航天機動一體化綜合平臺框架及其關鍵技術研究

陳愛平 楊文潔 史亞東

（1.北京跟蹤與通信技術研究所，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

航天工程地面系統一般包括測控分系統、衛星運控分系統和應用分系統。測控分系統負責完成衛星平臺和載荷的工作狀態監視、軌道計算、衛星控制等任務；衛星運控分系統主要負責衛星載荷使用和任務規劃，生成每日衛星工作計劃和遙控指令碼；衛星應用分系統主要負責載荷有效數據的處理、分析，得到最終的科學數據、影像或情報信息等。根據我國航天系統發展歷程，這三個地面分系統往往分屬不同的部門或單位進行管理，造成地面資產重復建設、衛星利用效率低等問題。因此，將測控、運控和應用分系統一體化集成設計具有現實意義。

測運控及應用一體化設計包括地面站的一體化設計和中心的一體化設計。地面站的一體化設計，把傳統的測控地面站和運控地面站進行一體化設計，集成后的地面站具備衛星測控功能和遙感數據接收功能；中心的一體化設計把衛星控制中心、運控中心和衛星應用中心一體化設計，統一成任務中心，即將地面系統簡化為多個測運控地面站加任務中心的模式，大大縮小地面系統規模，優化流程，提高效率，節約成本。 固定測運控地面站和任務中心容易遭受打擊或損毀，為了確保衛星安全，有必要設計機動車載站，將測控、運控和應用三大分系統集成設計成機動車載方式。在需要時，機動站可快速部署至任務區域，發揮衛星控制、數據接收、數據處理等多種功能，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中心的備份，增加系統的可靠性。

地面系統一體化設計的關鍵是一體化綜合平臺的設計。本文對航天機動一體化綜合平臺的任務、存在的問題、框架及其實現的關鍵技術進行了分析。

2 航天機動一體化綜合平臺

2.1 任務

航天機動一體化綜合平臺是將天基信息從接收、處理、分發、服務等全過程統一到一個平臺，滿足天地互聯中航天信息互通、交換、應用需求，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，可將平臺主要任務分為五個方面：提供任務態勢信息、任務情報信息、任務支援航天信息產品，以及輔助任務部署與行動協調、輔助任務效果評估。

2.2 存在的問題

目前，航天信息綜合平臺的建設與應用存在自成體系、互相割裂，系統通用性、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節主要存在以下問題：

（1）缺乏統一、規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，優先級不同，缺乏統一的需求管理標準和規范。

（2）缺乏統一的航天任務管理與控制。航天信息獲取的是各種天基衛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，導致航天信息任務缺乏統一規劃，不能發揮各類傳感器的集成優勢。 （3）缺乏統一的航天信息智能化處理與分發機制。各種功能的天基信息系統基本呈“煙囪式”獨立發展現狀，各系統功能不同，信息類別差異較大，導致信息處理與分發相互獨立，航天信息智能處理與分發集成難，缺乏共享機制，造成航天信息孤島現象突出[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天基信息支援任務，以及任務效能的最大化，根據任務具體要求，構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、靈活地應用于各種任務行動中。

機動一體化綜合平臺框架主要由應用規模層、保障方式層、功能模塊層、關鍵技術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）應用規模層：是指一體化綜合平臺支援信息化聯合應用的層次，主要包括戰略、戰役和戰術層次。在三種任務規模層次，指揮中心利用天基信息支援力量獲取任務信息優勢，在未來戰場達到奪取信息優勢的戰略目標，提升任務作戰效能。

（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采取的保障方式，主要包括貼近用戶伴隨保障、區域定點輻射保障、分段接力跳躍保障、空中支援立體保障四種方式[3]。在未來信息化聯合戰場，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，在機動中尋找戰機。航天機動綜合保障系統要根據任務特點、用戶性質、裝備情況，對各種機動方式統籌規劃、科學安排、統一調度，進而確定機動部署、規定時間、區分空間、周密組織機動保障，有效發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。根據任務對天基信息支援的需求，分解航天機動保障的各個子功能，主要包括任務管控、預警探測、偵察監視、通信中繼、導航定位、環境監測等模塊。

