航天數(shù)字化空間態(tài)勢信息保障系統(tǒng)設計與實現(xiàn)
2018-05-23 00:45:51，，
計算機測量與控制 2018年5期
，，
(火箭軍研究院，北京 100085)
0 引言
爭奪航天數(shù)字化空間優(yōu)勢和信息優(yōu)勢是我國在未來戰(zhàn)役中取得勝利的關鍵所在?？臻g攻防對抗是以信息安全保障為基礎的預防狀態(tài)。航天數(shù)字化空間態(tài)勢信息主要包括環(huán)境信息和目標信息，這是空間攻防對抗中重要的戰(zhàn)場情報，也是影響決策的重要因素?？臻g態(tài)勢感知信息可為攻防對抗戰(zhàn)略決策提供依據(jù)，為戰(zhàn)術應用提供重要參數(shù)，這也是奪取空間信息優(yōu)勢關鍵所在，為此空間態(tài)勢信息保障系統(tǒng)的研發(fā)是對抗新概念戰(zhàn)爭的重要研發(fā)項目。各類空間態(tài)勢信息種類多樣且數(shù)量龐大，且信息在格式、語義和尺度等方面存在多重性和差異性，導致航天工程網絡環(huán)境無法在空間態(tài)勢信息中無縫集成[1]。傳統(tǒng)信息保障系統(tǒng)存在衛(wèi)星位置、速度、姿態(tài)以及衛(wèi)星上的不同工作狀態(tài)參數(shù)等信息無法得到保障的問題，導致系統(tǒng)信息保障效果較差，耗費時間長[2]。
為了解決傳統(tǒng)系統(tǒng)存在的問題，提出設計一種航天數(shù)字化空間態(tài)勢信息保障系統(tǒng)。通過對系統(tǒng)整體結構設計，可使空間數(shù)據(jù)在系統(tǒng)上保持穩(wěn)定傳輸，分析空間態(tài)勢信息保障所需要實現(xiàn)功能，以此為基礎構建系統(tǒng)硬件結構，設計系統(tǒng)軟件功能，并通過實驗驗證系統(tǒng)設計具有合理性，采用所設計的系統(tǒng)，衛(wèi)星信息可得到保障，耗費時間較短，系統(tǒng)保障效果較好，可有效覆蓋秘密時間和空間等要素。
1 空間態(tài)勢信息保障系統(tǒng)設計需求
空間態(tài)勢信息保障系統(tǒng)設計可為戰(zhàn)役提供決策環(huán)境，針對信息檢測與分析，需對空間環(huán)境分布狀態(tài)進行預報，在整個空間環(huán)境中對于軍事活動來說是十分關鍵的，因此對于避諱和減緩空間環(huán)境的危害是具有重要意義的[3]。該信息的保障能夠為空間攻防的戰(zhàn)略性決策提供輔助，也為空間環(huán)境保護能力提供支持，增強戰(zhàn)術單元戰(zhàn)斗力，監(jiān)測并預報敵方空間目標信息特征，利用航天數(shù)字化技術為空間攻防戰(zhàn)略決策提供依據(jù)。系統(tǒng)設計必須具有防御戰(zhàn)略性思想和信息對抗方案以及備戰(zhàn)策略等支持功能，針對系統(tǒng)設計的需求如下所示。
1)攻防對抗決策：采用合理的空間攻防輔助戰(zhàn)略可實現(xiàn)空間環(huán)境的合理利用；
2)空間目標監(jiān)視：可為系統(tǒng)空間提供較為精確的定軌方案，實時輸入?yún)?shù)，為空間站衛(wèi)星運行軌跡提供詳細數(shù)據(jù)，降低誤差；
3)空間目標信息：搜尋敵方詳細信息，并對敵我空間的目標信息描述；
4)空間目標預報：搜尋敵方的目標信息，并對當前飛行軌道詳細位置判定，對于未來幾日衛(wèi)星軌道信息進行預測，采用數(shù)值積分法為空間目標的隕落提供準確數(shù)據(jù)；
5)新概念武器實驗：針對新概念武器需利用空間環(huán)境相關參數(shù)進行設計，并通過實驗驗證該武器是否對目標信息的保障起到作用，安排實驗驗證該武器的可靠性，并進行準確評估。
6)空間平臺運行：保障由于空間防御造成的衛(wèi)星運行軌跡偏離現(xiàn)象，并且能夠及時避免由于空間環(huán)境造成的異常現(xiàn)象發(fā)生，進而提高空間站運行的可靠性，延長衛(wèi)星的使用壽命；
7)空間信息鏈路傳輸：保證空間預防任務的控制信息在鏈路傳輸過程中是否正常，并將其常規(guī)信息鏈路進行有效連接，進而減緩電力與對流電路摩擦造成的質量損壞問題，從而避免信號強度減弱[4]。
