空间态势信息保障系统功能分析与结构设计

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摘要:空间态势信息是空间攻防对抗和信息对抗中不可或缺的战场情报信息和影响战略决策的重要因素｡我军发展空间攻防的新概念武器､天基作战平台和信息对抗关键技术都必须发展相适应的空间态势信息保障的关键技术｡本文首先分析空间态势信息保障系统所必须实现的保障功能,并在此基础上构建空间态势信息保障系统的基本体系结构和分系统框架｡

关键词:空间态势;空间攻防对抗;信息保障;HLA;网格环境

中图分类号:V528文献标识码:A

1引言

夺取空间优势和信息优势是打赢未来战争的重要基础和前提,空间攻防对抗和以天基手段为主的信息对抗将成为未来战争的主要样式｡空间态势信息包括空间环境信息和空间目标信息,是空间攻防对抗和信息对抗中不可或缺的战场情报信息和影响战略决策的重要因素｡空间态势感知为空间攻防对抗和信息对抗的战略决策和指挥控制提供依据,为战术应用提供装订参数,是夺取空间优势和信息优势的重要手段｡因此,我军发展空间攻防的新概念武器､天基作战平台和信息对抗必须发展相适应的空间态势信息保障技术,开展我军空间攻防的体系对抗能力的演示验证,系统级的空间环境保障能力的演示验证也是其中的重要组成部分｡

2空间态势信息保障系统的功能分析

空间态势信息保障系统应为空间攻防战略决策提供空间环境和空间目标的信息保障:监测､分析和预报空间环境的分布和变化､评估空间环境对主要武器和军事活动的影响､提出规避和减缓空间环境危害的措施建议,为空间攻防的战略决策提供辅助､增强战术单元战斗力的系统及空间环境保障能力和保障模式;监测､预报敌我空间目标的特征信息和轨道信息,为空间攻防对抗的战略决策提供决策依据｡系统必须具有为空间攻防对抗和信息对抗的战略决策和作战实施提供战略层和战术层的空间态势信息支持的功能,这些功能包括:

(1) 攻防对抗决策支持:辅助空间攻防相关实验任务的战略决策,合理的利用空间环境的“天时”和“地利”;

(2) 空间目标监视支持:为空间目标精密定轨软件提供实时输入参数,为无线电测轨提供误差修正建议;

(3) 空间目标信息支持:提供敌我空间目标的特性描述;

(4) 空间目标轨道预报支持:提供敌我空间目标当前轨道信息和未来几天内的轨道信息预报,通过数值积分提供空间目标殒落预报;

(5) 新概念武器实验支持:为新概念武器实验提供相关空间环境参数和空间目标信息,保障合理安排实验方案和准确监测与评估实验效果;

(6) 空间平台运行支持:保障空间攻防对抗实验任务相关卫星和其它常规军事卫星有效的规避､减缓空间环境导致的异常和故障,提高卫星可靠性和延长卫星寿命;

(7) 空间信息链路传输支持:保障空间攻防试验任务指挥控制相关的空间信息链路和其它常规空间信息链路有效的规避､减缓电离层和对流层环境导致的信号质量下降､中断等影响｡

3空间态势信息保障系统结构

空间态势信息保障系统按功能可分解为综合数据库､空间目标轨道动力学模型､空间环境要素计算模式以及产品制备与可视化四个功能模块｡系统运行的基本思路是来自不同数据源的数据经过数据融合处理后存储到综合数据库,空间目标轨道预报模型和空间环境要素计算模式在数据库的支持下进行轨道预报和空间环境模式计算,并由产品制备与可视化模块进行数据的显示或｡系统功能模块的逻辑结构如图1所示｡

空间态势信息保障系统功能分析与结构设计系统的设计与实现以高层体系结构(HLA)为基础,并引入运行支撑环境(RTI)和分布式仿真网格(GSD)的概念,建立起网格环境下基于HLA的分布式体系结构｡由于采用客户/服务器模式,将数据存储管理､数据应用与数据三个方面完全分离开来,从而能够极大便利整个体系的模块化和组件式设计与开发｡空间态势信息保障系统由监测与数据分系统､空间环境预报分系统､空间环境效应分系统､航天器应用分析分系统以及用户服务分系统五个分系统组成｡其中监测与数据分系统为数据的存储与管理层,空间环境预报分系统､空间环境效应分系统､航天器应用分析分系统构成数据应用层,用户服务分系统则构成数据层,分系统间的信息共享和时间同步由网格环境下的HLA-RTI实现｡系统组成及其结构如图2所｡ 图1系统冲体结构与功能模块逻辑图 图2空间态势信息保障与仿真系统基本组成与结构

