空間目標態勢行為與事件本體設計與構建

盧萬杰，徐 青，藍朝楨，呂 亮

(戰略支援部隊信息工程大學地理空間信息學院，鄭州 450052)

0 引 言

太空已經成為世界各國爭相搶奪的戰略資源。在開發和利用太空的過程中，各種自然和人為的空間事件導致太空環境變得日趨復雜[1]。為維護我國空間利益，保證航天器的安全，需要加強對空間目標面臨威脅的分析，并指導空間目標規避威脅。通過威脅分析，如碰撞預警[1-3]，能夠對空間目標受威脅的程度進行評估，但無法對空間目標的下一步活動做出指導，實現對威脅因素的規避。同時，由于空間環境的動態性、不確定性和不可控性，需要采用知識推理的方法指導航天器完成新的任務[4]。為此，需要收集并分析各類空間事件的相關信息，對空間目標的行為和事件進行良好的知識建模、表示和推理[5]，并根據結果指導空間活動。本體作為對某一領域概念的一套規則的清晰的描述[6]，能夠以形式化的方式構建現實世界中的實體及其相互關系，并實現人機之間以及機器之間的交流。本體為空間目標的行為執行和事件分析提供決策知識基礎，不同國家和學者對此開展了廣泛的研究。

文獻[7]評估了態勢感知領域中的部分本體，分析了缺少的特性，促進了對態勢感知相關概念的理解；Rovetto等提出了應用于空間態勢感知領域的本體架構[8-10]，對空間目標態勢感知數據的共享和管理進行了深入而廣泛的研究[11-13]，并以歐洲空間態勢感知項目為例對本體的應用進行了說明[14]；文獻[15]基于本體構建了支持空間領域數據融合、使用和分享的系統。除了將本體應用于空間態勢感知領域的數據處理、集成、共享與管理等方面外，文獻[16]構建了基于本體的空間目標應用框架，以可計算的方式對空間目標的設計規范、組件能力、軌道參數等特征進行描述；文獻[17]使用機器學習和基于貝葉斯網絡的本體構建了識別空間目標行為的端到端方法，該方法中本體主要用于定義和獲取領域知識。

空間目標態勢領域的行為和事件通常發生在復雜的時空背景下，需要構建統一時空框架下的行為、事件及其關系的組織模型，然而上述相關研究主要集中于本體在空間目標數據的集成、管理、共享等方面，缺乏對空間目標行為執行、突發事件預警等領域的研究，并且沒有對空間目標在受到威脅后的進一步活動做出規劃和指導。為此，本文設計并構建了面向行為和事件的空間目標態勢本體模型。通過建立空間目標屬性、行為和事件之間的語義、空間和時間關系模型，將空間目標態勢的行為和事件描述為統一時空框架下具有內在聯系的連續執行的過程，實現統一時空框架下空間目標行為執行和事件發生過程的動態推演，并以空間目標碰撞預警事件為例對構建的本體模型進行了驗證。

1 空間目標事件與行為本體建模

本體被廣泛引用的定義是由Gruber[18]提出的“本體是概念模型的明確的規范說明”，其使用復雜和豐富的語義關系描述各種資源之間的聯系，并構建機器可理解的語義。鑒于空間目標態勢領域的時空特性和復雜性，為了能夠在統一時空環境下反映資源的動態變化過程，顧及空間目標態勢領域數據共享和本體集成，本文選取基本形式本體(Basic formal ontology，BFO)作為上位本體。

BFO[19]是一個服務于科學領域數據檢索、分析與集成的頂層本體，通過在同一框架內從三維和四維角度對事物進行劃分，得以表征出事物的靜態與動態、時間與空間特征，滿足空間目標態勢復雜的時空特性。基于BFO，本文對空間目標態勢的行為和事件的概念、關系等因素進行梳理和擴展，構建的面向行為和事件的空間目標態勢本體(Behavior-and-event-oriented space object situation ontology，BEO-SO2)可以描述為五元組：

MBEO-SO2=O,Re,T,S,Ru

(1)

式中：MBEO-SO2為BEO-SO2本體模型，O=Oe,Oc,Oa為各種對象類要素及其屬性的集合，Oe表示對象實體，包括空間目標、參與組織機構、其他目標等執行動作的主體和接受動作的客體，Oc表示Oe的行為和事件的集合，包括變化過程，Oa表示Oe和Oc的屬性集合。Re表示Oe在統一時空框架內執行行為與發生事件的過程中的關系集合，分為語義關系、空間關系和時間關系。T和S要素分別表示O和Re要素發生的時間與地點。其中，T分為時間段和時間點要素，S表示行為和事件執行的場所及環境，本文中指地球表面及向上延伸到太空的區域；Ru表示推理規則，包括行為執行和事件發生的條件、行為與事件相互影響的規則、行為執行和事件發生后各種要素的變化規則等內容。

