面向任務(wù)的空間信息網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)可重組設(shè)計(jì)

1. 航天工程大學(xué) 復(fù)雜電子系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)室，北京 101416 2. 西安電子科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，西安 710071 3. 61618部隊(duì)，北京 100094 4. 武警工程大學(xué) 信息工程學(xué)院，西安 710000

作為網(wǎng)絡(luò)理論與空間信息科學(xué)交叉發(fā)展前沿的空間信息網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為當(dāng)前的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域，世界主要航天國家都在積極探索和展開相關(guān)方面的研究[1-2]。空間信息網(wǎng)絡(luò)作為一個(gè)復(fù)雜巨型網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，與其他網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)相比，具有一些典型特征，如復(fù)雜性、異質(zhì)異構(gòu)性、動(dòng)態(tài)性、多層性、高維多元性等[3]，這為研究空間信息網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)理論和技術(shù)帶來了巨大的挑戰(zhàn)。設(shè)想，在未來戰(zhàn)場(chǎng)中，如果確定了某次戰(zhàn)役的局域范圍，則將相應(yīng)覆蓋范圍內(nèi)的空間信息網(wǎng)絡(luò)的組成裝備實(shí)體進(jìn)行快速重組，從而提供所需的信息支援服務(wù)，當(dāng)戰(zhàn)役結(jié)束后便可進(jìn)行解構(gòu)，使其恢復(fù)到自然運(yùn)行狀態(tài)?；谏鲜龇椒?，一方面可以縮短整個(gè)流程的延時(shí)，確保高效地進(jìn)行信息支援，另一方面可以降低成本，提高網(wǎng)絡(luò)的利用效率。探究其實(shí)質(zhì)會(huì)發(fā)現(xiàn)，通常定義的空間信息網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)整體，而通過重組后的空間信息網(wǎng)絡(luò)是其一個(gè)子網(wǎng)，是為了實(shí)現(xiàn)特定功能，提供特定服務(wù)，而在局域范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)和功能重現(xiàn)的一種狀態(tài)。

在互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，關(guān)于重組和重構(gòu)的相關(guān)技術(shù)有著較多的應(yīng)用[4]。針對(duì)航天器和機(jī)器人領(lǐng)域，為了滿足不同環(huán)境的多重任務(wù)需求，學(xué)者們又提出可重組模塊化的概念，特別是可重構(gòu)模塊化機(jī)器人的發(fā)展，為可重組模塊化航天器的發(fā)展起到了促進(jìn)的作用[5]。而在空間信息網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中還沒有公開發(fā)表的文獻(xiàn)對(duì)其進(jìn)行報(bào)道，只是在空間信息網(wǎng)絡(luò)重大專項(xiàng)研究中對(duì)可重組的空間信息網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)研究提出了需求[2]。針對(duì)空間信息網(wǎng)絡(luò)頂層設(shè)計(jì)和體系結(jié)構(gòu)研究的問題，國內(nèi)外已經(jīng)形成了一些研究成果，如美國NASA面向未來的空間網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)[6-7]，歐盟的天基互聯(lián)網(wǎng)計(jì)劃ISICOM[8]。中國學(xué)者將3D-Mesh[9]網(wǎng)絡(luò)、分層自治域[10]思想、軟件定義網(wǎng)絡(luò)[11]概念及分布式星群[12]觀點(diǎn)等內(nèi)容引入到空間信息網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)研究中來，也取得了一些成果，為研究空間信息網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)提供了新的思路。

