先進(jìn)信息技術(shù)在載人航天器中的應(yīng)用探討

張舒琪 楊宏 易予生

(北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094)

航天技術(shù)的發(fā)展對人類社會進(jìn)步作出了巨大的貢獻(xiàn)，人類一直致力于突破大氣層、到外太空探索新資源。航天任務(wù)的不斷發(fā)展離不開信息技術(shù)的支持，無論是天地測控鏈路的建立，還是對信號的采集，都依賴于信息技術(shù)的發(fā)展。

傳統(tǒng)意義上的信息技術(shù)是指通過科學(xué)合理的手段與方法及硬件軟件方面的支持，對圖像、聲音、文字等信息進(jìn)行分析處理及存儲加工[1]。該定義強調(diào)的是信息技術(shù)的現(xiàn)代化與高科技含量，而物聯(lián)網(wǎng)和云計算在現(xiàn)階段代表了先進(jìn)信息技術(shù)的最新形式及方向。根據(jù)中國物聯(lián)網(wǎng)校企聯(lián)盟的定義，物聯(lián)網(wǎng)是綜合布線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、信息傳感技術(shù)、音視頻技術(shù)等大量信息技術(shù)的結(jié)合，可以令信息更全面地被采集與傳輸，是現(xiàn)代科技的最新呈現(xiàn)形式與應(yīng)用模式[2]。

航天應(yīng)用的信息技術(shù)，在航天器的設(shè)計、組裝、測試、發(fā)射、在軌運行和返回著陸等方面發(fā)揮著重要的作用。當(dāng)前的航天信息系統(tǒng)已不再是過去單純的天地通信、數(shù)據(jù)處理及總線式的分布式體系架構(gòu)，已超越了傳統(tǒng)信息系統(tǒng)的概念和范疇，含義更寬泛，包含內(nèi)容越來越多，范圍越來越廣，并逐漸向網(wǎng)絡(luò)化與一體化方向發(fā)展。這不僅要求航天器內(nèi)部各功能模塊間、子系統(tǒng)間、甚至各系統(tǒng)間信息實現(xiàn)互聯(lián)互通，還需要與航天器實現(xiàn)信息共享，提升航天器的整體性能。

目前，我國開展了多項大型航天任務(wù)，如載人空間站、月球探測、載人登月等，這將對航天信息技術(shù)的發(fā)展提出更高的要求。本文在分析我國載人航天器信息技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上，根據(jù)我國載人空間站任務(wù)，提出了未來載人航天器信息技術(shù)需求，分析了物聯(lián)網(wǎng)、云計算等先進(jìn)信息技術(shù)在載人航天任務(wù)中應(yīng)用的可行性，最后結(jié)合實際對未來我國載人航天信息技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展進(jìn)行探討。

1 載人航天器信息系統(tǒng)發(fā)展及特點

我國載人航天工程經(jīng)歷了從無到有、從弱到強的發(fā)展歷程，信息系統(tǒng)設(shè)計也不斷升級擴展，逐步走向成熟，實現(xiàn)了各種航天信息資源綜合利用、信息融合、優(yōu)化配置、整體性能最優(yōu)的高成熟度、高可靠性的航天信息系統(tǒng)[3]。

1.1 載人航天器第1代信息系統(tǒng)

以應(yīng)用于載人飛船為代表的第1代信息系統(tǒng)，規(guī)劃了指令和信息流，如圖1所示。它是以高可靠船載計算機、分布式智能終端及總線為核心的船載信息系統(tǒng)，采用三機表決的船載計算機、雙冗余度1553B總線、應(yīng)急數(shù)據(jù)存儲等設(shè)計方案，能實現(xiàn)空空通信、遙控遙測、雙向通話、下行圖像等功能。該系統(tǒng)一直應(yīng)用于“神舟”系列飛船，滿足自主飛行、出艙活動、交會對接、組合體控制等各類任務(wù)需求。

1.2 載人航天器第2代信息系統(tǒng)

在天宮二號空間實驗室、天舟一號貨運飛船上應(yīng)用的第2代信息系統(tǒng)，將高級在軌系統(tǒng)(AOS)用于載人航天器信息系統(tǒng)設(shè)計。采用航天器多用戶、大容量數(shù)據(jù)分級管理方法，搭建基于1553B總線的高可靠系統(tǒng)網(wǎng)與基于1394總線和低電壓差分信號(LVDS)協(xié)議的高速載荷網(wǎng)分級管理的數(shù)據(jù)管理平臺，實現(xiàn)了遙測數(shù)據(jù)、遙控數(shù)據(jù)、圖像、話音及載荷數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，實現(xiàn)前返向測控數(shù)據(jù)傳輸，保證地面對組合體狀態(tài)的統(tǒng)一監(jiān)控和航天員在任一航天器內(nèi)對組合體的監(jiān)控。

