美国“扩展空间传感器体系结构”研发及应用分析

2017-02-10 02:00郭丽红邹卫平沈达正北京跟踪与通信技术研究所

国际太空 2017年1期

郭丽红邹卫平沈达正（北京跟踪与通信技术研究所）

Development and Applications of U.S. Extended Space Sensors Architecture

郭丽红邹卫平沈达正（北京跟踪与通信技术研究所）

用于空间监视的传感器水平十分重要，因其决定着所获取空间态势感知数据的多少。空间态势感知数据的传输与共享技术在空间作战中也同样扮演着重要角色，受限时也会导致数据无法充分利用。由于空间资产在国家安全中的重要性日益提升，美国对空间态势感知越来越重视。为了保护美国的空间资产免于自然灾害和人为干扰的影响，美国已经建立了全球最为完善的空间监视网（SSN），对太空中所有人造物体（包括空间碎片）及其行为进行监视，并在运载火箭发射、载人航天和在轨运行航天器碰撞预警与规避中发挥重要作用。美军空间控制理念的提出，使得空间态势感知有了更加重要的战略意义。随着美国空间监视网传感器不断向更高水平发展，所获取的空间态势感知数据也在不断增加。但是，发展至2005年前后，美军意识到，由于各种原因，空间态势感知数据在相关团体间的传输与共享存在一定的问题，导致数据得不到充分利用，无法更好地服务于空间作战。为此，美国开展了“扩展空间传感器体系结构”（ESSA）计划，演示验证一种信息技术体系结构，对空间监视网中数据的传输与共享体系结构进行改进，从而充分发挥传感器数据的效用，实现空间监视网不同系统的信息和服务在空间团体间共享，并最终促进作战指挥官快速掌握空间态势，实现快速决策。

1 基本情况

研发背景

美军确定开展ESSA计划有其历史原因。由于美国空间监视网建设较早，至2005年，美国传感器阵列的信息技术体系结构仍大部分基于20世纪80年代的技术，空间监视网产生的数据大部分是通过点到点、hub、spoke路由传输，传输带宽非常有限，还不及家庭拨号上网业务的带宽。在太空中人造物体数量很少、仅用于跟踪和编目少量卫星的时代，该体系结构运行良好，足以适应空间监视数据的传输和共享。

发展至21世纪，空间环境持续恶化，空间碎片数量增加到数万个。为了应对这种状况，加强对空间的监视，美国开发和部署了由雷达和光学传感器组成的先进传感器阵列，用于探测、跟踪、编目和评估卫星及空间碎片的状态。但是，用于分发和集成这些传感器数据的技术相对滞后，原有的空间态势感知数据在相关团体间传输与共享的体系结构限制了传统空间团体之外的用户接入，以及空间团体之内各种任务区域的接入，导致数据得不到充分利用。此外，这种网络体系结构阻止了空间信息在其他领域的应用，也妨碍了新能力的开发和部署，不仅使信息的接入和分发困难，还增加了在现有的、有时专用系统中集成数据和处理的难度。

因此，在研发和部署新的空间监视传感器的同时，美军需要对传感器网络中数据的传输与共享体系结构进行改进，从而充分发挥传感器数据的效用。由此，美国开展了ESSA计划，该计划是美国国防部2006财年先进概念技术演示（ACTD）项目之一，于2010年完成。

ESSA计划概貌

ESSA计划由林肯实验室负责，是林肯实验室2007－2010年间在空间控制领域的主要研究项目。与该实验室所进行的设备级研发项目不同，这是一项系统级研发项目。在该计划框架下，林肯实验室开发了ESSA，并对其进行了演示验证。

ESSA是一个面向服务的网络结构，作为一个信息技术体系结构，可实现空间态势感知数据的接入和分发，从而可使空间团体共享来自空间监视网不同系统的信息和服务。

2007－2008年，林肯实验室向联合空间作战中心（JSpOC）移交了第一套ESSA，该系统能够为操作者提供来自林肯实验室“海斯塔克”附属雷达的实时图像。

2009年，林肯实验室已经向联合空间作战中心提供了多次ESSA演示验证。

2010年，ESSA先进概念技术演示验证收尾，此次演示成功验证了航天和导弹防御传感器的实时联网。在正式的军事效用评估的基础上，ESSA转化成为随后进行的项目，对网络中心的体系结构做进一步扩展。

