基于微服務的天基信息支援戰術終端應用服務架構

田原 仇林遙 吳彥峰 潘一凡 陸洲

摘要：針對天基信息支援作戰應用由戰役級向戰術級的發展方向，對美國現有天基信息支援戰術應用能力現狀進行簡要介紹與分析，面向天基信息支援戰術終端應用服務的功能彈性化和定制化的發展趨勢，提出了一種基于微服務的終端彈性可重構應用服務架構與輕量化增量資源封裝與加載應用流程，實現面向不同任務、不同平臺的終端應用功能重構及個性化精準定制。

關鍵詞：天基信息支援；戰術應用；美軍發展趨勢；彈性定制；微服務

中圖分類號：TP79文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2021）16-64-5

0引言

在未來局部戰爭中，依托信息化裝備的小規模戰術行動作用越來越凸顯，戰術行動的數據保障與服務保障至關重要[1-2]。這類戰術行動作戰單元相對前置，對戰場環境透明化感知、目標精準識別、目標持續跟蹤、目標行為趨勢、目標指示等需求高，天基信息具有大范圍、高精度等特點，是保障戰術行動的重要內容[3]。同時，由于攜帶裝備能力限制，戰場環境復雜多變、通信條件不穩定，為保證不依托網絡支援獨立使用的最低要求，需要簡單實用、直接有效的天基信息應用終端。在各類戰術信息應用終端，根據作戰任務、保障條件和戰術需要，靈活裝載基礎數據和應用軟件，實現天基資源應用能力的躍升。當通信條件不允許時，可以依托終端進行端內處理，實現對戰場目標的初步識別和分析。在通信條件較差的條件下，還可以通過接收輕量化的戰場動態增量數據，使戰術作戰單元及時準確掌握戰場態勢。

傳統的單體服務架構難以滿足戰術信息應用中隨不同任務、需求變化的功能靈活可變的需求，提出了一種基于微服務的終端彈性可重構應用服務架構與輕量化增量資源封裝與加載應用流程，實現戰術終端應用功能的靈活定制與可擴展性。

1美軍天基信息支援戰術應用能力現狀

美軍已建成體系完備、領域全面、要素齊全的天基信息支援保障體系，具備情報自動獲取、多源信息融合處理、近實時共享分發服務能力，應用服務已下沉至戰術級[4-5]。

1.1旅級部隊天基情報服務共享保障能力

美陸軍已構建起綜合情報支援保障體系，主要通過分布式通用地面系統（DCGS）的全球化情報信息網絡，提供旅級部隊多源情報融合處理與近實時共享分發能力，下沉靠前配置保障一線部隊。通過旅及旅以下作戰指揮系統，將士兵、武器/平臺、指揮所和其他作戰設施的地理位置展示在一張態勢圖中，并在作戰中應用，使態勢感知時間從60 s縮短到7.5 s，信息接通率從29%提高到81%，使部隊可以“看到敵人、看清地形、看到自己”[6]。自阿富汗戰爭開始，構建起近實時共享分發服務體系，配備機動式多源測繪信息接收處理系統、陸軍“士兵戰術信息網絡”系統、旅及旅以下作戰指揮系統等典型應用裝備及系統，將天基信息與指控系統、武器平臺和戰術末端緊密鉸鏈，實現情報和態勢無縫隙全源共享和戰場協同，例如，在伊拉克戰爭中，共裝備8 000套旅及旅以下作戰指揮系統，通過該系統向旅及旅以下戰術指揮層、單兵傳輸實時或近實時態勢感知、指揮控制和友軍位置信息[7]。

