天基信息港及其多源信息融合应用

2017-07-06刘乘源章宇兵

中国电子科学研究院学报 2017年3期

关键词：天基融合信息

李斌，刘乘源，章宇兵，周彬

(中国电子科学研究院,北京 100041)

工程与应用

天基信息港及其多源信息融合应用

李斌，刘乘源，章宇兵，周彬

(中国电子科学研究院,北京 100041)

随着天基信息系统的快速发展，如何提高在轨信息处理能力并开展天基信息应用服务成为当前需求解决的重点问题。本文在分析了当前天基信息系统发展现状和特点的基础上，提出了一种具备高性能在轨信息处理能力的天基信息节点——天基信息港概念，及其基于高轨共位的模块化卫星组成的空间分布式系统的实现方案，阐述了天基信息港的系统组成、硬件架构和软件架构，并在此基础上提出了一种基于天基信息港的多源信息融合应用，创新天基信息应用服务模式，满足我国未来天基信息多样化、高实时和综合化应用需求。

天基信息港；星上处理；多源信息融合；高轨共位；开放式分层软件架构；多层智能体

0 引言

当前，航天技术发展迅猛，广泛应用在国家军民信息建设中，天基信息系统是国家信息化建设的重要基础性设施,它通过运行在外空间的星载资源实现信息的获取、传输、处理及分发等功能，获取全球范围内近实时的态势感知情报。

空间信息化系统日益成为关注的焦点，以美国为首的军事强国纷纷加快天基信息化装备的研发与应用进程，夺取空间信息优势。美国提出了“全球国防信息网”(GDIN)概念，及“一体化空间指挥控制”(ISC2)现代化计划；意大利航天机构受欧空局(ESA)委托进行通信系统(ESYS)和地球观测系统(MDA)集成化的论证，俄罗斯提出“多功能卫星通信和远程地球监视系统”(ROSTE-LESAT)计划。

我国在天基信息系统领域也开展大量研究工作。文献[1-2]关于我国天基综合信息网的构想，主要是不同轨道、种类、性能的飞行器及相应地面设施和应用系统组成，成员之间通过激光、微波链路互联，共同构成空天地一体化综合信息网。该网络具有智能化信息获取、存储、传输、处理、融合和分发能力，具备高度的自主运行和管理能力。文献[3]提出在天基信息网络中空间核心节点上采用软件定义的多功能载荷平台，并基于软件定义网络(SDN) 架构和空间容中断网络协议构建天基信息网络。文献[4]针对天基信息系统资源与应用服务的动态性特征，提出了一种适应天基信息系统资源和应用服务动态性特征的动态开放性应用服务体系。

随着天地一体化信息网络重大工程[5-6]的推进，有关天基信息系统建设的思路正在逐渐清晰，但是传统的天基信息系统在轨信息处理能力较差，无法满足高时敏、多任务协同等多样性天基信息服务要求。

针对天基信息高实时、多样化、体系化应用需求，提出一种具备强大的信息处理和服务能力天基信息港。每一个天基信息港由同步轨道共位[7-8]的多颗模块化卫星组成，并通过星间链路连接，形成虚拟大卫星，可为用户提供高性能、高效能空间信息处理服务，具有极高的系统弹性和抗毁性，实现综合感知、信息汇聚处理、高速分发、网络管理、安全防护等多功能一体，是地面综合数据中心的空间形态，将有效突破太空时空大尺度特性对信息时效性的约束，创新天基信息服务模式。

1 天基信息港

1.1 概念内涵

天基信息港是一个全新的天基网络节点概念，与传统的卫星在功能、设计思路和实现方式等方面截然不同：天基信息港由一簇在同步轨道上共位的模块化卫星组成，卫星通过星间微波/激光链路相互连接，形成一个 “虚拟大卫星”。天线孔径方面，各卫星天线可以独立工作，也可根据需要稀疏组阵，提供更大的功率孔径积(EIRP)；处理资源方面，通过“池化”技术，将各个卫星内部的计算、处理和存储资源统一起来，形成空间上是分散的、逻辑上是统一的并行异构计算处理平台，通过软件加载实现各类数据/信息的汇聚、处理、交换和分发等功能。

