美國“擴展空間傳感器體系結構”研發及應用分析

郭麗紅 鄒衛平 沈達正 （北京跟蹤與通信技術研究所）

美國“擴展空間傳感器體系結構”研發及應用分析

Development and Applications of U.S. Extended Space Sensors Architecture

郭麗紅 鄒衛平 沈達正 （北京跟蹤與通信技術研究所）

用于空間監視的傳感器水平十分重要，因其決定著所獲取空間態勢感知數據的多少。空間態勢感知數據的傳輸與共享技術在空間作戰中也同樣扮演著重要角色，受限時也會導致數據無法充分利用。由于空間資產在國家安全中的重要性日益提升，美國對空間態勢感知越來越重視。為了保護美國的空間資產免于自然災害和人為干擾的影響，美國已經建立了全球最為完善的空間監視網（SSN），對太空中所有人造物體（包括空間碎片）及其行為進行監視，并在運載火箭發射、載人航天和在軌運行航天器碰撞預警與規避中發揮重要作用。美軍空間控制理念的提出，使得空間態勢感知有了更加重要的戰略意義。隨著美國空間監視網傳感器不斷向更高水平發展，所獲取的空間態勢感知數據也在不斷增加。但是，發展至2005年前后，美軍意識到，由于各種原因，空間態勢感知數據在相關團體間的傳輸與共享存在一定的問題，導致數據得不到充分利用，無法更好地服務于空間作戰。為此，美國開展了“擴展空間傳感器體系結構”（ESSA）計劃，演示驗證一種信息技術體系結構，對空間監視網中數據的傳輸與共享體系結構進行改進，從而充分發揮傳感器數據的效用，實現空間監視網不同系統的信息和服務在空間團體間共享，并最終促進作戰指揮官快速掌握空間態勢，實現快速決策。

1 基本情況

研發背景

美軍確定開展ESSA計劃有其歷史原因。由于美國空間監視網建設較早，至2005年，美國傳感器陣列的信息技術體系結構仍大部分基于20世紀80年代的技術，空間監視網產生的數據大部分是通過點到點、hub、spoke路由傳輸，傳輸帶寬非常有限，還不及家庭撥號上網業務的帶寬。在太空中人造物體數量很少、僅用于跟蹤和編目少量衛星的時代，該體系結構運行良好，足以適應空間監視數據的傳輸和共享。

發展至21世紀，空間環境持續惡化，空間碎片數量增加到數萬個。為了應對這種狀況，加強對空間的監視，美國開發和部署了由雷達和光學傳感器組成的先進傳感器陣列，用于探測、跟蹤、編目和評估衛星及空間碎片的狀態。但是，用于分發和集成這些傳感器數據的技術相對滯后，原有的空間態勢感知數據在相關團體間傳輸與共享的體系結構限制了傳統空間團體之外的用戶接入，以及空間團體之內各種任務區域的接入，導致數據得不到充分利用。此外，這種網絡體系結構阻止了空間信息在其他領域的應用，也妨礙了新能力的開發和部署，不僅使信息的接入和分發困難，還增加了在現有的、有時專用系統中集成數據和處理的難度。

因此，在研發和部署新的空間監視傳感器的同時，美軍需要對傳感器網絡中數據的傳輸與共享體系結構進行改進，從而充分發揮傳感器數據的效用。由此，美國開展了ESSA計劃，該計劃是美國國防部2006財年先進概念技術演示（ACTD）項目之一，于2010年完成。

ESSA計劃概貌

ESSA計劃由林肯實驗室負責，是林肯實驗室2007－2010年間在空間控制領域的主要研究項目。與該實驗室所進行的設備級研發項目不同，這是一項系統級研發項目。在該計劃框架下，林肯實驗室開發了ESSA，并對其進行了演示驗證。

ESSA是一個面向服務的網絡結構，作為一個信息技術體系結構，可實現空間態勢感知數據的接入和分發，從而可使空間團體共享來自空間監視網不同系統的信息和服務。

2007－2008年，林肯實驗室向聯合空間作戰中心（JSpOC）移交了第一套ESSA，該系統能夠為操作者提供來自林肯實驗室“海斯塔克”附屬雷達的實時圖像。

2009年，林肯實驗室已經向聯合空間作戰中心提供了多次ESSA演示驗證。

2010年，ESSA先進概念技術演示驗證收尾，此次演示成功驗證了航天和導彈防御傳感器的實時聯網。在正式的軍事效用評估的基礎上，ESSA轉化成為隨后進行的項目，對網絡中心的體系結構做進一步擴展。

