王興龍 蔡亞星 陳士明 陳余軍

多源信息融合在空間態(tài)勢感知領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展

王興龍 蔡亞星 陳士明 陳余軍

（中國空間技術(shù)研究院通信與導(dǎo)航衛(wèi)星總體部，北京 100094）

在當(dāng)前復(fù)雜多樣的航天任務(wù)領(lǐng)域中，多源信息融合技術(shù)的重要性日益突出。文章以多源信息融合技術(shù)為核心，調(diào)研分析了其在空間態(tài)勢感知領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展前景；概述了多源信息融合的定義、模型和理論研究現(xiàn)狀；歸納了空間態(tài)勢感知的信息源種類和典型傳感器；分析了基于多源信息融合的典型空間態(tài)勢感知系統(tǒng)，包括美國空間監(jiān)視網(wǎng)（SSN）、“軌道瞭望”（OrbitOutlook）計劃、“印記”（Hallmark）計劃和歐盟空間監(jiān)視與跟蹤系統(tǒng)（EUSST）等；最后對多源信息融合在空間態(tài)勢感知領(lǐng)域的發(fā)展前景進行了展望。文章研究結(jié)果可為中國空間態(tài)勢感知和多源信息融合技術(shù)發(fā)展提供參考。

多源信息融合 空間態(tài)勢感知 航天應(yīng)用 發(fā)展

0 引言

隨著人類空間活動的不斷增加，地球周圍空間產(chǎn)生了大量人造物體，包括航天器、火箭末級和空間碎片等，這些空間物體在給人類帶來便利的同時，也影響著人類的空間活動。對空間目標(biāo)態(tài)勢的感知和掌握，是人類不斷開拓視野、不斷進步的過程?？臻g態(tài)勢感知[1-2]是通過探測獲取空間目標(biāo)信息，分析空間目標(biāo)態(tài)勢及其對人類影響的活動，其主要任務(wù)是對空間目標(biāo)進行精確探測與跟蹤，確定可能對航天系統(tǒng)構(gòu)成威脅的空間目標(biāo)的尺寸、形狀和軌道參數(shù)等重要特性，并對目標(biāo)特性數(shù)據(jù)進行歸類和分發(fā)。

當(dāng)前空間在軌目標(biāo)編目數(shù)量已超過1.9萬個，此外還有數(shù)十萬個微小空間碎片無法進行跟蹤編目[3]。面對如此多數(shù)量的空間目標(biāo)，不論地基還是天基探測手段，僅靠單一傳感器無法完成其識別和編目任務(wù)?？臻g目標(biāo)的特征要素包括形態(tài)、電磁、輻射等多種特征，同一類型的傳感器僅能感知其中一種或幾種特征，無法系統(tǒng)全面地掌握其全部特征。空間運動目標(biāo)的軌跡長、速度快、機動靈活，僅靠單一傳感器無法對其全部軌跡進行有效覆蓋和精確跟蹤。因此，空間態(tài)勢感知需要綜合利用天地基望遠(yuǎn)鏡、雷達等多種探測手段，并將各傳感器獲得的數(shù)據(jù)信息進行有效融合與處理，才能最大限度地提升空間態(tài)勢感知的作用和能力。

多源信息融合技術(shù)[4-5]通過將不同位置的多個同類或異類傳感器所提供的局部不完整信息加以綜合，消除傳感器間可能存在的冗余和矛盾，形成對空間態(tài)勢相對完整一致的感知描述，從而提高航天系統(tǒng)決策、規(guī)劃、反應(yīng)的快速性和正確性，降低系統(tǒng)風(fēng)險。對于空間態(tài)勢感知領(lǐng)域，多源信息融合技術(shù)在增強信息冗余性、擴展時間/空間覆蓋性以及減少信息獲取成本等方面具有較大優(yōu)勢。

本文通過調(diào)研多源信息融合技術(shù)，歸納分析其在空間態(tài)勢感知領(lǐng)域的理論和應(yīng)用現(xiàn)狀，并對其發(fā)展前景進行展望，以期對我國空間態(tài)勢感知領(lǐng)域多源信息融合技術(shù)發(fā)展提供參考。