1.2美軍天基信息支援戰術終端應用系統

美軍在使用移動終端方面走在世界前列。早在20世紀90年代，DARPA就開始了旨在開發裝備于士兵的可穿戴計算機的“數字士兵計劃”。早年的“陸地勇士”系統于2007年升級為“奈特勇士”系統，集成無線電臺、全球定位系統以及儲存戰場簡單態勢、導航視圖、目標對象圖片等情報信息，通過穿戴式終端和智能手機網絡、戰術電臺，為作戰單兵共享戰場態勢情報[8]。SeeMe系統使作戰單兵可以通過地面移動終端直接指揮天基載荷并接收圖像，獲取即時響應的天基戰術情報支持，從上傳目標成像任務請求到接收下傳圖像情報，實現時效性優于90 min的即指即拍[9]。藍軍跟蹤系統應用于從旅級到士兵/平臺級的所有戰場功能領域，采用GPS定位，為遂行乘車/下車戰術戰斗、戰斗支援、戰斗勤務支援的指揮官、班組長和士兵提供綜合的、運動中的、實時和近實時的作戰指揮信息和態勢感知能力[10]?！笆勘邸毕到y可通過政府用移動通信鏈路，使前出作戰士兵從通用作戰圖中獲取實時信息，并可向C4ISR系統上報關鍵地理坐標等情報；采用開放式體系結構，可通過多方研發機構快速、有效地擴充研發作戰任務需求功能，實現作戰性能的快速與持續升級[11]。美軍軍事情報部隊基于安卓智能手機終端，開發“風切變”專業軍事軟件，可通過安全移動云網絡為特種前出作戰人員提供生物識別信息、GPS和其他情報數據的發送和接收，并實現戰場即時信息的實時更新。美國陸軍開發軍用版的手機應用軟件商店“陸軍軟件”———Apps4Army，采用類似于安卓系統的開放式模式，士兵可通過智能手機終端，依據作戰任務需求下載配置應用功能，從而具備多樣化的終端戰術應用能力。

2彈性化、定制化的天基信息支援戰術終端應用服務發展趨勢

綜合分析美軍天基信息終端戰術應用能力及裝備系統發展趨勢可知，隨著邊緣計算、人工智能技術正在逐步得到突破，在其基礎上，發展功能彈性化可重構、資源輕量化精準定制的戰術信息支援應用服務迫在眉睫，進而打造適用于戰術作戰任務、戰場情況靈活重構應用的天基信息應用終端，充分依托已有情報處理體系能力，實現戰術前端應用能力的增量提升，大幅提高戰術行動的戰場態勢感知能力。

不同的作戰場景具有不同的終端軟硬件能力和網絡傳輸條件。傳統的天基資源保障未能區分不同場景下天基資源的預裝加載需求，通過收集分析作戰終端、網絡傳輸、應用場景的實際狀態，建立柔性的分配機制，進行有針對性的輕量化數據和功能封裝，在保障用戶應用需求的前提下，減少實時增量數據的傳輸總量，同時能夠依據服務的負載狀況啟停服務實例，提高資源的利用率，從而全面提升天基資源的服務效率和用戶終端的天基資源應用體驗。

綜上所述，天基信息戰術終端應用重點強調可擴展性、服務定制能力和高可靠性，具體包含：平臺需要具有高度的可擴展性，能夠在運行時動態添加新的處理算法、新的在線服務，接入新的數據；平臺需要彈性伸縮的能力，能夠在運行時對特定的服務動態增加資源來應對繁忙的分發任務，也能夠在運行時對計算量小的服務回收資源，來提高資源利用率；平臺需要能夠提供足夠的定制能力，依據終端平臺差異和網絡條件，能夠應對多樣的個性化、輕量化的封裝加載需求。

3基于微服務的終端彈性可重構應用服務架構

3.1基于微服務架構的終端功能彈性定制

傳統的單體架構難以滿足多樣化戰術終端應用軟件的靈活性、可定制化、隨任務可變的需求，基于微服務架構[12]技術，將應用程序分解為一系列小而自主獨立的個體，各服務按業務功能垂直劃分、專注于單一功能并在各自的進程中獨立運行，服務間通過輕量級通信協議進行通信，實現終端應用部署的高度可擴展、可伸縮、可定制和高可靠保障，如圖1所示。

