空間環(huán)境態(tài)勢(shì)感知初探

劉帥 李智 張令軍

1.裝備學(xué)院航天指揮系北京101416 China

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中,無(wú)論作戰(zhàn)行動(dòng)的規(guī)劃還是具體實(shí)施,空間力量的運(yùn)用扮演著越來(lái)越重要的角色.作為空間系統(tǒng)賴(lài)以生存的外部環(huán)境,空間環(huán)境受太陽(yáng)活動(dòng)、行星際磁場(chǎng)以及地球自身磁場(chǎng)的共同影響,始終處在一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程中,表現(xiàn)出復(fù)雜系統(tǒng)的種種特性.因而對(duì)空間天氣的準(zhǔn)確把握亦成為各航天大國(guó)競(jìng)相角逐的焦點(diǎn)之一.

空間環(huán)境能夠造成航天器各種各樣的故障,如單粒子效應(yīng)、太陽(yáng)能電池降級(jí)、動(dòng)量矩失衡、衛(wèi)星的指控及數(shù)據(jù)通信鏈路中斷、軌道衰變等,影響航天器在軌壽命,甚至使得整個(gè)空間任務(wù)失敗;地基空間系統(tǒng)如目標(biāo)監(jiān)視雷達(dá)、導(dǎo)彈跟蹤雷達(dá)等同樣受空間環(huán)境的影響.因此,空間環(huán)境對(duì)空間系統(tǒng)的性能、生存能力有著至關(guān)重要的作用,進(jìn)而影響整個(gè)聯(lián)合作戰(zhàn)進(jìn)程.

空間環(huán)境態(tài)勢(shì)感知以空間環(huán)境為感知對(duì)象,是空間態(tài)勢(shì)感知的基礎(chǔ)組成部分.鑒于數(shù)據(jù)在空間環(huán)境的研究、應(yīng)用中起到的基礎(chǔ)作用,面對(duì)“豐富的數(shù)據(jù)、貧乏的知識(shí)”的尷尬現(xiàn)狀,本文以數(shù)據(jù)的獲取、利用為線索,在對(duì)空間環(huán)境態(tài)勢(shì)感知進(jìn)行系統(tǒng)認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上,討論了基于DDDAS的空間環(huán)境態(tài)勢(shì)感知組成及系統(tǒng)構(gòu)建相關(guān)問(wèn)題.

1 空間環(huán)境態(tài)勢(shì)感知的定義

結(jié)合美軍對(duì)空間環(huán)境態(tài)勢(shì)感知[1]定義和文獻(xiàn)[2],這里給出空間環(huán)境態(tài)勢(shì)感知的定義為:對(duì)空間環(huán)境及各種環(huán)境效應(yīng)的現(xiàn)狀、趨勢(shì)信息的獲取、認(rèn)知和利用,以服務(wù)于指揮員、決策人員、任務(wù)規(guī)劃人員和操作人員,取得并維持制天權(quán)的各種活動(dòng).服務(wù)于空間環(huán)境態(tài)勢(shì)感知的信息系統(tǒng)稱(chēng)為空間環(huán)境態(tài)勢(shì)感知系統(tǒng).

以上定義偏重于空間環(huán)境態(tài)勢(shì)感知的軍事應(yīng)用,這是以空間態(tài)勢(shì)感知系統(tǒng)的產(chǎn)生背景為基礎(chǔ)的,同時(shí)能夠有效地區(qū)別于以科學(xué)研究和工程應(yīng)用為目的的空間環(huán)境信息系統(tǒng),如歐空局空間環(huán)境信息系統(tǒng)(Space environment information system,SEIS)[3?4].

空間態(tài)勢(shì)感知系統(tǒng)是取得制天權(quán)的基礎(chǔ),而空間環(huán)境態(tài)勢(shì)感知系統(tǒng)是其重要組成部分.從對(duì)抗的角度而言,通過(guò)空間環(huán)境態(tài)勢(shì)感知系統(tǒng),參戰(zhàn)人員能夠深刻理解空間環(huán)境對(duì)空間系統(tǒng)造成的影響,并能夠?qū)⑦@種環(huán)境效應(yīng)轉(zhuǎn)化為決策信息,或者用于修正精確制導(dǎo)武器等打擊力量的實(shí)施方案.從控制的角度而言,通過(guò)空間環(huán)境態(tài)勢(shì)感知系統(tǒng),操作人員能夠及時(shí)地對(duì)空間環(huán)境事件、航天器異常事件進(jìn)行監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)、判別、應(yīng)對(duì),最大限度地減少環(huán)境效應(yīng)帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)和損失.

