“黑杰克”之“赌台官”自主任务系统进展

数百颗乃至数千颗卫星组成的大规模星座对卫星自主运控提出了更高需求，这些都需要发展智能化、综合化、标准化的自主任务系统，实现对大规模星座的自主指控。美国在“黑杰克”（BlackJack）项目下，积极发展“赌台官”分系统（Pit Boss，含义是牌桌老板面对赌局可以做到运筹帷幄），将该系统作为“黑杰克”的核心，并为未来美军七层太空体系架构进行技术铺垫。本文主要以2018 年8 月美国国防部高级研究计划局（DARPA）的Pit Boss 企业说明会相关资料、2019 年3 月DARPA 发布的Pit Boss 招标书和2020 年媒体相关报道为基础，分析Pit Boss项目基本情况、特点和技术领域。

1 引言

2020 年6 月16 日，DARPA“黑杰克”项目的Pit Boss 分系统的总承包商SEAKR 工程公司透露，DARPA 计划2021 年发射2 颗卫星，在轨验证Pit Boss 多星合作自主任务系统。

Pit Boss 的硬件和软件将装载在每个“黑杰克”卫星节点上，组成Pit Boss 云网络。Pit Boss 实际上是智能化的星载高性能自主控制和处理系统，不仅为每个有效载荷提供通用电气接口，而且提供任务级自主功能，实现在轨边缘计算，管理“黑杰克”卫星和地面用户之间的通信，管理指挥和遥测链路，并加密有效载荷数据。

2 颗Pit Boss 系统验证星是曼德拉- 1（Mandrake-1）和射手座-A（Sagittarius-A）。Mandrake - 1 将在太空环境中测试Pit Boss 硬件和芯片级技术。SEAKR 公司称，Pit Boss 采用先进的空间处理器架构，满足有效载荷处理性能要求，具有高水平的在轨可重构处理能力。Pit Boss 关键技术包括模数转换（ADC）和数模转换（DAC）技术、基于现场可编程门阵列（FPGA）的处理技术和基于专门集成电路（ASIC）的处理技术。Sagittarius-A 将验证科学系统有限公司（SSCI）负责开发的星载“作战管理、指挥、控制和通信”（BMC3）软件能力。当用户通过地面软件提交数据服务请求时，BMC3 软件能够自动管理卫星平台和有效载荷以满足请求。BMC3 软件还能够托管第三方算法，也称为无质量有效载荷。SSCI 公司表示，BMC3 软件一旦成功，不但能解决大规模星座的自主任务控制，还能够满足多域系统智能集成的需求。DARPA 先前还授出多份“黑杰克”卫星平台研发合同，本次透露的信息表明“黑杰克”项目已进入在轨验证阶段。

2 Pit Boss 项目概述

项目基本情况

Pit Boss 是DARPA“黑杰克”项目的重点和难点，它是一个自主、协同、分布式的天基网络，可以对大规模星座进行管理和运控，处理载荷相关信息并将其分发给用户。“黑杰克”项目的目标是利用一个由60 ～200 颗卫星组成的低地球轨道（LEO）卫星星座，验证大型商用星座和低成本卫星在军用系统中的实用性。Pit Boss 的架构可扩展、适应性强，能够将各种卫星平台和军用有效载荷组成的多个功能层整合到统一的数据收集和分发架构中，并适应不断增长的卫星数量。Pit Boss 项目将使整个“黑杰克”星座具有自主能力；灵活、快速地对信息进行收集、处理和分配；根据需求调度卫星，同时监测多个地理区域，显著提高美军的态势感知与侦察监视能力；提供低时延的全球天对地战术通信。

Pit Boss 项目总预算为3850 万美元，将分3 个阶段开展。第一阶段将重点定义系统需求，并制定初始任务架构规范；第二阶段将进行关键设计评审，交付硬件和软件，并进行集成；第三阶段将完成卫星在轨演示验证。目前，DARPA 积极推进“黑杰克”项目，涉及平台、载荷、Pit Boss 系统研发、系统集成等领域。

2019 年3 月，DARPA 发布Pit Boss 的招标书，并在11 月完成承包商选择，最终选定的承包商包括SEAKR 工程公司、SSCI 公司和英国BAE 系统公司等。

2020 年4 月，DARPA 授予洛马公司一份价值580 万美元的合同，洛马公司被选为“黑杰克”项目第一阶段的系统集成商，对卫星平台和Pit Boss 系统进行集成。

2020 年6 月9 日，DARPA 授予SA 光 子学公司（SA Photonics）一份价值1640 万美元的合同，为“黑杰克”卫星提供光通信终端，测试使用激光在太空传送数据技术，激光通信将是美国国防部（DoD）未来低轨道星座的重要组成部分。