1.1 BEO-SO2模型構建

通過對空間目標行為和事件的分析，本文獲取BEO-SO2模型需要具備的相關概念，并基于BFO等相關本體構建了BEO-SO2模型，如圖1所示。BEO-SO2模型中主要包括實體要素、屬性要素、行為要素、事件要素和時空要素，具體內容如下所述。

圖1 BEO-SO2模型UML圖

1) BEO-SO2實體要素

實體要素是BEO-SO2模型中與行為和事件有關的各種實體集合，分為物質對象實體集合和非物質對象實體集合。物質對象實體集合繼承自BFO中的物質實體，是空間目標態勢中各種行為和事件的主要參與者，包括空間目標(如衛星、空間碎片)、參與人員(如決策制定者)等；非物質實體集合繼承自BFO中的非物質實體，主要包括空間目標的狀態(如空間站運行狀態)、產生和獲取的各種數據(如導航信號)以及行為和事件發生時所處的空間環境。

2) BEO-SO2屬性要素

屬性要素描述各類空間目標及其行為和事件，提供對空間目標及其行為和事件的描述數據，可以分為兩類。第一類是實體要素的參數和功能屬性。其中，參數屬性用于描述目標的屬性信息，并進一步用于分析計算；功能屬性可以對目標能力進行識別。以人造地球衛星為例，當功能屬性為地球遙感成像時，可確定其具有對地觀測并獲取影像的能力；通過參數屬性，如識別信息、成像傳感器參數，可以獲取該人造地球衛星的名稱等信息，并利用成像傳感器參數計算對地觀測的應用效能，如對某地面目標成像的時間窗口信息。第二類是實體要素的行為和事件屬性，用于描述空間目標行為與事件的信息，如空間碎片對在軌運行衛星碰撞威脅的等級。

3) BEO-SO2行為要素

行為要素是指與空間目標任務有關的行為動作，包括空間目標行為、參與人員行為和其他目標行為。行為要素可以是單一行為，如衛星發動機點火，也可以是不同行為的組合，如衛星為到達預定軌道，需要執行太陽帆板展開、發動機點火、變軌、調姿等一系列動作。行為要素能夠指導空間目標執行復雜的動作，為各類空間目標執行任務提供語義和流程上的支持。

4) BEO-SO2事件要素

事件是實體要素發生變化的原因，由一系列行為動作組成，是實體要素沿時間軸執行的多個行為的集合。事件要素可以分為人為事件和自然事件。人為事件主要指由于事件參與者的指令而產生的事件，是事件要素的主要組成部分，也是BEO-SO2模型關注的重點，包括友好事件(如空間站救援)、中立事件(如氣象衛星觀測)和敵對事件(如信號干擾)。自然事件主要指由于空間環境或者目標自身原因而導致的事件，如太空的復雜電磁環境對衛星器件的損害、衛星壽命結束后的隕落。

5) BEO-SO2時空要素

時空要素繼承自BFO中的時空范圍，表示空間目標及其行為和事件所處的空間與時間范圍信息，主要包括目標時空范圍、行為時空范圍和事件時空范圍。時空要素具有空間三維坐標和時間屬性，如衛星在軌活動的時空范圍、碰撞事件發生的時空范圍。時空要素中的時間要素包括時間點和時間段，繼承自BFO中的時間范圍。例如，衛星發生碰撞的時刻是時間點，而衛星執行變軌行為的時間范圍是時間段。時空要素能夠對目標行為和事件發生的時間和地點做出明確的描述。

1.2 BEO-SO2關系模型構建

在BEO-SO2模型中，關系模型描述了實體、屬性、行為和事件之間的相互關系，具有至關重要的作用，主要包括語義關系、空間關系和時間關系。

1.2.1BEO-SO2語義關系

語義關系用于描述概念與概念、概念與實例以及實例與實例之間的關系。基于部分與整體關系的分類法[20]，結合空間目標態勢領域的概念與知識，BEO-SO2模型使用資源描述框架(Resource description framework，RDF)將語義關系描述為三元組結構<主語，謂語，賓語>，其中部分語義關系如表1所示。

表1 BEO-SO2模型中語義關系(部分)

1.2.2BEO-SO2空間關系

BEO-SO2模型中空間目標的空間關系包括三維空間下的拓撲關系、方向關系和距離關系，三種空間關系之間相互關聯又相互制約。

三維空間拓撲關系利用區域連接演算(Region connection calculus，RCC)中適用于任意維空間的RCC8模型進行描述[21]，包括相離、相切、部分相交、相等、正切真部分、非正切真部分、反正切真部分和反非正切真部分，如圖2所示。