1 多源信息融合

1.1 定義與模型

多源信息融合（Multi-source Information Fusion）起源于20世紀(jì)70年代美國對軍事現(xiàn)代化系統(tǒng)自動數(shù)據(jù)融合的研究，又稱多傳感器數(shù)據(jù)融合（Multi-sensor Data Fusion）。多源信息融合目前被普遍接受的定義是由美國實驗室理事聯(lián)合會（Joint Directors of Laboratory，JDL）提出的[6]：多源信息融合是一種多層次、多方面的處理過程，通過將多個傳感器和信息源的數(shù)據(jù)信息加以檢測、關(guān)聯(lián)和組合，獲得對目標(biāo)位置和身份的精確估計，以及對環(huán)境態(tài)勢和威脅的完整評估。

多源信息融合的功能模型用以描述信息系統(tǒng)融合過程中各部分的主要功能及相互作用。美國JDL提出的多源信息融合功能模型如圖1所示。

圖1 多源信息融合功能模型

從圖1可以看出，多源信息融合功能模型主要包括數(shù)據(jù)源、數(shù)據(jù)預(yù)處理、目標(biāo)評估、態(tài)勢評估、威脅評估、過程評估、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和人機接口等模塊。其中，目標(biāo)評估為一級處理，主要包括目標(biāo)檢測融合、目標(biāo)狀態(tài)融合和目標(biāo)屬性融合等。態(tài)勢評估為二級處理，是在目標(biāo)評估基礎(chǔ)上，對目標(biāo)之間、目標(biāo)與環(huán)境之間關(guān)系以及這種關(guān)系隨時間變化趨勢的分析與描述。威脅評估為三級處理，是在態(tài)勢評估基礎(chǔ)上，對目標(biāo)行為的威脅和影響進行估計。過程評估為四級處理，是對信息融合各個功能模塊的監(jiān)控和評價，主要包括優(yōu)化指標(biāo)建立、傳感器性能評價、傳感器資源分配與優(yōu)化等。

1.2 理論研究概況

多源信息融合涉及多方面的理論和方法，在空間態(tài)勢感知領(lǐng)域主要包括表決法、聚類法、Bayes推理、DS證據(jù)理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。

表決法[7]類似于日常生活中的投票選舉，由每個傳感器提供對被測對象狀態(tài)的判斷，然后通過表決算法進行搜索，找到半數(shù)以上傳感器同意的判斷，也可采用加權(quán)平均等其它判定方法，計算量小、融合速度快，但僅適用于簡單系統(tǒng)。聚類法[8]按照某種聚類準(zhǔn)則將數(shù)據(jù)樣本聚集成若干類，使同類樣本的相似性最大，不同類樣本的相似性最小，適用于模式類數(shù)目非精確可知的標(biāo)志性應(yīng)用。Bayes推理[9]以最小風(fēng)險代價為基本模型，在給定的預(yù)先似然估計和附加證據(jù)條件下，更新假設(shè)的似然函數(shù)；但其定義先驗似然比較困難，且要求對立的假設(shè)彼此互不相容，缺乏分配總不確定性的能力。DS證據(jù)理論[10]是Bayes推理的廣義擴展，考慮了總不確定性程度，利用概率區(qū)間和不確定區(qū)間來確定多證據(jù)下假設(shè)的似然函數(shù)，規(guī)則組合具有靈活性；但其不能有效處理矛盾證據(jù)，且計算量隨推理鏈呈指數(shù)增長。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[11]通過將大量計算節(jié)點互聯(lián)構(gòu)成非線性網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，具有學(xué)習(xí)、記憶、計算能力以及各種智能識別處理能力，可在沒有外部同步信號作用的情況下執(zhí)行大容量的并行計算，適用于目標(biāo)識別、態(tài)勢預(yù)測等多種應(yīng)用場景。

2 信息源分析

2.1 信息源種類與特點

空間態(tài)勢感知的信息源按部署位置劃分，主要包括地基和天基兩類；按探測手段劃分，主要包括光學(xué)和雷達兩類?？臻g態(tài)勢感知信息源的種類與特點如表1所示。

表1 空間態(tài)勢感知信息源種類與特點

Tab.1 Kinds and characteristics of space situational awareness information sources

2.2 態(tài)勢感知傳感器

美國空間態(tài)勢感知的典型傳感器如圖2所示，主要包括“空間籬笆”S頻段雷達、“空間監(jiān)視望遠(yuǎn)鏡”（SST）、“天基空間監(jiān)視系統(tǒng)”（SBSS）、“地球同步軌道空間態(tài)勢感知計劃”（GSSAP）、“增強型地球同步試驗衛(wèi)星”（EAGLE）、“地球同步軌道態(tài)勢感知微型衛(wèi)星”（S5）等。

