數(shù)百顆乃至數(shù)千顆衛(wèi)星組成的大規(guī)模星座對衛(wèi)星自主運控提出了更高需求,這些都需要發(fā)展智能化、綜合化、標準化的自主任務(wù)系統(tǒng),實現(xiàn)對大規(guī)模星座的自主指控。美國在“黑杰克”(BlackJack)項目下,積極發(fā)展“賭臺官”分系統(tǒng)(Pit Boss,含義是牌桌老板面對賭局可以做到運籌帷幄),將該系統(tǒng)作為“黑杰克”的核心,并為未來美軍七層太空體系架構(gòu)進行技術(shù)鋪墊。本文主要以2018 年8 月美國國防部高級研究計劃局(DARPA)的Pit Boss 企業(yè)說明會相關(guān)資料、2019 年3 月DARPA 發(fā)布的Pit Boss 招標書和2020 年媒體相關(guān)報道為基礎(chǔ),分析Pit Boss項目基本情況、特點和技術(shù)領(lǐng)域。
2020 年6 月16 日,DARPA“黑杰克”項目的Pit Boss 分系統(tǒng)的總承包商SEAKR 工程公司透露,DARPA 計劃2021 年發(fā)射2 顆衛(wèi)星,在軌驗證Pit Boss 多星合作自主任務(wù)系統(tǒng)。
Pit Boss 的硬件和軟件將裝載在每個“黑杰克”衛(wèi)星節(jié)點上,組成Pit Boss 云網(wǎng)絡(luò)。Pit Boss 實際上是智能化的星載高性能自主控制和處理系統(tǒng),不僅為每個有效載荷提供通用電氣接口,而且提供任務(wù)級自主功能,實現(xiàn)在軌邊緣計算,管理“黑杰克”衛(wèi)星和地面用戶之間的通信,管理指揮和遙測鏈路,并加密有效載荷數(shù)據(jù)。
2 顆Pit Boss 系統(tǒng)驗證星是曼德拉- 1(Mandrake-1)和射手座-A(Sagittarius-A)。Mandrake - 1 將在太空環(huán)境中測試Pit Boss 硬件和芯片級技術(shù)。SEAKR 公司稱,Pit Boss 采用先進的空間處理器架構(gòu),滿足有效載荷處理性能要求,具有高水平的在軌可重構(gòu)處理能力。Pit Boss 關(guān)鍵技術(shù)包括模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)和數(shù)模轉(zhuǎn)換(DAC)技術(shù)、基于現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)的處理技術(shù)和基于專門集成電路(ASIC)的處理技術(shù)。Sagittarius-A 將驗證科學(xué)系統(tǒng)有限公司(SSCI)負責(zé)開發(fā)的星載“作戰(zhàn)管理、指揮、控制和通信”(BMC3)軟件能力。當(dāng)用戶通過地面軟件提交數(shù)據(jù)服務(wù)請求時,BMC3 軟件能夠自動管理衛(wèi)星平臺和有效載荷以滿足請求。BMC3 軟件還能夠托管第三方算法,也稱為無質(zhì)量有效載荷。SSCI 公司表示,BMC3 軟件一旦成功,不但能解決大規(guī)模星座的自主任務(wù)控制,還能夠滿足多域系統(tǒng)智能集成的需求。DARPA 先前還授出多份“黑杰克”衛(wèi)星平臺研發(fā)合同,本次透露的信息表明“黑杰克”項目已進入在軌驗證階段。