2020 年6 月10 日，DARPA 授予蓝色峡谷技术公司（Blue Canyon）一份价值1490 万美元的合同，该公司将在2021 年6 月交付卫星平台。

2020 年6 月12 日，DARPA 授 予 雷 神 公 司（Raytheon）3740 万美元的合同，该公司将为“黑杰克”卫星提供“下一代过顶持续红外”（Next-Gen OPIR）传感器。

2020 年6 月16 日，SEAKR 工程公司和SSCI公司透露了Pit Boss 的新细节。Pit Boss 的承包商将与“黑杰克”平台和有效载荷的承包商密切合作。

Pit Boss 的功能和目标

Pit Boss是一个在轨云网络，是星座级别的自主、协作、分布式天基网络。Pit Boss 在最小化人工干预的情况下，进行星座指挥控制、载荷管理规划调度、健康监测和修复、星间和星内数据管理等。可在某时间内监视某区域的活动卫星节点定义为“瞬时轨道观测集群”，各个低轨大规模星座节点将不断地进入和离开这些区域。一方面，低轨卫星相对目标的运行速度极快；另一方面，这些卫星具有不同轨道、不同载荷、不同星下点和不同覆盖范围，Pit Boss 能够根据目标观测需求对“瞬时轨道观测集群”执行卫星交接和协同观测。

Pit Boss 的目标是通过低轨大规模星座，迅速、精确、自主地获取目标位置、特征和持续跟踪信息。Pit Boss 的其他目标包括增强相关能力，包括定位、导航与授时（PNT）增强，以及加强低延迟、全球范围的天基战术通信，Pit Boss 将使关键数据能够在战役范围内快速分发给全球战术用户。

3 Pit Boss 架构特点

DARPA 希望Pit Boss 结构方案具有扩展性、伸缩性和适应性。

扩展性体系结构是指易于将多种类型的商业卫星平台与支持各种潜在任务（例如，导弹威胁的探测、特征描述和跟踪；可替代的、高精度的定位、导航与定时；基于天基的地面动目标指示）的各种军用有效载荷集成在一起的体系结构。每颗卫星是一个功能层的节点，无需修改Pit Boss 架构就能够集成其他节点或功能层。

伸缩性体系结构更易容纳大量的卫星，而不会影响星座规划、数据收集、处理和分发能力，Pit Boss预计可在短时间内同时向数千用户提供数据产品。在演示验证阶段，一个功能层发展约20 颗卫星，可在一个区域实现数小时的覆盖，而一个功能层的全能力星座由数百颗卫星组成，可对全球范围的目标实现持续“看护”。以这种方式扩展不需要不同的软件或新的云网络架构。

适应性体系结构是利用开放式体系结构标准和系统控制的体系结构，允许轻松插入第三方软件和硬件，包括有效载荷和应用程序、通信设备，以及地面的用户设备和软件。在这方面，Pit Boss 相当于软件开发工具包和集成开发环境，使所有开发人员能够迭代开发“黑杰克”卫星平台、有效载荷和Pit Boss 系统。

“黑杰克”项目验证将不同的功能层整合到统一的数据收集和分发体系中。这些功能层包括过顶持续红外（OPIR）传感器，定位、导航与授时载荷，侦察载荷，射频和光通信载荷等。

DARPA 发布的招标书要求申请人定义和描述Pit Boss 的架构，所提交的方案应包括以下方面：

1）针对多个功能层、平台和载荷组成的大型低地球轨道架构，提出实现扩展性、伸缩性和适应性的方法，且需要与现有和计划发展的用户段硬件、指控段硬件及相关软件架构兼容。

2）开发和部署强大的自主多任务执行软件的方法。

3）开发和部署人机交互接口（HMSI）的方法。

4）详细说明和满足在轨计算资源需求的方法，包括在可用节点（平台/有效载荷）资源不能满足Pit Boss 需求时可提供的其他资源，以及如何管理和使用这些计算资源。

5）在“实时和虚拟建设性环境”中执行任务演示的方法，以验证技术成熟度，并在早期发现技术存在的风险。

6）通过商业衍生数据传输层（CDDTL）为大规模卫星通信提供信息加密和保护的方法，满足对低时延、高带宽数据的需求。

Pit Boss 是一个星座级的自主功能套件，它可被视为“黑杰克”功能层卫星的在轨处理器上安装的数据收集服务，或者被视为天基数据云服务。Pit Boss 运行在轨节点（平台/有效载荷）控制算法，执行网络数据路由，维护“黑杰克”星座多功能层的运行，同时向地面战术用户提供高时效性数据。投标方要求定义和描述Pit Boss 的架构，包括功能层和节点控制，任务数据管理，数据传输、存储和处理，数据分发。

