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        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
        關鍵詞:保障系統(tǒng)態(tài)勢航天

        ,,

        (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(wǎng)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?,F(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]。空間態(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(jīng)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(wǎng)絡概念,構建網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(jīng)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(jīng)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(wǎng)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:

        archive="J_MainApplet.jar,bsh.jar,WorldWind.jar...…”

        width="100%" height="800px">

        根據(jù)此代碼完成系統(tǒng)編譯→打包→發(fā)布→引進,并在瀏覽器窗口處將需要查詢網(wǎng)址輸入,由此可實現(xiàn)航天數(shù)字化空間態(tài)勢信息保障。

        3 信息保障系統(tǒng)的實現(xiàn)

        3.1 系統(tǒng)研發(fā)環(huán)境與工具

        航天數(shù)字化空間態(tài)勢信息保障系統(tǒng)的研發(fā)是在Windows8系統(tǒng)上施行操作的,采用高級程序編寫開發(fā)語言,并利用三維地圖作為代碼研發(fā)平臺,促使實驗環(huán)境具有良好的適應性。將網(wǎng)頁服務器作為應用的主要程序,將系統(tǒng)流程整合到網(wǎng)絡服務裝置中,并將地理信息作為影像數(shù)據(jù)的主要管理項目。

        3.2 系統(tǒng)初始化設置

        對信息保障系統(tǒng)進行初始化設置,設計其操作界面如圖5所示。

        圖5 信息保障系統(tǒng)的初始化設置操作界面

        由圖5可知:在系統(tǒng)的初始化設置界面中,設計了系統(tǒng)的菜單欄、工具欄、瀏覽界面、場景模擬等,其中對于菜單欄的設置需將文件和場景等作為設計基礎,配合文件保存完成場景的模擬;工具箱可為菜單欄的設置提供輔助工作,其中包括對場景的保存與模擬,地面瀏覽列表的打開、以及時間的顯示;瀏覽界面的設計包括服務器端口的軌道數(shù)據(jù)和所有衛(wèi)星的屬性,從瀏覽列表中獲取目標信息,并拖動鼠標選擇確定,可完成目標信息的搜索;目標列表主要顯示的是衛(wèi)星與地面站連接的具體屬性。

        通過上述菜單欄顯示和工具箱輔助可完成相應區(qū)域的設計,進而實現(xiàn)空間態(tài)勢信息保障系統(tǒng)的設計,用戶可忽略服務數(shù)據(jù)和相應程序的更新,進而保障系統(tǒng)能夠在安全環(huán)境下使用,符合航天數(shù)字化信息保障的理念。

        3.3 系統(tǒng)設計性能試驗驗證

        為了驗證航天數(shù)字化空間態(tài)勢信息保障系統(tǒng)設計的合理性,進行了性能試驗驗證。系統(tǒng)進行初始化后,會在衛(wèi)星瀏覽表中對目標衛(wèi)星進行篩選,并將選好的目標衛(wèi)星添加到目標列表窗口之中,完成空間態(tài)勢信息的保障。為了使試驗結果更可靠,將傳統(tǒng)系統(tǒng)與改進設計的系統(tǒng)同時采用單場景多視圖形式,在不同視圖中設置相同視點,試驗數(shù)據(jù)是以文件形式存儲的,可根據(jù)用戶需求,通過曲線顯示出來。通過曲線,可方便查看不同時刻衛(wèi)星位置、速度、姿態(tài)等信息,以及衛(wèi)星上不同工作狀態(tài)參數(shù),選取某衛(wèi)星觀測時的俯仰角隨時間變化曲線如圖6所示。

        分別采用傳統(tǒng)系統(tǒng)與改進系統(tǒng)對空間態(tài)勢信息進行傳輸,兩種系統(tǒng)信息保障效果如圖7所示。

        圖6 衛(wèi)星俯仰角曲線變化

        圖7 兩種系統(tǒng)信息保障效果

        由圖7可知:采用傳統(tǒng)系統(tǒng)對信息傳輸時,由于不同時刻衛(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,導致系統(tǒng)實施效果較差;而采用改進系統(tǒng)對信息傳輸時,任何時刻衛(wèi)星信息都能得到保障,其軌跡與衛(wèi)星俯仰角曲線變化基本一致。

        將傳統(tǒng)系統(tǒng)與改進系統(tǒng)對信息保障所花費的時間進行對比結果如表1所示。

        表1 兩種系統(tǒng)信息保障耗費時間對比結果

        由表1所知:當實驗次數(shù)為1次時,采用傳統(tǒng)系統(tǒng)與改進系統(tǒng)時間相差較小,僅差2 s;當實驗次數(shù)為5時,兩種系統(tǒng)時間相差5 s。隨著實驗次數(shù)的增加,傳統(tǒng)系統(tǒng)信息保障所耗費的時間明顯多于改進系統(tǒng)。

        由上述實驗內容可知:采用傳統(tǒng)系統(tǒng)存在衛(wèi)星位置、速度、姿態(tài)以及衛(wèi)星上不同工作狀態(tài)參數(shù)等信息無法得到保障問題,導致系統(tǒng)信息保障效果較差,耗費時間較長;而采用改進系統(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。

        4 結束語

        我國航天技術發(fā)展逐漸成熟,在未來戰(zhàn)爭中,難免用到軍事化武器對抗,戰(zhàn)場范圍也必然延伸到空間,由空間態(tài)勢可獲取重要的主動權。提升我軍空間攻防體系對抗能力,系統(tǒng)級別空間信息保障能力演示驗證是最重要的組成部分。以空間態(tài)勢信息保障系統(tǒng)構建為基礎,完善空間態(tài)勢信息監(jiān)測,實現(xiàn)信息安全保障。因此,構建完善、自主的態(tài)勢信息,可為空間攻防對抗與信息對抗提供有力支撐,為監(jiān)測網(wǎng)絡完善提供必要手段,實驗驗證結果可知,該系統(tǒng)信息保障效果較好,可有效覆蓋秘密時間和空間等要素。

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