NASA面向未來的空間信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由骨干網(wǎng)、接入網(wǎng)、航天器內(nèi)網(wǎng)和鄰近網(wǎng)絡(luò)組成，能夠很好地滿足美國對(duì)未來空間通信的需要。基于NASA框架，無需為新出現(xiàn)的任務(wù)構(gòu)建一套新的通信基礎(chǔ)設(shè)施，能夠有效避免重復(fù)建設(shè)[13]。分層自治域的空間信息網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)和建模將空間信息網(wǎng)絡(luò)根據(jù)節(jié)點(diǎn)屬性、鏈路能力、任務(wù)特點(diǎn)、分布區(qū)域等劃分為一系列的自治域，通過這種劃分將整體上最高動(dòng)態(tài)變化的空間信息網(wǎng)絡(luò)劃分為一個(gè)個(gè)局部動(dòng)態(tài)性變化的子網(wǎng)絡(luò)，從而提高對(duì)空間信息網(wǎng)絡(luò)的管控效率?；诜植际叫侨旱目臻g信息網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)是針對(duì)骨干節(jié)點(diǎn)頻率軌位匱乏、衛(wèi)星平臺(tái)承載能力弱等問題，通過多星共軌，星間高速互聯(lián)、分布式自主協(xié)同的方式實(shí)現(xiàn)構(gòu)建穩(wěn)定可靠的空間信息網(wǎng)絡(luò)。軟件定義網(wǎng)絡(luò)(Software Defined Network，SDN)是一種新型網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新架構(gòu)，SDN技術(shù)能夠有效降低設(shè)備負(fù)載，協(xié)助更好地控制基礎(chǔ)設(shè)施，降低整體運(yùn)營成本，成為最具前途的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之一，在空間信息網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域只是進(jìn)行了初級(jí)探索。

筆者在前期研究中，借鑒以往在軍事信息系統(tǒng)上的體系結(jié)構(gòu)描述和建模方法的思想來研究空間信息網(wǎng)絡(luò)，通過綜合應(yīng)用基于活動(dòng)[14]的靈活性、跨產(chǎn)品關(guān)聯(lián)性，面向服務(wù)[15]的多維共享、靈活可重組等優(yōu)點(diǎn)，在DODAF2.0的多視圖框架支撐實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，提出了一種改進(jìn)的空間信息網(wǎng)絡(luò)體系設(shè)計(jì)的建模方法——數(shù)據(jù)即中心(Data as a Center，DaaC)，該方法能夠確保所有的基本數(shù)據(jù)以支持各種各樣的分析任務(wù)的同時(shí)，還確保了體系結(jié)構(gòu)描述中各視圖間的協(xié)調(diào)一致，從不同視角來進(jìn)行體系結(jié)構(gòu)模型的建立。同時(shí)，這種基于DaaC的思想能夠充分利用數(shù)據(jù)資源，也滿足當(dāng)前大數(shù)據(jù)環(huán)境下數(shù)據(jù)量龐大、數(shù)據(jù)價(jià)值密度低等需求，符合當(dāng)前及今后的發(fā)展趨勢(shì)[16]。

因空間信息網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)較新的概念，上述方法只是對(duì)空間信息網(wǎng)絡(luò)頂層設(shè)計(jì)和體系結(jié)構(gòu)研究的初步探索，關(guān)于可重組的空間信息網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的研究，目前尚無公開發(fā)表的資料對(duì)其進(jìn)行報(bào)道和論述。因此，以可重組與重構(gòu)技術(shù)在互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的成功應(yīng)用為啟發(fā)，在前期DaaC體系結(jié)構(gòu)建模方法的基礎(chǔ)上，本文探索性的提出了一種以任務(wù)為牽引的可重組的空間信息網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)模型，以期為新形勢(shì)下現(xiàn)代化戰(zhàn)爭中的為滿足多重任務(wù)的空間信息網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究提供一些新的思路和方法。

1 可重組設(shè)計(jì)

1.1 基本概念

前面給出了空間信息網(wǎng)絡(luò)的廣義概念，為了便于進(jìn)行后期驗(yàn)證，將空間信息網(wǎng)絡(luò)的規(guī)?？刂圃谟行?、適當(dāng)?shù)姆秶呛罄m(xù)研究的前提和基礎(chǔ)，因此，在空間信息網(wǎng)絡(luò)廣義概念的基礎(chǔ)上，結(jié)合新時(shí)代信息化作戰(zhàn)需求，給出了其狹義概念。

定義1 空間信息網(wǎng)絡(luò)是以衛(wèi)星系統(tǒng)(同步衛(wèi)星或中、低軌道衛(wèi)星，主要負(fù)責(zé)處理載荷)為主干網(wǎng)絡(luò)，連接其他信息系統(tǒng)(臨近空間的氣球或飛機(jī)等)或終端(地面站，主要負(fù)責(zé)控制)，提供一體化偵查、導(dǎo)航、通信等服務(wù)，實(shí)現(xiàn)通信廣播、偵查監(jiān)視、情報(bào)探測(cè)、導(dǎo)航定位、導(dǎo)彈預(yù)警和氣象、水文、地形等戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)感知的綜合信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

