陳愛平 楊文潔 史亞東

（1.北京跟蹤與通信技術(shù)研究所，北京 100094；2.中國電子科技集團公司第二十七研究所，河南 鄭州 450000）

1 引言

航天工程地面系統(tǒng)一般包括測控分系統(tǒng)、衛(wèi)星運控分系統(tǒng)和應(yīng)用分系統(tǒng)。測控分系統(tǒng)負責完成衛(wèi)星平臺和載荷的工作狀態(tài)監(jiān)視、軌道計算、衛(wèi)星控制等任務(wù)；衛(wèi)星運控分系統(tǒng)主要負責衛(wèi)星載荷使用和任務(wù)規(guī)劃，生成每日衛(wèi)星工作計劃和遙控指令碼；衛(wèi)星應(yīng)用分系統(tǒng)主要負責載荷有效數(shù)據(jù)的處理、分析，得到最終的科學(xué)數(shù)據(jù)、影像或情報信息等。根據(jù)我國航天系統(tǒng)發(fā)展歷程，這三個地面分系統(tǒng)往往分屬不同的部門或單位進行管理，造成地面資產(chǎn)重復(fù)建設(shè)、衛(wèi)星利用效率低等問題。因此，將測控、運控和應(yīng)用分系統(tǒng)一體化集成設(shè)計具有現(xiàn)實意義。

測運控及應(yīng)用一體化設(shè)計包括地面站的一體化設(shè)計和中心的一體化設(shè)計。地面站的一體化設(shè)計，把傳統(tǒng)的測控地面站和運控地面站進行一體化設(shè)計，集成后的地面站具備衛(wèi)星測控功能和遙感數(shù)據(jù)接收功能；中心的一體化設(shè)計把衛(wèi)星控制中心、運控中心和衛(wèi)星應(yīng)用中心一體化設(shè)計，統(tǒng)一成任務(wù)中心，即將地面系統(tǒng)簡化為多個測運控地面站加任務(wù)中心的模式，大大縮小地面系統(tǒng)規(guī)模，優(yōu)化流程，提高效率，節(jié)約成本。 固定測運控地面站和任務(wù)中心容易遭受打擊或損毀，為了確保衛(wèi)星安全，有必要設(shè)計機動車載站，將測控、運控和應(yīng)用三大分系統(tǒng)集成設(shè)計成機動車載方式。在需要時，機動站可快速部署至任務(wù)區(qū)域，發(fā)揮衛(wèi)星控制、數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)處理等多種功能，具備較強的機動生存能力；同時車載站平時可以作為固定測運控地面站和任務(wù)中心的備份，增加系統(tǒng)的可靠性。

地面系統(tǒng)一體化設(shè)計的關(guān)鍵是一體化綜合平臺的設(shè)計。本文對航天機動一體化綜合平臺的任務(wù)、存在的問題、框架及其實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)進行了分析。

2 航天機動一體化綜合平臺

2.1 任務(wù)

航天機動一體化綜合平臺是將天基信息從接收、處理、分發(fā)、服務(wù)等全過程統(tǒng)一到一個平臺，滿足天地互聯(lián)中航天信息互通、交換、應(yīng)用需求，及航天機動綜合保障信息化、高效化、智能化需求。在信息化條件下，可將平臺主要任務(wù)分為五個方面：提供任務(wù)態(tài)勢信息、任務(wù)情報信息、任務(wù)支援航天信息產(chǎn)品，以及輔助任務(wù)部署與行動協(xié)調(diào)、輔助任務(wù)效果評估。

2.2 存在的問題

目前，航天信息綜合平臺的建設(shè)與應(yīng)用存在自成體系、互相割裂，系統(tǒng)通用性、互操作性不強，難以共享、效率低下等問題[1]，而在航天信息綜合保障環(huán)節(jié)主要存在以下問題：

（1）缺乏統(tǒng)一、規(guī)范的航天信息需求管理。航天信息的需求來源于不同部門，需求類型各異，優(yōu)先級不同，缺乏統(tǒng)一的需求管理標準和規(guī)范。

（2）缺乏統(tǒng)一的航天任務(wù)管理與控制。航天信息獲取的是各種天基衛(wèi)星傳感器拍攝的影像，這些傳感器按照手段種類不同分屬不同部門管理，導(dǎo)致航天信息任務(wù)缺乏統(tǒng)一規(guī)劃，不能發(fā)揮各類傳感器的集成優(yōu)勢。 （3）缺乏統(tǒng)一的航天信息智能化處理與分發(fā)機制。各種功能的天基信息系統(tǒng)基本呈“煙囪式”獨立發(fā)展現(xiàn)狀，各系統(tǒng)功能不同，信息類別差異較大，導(dǎo)致信息處理與分發(fā)相互獨立，航天信息智能處理與分發(fā)集成難，缺乏共享機制，造成航天信息孤島現(xiàn)象突出[2]。