Pit Boss 是DARPA“黑杰克”項目的重點和難點,它是一個自主、協(xié)同、分布式的天基網(wǎng)絡(luò),可以對大規(guī)模星座進行管理和運控,處理載荷相關(guān)信息并將其分發(fā)給用戶。“黑杰克”項目的目標是利用一個由60 ~200 顆衛(wèi)星組成的低地球軌道(LEO)衛(wèi)星星座,驗證大型商用星座和低成本衛(wèi)星在軍用系統(tǒng)中的實用性。Pit Boss 的架構(gòu)可擴展、適應(yīng)性強,能夠?qū)⒏鞣N衛(wèi)星平臺和軍用有效載荷組成的多個功能層整合到統(tǒng)一的數(shù)據(jù)收集和分發(fā)架構(gòu)中,并適應(yīng)不斷增長的衛(wèi)星數(shù)量。Pit Boss 項目將使整個“黑杰克”星座具有自主能力;靈活、快速地對信息進行收集、處理和分配;根據(jù)需求調(diào)度衛(wèi)星,同時監(jiān)測多個地理區(qū)域,顯著提高美軍的態(tài)勢感知與偵察監(jiān)視能力;提供低時延的全球天對地戰(zhàn)術(shù)通信。
Pit Boss 項目總預(yù)算為3850 萬美元,將分3 個階段開展。第一階段將重點定義系統(tǒng)需求,并制定初始任務(wù)架構(gòu)規(guī)范;第二階段將進行關(guān)鍵設(shè)計評審,交付硬件和軟件,并進行集成;第三階段將完成衛(wèi)星在軌演示驗證。目前,DARPA 積極推進“黑杰克”項目,涉及平臺、載荷、Pit Boss 系統(tǒng)研發(fā)、系統(tǒng)集成等領(lǐng)域。
2019 年3 月,DARPA 發(fā)布Pit Boss 的招標書,并在11 月完成承包商選擇,最終選定的承包商包括SEAKR 工程公司、SSCI 公司和英國BAE 系統(tǒng)公司等。
2020 年4 月,DARPA 授予洛馬公司一份價值580 萬美元的合同,洛馬公司被選為“黑杰克”項目第一階段的系統(tǒng)集成商,對衛(wèi)星平臺和Pit Boss 系統(tǒng)進行集成。
2020 年6 月9 日,DARPA 授予SA 光 子學(xué)公司(SA Photonics)一份價值1640 萬美元的合同,為“黑杰克”衛(wèi)星提供光通信終端,測試使用激光在太空傳送數(shù)據(jù)技術(shù),激光通信將是美國國防部(DoD)未來低軌道星座的重要組成部分。
2020 年6 月10 日,DARPA 授予藍色峽谷技術(shù)公司(Blue Canyon)一份價值1490 萬美元的合同,該公司將在2021 年6 月交付衛(wèi)星平臺。
2020 年6 月12 日,DARPA 授 予 雷 神 公 司(Raytheon)3740 萬美元的合同,該公司將為“黑杰克”衛(wèi)星提供“下一代過頂持續(xù)紅外”(Next-Gen OPIR)傳感器。
2020 年6 月16 日,SEAKR 工程公司和SSCI公司透露了Pit Boss 的新細節(jié)。Pit Boss 的承包商將與“黑杰克”平臺和有效載荷的承包商密切合作。
Pit Boss是一個在軌云網(wǎng)絡(luò),是星座級別的自主、協(xié)作、分布式天基網(wǎng)絡(luò)。Pit Boss 在最小化人工干預(yù)的情況下,進行星座指揮控制、載荷管理規(guī)劃調(diào)度、健康監(jiān)測和修復(fù)、星間和星內(nèi)數(shù)據(jù)管理等??稍谀硶r間內(nèi)監(jiān)視某區(qū)域的活動衛(wèi)星節(jié)點定義為“瞬時軌道觀測集群”,各個低軌大規(guī)模星座節(jié)點將不斷地進入和離開這些區(qū)域。一方面,低軌衛(wèi)星相對目標的運行速度極快;另一方面,這些衛(wèi)星具有不同軌道、不同載荷、不同星下點和不同覆蓋范圍,Pit Boss 能夠根據(jù)目標觀測需求對“瞬時軌道觀測集群”執(zhí)行衛(wèi)星交接和協(xié)同觀測。
Pit Boss 的目標是通過低軌大規(guī)模星座,迅速、精確、自主地獲取目標位置、特征和持續(xù)跟蹤信息。Pit Boss 的其他目標包括增強相關(guān)能力,包括定位、導(dǎo)航與授時(PNT)增強,以及加強低延遲、全球范圍的天基戰(zhàn)術(shù)通信,Pit Boss 將使關(guān)鍵數(shù)據(jù)能夠在戰(zhàn)役范圍內(nèi)快速分發(fā)給全球戰(zhàn)術(shù)用戶。
