于志堅(jiān)，侯金寶

（太原衛(wèi)星發(fā)射中心 岢嵐 630001）

引 言

遙測是將一定距離外被測對象的參數(shù)，經(jīng)過感受、采集，通過傳輸媒介送到接收地點(diǎn)并進(jìn)行解調(diào)、記錄、處理的一種測量過程[1]。在航天發(fā)射靶場，遙測系統(tǒng)通常特指完成飛行器及其載荷工作狀態(tài)和環(huán)境參數(shù)的采集、傳輸和處理的系統(tǒng)，提供的遙測數(shù)據(jù)是飛行器及其載荷狀態(tài)分析、故障診斷、試驗(yàn)組織指揮輔助決策的重要支撐信息，也是飛行器及其載荷性能評定和設(shè)計(jì)改進(jìn)的重要依據(jù)[1～3]。隨著飛行器種類、試驗(yàn)頻度、測量數(shù)據(jù)等的增多，靶場遙測數(shù)據(jù)也在飛速增長，數(shù)據(jù)總量已經(jīng)達(dá)到TB量級。無論是考慮靶場的需求，還是考慮遙測數(shù)據(jù)本身的信息容量和應(yīng)用價(jià)值，都需要站在大數(shù)據(jù)的角度來思考靶場遙測的發(fā)展。

根據(jù)維基百科定義，大數(shù)據(jù)是指無法在一定時(shí)間內(nèi)用傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫軟件工具對其內(nèi)容進(jìn)行抓取、管理和處理的數(shù)據(jù)集合。這個(gè)定義并不嚴(yán)謹(jǐn)，4V（Volume、Variety、Velocity、Value）特征更能夠體現(xiàn)出大數(shù)據(jù)量大、類多、流動快、價(jià)值大的特點(diǎn)[4，5]。參考文獻(xiàn)[6]在業(yè)界得到高度認(rèn)可，作者認(rèn)為大數(shù)據(jù)意味著信息從量變到質(zhì)變，并伴隨著思維和行為的變革。航天是最早提出發(fā)展大數(shù)據(jù)技術(shù)的領(lǐng)域，也是取得大數(shù)據(jù)成果最多的領(lǐng)域[7]，靶場作為航天任務(wù)重要一環(huán)要緊跟大數(shù)據(jù)時(shí)代前進(jìn)的步伐，進(jìn)一步思考和研究自身的發(fā)展。

1 大數(shù)據(jù)時(shí)代對靶場遙測的思考

1.1 靶場遙測的廣義理解

在文獻(xiàn)[1～3]中，均將靶場遙測局限于對飛行器及其載荷狀態(tài)和環(huán)境的內(nèi)部監(jiān)測，這是傳統(tǒng)意義上的稱謂，可以將其看作是對靶場遙測的狹義定義。其實(shí)靶場監(jiān)測飛行器及其載荷狀態(tài)和環(huán)境的手段是非常多的，除了傳統(tǒng)遙測，還有外彈道測量、目標(biāo)特性測量、實(shí)況鏡像測量等，這些測量信息對于處理和分析遙測數(shù)據(jù)有重要的輔助價(jià)值；另外還有許多環(huán)境條件也與監(jiān)測效果和監(jiān)測數(shù)據(jù)處理分析密切相關(guān)，比如測試或信號傳輸所涉及的大氣環(huán)境、電磁環(huán)境、飛行器組裝和運(yùn)輸條件等，上述信息對遙測測量和數(shù)據(jù)處理分析有著直接或間接的關(guān)系，要發(fā)揮好靶場遙測的作用，必須將與其相關(guān)的信息綁定在一起。據(jù)此定義靶場遙測的廣義概念：航天發(fā)射靶場遙測系統(tǒng)，是指完成飛行器及其載荷工作狀態(tài)和相關(guān)環(huán)境感知中的信息采集、傳輸和處理的各類系統(tǒng)的總稱。本文后續(xù)提到的靶場遙測，如無特殊說明均指廣義上的靶場遙測系統(tǒng)。

1.2 大數(shù)據(jù)時(shí)代靶場遙測幾個(gè)思維轉(zhuǎn)變

大數(shù)據(jù)時(shí)代靶場遙測要做如下四個(gè)思維轉(zhuǎn)變。

①從彈上遙測向全信息感知的轉(zhuǎn)變

傳統(tǒng)的靶場遙測重點(diǎn)是關(guān)注箭上系統(tǒng)的工作狀態(tài)和工作環(huán)境，目標(biāo)是能夠監(jiān)測飛行器及其載荷的工作情況。但監(jiān)測飛行器及其載荷工作情況，僅僅依靠箭上傳感器獲取的信息存在很大的局限性，需要綜合考慮其他手段獲取的監(jiān)控信息，建立基于全信息感知的大視野。