圖2 空間態(tài)勢感知典型傳感器

“空間籬笆”S頻段雷達[12]是世界上最大的S頻段地基相控陣?yán)走_，部署在馬紹爾群島夸加林環(huán)礁，采用調(diào)頻脈沖信號，頻率2~4GHz，發(fā)射120°×2°扇面波束，重點對低/中地球軌道上尺寸不小于5cm的目標(biāo)進行跟蹤，每天探測次數(shù)150萬次，跟蹤目標(biāo)20萬個，最大探測高度40 000km。

“空間監(jiān)視望遠(yuǎn)鏡”（SST）[13]是美軍最新的地基光學(xué)搜索跟蹤望遠(yuǎn)鏡，部署在澳大利亞哈羅德霍爾特海軍通信站，2016年完成測試交付使用，主要用于探測跟蹤地球同步軌道目標(biāo)。SST使用主光學(xué)和彎曲焦平面陣列探測器技術(shù)，具備短焦距、寬視場、高探測靈敏度及快速伺服反應(yīng)能力，可以快速穩(wěn)定探測地球同步軌道8~10cm的空間目標(biāo)。

“天基空間監(jiān)視系統(tǒng)”（SBSS）[14]是美軍首顆專門用于空間監(jiān)視的衛(wèi)星，2010年9月發(fā)射，2013年投入業(yè)務(wù)運營。SBSS運行于高度630km的太陽同步軌道，帶有1臺安裝于可旋轉(zhuǎn)萬向架的30cm口徑光學(xué)相機，具有7×24h持續(xù)工作能力，平均每天觀測1.2萬個目標(biāo)，可以快速掃描識別跟蹤低軌至高軌的衛(wèi)星、機動飛行器和空間碎片等目標(biāo)。

“地球同步軌道空間態(tài)勢感知計劃”（GSSAP）[15]是美軍的高軌空間目標(biāo)監(jiān)測衛(wèi)星系統(tǒng)，具有較強的機動變軌能力，可對地球同步軌道目標(biāo)進行繞飛巡視、抵近詳查等操作。GSSAP由軌道科學(xué)公司研制，質(zhì)量650~700kg，在軌速度增量大于1 000m/s。2017年9月，GSSAP實現(xiàn)4星組網(wǎng)，初步具備對地球同步軌道重點目標(biāo)的實時監(jiān)測能力。

“增強型地球同步試驗衛(wèi)星”（EAGLE）[16]是美軍用來驗證空間監(jiān)視數(shù)據(jù)收集的態(tài)勢感知飛行器，2018年4月發(fā)射，在軌開展空間目標(biāo)探測、敵方威脅行為識別等試驗。EAGLE基于軌道科學(xué)公司的ESPAStar平臺研制，質(zhì)量740~780kg，帶有1顆可在軌發(fā)射的小衛(wèi)星Mycroft，以及4個用于空間態(tài)勢感知和威脅探測技術(shù)驗證的試驗載荷。

“地球同步軌道態(tài)勢感知微型衛(wèi)星”（S5）[17]是美國最新的空間態(tài)勢感知試驗衛(wèi)星，2019年2月發(fā)射，任務(wù)目標(biāo)是衡量開發(fā)低成本星座的可行性，探測和定位地球同步軌道附近的空間目標(biāo)。S5基于藍色峽灣科技公司的Microsat/ESPA平臺研制，起飛質(zhì)量60kg，體積12U（1U=10cm×10cm×10cm），設(shè)計壽命5年，由美國應(yīng)用防御系統(tǒng)（ADS）提供星上有效載荷。

3 國外應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 美國空間監(jiān)視網(wǎng)（SSN）