定義2 空間信息網(wǎng)絡(luò)重組是指根據(jù)具體的任務(wù)需求、滿足的功能需求和提供的服務(wù)需求，對(duì)組成空間信息網(wǎng)絡(luò)的實(shí)體進(jìn)行重新組合的過程。通過重組后，相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)稱為可重組空間信息網(wǎng)絡(luò)(Reorganization SINs)，簡稱為可重組網(wǎng)絡(luò)(R-SINs)。通常意義論述的空間信息網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)集成的、一體化的、實(shí)現(xiàn)信息支援的國家基礎(chǔ)設(shè)施，而面向任務(wù)的可重組空間信息網(wǎng)絡(luò)，其本質(zhì)是以特定任務(wù)需求為牽引而構(gòu)建的子空間信息網(wǎng)絡(luò)。

定義3 可重組目標(biāo)(Reorganization Goal，RG)是指用于指導(dǎo)空間信息網(wǎng)絡(luò)根據(jù)服務(wù)需要，通過重組而實(shí)現(xiàn)和進(jìn)入的新狀態(tài)的藍(lán)本，是指可重組網(wǎng)絡(luò)具有何種功能，已經(jīng)重組好的網(wǎng)絡(luò)各個(gè)功能實(shí)體如何提供相應(yīng)的服務(wù)，功能實(shí)體應(yīng)服務(wù)到何種程度等。

定義4 可重組方案(Reorganization Scheme，RS)是指根據(jù)可重組目標(biāo)，結(jié)合所包含的裝備實(shí)體的具體情形，為了實(shí)現(xiàn)特定任務(wù)、提供特定服務(wù)，針對(duì)實(shí)體間如何連接，如何相互配合工作而做的具體計(jì)劃，是用于指導(dǎo)可重組網(wǎng)絡(luò)的具體組網(wǎng)的指南。

1.2 可重組設(shè)計(jì)原則

空間信息網(wǎng)絡(luò)的可重組性是指空間信息網(wǎng)絡(luò)為完成某一任務(wù)而實(shí)現(xiàn)的體系結(jié)構(gòu)從一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式的情形，轉(zhuǎn)換前后的兩種體系結(jié)構(gòu)不僅在組成成分上不同，實(shí)現(xiàn)的功能也不同。同時(shí)，轉(zhuǎn)換前后不是簡單的排列組合，而是注重其整體能力的體現(xiàn)。結(jié)合可重組的特征和空間信息網(wǎng)絡(luò)在未來戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中的發(fā)展趨勢(shì)，在建立空間信息網(wǎng)絡(luò)可重組體系結(jié)構(gòu)模型時(shí)，一方面要保證靈活、可擴(kuò)展和適用性的優(yōu)點(diǎn)，另一方面還有遵循以下原則，才能更好地實(shí)現(xiàn)其建立體系結(jié)構(gòu)模型。

原則1 松耦合原則。可重組空間信息網(wǎng)絡(luò)中重組的網(wǎng)絡(luò)是依據(jù)特定功能服務(wù)而進(jìn)行的重組，是依據(jù)特定用戶業(yè)務(wù)需求而提供相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，所以，其服務(wù)和需求是一一對(duì)應(yīng)的，因此這種網(wǎng)絡(luò)是一種松耦合的模式。

原則2 兼容性原則。可重組的空間信息網(wǎng)絡(luò)其組成部分包含多種異質(zhì)異構(gòu)實(shí)體，橫跨不同層級(jí)，因此，要進(jìn)行實(shí)時(shí)的信息支援，必須能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)信息共享。因此，實(shí)現(xiàn)良好的兼容和融合是保證其實(shí)現(xiàn)整體功能的前提和基礎(chǔ)。