②從靶場范圍遙測向全過程遙測的轉(zhuǎn)變

目前靶場遙測的關(guān)注點(diǎn)主要集中在總檢查和飛行過程獲取的數(shù)據(jù)。由于航天產(chǎn)品對質(zhì)量的要求遠(yuǎn)高于一般的民用工業(yè)產(chǎn)品，從飛行器到地面設(shè)備，在研制和制造期間都經(jīng)過嚴(yán)格的測試和篩選，積累了大量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)對分析、綜合評估系統(tǒng)質(zhì)量有重要的作用。大數(shù)據(jù)分析的一個(gè)重要價(jià)值就是能夠反映信息之間更為廣泛的關(guān)系。

③從基于物理過程分析擴(kuò)展到數(shù)據(jù)挖掘

以往對遙測數(shù)據(jù)的分析，側(cè)重于基于遙測信息物理背景進(jìn)行過程的還原和關(guān)聯(lián)，以及不同任務(wù)參數(shù)間的比對?？紤]到遙測參數(shù)的特點(diǎn)，這些分析任何時(shí)候都是重要的和必需的，但參數(shù)間物理相關(guān)的復(fù)雜性往往導(dǎo)致人們對參數(shù)反映的物理過程認(rèn)識不夠精細(xì)和完整，而一些飛行器存在的缺陷恰恰就可能蘊(yùn)含在這些相關(guān)性中，因此在做好單發(fā)任務(wù)參數(shù)基于物理過程分析的基礎(chǔ)上，還需要綜合多發(fā)任務(wù)、多種參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，發(fā)現(xiàn)共性規(guī)律，提高認(rèn)識水平。

④建立航天遙測一盤棋思想

航天器是國家核心實(shí)力的重要代表，而航天器從規(guī)劃、設(shè)計(jì)、制造到發(fā)射、管控、應(yīng)用，涉及諸多環(huán)節(jié)和諸多單位，遙測及其相關(guān)數(shù)據(jù)的產(chǎn)生、存儲和使用分布在這些環(huán)節(jié)和單位中，目前還沒有一個(gè)有效的機(jī)制實(shí)現(xiàn)這些數(shù)據(jù)的共享，使得寶貴的資源白白浪費(fèi)甚至流失。數(shù)據(jù)整合帶來的價(jià)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能用“1+1=2”比擬，數(shù)據(jù)的多元性和完整性恰恰就是進(jìn)入大數(shù)據(jù)時(shí)代的重要基礎(chǔ)，整合和受控使用是包括靶場遙測在內(nèi)的各類試驗(yàn)數(shù)據(jù)未來發(fā)展的方向。

2 大數(shù)據(jù)時(shí)代靶場遙測體系

結(jié)合1.2節(jié)的分析，大數(shù)據(jù)時(shí)代的靶場遙測應(yīng)該從廣義概念考慮，將分析和掌控飛行器及其載荷工作狀態(tài)所需的各類信息綜合集成，基于“完整”數(shù)據(jù)分析飛行試驗(yàn)任務(wù)潛在規(guī)律。借鑒文獻(xiàn)[8～10]提出的大數(shù)據(jù)平臺體系、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和技術(shù)環(huán)境有關(guān)理念，設(shè)計(jì)大數(shù)據(jù)時(shí)代的靶場遙測體系架構(gòu)，如圖1所示。

標(biāo)準(zhǔn)體系和安全體系貫穿靶場遙測的各個(gè)環(huán)節(jié)?？紤]到靶場遙測數(shù)據(jù)種類繁多、信息系統(tǒng)往往由不同部門分別建設(shè)的現(xiàn)狀，標(biāo)準(zhǔn)化是靶場遙測信息化的弱點(diǎn)，大數(shù)據(jù)時(shí)代系統(tǒng)互聯(lián)、信息融合的要求將導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)化問題更加突出，在一定程度上標(biāo)準(zhǔn)體系是大數(shù)據(jù)時(shí)代靶場遙測體系構(gòu)建的基礎(chǔ)。標(biāo)準(zhǔn)體系要包括信息編碼、數(shù)據(jù)交換、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)計(jì)算、功能接口、軟件界面等多個(gè)層面。安全防護(hù)對靶場遙測而言其重要性毋庸置疑，確保安全便捷地使用試驗(yàn)數(shù)據(jù)，需要完善從采集到使用各個(gè)環(huán)節(jié)的安全手段。