4网格环境下的HLA分布式体系结构

空间态势信息保障与仿真系统中的不同模块间的计算负载各不相同,计算过程中需要进行大量数据的共享访问｡同时为了各分系统间的协调运行,必须采取一定的时间同步机制｡因此空间态势信息保障系统在底层体系结构上采用网格环境下的HLA分布式体系结构｡

4.1网格技术

尽管基于HLA的分布式仿真技术在互操作性和重用性方面有了很大提高,但随着仿真规模的扩大和要求的不断细化,一些问题已经成为制约仿真任务准确､高效完成的瓶颈,主要表现在:仿真计算资源浪费问题依然存在;缺乏动态负载平衡能力和相应的容错机制;海量数据难以存储以及获得及时､有效处理｡

网格[1][2]被称为下一代Internet,它是在现有的网络互连之上､通过中间件系统将离散的网格资源加以整合,最终实现网格问题和具体应用的求解｡网格作为一种分布式计算基础设施,强调在动态的虚拟组织[2]中的共享和协同使用异构资源,即利用分布在不同地理位置上､不同组织机构､不同运作方式的计算资源,将它们转化成一种随处可得的､标准可靠的､经济的计算能力｡这里的资源包括各类型的计算机､网络通信能力､数据资料､仪器设备､甚至是人等各种相关的资源｡

4.2分布式仿真网格(SDG)的技术框架与关键技术 分布式仿真网格是以集群计算机系统为核心,面向仿真用户,利用网格技术进行分布式仿真｡分布式仿真网格的主要功能是资源共享,使仿真用户能够充分的共享仿真资源,提高分布式仿真的效率､拓展分布式仿真的适用范围｡

为了实现功能框架中的功能,需要应用相应的技术手段提供支持｡分布式仿真网格主要包括以下关键技术[5]:

(1) 分布式仿真网格中的统一用户管理:为了使用仿真资源,每个用户都需要通过某种形式登录到仿真网格,根据用户使用的权限的不同需要对仿真资源的使用有不同的限制｡因此需要对仿真网格中的用户进行统一的管理,目标是提供简单有效的统一用户管理机制｡

(2)分布式仿真网格中的资源管理和调度:管理和调度仿真网格环境中的资源是很复杂的任务,仿真网格中仿真资源的管理和组织调度研究要解决的关键问题包括设计合理的仿真资源管理模型､仿真资源需求描述､仿真资源提供描述､仿真资源信息存储､仿真资源匹配和仿真资源监控｡进行仿真资源的管理和组织调度研究的主要目的是使系统中仿真资源的使用更加有效,提高系统的吞吐量｡

(3)分布式仿真网格中的作业管理:仿真网格要为仿真用户提交的仿真作业提供资源,就需要对仿真作业进行统一的管理｡仿真的作业管理就是提供仿真作业提交､调度､执行及控制等机制,更加有效的利用仿真网格中的系统资源､平衡网格负载､提供系统整体性能｡其目标是透明性､单点控制和高可用性｡

(4)分布式仿真网格中的RTI:仿真网格中的仿真任务也需要遵循HLA标准,并且以RTI作为仿真数据交换的平台,整个仿真任务的运行都是以RTI为核心展开的｡但是,仿真网格与一般的网络不同,它在普通仿真网络的基础上提供了更为广义的资源共享,因此,运行于仿真网格中的HLA-RTI也与普通仿真网络中的HLA-RTI不同,是高性能的HLA｡

5分系统设计

空间态势信息保障系统由监测与数据分系统､空间环境预报分系统､空间环境效应分系统､航天器应用分析分系统以及用户服务分系统五个分系统组成｡其中监测与数据分系统为数据的存储与管理层,空间环境预报分系统､空间环境效应分系统､航天器应用分析分系统构成数据应用层,用户服务分系统则构成数据层｡

5.1空间态势监测与数据分系统

空间态势监测与数据分系统是整个系统的数据存储和管理中心,其主要功能包括:利用现有的空间环境和空间目标监测设备形成空间态势监测网对空间态势进行检测和数据积累,为系统提供自主的空间态势数据资源;通过建立网络环境的数据抓取系统,对国际上重要的空间态势数据资源进行收集积累,为系统提供高水平的国际数据资源,以弥补国内自主数据资源的不足;将上述两方面数据源获取的数据进行数据融合处理,并通过建立空间态势数据库系统,实现对空间环境和空间目标数据的集中､有序和高效管理,并把该数据库系统作为信息保障和态势仿真分系统运行的数据支撑平台;通过在各监测设备和数据库之间建立的网络连接,实现对主要数据资源的实时更新,以满足系统对实时监测数据的需求｡