DARPA 希望Pit Boss 結(jié)構(gòu)方案具有擴展性、伸縮性和適應(yīng)性。
擴展性體系結(jié)構(gòu)是指易于將多種類型的商業(yè)衛(wèi)星平臺與支持各種潛在任務(wù)(例如,導(dǎo)彈威脅的探測、特征描述和跟蹤;可替代的、高精度的定位、導(dǎo)航與定時;基于天基的地面動目標指示)的各種軍用有效載荷集成在一起的體系結(jié)構(gòu)。每顆衛(wèi)星是一個功能層的節(jié)點,無需修改Pit Boss 架構(gòu)就能夠集成其他節(jié)點或功能層。
伸縮性體系結(jié)構(gòu)更易容納大量的衛(wèi)星,而不會影響星座規(guī)劃、數(shù)據(jù)收集、處理和分發(fā)能力,Pit Boss預(yù)計可在短時間內(nèi)同時向數(shù)千用戶提供數(shù)據(jù)產(chǎn)品。在演示驗證階段,一個功能層發(fā)展約20 顆衛(wèi)星,可在一個區(qū)域?qū)崿F(xiàn)數(shù)小時的覆蓋,而一個功能層的全能力星座由數(shù)百顆衛(wèi)星組成,可對全球范圍的目標實現(xiàn)持續(xù)“看護”。以這種方式擴展不需要不同的軟件或新的云網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。
適應(yīng)性體系結(jié)構(gòu)是利用開放式體系結(jié)構(gòu)標準和系統(tǒng)控制的體系結(jié)構(gòu),允許輕松插入第三方軟件和硬件,包括有效載荷和應(yīng)用程序、通信設(shè)備,以及地面的用戶設(shè)備和軟件。在這方面,Pit Boss 相當(dāng)于軟件開發(fā)工具包和集成開發(fā)環(huán)境,使所有開發(fā)人員能夠迭代開發(fā)“黑杰克”衛(wèi)星平臺、有效載荷和Pit Boss 系統(tǒng)。
“黑杰克”項目驗證將不同的功能層整合到統(tǒng)一的數(shù)據(jù)收集和分發(fā)體系中。這些功能層包括過頂持續(xù)紅外(OPIR)傳感器,定位、導(dǎo)航與授時載荷,偵察載荷,射頻和光通信載荷等。
DARPA 發(fā)布的招標書要求申請人定義和描述Pit Boss 的架構(gòu),所提交的方案應(yīng)包括以下方面:
1)針對多個功能層、平臺和載荷組成的大型低地球軌道架構(gòu),提出實現(xiàn)擴展性、伸縮性和適應(yīng)性的方法,且需要與現(xiàn)有和計劃發(fā)展的用戶段硬件、指控段硬件及相關(guān)軟件架構(gòu)兼容。
2)開發(fā)和部署強大的自主多任務(wù)執(zhí)行軟件的方法。
3)開發(fā)和部署人機交互接口(HMSI)的方法。
4)詳細說明和滿足在軌計算資源需求的方法,包括在可用節(jié)點(平臺/有效載荷)資源不能滿足Pit Boss 需求時可提供的其他資源,以及如何管理和使用這些計算資源。
5)在“實時和虛擬建設(shè)性環(huán)境”中執(zhí)行任務(wù)演示的方法,以驗證技術(shù)成熟度,并在早期發(fā)現(xiàn)技術(shù)存在的風(fēng)險。
6)通過商業(yè)衍生數(shù)據(jù)傳輸層(CDDTL)為大規(guī)模衛(wèi)星通信提供信息加密和保護的方法,滿足對低時延、高帶寬數(shù)據(jù)的需求。