感知環(huán)境，主要是指靶場的各類測量設(shè)備和監(jiān)控系統(tǒng)，射頻識別標(biāo)簽、小型化傳感器等技術(shù)的發(fā)展更是為靶場獲取豐富的試驗(yàn)信息提供了條件。

圖1 大數(shù)據(jù)環(huán)境下的靶場遙測體系架構(gòu)Fig.1 Range telemetry system in the big data environment

傳輸與匯聚環(huán)境，包括靶場信息傳輸環(huán)境，考慮到全過程、全信息感知的需要，還要實(shí)現(xiàn)與異地信息的互聯(lián)。另外，考慮到任務(wù)中的圖像、視頻等含有大量可供計(jì)算分析的信息，需要專門進(jìn)行數(shù)據(jù)提取和錄入。

資源環(huán)境，既包括各類數(shù)據(jù)等數(shù)字資源，也包括服務(wù)于大數(shù)據(jù)的存儲、計(jì)算資源，這些資源的高效利用和管理對大數(shù)據(jù)分析效率有重要的影響。

處理服務(wù)環(huán)境，是靶場遙測的技術(shù)核心。它包括基礎(chǔ)支撐層、功能服務(wù)層和集成層三個(gè)層面，最下端是基礎(chǔ)支撐層，包含對各類基礎(chǔ)資源的操作和管理，提供基本的、標(biāo)準(zhǔn)化的計(jì)算分析功能，該層通常采用中間件實(shí)現(xiàn)；功能服務(wù)層位于基礎(chǔ)支撐層之上，是針對靶場試驗(yàn)特定需要定制的軟件功能，其中包含針對大數(shù)據(jù)應(yīng)用的數(shù)據(jù)挖掘環(huán)境；功能服務(wù)層之上是集成層，為用戶提供“云模式”、“云+端模式”和“端模式”三種應(yīng)用環(huán)境，在方便應(yīng)用的同時(shí)，又可以為專業(yè)化應(yīng)用需求提供靈活的支持。

應(yīng)用環(huán)境，就是要設(shè)計(jì)面向靶場多方面試驗(yàn)業(yè)務(wù)的服務(wù)環(huán)境。

3 適合靶場試驗(yàn)數(shù)據(jù)挖掘的方法

進(jìn)一步對靶場遙測及其相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，可分為針對飛行器及其載荷的監(jiān)測信息和外圍環(huán)境（含設(shè)施設(shè)備）監(jiān)測信息兩大類型。其中針對飛行器及其載荷的監(jiān)測信息主要包括地面狀態(tài)監(jiān)測信息以及飛行過程中獲取的傳統(tǒng)遙測信息、外彈道測量信息、目標(biāo)特征信息、飛行實(shí)況景象等，是靶場試驗(yàn)信息的核心，也是靶場試驗(yàn)數(shù)據(jù)挖掘分析的重點(diǎn)，本節(jié)數(shù)據(jù)挖掘也主要討論針對這些數(shù)據(jù)的分析。這些數(shù)據(jù)雖然量很大，但相同型號飛行器在靶場試驗(yàn)的樣本并不多，嚴(yán)格意義講不能稱為大數(shù)據(jù)。靶場在飛行過程中獲取的信息具有如下一些特點(diǎn)：關(guān)鍵測量數(shù)據(jù)多數(shù)是針對同一物理過程在不同層面的觀測結(jié)果，數(shù)據(jù)時(shí)序性特征非常明顯，數(shù)據(jù)中存在的誤差是干擾分析結(jié)果的重要因素。靶場試驗(yàn)的一個(gè)重要目標(biāo)就是查找影響飛行器和飛行質(zhì)量的潛在規(guī)律，數(shù)據(jù)挖掘?qū)Π袌鲈囼?yàn)數(shù)據(jù)分析的重要性毋庸置疑，但如何在小樣本數(shù)據(jù)條件下開展挖掘，需要進(jìn)行理念和技術(shù)上的創(chuàng)新。下面從靶場試驗(yàn)數(shù)據(jù)挖掘的思路和適合靶場的數(shù)據(jù)分析方法方面進(jìn)行探討。

3.1 靶場試驗(yàn)數(shù)據(jù)挖掘思路

圖2是靶場試驗(yàn)數(shù)據(jù)挖掘的一種方法。通過數(shù)據(jù)挖掘可以獲得一些規(guī)律，但這些規(guī)律是否真實(shí)反映了試驗(yàn)實(shí)際情況，需要專業(yè)人員進(jìn)行分析解釋。如果機(jī)理上成立，說明挖掘結(jié)果可信，這本身也許就是對于試驗(yàn)規(guī)律認(rèn)識的升華。如果機(jī)理上解釋不通，說明只是數(shù)據(jù)中存在某種巧合，需要重新進(jìn)行挖掘分析。