通過對各個功能模塊內部和模塊之間的合理整合與任務規劃，充分發揮天基信息支援力量的局部和整體效能，應付各種類型、各種樣式的聯合作戰行動，實現航天信息一體化綜合平臺。

（4）關鍵技術層：是一體化綜合平臺功能實現的關鍵，主要包括任務規劃技術、信息接收技術、云服務技術、網絡增強技術、融合處理技術和智能分發技術。

（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星、衛星測運控系統、衛星應用裝備。各類型在軌衛星包括可見光衛星、高光譜衛星、紅外衛星、視頻衛星、SAR 衛星、電子偵察衛星等。衛星測運控系統是對各種類型的在軌衛星進行跟蹤、測量和控制的大型電子系統。衛星應用裝備包括衛星綜合應用裝備、通信衛星應用裝備、導航定位衛星應用裝備和信息獲取衛星應用裝備。

4 相關關鍵技術分析

為實現航天信息一體化綜合平臺，發揮天基信息對任務支援的最大作戰效能，需對相關關鍵技術進行研究分析。一體化綜合平臺實現的關鍵技術有任務規劃、信息接收、云服務、網絡增強、融合處理、智能分發，包括天基信息接收、獲取、處理與分發等一系列過程。

4.1 一體化任務規劃技術

天基信息系統包含的衛星種類多、軌道和載荷資源不一、應用多樣，如何針對不同的天基衛星任務進行合理調度和規劃是平臺的首要問題。另外，隨著任務規劃方法、規模和復雜程度的增加，不同任務需求間的矛盾日益突出，亟須研究適合任務特點的規劃方法。

一體化任務規劃技術針對用戶任務需求（預偵察目標類型、時間、地域等），結合各軍、民、商衛星平臺及其載荷的屬性、能力、約束等要素，進行用戶任務和衛星資源的優化協調，實現不同任務和各類衛星的優勢互補，最大程度提高對任務區域的覆蓋能力和持續偵察監視能力[4]。

一體化任務規劃流程如圖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。任務規劃問題是典型的組合優化問題，已被其他學者證明為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，輸出合理的規劃結果，縮短用戶時間，降低規劃失敗次數。

4.1.1 任務規劃模型

任務規劃模型是將任務規劃問題進行分解，構建規劃模型，將任務規劃問題轉換成數學上的函數問題。常用的任務規劃模型有約束滿足問題模型、圖論模型、多背包問題模型、整數線性規劃模型等，如圖3 所示。

圖2 一體化任務規劃流程

圖3 任務規劃模型

（1）約束滿足模型定義為一組狀態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）數學規劃模型一般是優化問題模型，優化問題分為離散的或是連續的，抑或是有約束的或無約束的，有約束的優化問題求解比無約束的優化問題難。

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

4.1.2 任務規劃求解

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

（1）貪心算法是一種強有力的算法設計方法，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解，但最后輸出的結果并不保證是全局最優解[7]。然而，通過調整貪心求解策略，對很多問題仍然可以通過貪心算法求得全局最優解。

（2）遺傳算法最早由美國密歇根大學的約翰·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制、交叉和變異生成新的個體，依照適者生存規則，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的個體。

圖4 任務規劃求解算法

4.2 一體化信息接收技術

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，如今的衛星通信，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。隨著天線技術的發展，一體化饋源成為目前衛星通信天線中的一個發展趨勢。