①功能可擴展：衛星應用中的功能模塊通過合理分解，開發成一組獨立運行、測試和維護的微服務。微服務可以動態部署發布到容器中，從而在不停機的情況下，動態擴展系統功能。

②性能可伸縮：提供支持動態負載均衡的服務網關，相同的服務部署在多個容器中時，會自動被發現并形成一個集群。當服務請求過多時，可以增加服務的容器實例數目，實現動態負載均衡；服務請求較少時，可以停止或移除服務實例。

③業務可定制：提供天基資源微服務的流程編排功能，可以通過對各種天基信息處理的微服務進行組合編排、定制參數，實現針對用戶特定需求的個性化天基資源定制封裝。

3.2天基資源微服務集成平臺

天基資源微服務集成平臺，包括建立天基數據、服務、應用資源封裝匯聚的云中心，進而面向不同作戰任務、作戰平臺進行終端功能的定制、分發和裝載，平臺總體架構如圖2所示。

基礎層主要包括計算、消息中間件和存儲等，提供通用基礎服務。數據層主要包括應用服務庫和情報數據庫，分別保存服務元數據、應用流程數據等應用功能資源及情報信息數據、任務數據等支援信息資源。應用層主要包括封裝規范框架、服務運行、流程運行、任務定制封裝與執行等，提供微服務封裝與發布、服務調用、流程編排、部署執行等功能支持。展示層提供面向任務定制人員及服務開發人員的交互界面。

3.3輕量化增量資源封裝與加載應用流程

基于天基資源微服務集成平臺，面向終端的輕量化增量資源封裝與加載應用流程如圖3所示。

（1）任務解析與資源封裝規范

在天基資源云中心，由作戰任務目標與天基資源需求解析，得到針對特定任務的終端資源需求清單，包括完成任務所需要的數據、服務和終端App三種資源類型，作戰規劃人員可通過資源動態可視化定制模塊調整資源，形成最終的終端功能定制計劃。根據形成的終端定制計劃，基于異構數據/算法資源封裝規范，從天基數據庫、天基服務庫與終端App庫中獲取資源，生成封裝資源包。

其中，對于天基應用服務，將天基應用的各種算法模型使用微服務技術，封裝為可以動態部署裝載和注冊發現的天基信息微服務；對于天基數據，則是將數據體及其元數據封裝為支持自動接入和整合的數據包；對于天基終端App，則是將終端App打包，添加自動安裝腳本，成為可以自動安裝的終端應用包。

（2）封裝資源包可視化定制

在封裝資源動態可視化定制階段，使用虛擬資源盒來規劃展示各個任務單元的服務器、終端的已有資源和需要裝載的增量資源，規劃人員可以動態調整資源，形成最終的封裝計劃。

虛擬資源盒模擬參與單位的服務器和終端的配置信息，包括CPU、內存、操作系統及存儲空間等。這些信息可以用來定制裝載的應用類型和數據類型。同時虛擬資源盒中描述了目前已有的服務器/終端中的已有服務、App和數據資源，用來支持增量的封裝計劃。

在封裝定制平臺中，將提供可視化的定制功能，將各個單位的服務器和終端以資源盒形式展示，根據任務資源計劃，展示需要裝載的數據、服務或App。利用虛擬資源盒，可以模擬最終的裝載效果，分析可能存在的問題，并可以人工調整封裝資源，來處理特殊的任務要求。

通過可視化的虛擬資源盒定制，可以生成針對不同任務單位的服務器和終端的封裝計劃。計劃中定義了需要裝載的服務、App和數據資源，作為封裝包的生成基礎。

（3）封裝資源包生成與分發

如圖4所示，封裝資源包罐裝需要經過封裝應用和罐裝數據2個步驟。封裝應用階段選擇自主應用對應的容器鏡像，創建一組容器。罐裝數據階段在容器中罐裝數據、元數據以及發布數據服務。

在完成了封裝包定制之后，各種異構的數據和元數據都存儲在容器的數據卷中，也就是存放到對應的文件夾下面。將各個自主應用的鏡像文件，連同數據卷對應的文件夾進行整體打包，生成一個可以進行部署允許的封裝包。