截至2011年，基于ESSA，美軍已經可以在保密IP路由協議網（SIPRNet）上為軍隊用戶提供衛星的實時雷達圖像。

基于ESSA，空間監視傳感器可以實現網絡中心化。在此基礎上，林肯實驗室還將研發信息開發引擎，從數據庫和傳感器提取信息。借助信息開發引擎，操作者將可以訪問多種實時信息，從而達成快速響應性的決策。2011年及以后，林肯實驗室在空間控制任務領域的工作重點之一是：從大型傳感器研發轉向信息提取、整合和決策支持，整合盡可能廣泛的數據，并為用戶提供產品訂閱流程自動化服務。

體系結構

ESSA是一個網絡中心化試驗平臺，是多項已驗證技術[包括傳感器“跨斗”（s e n s o r sidecar）、基于網絡的技術如可擴展標記語言（XML）或網絡服務描述語言（WSDL）、網絡中心化服務]的綜合集成。

基于ESSA，林肯實驗室在一個網絡中心環境中集成多種傳感器/平臺（如，空間監視網、導彈防御、情報等），以支持多個任務領域去發現和使用數據。每個傳感器將輸出的數據（即觀測數據、空間目標識別數據、圖像）傳輸到附屬的“跨斗”，并發布到網絡，供所有的傳感器、指揮控制節點和聯合空間作戰中心共享。

空間態勢感知網絡依托全球信息柵格中的保密IP路由協議網作為通信骨干網構建，系統內集成了“跨斗”和網絡中心企業服務（NCES）軟件。該軟件由國防信息系統局（DISA）開發，在ESSA中的作用是提供公共的核心服務。借助其提供的核心服務，可以實現數據和服務共享。通過傳感器“跨斗”，實現專用、兼用和可用傳感器聯網；通過數據“跨斗”，實現數據庫的數據接入；通過網絡中心企業服務軟件提供的數據和服務共享，充分發揮空間態勢感知數據的效用。

在硬件上，該網絡由傳感器節點（各型傳感器及其附屬的“跨斗”）、數據存儲節點（各種數據庫及其附屬的“跨斗”）、融合節點（提供融合和控制應用、可視化和分發）和指揮控制節點構成，這些節點通過通信骨干網連接到一個網絡中。網絡可以提供的服務分為兩類：空間態勢感知服務（觀測數據，目標識別，目標成像，軌道變化預警，狀態變化預警，運動變化預警，碰撞預警，目標分類與身份確認，任務規劃）；核心服務（登記、發現、安全、協同）。其中，核心服務是基礎，為空間態勢感知服務和數據共享提供環境，承載數據和服務共享。

美軍網絡中心戰定義了3個域：物理域、信息域和認知域。物理域由連接起來的系統和分享數據的通信網組成；信息域是“信息產生、使用和分享的區域”；認知域是“在參與者的腦中……其結果是做出的決策”。

在空間態勢感知領域，與此所對應的3個域分別體現為：物理域由空間態勢感知傳感器、鏈路和網絡組成；信息域包括“跨斗”、融合算法、分析工具；認知域為聯合空間作戰中心操作員的專業知識。

基于ESSA構建的空間態勢感知網絡框圖中體現了物理域和信息域。

基于ESSA，可將不同類型的傳感器與平臺集成到網絡中心環境中，促進空間態勢感知任務對數據的共享與利用，實現數據挖掘與數據融合的自動化，將空間態勢感知數據整合進單一合成太空圖（SISP），支持對空間事件的快速反應。

ESSA的實質是信息系統整合方案，基于面向服務的體系架構（SOA），依托國防部信息基礎設施，利用“跨斗”將各種傳感器、系統以及數據庫連接到一起，利用信息基礎設施上部署的網絡中心企業服務軟件，為各類傳感器及系統的數據和服務提供登記、發布/訂閱、信息安全保障等服務，從而實現這些數據和服務的共享。傳感器及系統需借助“跨斗”向網絡提交標準化的數據和服務以保障其共享，而其雷達和光學傳感器則分別遵從開放式雷達體系結構和林肯光學體系結構，以達成設備的標準化和通用性。