美國空間監(jiān)視網(wǎng)（Space Surveillance Network，SSN）[18]由地基系統(tǒng)和天基系統(tǒng)兩部分組成，由美國空軍負(fù)責(zé)運行管理。地基系統(tǒng)全球布站、類型多樣，建立了由30多部地基光學(xué)系統(tǒng)、射頻信號探測系統(tǒng)、雷達探測系統(tǒng)以及指揮控制中心組成的空間監(jiān)視系統(tǒng)，具備雷達探測、光電探測、電子信號偵測等多種手段，系統(tǒng)規(guī)模和空間監(jiān)視能力遙遙領(lǐng)先于全球其他國家和地區(qū)。天基系統(tǒng)包括1顆“天基空間監(jiān)視系統(tǒng)”（SBSS）衛(wèi)星、2顆“空間目標(biāo)監(jiān)視與跟蹤系統(tǒng)”（STSS）衛(wèi)星、1顆“作戰(zhàn)響應(yīng)空間-5”（ORS-5）衛(wèi)星、4顆“地球同步軌道空間態(tài)勢感知計劃”（GSSAP）衛(wèi)星以及1顆加拿大“藍寶石”（SAPPHIRE）衛(wèi)星。SSN的傳感器分布如圖3所示。

圖3 SSN的傳感器分布

SSN的各種傳感器根據(jù)其性質(zhì)和所屬關(guān)系的不同，可以分為三類。第一類屬于美國政府，專門用于空間監(jiān)視的傳感器，稱為專用傳感器（Dedicated Sensors），主要包括“艾格林”（EGLIN）等地基雷達、“光學(xué)深空監(jiān)視系統(tǒng)”（GEODSS）等地基望遠(yuǎn)鏡、“天基空間監(jiān)視系統(tǒng)”（SBSS）等天基傳感器。第二類屬于美國國防部，主要任務(wù)不是空間監(jiān)視，但可以用來承擔(dān)空間監(jiān)視任務(wù)的傳感器，稱為兼用傳感器（Collateral Sensors），如彈道導(dǎo)彈預(yù)警雷達和情報收集雷達等。第三類屬于其它機構(gòu)，主要任務(wù)不是空間監(jiān)視，但在空閑時段能提供空間監(jiān)視數(shù)據(jù)的傳感器，稱為可用傳感器（Contributing Sensors），如靶場雷達和用于科學(xué)研究的光電探測器等。

美國空間態(tài)勢感知信息融合的起點是地基和天基傳感器，這些傳感器主要由美國空軍的第21空間聯(lián)隊和第50空間聯(lián)隊操作運行，其獲取的數(shù)據(jù)通過SSN傳到太空監(jiān)視中心（SSC）、聯(lián)合太空作戰(zhàn)中心（CSpOC）和國家太空防御中心（NSDC）三大指揮控制中心，完成多源空間態(tài)勢感知信息融合并形成各自的通用作戰(zhàn)圖，共同支撐聯(lián)合部隊太空司令部（JFSCC）指揮控制各戰(zhàn)區(qū)聯(lián)合作戰(zhàn)，進而為美國戰(zhàn)略司令部（USSTRATCOM）、參聯(lián)會主席、國防部長、總統(tǒng)提供太空域作戰(zhàn)信息。SSN的信息融合數(shù)據(jù)流如圖4所示。

圖4 SSN信息融合數(shù)據(jù)流

3.2 美國“軌道瞭望”（OrbitOutlook）計劃

美軍的空間監(jiān)視網(wǎng)（SSN）目前承擔(dān)著美國大部分空間態(tài)勢感知任務(wù)，但其對空間目標(biāo)的探測監(jiān)視能力仍然有限。同時，民用和商業(yè)太空監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)發(fā)展迅速，但由于管理、技術(shù)、數(shù)據(jù)類型等問題，這些傳感器數(shù)據(jù)無法實時融入SSN。為此，美軍采取多種途徑，積極推動空間態(tài)勢感知信息融合。

美國國防高級研究計劃局（DARPA）于2015年開始實施“軌道瞭望”（OrbitOutlook）計劃[19]，旨在將政府、軍方、商業(yè)組織、高校的空間目標(biāo)觀測數(shù)據(jù)和無線電遙測數(shù)據(jù)通過統(tǒng)一的平臺集中起來，通過數(shù)據(jù)融合，彌補單一信息不完整、不精確所造成的缺陷，實現(xiàn)空間監(jiān)視數(shù)據(jù)的全面、高效利用，改善目標(biāo)探測跟蹤精度和信息可信度，提升威脅研判的實時性和準(zhǔn)確度，生成一致的空間態(tài)勢視圖。OrbitOutlook系統(tǒng)組成如圖5所示。