2 空間態(tài)勢信息保障系統(tǒng)設計
航天數(shù)字化空間態(tài)勢信息保障系統(tǒng)按照功能可劃分成4個部分，分別是綜合數(shù)據(jù)庫、目標軌道模型、空間要素以及可視化[5]?？臻g態(tài)勢信息保障系統(tǒng)設計的基本思路為：在不同數(shù)據(jù)傳輸之前，需先將數(shù)據(jù)進行融合處理，通過鏈路傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫中進行存儲，對數(shù)據(jù)庫進行綜合分析空間目標預測模型和要素環(huán)境都是以數(shù)據(jù)庫存儲為基本條件下進行的，經過可視化處理，可將數(shù)據(jù)準確顯示在屏幕上，并實時發(fā)布。系統(tǒng)設計的大體邏輯結構如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)模塊邏輯結構
2.1 系統(tǒng)硬件設計
基于不同層次結構的系統(tǒng)硬件部分的設計與實現(xiàn)需引進支撐環(huán)境和分布式網絡概念，構建網絡環(huán)境，并采用分布式體系結構對硬件部分展開設計。由于采用服務模式，需將數(shù)據(jù)存儲在管理、應用和發(fā)布的三個層次中進行單獨存儲，進而保證整個體系在不同服務模式下的安全設計與研發(fā)。信息保障系統(tǒng)的構建是由數(shù)據(jù)存儲分系統(tǒng)、空間環(huán)境信息預報系統(tǒng)、效應系統(tǒng)、分析系統(tǒng)以及用戶服務系統(tǒng)組成的，其中對數(shù)據(jù)監(jiān)測主要應用于數(shù)據(jù)存儲和管理層，針對空間環(huán)境的預報可應用在分系統(tǒng)中[6]?？臻g環(huán)境信息預報系統(tǒng)和效應系統(tǒng)所構成的數(shù)據(jù)應用層可為用戶服務的分系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)的發(fā)布，系統(tǒng)間信息共享和時間同步主要是在網絡環(huán)境下實現(xiàn)的，具體空間態(tài)勢信息組成結構如圖2所示
圖2 空間態(tài)勢信息組成結構
根據(jù)圖2中的空間態(tài)勢信息組成結構，將整個硬件部分分成三個主要層次和兩個端口，其中三個主要層次分別是：服務層、應用層和數(shù)據(jù)層。兩個端口分別是：服務器端口和瀏覽器端口。服務器端口主要服務于數(shù)據(jù)層和應用層，而瀏覽器端口主要服務于服務層，為該層提供可視化操作界面[7]。具體的層次結構示意圖設計如圖3所示。
圖3 層次結構示意圖
各個層次的功能實現(xiàn)具體表現(xiàn)為：在服務端接口處，數(shù)據(jù)層可對整體管理系統(tǒng)中的服務層能夠利用網絡結構所收集到的用戶請求，提供三維模型數(shù)據(jù)和衛(wèi)星運行的軌道數(shù)據(jù)，并最終確定目標運行路線。網絡服務器可為同類影響數(shù)據(jù)分辨率提供三維場景繪制方案，該部分是由應用層提供的。應用層位于三個層次中心位置，為系統(tǒng)提供基本操作，并對整個空間布局，完成目標繪制與顯示。針對用戶發(fā)送的請求命令，需根據(jù)用戶個性化設置進行空間態(tài)勢訪問，其中包括場景的放大與縮小，漫游數(shù)據(jù)管理與顯示[8]。服務層位于三個層次最頂層，該層次功能是在瀏覽器中才能實現(xiàn)的，利用網絡服務結構能夠提供可視化的服務工作，并采用應用層基本信息能夠實現(xiàn)目標數(shù)據(jù)監(jiān)測、空間環(huán)境預報和標準檢測等狀態(tài)服務。
2.2 系統(tǒng)軟件設計
