空间环境态势感知初探

刘帅 李智 张令军

1.装备学院航天指挥系北京101416 China

现代战争中,无论作战行动的规划还是具体实施,空间力量的运用扮演着越来越重要的角色.作为空间系统赖以生存的外部环境,空间环境受太阳活动、行星际磁场以及地球自身磁场的共同影响,始终处在一个动态变化的过程中,表现出复杂系统的种种特性.因而对空间天气的准确把握亦成为各航天大国竞相角逐的焦点之一.

空间环境能够造成航天器各种各样的故障,如单粒子效应、太阳能电池降级、动量矩失衡、卫星的指控及数据通信链路中断、轨道衰变等,影响航天器在轨寿命,甚至使得整个空间任务失败;地基空间系统如目标监视雷达、导弹跟踪雷达等同样受空间环境的影响.因此,空间环境对空间系统的性能、生存能力有着至关重要的作用,进而影响整个联合作战进程.

空间环境态势感知以空间环境为感知对象,是空间态势感知的基础组成部分.鉴于数据在空间环境的研究、应用中起到的基础作用,面对“丰富的数据、贫乏的知识”的尴尬现状,本文以数据的获取、利用为线索,在对空间环境态势感知进行系统认识的基础上,讨论了基于DDDAS的空间环境态势感知组成及系统构建相关问题.

1 空间环境态势感知的定义

结合美军对空间环境态势感知[1]定义和文献[2],这里给出空间环境态势感知的定义为:对空间环境及各种环境效应的现状、趋势信息的获取、认知和利用,以服务于指挥员、决策人员、任务规划人员和操作人员,取得并维持制天权的各种活动.服务于空间环境态势感知的信息系统称为空间环境态势感知系统.

以上定义偏重于空间环境态势感知的军事应用,这是以空间态势感知系统的产生背景为基础的,同时能够有效地区别于以科学研究和工程应用为目的的空间环境信息系统,如欧空局空间环境信息系统(Space environment information system,SEIS)[3−4].

空间态势感知系统是取得制天权的基础,而空间环境态势感知系统是其重要组成部分.从对抗的角度而言,通过空间环境态势感知系统,参战人员能够深刻理解空间环境对空间系统造成的影响,并能够将这种环境效应转化为决策信息,或者用于修正精确制导武器等打击力量的实施方案.从控制的角度而言,通过空间环境态势感知系统,操作人员能够及时地对空间环境事件、航天器异常事件进行监测、预测、判别、应对,最大限度地减少环境效应带来的风险和损失.

空间环境态势感知的最终目标为减弱空间环境对己方空间系统的影响,提高己方空间系统的性能,同时有效利用空间环境对敌方系统造成的潜在影响达成行动意图.对空间环境态势感知系统的充分利用,将有利于制天权的获取与维持,有利于减弱战争迷雾对决策者的影响,降低空间系统可能的风险,更快速地对空间系统进行评估,以及缩短军事行动周期.

2 空间环境态势感知系统能力需求

以下对空间环境态势感知的能力需求进行简要描述,前两条侧重于数据的获取途径,后续则偏重于信息的处理与利用.

1)监测与空间系统、空间任务相关的空间环境状态,获得全空域、全时段、全要素、全能谱的空间环境测量数据.

2)能够访问其他实际测量及预测的环境信息,包括地球空间、临近空间及外层空间环境,实现己方、敌方在内的作战行动的环境效应预测、应对以至利用.

3)提供空间环境各要素多时空分辨率、及时准确的现报、预报服务,提供空间环境事件的警报和事后分析服务.

4)提供空间环境(包括自然环境和人为环境,如高空核爆)对空间系统、空间任务的环境效应评估与预报服务.

5)提供航天器异常事件的定位、判别、分析与解决方案服务,如判别异常事件是由自然环境、敌对行动、机械故障亦或误操作引起,从而采取对应的措施.

图1 卫星故障原因判别

6)将空间环境作为影响因素,支援武器装备方案论证、效能评估工作,提高武器装备的生存能力和工作性能.

7)可用于评估我方、敌方及第三方空间系统和其他空间资产的环境脆弱性.

8)支持空间任务序列中空间环境部分的研发与执行[1,5].

3 空间环境态势感知组成

3.1 DDDAS概念解析

DDDAS的核心理念是[6−8]:将实验/测量与仿真相结合,动态地注入新数据到仿真系统中,同时仿真系统能够做出及时的响应,一方面用于提高模型的预测精度,改善模型的分析能力,另一方面能够利用仿真结果实现对测量过程的指导,从而形成一种共生的反馈控制系统,见图2[9].DDDAS面向的应用往往为难以建立准确模型的复杂系统,其实现过程需要领域知识、信息科学、计算机科学、控制科学、数学等多个学科的交叉.

图2 DDDAS概念图

对于空间环境,可将其视为具有高度动态特性的复杂系统,现有的理论及模型不能全面反映系统内部之间、系统与外部环境之间的相互作用,使得计算结果与实际测量值有较大的差异.对于空间环境态势感知和卫星操控而言,这种差异关系到决策的制定,影响航天器及载荷的有效寿命,甚至决定了任务的成败.一个有效的解决途径是充分利用测量数据,让数据在系统运行过程中发挥作用,而不只是作为仿真的初始条件、边界条件,即基于DDDAS框架考虑空间环境态势感知能力构建.