2016年6月，OrbitOutlook完成對7家空間態(tài)勢感知數(shù)據(jù)提供方的實時數(shù)據(jù)集成，包括4家DARPA為集成來自特別利益群體的空間態(tài)勢感知數(shù)據(jù)而發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)，分別為：光學(xué)望遠(yuǎn)鏡及無源射頻望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò)（StellarView）、私人光學(xué)望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò)（SpaceView）、商業(yè)民用雷達與無源射頻望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò)（EchoView）和小傾角低地球軌道空間目標(biāo)（LILO）探測光學(xué)望遠(yuǎn)鏡；以及3家為商業(yè)和政府提供付費數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)，分別為光學(xué)及無源射頻望遠(yuǎn)鏡商業(yè)網(wǎng)絡(luò)（ExoAnalytic Solutions）、美國政府小型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)（Raven）和無源射頻望遠(yuǎn)鏡商業(yè)網(wǎng)絡(luò)（Rincon）。

3.3 美國“印記”（Hallmark）計劃

美軍目前的空間態(tài)勢感知工具和技術(shù)開發(fā)時間較早，已經(jīng)無法滿足指揮官的太空態(tài)勢感知及指揮控制需求。為此，DARPA于2016年啟動實施“印記”（Hallmark）計劃[20]，旨在為美軍提供一個全方位的突破性實時空間態(tài)勢感知系統(tǒng)平臺，用于幫助指揮人員及時獲取完整的空間事件信息，并快速做出應(yīng)對策略。Hallmark將對多源信息進行融合，通過3D可視化技術(shù)，實現(xiàn)直觀的用戶界面，以全新方式呈現(xiàn)復(fù)雜信息，并允許預(yù)先模擬潛在的行動和確定效果，大幅縮短做出決策和從執(zhí)行決策到觀察結(jié)果的總體時間。

2019年3月初，DARPA與美國Ball Aerospace公司簽訂合作協(xié)議，協(xié)議將用于Hallmark-ST項目的第2階段“空間評估與分析能力測試平臺”（SEAC）的技術(shù)開發(fā)工作。在Hallmark-ST項目的第1階段工作中，Ball Aerospace公司曾經(jīng)成功完成了5項測試平臺的評估工作。第2階段工作Ball Aerospace公司將著重解決簡化平臺流程，大幅度提高平臺處理基礎(chǔ)任務(wù)的速度，并消除傳統(tǒng)采辦模式中只能對單一制造商集成進行評估的瓶頸。

3.4 歐盟空間監(jiān)視與跟蹤系統(tǒng)（EUSST）

歐盟空間監(jiān)視與跟蹤系統(tǒng)（European Union Space Surveillance and Tracking Framework，EUSST）[21]由歐盟議會和理事會于2014年4月批準(zhǔn)成立，致力于在歐洲層面建立空間監(jiān)視和跟蹤能力，并保持適當(dāng)?shù)淖灾嗡?，以確保歐洲和泛歐各國國家層面的空間基礎(chǔ)設(shè)施和服務(wù)長期運行。EUSST的成員國包括法國、德國、意大利、西班牙、波蘭、羅馬尼亞、葡萄牙和英國等。EUSST將分布在各個成員國的地基雷達和望遠(yuǎn)鏡整合成統(tǒng)一的傳感器網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)用戶服務(wù)產(chǎn)生的空間目標(biāo)觀測和跟蹤需求，進行傳感器操作、控制和關(guān)聯(lián)，并將采集到的空間態(tài)勢感知數(shù)據(jù)實時傳輸給歐洲數(shù)據(jù)庫和前導(dǎo)編目庫。歐洲數(shù)據(jù)庫和前導(dǎo)編目庫對多源態(tài)勢感知數(shù)據(jù)進行融合和處理，對LEO/MEO/GEO軌道的空間目標(biāo)進行編目，并通過歐盟衛(wèi)星中心（SatCen）向用戶提供碰撞回避、再入分析和碎片分析三種服務(wù)。EUSST空間態(tài)勢感知信息融合模型如圖6所示。

圖6 EUSST空間態(tài)勢感知信息融合模型

EUSST傳感器網(wǎng)絡(luò)由各個成員國的地基雷達和望遠(yuǎn)鏡組成，如圖7所示，目前包括11個監(jiān)視跟蹤雷達、4個跟蹤激光站、19個監(jiān)視跟蹤望遠(yuǎn)鏡，并計劃在2021年發(fā)展到12個監(jiān)視跟蹤雷達、4個跟蹤激光站、35個監(jiān)視跟蹤望遠(yuǎn)鏡的規(guī)模。EUSST根據(jù)用戶提出的觀測和跟蹤需求，對相應(yīng)傳感器進行操作、控制和關(guān)聯(lián)，以產(chǎn)生空間目標(biāo)觀測數(shù)據(jù)。