3 機動一體化綜合平臺框架

航天機動一體化綜合平臺是為了實現(xiàn)天基信息支援任務(wù)，以及任務(wù)效能的最大化，根據(jù)任務(wù)具體要求，構(gòu)建高效履行天基信息支援使命的航天機動保障裝備的核心框架，改變航天信息平臺條塊分割、功能單一的局面，將航天信息快速、準確、高效、靈活地應(yīng)用于各種任務(wù)行動中。

機動一體化綜合平臺框架主要由應(yīng)用規(guī)模層、保障方式層、功能模塊層、關(guān)鍵技術(shù)層和支援要素層組成（如圖1 所示）。

圖1 一體化綜合平臺框架

（1）應(yīng)用規(guī)模層：是指一體化綜合平臺支援信息化聯(lián)合應(yīng)用的層次，主要包括戰(zhàn)略、戰(zhàn)役和戰(zhàn)術(shù)層次。在三種任務(wù)規(guī)模層次，指揮中心利用天基信息支援力量獲取任務(wù)信息優(yōu)勢，在未來戰(zhàn)場達到奪取信息優(yōu)勢的戰(zhàn)略目標，提升任務(wù)作戰(zhàn)效能。

（2）保障方式層：是指一體化綜合平臺利用天基信息支援任務(wù)采取的保障方式，主要包括貼近用戶伴隨保障、區(qū)域定點輻射保障、分段接力跳躍保障、空中支援立體保障四種方式[3]。在未來信息化聯(lián)合戰(zhàn)場，既要遠距離、大縱深實施綜合機動，又要避免敵軍高精尖武器打擊，在機動中尋找戰(zhàn)機。航天機動綜合保障系統(tǒng)要根據(jù)任務(wù)特點、用戶性質(zhì)、裝備情況，對各種機動方式統(tǒng)籌規(guī)劃、科學(xué)安排、統(tǒng)一調(diào)度，進而確定機動部署、規(guī)定時間、區(qū)分空間、周密組織機動保障，有效發(fā)揮各種機動方式的作用。

（3）功能模塊層：是一體化綜合平臺的核心。根據(jù)任務(wù)對天基信息支援的需求，分解航天機動保障的各個子功能，主要包括任務(wù)管控、預(yù)警探測、偵察監(jiān)視、通信中繼、導(dǎo)航定位、環(huán)境監(jiān)測等模塊。

通過對各個功能模塊內(nèi)部和模塊之間的合理整合與任務(wù)規(guī)劃，充分發(fā)揮天基信息支援力量的局部和整體效能，應(yīng)付各種類型、各種樣式的聯(lián)合作戰(zhàn)行動，實現(xiàn)航天信息一體化綜合平臺。

（4）關(guān)鍵技術(shù)層：是一體化綜合平臺功能實現(xiàn)的關(guān)鍵，主要包括任務(wù)規(guī)劃技術(shù)、信息接收技術(shù)、云服務(wù)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)增強技術(shù)、融合處理技術(shù)和智能分發(fā)技術(shù)。

（5）支援要素層：是一體化綜合平臺的基本單元，主要包括各類型在軌衛(wèi)星、衛(wèi)星測運控系統(tǒng)、衛(wèi)星應(yīng)用裝備。各類型在軌衛(wèi)星包括可見光衛(wèi)星、高光譜衛(wèi)星、紅外衛(wèi)星、視頻衛(wèi)星、SAR 衛(wèi)星、電子偵察衛(wèi)星等。衛(wèi)星測運控系統(tǒng)是對各種類型的在軌衛(wèi)星進行跟蹤、測量和控制的大型電子系統(tǒng)。衛(wèi)星應(yīng)用裝備包括衛(wèi)星綜合應(yīng)用裝備、通信衛(wèi)星應(yīng)用裝備、導(dǎo)航定位衛(wèi)星應(yīng)用裝備和信息獲取衛(wèi)星應(yīng)用裝備。

4 相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)分析

為實現(xiàn)航天信息一體化綜合平臺，發(fā)揮天基信息對任務(wù)支援的最大作戰(zhàn)效能，需對相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)進行研究分析。一體化綜合平臺實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)有任務(wù)規(guī)劃、信息接收、云服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)增強、融合處理、智能分發(fā)，包括天基信息接收、獲取、處理與分發(fā)等一系列過程。