1.3 載人空間站信息系統(tǒng)

目前，我國正在開展空間站研制工作，結(jié)合當(dāng)代信息技術(shù)的最新成果，將互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于空間站系統(tǒng)設(shè)計，統(tǒng)一構(gòu)建了載人空間站信息系統(tǒng)。根據(jù)信息種類及數(shù)據(jù)量傳輸?shù)牟町愋?，將空間站網(wǎng)絡(luò)劃分為系統(tǒng)網(wǎng)、通信網(wǎng)及載荷網(wǎng)，分別執(zhí)行不同的數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，并通過Wi-Fi協(xié)議實現(xiàn)艙內(nèi)無線網(wǎng)絡(luò)的搭建，其信息系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。單艙模式下各艙網(wǎng)絡(luò)獨立運行，同時設(shè)置獨立的穿艙網(wǎng)絡(luò)，以實現(xiàn)組合體模式下整站的統(tǒng)一信息管理[4]。

縱觀我國載人航天領(lǐng)域信息系統(tǒng)的發(fā)展，其具備了跟蹤測軌、遙測遙控、中繼高速數(shù)傳、圖像話音通信、天地一體化高速網(wǎng)絡(luò)、航天員信息服務(wù)等功能，是各種航天測控資源綜合利用、信息融合、優(yōu)化配置、整體性能最優(yōu)的高成熟度、高可靠性的航天信息系統(tǒng)。由于航天任務(wù)固有的可靠性要求，與現(xiàn)代先進(jìn)的信息技術(shù)相比，目前的航天信息系統(tǒng)仍相對落后。隨著我國航天技術(shù)的發(fā)展，未來在軌航天器數(shù)量大、運行形態(tài)多、在軌時間長、處理能力和通信速率要求高、飛控程序復(fù)雜[5]，這些需要信息系統(tǒng)具備更高的整體性能。

2 載人航天器先進(jìn)信息技術(shù)需求

隨著我國航天任務(wù)不斷發(fā)展，空間站建成后需要航天員長期在軌完成大量工作，這對航天員的生活環(huán)境及工作手段提出了更高的要求。借鑒地面現(xiàn)有的一些成熟商用技術(shù)及產(chǎn)品，將其應(yīng)用于載人航天器中，不僅可以提升航天器的性能，還會提高航天員在軌生活的智能性、舒適性與便捷性。

2.1 智能家居技術(shù)

2.1.1 需求分析

載人空間站工程任務(wù)階段，航天員長期在軌駐留，良好的艙內(nèi)環(huán)境設(shè)計、人機交互設(shè)計、智能終端設(shè)計、無線生理參數(shù)檢測設(shè)計，可以構(gòu)建高效、舒適的宇航家居環(huán)境，使航天員的工作、生活和地面一樣，更加智能、便利、舒適和安全，對有效緩解航天員長期在軌造成的心理壓力有極大的幫助，同時為地面飛控人員的工作提供便利。目前，地面的智能家居技術(shù)是計算機技術(shù)、信息傳感技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、音視頻技術(shù)等多項先進(jìn)技術(shù)融合應(yīng)用的成果，將有關(guān)的家居設(shè)備集成管理，實現(xiàn)互聯(lián)互通，提升家居安全性、智能性、便利性、舒適性[6]。“國際空間站”的建造時間較早，受到信息技術(shù)發(fā)展的制約，其信息系統(tǒng)主要由光纖分布式數(shù)據(jù)接口(FDDI)網(wǎng)絡(luò)及1553B總線系統(tǒng)構(gòu)成，部署及協(xié)議復(fù)雜，易出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁塞現(xiàn)象，并不是智能家居網(wǎng)絡(luò)建立的最佳選擇。我國空間站正處于建造階段，空間站通信網(wǎng)和天地一體化網(wǎng)絡(luò)的建立為宇航智能家居系統(tǒng)的發(fā)展提供了堅實的基礎(chǔ)。