截至2011年，基于ESSA，美军已经可以在保密IP路由协议网（SIPRNet）上为军队用户提供卫星的实时雷达图像。

基于ESSA，空间监视传感器可以实现网络中心化。在此基础上，林肯实验室还将研发信息开发引擎，从数据库和传感器提取信息。借助信息开发引擎，操作者将可以访问多种实时信息，从而达成快速响应性的决策。2011年及以后，林肯实验室在空间控制任务领域的工作重点之一是：从大型传感器研发转向信息提取、整合和决策支持，整合尽可能广泛的数据，并为用户提供产品订阅流程自动化服务。

体系结构

ESSA是一个网络中心化试验平台，是多项已验证技术[包括传感器“跨斗”（s e n s o r sidecar）、基于网络的技术如可扩展标记语言（XML）或网络服务描述语言（WSDL）、网络中心化服务]的综合集成。

基于ESSA，林肯实验室在一个网络中心环境中集成多种传感器/平台（如，空间监视网、导弹防御、情报等），以支持多个任务领域去发现和使用数据。每个传感器将输出的数据（即观测数据、空间目标识别数据、图像）传输到附属的“跨斗”，并发布到网络，供所有的传感器、指挥控制节点和联合空间作战中心共享。

空间态势感知网络依托全球信息栅格中的保密IP路由协议网作为通信骨干网构建，系统内集成了“跨斗”和网络中心企业服务（NCES）软件。该软件由国防信息系统局（DISA）开发，在ESSA中的作用是提供公共的核心服务。借助其提供的核心服务，可以实现数据和服务共享。通过传感器“跨斗”，实现专用、兼用和可用传感器联网；通过数据“跨斗”，实现数据库的数据接入；通过网络中心企业服务软件提供的数据和服务共享，充分发挥空间态势感知数据的效用。

在硬件上，该网络由传感器节点（各型传感器及其附属的“跨斗”）、数据存储节点（各种数据库及其附属的“跨斗”）、融合节点（提供融合和控制应用、可视化和分发）和指挥控制节点构成，这些节点通过通信骨干网连接到一个网络中。网络可以提供的服务分为两类：空间态势感知服务（观测数据，目标识别，目标成像，轨道变化预警，状态变化预警，运动变化预警，碰撞预警，目标分类与身份确认，任务规划）；核心服务（登记、发现、安全、协同）。其中，核心服务是基础，为空间态势感知服务和数据共享提供环境，承载数据和服务共享。

美军网络中心战定义了3个域：物理域、信息域和认知域。物理域由连接起来的系统和分享数据的通信网组成；信息域是“信息产生、使用和分享的区域”；认知域是“在参与者的脑中……其结果是做出的决策”。

在空间态势感知领域，与此所对应的3个域分别体现为：物理域由空间态势感知传感器、链路和网络组成；信息域包括“跨斗”、融合算法、分析工具；认知域为联合空间作战中心操作员的专业知识。

基于ESSA构建的空间态势感知网络框图中体现了物理域和信息域。

基于ESSA，可将不同类型的传感器与平台集成到网络中心环境中，促进空间态势感知任务对数据的共享与利用，实现数据挖掘与数据融合的自动化，将空间态势感知数据整合进单一合成太空图（SISP），支持对空间事件的快速反应。

ESSA的实质是信息系统整合方案，基于面向服务的体系架构（SOA），依托国防部信息基础设施，利用“跨斗”将各种传感器、系统以及数据库连接到一起，利用信息基础设施上部署的网络中心企业服务软件，为各类传感器及系统的数据和服务提供登记、发布/订阅、信息安全保障等服务，从而实现这些数据和服务的共享。传感器及系统需借助“跨斗”向网络提交标准化的数据和服务以保障其共享，而其雷达和光学传感器则分别遵从开放式雷达体系结构和林肯光学体系结构，以达成设备的标准化和通用性。

