航天机动一体化综合平台框架及其关键技术研究

陈爱平 杨文洁 史亚东

（1.北京跟踪与通信技术研究所，北京 100094；2.中国电子科技集团公司第二十七研究所，河南 郑州 450000）

1 引言

航天工程地面系统一般包括测控分系统、卫星运控分系统和应用分系统。测控分系统负责完成卫星平台和载荷的工作状态监视、轨道计算、卫星控制等任务；卫星运控分系统主要负责卫星载荷使用和任务规划，生成每日卫星工作计划和遥控指令码；卫星应用分系统主要负责载荷有效数据的处理、分析，得到最终的科学数据、影像或情报信息等。根据我国航天系统发展历程，这三个地面分系统往往分属不同的部门或单位进行管理，造成地面资产重复建设、卫星利用效率低等问题。因此，将测控、运控和应用分系统一体化集成设计具有现实意义。

测运控及应用一体化设计包括地面站的一体化设计和中心的一体化设计。地面站的一体化设计，把传统的测控地面站和运控地面站进行一体化设计，集成后的地面站具备卫星测控功能和遥感数据接收功能；中心的一体化设计把卫星控制中心、运控中心和卫星应用中心一体化设计，统一成任务中心，即将地面系统简化为多个测运控地面站加任务中心的模式，大大缩小地面系统规模，优化流程，提高效率，节约成本。 固定测运控地面站和任务中心容易遭受打击或损毁，为了确保卫星安全，有必要设计机动车载站，将测控、运控和应用三大分系统集成设计成机动车载方式。在需要时，机动站可快速部署至任务区域，发挥卫星控制、数据接收、数据处理等多种功能，具备较强的机动生存能力；同时车载站平时可以作为固定测运控地面站和任务中心的备份，增加系统的可靠性。

地面系统一体化设计的关键是一体化综合平台的设计。本文对航天机动一体化综合平台的任务、存在的问题、框架及其实现的关键技术进行了分析。

2 航天机动一体化综合平台

2.1 任务

航天机动一体化综合平台是将天基信息从接收、处理、分发、服务等全过程统一到一个平台，满足天地互联中航天信息互通、交换、应用需求，及航天机动综合保障信息化、高效化、智能化需求。在信息化条件下，可将平台主要任务分为五个方面：提供任务态势信息、任务情报信息、任务支援航天信息产品，以及辅助任务部署与行动协调、辅助任务效果评估。

2.2 存在的问题

目前，航天信息综合平台的建设与应用存在自成体系、互相割裂，系统通用性、互操作性不强，难以共享、效率低下等问题[1]，而在航天信息综合保障环节主要存在以下问题：

（1）缺乏统一、规范的航天信息需求管理。航天信息的需求来源于不同部门，需求类型各异，优先级不同，缺乏统一的需求管理标准和规范。

（2）缺乏统一的航天任务管理与控制。航天信息获取的是各种天基卫星传感器拍摄的影像，这些传感器按照手段种类不同分属不同部门管理，导致航天信息任务缺乏统一规划，不能发挥各类传感器的集成优势。 （3）缺乏统一的航天信息智能化处理与分发机制。各种功能的天基信息系统基本呈“烟囱式”独立发展现状，各系统功能不同，信息类别差异较大，导致信息处理与分发相互独立，航天信息智能处理与分发集成难，缺乏共享机制，造成航天信息孤岛现象突出[2]。

3 机动一体化综合平台框架

航天机动一体化综合平台是为了实现天基信息支援任务，以及任务效能的最大化，根据任务具体要求，构建高效履行天基信息支援使命的航天机动保障装备的核心框架，改变航天信息平台条块分割、功能单一的局面，将航天信息快速、准确、高效、灵活地应用于各种任务行动中。

机动一体化综合平台框架主要由应用规模层、保障方式层、功能模块层、关键技术层和支援要素层组成（如图1 所示）。

图1 一体化综合平台框架

（1）应用规模层：是指一体化综合平台支援信息化联合应用的层次，主要包括战略、战役和战术层次。在三种任务规模层次，指挥中心利用天基信息支援力量获取任务信息优势，在未来战场达到夺取信息优势的战略目标，提升任务作战效能。

