徑方面，各衛(wèi)星天線可以獨立工作，也可根據(jù)需要稀疏組陣，提供更大的功率孔徑積(EIRP)；處理資源方面，通過“池化”技術(shù)，將各個衛(wèi)星內(nèi)部的計算、處理和存儲資源統(tǒng)一起來，形成空間上是分散的、邏輯上是統(tǒng)一的并行異構(gòu)計算處理平臺，通過軟件加載實現(xiàn)各類數(shù)據(jù)/信息的匯聚、處理、交換和分發(fā)等功能。

狹義上講，天基信息港是天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)中高軌節(jié)點的一種形態(tài)，但本質(zhì)上天基信息港是一種天地一體的、“信息+網(wǎng)絡(luò)”的復(fù)雜系統(tǒng)，匯集處理各種數(shù)據(jù)與信息，是天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)能力提升的關(guān)鍵，是天基信息實現(xiàn)體系化應(yīng)用的核心。廣義上講，天基信息港是未來天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)中天基骨干網(wǎng)的物理承載平臺，連接各種天基業(yè)務(wù)網(wǎng)的樞紐。是天基骨干信息網(wǎng)絡(luò)的綜合化、一體化能力復(fù)合的核心。在“天地雙骨干”的架構(gòu)下，通過高速的激光鏈路將不同軌位的信息港連接起來，構(gòu)成天基骨干網(wǎng)，并通過高速星地激光鏈路與地面信息港進行聯(lián)通，實現(xiàn)全球信息骨干互聯(lián)，為空、天、地，軍民各類用戶提供通用和定制化服務(wù)。

1.2 系統(tǒng)組成

天基信息港系統(tǒng)是未來天基信息網(wǎng)絡(luò)體系中的基礎(chǔ)設(shè)施，是天地雙骨干網(wǎng)絡(luò)的重要空間資產(chǎn)，天基信息港系統(tǒng)由同步軌道的多個天基信息港和地面配套設(shè)施組成，形成天地一體的覆蓋全球的高速骨干傳輸網(wǎng)絡(luò)。如圖1所示，天基信息港由高軌共位的五顆模塊化衛(wèi)星組成，每顆衛(wèi)星基礎(chǔ)配置相似，可根據(jù)功能業(yè)務(wù)進行載荷的定制化組配。信息港內(nèi)星間通過激光和微波混合鏈路進行高速互聯(lián)互通，具備分布式處理和分發(fā)能力。

天基信息港內(nèi)五顆模塊化衛(wèi)星通過采用傾角隔離和偏心率隔離策略，實現(xiàn)在同步軌道上0.1度軌位上(147 km)的穩(wěn)定部署，并采用雙環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓撲實現(xiàn)星間高可靠組網(wǎng)互聯(lián)。

圖1 天基信息港系統(tǒng)物理組成示意圖

天基信息港系統(tǒng)由五個不同軌位的信息港和地面配套設(shè)施組成，通過高速星間/星地激光鏈路實現(xiàn)星間和星地聯(lián)通，為空、天、地，軍民各類用戶提供通用和定制化服務(wù)。每個天基信息港的配置和港內(nèi)組成相似，同時針對我國上空的信息港進行功能增強配置，滿足波束全國覆蓋和大容量用戶接入等需求。

1.3 硬件架構(gòu)

天基信息港提供一種網(wǎng)絡(luò)化衛(wèi)星系統(tǒng)的解決方案，通過星間鏈路將信息港多顆高軌共位衛(wèi)星組建成一個綜合化、網(wǎng)絡(luò)化的空間信息節(jié)點。天線孔徑方面，各衛(wèi)星天線可以獨立工作，也可根據(jù)需要稀疏組陣，提供更大的功率孔徑積(EIRP)；處理資源方面，通過“池化”技術(shù)，將各個衛(wèi)星內(nèi)部的計算、處理和存儲資源統(tǒng)一起來，形成空間上是分散的、邏輯上是統(tǒng)一的并行計算處理能力[9-10]。

圖2 天基信息港單星硬件結(jié)構(gòu)

天基信息港單星硬件由載荷和平臺兩大部分組成，信息港的載荷硬件架構(gòu)為“傳感器+異構(gòu)/混合交換+綜合處理”組合的模塊化架構(gòu)，通過中間件技術(shù)將底層硬件資源虛擬化，實現(xiàn)功能與硬件的解耦。衛(wèi)星平臺是由保障系統(tǒng)組成，其主要包含：結(jié)構(gòu)與機構(gòu)、姿態(tài)與軌道控制、測控、熱控制、總體電路、數(shù)據(jù)管理、電源等分系統(tǒng)。載荷電子設(shè)備與平臺電子設(shè)備通過統(tǒng)一的RapidIO進行高速交換。