2 關鍵技術及組件

面向服務的體系架構

ESSA利用面向服務的體系架構提供數據的接入和分發，并演示在支持空間任務中使用面向服務的體系架構。在該體系架構中，通過核心服務，數據和服務提供者在一個公共的在線登記處“登記”其產品，需要數據或處理服務的用戶可以進行網絡搜索，以發現合適的數據和服務。通過訪問參考站點，用戶可以獲取如何自動請求信息或處理服務的全部程序，以及對返回對象的準確描述。因此，用戶可以配置他們的系統來接入和使用這些信息或處理服務。在提供者和使用者之間的這種松散耦合，以及登記以引起注意和發現的性能，極大地便利了新增值的數據和服務集成到面向服務的體系架構。

借助ESSA，所有專用領域的服務都可以得到利用，但前提是部署公共的核心服務，從而構成一個可以互操作的面向服務的體系架構。在核心服務中，“發布和訂閱”（pub-sub）信息服務非常有價值，通過這種機制，既可以向諸多“頻道”之一發布所有的新信息，也可以由用戶根據情況自行預訂。出于國防部的信息安全考慮，所有這些交互必須是保密的，因此，還必須提供安全保密服務，對用戶名、密碼、安全策略等進行管理，加強網絡互操作的安全性。國防信息系統局已經發起了網絡中心企業服務計劃，在國防部信息基礎設施上部署網絡中心企業服務，為國防部提供發布和訂閱、保密，以及數據、服務和用戶登記等公共核心服務。

在ESSA面向服務的體系架構中，林肯實驗室已經為位于美國本土和馬歇爾島的3部運作中的空間監視網雷達配備了“跨斗”，還額外部署了3套“跨斗”，分別位于新墨西哥的光學站、科羅拉多的空間資產地面站以及國防部位于夏威夷的雷達。夏威夷的系統被包括在演示交叉任務資產互操作能力的項目中。來自上述任一傳感器的新數據經“跨斗”發布到網絡中心企業服務信息頻道。事后，數據由這些“跨斗”歸檔，并可以供用戶檢索。

林肯實驗室已經開發了2套處理設施，1套位于空間防御作戰中心，用于發布高級別的空間態勢感知信息，如：衛星發射、毀壞、機動和軌道要素組信息；另1套位于馬薩諸塞州的列克星敦空間態勢感知中心（LSSAC），該中心開辦了許多服務，供面向服務的體系架構中的客戶使用：衛星狀態，衛星檢視，威脅評估，交會預測（衛星密切接近），以及改變偵查信息。所有的頻道和服務都通過網絡中心企業服務軟件保密加以保護。

關鍵組件傳感器“跨斗”

傳感器“跨斗”在ESSA中的作用是實時處理傳感器獲取的數據，并發布到空間態勢感知網絡，供所有的節點共享。傳感器“跨斗”好像是傳感器的助手，支持高級軟件功能開發和演示驗證，在不妨礙已驗證的傳感器處理器和軟件操作的前提下，實時處理傳感器數據。

ESSA“跨斗”和網絡中心方法源自導彈防御局（MDA）的“赫拉克勒斯”（Hercules）計劃。2007年，林肯實驗室為“宙斯盾”彈道導彈防御（BMD）巡洋艦上的AN/SPY-1雷達開發了傳感器“跨斗”，測試“宙斯盾”block 08彈道導彈防御能力的識別算法和體系結構。傳感器“跨斗”集成到承包商的AN/SPY－1雷達上，并在“宙斯盾”彈道導彈防御巡洋艦上安裝，在2007年6月的一次“宙斯盾”彈道導彈防御攔截試驗中使用。

在此基礎上，多方合作開發了用于空間監視網的傳感器“跨斗”，其典型代表是網絡中心傳感器和數據源（N-CSDS）地基光電深空監視（GEODSS）“跨斗”。按照計劃，應該已在2012年部署到地基光電深空監視站點。

網絡中心傳感器和數據源地基光電深空監視“跨斗”在每個站點具有標準的硬件和商用現貨（COTS）配置，系統管理采用自由開源軟件Red Hat Queue（RHQ）處理，因此部署成本較低。“跨斗”提供的系統管理功能包括配置管理、監視、系統操作和預警，實時處理傳感器數據，并通過發布/訂閱機制共享數據。

相關體系結構

此前，林肯實驗室已經為傳感器建立了統一的傳感器體系結構，并為雷達和光學監視系統開發了各自的體系結構，分別是開放式雷達體系結構（ROSA）和林肯實驗室光學體系結構（OPAL）。