（2）保障方式层：是指一体化综合平台利用天基信息支援任务采取的保障方式，主要包括贴近用户伴随保障、区域定点辐射保障、分段接力跳跃保障、空中支援立体保障四种方式[3]。在未来信息化联合战场，既要远距离、大纵深实施综合机动，又要避免敌军高精尖武器打击，在机动中寻找战机。航天机动综合保障系统要根据任务特点、用户性质、装备情况，对各种机动方式统筹规划、科学安排、统一调度，进而确定机动部署、规定时间、区分空间、周密组织机动保障，有效发挥各种机动方式的作用。

（3）功能模块层：是一体化综合平台的核心。根据任务对天基信息支援的需求，分解航天机动保障的各个子功能，主要包括任务管控、预警探测、侦察监视、通信中继、导航定位、环境监测等模块。

通过对各个功能模块内部和模块之间的合理整合与任务规划，充分发挥天基信息支援力量的局部和整体效能，应付各种类型、各种样式的联合作战行动，实现航天信息一体化综合平台。

（4）关键技术层：是一体化综合平台功能实现的关键，主要包括任务规划技术、信息接收技术、云服务技术、网络增强技术、融合处理技术和智能分发技术。

（5）支援要素层：是一体化综合平台的基本单元，主要包括各类型在轨卫星、卫星测运控系统、卫星应用装备。各类型在轨卫星包括可见光卫星、高光谱卫星、红外卫星、视频卫星、SAR 卫星、电子侦察卫星等。卫星测运控系统是对各种类型的在轨卫星进行跟踪、测量和控制的大型电子系统。卫星应用装备包括卫星综合应用装备、通信卫星应用装备、导航定位卫星应用装备和信息获取卫星应用装备。

4 相关关键技术分析

为实现航天信息一体化综合平台，发挥天基信息对任务支援的最大作战效能，需对相关关键技术进行研究分析。一体化综合平台实现的关键技术有任务规划、信息接收、云服务、网络增强、融合处理、智能分发，包括天基信息接收、获取、处理与分发等一系列过程。

4.1 一体化任务规划技术

天基信息系统包含的卫星种类多、轨道和载荷资源不一、应用多样，如何针对不同的天基卫星任务进行合理调度和规划是平台的首要问题。另外，随着任务规划方法、规模和复杂程度的增加，不同任务需求间的矛盾日益突出，亟须研究适合任务特点的规划方法。

一体化任务规划技术针对用户任务需求（预侦察目标类型、时间、地域等），结合各军、民、商卫星平台及其载荷的属性、能力、约束等要素，进行用户任务和卫星资源的优化协调，实现不同任务和各类卫星的优势互补，最大程度提高对任务区域的覆盖能力和持续侦察监视能力[4]。

一体化任务规划流程如图2 所示，主要包括问题分析阶段、模型建立阶段和问题求解阶段。任务规划问题是典型的组合优化问题，已被其他学者证明为NP（non-deterministic polynomial）完全问题，故求解难度较大[5]。通过选择合适的求解算法，输出合理的规划结果，缩短用户时间，降低规划失败次数。

4.1.1 任务规划模型

任务规划模型是将任务规划问题进行分解，构建规划模型，将任务规划问题转换成数学上的函数问题。常用的任务规划模型有约束满足问题模型、图论模型、多背包问题模型、整数线性规划模型等，如图3 所示。

图2 一体化任务规划流程

图3 任务规划模型

（1）约束满足模型定义为一组状态必须满足于若干约束或限制的对象，表示的是问题中的实体、有限数量、同类型的约束加之于变量之上，这类模型通过约束满足方法解决。

（2）数学规划模型一般是优化问题模型，优化问题分为离散的或是连续的，抑或是有约束的或无约束的，有约束的优化问题求解比无约束的优化问题难。

（3）通用问题模型应用较多的是当前比较成熟的应用模型，包括图论相关模型、背包模型、MAS 模型、指派问题模型等。

4.1.2 任务规划求解

近年来，已有多种规划算法应用于航天机动保障系统任务规划领域，从结果来看，可分为精确算法和近似算法（不完全算法）两类。任务规划求解算法如图4 所示。下面主要介绍一些常用任务规划求解算法。