原則3 隔離性原則?？芍亟M空間信息網(wǎng)絡(luò)由于其服務(wù)對(duì)象的不同需要構(gòu)建的不同的網(wǎng)絡(luò)，為保證已構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)能夠高效地提供服務(wù)，需要將已構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)與其他各個(gè)網(wǎng)絡(luò)隔離，避免受到其他網(wǎng)絡(luò)的干擾和影響，即從實(shí)現(xiàn)上做到解耦。

原則4 可解構(gòu)原則。可重組空間信息網(wǎng)絡(luò)提供某一特定服務(wù)是在特定的時(shí)間段和特定的局域范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)的，待某一服務(wù)結(jié)束后，已構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)也就沒有了存在的價(jià)值。因此，為了避免資源浪費(fèi)，需要對(duì)其進(jìn)行解構(gòu)，解構(gòu)后，又恢復(fù)到自然狀態(tài)，時(shí)刻為下一次的可重組做準(zhǔn)備。

1.3 可重組設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)機(jī)制

基于第1.1節(jié)空間信息網(wǎng)絡(luò)的概念和第1.2節(jié)的設(shè)計(jì)原則，結(jié)合DaaC思路，提出一種可重組網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)模型?？芍亟M模型主要包括兩部分核心，即管理層和資源層。管理層是可重組網(wǎng)絡(luò)的管理中心，資源層是可重組網(wǎng)絡(luò)資源中心，二者相輔相成，共同完成和實(shí)現(xiàn)空間信息網(wǎng)絡(luò)可重組的任務(wù)。

定義5 管理層—可重組網(wǎng)絡(luò)管理中心(R-SINs Management Center，RMC)，主要負(fù)責(zé)管理整個(gè)可重組網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建和構(gòu)建方式。根據(jù)任務(wù)需求和上級(jí)命令，確定滿足服務(wù)任務(wù)的可重組網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模和組成結(jié)構(gòu)，同時(shí)，在整個(gè)構(gòu)建過程中負(fù)責(zé)所相關(guān)的指令的發(fā)送，包括向數(shù)據(jù)中心和實(shí)體資源池發(fā)出構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)的激勵(lì)，等待對(duì)方響應(yīng)等。

定義6 資源層—可重組網(wǎng)絡(luò)資源中心(R-SINs Resource Center，RRC)，包含實(shí)體資源池(Entity Resource Pool，ERP)和數(shù)據(jù)中心(Data Center，DC)兩部分，主要用來提供可重組網(wǎng)絡(luò)所需要的實(shí)體資源和數(shù)據(jù)資源，實(shí)體資源池包含空間信息網(wǎng)絡(luò)所有組成部分的全部內(nèi)容，在構(gòu)建可重組網(wǎng)絡(luò)時(shí)，只需要從這個(gè)資源池中選擇所需的實(shí)體資源發(fā)揮功能即可。數(shù)據(jù)中心既包含體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所需要的實(shí)體數(shù)據(jù)，也包含體系結(jié)構(gòu)構(gòu)建過程中所產(chǎn)生的新數(shù)據(jù)。

圖1所示為面向任務(wù)的可重組網(wǎng)絡(luò)示意，圖中除包含管理中心、實(shí)體資源池和數(shù)據(jù)中心3部分內(nèi)容外，將數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行單獨(dú)的展示說明。在整個(gè)可重組網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建過程中，起決定性作用的就是RMC和RRC，這里以圖示的方式展示其運(yùn)行機(jī)制，如圖2所示。

圖1 面向服務(wù)的可重組網(wǎng)框架Fig.1 Service-oriented R-SINsframework

圖2 可重組網(wǎng)絡(luò)各模塊運(yùn)行機(jī)制Fig.2 Operation mechanism ofR-SINs modules

1)RMC運(yùn)行機(jī)制：可重組網(wǎng)絡(luò)管理中心作為進(jìn)行管理和控制的核心，充當(dāng)大腦的作用，其中也是接受任務(wù)/指令的接口。在接受到命令/指令后，根據(jù)需求和所要提供的服務(wù)制定可重組目標(biāo)，同時(shí)向RRC發(fā)送指令，分析可以滿足目標(biāo)需求的數(shù)據(jù)信息，待RRC完成分析數(shù)據(jù)后，便可向RRC發(fā)送第二條指令，同時(shí)接收RRC的回復(fù)信息。依據(jù)可重組目標(biāo)，結(jié)合已確定的實(shí)體資源，制定可重組方案，同時(shí)，發(fā)送建立連接的指令，在收到可重組網(wǎng)絡(luò)建立完成的反饋指令的同時(shí)，需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)提供的功能和指令/任務(wù)進(jìn)行對(duì)比分析，從而進(jìn)一步優(yōu)化和調(diào)整可重組方案，如有需要改進(jìn)的地方，則重復(fù)圖2中第⑧～⑩步即可。