狭义上讲，天基信息港是天地一体化信息网络中高轨节点的一种形态，但本质上天基信息港是一种天地一体的、“信息+网络”的复杂系统，汇集处理各种数据与信息，是天地一体化信息网络能力提升的关键，是天基信息实现体系化应用的核心。广义上讲，天基信息港是未来天地一体化信息网络中天基骨干网的物理承载平台，连接各种天基业务网的枢纽。是天基骨干信息网络的综合化、一体化能力复合的核心。在“天地双骨干”的架构下，通过高速的激光链路将不同轨位的信息港连接起来，构成天基骨干网，并通过高速星地激光链路与地面信息港进行联通，实现全球信息骨干互联，为空、天、地，军民各类用户提供通用和定制化服务。

1.2 系统组成

天基信息港系统是未来天基信息网络体系中的基础设施，是天地双骨干网络的重要空间资产，天基信息港系统由同步轨道的多个天基信息港和地面配套设施组成，形成天地一体的覆盖全球的高速骨干传输网络。如图1所示，天基信息港由高轨共位的五颗模块化卫星组成，每颗卫星基础配置相似，可根据功能业务进行载荷的定制化组配。信息港内星间通过激光和微波混合链路进行高速互联互通，具备分布式处理和分发能力。

天基信息港内五颗模块化卫星通过采用倾角隔离和偏心率隔离策略，实现在同步轨道上0.1度轨位上(147 km)的稳定部署，并采用双环形网络拓扑实现星间高可靠组网互联。

图1 天基信息港系统物理组成示意图

天基信息港系统由五个不同轨位的信息港和地面配套设施组成，通过高速星间/星地激光链路实现星间和星地联通，为空、天、地，军民各类用户提供通用和定制化服务。每个天基信息港的配置和港内组成相似，同时针对我国上空的信息港进行功能增强配置，满足波束全国覆盖和大容量用户接入等需求。

1.3 硬件架构

天基信息港提供一种网络化卫星系统的解决方案，通过星间链路将信息港多颗高轨共位卫星组建成一个综合化、网络化的空间信息节点。天线孔径方面，各卫星天线可以独立工作，也可根据需要稀疏组阵，提供更大的功率孔径积(EIRP)；处理资源方面，通过“池化”技术，将各个卫星内部的计算、处理和存储资源统一起来，形成空间上是分散的、逻辑上是统一的并行计算处理能力[9-10]。

图2 天基信息港单星硬件结构

天基信息港单星硬件由载荷和平台两大部分组成，信息港的载荷硬件架构为“传感器+异构/混合交换+综合处理”组合的模块化架构，通过中间件技术将底层硬件资源虚拟化，实现功能与硬件的解耦。卫星平台是由保障系统组成，其主要包含：结构与机构、姿态与轨道控制、测控、热控制、总体电路、数据管理、电源等分系统。载荷电子设备与平台电子设备通过统一的RapidIO进行高速交换。

1.4 软件架构

天基信息港系统，遵循面向服务、按需分发、自主可控、可定制的原则，基于开放式体系结构标准，采用分层架构的理念[11]，搭建了包含基础资源层、中间件层、应用层的软件架构，如图1-6??????所示。该架构以数据为中心，通过硬件和软件的解耦，时间和空间的解耦，提高系统的可扩展性，实现系统迭代演进；支持单点集成、即插即用和并行化处理，在硬件加固和防护的基础上，提供基于软件的容错服务，为COTS器件在天基信息港中的应用提供有效的、低成本的技术支撑。

图3 天基信息港系统软件架构

应用层，包含应用任务、领域公共服务和领域公共组件三个层次。其中，应用任务直接面向用户，为完成特定领域的一项顶层功能，例如：空中目标监视和多传感器信息融合；将任务进行合适粒度的功能分解，把多个任务都会使用的软件功能称为领域公共服务，例如：空中目标监视和多传感器信息融合均要用到的航迹关联算法；领域公共组件是最小的功能软件单元，并且在多个领域公共服务中被调用，具有明确的接口定义，可相对独立地完成一定的功能，例如：常用的FFT算法功能组件。应用层采用微服务框架技术实现模块化组件通用服务平台，在此基础上对天基业务的服务化切分，形成天基领域公共服务，并增加对服务的注册、管控、治理来为天基应用任务提供有力支撑，同时，还具有面向用户的服务组合能力，即当天基业务需求发生变化使服务调用有所调整时，能够支持用户快速组合服务，形成新的业务流程。