圖2 靶場試驗(yàn)數(shù)據(jù)挖掘方法Fig.2 Range test data mining method

3.2 靶場試驗(yàn)數(shù)據(jù)挖掘的張量分析方法

由于靶場試驗(yàn)任務(wù)中關(guān)注對象聚焦在飛行器，靶場遙、外測數(shù)據(jù)實(shí)際上是從不同的層面對飛行器飛行過程進(jìn)行感知。采用張量分析方法，使用統(tǒng)一的張量模型描述遙、外測數(shù)據(jù)，通過張量分解方法建立數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，可為遙、外測同源參數(shù)間的關(guān)聯(lián)性確定提供切實(shí)可行的指導(dǎo)。

張量是一個(gè)定義在一些向量空間和一些對偶空間的笛卡兒積上的多線性函數(shù)，其坐標(biāo)是n維空間內(nèi)有nr個(gè)分量的一種量，其中每個(gè)分量都是坐標(biāo)的函數(shù)，而在坐標(biāo)變換時(shí)，這些分量也依照某些規(guī)則作線性變換。r稱為該張量的秩或階（與矩陣的秩和階均無關(guān)系）。在使用張量聯(lián)合不同種類的數(shù)據(jù)之后，通過平行因子分析、Tucker分解等方法，將原始張量表示為一些低秩向量、較小張量的組合，揭示原始大張量中所蘊(yùn)含的不同變量之間的關(guān)系。

在進(jìn)行靶場數(shù)據(jù)分析時(shí)，如果將同一類型飛行器不同種類的數(shù)據(jù)，例如遙測數(shù)據(jù)、外測數(shù)據(jù)等聯(lián)合到一起，就構(gòu)成了一個(gè)簡單的三階張量，再通過適當(dāng)?shù)膹埩糠纸猓纬捎刹煌b、外測數(shù)據(jù)構(gòu)成的較小張量，為分析不同遙、外測數(shù)據(jù)之間的相關(guān)關(guān)系提供條件。

3.3 靶場數(shù)據(jù)挖掘的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)方法

遙測參數(shù)通過對飛行器及其載荷各部分狀態(tài)的直接感知來監(jiān)控其工作過程。與外測系統(tǒng)將飛行器作為一個(gè)整體（點(diǎn)目標(biāo)）來獲取其運(yùn)動狀態(tài)不同，部署在飛行器上的遙測系統(tǒng)通過監(jiān)控飛行器各個(gè)局部的狀態(tài)來反映其整體工作過程。遙測參數(shù)是飛行器實(shí)施飛行狀態(tài)調(diào)整的依據(jù)，并且記錄了調(diào)整實(shí)施過程和結(jié)果，因此因果關(guān)系是連接遙測參數(shù)之間的一個(gè)重要紐帶，基于因果關(guān)系分析遙測參數(shù)之間數(shù)值對應(yīng)性是遙測參數(shù)挖掘的一條重要途徑。

復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)主要用于表達(dá)和分析實(shí)際系統(tǒng)的內(nèi)在關(guān)系及其動力學(xué)行為，其最主要的特征是拓?fù)湫再|(zhì)。數(shù)據(jù)分析中，許多網(wǎng)絡(luò)都不是孤立存在的，而是與其它網(wǎng)絡(luò)之間存在著相互依賴、合作或競爭等關(guān)系，即多層網(wǎng)絡(luò)。與一般網(wǎng)絡(luò)不同，多層網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步細(xì)化了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的關(guān)系。與只能分析局部節(jié)點(diǎn)性質(zhì)的時(shí)間序列分析方法相比，多層網(wǎng)絡(luò)不僅可以分析網(wǎng)絡(luò)中局部節(jié)點(diǎn)的性質(zhì)，也可以分析網(wǎng)絡(luò)的演化性質(zhì)。利用多層網(wǎng)絡(luò)的方法可以分析網(wǎng)絡(luò)在不同時(shí)刻的狀態(tài)和性質(zhì)，更好地探索網(wǎng)絡(luò)局部和整體變化趨勢。