圖7 EUSST傳感器網(wǎng)絡(luò)

來自各個成員國傳感器的空間目標(biāo)觀測數(shù)據(jù)通過歐洲數(shù)據(jù)庫進行分享并存儲在歐洲數(shù)據(jù)庫中。歐洲數(shù)據(jù)庫（European Database）是一個用于提供高效數(shù)據(jù)分享的公共平臺，從2019年4月1日開始運行。EUSST希望將歐洲數(shù)據(jù)庫最終建設(shè)發(fā)展成歐洲前導(dǎo)編目庫（European Precursor Catalogue）。來自歐洲數(shù)據(jù)庫的觀測數(shù)據(jù)在前導(dǎo)編目庫中進行預(yù)處理、分析和關(guān)聯(lián)，形成目標(biāo)軌道數(shù)據(jù)，以供各個成員國訪問和獲取。

EUSST正在制定相關(guān)方案，以提升未來空間態(tài)勢感知能力。到2021年和2028年，EUSST對GEO和LEO空間目標(biāo)的覆蓋和編目能力預(yù)計分別如表2和表3所示。

表2 EUSST對GEO目標(biāo)的編目能力

Tab.2 Cataloguing abilities of EUSST to GEO objects

表3 EUSST對LEO目標(biāo)的覆蓋和編目能力

Tab.3 Coverage and cataloguing abilities of EUSST to LEO objects

4 發(fā)展前景展望

4.1 不完善多源信息的融合與處理

現(xiàn)如今，多源信息融合技術(shù)已深入應(yīng)用到包括空間態(tài)勢感知在內(nèi)的許多領(lǐng)域。在實際應(yīng)用過程中，經(jīng)常會由于一些主觀或客觀的原因而導(dǎo)致信息的不完善，如由于外界環(huán)境的干擾而導(dǎo)致傳感器獲取到的信息失真和缺失，由于傳感器本身性能有限使得獲取的信息有限，由于觀察角度的不同而導(dǎo)致信息相異甚至沖突，甚至采用人為描述信息時由于個人主觀意識的差別以及自然語言描述的模糊而導(dǎo)致最終信息的不確定等。因此，多源信息融合需要強有力的數(shù)學(xué)工具作支撐，尤其在處理不完善多源信息時顯得尤為迫切。

不完善信息的主要特征包括4個方面：不確定性、不精確性、不完全性和不一致性。傳統(tǒng)多源信息融合方法在處理不完善信息方面都有一定的局限性，使其應(yīng)用受到很大的限制。近年來，在模糊、粗集等理論基礎(chǔ)上結(jié)合中智哲學(xué)思想提出來的中智理論以及在概率論和DS證據(jù)理論基礎(chǔ)上發(fā)展形成的DSmT證據(jù)理論，為不完善多源信息融合與處理開辟了新的解決思路。

4.2 多傳感器系統(tǒng)動態(tài)優(yōu)化管理

多傳感器動態(tài)優(yōu)化管理是指利用多個傳感器收集目標(biāo)與環(huán)境信息，以任務(wù)為導(dǎo)向，在一定的約束條件下，動態(tài)合理地選擇參與執(zhí)行任務(wù)的傳感器，通過網(wǎng)絡(luò)共享傳感器信息，恰當(dāng)?shù)胤峙浠蝌?qū)動多傳感器協(xié)同完成相應(yīng)任務(wù)，實現(xiàn)任務(wù)性能最優(yōu)的過程。

當(dāng)多個傳感器同時用于多個空間目標(biāo)的探測、跟蹤和識別時，必須解決傳感器與空間目標(biāo)之間以及傳感器與傳感器之間的資源調(diào)度問題，即在一定條件下合理充分地利用傳感器資源以滿足空間態(tài)勢感知系統(tǒng)性能最優(yōu)的要求。此外，客觀環(huán)境的限制使得某些傳感器不能充分發(fā)揮其功能，再加上傳感器本身的限制，這些都需要對傳感器資源進行協(xié)調(diào)分配，以使系統(tǒng)取得整體性能最優(yōu)。因此，多傳感器動態(tài)優(yōu)化管理逐漸成為信息融合系統(tǒng)的一個重要組成部分。