1.4 軟件架構(gòu)

天基信息港系統(tǒng)，遵循面向服務(wù)、按需分發(fā)、自主可控、可定制的原則，基于開放式體系結(jié)構(gòu)標準，采用分層架構(gòu)的理念[11]，搭建了包含基礎(chǔ)資源層、中間件層、應(yīng)用層的軟件架構(gòu)，如圖1-6??????所示。該架構(gòu)以數(shù)據(jù)為中心，通過硬件和軟件的解耦，時間和空間的解耦，提高系統(tǒng)的可擴展性，實現(xiàn)系統(tǒng)迭代演進；支持單點集成、即插即用和并行化處理，在硬件加固和防護的基礎(chǔ)上，提供基于軟件的容錯服務(wù)，為COTS器件在天基信息港中的應(yīng)用提供有效的、低成本的技術(shù)支撐。

圖3 天基信息港系統(tǒng)軟件架構(gòu)

應(yīng)用層，包含應(yīng)用任務(wù)、領(lǐng)域公共服務(wù)和領(lǐng)域公共組件三個層次。其中，應(yīng)用任務(wù)直接面向用戶，為完成特定領(lǐng)域的一項頂層功能，例如：空中目標監(jiān)視和多傳感器信息融合；將任務(wù)進行合適粒度的功能分解，把多個任務(wù)都會使用的軟件功能稱為領(lǐng)域公共服務(wù)，例如：空中目標監(jiān)視和多傳感器信息融合均要用到的航跡關(guān)聯(lián)算法；領(lǐng)域公共組件是最小的功能軟件單元，并且在多個領(lǐng)域公共服務(wù)中被調(diào)用，具有明確的接口定義，可相對獨立地完成一定的功能，例如：常用的FFT算法功能組件。應(yīng)用層采用微服務(wù)框架技術(shù)實現(xiàn)模塊化組件通用服務(wù)平臺，在此基礎(chǔ)上對天基業(yè)務(wù)的服務(wù)化切分，形成天基領(lǐng)域公共服務(wù)，并增加對服務(wù)的注冊、管控、治理來為天基應(yīng)用任務(wù)提供有力支撐，同時，還具有面向用戶的服務(wù)組合能力，即當天基業(yè)務(wù)需求發(fā)生變化使服務(wù)調(diào)用有所調(diào)整時，能夠支持用戶快速組合服務(wù)，形成新的業(yè)務(wù)流程。

中間件層作為承上啟下的過渡層，包括DDS通信中間件、資源虛擬化和通用基礎(chǔ)服務(wù)三層，三層間的接口遵循以數(shù)據(jù)為中心的DDS規(guī)范標準。通過結(jié)合各層任務(wù)特點，設(shè)計相應(yīng)主題，利用發(fā)布/訂閱技術(shù)，向領(lǐng)域公共組件層和整個應(yīng)用層提供對基礎(chǔ)資源層各類資源的訪問調(diào)用接口；對各類計算設(shè)備，中間件層通過對線程/任務(wù)、同步資源、內(nèi)存訪問、IO操作，以及以太網(wǎng)、共享內(nèi)存、光纖通信的封裝實現(xiàn)操作系統(tǒng)與通信協(xié)議級屏蔽，提供對硬件設(shè)備層的訪問接口。通過對基礎(chǔ)資源層中的計算、存儲和網(wǎng)絡(luò)資源進行虛擬化，實現(xiàn)基礎(chǔ)資源即服務(wù)(IaaS)，保證硬件資源的可用性和可擴展性，同時針對基礎(chǔ)資源的硬件進行軟件動態(tài)部署，包括基礎(chǔ)軟件和應(yīng)用軟件的自動化安裝設(shè)置、維護升級等，并為系統(tǒng)提供系統(tǒng)重構(gòu)、軟件容錯、數(shù)據(jù)管理、訂閱/發(fā)布等通用的基礎(chǔ)服務(wù)。

基礎(chǔ)資源層包括計算資源池、存儲資源池、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備以及核心、通用的基礎(chǔ)軟件，例如：操作系統(tǒng)、分布式文件系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫等。采用基于商用貨架產(chǎn)品(COTS)的通用信號處理設(shè)備、高性能處理器、高速數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)等作為基礎(chǔ)硬件資源，以信號處理、數(shù)據(jù)處理、信息處理和任務(wù)處理等功能應(yīng)用軟件作為技術(shù)應(yīng)用，通過軟件加載和重構(gòu)等方式實現(xiàn)系統(tǒng)功能重組和能力擴展。