中间件层作为承上启下的过渡层，包括DDS通信中间件、资源虚拟化和通用基础服务三层，三层间的接口遵循以数据为中心的DDS规范标准。通过结合各层任务特点，设计相应主题，利用发布/订阅技术，向领域公共组件层和整个应用层提供对基础资源层各类资源的访问调用接口；对各类计算设备，中间件层通过对线程/任务、同步资源、内存访问、IO操作，以及以太网、共享内存、光纤通信的封装实现操作系统与通信协议级屏蔽，提供对硬件设备层的访问接口。通过对基础资源层中的计算、存储和网络资源进行虚拟化，实现基础资源即服务(IaaS)，保证硬件资源的可用性和可扩展性，同时针对基础资源的硬件进行软件动态部署，包括基础软件和应用软件的自动化安装设置、维护升级等，并为系统提供系统重构、软件容错、数据管理、订阅/发布等通用的基础服务。

基础资源层包括计算资源池、存储资源池、网络设备以及核心、通用的基础软件，例如：操作系统、分布式文件系统和数据库等。采用基于商用货架产品(COTS)的通用信号处理设备、高性能处理器、高速数据交换网络等作为基础硬件资源，以信号处理、数据处理、信息处理和任务处理等功能应用软件作为技术应用，通过软件加载和重构等方式实现系统功能重组和能力扩展。

系统管理贯穿整个架构，通过构建“系统管理中心”来实施5各方面的管理任务。任务管理负责整个系统的控制管理，它确定了系统的工作模式，给各分/子系统下发任务执行指令，协同控制各种传感器和基础资源的工作，是天基网络化计算平台任务运行的核心。资源管理负责系统资源的统筹管理，它紧密配合任务管理，根据任务管理下发的指令，调度各类资源构建功能线程，保证系统任务的顺利执行。健康管理负责收集整个系统的状态监测信息，并分析各设备上报的工作参数及状态、功能软件运行状态等信息，检查设备故障监测点，定位故障设备，对故障进行上报、告警。服务管理主要完成对应用服务生命周期的管理，一方面完成服务状态监控，即对所有服务的状态进行监控，核查其运行是否正常，另一方面完成故障服务迁移，即当某个服务发生故障，立即启用故障服务迁移，完成该服务的重新注册和部署。安全管理作为一项系统级管理单独提出，是考虑到天基信息港的军用背景和敏感信息传输需求，目前主要考虑从分布式环境构造、数据安全存储和数据安全传输三个方面对系统进行安全管理，采用访问控制、认证、数据传输加密、虚拟化软件隔离等安全管理措施。同时，后续逐步建立系统的软件脆弱性(包括漏洞和安全保密性强度)跟踪系统，及时更新安全补丁和弥补措施，进一步保证系统安全性。

2 基于天基信息港的多源信息融合应用

2.1 天基多源信息融合技术

综合利用多传感器获取感兴趣目标多维感知信息，通过多源信息融合获取综合信息服务数据，提高信息获取的时效性、可靠性和精确性，可满足未来战场信息支援、灾害应急响应、海上搜救等军民多用户需求。

天基多源信息融合技术是利用卫星在轨处理能力，构建一个面向任务需求的多源数据融合处理系统，它能够充分利用多种传感器所获取数据中包含的目标特征信息，提高系统的效率和稳定性，智能处理和信息融合扩展了天基信息服务的空间与时间覆盖范围，增加了天基网系统信息的利用率，提高了融合信息的可信度和精度，满足多样化航天应用需求[12-15]。