2 关键技术及组件

面向服务的体系架构

ESSA利用面向服务的体系架构提供数据的接入和分发，并演示在支持空间任务中使用面向服务的体系架构。在该体系架构中，通过核心服务，数据和服务提供者在一个公共的在线登记处“登记”其产品，需要数据或处理服务的用户可以进行网络搜索，以发现合适的数据和服务。通过访问参考站点，用户可以获取如何自动请求信息或处理服务的全部程序，以及对返回对象的准确描述。因此，用户可以配置他们的系统来接入和使用这些信息或处理服务。在提供者和使用者之间的这种松散耦合，以及登记以引起注意和发现的性能，极大地便利了新增值的数据和服务集成到面向服务的体系架构。

借助ESSA，所有专用领域的服务都可以得到利用，但前提是部署公共的核心服务，从而构成一个可以互操作的面向服务的体系架构。在核心服务中，“发布和订阅”（pub-sub）信息服务非常有价值，通过这种机制，既可以向诸多“频道”之一发布所有的新信息，也可以由用户根据情况自行预订。出于国防部的信息安全考虑，所有这些交互必须是保密的，因此，还必须提供安全保密服务，对用户名、密码、安全策略等进行管理，加强网络互操作的安全性。国防信息系统局已经发起了网络中心企业服务计划，在国防部信息基础设施上部署网络中心企业服务，为国防部提供发布和订阅、保密，以及数据、服务和用户登记等公共核心服务。

在ESSA面向服务的体系架构中，林肯实验室已经为位于美国本土和马歇尔岛的3部运作中的空间监视网雷达配备了“跨斗”，还额外部署了3套“跨斗”，分别位于新墨西哥的光学站、科罗拉多的空间资产地面站以及国防部位于夏威夷的雷达。夏威夷的系统被包括在演示交叉任务资产互操作能力的项目中。来自上述任一传感器的新数据经“跨斗”发布到网络中心企业服务信息频道。事后，数据由这些“跨斗”归档，并可以供用户检索。

林肯实验室已经开发了2套处理设施，1套位于空间防御作战中心，用于发布高级别的空间态势感知信息，如：卫星发射、毁坏、机动和轨道要素组信息；另1套位于马萨诸塞州的列克星敦空间态势感知中心（LSSAC），该中心开办了许多服务，供面向服务的体系架构中的客户使用：卫星状态，卫星检视，威胁评估，交会预测（卫星密切接近），以及改变侦查信息。所有的频道和服务都通过网络中心企业服务软件保密加以保护。

关键组件传感器“跨斗”

传感器“跨斗”在ESSA中的作用是实时处理传感器获取的数据，并发布到空间态势感知网络，供所有的节点共享。传感器“跨斗”好像是传感器的助手，支持高级软件功能开发和演示验证，在不妨碍已验证的传感器处理器和软件操作的前提下，实时处理传感器数据。

ESSA“跨斗”和网络中心方法源自导弹防御局（MDA）的“赫拉克勒斯”（Hercules）计划。2007年，林肯实验室为“宙斯盾”弹道导弹防御（BMD）巡洋舰上的AN/SPY-1雷达开发了传感器“跨斗”，测试“宙斯盾”block 08弹道导弹防御能力的识别算法和体系结构。传感器“跨斗”集成到承包商的AN/SPY－1雷达上，并在“宙斯盾”弹道导弹防御巡洋舰上安装，在2007年6月的一次“宙斯盾”弹道导弹防御拦截试验中使用。

在此基础上，多方合作开发了用于空间监视网的传感器“跨斗”，其典型代表是网络中心传感器和数据源（N-CSDS）地基光电深空监视（GEODSS）“跨斗”。按照计划，应该已在2012年部署到地基光电深空监视站点。