系統(tǒng)管理貫穿整個架構(gòu)，通過構(gòu)建“系統(tǒng)管理中心”來實施5各方面的管理任務(wù)。任務(wù)管理負責整個系統(tǒng)的控制管理，它確定了系統(tǒng)的工作模式，給各分/子系統(tǒng)下發(fā)任務(wù)執(zhí)行指令，協(xié)同控制各種傳感器和基礎(chǔ)資源的工作，是天基網(wǎng)絡(luò)化計算平臺任務(wù)運行的核心。資源管理負責系統(tǒng)資源的統(tǒng)籌管理，它緊密配合任務(wù)管理，根據(jù)任務(wù)管理下發(fā)的指令，調(diào)度各類資源構(gòu)建功能線程，保證系統(tǒng)任務(wù)的順利執(zhí)行。健康管理負責收集整個系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測信息，并分析各設(shè)備上報的工作參數(shù)及狀態(tài)、功能軟件運行狀態(tài)等信息，檢查設(shè)備故障監(jiān)測點，定位故障設(shè)備，對故障進行上報、告警。服務(wù)管理主要完成對應(yīng)用服務(wù)生命周期的管理，一方面完成服務(wù)狀態(tài)監(jiān)控，即對所有服務(wù)的狀態(tài)進行監(jiān)控，核查其運行是否正常，另一方面完成故障服務(wù)遷移，即當某個服務(wù)發(fā)生故障，立即啟用故障服務(wù)遷移，完成該服務(wù)的重新注冊和部署。安全管理作為一項系統(tǒng)級管理單獨提出，是考慮到天基信息港的軍用背景和敏感信息傳輸需求，目前主要考慮從分布式環(huán)境構(gòu)造、數(shù)據(jù)安全存儲和數(shù)據(jù)安全傳輸三個方面對系統(tǒng)進行安全管理，采用訪問控制、認證、數(shù)據(jù)傳輸加密、虛擬化軟件隔離等安全管理措施。同時，后續(xù)逐步建立系統(tǒng)的軟件脆弱性(包括漏洞和安全保密性強度)跟蹤系統(tǒng)，及時更新安全補丁和彌補措施，進一步保證系統(tǒng)安全性。

2 基于天基信息港的多源信息融合應(yīng)用

2.1 天基多源信息融合技術(shù)

綜合利用多傳感器獲取感興趣目標多維感知信息，通過多源信息融合獲取綜合信息服務(wù)數(shù)據(jù)，提高信息獲取的時效性、可靠性和精確性，可滿足未來戰(zhàn)場信息支援、災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)、海上搜救等軍民多用戶需求。

天基多源信息融合技術(shù)是利用衛(wèi)星在軌處理能力，構(gòu)建一個面向任務(wù)需求的多源數(shù)據(jù)融合處理系統(tǒng)，它能夠充分利用多種傳感器所獲取數(shù)據(jù)中包含的目標特征信息，提高系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性，智能處理和信息融合擴展了天基信息服務(wù)的空間與時間覆蓋范圍，增加了天基網(wǎng)系統(tǒng)信息的利用率，提高了融合信息的可信度和精度，滿足多樣化航天應(yīng)用需求[12-15]。

2.2 基于天基信息港的多源信息融合技術(shù)

圖4 基于天基信息港的多源信息融合應(yīng)用

天基信息港是一個“天地一體”的信息系統(tǒng)，要求能與地面信息港協(xié)同聯(lián)通，相互映射、協(xié)同工作，將空間網(wǎng)、?；W(wǎng)、陸基網(wǎng)等異構(gòu)網(wǎng)立體集成，實施陸、海、空、天一體化一體化管理。以“模塊化”和“服務(wù)化”的面向服務(wù)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)(SOA)、微服務(wù)架構(gòu)為核心，形成面向天基業(yè)務(wù)的微服務(wù)框架技術(shù)，建立天基信息通用服務(wù)平臺，提供天基信息服務(wù)，滿足各類用戶的共性與個性化需求，在此基礎(chǔ)上，開展天基多源信息融合應(yīng)用，充分利用天基信息港的高性能、高效能在軌實時處理和分發(fā)能力，根據(jù)任務(wù)驅(qū)動，動態(tài)重構(gòu)算法模塊和按需選擇數(shù)據(jù)源，實現(xiàn)多源信息在軌融合，從而真正實現(xiàn)全空域、全時域信息共享和綜合利用，在災(zāi)害應(yīng)急、海上搜救、海上監(jiān)視、戰(zhàn)場偵察、監(jiān)視等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