2.1.2 應(yīng)用探討

目前，設(shè)備運營商中蘋果公司推出的智能家居平臺主要指HomeKit，定義了HomeKit 附屬協(xié)議(HAP)的協(xié)議棧實現(xiàn)設(shè)備之間的互聯(lián)互通，該協(xié)議規(guī)范了智能家居產(chǎn)品如何與iOS終端連接與通信[7]。HomeKit將家庭作為智能家居設(shè)備的集合，一些設(shè)備組成場景由終端進(jìn)行統(tǒng)一控制。蘋果平臺的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、安全性及可靠性高，但是未經(jīng)授權(quán)無法自行開發(fā)兼容HomeKit的應(yīng)用[8]，無法將其直接應(yīng)用于我國載人航天器中；但是，HomeKit所涉及的“場景”概念十分新穎，可加以借鑒。依據(jù)航天員生活工作的需求，設(shè)置娛樂模式、睡眠模式、起床模式、交會對接模式、無人值守模式等，將航天器中的照明裝置、安全監(jiān)測裝置、通話裝置、攝像頭及機械臂等設(shè)備結(jié)合起來在場景模式下統(tǒng)一管理，可提升載人航天器的智能性與航天員工作的高效性。

除此之外，小米公司與華為公司也推出了自己的智能家居產(chǎn)品鏈，皆以路由器為整個智能家居系統(tǒng)的核心，能實現(xiàn)設(shè)備互聯(lián)及場景聯(lián)動。華為公司提出的HiLink協(xié)議可實現(xiàn)多標(biāo)準(zhǔn)、多協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換，同時支持ZigBee、Wi-Fi及藍(lán)牙的設(shè)備接入系統(tǒng)，其協(xié)議架構(gòu)如圖3所示。手機、平板電腦、智能音箱等支持HiLink協(xié)議的終端，可以接入智能網(wǎng)關(guān)、智能家居云，并支持通過APP對設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，也支持設(shè)備之間的聯(lián)動控制[9]，其系統(tǒng)架構(gòu)對宇航智能家居系統(tǒng)的建立有借鑒作用。

載人航天器的信息系統(tǒng)應(yīng)遵守安全設(shè)計原則，平臺遙測、指令等可靠性要求高的數(shù)據(jù)使用系統(tǒng)網(wǎng)傳輸，圖像、話音和移動信息服務(wù)等數(shù)據(jù)使用通信網(wǎng)傳輸，試驗數(shù)據(jù)使用載荷網(wǎng)傳輸。其中：系統(tǒng)網(wǎng)與通信網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)單向傳輸；通信網(wǎng)與載荷網(wǎng)物理上統(tǒng)一、邏輯上隔離，保證信息系統(tǒng)的安全性。我國正在建造的空間站已初具智能生活的雛形，航天員可通過手機、控制面板等終端對攝像機、食品加熱裝置等設(shè)備進(jìn)行控制，但還未形成正式、完整的智能家居系統(tǒng)，在系統(tǒng)功能分析及系統(tǒng)通信協(xié)議的設(shè)計上還需要進(jìn)一步完善。智能家居系統(tǒng)作為空間站通信網(wǎng)的子網(wǎng)，以以太網(wǎng)與Wi-Fi技術(shù)為基礎(chǔ)，將智能家居的概念引入其中，系統(tǒng)化地將已有的一些功能包括其中，同時從提高航天員在軌工作和生活效率的角度考慮引入新的功能，形成完整的宇航智能家居系統(tǒng)。結(jié)合我國空間站現(xiàn)有通信網(wǎng)結(jié)構(gòu)及功能所形成的智能家居系統(tǒng)架構(gòu)，如圖4所示。所有設(shè)備通過交換機連接到服務(wù)器，由服務(wù)器完成數(shù)據(jù)的處理與存儲，航天員使用手機、平板電腦等無線終端支持Wi-Fi協(xié)議，通過路由器接入網(wǎng)絡(luò)對其他設(shè)備進(jìn)行控制，完成智能音視頻、智能顯示報警、智能家電管理、智能醫(yī)監(jiān)醫(yī)保、智能環(huán)境監(jiān)測管理、智能物資管理、智能安?？刂频雀黜椆δ?。隨著航天任務(wù)的不斷升級，還會有越來越多的先進(jìn)產(chǎn)品應(yīng)用到空間站中，此時Wi-Fi技術(shù)的優(yōu)越性便體現(xiàn)出來，支持Wi-Fi協(xié)議的設(shè)備不需要重新布線，安裝并登錄到服務(wù)器即可。