4.3 基于天基信息港的多源信息融合

天基信息港是一個全新的空間信息網(wǎng)絡(luò)節(jié)點概念，由GEO軌道共位的多顆模塊化衛(wèi)星組成，并通過星間鏈路連接形成虛擬大衛(wèi)星[22]。模塊化衛(wèi)星之間通過池化技術(shù)，將其內(nèi)部的計算、處理和存儲資源統(tǒng)一起來，形成空間分散、邏輯統(tǒng)一的并行異構(gòu)計算處理平臺，通過軟件加載實現(xiàn)各類數(shù)據(jù)/信息的匯聚、處理、交換和分發(fā)等功能，為用戶提供高性能、高效能的空間信息處理服務(wù)。

以天基信息港空間高性能計算能力和面向服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)體系為基礎(chǔ)，開展多源信息融合應(yīng)用，充分利用天基信息港的高性能、高效能在軌實時處理和分發(fā)能力，根據(jù)任務(wù)驅(qū)動，動態(tài)重構(gòu)算法模塊和按需選擇數(shù)據(jù)源，實現(xiàn)多源信息在軌融合與處理?；谔旎畔⒏鄣亩嘣葱畔⑷诤夏軌虺浞掷枚喾N傳感器所獲取數(shù)據(jù)中包含的目標(biāo)特征信息，擴展天基信息服務(wù)的時間與空間覆蓋范圍，增加天基網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)信息的利用率，提高融合信息的可信度和精度，滿足多樣化航天應(yīng)用需求。

5 結(jié)束語

隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算等新技術(shù)的發(fā)展，未來空間態(tài)勢信息呈現(xiàn)海量分布和爆炸式增長的特點，多源信息融合技術(shù)將成為空間態(tài)勢感知領(lǐng)域的主流發(fā)展方向，并將從低層融合和高層融合兩方面出發(fā)來提高空間態(tài)勢感知能力。低層融合充分利用各種新型雷達和光學(xué)傳感器技術(shù)以及文字、情報等其它途徑來擴大信息獲取范圍；高層融合充分挖掘現(xiàn)有傳感器網(wǎng)絡(luò)和信息資源的潛力，提高空間態(tài)勢感知信息融合系統(tǒng)的效能及智能化程度。

調(diào)研國外相關(guān)技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀，借鑒國外先進發(fā)展思路，促進多源信息融合技術(shù)在空間態(tài)勢感知領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，對于我國提高技術(shù)水平、增強經(jīng)濟實力和建設(shè)航天強國都具有十分重要的意義。

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Application and Development of Multi-source Information Fusion in Space Situational Awareness

WANG Xinglong CAI Yaxing CHEN Shiming CHEN Yujun

（Institute of Telecommunication and Navigation Satellites, China Academy of Space Technology, Beijing 100094, China）

The multi-source information fusion technology is expected to play an increasingly important role in current various space missions. This paper focuses on the multi-source information fusion technology and analyzes its application and development in space situational awareness. Firstly, the definition, model and theoretical research of multi-source information fusion are introduced. The information source kinds and the typical sensors of space situational awareness are summarized. Then, the foreign typical space situational awareness systems based on multi-source information fusion are analyzed, such as USA Space Surveillance Network (SSN), OrbitOutlook, Hallmark and European Union Space Surveillance and Tracking Framework (EUSST). Finally, the future development of multi-source information fusion in space situational awareness is prospected. The results of this paper can provide references for the development of China space situational awareness and multi-source information fusion technologies.

multi-source information fusion; space situational awareness; space application; development

V11

A

1009-8518(2021)01-0011-10

10.3969/j.issn.1009-8518.2021.01.002

王興龍，男，1987年生，2018年獲中國空間技術(shù)研究院飛行器設(shè)計專業(yè)工學(xué)博士學(xué)位，工程師。研究方向為航天器總體設(shè)計、空間態(tài)勢感知等。E-mail：wangxinglong1987@163.com。

2020-12-05

王興龍, 蔡亞星, 陳士明, 等. 多源信息融合在空間態(tài)勢感知領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展[J]. 航天返回與遙感, 2021, 42(1): 11-20.

WANG Xinglong, CAI Yaxing, CHEN Shiming, et al. Application and Development of Multi-source Information Fusion in Space Situational Awareness[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2021, 42(1): 11-20. (in Chinese)

（編輯：王麗霞）