面對軟件部分的研發(fā)，需將程序作為基本研發(fā)單元，對整個程序的數(shù)據(jù)進行收集并封裝，將所有單元數(shù)據(jù)以組合形式發(fā)送到計算機應用程序中，可大大提高系統(tǒng)程序通用性、靈活性和擴展性。以Java作為向整個系統(tǒng)研發(fā)的基礎語言，使用該語言，具有操作簡便、靈活性強的優(yōu)勢，與平臺并無直接聯(lián)系，能夠實現(xiàn)程序的一次性編輯[9]。該語言的成立是經過代碼編譯形成的，任何操作系統(tǒng)都可在該語言編輯下安全運行。針對系統(tǒng)需求的功能，應設計軟件功能結構，使整個應用軟件程序滿足系統(tǒng)需求，采用面向用戶需求的應用程序研發(fā)是完成面向航天數(shù)字化信息保障對象機制中的關鍵步驟。
2.2.1 漫游與縮放數(shù)據(jù)請求流程
根據(jù)面向航天數(shù)字化信息保障對象機制的理念，需將不同用戶對數(shù)據(jù)的需求全部傳送到應用結構當中，并在服務器上，用戶輸入IP地址進行注冊、訪問后，依據(jù)自身使用權限獲取實際需求所必需的服務。
三維場景中用戶通過瀏覽器端口的各項操作，采用數(shù)據(jù)獲取網絡服務，使得服務器端口對用戶的需求能夠及時處理。當用戶進行數(shù)據(jù)漫游與縮放操作時，服務端口會根據(jù)具體需求對影響分辨率進行設置，構建數(shù)據(jù)組織結構，利用網絡服務機制可將數(shù)據(jù)回傳到瀏覽器搜索界面中，使用戶能夠實時接收到反饋數(shù)據(jù)，基本用戶請求給出漫游與縮放數(shù)據(jù)請求流程如圖4所示。
圖4 漫游與縮放數(shù)據(jù)請求流程
由圖4可知：用戶請求在瀏覽器端口添加目標時，端口系統(tǒng)的應用程序需被加入衛(wèi)星運行軌道中，從而對衛(wèi)星的實際運行軌跡進行精準預測。通過網絡服務可將渲染結果傳送到瀏覽器接口處，通過瀏覽器進行數(shù)據(jù)顯示。所有處理后的數(shù)據(jù)和程序都是在服務端口接收的，如果更新升級系統(tǒng)，需將服務體系架構設計成符合面向航天數(shù)字化信息保障基本理念。
2.2.2 信息保障技術
空間目標軌道計算需要使用兩行根數(shù)，空間目標的軌道數(shù)據(jù)是由平均開普勒根數(shù)組成的，其中包括地球攝動項和引力模型，通過設定方式可消除系統(tǒng)周期性躁動，精準度大小能夠滿足整個空間對態(tài)勢環(huán)境的需求。用戶利用瀏覽器端口可添加空間項目，并在該端口處，實現(xiàn)全部衛(wèi)星運行路線的三維模擬圖像。利用軌道數(shù)據(jù)可計算預測模型的具體參數(shù)，清除擾動項，并使用重構方法設置擾動項目[10]。為了提高預測精準度，需使用信息保障技術，具體運算步驟為：
1)進行軌道坐標系與地心赤道進行轉換工作時，軌道數(shù)據(jù)需從軌道坐標系中收集，具體轉換關系為：
rx=E·ry
(1)
式(1)中,rx和ry是目標的矢量坐標；E為坐標系的矩陣。
2)根據(jù)預測數(shù)據(jù)，將原始數(shù)據(jù)恢復到平根數(shù)，以此為基礎計算長期項、長周期項和短周期項。
3)采集目標空間態(tài)勢信息，同時計算出目標衛(wèi)星的位置坐標和移動速度。
根據(jù)上述運算步驟，可收集到具有安全保障的目標信息。
2.2.3 應用功能實現(xiàn)
系統(tǒng)研發(fā)各項軟件功能后，應對其進行發(fā)布，并應用到接口處，進行數(shù)據(jù)包收集，通過構建網絡服務，可完成數(shù)據(jù)業(yè)務的往來，并將結果發(fā)送到服務端口，通過動態(tài)網頁實現(xiàn)。針對數(shù)據(jù)包加載，需將業(yè)務剔除，并修改連接方式。將復雜的業(yè)務程序放置在服務端口處，對于用戶的應用和部署是十分有利的。由于程序語言是在安全模式下編寫的，為此需對每一個數(shù)據(jù)包進行編號，經過編號數(shù)據(jù)包可傳送到服務器中。
在服務端口處構建一個文件夾作為用戶瀏覽訪問的主要網頁，在此文件夾中引進所有與之相關的數(shù)據(jù)包，并設置應用程序布局大小，具體代碼實現(xiàn)步驟如下所示：
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