Pit Boss 是一個星座級的自主功能套件,它可被視為“黑杰克”功能層衛(wèi)星的在軌處理器上安裝的數(shù)據(jù)收集服務(wù),或者被視為天基數(shù)據(jù)云服務(wù)。Pit Boss 運行在軌節(jié)點(平臺/有效載荷)控制算法,執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)路由,維護“黑杰克”星座多功能層的運行,同時向地面戰(zhàn)術(shù)用戶提供高時效性數(shù)據(jù)。投標方要求定義和描述Pit Boss 的架構(gòu),包括功能層和節(jié)點控制,任務(wù)數(shù)據(jù)管理,數(shù)據(jù)傳輸、存儲和處理,數(shù)據(jù)分發(fā)。
DARPA 在Pit Boss 招標書中介紹了6 個技術(shù)領(lǐng)域,涉及大規(guī)模星座的體系架構(gòu)設(shè)計、多任務(wù)執(zhí)行軟件、人機接口、在軌計算資源,以及仿真驗證和信息加密等。
開發(fā)具有擴展性、伸縮性和適應(yīng)性的體系網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),該體系架構(gòu)應(yīng)該具備以下能力或需求:
1)“黑杰克”節(jié)點在任務(wù)規(guī)劃、決策制定、數(shù)據(jù)共享和多域數(shù)據(jù)融合方面與其他節(jié)點自主合作,實現(xiàn)任務(wù)目標。
2)針對某目標或區(qū)域,在觀測組范圍內(nèi),“黑杰克”節(jié)點能夠無縫、連續(xù)地與其他邏輯節(jié)點傳遞任務(wù)規(guī)劃,以持續(xù)看護或持續(xù)行動。
3)“黑杰克”節(jié)點能夠通過CDDTL 與其他節(jié)點和用戶(包括戰(zhàn)術(shù)平臺、指揮官和衛(wèi)星運控人員)進行指令和數(shù)據(jù)的傳輸和接收。
4)能夠支持60 ~400 顆衛(wèi)星的功能層規(guī)模。
5)Pit Boss 與CDDTL、Pit Boss 節(jié)點之間、Pit Boss 與地面控制站之間、Pit Boss 與用戶終端之間的接口方法。
6)針對一系列潛在的任務(wù)需求,最大化數(shù)據(jù)輸出的方法。
7)確保高質(zhì)量服務(wù)的方法。
8)平臺、有效載荷、Pit Boss、CDDTL 和人機地面接口的功能中斷。
9)為體系架構(gòu)建立評價指標(如,可用性、跟蹤看護能力、覆蓋范圍、延遲、傳輸可靠性和質(zhì)量等)。
開發(fā)靈活的、模塊化的軟件,可自主執(zhí)行多個不同任務(wù)。某些功能可能支持多個任務(wù)(如,“黑杰克”功能層節(jié)點間傳遞目標,數(shù)據(jù)管理/分發(fā)、資源協(xié)調(diào)等),而其他功能可能是特定任務(wù)(如,自動目標識別)。建議的方法應(yīng)該能夠?qū)崿F(xiàn)星座級自主,并且應(yīng)該滿足以下性能目標。
1)計劃任務(wù)的自主執(zhí)行。
2)自主星座管理(節(jié)點健康監(jiān)控、軌道維持、節(jié)點間距管理等)。
3)星座指揮和控制(如,指揮官的意圖從用戶終端上傳到Pit Boss,系統(tǒng)自主識別指令,并命令一個或多個節(jié)點對感興趣區(qū)域進行收集、處理和分發(fā))。
4)節(jié)點之間的合作以支持:增強任務(wù)能力(如,立體觀測以增強跟蹤精度);數(shù)據(jù)處理和分布式數(shù)據(jù)處理能力;當(dāng)節(jié)點進入和離開觀察組時的目標切換,以保持持續(xù)看護;有效載荷數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡渌?jié)點、用戶和指揮單元。
5)自主診斷和響應(yīng)一般的系統(tǒng)故障(如,在連續(xù)執(zhí)行計劃任務(wù)時節(jié)點丟失)。
6)提供數(shù)據(jù)存儲。
7)安裝第三方應(yīng)用程序。