4 Pit Boss 的相关技术

DARPA 在Pit Boss 招标书中介绍了6 个技术领域，涉及大规模星座的体系架构设计、多任务执行软件、人机接口、在轨计算资源，以及仿真验证和信息加密等。

技术领域1：针对太空作战的低轨大规模星座任务体系结构

开发具有扩展性、伸缩性和适应性的体系网络架构，该体系架构应该具备以下能力或需求：

1）“黑杰克”节点在任务规划、决策制定、数据共享和多域数据融合方面与其他节点自主合作，实现任务目标。

2）针对某目标或区域，在观测组范围内，“黑杰克”节点能够无缝、连续地与其他逻辑节点传递任务规划，以持续看护或持续行动。

3）“黑杰克”节点能够通过CDDTL 与其他节点和用户（包括战术平台、指挥官和卫星运控人员）进行指令和数据的传输和接收。

4）能够支持60 ～400 颗卫星的功能层规模。

5）Pit Boss 与CDDTL、Pit Boss 节点之间、Pit Boss 与地面控制站之间、Pit Boss 与用户终端之间的接口方法。

6）针对一系列潜在的任务需求，最大化数据输出的方法。

7）确保高质量服务的方法。

8）平台、有效载荷、Pit Boss、CDDTL 和人机地面接口的功能中断。

9）为体系架构建立评价指标（如，可用性、跟踪看护能力、覆盖范围、延迟、传输可靠性和质量等）。

技术领域2：多任务执行软件

开发灵活的、模块化的软件，可自主执行多个不同任务。某些功能可能支持多个任务（如，“黑杰克”功能层节点间传递目标，数据管理/分发、资源协调等），而其他功能可能是特定任务（如，自动目标识别）。建议的方法应该能够实现星座级自主，并且应该满足以下性能目标。

1）计划任务的自主执行。

2）自主星座管理（节点健康监控、轨道维持、节点间距管理等）。

3）星座指挥和控制（如，指挥官的意图从用户终端上传到Pit Boss，系统自主识别指令，并命令一个或多个节点对感兴趣区域进行收集、处理和分发）。

4）节点之间的合作以支持：增强任务能力（如，立体观测以增强跟踪精度）；数据处理和分布式数据处理能力；当节点进入和离开观察组时的目标切换，以保持持续看护；有效载荷数据传输到其他节点、用户和指挥单元。

5）自主诊断和响应一般的系统故障（如，在连续执行计划任务时节点丢失）。

6）提供数据存储。

7）安装第三方应用程序。

以上并不包括Pit Boss 软件的所有性能目标，同时，投标方应说明支持自主任务执行所需的任何额外领域。在可能的情况下，投标方应利用平台和有效载荷功能来满足性能指标，并降低软件复杂性和成本。

技术领域3：人机用户接口

人机用户接口（HMSI）能为Pit Boss 软件提供人机界面，以提供星座指挥和控制、用户请求和遥测通信有效载荷数据的能力。

投标方应该描述用户、指挥官和卫星管理者的人机用户接口，考虑以下能力：

1）在最小化训练下，提供轻松定义任务参数和生成指令的能力。

2）提供设置和快速更新指挥层级和任务优先级的能力，以及基于该指挥层级，对指挥官和用户请求进行优先级排序的能力。

3）提供获取和显示最新健康状况、状态和“黑杰克”与CDDTL 卫星星历的能力。

4）可访问其他商业、政府或其他情报数据系统，同化可能满足请求者意图的信息。

5）适应各类卫星和各类用户（如，分析员、战术用户和高级指挥官）。

6）能够请求其他类型卫星的能力（如，太空态势感知）。

7）能够直观地显示Pit Boss 的任务请求和功能层状态。

以上可能不包括HMSI 的所有功能，投标方应说明支持人机界面所需的任何额外功能。

技术领域4：在轨计算资源

实现未来任务扩展升级，自主化、智能化的软件需要高性能处理内存和带宽能力。DARPA 正在寻求创新的方法，以最低的成本解决方案，执行Pit Boss 任务（如，托管在平台、有效载荷上或通过第三方卫星上的计算系统）。解决方案应满足估计的计算需求，定义在轨计算体系架构，并描述实现体系架构的硬件和软件（如，接口卡、计算平台等）。投标方将负责开发这些单元，并与卫星承包商一起确保系统兼容性。