2.2 基于天基信息港的多源信息融合技术

图4 基于天基信息港的多源信息融合应用

天基信息港是一个“天地一体”的信息系统，要求能与地面信息港协同联通，相互映射、协同工作，将空间网、海基网、陆基网等异构网立体集成，实施陆、海、空、天一体化一体化管理。以“模块化”和“服务化”的面向服务网络架构(SOA)、微服务架构为核心，形成面向天基业务的微服务框架技术，建立天基信息通用服务平台，提供天基信息服务，满足各类用户的共性与个性化需求，在此基础上，开展天基多源信息融合应用，充分利用天基信息港的高性能、高效能在轨实时处理和分发能力，根据任务驱动，动态重构算法模块和按需选择数据源，实现多源信息在轨融合，从而真正实现全空域、全时域信息共享和综合利用，在灾害应急、海上搜救、海上监视、战场侦察、监视等领域广泛应用。

针对天基信息港空间高性能计算能力和面向服务的网络架构体系，本文提出一种任务驱动的通用多源信息融合系统架构，形成通用多源信息融合，可满足多样化、可靠性、高实时任务需求。该信息融合架构以任务需求为输入，采用多层智能体Agent算法模块实现通用、高效设计，兼顾灵活性与高性能。系统架构包括四层，任务规划与资源调度层、数据获取层、基础算法层、高级应用层。

面向多样化任务需求，基于天基信息港的多源信息融合应用具体实现流程如图所示，其详细流程如下：

任务规划与资源调度：接收到任务后，基于天基信息港在轨处理资源进行任务规划，地面人工参与任务分解，形成计算资源、传感器资源和存储资源调度策略，梳理形成面向任务的信息处理资源需求和算法重构需求；

数据获取：基于传感器调度策略筛选匹配的卫星传感器资源，包括SAR成像传感器、红外成像传感器、可见光成像传感器和高光谱成像传感器等，基于适配传感器获取目标区域的观测数据；

基础算法处理：基于任务调度策略，从空域处理、频域处理、特征提取、分类器、特征级融合、决策级融合等智能体Agent选择合适的基础处理算法，生成底层信息处理数据特征数据集；

高级应用服务：基于针对特定传感器图像预处理、变化监测、目标检测、目标识别、目标定位、智能决策等高级智能体Agent，生成面向应用的多源信息数据集，并通过多源信息融合生成应用服务信息。

3 结语

本文提出了一种基于多颗高轨共位卫星组成的天基信息港，具有强大的信息处理能力，采用资源虚拟化技术和开放式软件架构实现面向多任务驱动的天基信息服务，并提出了一种基于天基信息港的多源信息融合技术，采用多层智能体Agent模块满足多任务对多源信息融合的不同应用需求。天基信息港是一个全新的概念，与传统的卫星在功能、设计思路、实现途径和应用方式等诸多方面截然不同。天基信息港采用多功能综合化设计和面向服务的开放式体系结构，能针对各种航天用户按需提供，打破了“一星一系统”的信息壁垒，实现了航天信息体系化应用，如同手机的APP一样，必将会有越来越多的应用场合和新的服务模式出现。

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Space-based Information Port and its Multi-information Fusion Application

Li Bin, Liu Cheng-yuan, Zhang Yu-bing, Zhou Bin

(China Academy of Electronics and Information Technology,Beijing 100041)

With the rapid development of Space-based Information System, presently, to improve the on-the-track capability of information processing and to develop applications of Space-based Information System have become the key questions. Based on the analysis of the present development of Space-based Information System, this paper comes up with a new space-based information concept which is Space-based Information Port. It is a kind of space-based unit with high capability of on-the-track information processing. Combining with high track collocation modularized satellites, the implementation scheme of space distributing system is presented; the constitution of Space-based Information Port, the hardware architecture and software architecture have been introduced as well. Additionally, the application of Multi-information Fusion introduced in this paper crated a new pattern of space-based information processing. This application meets the space-based information variety requirements, the highly real-time and the totalization demands in the future.

Space-based Information Port; On-the-track information processing; Multi-information Fusion; Collocation; Open layered software architecture; Multilayer intelligent

10.3969/j.issn.1673-5692.2017.03.006

2017-04-01

2017-05-31

国家自然科学基金资助项目(91338201)

V19

1673-5692(2017)03-251-06