2) RRC運(yùn)行機(jī)制：可重組網(wǎng)絡(luò)資源中心主要提供數(shù)據(jù)資源和裝備實(shí)體資源，發(fā)揮資源庫的作用，一方面具有接受RMC指令的接口，另一方面具有輸出可重組網(wǎng)絡(luò)的接口。將所有描述實(shí)體資源的數(shù)據(jù)匯集在一起，進(jìn)行有序組織后便形成了數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心對(duì)所有實(shí)體資源進(jìn)行編號(hào)和詳細(xì)的數(shù)據(jù)描述，包含所有實(shí)體資源的屬性信息和數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)中心存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的格式在圖2中已經(jīng)具體展示，其本質(zhì)是一個(gè)結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫，包含了所有裝備實(shí)體資源的數(shù)據(jù)信息和相應(yīng)配套的其他數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)中心是管理中心和實(shí)體資源池之間建立連接的中心環(huán)節(jié)，發(fā)揮著橋梁和紐帶的作用。

可重組網(wǎng)絡(luò)主要是在管理層和資源層的協(xié)作下，實(shí)現(xiàn)面向服務(wù)的重組，根據(jù)可重組目的，結(jié)合可重組方案，通過分析數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)資源，從實(shí)體資源池調(diào)度一些相關(guān)資源實(shí)體最終生成一個(gè)能實(shí)現(xiàn)特定功能、提供所需服務(wù)的空間信息網(wǎng)絡(luò)。因此，用五元組來定義可重組模型。

定義7 可重組網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)模型(R-SINs Architecture Model，RAM)定義為

MRA=〈RG,RS,RD,RE,RN〉(1)

式中:可重組目標(biāo)(RG)表示在任務(wù)需求的牽引下，對(duì)可重組網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建為何種樣式、提供何種服務(wù)的一種形式化描述?？芍亟M方案(RS)描述了如何進(jìn)行構(gòu)造和重組的整個(gè)過程，方案中還包括對(duì)可重組網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化和調(diào)整的過程?？芍亟M功能資源集合包含可重組實(shí)體資源(RE)和可重組數(shù)據(jù)資源(RD)兩部分，表示為實(shí)現(xiàn)可重組目標(biāo)，分析符合條件的數(shù)據(jù)資源，并確定滿足需求的實(shí)體資源的過程。可重組網(wǎng)絡(luò)(RN)表示根據(jù)既定目標(biāo)和方案所輸出的可重組空間信息網(wǎng)絡(luò)的雛形，是R-SINs的前身。

1.4 可重組設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)算法

在前文論述的基礎(chǔ)上，為了將理論轉(zhuǎn)化為具體實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)了可重組設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)算法，從而指導(dǎo)后面的驗(yàn)證分析。可重組設(shè)計(jì)是在已有空間信息網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上針對(duì)具體任務(wù)進(jìn)行的結(jié)構(gòu)重組和功能重現(xiàn)，其算法偽代碼如下：

algorithm：R-design algorithm

Input： RD,RE,Instructions

Output： R-SINs

1 for input a new Instructions

2 analysis Instructions to determine RG;

3 analysis RG to map RD;

4 analysis RD to match RE;

5 analysis RG and RE to make RS;

6 accordance with RS to connect RE;

7 output RN;

8 end for

9 while the RN not match the R-SINs

10 repeat step 5 and 6;