（1）開放式雷達體系結構

該體系結構源自夸賈林靶場雷達現代化改造，利用開放系統（OS）模型，采用分布式系統體系結構，基于商用現貨產品，把雷達的處理和控制功能分成若干個相對獨立、松散耦合的模塊和分系統，這些模塊和分系統通過標準的接口連接，構成完整的處理和控制體系結構。這種體系結構增強了系統的可維護性、通用性和資源的高效利用。

（2）林肯實驗室光學體系結構

該體系結構是一個通用的、適用于多種光學傳感器的體系結構，為空間監視傳感器提供任務規劃和數據處理能力，已經部署于多種光學監視系統，包括新研發部署的“空間監視望遠鏡”（SST）和空軍“天基空間監視系統”（SBSS）的地面站。

3 未來可能的應用分析

促進美軍空間能力轉型的重要項目之一

美軍的空間能力包括多種空間資產，向用戶提供很多數據。從用戶的角度看，用戶需要迅速、隨時隨地訪問高質量信息，并分享知識。當前美軍在向用戶提供這種能力方面存在缺陷。

為了應對這些挑戰，需要新的、相對成熟的技術，以及能夠加速采辦進程的演示驗證項目。具有空間影響的聯合能力技術演示驗證（JCTD）項目包括：ESSA，戰術衛星－2（TacSat－2），“太空互聯網路由”（IRIS），“作戰響應空間”（ORS）。在這些技術的支持下，美軍的空間能力將得到整體提升，用戶獲取信息和共享知識的能力也將得到較大改善。

其中，ESSA展示了一種前所未有的能力，向空間團體或其他國防部用戶傳遞空間態勢感知信息的實際能力。它將空間監視網絡與導彈防御傳感器更好地集成在一起，為作戰指揮官提供快速決策所需的基礎能力。它也將對美國國防部未來用于支持作戰面向服務的體系架構的網絡基礎設施、核心業務和原則、程序等主題具有啟發作用。

林肯實驗室認為，ESSA是推動美國空間態勢感知進入到網絡中心化領域并加強相關能力建設的重要工具。美軍通過ESSA方案技術演示，集成了不同任務領域的技術，特別是將空間監視網與導彈防御的傳感器更好地集成在一起，從而為克服作戰指揮官的“空間態勢感知缺陷”，進而實現快速決策提供了基礎。

服務于2020年快速響應空間態勢感知

為了達成規劃中的2020年快速響應空間態勢感知，實施部署ESSA是其中的一個重要組成部分，是空間態勢感知指揮控制向快速響應轉型的重要步驟。

依據美國空軍戰爭學院戰略與技術中心2007年提出的2020年前美國空間態勢感知能力建設設想，要達成2020年的快速響應網絡中心性，空間態勢感知網絡的首要工作是確保物理域的成功。

物理域包括：聯合太空作戰中心是主要的空間指揮和控制節點，其職員必須將空間態勢感知數據整合進單一合成太空圖（SISP）。美國空軍航天司令部（AFSPC）必須與所有的兼用和可用傳感器簽訂協議，使其能夠接受任務分配。其次，眾多專用、兼用和可用傳感器（空間監視網、導彈防御局、情報界、民用、商用等）必須裝配“跨斗”并連接進網絡；同時，地面站點和關鍵的指揮控制節點必須連接進網絡。網絡向傳感器分配任務，傳感器通過“跨斗”將數據發布到網絡，網絡通過一個多級的安全使能體系結構向所有用戶分發數據。

第二步是創建信息域。網絡中心性確保所有的節點能夠平等訪問數據。該域由眾多的數據存儲設備、數據挖掘和多級數據融合任務組成，以履行改變探測、交叉關聯事件、構建空間物體文件夾、歸檔歷史數據職能。網絡必須使用各種決策支持算法以最適宜的方式表達數據，避免操作員數據過載。此外，必須建立離線的數據倉庫，歸檔歷史數據，并用于試驗新的融合和決策支持工具。

最后，認知域的職能是履行兩種完全不同的操作模式：例行操作模式和自主模式。例行操作模式包括每天的日常操作以維持編目，并確保所有的事情都按部就班地進行。兼用和可用傳感器將進行日常編目維護，并將測量數據與歷史數據比較，據此調整探測。環境監測（EM）傳感器將為異常分解過程提供關于天氣事件的實時狀態數據。同時，專用和情報體系（IC）傳感器則用來收集數據，以跟蹤并表征高度感興趣的物體。聯合空間作戰中心的操作員保持對網絡的認識，把任務按優先順序排列，為數據收集做出任務規劃，并使用決策支持算法來分析態勢，并對例行事件做出響應。