（1）贪心算法是一种强有力的算法设计方法，以当前情况作为基点，即在求解过程中的每一步做出当下最佳选择[6]。贪心算法每一次选择的都是局部最优解，但最后输出的结果并不保证是全局最优解[7]。然而，通过调整贪心求解策略，对很多问题仍然可以通过贪心算法求得全局最优解。

（2）遗传算法最早由美国密歇根大学的约翰·霍兰德（John Holland）教授于1975 年提出[8]。其基本思想是从一组解的初值开始搜索，这组解称为一个种群。种群由一定数量、通过基因编码的个体组成，其中每一个个体称为一条染色体。不同个体通过染色体的复制、交叉和变异生成新的个体，依照适者生存规则，个体也在一代代进化，通过若干代进化后最终得出条件最优的个体。

图4 任务规划求解算法

4.2 一体化信息接收技术

航天信息一体化机动综合平台需要具有多频段天线接收技术，如今的卫星通信，低旁瓣、低交叉极化和大频率比的多频段性能已成为一种基本要求。以前的研究多是通过多波段组合换馈方式进行多频段统一接收，但换馈方式的可操作性、可维修性及可靠性存在较大问题。随着天线技术的发展，一体化馈源成为目前卫星通信天线中的一个发展趋势。

一体化信息接收技术的关键是天线的设计，为了使天线具有较高的增益和效率，同时减小天线系统尺寸，提高天线结构的紧凑性，一体化馈源的方向要具有良好的旋转对称性特征、等化特征以及低交叉极化特征，各个工作频段具有较高的隔离特性。满足上述条件的一体化馈源喇叭主要包括多模喇叭、波纹喇叭、介质加载喇叭、同轴波导喇叭等及其混合形式[9]。多波段馈源结构如图5 所示。

从图5 可以看出，喇叭天线采用正交模耦合器来实现多频段馈电天线的馈电。在接收频段，采用一对等幅反相的纵向矩形槽馈电；在发射频段，采用一对等幅反相的同轴探针进行馈电。同时在两对馈电对之间增加金属隔离柱，以实现收/发信号的隔离，减小同轴波导长度。在收发频段，采用正交耦合器馈电，电磁信号经过圆极化器来实现圆极化信号的收/发，并通过介质杆实现旋转对称的辐射特性。

图5 多波段馈源结构

4.3 一体化融合处理技术

天基卫星包含可见光、红外、高光谱、SAR、视频等多种传感器，不同平台和传感器的几何成像规律、辐射成像规律不同，生成产品的地理基准也不相同；多类型平台会产生多种情报产品信息，航天机动一体化综合平台需要快速融合多源信息，满足任务对天基信息支援能力的需求。一体化融合处理技术包括不同卫星图像自动配准技术和多源信息快速融合处理技术。

4.3.1 不同卫星图像自动配准

卫星图像配准作为卫星图像应用的关键步骤，配准结果将直接影响信息利用的价值。卫星图像自动化配准工作主要分为图像粗配准与图像精细配准[10]。卫星图像自动匹配步骤如图6 所示。

图6 卫星图像自动匹配步骤

卫星图像自动匹配方法的关键是配准方法的选取，常用的配准方法有基于灰度信息的配准方法、基于变换域信息的配准方法和基于图像特征的配准方法。

（1）基于灰度信息的配准方法出现较早，主要原理是用灰度信息衡量图像间的相似度。这是一种基于整体的方法，因为要用图像的灰度信息求解变换参数。

（2）基于变换域信息的配准方法有基于傅里叶变换的方法、基于小波变换的方法等。其中，基于傅里叶变换的方法用的是傅里叶位移原理，比基于灰度的配准方法更精确可靠。该方法对图像的变换具有较好的不变性，如旋转与平移操作，但该方法的使用必须满足图像间的线性关系，且对噪声比较敏感，计算量大，效率较低，只适用于变化不大的低噪遥感图像的配准。