采用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)方法進(jìn)行靶場試驗(yàn)數(shù)據(jù)挖掘時(shí)，首先通過復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行描述，使得數(shù)據(jù)信息的呈現(xiàn)和表達(dá)更加詳細(xì)，而且可以用不同型號或者同一型號的不同類型數(shù)據(jù)作為網(wǎng)絡(luò)的層，這些網(wǎng)絡(luò)模型包括狀態(tài)參數(shù)多層網(wǎng)絡(luò)模型、關(guān)聯(lián)規(guī)則多層網(wǎng)絡(luò)模型等；再對狀態(tài)參數(shù)多層網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行拓?fù)湫再|(zhì)分析，計(jì)算邊聚類系數(shù)和跨層邊聚類系數(shù)，得到多層網(wǎng)絡(luò)中兩節(jié)點(diǎn)間的聚類強(qiáng)度等信息。利用多層網(wǎng)絡(luò)的方法可以分析網(wǎng)絡(luò)對應(yīng)的不同時(shí)刻飛行器飛行狀態(tài)，更好地探索飛行狀態(tài)變化趨勢，從而為飛行故障預(yù)測提供指導(dǎo)。

3.4 靶場數(shù)據(jù)挖掘的幾何結(jié)構(gòu)方法

靶場試驗(yàn)數(shù)據(jù)屬性之間相互關(guān)聯(lián)、相互影響、彼此耦合，形成了錯(cuò)綜復(fù)雜的關(guān)系，使得人們面對數(shù)據(jù)一片茫然，無處下手。對這種復(fù)雜關(guān)系進(jìn)行分析，可以從數(shù)學(xué)的角度抽象為數(shù)據(jù)空間中復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)，注意到數(shù)據(jù)之間關(guān)系往往發(fā)生在低維子空間上，再加上數(shù)據(jù)顯著的稀疏特性，使得這種關(guān)聯(lián)關(guān)系本質(zhì)上呈現(xiàn)出不同子空間上的聚集特性。

幾何結(jié)構(gòu)方法旨在挖掘數(shù)據(jù)在不同子空間上的聚集特性。幾何結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)可以看作是一種特殊的流形學(xué)習(xí)，流形學(xué)習(xí)是把一組原始數(shù)據(jù)空間中的數(shù)據(jù)在更低維空間中重新表示。數(shù)據(jù)的幾何結(jié)構(gòu)即是數(shù)據(jù)空間對象在特定流形上的聯(lián)系，與傳統(tǒng)認(rèn)識不同的是，在數(shù)據(jù)空間中，對象之間的這種聯(lián)系并非表現(xiàn)在所有維度上，而是僅僅表現(xiàn)在某些維度上，稱為子空間多元關(guān)系。

在靶場數(shù)據(jù)挖掘中，幾何結(jié)構(gòu)方法采用幾何結(jié)構(gòu)來描述試驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的相互關(guān)系，比如利用幾何結(jié)構(gòu)對不同試驗(yàn)設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和描述，然后采用分類/聚類方法進(jìn)行誤差特性分析和挖掘，為分析誤差機(jī)理、探求誤差抑制方式和設(shè)備故障辨識提供指導(dǎo)，同時(shí)也可以通過設(shè)備狀態(tài)參數(shù)關(guān)聯(lián)分析，發(fā)現(xiàn)對應(yīng)故障發(fā)生的關(guān)鍵因素，為設(shè)備故障預(yù)測提供建議。

4 結(jié)束語

大數(shù)據(jù)時(shí)代不僅意味著巨量的信息，更體現(xiàn)了對信息的高度重視和推崇。發(fā)射試驗(yàn)及相關(guān)服務(wù)是航天靶場對外提供的“產(chǎn)品”，數(shù)據(jù)是靶場提供服務(wù)的重要支撐，由于性質(zhì)和定位的特殊性，試驗(yàn)數(shù)據(jù)的深層次利用不能生搬硬套大數(shù)據(jù)的概念和技術(shù)。面對大數(shù)據(jù)時(shí)代的挑戰(zhàn)，應(yīng)該建立大數(shù)據(jù)的思維，完善試驗(yàn)數(shù)據(jù)積累手段，優(yōu)化試驗(yàn)數(shù)據(jù)融合平臺，通過發(fā)掘數(shù)據(jù)中蘊(yùn)含的潛力提升自身的服務(wù)能力和服務(wù)水平。數(shù)據(jù)化是信息化建設(shè)的一個(gè)高級階段，體現(xiàn)了一種基于數(shù)據(jù)獲取更豐富價(jià)值和實(shí)現(xiàn)更高效決策管理的理念，靶場需要結(jié)合自身的特點(diǎn)思考在大數(shù)據(jù)時(shí)代的發(fā)展之路。

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