圖2 BEO-SO2空間拓撲關系

三維空間方向關系使用較多的是3DR27模型，其基于東南西北方位構建出包括目標中心在內的27個方向[21]。然而，BEO-SO2目標實體位于太空中，不具備東南西北四個方向，因此使用上、下、左、右、前、后6個方位來表示空間目標之間的相對方向。由于空間目標之間的相對位置不包括中心方位，因此BEO-SO2模型中方向關系共包括26個方向區域，稱為BEO-SO2-3DR26方向模型。本文構建空間目標本體坐標系，并使用相對方位角和俯仰角對26個方向區域進行量化。以衛星和空間碎片為案例進行說明，如圖3所示。圖3中，空間目標本體坐標系以衛星的質心O為原點，Z軸為質心O與地心連線并且背離地心為正，由于衛星軌道存在橢圓，因此Y軸由衛星運動方向與Z軸根據右手定則得到，X軸由Z軸與Y軸根據右手定則得到。OD為衛星指向空間碎片的矢量在XOY面上的投影。方位角A定義為從X軸正方向起，依順時針方向與OD的夾角，范圍為0°～360°；俯仰角P定義為衛星指向空間碎片的矢量與XOY面的夾角，沿Z軸指向一側為正，另一側為負，范圍為-90°～90°。

圖3 空間目標間方位角與高度角定義

定義X軸正方向和反方向分別表示衛星的前和后方向，Y軸正方向和反方向分別表示衛星的右和左方向，Z軸正方向和反方向分別表示衛星的上和下方向，如圖4所示，則BEO-SO2-3DR26方向模型中26個方向區域使用方位角A和俯仰角P的量化定義如表2所示。其中，α=22.5°。

表2 BEO-SO2-3DR26模型方向定義

圖4 BEO-SO2空間方向關系

三維空間距離關系用于描述空間目標之間的距離，包括定量描述和定性描述兩種方式。定量描述指空間目標之間的歐氏距離，使用式(2)獲取；定性距離通過給定的閾值對歐式距離進行描述，可以根據式(3)的判定方法獲取。

(2)

式中：D表示目標A和目標B之間的距離， (xA,yA,zA)和(xB,yB,zB)分別是目標A和目標B在三維空間中的坐標。

(3)

式中：Dl是對D的定性描述，Ds，Dn和Dt分別是對距離D進行定性界定的距離數值。

1.2.3BEO-SO2時間關系

BEO-SO2時間關系可以為實體要素的行為和事件提供時間參考框架，并且根據時間尺度的不同，分為時間點和時間段。其中，時間點用于描述時間瞬間，如衛星發動機點火的時刻、空間目標碰撞的時刻等；時間段用于描述時間范圍，如衛星在軌運行的時間范圍、遙感衛星對某地區進行觀測的時間窗口。由于時間尺度不同，BEO-SO2模型中的時間關系可以分為時間點關系、時間段關系以及時間點與時間段關系。其中，時間點關系和時間段關系較為成熟[22]，可直接用于BEO-SO2模型中。而時間點與時間段的關系并不完善，無法直接用于對BEO-SO2模型中時間點與時間段關系的描述，因此對時間點與時間段關系進行補充，如所表3示。其中，時間段TI開始于時間點t1，結束于時間點t2。

表3 時間點與時間段關系

2 基于BEO-SO2模型的碰撞威脅本體構建

在軌衛星時刻受到各種外部威脅，例如國際標準時間2009年2月10日16時56分左右，美國IRIDIUM 33衛星和俄羅斯報廢的COSMOS 2251衛星發生的相撞事件就是典型的案例[23]。因此為保證人造地球衛星在軌正常運行，需要對來自其他空間目標的碰撞威脅進行評估，并在不同威脅等級下指導目標進行操作以保證安全。本文以空間目標碰撞事件預警為例，對BEO-SO2模型的應用進行說明。

2.1 對象實體等級定義

通過定義等級，在構建推理規則時能夠區分不同等級的事件，并驅動后續相應行為的執行。以在軌衛星和空間碎片為研究對象，使用衛星重量、空間碎片尺寸和目標間距離為基準來定義空間目標間的碰撞威脅等級。設定受到威脅的目標為主目標，施加威脅的目標為從目標，同時，參考基準暫不考慮速度、體積、材質等因素，相關因素可根據需求自主定義與添加。衛星重量m、空間碎片尺寸s、空間目標間距離d和碰撞威脅等級定義如表4所示，主目標等級、從目標等級、目標間距離等級和從目標對主目標碰撞威脅等級的對應關系如表5所示。