网络中心传感器和数据源地基光电深空监视“跨斗”在每个站点具有标准的硬件和商用现货（COTS）配置，系统管理采用自由开源软件Red Hat Queue（RHQ）处理，因此部署成本较低。“跨斗”提供的系统管理功能包括配置管理、监视、系统操作和预警，实时处理传感器数据，并通过发布/订阅机制共享数据。

3 未来可能的应用分析

促进美军空间能力转型的重要项目之一

美军的空间能力包括多种空间资产，向用户提供很多数据。从用户的角度看，用户需要迅速、随时随地访问高质量信息，并分享知识。当前美军在向用户提供这种能力方面存在缺陷。

为了应对这些挑战，需要新的、相对成熟的技术，以及能够加速采办进程的演示验证项目。具有空间影响的联合能力技术演示验证（JCTD）项目包括：ESSA，战术卫星－2（TacSat－2），“太空互联网路由”（IRIS），“作战响应空间”（ORS）。在这些技术的支持下，美军的空间能力将得到整体提升，用户获取信息和共享知识的能力也将得到较大改善。

其中，ESSA展示了一种前所未有的能力，向空间团体或其他国防部用户传递空间态势感知信息的实际能力。它将空间监视网络与导弹防御传感器更好地集成在一起，为作战指挥官提供快速决策所需的基础能力。它也将对美国国防部未来用于支持作战面向服务的体系架构的网络基础设施、核心业务和原则、程序等主题具有启发作用。

林肯实验室认为，ESSA是推动美国空间态势感知进入到网络中心化领域并加强相关能力建设的重要工具。美军通过ESSA方案技术演示，集成了不同任务领域的技术，特别是将空间监视网与导弹防御的传感器更好地集成在一起，从而为克服作战指挥官的“空间态势感知缺陷”，进而实现快速决策提供了基础。

服务于2020年快速响应空间态势感知

为了达成规划中的2020年快速响应空间态势感知，实施部署ESSA是其中的一个重要组成部分，是空间态势感知指挥控制向快速响应转型的重要步骤。

依据美国空军战争学院战略与技术中心2007年提出的2020年前美国空间态势感知能力建设设想，要达成2020年的快速响应网络中心性，空间态势感知网络的首要工作是确保物理域的成功。

物理域包括：联合太空作战中心是主要的空间指挥和控制节点，其职员必须将空间态势感知数据整合进单一合成太空图（SISP）。美国空军航天司令部（AFSPC）必须与所有的兼用和可用传感器签订协议，使其能够接受任务分配。其次，众多专用、兼用和可用传感器（空间监视网、导弹防御局、情报界、民用、商用等）必须装配“跨斗”并连接进网络；同时，地面站点和关键的指挥控制节点必须连接进网络。网络向传感器分配任务，传感器通过“跨斗”将数据发布到网络，网络通过一个多级的安全使能体系结构向所有用户分发数据。

第二步是创建信息域。网络中心性确保所有的节点能够平等访问数据。该域由众多的数据存储设备、数据挖掘和多级数据融合任务组成，以履行改变探测、交叉关联事件、构建空间物体文件夹、归档历史数据职能。网络必须使用各种决策支持算法以最适宜的方式表达数据，避免操作员数据过载。此外，必须建立离线的数据仓库，归档历史数据，并用于试验新的融合和决策支持工具。

最后，认知域的职能是履行两种完全不同的操作模式：例行操作模式和自主模式。例行操作模式包括每天的日常操作以维持编目，并确保所有的事情都按部就班地进行。兼用和可用传感器将进行日常编目维护，并将测量数据与历史数据比较，据此调整探测。环境监测（EM）传感器将为异常分解过程提供关于天气事件的实时状态数据。同时，专用和情报体系（IC）传感器则用来收集数据，以跟踪并表征高度感兴趣的物体。联合空间作战中心的操作员保持对网络的认识，把任务按优先顺序排列，为数据收集做出任务规划，并使用决策支持算法来分析态势，并对例行事件做出响应。