11 end while

根據(jù)偽代碼，進(jìn)一步分析了其算法實(shí)現(xiàn)流程，如下所示：

1)針對(duì)接收到的上級(jí)指令(Instructions)，分析其具體內(nèi)容，從而確定所需提供信息支援服務(wù)的位置(Position)、方位(Orientation)、周期(Period)等指標(biāo)，進(jìn)而進(jìn)行整理和梳理重組需求，進(jìn)一步制定和擬制重組目標(biāo)RG；

2)結(jié)合所制定的重組目標(biāo)RG的特征，根據(jù)其包含的指標(biāo)，在數(shù)據(jù)中心映射能滿足需求的可重組數(shù)據(jù)資源RD，然后，通過選擇的數(shù)據(jù)RD匹配資源池中的可重組實(shí)體資源RE；

3)結(jié)合重組目標(biāo)RG和所確定實(shí)體資源的特征，制定能滿足該項(xiàng)任務(wù)的重組連接方案RS，在方案RS的指導(dǎo)下，對(duì)所篩選的實(shí)體資源RE建立連接，確保能夠進(jìn)行正常的數(shù)據(jù)信息傳輸；

4)當(dāng)前3部分工作都完成后，便可以輸出第一版的重組網(wǎng)絡(luò)RN，通過測(cè)試重組網(wǎng)絡(luò)RN的功能和性能，進(jìn)而判斷存在的不足，反饋重組效果，為下一步優(yōu)化提供依據(jù)；

5)根據(jù)反饋效果進(jìn)行重組網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化，判斷輸出網(wǎng)絡(luò)是否滿足要求，如果不滿足，則調(diào)整重組方案RS，重復(fù)上述步驟，實(shí)現(xiàn)重組網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步優(yōu)化，待滿足要求后，則算法結(jié)束。

需要指出的是，由于本文是面向任務(wù)的體系結(jié)構(gòu)描述和分析，所以在實(shí)際操作中，每一次的建立都表示的是一個(gè)瞬間狀態(tài)，不可能一次性就達(dá)到所要實(shí)現(xiàn)的可重組目標(biāo)，即根據(jù)每一次的重組反饋重復(fù)上述所示的各個(gè)環(huán)節(jié)，最終才能實(shí)現(xiàn)滿足要求的可重組空間信息網(wǎng)絡(luò)。

2 案例分析

本節(jié)基于衛(wèi)星工具包STK(Satellite Tool Kit)實(shí)現(xiàn)了可重組設(shè)計(jì)的仿真驗(yàn)證，通過進(jìn)行作戰(zhàn)想定，設(shè)計(jì)一個(gè)場(chǎng)景，按照算法流程進(jìn)行具體實(shí)現(xiàn)。

作戰(zhàn)想定如下：假設(shè)a方欲通過某型彈道導(dǎo)彈對(duì)b方軍事重地進(jìn)行襲擊，b方實(shí)施陸基反導(dǎo)作戰(zhàn)活動(dòng)，而在整個(gè)過程中，需要可重組空間信息網(wǎng)絡(luò)來完成信息支援的任務(wù)，上級(jí)機(jī)關(guān)將該指令下發(fā)到RMC。按照可重組網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)開發(fā)流程，可以得知本次反導(dǎo)作戰(zhàn)活動(dòng)中，空間信息網(wǎng)絡(luò)全周期提供信息支援(RG)，根據(jù)a方導(dǎo)彈可能出現(xiàn)的方向、位置等情形，可以確定空間信息網(wǎng)絡(luò)將參與戰(zhàn)前偵測(cè)、早期預(yù)警、引導(dǎo)搜索及跟蹤等任務(wù)。為此，通過分析和篩選滿足要求的RD，確定了以下RE將參與本次任務(wù)，具體包括偵查衛(wèi)星A、測(cè)繪衛(wèi)星B、預(yù)警衛(wèi)星C、中繼衛(wèi)星J、雷達(dá)跟蹤機(jī)D、雷達(dá)預(yù)警機(jī)F、空基情報(bào)處理中心、地面指控中心，其基本參數(shù)信息如表1所示。

表1 基本參數(shù)信息

結(jié)合重組連接方案RS，進(jìn)一步給出連接方案的概念演示如圖3所示。

圖3 支持反導(dǎo)任務(wù)的可重組網(wǎng)絡(luò)概念演示Fig.3 Demonstration of R-SINs for anti-missile