以上并不包括Pit Boss 軟件的所有性能目標,同時,投標方應(yīng)說明支持自主任務(wù)執(zhí)行所需的任何額外領(lǐng)域。在可能的情況下,投標方應(yīng)利用平臺和有效載荷功能來滿足性能指標,并降低軟件復(fù)雜性和成本。
人機用戶接口(HMSI)能為Pit Boss 軟件提供人機界面,以提供星座指揮和控制、用戶請求和遙測通信有效載荷數(shù)據(jù)的能力。
投標方應(yīng)該描述用戶、指揮官和衛(wèi)星管理者的人機用戶接口,考慮以下能力:
1)在最小化訓(xùn)練下,提供輕松定義任務(wù)參數(shù)和生成指令的能力。
2)提供設(shè)置和快速更新指揮層級和任務(wù)優(yōu)先級的能力,以及基于該指揮層級,對指揮官和用戶請求進行優(yōu)先級排序的能力。
3)提供獲取和顯示最新健康狀況、狀態(tài)和“黑杰克”與CDDTL 衛(wèi)星星歷的能力。
4)可訪問其他商業(yè)、政府或其他情報數(shù)據(jù)系統(tǒng),同化可能滿足請求者意圖的信息。
5)適應(yīng)各類衛(wèi)星和各類用戶(如,分析員、戰(zhàn)術(shù)用戶和高級指揮官)。
6)能夠請求其他類型衛(wèi)星的能力(如,太空態(tài)勢感知)。
7)能夠直觀地顯示Pit Boss 的任務(wù)請求和功能層狀態(tài)。
以上可能不包括HMSI 的所有功能,投標方應(yīng)說明支持人機界面所需的任何額外功能。
實現(xiàn)未來任務(wù)擴展升級,自主化、智能化的軟件需要高性能處理內(nèi)存和帶寬能力。DARPA 正在尋求創(chuàng)新的方法,以最低的成本解決方案,執(zhí)行Pit Boss 任務(wù)(如,托管在平臺、有效載荷上或通過第三方衛(wèi)星上的計算系統(tǒng))。解決方案應(yīng)滿足估計的計算需求,定義在軌計算體系架構(gòu),并描述實現(xiàn)體系架構(gòu)的硬件和軟件(如,接口卡、計算平臺等)。投標方將負責(zé)開發(fā)這些單元,并與衛(wèi)星承包商一起確保系統(tǒng)兼容性。
在運載火箭整流罩封裝之前,任何“黑杰克”有效載荷都可以很容易地與任何“黑杰克”平臺集成。它是一個充分定義和記錄機械、電氣、網(wǎng)絡(luò)和軟件接口的系統(tǒng),具有適當(dāng)?shù)募嫒菪?,以便開發(fā)和運行新的總線、有效載荷和自主軟件,而無需長時間的設(shè)計、集成和測試。
計算資源方法應(yīng)解決以下問題:
1)考慮每顆衛(wèi)星質(zhì)量功耗的限制,Pit Boss 所需的總計算資源。
2)考慮每顆衛(wèi)星質(zhì)量功耗的限制,Pit Boss 所需的內(nèi)存資源。
3)支持第三方應(yīng)用程序和無質(zhì)量有效載荷的能力。
4)功耗和占空比。
5)發(fā)射后,新算法和任務(wù)線程的可擴展性。
6)無需重新設(shè)計Pit Boss 的情況下,增加在軌計算資源(處理器和內(nèi)存)的伸縮性。
通過先進的建模、仿真和演示,實現(xiàn)體系架構(gòu)適應(yīng)性的驗證。投標方應(yīng)描述Pit Boss 與平臺和有效載荷模型集成的過程,在一個任務(wù)演示環(huán)境中演示任務(wù)功能,通過一系列地面模擬,展現(xiàn)完整的在軌活動。此外,方案應(yīng)該解決Pit Boss 開發(fā)人員如何與衛(wèi)星集成商合作的問題。
戰(zhàn)術(shù)系統(tǒng):“黑杰克”系統(tǒng)能夠使用戶數(shù)據(jù)大范圍按需分發(fā)(同步多播用戶可達數(shù)千個),這需要自主加密方法,保護系統(tǒng)免受惡意攻擊,并開發(fā)利用低軌CDDTL 提供全球低延遲寬帶服務(wù)。投標方可以假設(shè)“黑杰克”架構(gòu)將包含“黑杰克”衛(wèi)星與一個或多個低軌CDDTL 之間的直接通信鏈路。