当网络探测到事件异常，它将自动接管并切换到自主模式。接受任务指派的兼用和可用传感器将继续维护编目。期间，网络自主进行近期传感器数据的多级融合和历史数据比较，提醒专用和IC传感器去获取更多的信息，并重复迭代此过程，直至获得对此次事件或异常最准确的描述。当出现这种反复迭代程序，相关物体文件夹的滚动更新的状态信息和相关的数据传送到联合空间作战中心、相关的地面站以及指挥控制节点。目标是自主获取和融合所必须的数据，以及时了解状态信息，并采取防御或响应动作。自主模式将获取必须的空间态势感知数据，而操作员将保留驳回或加强网络操作的权利，直至事件或异常获得解决。

从以上建设和操作流程中不难发现，建立网络中心的物理域和信息域都离不开ESSA，利用面向服务的体系架构和“跨斗”，可以实现数据和服务的共享、数据的归档，并进而利用各种算法自动进行数据的挖掘和融合，支持例行和自动操作，使得对空间态势进行快速响应成为可能。

在国际合作中的潜在应用

美国当前正在加强空间态势感知数据共享国际合作，这可能促进该体系结构的广泛应用。

2011年，美国发表《美国国家安全空间战略》，呼吁增加与其他国家在空间态势感知方面的合作，以预防灾难、防止误判和不信任。2012年上半年，美国先后与日本和加拿大就共享空间态势感知数据展开合作。至2016年9月，美国政府已经与10余个国家、2个国际组织和50多个商业航天公司签订了空间态势感知数据共享协议。其中，美国与澳大利亚签订协议，将其雷达和光学设备部署在澳大利亚，两国将根据各自优先级共享必要的空间态势感知数据。

美国与澳大利亚、日本、加拿大及其他国家之间的空间态势数据共享，不知是否会采用这种松散耦合的体系结构来实现。分析认为，ESSA采用的松散耦合体系结构比较适合几个国家间的数据共享的状况，因此有可能被采用。但是，ESSA的一个重要组成部分——传感器“跨斗”，可能会具有较高的技术保密等级，不一定会被共享。从这个角度看，直接共享原始数据的可能性更高。当然，也不排除其被共享的可能性。

4 结束语

ESSA利用面向服务的体系架构，借助其按需服务、动态组合和自主运行的特性，通过“跨斗”实现多种传感器的联网和一体化，借助网络中心企业服务实现数据和服务的实时共享，这种结构便于实现成熟组件的按需重用和“即插即用”，也便于利用商用/政府现货进行升级，提高软件的开发效率和系统的多任务支持能力。在这样的系统中，可以根据业务的需要灵活调整业务应用程序，以适应不断变化的环境。基于网络中心、模块化和可扩展理念构建的体系结构，更好地提高了数据共享的时效性，为实时决策提供了支持。欧洲航天局（ESA）也选择基于面向服务的体系架构构建欧洲空间态势感知系统，因此，这一趋势值得我们关注。

林肯实验室开发ESSA整合资源再次提醒我们顶层设计的重要性和整合数据资源的重要性。网络中心企业服务软件和“跨斗”都是既有产品，各个传感器、系统的数据及服务也都是现成的，通过良好的顶层设计，利用统一的架构及规范，以及强制实施力，可以有效地将相关数据与服务资源整合，发挥更大的效用。而由标准硬件和商用现货配置的模块化“跨斗”设计，非常便于整合已有资源，传感器和数据库只需加装“跨斗”，即可接入体系。

总之，为便于跨国、跨部门的信息与服务共享，美国以已有探测设备（传感器节点）为基础，以规范服务（空间态势感知服务项目）为目标，以服务端接口标准化（“跨斗”）为抓手，形成了一种访问集中控制的分布式数据管理、处理与服务系统体系结构。该体系结构便于快速集成已有资源，便于参与各方分头组织实施，是一种比较简便易行的信息资源整合方案，值得我们借鉴。当然，要实施这样一种方案，必须得到相关参与方管理层面的大力支持。因此，如何在管理层面形成有效的协同机制也值得我们深思。

陆征/本文编辑