4.1 一體化任務(wù)規(guī)劃技術(shù)

天基信息系統(tǒng)包含的衛(wèi)星種類多、軌道和載荷資源不一、應(yīng)用多樣，如何針對不同的天基衛(wèi)星任務(wù)進行合理調(diào)度和規(guī)劃是平臺的首要問題。另外，隨著任務(wù)規(guī)劃方法、規(guī)模和復(fù)雜程度的增加，不同任務(wù)需求間的矛盾日益突出，亟須研究適合任務(wù)特點的規(guī)劃方法。

一體化任務(wù)規(guī)劃技術(shù)針對用戶任務(wù)需求（預(yù)偵察目標類型、時間、地域等），結(jié)合各軍、民、商衛(wèi)星平臺及其載荷的屬性、能力、約束等要素，進行用戶任務(wù)和衛(wèi)星資源的優(yōu)化協(xié)調(diào)，實現(xiàn)不同任務(wù)和各類衛(wèi)星的優(yōu)勢互補，最大程度提高對任務(wù)區(qū)域的覆蓋能力和持續(xù)偵察監(jiān)視能力[4]。

一體化任務(wù)規(guī)劃流程如圖2 所示，主要包括問題分析階段、模型建立階段和問題求解階段。任務(wù)規(guī)劃問題是典型的組合優(yōu)化問題，已被其他學(xué)者證明為NP（non-deterministic polynomial）完全問題，故求解難度較大[5]。通過選擇合適的求解算法，輸出合理的規(guī)劃結(jié)果，縮短用戶時間，降低規(guī)劃失敗次數(shù)。

4.1.1 任務(wù)規(guī)劃模型

任務(wù)規(guī)劃模型是將任務(wù)規(guī)劃問題進行分解，構(gòu)建規(guī)劃模型，將任務(wù)規(guī)劃問題轉(zhuǎn)換成數(shù)學(xué)上的函數(shù)問題。常用的任務(wù)規(guī)劃模型有約束滿足問題模型、圖論模型、多背包問題模型、整數(shù)線性規(guī)劃模型等，如圖3 所示。

圖2 一體化任務(wù)規(guī)劃流程

圖3 任務(wù)規(guī)劃模型

（1）約束滿足模型定義為一組狀態(tài)必須滿足于若干約束或限制的對象，表示的是問題中的實體、有限數(shù)量、同類型的約束加之于變量之上，這類模型通過約束滿足方法解決。

（2）數(shù)學(xué)規(guī)劃模型一般是優(yōu)化問題模型，優(yōu)化問題分為離散的或是連續(xù)的，抑或是有約束的或無約束的，有約束的優(yōu)化問題求解比無約束的優(yōu)化問題難。

（3）通用問題模型應(yīng)用較多的是當前比較成熟的應(yīng)用模型，包括圖論相關(guān)模型、背包模型、MAS 模型、指派問題模型等。

4.1.2 任務(wù)規(guī)劃求解

近年來，已有多種規(guī)劃算法應(yīng)用于航天機動保障系統(tǒng)任務(wù)規(guī)劃領(lǐng)域，從結(jié)果來看，可分為精確算法和近似算法（不完全算法）兩類。任務(wù)規(guī)劃求解算法如圖4 所示。下面主要介紹一些常用任務(wù)規(guī)劃求解算法。

（1）貪心算法是一種強有力的算法設(shè)計方法，以當前情況作為基點，即在求解過程中的每一步做出當下最佳選擇[6]。貪心算法每一次選擇的都是局部最優(yōu)解，但最后輸出的結(jié)果并不保證是全局最優(yōu)解[7]。然而，通過調(diào)整貪心求解策略，對很多問題仍然可以通過貪心算法求得全局最優(yōu)解。

（2）遺傳算法最早由美國密歇根大學(xué)的約翰·霍蘭德（John Holland）教授于1975 年提出[8]。其基本思想是從一組解的初值開始搜索，這組解稱為一個種群。種群由一定數(shù)量、通過基因編碼的個體組成，其中每一個個體稱為一條染色體。不同個體通過染色體的復(fù)制、交叉和變異生成新的個體，依照適者生存規(guī)則，個體也在一代代進化，通過若干代進化后最終得出條件最優(yōu)的個體。

圖4 任務(wù)規(guī)劃求解算法

4.2 一體化信息接收技術(shù)

航天信息一體化機動綜合平臺需要具有多頻段天線接收技術(shù)，如今的衛(wèi)星通信，低旁瓣、低交叉極化和大頻率比的多頻段性能已成為一種基本要求。以前的研究多是通過多波段組合換饋方式進行多頻段統(tǒng)一接收，但換饋方式的可操作性、可維修性及可靠性存在較大問題。隨著天線技術(shù)的發(fā)展，一體化饋源成為目前衛(wèi)星通信天線中的一個發(fā)展趨勢。