載人航天器智能家居系統(tǒng)的研制與升級應(yīng)與民用智能家居系統(tǒng)保持同步，充分借鑒民用智能家居系統(tǒng)技術(shù)，如蘋果公司及華為公司的協(xié)議設(shè)計，保持技術(shù)的先進(jìn)性，不同設(shè)備間可以兼容、互聯(lián)，技術(shù)發(fā)展與民用領(lǐng)域同步，從而保證空間站能夠良好地兼容未來智能家居技術(shù)和產(chǎn)品。

圖3 HiLink協(xié)議架構(gòu)Fig.3 HiLink protocol architecture

2.1.3 需要關(guān)注的問題

智能家居技術(shù)在發(fā)展之初并不是為了用于航天任務(wù)，地面的智能家居系統(tǒng)架構(gòu)及協(xié)議設(shè)計并不能直接應(yīng)用于航天器，地面商用系統(tǒng)的開放性在一定程度上存在不可靠的缺點，需要經(jīng)過一系列的測試改良。因此，在設(shè)計階段應(yīng)明確提出一些關(guān)鍵功能，并在其中采用冗余備份設(shè)計，如有可能還可采用相同功能異構(gòu)設(shè)計，提高系統(tǒng)可靠性。對于非關(guān)鍵功能，考慮到系統(tǒng)代價和研制成本，可靠性要求可適度放寬，但仍要做到故障隔離設(shè)計，最大限度地降低影響和風(fēng)險。在宇航智能家居系統(tǒng)中，服務(wù)器承擔(dān)著最核心的任務(wù)，需要設(shè)置備份服務(wù)器，以免出現(xiàn)意外導(dǎo)致整個系統(tǒng)癱瘓；另外，智能家居系統(tǒng)的各個頂層交換機與接入交換機也屬于關(guān)鍵器件，而在下屬的功能模塊中不影響整站運行及航天員在軌正常生活的功能，如舷窗控制、娛樂休閑等功能設(shè)置為非關(guān)鍵功能，不需要冗余設(shè)計。

2.2 AR技術(shù)

2.2.1 需求分析

航天員手控交會對接、出艙活動、應(yīng)急返回手控操作等任務(wù)，對于航天器在軌組裝、維修和控制具有重大意義。目前，航天員在軌獲得任務(wù)操作指導(dǎo)信息的主要方法是查看手冊，或者與地面控制中心通話獲得技術(shù)支持[10]。但是，航天員在失重狀況下翻閱飛行手冊造成了身體的不穩(wěn)定性，會增加不必要的操作風(fēng)險；在電腦上查閱信息同樣存在問題，電腦的位置固定，航天員無法在操作的同時查閱信息，造成工作效率低；與地面的交互相比，查閱手冊更加不直觀，且會面臨通信延時及不在測控區(qū)等由天地通信鏈路造成的問題。

為了準(zhǔn)確地完成出艙、控制等任務(wù)，航天員首先需要在艙內(nèi)完成設(shè)備的維修訓(xùn)練并模擬操作。AR技術(shù)可以將計算機生成的虛擬對象添加到現(xiàn)實世界中，如圖像、文字、音頻等增強信息，使其與現(xiàn)實世界融合在一起，通過將虛擬對象和真實物體疊加于同一空間中，令用戶可以直觀感受，指導(dǎo)其完成陌生且復(fù)雜的工作。