當網絡探測到事件異常，它將自動接管并切換到自主模式。接受任務指派的兼用和可用傳感器將繼續維護編目。期間，網絡自主進行近期傳感器數據的多級融合和歷史數據比較，提醒專用和IC傳感器去獲取更多的信息，并重復迭代此過程，直至獲得對此次事件或異常最準確的描述。當出現這種反復迭代程序，相關物體文件夾的滾動更新的狀態信息和相關的數據傳送到聯合空間作戰中心、相關的地面站以及指揮控制節點。目標是自主獲取和融合所必須的數據，以及時了解狀態信息，并采取防御或響應動作。自主模式將獲取必須的空間態勢感知數據，而操作員將保留駁回或加強網絡操作的權利，直至事件或異常獲得解決。

從以上建設和操作流程中不難發現，建立網絡中心的物理域和信息域都離不開ESSA，利用面向服務的體系架構和“跨斗”，可以實現數據和服務的共享、數據的歸檔，并進而利用各種算法自動進行數據的挖掘和融合，支持例行和自動操作，使得對空間態勢進行快速響應成為可能。

在國際合作中的潛在應用

美國當前正在加強空間態勢感知數據共享國際合作，這可能促進該體系結構的廣泛應用。

2011年，美國發表《美國國家安全空間戰略》，呼吁增加與其他國家在空間態勢感知方面的合作，以預防災難、防止誤判和不信任。2012年上半年，美國先后與日本和加拿大就共享空間態勢感知數據展開合作。至2016年9月，美國政府已經與10余個國家、2個國際組織和50多個商業航天公司簽訂了空間態勢感知數據共享協議。其中，美國與澳大利亞簽訂協議，將其雷達和光學設備部署在澳大利亞，兩國將根據各自優先級共享必要的空間態勢感知數據。

美國與澳大利亞、日本、加拿大及其他國家之間的空間態勢數據共享，不知是否會采用這種松散耦合的體系結構來實現。分析認為，ESSA采用的松散耦合體系結構比較適合幾個國家間的數據共享的狀況，因此有可能被采用。但是，ESSA的一個重要組成部分——傳感器“跨斗”，可能會具有較高的技術保密等級，不一定會被共享。從這個角度看，直接共享原始數據的可能性更高。當然，也不排除其被共享的可能性。

4 結束語

ESSA利用面向服務的體系架構，借助其按需服務、動態組合和自主運行的特性，通過“跨斗”實現多種傳感器的聯網和一體化，借助網絡中心企業服務實現數據和服務的實時共享，這種結構便于實現成熟組件的按需重用和“即插即用”，也便于利用商用/政府現貨進行升級，提高軟件的開發效率和系統的多任務支持能力。在這樣的系統中，可以根據業務的需要靈活調整業務應用程序，以適應不斷變化的環境?；诰W絡中心、模塊化和可擴展理念構建的體系結構，更好地提高了數據共享的時效性，為實時決策提供了支持。歐洲航天局（ESA）也選擇基于面向服務的體系架構構建歐洲空間態勢感知系統，因此，這一趨勢值得我們關注。

林肯實驗室開發ESSA整合資源再次提醒我們頂層設計的重要性和整合數據資源的重要性。網絡中心企業服務軟件和“跨斗”都是既有產品，各個傳感器、系統的數據及服務也都是現成的，通過良好的頂層設計，利用統一的架構及規范，以及強制實施力，可以有效地將相關數據與服務資源整合，發揮更大的效用。而由標準硬件和商用現貨配置的模塊化“跨斗”設計，非常便于整合已有資源，傳感器和數據庫只需加裝“跨斗”，即可接入體系。

總之，為便于跨國、跨部門的信息與服務共享，美國以已有探測設備（傳感器節點）為基礎，以規范服務（空間態勢感知服務項目）為目標，以服務端接口標準化（“跨斗”）為抓手，形成了一種訪問集中控制的分布式數據管理、處理與服務系統體系結構。該體系結構便于快速集成已有資源，便于參與各方分頭組織實施，是一種比較簡便易行的信息資源整合方案，值得我們借鑒。當然，要實施這樣一種方案，必須得到相關參與方管理層面的大力支持。因此，如何在管理層面形成有效的協同機制也值得我們深思。

陸征/本文編輯