Pit Boss 的投標方應(yīng)該描述開發(fā)可自由發(fā)布的SDK 的方法,支持第三方無質(zhì)量有效載荷的集成。SDK 的目標是使發(fā)射后上注到功能層的第三方軟件能夠增強功能層的能力(如,數(shù)據(jù)融合能力、自動目標識別能力等)。
SDK 以庫的形式實現(xiàn)應(yīng)用程序接口(API),與Pit Boss 系統(tǒng)以及能夠與“黑杰克”節(jié)點和用戶通信的硬件專用工具進行連接。工具集應(yīng)該包括支持新的無質(zhì)量有效載荷的開發(fā)環(huán)境工具,SDK必須允許第三方在缺少支持的情況下為Pit Boss開發(fā)軟件。SDK 應(yīng)該定義標準的軟件接口和開放的數(shù)據(jù)格式。
從衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)展來看,現(xiàn)有衛(wèi)星系統(tǒng)類似固化的“功能型手機”,Pit Boss 的發(fā)展將實現(xiàn)“功能機”向“智能機”的跨越。近兩年,DARPA 密集授出多份“黑杰克”項目合同,旨在推進具有智能特征的低軌衛(wèi)星體系快速發(fā)展。智能化衛(wèi)星體系能夠極大提升偵察監(jiān)視、導(dǎo)彈預(yù)警、通信中繼和導(dǎo)航定位能力,在現(xiàn)代化、智能化戰(zhàn)爭中,實現(xiàn)“先發(fā)制人”、“以快致勝”。
單星方面,Pit Boss 是每顆衛(wèi)星的神經(jīng)中樞,使整個衛(wèi)星可由軟件定義,為衛(wèi)星的智能化奠定基礎(chǔ)。美國之前發(fā)展的云判、目標識別等算法都將成為第三方APP,安裝在Pit Boss 上。
星座方面,DARPA 提出Pit Boss 必須適用于靈活和動態(tài)擴展的體系架構(gòu),并將其作為首個技術(shù)要求。其次,Pit Boss 是大規(guī)模星座的分布式指揮控制網(wǎng)絡(luò)和分布式計算系統(tǒng),負責(zé)星座的管控和具體任務(wù)數(shù)據(jù)的處理和分發(fā)。此外,Pit Boss 為用戶提供人機接口。
綜合來看,Pit Boss 的功能基本涵蓋了七層體系架構(gòu)中BMC3 軟件的功能,執(zhí)行七層體系架構(gòu)中,作戰(zhàn)管理層的功能,即通過“衛(wèi)星軟件開發(fā)套件”在衛(wèi)星上部署“無質(zhì)量載荷”(即軟件),實現(xiàn)利用低地球軌道的低時延大規(guī)模網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)閉合時敏目標殺傷鏈。作戰(zhàn)管理層期望能力是:建立分布式和人工智能支撐的作戰(zhàn)管理能力,包括自主任務(wù)分配、自主信息獲取和優(yōu)先級裁決、自主星上處理和分發(fā),將太空傳感器獲取的易逝數(shù)據(jù)產(chǎn)品直接交付給作戰(zhàn)用戶。
Pit Boss 使衛(wèi)星平臺具有多種載荷的靈活適配能力,這與美國在“快響”理念下發(fā)展的“即插即用衛(wèi)星”和模塊化的快速響應(yīng)衛(wèi)星平臺有高度繼承性?!翱祉憽表椖康囊粋€重要理念是發(fā)展標準化模塊化的平臺,減少衛(wèi)星平臺的重新設(shè)計和測試??哲娧芯繉嶒炇遥ˋFRL)在該理念帶動下,研究了空間即插即用電子系統(tǒng)標準(SPA),旨在支持由不同的敏感器、不同的執(zhí)行機構(gòu)以任意復(fù)雜形式組合來搭建網(wǎng)絡(luò),使得搭建的網(wǎng)絡(luò)易于擴展和修改。Pit Boss 結(jié)合了這些發(fā)展理念,并與人工智能技術(shù)結(jié)合,形成了新的創(chuàng)新理念。