空間環(huán)境態(tài)勢(shì)感知的最終目標(biāo)為減弱空間環(huán)境對(duì)己方空間系統(tǒng)的影響,提高己方空間系統(tǒng)的性能,同時(shí)有效利用空間環(huán)境對(duì)敵方系統(tǒng)造成的潛在影響達(dá)成行動(dòng)意圖.對(duì)空間環(huán)境態(tài)勢(shì)感知系統(tǒng)的充分利用,將有利于制天權(quán)的獲取與維持,有利于減弱戰(zhàn)爭(zhēng)迷霧對(duì)決策者的影響,降低空間系統(tǒng)可能的風(fēng)險(xiǎn),更快速地對(duì)空間系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估,以及縮短軍事行動(dòng)周期.

2 空間環(huán)境態(tài)勢(shì)感知系統(tǒng)能力需求

以下對(duì)空間環(huán)境態(tài)勢(shì)感知的能力需求進(jìn)行簡(jiǎn)要描述,前兩條側(cè)重于數(shù)據(jù)的獲取途徑,后續(xù)則偏重于信息的處理與利用.

1)監(jiān)測(cè)與空間系統(tǒng)、空間任務(wù)相關(guān)的空間環(huán)境狀態(tài),獲得全空域、全時(shí)段、全要素、全能譜的空間環(huán)境測(cè)量數(shù)據(jù).

2)能夠訪問(wèn)其他實(shí)際測(cè)量及預(yù)測(cè)的環(huán)境信息,包括地球空間、臨近空間及外層空間環(huán)境,實(shí)現(xiàn)己方、敵方在內(nèi)的作戰(zhàn)行動(dòng)的環(huán)境效應(yīng)預(yù)測(cè)、應(yīng)對(duì)以至利用.

3)提供空間環(huán)境各要素多時(shí)空分辨率、及時(shí)準(zhǔn)確的現(xiàn)報(bào)、預(yù)報(bào)服務(wù),提供空間環(huán)境事件的警報(bào)和事后分析服務(wù).

4)提供空間環(huán)境(包括自然環(huán)境和人為環(huán)境,如高空核爆)對(duì)空間系統(tǒng)、空間任務(wù)的環(huán)境效應(yīng)評(píng)估與預(yù)報(bào)服務(wù).

5)提供航天器異常事件的定位、判別、分析與解決方案服務(wù),如判別異常事件是由自然環(huán)境、敵對(duì)行動(dòng)、機(jī)械故障亦或誤操作引起,從而采取對(duì)應(yīng)的措施.

圖1 衛(wèi)星故障原因判別

6)將空間環(huán)境作為影響因素,支援武器裝備方案論證、效能評(píng)估工作,提高武器裝備的生存能力和工作性能.

7)可用于評(píng)估我方、敵方及第三方空間系統(tǒng)和其他空間資產(chǎn)的環(huán)境脆弱性.

8)支持空間任務(wù)序列中空間環(huán)境部分的研發(fā)與執(zhí)行[1,5].

3 空間環(huán)境態(tài)勢(shì)感知組成

3.1 DDDAS概念解析

DDDAS的核心理念是[6?8]:將實(shí)驗(yàn)/測(cè)量與仿真相結(jié)合,動(dòng)態(tài)地注入新數(shù)據(jù)到仿真系統(tǒng)中,同時(shí)仿真系統(tǒng)能夠做出及時(shí)的響應(yīng),一方面用于提高模型的預(yù)測(cè)精度,改善模型的分析能力,另一方面能夠利用仿真結(jié)果實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量過(guò)程的指導(dǎo),從而形成一種共生的反饋控制系統(tǒng),見(jiàn)圖2[9].DDDAS面向的應(yīng)用往往為難以建立準(zhǔn)確模型的復(fù)雜系統(tǒng),其實(shí)現(xiàn)過(guò)程需要領(lǐng)域知識(shí)、信息科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、控制科學(xué)、數(shù)學(xué)等多個(gè)學(xué)科的交叉.

圖2 DDDAS概念圖

對(duì)于空間環(huán)境,可將其視為具有高度動(dòng)態(tài)特性的復(fù)雜系統(tǒng),現(xiàn)有的理論及模型不能全面反映系統(tǒng)內(nèi)部之間、系統(tǒng)與外部環(huán)境之間的相互作用,使得計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測(cè)量值有較大的差異.對(duì)于空間環(huán)境態(tài)勢(shì)感知和衛(wèi)星操控而言,這種差異關(guān)系到?jīng)Q策的制定,影響航天器及載荷的有效壽命,甚至決定了任務(wù)的成敗.一個(gè)有效的解決途徑是充分利用測(cè)量數(shù)據(jù),讓數(shù)據(jù)在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中發(fā)揮作用,而不只是作為仿真的初始條件、邊界條件,即基于DDDAS框架考慮空間環(huán)境態(tài)勢(shì)感知能力構(gòu)建.