一體化信息接收技術(shù)的關(guān)鍵是天線的設(shè)計，為了使天線具有較高的增益和效率，同時減小天線系統(tǒng)尺寸，提高天線結(jié)構(gòu)的緊湊性，一體化饋源的方向要具有良好的旋轉(zhuǎn)對稱性特征、等化特征以及低交叉極化特征，各個工作頻段具有較高的隔離特性。滿足上述條件的一體化饋源喇叭主要包括多模喇叭、波紋喇叭、介質(zhì)加載喇叭、同軸波導(dǎo)喇叭等及其混合形式[9]。多波段饋源結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

從圖5 可以看出，喇叭天線采用正交模耦合器來實現(xiàn)多頻段饋電天線的饋電。在接收頻段，采用一對等幅反相的縱向矩形槽饋電；在發(fā)射頻段，采用一對等幅反相的同軸探針進行饋電。同時在兩對饋電對之間增加金屬隔離柱，以實現(xiàn)收/發(fā)信號的隔離，減小同軸波導(dǎo)長度。在收發(fā)頻段，采用正交耦合器饋電，電磁信號經(jīng)過圓極化器來實現(xiàn)圓極化信號的收/發(fā)，并通過介質(zhì)桿實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)對稱的輻射特性。

圖5 多波段饋源結(jié)構(gòu)

4.3 一體化融合處理技術(shù)

天基衛(wèi)星包含可見光、紅外、高光譜、SAR、視頻等多種傳感器，不同平臺和傳感器的幾何成像規(guī)律、輻射成像規(guī)律不同，生成產(chǎn)品的地理基準也不相同；多類型平臺會產(chǎn)生多種情報產(chǎn)品信息，航天機動一體化綜合平臺需要快速融合多源信息，滿足任務(wù)對天基信息支援能力的需求。一體化融合處理技術(shù)包括不同衛(wèi)星圖像自動配準技術(shù)和多源信息快速融合處理技術(shù)。

4.3.1 不同衛(wèi)星圖像自動配準

衛(wèi)星圖像配準作為衛(wèi)星圖像應(yīng)用的關(guān)鍵步驟，配準結(jié)果將直接影響信息利用的價值。衛(wèi)星圖像自動化配準工作主要分為圖像粗配準與圖像精細配準[10]。衛(wèi)星圖像自動匹配步驟如圖6 所示。

圖6 衛(wèi)星圖像自動匹配步驟

衛(wèi)星圖像自動匹配方法的關(guān)鍵是配準方法的選取，常用的配準方法有基于灰度信息的配準方法、基于變換域信息的配準方法和基于圖像特征的配準方法。

（1）基于灰度信息的配準方法出現(xiàn)較早，主要原理是用灰度信息衡量圖像間的相似度。這是一種基于整體的方法，因為要用圖像的灰度信息求解變換參數(shù)。

（2）基于變換域信息的配準方法有基于傅里葉變換的方法、基于小波變換的方法等。其中，基于傅里葉變換的方法用的是傅里葉位移原理，比基于灰度的配準方法更精確可靠。該方法對圖像的變換具有較好的不變性，如旋轉(zhuǎn)與平移操作，但該方法的使用必須滿足圖像間的線性關(guān)系，且對噪聲比較敏感，計算量大，效率較低，只適用于變化不大的低噪遙感圖像的配準。

（3）基于圖像特征的配準方法將局部特征作為配準基礎(chǔ)，在圖像中選擇明顯、易于衡量相似度的像素點，這些像素點可以是特征點，也可以是物體的邊緣線，如河流、道路等，利用獲得的像素值進行變換參數(shù)的求解。基于特征配準方法的步驟如圖7 所示。

圖7 基于圖像特征的配準方法步驟

4.3.2 多源信息快速融合處理

對于多源影像信息，不同區(qū)域?qū)臻g細節(jié)信息與光譜特征的要求不同。針對這種區(qū)域的不同需求，目前的信息融合技術(shù)大都難以實現(xiàn)準確、及時、高效的影像融合[11]。多源影像信息融合主要分為影像預(yù)處理、影像融合、影像評價與影像應(yīng)用，融合流程如圖8 所示。

圖8 多源影像信息融合流程

多源影像信息融合技術(shù)的關(guān)鍵是影像融合方法，融合一般選取分辨率較高的全色影像及分辨率較低的多光譜影像。二者融合時，首先對影像進行降噪等預(yù)處理，保證各影像的質(zhì)量達到最佳狀態(tài)，然后進行后續(xù)的融合過程。像素級融合方法具體分類如圖9 所示。