表5 對象等級與碰撞威脅等級關系

表4 BEO-SO2對象等級定義

2.2 行為與事件要素構建

空間目標需要遵循設定的流程，按照順序執行相應的行為動作來完成不同的事件。以空間目標碰撞預警為例，將空間目標的行為和事件細分為過程序列，根據不同情況組織動作和事件，對過程單元構建語義并進行編碼，如表6所示。

表6 BEO-SO2行為與事件語義關系

2.3 推理規則構建

通過基于規則的推理能夠針對不同的情況觸發對應的行為和事件。語義網規則語言(Semantic web rule language，SWRL)作為W3C的推薦標準，能夠以語義的方式呈現規則。基于網絡本體語言(Ontology web language，OWL)構建的本體結合SWRL即可實現本體基于規則的推理。使用SWRL構建的空間目標碰撞事件推理規則如表7所示。

表7 基于SWRL的推理規則

2.4 空間目標碰撞威脅本體實例

依據BEO-SO2模型，本文構建了基于BEO-SO2模型的空間目標碰撞威脅本體實例。如圖5所示為空間目標碰撞威脅本體部分實例和關系的展示。

3 仿真校驗與分析

BEO-SO2模型能夠對空間目標態勢中各種行為和事件之間的影響進行推理，提高用戶對空間目標行為和事件的認知能力。為測試BEO-SO2模型，本文構建了基于B/S模式的驗證平臺，利用基于Web語義化框架Apache Jena的接口集成了BEO-SO2本體文件，并使用地理空間三維制圖與虛擬地球平臺Cesium對測試結果進行可視化展示。

碰撞威脅等級推理的測試數據包括兩組：數據組合01為空間碎片CZ- 4B DEB和IRIDIUM 44衛星，數據組合02為COSMOS 2251衛星與IRIDIUM 33衛星，如表8所示。其中，本文所述時間如無特殊說明，均為國際標準時間。表8中時間范圍表示碰撞威脅計算的時間范圍，計算精度1000 ms表示每1000 ms計算一次空間目標位置。通過空間碎片的尺寸和衛星的重量獲取對應的等級。利用表4和表5中的等級關系，獲取人造地球衛星等級、空間碎片等級和時間變化下的距離等級，并通過BEO-SO2模型和表7中的規則，推理出不同時空背景下空間目標之間的威脅等級。

表8 測試數據

圖6所示為空間碎片CZ- 4B DEB對衛星IRIDIUM 44的碰撞威脅推理過程，其中人造地球衛星等級和空間碎片等級分別為M1和S3。圖6(a)和圖6(b)場景中威脅等級分別為C1和C3，可以看出在2019年8月21日18時29分38秒空間碎片CZ- 4B DEB對衛星IRIDIUM 44存在較大的碰撞威脅。

圖6 空間碎片CZ- 4B DEB對衛星IRIDIUM 44的威脅程度推理

圖7所示為衛星COSMOS 2251對IRIDIUM 33的碰撞威脅推理結果。其中，圖7(a)場景的時間為2009年2月10日16時55分52秒，此時，COSMOS 2251與IRIDIUM 33之間的距離等級為D2，小于100 km，COSMOS 2251對IRIDIUM 33的威脅等級為C2，已經構成了一定程度的威脅。圖7(b)中，在2009年2月10日16時55分59秒，COSMOS 2251與IRIDIUM 33之間的距離等級為D3，小于10 km，距離較近，威脅等級為C3，表明COSMOS 2251對IRIDIUM 33構成嚴重威脅，并在一段時間后發生碰撞，與實際碰撞事件較為吻合，表明了推理結果的正確性。

圖7 衛星COSMOS 2251對IRIDIUM 33的威脅程度推理

4 結論與展望

BEO-SO2模型能夠在統一時空框架下集成空間目標的屬性、行為和事件信息，基于該模型，相關領域和專業人員能夠實現空間目標行為與事件影響等級的智能分析。

然而BEO-SO2模型仍舊存在有待改進的方面。首先，BEO-SO2模型中包括的目標類別分類不夠精細，需要進行細分和擴充。其次，需要構建本體與數據庫的映射關系，為基于本體的推理提供更加豐富的數據。最后，BEO-SO2模型主要依靠人工進行構建，需要研究并借鑒本體自動與半自動構建方法來完善。除此之外，在BEO-SO2模型基礎上，擬結合知識圖譜技術，為用戶提供空間目標態勢語義知識，實現對航天活動的有力保障。