根据要实现的功能,监测与数据分系统由四个子系统构成:空间态势监测子系统､数据融合子系统､空间台式综合数据库系统和监测与数据运行监控子系统,如图3所示:

5.2空间环境效应分系统

空间环境效应分系统是实现分析､评估空间环境对空间目标监视､航天器和空间信息链路等空间技术系统影响的分系统｡空间环境效应分系统根据空间攻防对抗和信息对抗以及具体空间技术系统用户的需求,实现以下几个方面的功能:空间环境效应分析预测:能够根据空间环境数据和技术系统的参数,对空间目标监视､航天器系统或空间信息链路可能遭遇的主要空间环境影响做出分析预测;空间环境危害评估及警报:能够根据效应分析预测和空间环境情况,评估空间环境效应的影响,对危害严重的影响事件发出警报,并给出可能引起空间技术系统的技术故障现象和类型;空间环境危害的减缓防范措施建议:能够根据空间环境效应对空间技术系统危害的程度和类型,以及空间技术系统的特点,提供减缓防范空间环境危害的措施建议;故障异常诊断:能够分析诊断空间技术系统的故障异常是否由空间环境引起,以及引起故障异常的空间环境效应种类,为空间技术系统故障异常的排除,以及今后此类故障异常的防护提供参考｡

图3空间态势监测与数据分系统结构逻辑示意图

根据功能要求,空间环境效应分系统主要由空间环境效应分析预测平台､空间环境危害评估 及警报平台､故障异常诊断平台三个部分构成｡

5.3空间环境预报分系统

空间环境预报分系统吸纳利用国内已发展的其它预报､警报和现报技术,形成较全面的空间环境现状分析和变化趋势预报的技术平台｡其主要功能是以空间环境数据信息系统提供的原始空间环境信息为素材,形成各种时效性和时间尺度的空间环境信息产品,包括对空间环境的实时描述(现报)､提前半小时至几个月的空间环境预报信息和在空间环境预报现报基础上提炼出来的重要空间环境灾害性事件警报｡根据产生的信息类型,空间环境预报分系统分为空间环境现报､空间环境预报和空间环境警报三个技术平台｡

5.4航天器应用分析分系统

航天器应用分析分系统是空间态势利用的重要扩展系统,主要有航天器轨道分析､覆盖分析､可见性与星间链路分析三个子系统构成｡它在综合数据库､空间轨道动力学模型以及空间环境效应和空间环境预报两个分系统得支持下,进行覆盖分析､可见性与星间链路分析等应用分析,并在可视化模块的支持下将分析结果可视化｡

5.5用户服务分系统

用户服务分系统是系统的龙头和面向用户的窗口,它的功能根据用户的需求而设计,它的技术组成由实现用户保障服务而决定｡用户服务分系统的主要功能就是面向用户制备最终的空间环境保障服务产品,并按照设定的渠道及时分发产品,因此,用户服务分系统在组成上主要设置保障产品制备和保障产品两个技术平台｡

6结束语

随着现代高科技特别是航天技术的发展,在未来战争中,国际空间军事化与空间攻防对抗是不可避免的发展趋势,战场范围也必然有地球延伸到空间,空间态势感知能力是获得“天战”主动权的重要因素｡我军发展空间攻防的新概念武器､天基作战平台和信息对抗关键技术,必须发展相适应的空间环境保障关键技术｡开展我军空间攻防的体系对抗能力的演示验证,系统级的空间环境保障能力的演示验证是其中的重要组成部分｡

本文分析了空间态势信息保障系统必须实现的保障和仿真功能,并在此基础上提出的空间态势信息保障系统的基本结构框架｡应该说明的是,完善的空间态势监测是实现有效的空间态势信息保障的前提条件,而当前我国对空间目标和空间环境的监测能力有限,在很大程度上依赖于国际共享数据｡因此,要建立起完善､自主的态势信息保障,为未来空间攻防对抗与信息对抗提供有力的信息支撑,都必须并建立发展完备､全面､自主的空间态势监测网络,有效地覆盖所关心的时间､空间､要素｡

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。