基于STK平臺(tái)分別實(shí)現(xiàn)的2D和3D的可重組空間信息網(wǎng)絡(luò)演示模型R-SINs，如圖4所示。

圖4 可重組網(wǎng)絡(luò)多維演示模型Fig.4 Multi-dimensional demo model of R-SINs

圖4(a)從二維平面上展示某一瞬態(tài)組成可重組網(wǎng)絡(luò)的實(shí)體運(yùn)行軌跡和覆蓋范圍。圖4(b)中，星A、星B、星C、星J分別用不同顏色的亮點(diǎn)顯示，圖示中稍小的綠色亮點(diǎn)代表地面指控中心Lc，機(jī)D、機(jī)F和空基情報(bào)處理中心Nc因受圖示截圖界面范圍有限的限制，因而在圖示中未能清晰展示。同時(shí)，結(jié)合表1和圖3中的數(shù)據(jù)信息傳輸關(guān)系，建立了實(shí)體間的連接關(guān)系，圖示中由綠色實(shí)心直線表示。

為了驗(yàn)證本文提出的可重組模型的正確性，我們從復(fù)雜性和性能兩個(gè)角度對(duì)該模型進(jìn)行驗(yàn)證。想定了5個(gè)作戰(zhàn)方法，其中，組成空間信息網(wǎng)絡(luò)的實(shí)體和鏈路呈遞增趨勢(shì)，從而分析空間信息網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量和OODA耗時(shí)的效率關(guān)系，進(jìn)而定量反應(yīng)其進(jìn)行信息支援的效率，分別如表2和圖5所示。

如圖5所示，分析了在5個(gè)既定方案中可重組網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量和連邊數(shù)量對(duì)OODA耗時(shí)的影響。從圖中可知，隨著節(jié)點(diǎn)和連邊數(shù)量的增加，對(duì)應(yīng)的OODA耗時(shí)呈現(xiàn)增長趨勢(shì)，且可重組網(wǎng)絡(luò)組成結(jié)構(gòu)復(fù)雜度不同，節(jié)點(diǎn)和連邊對(duì)其耗時(shí)的影響程度也不同。因此，與本文出發(fā)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，研究面向任務(wù)的空間信息網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)可重組設(shè)計(jì)對(duì)于節(jié)約網(wǎng)絡(luò)資源，節(jié)省損耗具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

表2 可重組網(wǎng)絡(luò)效率分析數(shù)據(jù)列表

3 結(jié)束語

空間信息網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的可重組設(shè)計(jì)是空間信息網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)研究的重要組成部分，雖然現(xiàn)階段已有關(guān)于其體系結(jié)構(gòu)的研究，但是可重組設(shè)計(jì)應(yīng)是未來空天一體化信息網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)描述和設(shè)計(jì)的主流形式，針對(duì)在該領(lǐng)域研究的空白，本文給出了一個(gè)空間信息網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)可重組設(shè)計(jì)的一個(gè)框架，并開展了相關(guān)工作。

1)通過定義基本概念，界定了研究范圍，結(jié)合可重組的特點(diǎn)，制定了設(shè)計(jì)原則，并重點(diǎn)分析了可重組設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)機(jī)制。

2)在可重組網(wǎng)絡(luò)模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了實(shí)現(xiàn)體系結(jié)構(gòu)可重組設(shè)計(jì)的算法，并詳細(xì)論述了算法流程，進(jìn)而指導(dǎo)可重構(gòu)設(shè)計(jì)的具體實(shí)現(xiàn)。

3)通過一個(gè)典型案例——反導(dǎo)作戰(zhàn)活動(dòng)，對(duì)文中的理論方法進(jìn)行了仿真驗(yàn)證和定性分析，從而也驗(yàn)證了可重構(gòu)設(shè)計(jì)方法的有效性和可行性。

然而，文中還存在一些不足有待在下一步研究中加以改善，包括設(shè)計(jì)原則的完善，實(shí)現(xiàn)流程和算法的優(yōu)化。同時(shí)，在模型可行性和有效性驗(yàn)證方面，缺乏定量的分析，這也是課題組下一步需要研究的主要內(nèi)容。