2.2.2 應(yīng)用探討

為了呈現(xiàn)AR技術(shù)構(gòu)建的場景，AR技術(shù)的顯示技術(shù)主要分為頭戴式、計算機屏幕顯示式、手持式和投影式，結(jié)合用戶的沉浸體驗感與操作的便捷性，頭戴式AR眼鏡是最適宜太空應(yīng)用的一種。我國在飛行員的訓(xùn)練中已逐步開始應(yīng)用AR眼鏡，但還未使用到載人航天器中；而NASA已成功將幾副Microsoft公司開發(fā)的HoloLens眼鏡送入太空，Hololens是一款可直接單獨使用的AR眼鏡。在基于HoloLens的增強現(xiàn)實識別系統(tǒng)設(shè)計中，以HoloLens為客戶端，計算機為服務(wù)端，通過IP地址和端口號進(jìn)行信息傳輸[11]。其中：客戶端的實現(xiàn)步驟為人機交互(包括手勢識別、凝視識別、語音識別等交互方式)、信息傳輸、通過HoloLens前置攝像頭進(jìn)行信息采集、從服務(wù)器獲取模型并動態(tài)加載及完成空間映射；服務(wù)端通過模型打包、獲取樣本數(shù)據(jù)集、訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)模型及分析模型識別結(jié)果等步驟提供虛擬模型生成和信息處理的功能，通信過程依靠用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議(UDP)進(jìn)行傳輸。HoloLens對網(wǎng)絡(luò)協(xié)議(IP)和UDP的應(yīng)用與我國空間站通信網(wǎng)所采用的傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)絡(luò)協(xié)議(TCP/IP)模型符合，因此可考慮將其應(yīng)用于我國空間站的建造中，作為一個網(wǎng)絡(luò)終端通過Wi-Fi連入網(wǎng)絡(luò)，同時設(shè)置與之匹配的計算機作為服務(wù)器，根據(jù)用戶需求調(diào)用服務(wù)器中已存儲好的模型，再通過Hololens的空間映射功能將任務(wù)計劃、任務(wù)狀態(tài)、工作要求等輔助信息、圖像經(jīng)過分析計算投放到航天員眼睛前方，在航天員操作的同時可以由地面將輔助信息發(fā)送給AR眼鏡，指導(dǎo)航天員在軌工作。

2.2.3 需要關(guān)注的問題

作為一個無線終端加入載人航天器的通信網(wǎng)中，需要注意AR眼鏡是否能夠承受復(fù)雜多變的太空環(huán)境，其中最顯著的是熱環(huán)境與空間輻射問題，例如：器件是否可以承受溫差幾十度的突變，其可承受的溫度范圍是多少，抗輻射能力如何。商用AR眼鏡往往采用超大規(guī)模集成電路、器件(如千萬門數(shù)的FPGA、高性能CPU等)，空間環(huán)境適應(yīng)性差，如果使用不當(dāng)，反而會影響正常的航天任務(wù)。因此，在AR眼鏡設(shè)計之初,需要對器件進(jìn)行附加的測試、篩選、評估與維護(hù)。商用芯片、軟件往往程序封裝，源碼不可見，無法評測，存在安全風(fēng)險。在地面測試階段，針對商用產(chǎn)品應(yīng)增強地面測試手段，提高測試強度和測試用例，確保測試的覆蓋性和有效性，及早暴露和發(fā)現(xiàn)問題，保證系統(tǒng)的可靠性和安全性。

2.3 語音識別技術(shù)

2.3.1 需求分析

隨著載人航天器信息系統(tǒng)的不斷升級，航天器內(nèi)的活動空間不斷擴充，設(shè)備數(shù)目及其設(shè)計的復(fù)雜度也在不斷增加。為了減少航天員在軌工作的任務(wù)量，讓航天員便捷地對艙內(nèi)設(shè)備隨時隨地進(jìn)行操作，載人航天器內(nèi)部設(shè)備的操控方式要滿足更高的要求。目前，地面成熟的主流控制方式有觸屏方式及語音控制方式2種。觸屏方式已逐漸應(yīng)用于我國的航天技術(shù)中，如我國空間站中的控制面板可對一些設(shè)備進(jìn)行開關(guān)等簡單操作，而語音控制方式還未開始應(yīng)用。從近年來蘋果、華為、小米等公司不斷升級推出的智能音箱來看，語音控制會成為未來操控電器設(shè)備的主流方式，因此將語音識別技術(shù)引入載人航天器的建造勢在必行。

2.3.2 應(yīng)用探討

語音識別技術(shù)是實現(xiàn)語音控制最關(guān)鍵的手段，在智能音箱中完成對語音信號的采樣，并且將語音信號進(jìn)行數(shù)字化處理，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栠M(jìn)入語音識別系統(tǒng)。首先，系統(tǒng)對其進(jìn)行預(yù)處理，將信號切割成一個一個的片段，每段稱為一幀，并且切除首尾端的靜音段，以免對后續(xù)操作造成不好的影響。然后，將信號進(jìn)行聲學(xué)特征提取，得到一組特征向量，將這組特征向量與存儲于系統(tǒng)中的聲學(xué)模型與語言模型進(jìn)行匹配，根據(jù)特定的規(guī)則計算出相應(yīng)的概率，并選擇盡可能符合特征參數(shù)的結(jié)果，即語音識別的文本。最后，將識別出的結(jié)果與存儲的指令庫對應(yīng)，找到符合的指令后發(fā)送給相應(yīng)的設(shè)備。語音模板是根據(jù)對樣本不斷進(jìn)行訓(xùn)練所提取出來的特征參數(shù)，所以對模型進(jìn)行訓(xùn)練是語音識別過程中很關(guān)鍵的一點[12]。