3.2 空間環(huán)境態(tài)勢(shì)感知組成

傳統(tǒng)的空間環(huán)境態(tài)勢(shì)感知組成包括傳感器、數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)融合(信息融合)3個(gè)部分,三者形成空間環(huán)境態(tài)勢(shì)感知能力的基礎(chǔ)[1?2].而根據(jù)DDDAS理念,本文提出空間環(huán)境態(tài)勢(shì)感知的第4個(gè)組成部分—控制模塊.

傳感器主要利用可見(jiàn)光、紅外、微波、X-射線、高能粒子、磁場(chǎng)、溫度等探測(cè)設(shè)備獲取空間環(huán)境各要素的狀態(tài)數(shù)據(jù),包括地基測(cè)量系統(tǒng)、天基測(cè)量系統(tǒng)、空基測(cè)量系統(tǒng)以及鄰近空間測(cè)量系統(tǒng),廣義上還包括虛擬測(cè)量系統(tǒng),即從其他數(shù)據(jù)源獲取的測(cè)量數(shù)據(jù),屬于間接測(cè)量.目前美國(guó)擁有世界上最為先進(jìn)的空間環(huán)境監(jiān)測(cè)體系,其傳感器系統(tǒng)分布范圍廣、時(shí)間跨度大、觀測(cè)譜段全面,部分系統(tǒng)甚至成為世界范圍內(nèi)唯一數(shù)據(jù)源,如用于實(shí)時(shí)測(cè)量太陽(yáng)及太陽(yáng)風(fēng)參數(shù)的ACE、SOHO衛(wèi)星等.

數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)主要利用數(shù)據(jù)處理、建模、存儲(chǔ)、共享等技術(shù),提供一致的、可靠的、高效的數(shù)據(jù)訪問(wèn)以及模型輸出,保證后續(xù)業(yè)務(wù)對(duì)多種參數(shù)(實(shí)時(shí)/靜態(tài)/單一/多源/異構(gòu))的需求.

圖3 基于DDDAS的空間環(huán)境信息系統(tǒng)框架圖

數(shù)據(jù)融合主要是將多源傳感器的信息進(jìn)行融合,以及將環(huán)境信息與系統(tǒng)性能參數(shù)有效地融合,更加客觀地描述和預(yù)報(bào)空間環(huán)境對(duì)空間系統(tǒng)性能以至軍事行動(dòng)的影響.美空軍空間司令部指出當(dāng)前應(yīng)當(dāng)突出提高數(shù)據(jù)融合能力,以最大限度地利用現(xiàn)有信息.其空間態(tài)勢(shì)感知環(huán)境效應(yīng)融合系統(tǒng)(Space environmental ef f ects fusion system,SEEFS)項(xiàng)目能夠?qū)h(huán)境信息與系統(tǒng)性能參數(shù)融合成決策變量,支持戰(zhàn)略、戰(zhàn)役、戰(zhàn)術(shù)層面的不同應(yīng)用,使用戶(hù)將主要資源集中于自身任務(wù)規(guī)劃上,避免了不必要的資源浪費(fèi).

控制模塊主要完成傳感器控制參數(shù)與空間環(huán)境測(cè)量數(shù)據(jù)、模型輸出的關(guān)聯(lián)和接口描述.控制模塊的加入使得空間環(huán)境態(tài)勢(shì)感知形成了閉環(huán)回路,能夠完成更加具有針對(duì)性的測(cè)量任務(wù),有利于整體測(cè)量任務(wù)的規(guī)劃和資源的有效利用.

4 空間環(huán)境態(tài)勢(shì)感知系統(tǒng)構(gòu)建方案

基于DDDAS建立空間環(huán)境態(tài)勢(shì)感知系統(tǒng)需要從以下幾個(gè)方面做出努力[6,10?15]:

1)系統(tǒng)軟件:DDDAS系統(tǒng)軟件技術(shù)和框架采用開(kāi)放式的系統(tǒng)架構(gòu),各功能組成單元具備模塊化、可擴(kuò)展、易集成特性,能夠支持DDDAS應(yīng)用對(duì)計(jì)算、通信、數(shù)據(jù)需求的動(dòng)態(tài)變化;能夠集成多源、異構(gòu)、海量的空間環(huán)境數(shù)據(jù),如地基、空基、天基測(cè)量數(shù)據(jù),模型生成數(shù)據(jù)等;能夠提供不同時(shí)間尺度的空間環(huán)境相關(guān)數(shù)據(jù),滿(mǎn)足不同的應(yīng)用需求,如實(shí)時(shí)、近實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)、歷史歸檔數(shù)據(jù)等;能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)不同分辨率模型的自動(dòng)選擇;基于動(dòng)態(tài)的需求變化提供對(duì)底層異構(gòu)資源的調(diào)度管理;支持容錯(cuò)處理和質(zhì)量服務(wù)保障,確保動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)流入和測(cè)量控制的資源可用性;提供與測(cè)量系統(tǒng)之間的交互接口,實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的控制;提供良好的人機(jī)交互接口.可參考的技術(shù)包括面向服務(wù)體系架構(gòu)(SOA)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等.

圖3為基于DDDAS設(shè)計(jì)的空間環(huán)境態(tài)勢(shì)感知系統(tǒng)框圖,主要由測(cè)量系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)集成模塊、仿真模型模塊、控制模塊、分析預(yù)警模塊、監(jiān)測(cè)模塊和管理模塊構(gòu)成.虛線框內(nèi)是系統(tǒng)的核心部分,即DDDAS實(shí)現(xiàn)部分.其中管理模塊負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)及子系統(tǒng)的功能描述、接口規(guī)范、資源調(diào)度等工作,是系統(tǒng)軟件自適應(yīng)的核心成員.控制模塊完成模型與測(cè)量單元的交互映射.

2)模型:基于注入的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù),對(duì)空間環(huán)境各要素進(jìn)行多層次、多模式的建模分析,并動(dòng)態(tài)地受數(shù)據(jù)控制,能夠隨輸入數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)地激活這些模型、涉及的技術(shù)包括:多模式建模和多層次建模、動(dòng)態(tài)分辨率模型、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)同化;對(duì)異步收集數(shù)據(jù)集成技術(shù).在模型調(diào)用方面,能夠根據(jù)數(shù)據(jù)流動(dòng)態(tài)地組合各模型,包括:模型組件的動(dòng)態(tài)選擇、應(yīng)用模型之間的接口、底層資源的動(dòng)態(tài)請(qǐng)求與發(fā)現(xiàn)等.

3)算法:DDDAS系統(tǒng)要求模型中的算法,包括數(shù)值方程求解算法、插值及外推算法、優(yōu)化算法、模型控制算法等能夠適應(yīng)數(shù)據(jù)的擾動(dòng)和誤差的影響.空間環(huán)境各要素覆蓋范圍廣,時(shí)間跨度大,且探測(cè)設(shè)備都具有較高靈敏度,使得探測(cè)數(shù)據(jù)具備高度的動(dòng)態(tài)特性,數(shù)據(jù)質(zhì)量難以得到保證,對(duì)算法的適應(yīng)性提出了較高要求.

4)測(cè)量系統(tǒng):在DDDAS理念下,傳感器等測(cè)量設(shè)備應(yīng)能夠受仿真系統(tǒng)的控制,對(duì)于天基測(cè)量設(shè)備而言,受限于其軌道、地面測(cè)控站位置等客觀條件.一種有效的方式是采用機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、成本低廉、能夠搭載多種探測(cè)載荷的微小衛(wèi)星平臺(tái)組網(wǎng)探測(cè)以及多平臺(tái)數(shù)據(jù)的綜合利用.

5 結(jié)論

空間環(huán)境有著復(fù)雜而動(dòng)態(tài)多變的復(fù)雜系統(tǒng)特性,傳統(tǒng)的建模仿真與測(cè)量系統(tǒng)分離的現(xiàn)狀難以滿(mǎn)足空間系統(tǒng)、空間任務(wù)對(duì)環(huán)境相關(guān)信息的實(shí)際需求;另一方面,我國(guó)的空間環(huán)境業(yè)務(wù)應(yīng)用尚處在發(fā)展階段,各方面基礎(chǔ)相對(duì)薄弱,尤其天基空間環(huán)境監(jiān)測(cè)手段缺乏,大量依賴(lài)于國(guó)外數(shù)據(jù)源,距離空間環(huán)境態(tài)勢(shì)感知成體系的建設(shè)尚有差距.

基于DDDAS理念構(gòu)建空間環(huán)境態(tài)勢(shì)感知系統(tǒng)提供了一種可能的解決方案,但DDDAS涉及的領(lǐng)域知識(shí)和底層技術(shù)較為分散,仍處在不斷地探索階段,需要進(jìn)一步細(xì)化研究.