3.2 空间环境态势感知组成

传统的空间环境态势感知组成包括传感器、数据处理和存储、数据融合(信息融合)3个部分,三者形成空间环境态势感知能力的基础[1−2].而根据DDDAS理念,本文提出空间环境态势感知的第4个组成部分—控制模块.

传感器主要利用可见光、红外、微波、X-射线、高能粒子、磁场、温度等探测设备获取空间环境各要素的状态数据,包括地基测量系统、天基测量系统、空基测量系统以及邻近空间测量系统,广义上还包括虚拟测量系统,即从其他数据源获取的测量数据,属于间接测量.目前美国拥有世界上最为先进的空间环境监测体系,其传感器系统分布范围广、时间跨度大、观测谱段全面,部分系统甚至成为世界范围内唯一数据源,如用于实时测量太阳及太阳风参数的ACE、SOHO卫星等.

数据处理和存储主要利用数据处理、建模、存储、共享等技术,提供一致的、可靠的、高效的数据访问以及模型输出,保证后续业务对多种参数(实时/静态/单一/多源/异构)的需求.

图3 基于DDDAS的空间环境信息系统框架图

数据融合主要是将多源传感器的信息进行融合,以及将环境信息与系统性能参数有效地融合,更加客观地描述和预报空间环境对空间系统性能以至军事行动的影响.美空军空间司令部指出当前应当突出提高数据融合能力,以最大限度地利用现有信息.其空间态势感知环境效应融合系统(Space environmental ef f ects fusion system,SEEFS)项目能够将环境信息与系统性能参数融合成决策变量,支持战略、战役、战术层面的不同应用,使用户将主要资源集中于自身任务规划上,避免了不必要的资源浪费.

控制模块主要完成传感器控制参数与空间环境测量数据、模型输出的关联和接口描述.控制模块的加入使得空间环境态势感知形成了闭环回路,能够完成更加具有针对性的测量任务,有利于整体测量任务的规划和资源的有效利用.

4 空间环境态势感知系统构建方案

基于DDDAS建立空间环境态势感知系统需要从以下几个方面做出努力[6,10−15]:

1)系统软件:DDDAS系统软件技术和框架采用开放式的系统架构,各功能组成单元具备模块化、可扩展、易集成特性,能够支持DDDAS应用对计算、通信、数据需求的动态变化;能够集成多源、异构、海量的空间环境数据,如地基、空基、天基测量数据,模型生成数据等;能够提供不同时间尺度的空间环境相关数据,满足不同的应用需求,如实时、近实时测量数据、历史归档数据等;能够实现对不同分辨率模型的自动选择;基于动态的需求变化提供对底层异构资源的调度管理;支持容错处理和质量服务保障,确保动态数据流入和测量控制的资源可用性;提供与测量系统之间的交互接口,实现对测量系统的控制;提供良好的人机交互接口.可参考的技术包括面向服务体系架构(SOA)、大数据、云计算等.

图3为基于DDDAS设计的空间环境态势感知系统框图,主要由测量系统、数据处理模块、数据集成模块、仿真模型模块、控制模块、分析预警模块、监测模块和管理模块构成.虚线框内是系统的核心部分,即DDDAS实现部分.其中管理模块负责整个系统及子系统的功能描述、接口规范、资源调度等工作,是系统软件自适应的核心成员.控制模块完成模型与测量单元的交互映射.

2)模型:基于注入的动态数据,对空间环境各要素进行多层次、多模式的建模分析,并动态地受数据控制,能够随输入数据动态地激活这些模型、涉及的技术包括:多模式建模和多层次建模、动态分辨率模型、动态数据同化;对异步收集数据集成技术.在模型调用方面,能够根据数据流动态地组合各模型,包括:模型组件的动态选择、应用模型之间的接口、底层资源的动态请求与发现等.

3)算法:DDDAS系统要求模型中的算法,包括数值方程求解算法、插值及外推算法、优化算法、模型控制算法等能够适应数据的扰动和误差的影响.空间环境各要素覆盖范围广,时间跨度大,且探测设备都具有较高灵敏度,使得探测数据具备高度的动态特性,数据质量难以得到保证,对算法的适应性提出了较高要求.

4)测量系统:在DDDAS理念下,传感器等测量设备应能够受仿真系统的控制,对于天基测量设备而言,受限于其轨道、地面测控站位置等客观条件.一种有效的方式是采用机动性强、成本低廉、能够搭载多种探测载荷的微小卫星平台组网探测以及多平台数据的综合利用.

5 结论

空间环境有着复杂而动态多变的复杂系统特性,传统的建模仿真与测量系统分离的现状难以满足空间系统、空间任务对环境相关信息的实际需求;另一方面,我国的空间环境业务应用尚处在发展阶段,各方面基础相对薄弱,尤其天基空间环境监测手段缺乏,大量依赖于国外数据源,距离空间环境态势感知成体系的建设尚有差距.

基于DDDAS理念构建空间环境态势感知系统提供了一种可能的解决方案,但DDDAS涉及的领域知识和底层技术较为分散,仍处在不断地探索阶段,需要进一步细化研究.