智能音箱作為語音交互系統(tǒng)中的一臺設(shè)備，是語音識別的媒介，也是航天員訪問艙內(nèi)設(shè)備的入口。它需要包含幾項基本功能：①查詢功能，例如溫度、時間的查詢；②語音喚醒功能，例如蘋果產(chǎn)品通過口令“嘿，Siri”即可進(jìn)行交互；③控制家電功能，通過口頭的語音轉(zhuǎn)換為文本指令，實現(xiàn)控制，例如“打開空間站照明燈”。為了方便連接，載人航天器中的通信協(xié)議采用TCP/IP模型，支持Wi-Fi技術(shù)連入通信網(wǎng)，完成與其他設(shè)備之間的交互。

2.3.3 需要關(guān)注的問題

同AR眼鏡在航天器中的應(yīng)用類似，智能音箱也是作為一個網(wǎng)絡(luò)終端存在于系統(tǒng)通信網(wǎng)中，同樣面臨空間環(huán)境的復(fù)雜多變問題，對器件的篩選加固是不可避免的。另外，語音識別技術(shù)要想在航天器中成為一種控制手段，需要極高的可靠性與準(zhǔn)確性?，F(xiàn)階段，地面的商用語音識別技術(shù)并不能達(dá)到百分之百的準(zhǔn)確率，在操作的準(zhǔn)確性上低于觸屏方式，因此需要進(jìn)一步對語音模型進(jìn)行訓(xùn)練，設(shè)置專屬航天器的語音模型庫，改進(jìn)語音識別的算法與應(yīng)用方法，提高語音識別率，增強語音識別的魯棒性[13]。

2.4 云計算技術(shù)

2.4.1 需求分析

新一代的載人航天器承擔(dān)了大量空間試驗任務(wù)，隨之而來的龐大數(shù)據(jù)量不僅對天地信息傳輸系統(tǒng)提出挑戰(zhàn)，也對艙上設(shè)備的計算能力與存儲能力提出了新的需求。過去的數(shù)據(jù)運算分析任務(wù)主要由單機設(shè)備來執(zhí)行，這對每臺設(shè)備的單機性能要求極高，其硬件條件直接決定了系統(tǒng)執(zhí)行指令的效率及運行的速度。同時，為了滿足未來不斷變化的航天任務(wù)需求，艙內(nèi)設(shè)備需要不斷升級與替換，為了節(jié)約太空的生活資源、縮減研究成本，需要考慮更加適宜的數(shù)據(jù)計算及存儲模式。

近年來，云計算技術(shù)的發(fā)展非常迅猛，它以數(shù)量龐大的服務(wù)器集群、容量超大的存儲設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)帶寬等資源為基礎(chǔ)，根據(jù)用戶需求進(jìn)行動態(tài)資源分配來提供信息服務(wù)，具有超大規(guī)模、虛擬化、多用戶、高可靠性、高可擴展性等特點。本地計算機作為用戶與“云”進(jìn)行交互的一個入口，用戶完成所有的信息運算分析不再僅僅依靠本地服務(wù)器，而是交遞到“云”中，將大量的計算需求分割，交給大量的服務(wù)器共同完成，提升計算效率。由于大量服務(wù)器的協(xié)同配合，對于其中的每位用戶來說，“云”可開發(fā)的潛力是巨大的，具有極強的可擴展性，并且可以在不占用本地內(nèi)存的情況下隨時獲取，在提升系統(tǒng)計算效率的同時解決了航天器內(nèi)存有限的問題。