一體化信息接收技術的關鍵是天線的設計，為了使天線具有較高的增益和效率，同時減小天線系統尺寸，提高天線結構的緊湊性，一體化饋源的方向要具有良好的旋轉對稱性特征、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、介質加載喇叭、同軸波導喇叭等及其混合形式[9]。多波段饋源結構如圖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，以實現收/發信號的隔離，減小同軸波導長度。在收發頻段，采用正交耦合器饋電，電磁信號經過圓極化器來實現圓極化信號的收/發，并通過介質桿實現旋轉對稱的輻射特性。

圖5 多波段饋源結構

4.3 一體化融合處理技術

天基衛星包含可見光、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律、輻射成像規律不同，生成產品的地理基準也不相同；多類型平臺會產生多種情報產品信息，航天機動一體化綜合平臺需要快速融合多源信息，滿足任務對天基信息支援能力的需求。一體化融合處理技術包括不同衛星圖像自動配準技術和多源信息快速融合處理技術。

4.3.1 不同衛星圖像自動配準

衛星圖像配準作為衛星圖像應用的關鍵步驟，配準結果將直接影響信息利用的價值。衛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]。衛星圖像自動匹配步驟如圖6 所示。

圖6 衛星圖像自動匹配步驟

衛星圖像自動匹配方法的關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。

（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，如旋轉與平移操作，但該方法的使用必須滿足圖像間的線性關系，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，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，不同區域對空間細節信息與光譜特征的要求不同。針對這種區域的不同需求，目前的信息融合技術大都難以實現準確、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處理、影像融合、影像評價與影像應用，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的關鍵是影像融合方法，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處理，保證各影像的質量達到最佳狀態，然后進行后續的融合過程。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 一體化智能分發技術

天基信息支援能力在平時與應急時期的信息傳輸、網絡負載、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、特定區域、特定內容的信息。這種不平衡會導致航天機動保障系統效率低、穩定性差、服務針對性弱。

一體化智能分發技術是在特定任務環境下，根據任務需求，將相關天基信息資源遷移到集群中心，供特定應急用戶訪問。另外通過熱點信息主動推到網絡邊緣，分散綜合數據庫的負擔，以提高網絡性能，并根據用戶特點及需求，動態、主動、自適應地提供個性化分發服務。一體化智能分發技術步驟如圖10 所示。

圖10 一體化智能分發步驟

一體化智能分發技術的核心是“信息到用戶”的過程，本質特點是“以用戶為中心”的服務模式，實現“人找信息”向“信息找人”過程的轉變，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，關鍵是服務組合方法。

服務組合技術是將多個服務組合在一起完成系統中復雜的任務處理功能，常用的服務組合技術分類如圖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 服務組合技術分類

4.5 其他技術

4.5.1 云服務技術

構建基于云服務的航天機動信息保障系統服務中心，提供基礎設施服務、平臺服務、數據服務、信息服務、軟件服務，以及面向瀏覽器、桌面和移動／嵌入式設備的應用支撐包[13]。主要包括以下兩種關鍵技術：

（1）面向服務的平臺框架技術 ：基于SOA架構理念，將一系列離散和可重用業務作為服務進行協調，實現業務功能的靈活集成和拆卸，構建起松耦合和高內聚的綜合信息服務系統[14]。

（2）面向高并發處理的微服務技術：借鑒工作流引擎和應用服務容器思路，采用微服務架構進行共享資源服務需求分解，并依據服務能力重組編排資源服務，協同調度各個資源的服務功能，實現服務的橫向可伸縮、負載均衡及高可用功能。

4.5.2 機器視覺技術

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。隨著技術的進一步發展，大量的識別算法被提出，支持向量機是目前應用較為廣泛的分類方法，深度學習模型的訓練方法逐漸成為研究熱點。

5 結論

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，提出平臺框架主要由應用規模層、保障方式層、功能模塊層、關鍵技術層和支援要素層組成；分析了平臺搭建的關鍵技術，包括一體化任務規劃技術、一體化信息接收技術、一體化融合處理技術、一體化智能分發技術和其他技術，實現航天信息任務規劃、信息接收、融合處理、智能分發等各環節鏈路的一體化。