圖9 像素級融合方法

4.4 一體化智能分發(fā)技術(shù)

天基信息支援能力在平時與應(yīng)急時期的信息傳輸、網(wǎng)絡(luò)負載、信息提供等方面，存在信息需求不平衡。用戶并不需要全局的天基信息資源，只需要特定時間、特定區(qū)域、特定內(nèi)容的信息。這種不平衡會導(dǎo)致航天機動保障系統(tǒng)效率低、穩(wěn)定性差、服務(wù)針對性弱。

一體化智能分發(fā)技術(shù)是在特定任務(wù)環(huán)境下，根據(jù)任務(wù)需求，將相關(guān)天基信息資源遷移到集群中心，供特定應(yīng)急用戶訪問。另外通過熱點信息主動推到網(wǎng)絡(luò)邊緣，分散綜合數(shù)據(jù)庫的負擔，以提高網(wǎng)絡(luò)性能，并根據(jù)用戶特點及需求，動態(tài)、主動、自適應(yīng)地提供個性化分發(fā)服務(wù)。一體化智能分發(fā)技術(shù)步驟如圖10 所示。

圖10 一體化智能分發(fā)步驟

一體化智能分發(fā)技術(shù)的核心是“信息到用戶”的過程，本質(zhì)特點是“以用戶為中心”的服務(wù)模式，實現(xiàn)“人找信息”向“信息找人”過程的轉(zhuǎn)變，即用戶的決策過程由計算機智能來完成，常用方法是決策理論，關(guān)鍵是服務(wù)組合方法。

服務(wù)組合技術(shù)是將多個服務(wù)組合在一起完成系統(tǒng)中復(fù)雜的任務(wù)處理功能，常用的服務(wù)組合技術(shù)分類如圖11 所示，包括基于工作流的方法、基于圖論的方法和基于人工智能的方法三種[12]。

圖11 服務(wù)組合技術(shù)分類

4.5 其他技術(shù)

4.5.1 云服務(wù)技術(shù)

構(gòu)建基于云服務(wù)的航天機動信息保障系統(tǒng)服務(wù)中心，提供基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)、平臺服務(wù)、數(shù)據(jù)服務(wù)、信息服務(wù)、軟件服務(wù)，以及面向瀏覽器、桌面和移動／嵌入式設(shè)備的應(yīng)用支撐包[13]。主要包括以下兩種關(guān)鍵技術(shù)：

（1）面向服務(wù)的平臺框架技術(shù) ：基于SOA架構(gòu)理念，將一系列離散和可重用業(yè)務(wù)作為服務(wù)進行協(xié)調(diào)，實現(xiàn)業(yè)務(wù)功能的靈活集成和拆卸，構(gòu)建起松耦合和高內(nèi)聚的綜合信息服務(wù)系統(tǒng)[14]。

（2）面向高并發(fā)處理的微服務(wù)技術(shù)：借鑒工作流引擎和應(yīng)用服務(wù)容器思路，采用微服務(wù)架構(gòu)進行共享資源服務(wù)需求分解，并依據(jù)服務(wù)能力重組編排資源服務(wù)，協(xié)同調(diào)度各個資源的服務(wù)功能，實現(xiàn)服務(wù)的橫向可伸縮、負載均衡及高可用功能。

4.5.2 機器視覺技術(shù)

機器視覺是利用攝像機和電腦替代人眼對目標進行識別、跟蹤和分類，并進一步做圖像處理，使計算機像人一樣觀察世界，建立從圖像中獲取信息的人工智能系統(tǒng)。隨著技術(shù)的進一步發(fā)展，大量的識別算法被提出，支持向量機是目前應(yīng)用較為廣泛的分類方法，深度學(xué)習(xí)模型的訓(xùn)練方法逐漸成為研究熱點。

5 結(jié)論

本文分析了航天機動一體化機動綜合平臺的特點、原則和任務(wù)，提出平臺框架主要由應(yīng)用規(guī)模層、保障方式層、功能模塊層、關(guān)鍵技術(shù)層和支援要素層組成；分析了平臺搭建的關(guān)鍵技術(shù)，包括一體化任務(wù)規(guī)劃技術(shù)、一體化信息接收技術(shù)、一體化融合處理技術(shù)、一體化智能分發(fā)技術(shù)和其他技術(shù)，實現(xiàn)航天信息任務(wù)規(guī)劃、信息接收、融合處理、智能分發(fā)等各環(huán)節(jié)鏈路的一體化。