針對天基信息港空間高性能計算能力和面向服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)體系，本文提出一種任務(wù)驅(qū)動的通用多源信息融合系統(tǒng)架構(gòu)，形成通用多源信息融合，可滿足多樣化、可靠性、高實時任務(wù)需求。該信息融合架構(gòu)以任務(wù)需求為輸入，采用多層智能體Agent算法模塊實現(xiàn)通用、高效設(shè)計，兼顧靈活性與高性能。系統(tǒng)架構(gòu)包括四層，任務(wù)規(guī)劃與資源調(diào)度層、數(shù)據(jù)獲取層、基礎(chǔ)算法層、高級應(yīng)用層。

面向多樣化任務(wù)需求，基于天基信息港的多源信息融合應(yīng)用具體實現(xiàn)流程如圖所示，其詳細流程如下：

任務(wù)規(guī)劃與資源調(diào)度：接收到任務(wù)后，基于天基信息港在軌處理資源進行任務(wù)規(guī)劃，地面人工參與任務(wù)分解，形成計算資源、傳感器資源和存儲資源調(diào)度策略，梳理形成面向任務(wù)的信息處理資源需求和算法重構(gòu)需求；

數(shù)據(jù)獲?。夯趥鞲衅髡{(diào)度策略篩選匹配的衛(wèi)星傳感器資源，包括SAR成像傳感器、紅外成像傳感器、可見光成像傳感器和高光譜成像傳感器等，基于適配傳感器獲取目標區(qū)域的觀測數(shù)據(jù)；

基礎(chǔ)算法處理：基于任務(wù)調(diào)度策略，從空域處理、頻域處理、特征提取、分類器、特征級融合、決策級融合等智能體Agent選擇合適的基礎(chǔ)處理算法，生成底層信息處理數(shù)據(jù)特征數(shù)據(jù)集；

高級應(yīng)用服務(wù)：基于針對特定傳感器圖像預(yù)處理、變化監(jiān)測、目標檢測、目標識別、目標定位、智能決策等高級智能體Agent，生成面向應(yīng)用的多源信息數(shù)據(jù)集，并通過多源信息融合生成應(yīng)用服務(wù)信息。

3 結(jié) 語

本文提出了一種基于多顆高軌共位衛(wèi)星組成的天基信息港，具有強大的信息處理能力，采用資源虛擬化技術(shù)和開放式軟件架構(gòu)實現(xiàn)面向多任務(wù)驅(qū)動的天基信息服務(wù)，并提出了一種基于天基信息港的多源信息融合技術(shù)，采用多層智能體Agent模塊滿足多任務(wù)對多源信息融合的不同應(yīng)用需求。天基信息港是一個全新的概念，與傳統(tǒng)的衛(wèi)星在功能、設(shè)計思路、實現(xiàn)途徑和應(yīng)用方式等諸多方面截然不同。天基信息港采用多功能綜合化設(shè)計和面向服務(wù)的開放式體系結(jié)構(gòu)，能針對各種航天用戶按需提供，打破了“一星一系統(tǒng)”的信息壁壘，實現(xiàn)了航天信息體系化應(yīng)用，如同手機的APP一樣，必將會有越來越多的應(yīng)用場合和新的服務(wù)模式出現(xiàn)。

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Space-based Information Port and its Multi-information Fusion Application

Li Bin, Liu Cheng-yuan, Zhang Yu-bing, Zhou Bin

(China Academy of Electronics and Information Technology,Beijing 100041)

With the rapid development of Space-based Information System, presently, to improve the on-the-track capability of information processing and to develop applications of Space-based Information System have become the key questions. Based on the analysis of the present development of Space-based Information System, this paper comes up with a new space-based information concept which is Space-based Information Port. It is a kind of space-based unit with high capability of on-the-track information processing. Combining with high track collocation modularized satellites, the implementation scheme of space distributing system is presented; the constitution of Space-based Information Port, the hardware architecture and software architecture have been introduced as well. Additionally, the application of Multi-information Fusion introduced in this paper crated a new pattern of space-based information processing. This application meets the space-based information variety requirements, the highly real-time and the totalization demands in the future.

Space-based Information Port; On-the-track information processing; Multi-information Fusion; Collocation; Open layered software architecture; Multilayer intelligent

10.3969/j.issn.1673-5692.2017.03.006

2017-04-01

2017-05-31

國家自然科學(xué)基金資助項目(91338201)

V19

A

1673-5692(2017)03-251-06

李 斌(1985—)，男，河北人、工程師，主要研究方向為航天綜合電子信息系統(tǒng)；

E-mail：libin04043182@163.com

劉成源(1984—)，男，重慶人、工程師，主要研究方向為航天綜合電子信息系統(tǒng)與綜合射頻；

章宇兵(1971—)，男，河南人、研究員，主要研究方向為航天綜合電子信息系統(tǒng)；

周 彬(1966—)，男，河南人、研究員，主要研究方向為航天綜合電子信息系統(tǒng)。