封裝包可以通過在線分發或者離線分發。在線分發是封裝包將被推送到天基資源中心的各個單位的工作空間中。各個單位可以在工作空間直接進行動態裝載，實現動態的封裝包下載與集成。離線分發模式可以將封裝包導出到存儲設備上，然后在被封裝服務器或終端上離線導入進行裝載和集成。

通過云+端協同，可為用戶提供請求模式、訂閱模式、推送模式和瀏覽模式4種服務模式的多樣化、智能化、精準化、主動化的資源分發服務。

（4）封裝資源終端動態部署與更新

在前出機動指揮平臺中，可以在線下載或者離線導入服務器封裝資源包，并對封裝資源包中的服務進行動態部署到機動平臺的服務器上，并將封裝資源包中的數據動態融合到服務器的天基數據庫中。

在手持終端平臺，提供App形式的封裝資源包的統一管理與更新，可在線下載或者離線導入封裝資源包，并對資源包中的服務進行動態部署、數據動態匯集入庫。

4典型應用

參照美陸軍單兵作戰導航與態勢共享應用功能，設計單兵終端前出作戰天基信息支援服務流程示例，圖5為該流程的編排設計內容。

任務服務流程包含目標識別、位置實時獲取、目標情報獲取、行軍路徑顯示與更新、緩沖區分析與告警等一系列基礎功能服務，各服務均與前序服務輸出數據進行綁定，同時目標情報服務、行軍路徑服務分別與任務目標信息數據、任務規劃路徑數據進行封裝綁定，在天基資源微服務集成平臺進行服務封裝、流程編排及手持終端發布部署，演示了終端的行軍路徑導航及目標實時事件響應的信息告警和路徑更新應用功能，從而實現基于微服務的終端應用功能按需定制試驗。

5結束語

提出一種基于微服務的天基信息應用終端彈性可重構應用服務架構，建立面向任務、平臺的差異化適配、精準定制的應用功能輕量化封裝與裝載技術流程，基于云端協同服務理念，統籌戰術終端平臺的存儲與運算能力，為天基信息支援應用向戰術作戰的能力前移、作戰態勢情報向作戰單元的下沉保障、處理功能服務向終端平臺的前出遷移提供支持，提升戰術應用終端的天基信息應用效能與自主智能服務水平。

參考文獻

[1]曾輝，朱桂清.戰術型天基偵察系統的發展及其影響[J].艦船電子對抗，2016，39（6）：39-41，45.

[2]蔣盤林.從天基戰略偵察向天基戰術偵察的發展[J].航天電子對抗，2014，30（6）：17-20，29.

[3]周磊，劉昊.天基信息系統及對海軍航空裝備的影響[J].飛航導彈，2006（1）：35-39.

[4]陳建光，梁曉莉，王聰，等.2018年美軍天基信息支援裝備技術綜述[J].中國航天，2019（5）：27-29.

[5]楊艷洲，王佳雯，張瑋，等.國外天基信息系統裝備及技術發展水平研究[J].現代信息科技，2020，4（6）：53-56，60.

[6]石嵐，王喜焱.美國陸軍戰術互聯網的現狀與發展[J].光電對抗與無源干擾，2001（4）：44-47.

[7]岳松堂，吳曉鷗，劉冰.美國陸軍信息系統裝備發展建設分析[J].火力與指揮控制，2018，43（8）：1-7.

[8]郭俊杰.外軍士兵通信系統發展現狀淺析[J].移動通信， 2016，40（23）：37-45.

[9]廖育榮，丁丹，柴黎，等.基于手持終端的天基偵察信息戰術應用研究[J].裝備學院學報，2016，27（5）：64-67.

[10]李琨.美軍新一代信息化裝備———“藍軍跟蹤系統”（FBCB2/BFT）發展綜述[J].電訊技術，2006（3）：8-14.

[11]張新征.智能手機時代引領陸軍作戰和訓練方式變革[J].輕兵器，2011（21）：10-12.

[12] STARKE，G. Effektive Softwarearchitekturen： Ein Praktischer Leitfaden[M].Hamburg：Carl Hanser Verlag GmbH & Co.KG，2020.