在运载火箭整流罩封装之前，任何“黑杰克”有效载荷都可以很容易地与任何“黑杰克”平台集成。它是一个充分定义和记录机械、电气、网络和软件接口的系统，具有适当的兼容性，以便开发和运行新的总线、有效载荷和自主软件，而无需长时间的设计、集成和测试。

计算资源方法应解决以下问题：

1）考虑每颗卫星质量功耗的限制，Pit Boss 所需的总计算资源。

2）考虑每颗卫星质量功耗的限制，Pit Boss 所需的内存资源。

3）支持第三方应用程序和无质量有效载荷的能力。

4）功耗和占空比。

5）发射后，新算法和任务线程的可扩展性。

6）无需重新设计Pit Boss 的情况下，增加在轨计算资源（处理器和内存）的伸缩性。

技术领域5：通过实时和虚拟的环境进行任务验证

通过先进的建模、仿真和演示，实现体系架构适应性的验证。投标方应描述Pit Boss 与平台和有效载荷模型集成的过程，在一个任务演示环境中演示任务功能，通过一系列地面模拟，展现完整的在轨活动。此外，方案应该解决Pit Boss 开发人员如何与卫星集成商合作的问题。

技术领域6：自主加密和信息保证

战术系统：“黑杰克”系统能够使用户数据大范围按需分发（同步多播用户可达数千个），这需要自主加密方法，保护系统免受恶意攻击，并开发利用低轨CDDTL 提供全球低延迟宽带服务。投标方可以假设“黑杰克”架构将包含“黑杰克”卫星与一个或多个低轨CDDTL 之间的直接通信链路。

开发工具包（SDK）

Pit Boss 的投标方应该描述开发可自由发布的SDK 的方法，支持第三方无质量有效载荷的集成。SDK 的目标是使发射后上注到功能层的第三方软件能够增强功能层的能力（如，数据融合能力、自动目标识别能力等）。

SDK 以库的形式实现应用程序接口（API），与Pit Boss 系统以及能够与“黑杰克”节点和用户通信的硬件专用工具进行连接。工具集应该包括支持新的无质量有效载荷的开发环境工具，SDK必须允许第三方在缺少支持的情况下为Pit Boss开发软件。SDK 应该定义标准的软件接口和开放的数据格式。

5 结论

智能化、分布式自主控制和处理网络有望引领卫星系统跨代发展

从卫星系统发展来看，现有卫星系统类似固化的“功能型手机”，Pit Boss 的发展将实现“功能机”向“智能机”的跨越。近两年，DARPA 密集授出多份“黑杰克”项目合同，旨在推进具有智能特征的低轨卫星体系快速发展。智能化卫星体系能够极大提升侦察监视、导弹预警、通信中继和导航定位能力，在现代化、智能化战争中，实现“先发制人”、“以快致胜”。

Pit Boss 是智能化卫星的核心关键系统，是美军未来低轨七层体系架构的技术基础

单星方面，Pit Boss 是每颗卫星的神经中枢，使整个卫星可由软件定义，为卫星的智能化奠定基础。美国之前发展的云判、目标识别等算法都将成为第三方APP，安装在Pit Boss 上。

星座方面，DARPA 提出Pit Boss 必须适用于灵活和动态扩展的体系架构，并将其作为首个技术要求。其次，Pit Boss 是大规模星座的分布式指挥控制网络和分布式计算系统，负责星座的管控和具体任务数据的处理和分发。此外，Pit Boss 为用户提供人机接口。

综合来看，Pit Boss 的功能基本涵盖了七层体系架构中BMC3 软件的功能，执行七层体系架构中，作战管理层的功能，即通过“卫星软件开发套件”在卫星上部署“无质量载荷”（即软件），实现利用低地球轨道的低时延大规模网状网络闭合时敏目标杀伤链。作战管理层期望能力是：建立分布式和人工智能支撑的作战管理能力，包括自主任务分配、自主信息获取和优先级裁决、自主星上处理和分发，将太空传感器获取的易逝数据产品直接交付给作战用户。

Pit Boss 是美军“即插即用卫星”等理念的继承发展

Pit Boss 使卫星平台具有多种载荷的灵活适配能力，这与美国在“快响”理念下发展的“即插即用卫星”和模块化的快速响应卫星平台有高度继承性。“快响”项目的一个重要理念是发展标准化模块化的平台，减少卫星平台的重新设计和测试。空军研究实验室（AFRL）在该理念带动下，研究了空间即插即用电子系统标准（SPA），旨在支持由不同的敏感器、不同的执行机构以任意复杂形式组合来搭建网络，使得搭建的网络易于扩展和修改。Pit Boss 结合了这些发展理念，并与人工智能技术结合，形成了新的创新理念。