2.4.2 應(yīng)用探討

在現(xiàn)有技術(shù)中，云計算有公有云和私有云2種部署模式。公有云的缺點是數(shù)據(jù)不存儲于自身的數(shù)據(jù)中心，存在安全隱患；私有云的“云”可以布置在系統(tǒng)內(nèi)部，更加注重數(shù)據(jù)的保密性，適合航天任務(wù)的應(yīng)用[14]?；谖覈臻g站天地一體化網(wǎng)絡(luò)的建立，太空也成為了互聯(lián)網(wǎng)的一部分，在地面建立大型的私有云服務(wù)集群，航天器上運算量大的設(shè)備可將其數(shù)據(jù)采集后通過天地鏈路直接傳輸于云服務(wù)端進(jìn)行分析處理，從而簡化艙內(nèi)設(shè)備的性能要求，并且在地面保留原始數(shù)據(jù)，方便地面飛控人員對其進(jìn)行查詢分析。除此之外，私有云還可以為航天任務(wù)提供可靠的云存儲服務(wù)，將整個系統(tǒng)中管理存儲業(yè)務(wù)的服務(wù)器集合起來，形成一個整體，同時將服務(wù)器中的文件數(shù)據(jù)進(jìn)行拷貝，存儲于不同的服務(wù)器中，以此確保數(shù)據(jù)的安全，隱藏一些底層的實現(xiàn)細(xì)節(jié)，最終留一個統(tǒng)一的視圖入口供用戶使用，進(jìn)行數(shù)據(jù)的訪問及文件的傳輸與存儲[15]。私有云還能提供備份服務(wù)器，定時為主服務(wù)器中的元數(shù)據(jù)進(jìn)行備份，進(jìn)一步保證數(shù)據(jù)的安全，航天員在軌只需要登錄云賬號便可實時查閱所需資料，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理及一體化操作。

云計算的使用能提高系統(tǒng)整體的運算能力，為航天員提供更便捷的資源訪問和高可用的服務(wù)，但我國尚未具備實現(xiàn)的條件，主要原因如下。①云計算對天地交互支持提出更高需求，天地通信速率會進(jìn)一步提高，要由目前的兆比特每秒量級提高至吉比特每秒量級。如此大的數(shù)據(jù)速率，以及多用戶載荷的存在，需要采用更先進(jìn)的通信體制，如激光通信、量子通信、太赫茲通信等進(jìn)一步提高天地信息傳輸能力。②云計算需要在地面建立大型、遍布各地的航天任務(wù)私有云服務(wù)集群，即專屬于航天的云服務(wù)端，方便各地航天工作者使用，共同完成協(xié)議的開發(fā)與系統(tǒng)的管理，在此基礎(chǔ)上，載人航天器只相當(dāng)于一個位置較遠(yuǎn)且情況特殊的用戶，在艙內(nèi)計算機上登錄云賬戶即可完成數(shù)據(jù)的查詢與存儲。

2.4.3 需要關(guān)注的問題

云服務(wù)端負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的計算及底層物理資源的安全，客戶端則保障各自的運行環(huán)境與應(yīng)用的安全問題，計算資源的擁有者與使用者分離導(dǎo)致了云計算模式固有的信息安全問題。因此，在應(yīng)用中需要注意：將客戶端的數(shù)據(jù)隔離，謹(jǐn)防被私自篡改、盜取或混合，存儲于云服務(wù)端的數(shù)據(jù)應(yīng)妥善保管或銷毀，防止出現(xiàn)數(shù)據(jù)服務(wù)阻塞；保障云服務(wù)端的連續(xù)性及用戶取用數(shù)據(jù)的實時性；整個云平臺內(nèi)資源高度集中導(dǎo)致風(fēng)險集中，需要加強云服務(wù)端的防火墻設(shè)置；設(shè)置云數(shù)據(jù)備份與恢復(fù)服務(wù)，防止數(shù)據(jù)意外丟失或被覆蓋。

3 結(jié)束語

我國載人航天領(lǐng)域3個階段的發(fā)展充分證明了信息技術(shù)的重要性，也對信息技術(shù)的應(yīng)用提出了更高的要求。載人航天器的發(fā)展能夠帶動先進(jìn)信息技術(shù)的應(yīng)用，先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用同樣能大大提高載人航天器的能力，兩者相輔相成，相互促進(jìn)。本文針對有望應(yīng)用于載人航天器中提高其性能的4種地面先進(jìn)信息技術(shù)進(jìn)行了介紹，并對各個技術(shù)的應(yīng)用模式進(jìn)行分析。由于這些技術(shù)的開放性與可靠性之間存在矛盾，因此在載人航天器中要加以控制地使用，并要進(jìn)一步測試篩選。目前，國內(nèi)還沒有一套現(xiàn)成的規(guī)范可以遵循，因此建立一套完整的商用器件在載人航天器中應(yīng)用的測試規(guī)范是非常必要的。