（3）基于图像特征的配准方法将局部特征作为配准基础，在图像中选择明显、易于衡量相似度的像素点，这些像素点可以是特征点，也可以是物体的边缘线，如河流、道路等，利用获得的像素值进行变换参数的求解。基于特征配准方法的步骤如图7 所示。

图7 基于图像特征的配准方法步骤

4.3.2 多源信息快速融合处理

对于多源影像信息，不同区域对空间细节信息与光谱特征的要求不同。针对这种区域的不同需求，目前的信息融合技术大都难以实现准确、及时、高效的影像融合[11]。多源影像信息融合主要分为影像预处理、影像融合、影像评价与影像应用，融合流程如图8 所示。

图8 多源影像信息融合流程

多源影像信息融合技术的关键是影像融合方法，融合一般选取分辨率较高的全色影像及分辨率较低的多光谱影像。二者融合时，首先对影像进行降噪等预处理，保证各影像的质量达到最佳状态，然后进行后续的融合过程。像素级融合方法具体分类如图9 所示。

图9 像素级融合方法

4.4 一体化智能分发技术

天基信息支援能力在平时与应急时期的信息传输、网络负载、信息提供等方面，存在信息需求不平衡。用户并不需要全局的天基信息资源，只需要特定时间、特定区域、特定内容的信息。这种不平衡会导致航天机动保障系统效率低、稳定性差、服务针对性弱。

一体化智能分发技术是在特定任务环境下，根据任务需求，将相关天基信息资源迁移到集群中心，供特定应急用户访问。另外通过热点信息主动推到网络边缘，分散综合数据库的负担，以提高网络性能，并根据用户特点及需求，动态、主动、自适应地提供个性化分发服务。一体化智能分发技术步骤如图10 所示。

图10 一体化智能分发步骤

一体化智能分发技术的核心是“信息到用户”的过程，本质特点是“以用户为中心”的服务模式，实现“人找信息”向“信息找人”过程的转变，即用户的决策过程由计算机智能来完成，常用方法是决策理论，关键是服务组合方法。

服务组合技术是将多个服务组合在一起完成系统中复杂的任务处理功能，常用的服务组合技术分类如图11 所示，包括基于工作流的方法、基于图论的方法和基于人工智能的方法三种[12]。

图11 服务组合技术分类

4.5 其他技术

4.5.1 云服务技术

构建基于云服务的航天机动信息保障系统服务中心，提供基础设施服务、平台服务、数据服务、信息服务、软件服务，以及面向浏览器、桌面和移动／嵌入式设备的应用支撑包[13]。主要包括以下两种关键技术：

（1）面向服务的平台框架技术 ：基于SOA架构理念，将一系列离散和可重用业务作为服务进行协调，实现业务功能的灵活集成和拆卸，构建起松耦合和高内聚的综合信息服务系统[14]。

（2）面向高并发处理的微服务技术：借鉴工作流引擎和应用服务容器思路，采用微服务架构进行共享资源服务需求分解，并依据服务能力重组编排资源服务，协同调度各个资源的服务功能，实现服务的横向可伸缩、负载均衡及高可用功能。

4.5.2 机器视觉技术

机器视觉是利用摄像机和电脑替代人眼对目标进行识别、跟踪和分类，并进一步做图像处理，使计算机像人一样观察世界，建立从图像中获取信息的人工智能系统。随着技术的进一步发展，大量的识别算法被提出，支持向量机是目前应用较为广泛的分类方法，深度学习模型的训练方法逐渐成为研究热点。

5 结论

本文分析了航天机动一体化机动综合平台的特点、原则和任务，提出平台框架主要由应用规模层、保障方式层、功能模块层、关键技术层和支援要素层组成；分析了平台搭建的关键技术，包括一体化任务规划技术、一体化信息接收技术、一体化融合处理技术、一体化智能分发技术和其他技术，实现航天信息任务规划、信息接收、融合处理、智能分发等各环节链路的一体化。