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進行技術鋪墊。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)說明會相關資料、2019 年3 月DARPA 發(fā)布的Pit Boss 招標書和2020 年媒體相關報道為基礎，分析Pit Boss項目基本情況、特點和技術領域。

1 引言

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。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。SEAKR 公司稱，Pit Boss 采用先進的空間處理器架構，滿足有效載荷處理性能要求，具有高水平的在軌可重構處理能力。Pit Boss 關鍵技術包括模數(shù)轉換（ADC）和數(shù)模轉換（DAC）技術、基于現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）的處理技術和基于專門集成電路（ASIC）的處理技術。Sagittarius-A 將驗證科學系統(tǒng)有限公司（SSCI）負責開發(fā)的星載“作戰(zhàn)管理、指揮、控制和通信”（BMC3）軟件能力。當用戶通過地面軟件提交數(shù)據(jù)服務請求時，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。

2 Pit Boss 項目概述

項目基本情況

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，可以對大規(guī)模星座進行管理和運控，處理載荷相關信息并將其分發(fā)給用戶?！昂诮芸恕表椖康哪繕耸抢靡粋€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 的架構可擴展、適應性強，能夠將各種衛(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)架構中，并適應不斷增長的衛(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)術通信。

Pit Boss 項目總預算為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，并制定初始任務架構規(guī)范；第二階段將進行關鍵設計評審，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，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 的功能和目標

Pit Boss是一個在軌云網(wǎng)絡，是星座級別的自主、協(xié)作、分布式天基網(wǎng)絡。Pit Boss 在最小化人工干預的情況下，進行星座指揮控制、載荷管理規(guī)劃調度、健康監(jiān)測和修復、星間和星內數(shù)據(jù)管理等?？稍谀硶r間內監(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能力，包括定位、導航與授時（PNT）增強，以及加強低延遲、全球范圍的天基戰(zhàn)術通信，Pit Boss 將使關鍵數(shù)據(jù)能夠在戰(zhàn)役范圍內快速分發(fā)給全球戰(zhàn)術用戶。

3 Pit Boss 架構特點

DARPA 希望Pit Boss 結構方案具有擴展性、伸縮性和適應性。

擴展性體系結構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（例如，導彈威脅的探測、特征描述和跟蹤；可替代的、高精度的定位、導航與定時；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構。每顆衛(wèi)星是一個功能層的節(jié)點，無需修改Pit Boss 架構就能夠集成其他節(jié)點或功能層。

伸縮性體系結構更易容納大量的衛(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預計可在短時間內同時向數(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)域實現(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)絡架構。

適應性體系結構是利用開放式體系結構標準和系統(tǒng)控制的體系結構，允許輕松插入第三方軟件和硬件，包括有效載荷和應用程序、通信設備，以及地面的用戶設備和軟件。在這方面，Pit Boss 相當于軟件開發(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，所提交的方案應包括以下方面：

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，提出實現(xiàn)擴展性、伸縮性和適應性的方法，且需要與現(xiàn)有和計劃發(fā)展的用戶段硬件、指控段硬件及相關軟件架構兼容。

2）開發(fā)和部署強大的自主多任務執(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“實時和虛擬建設性環(huán)境”中執(zhí)行任務演示的方法，以驗證技術成熟度，并在早期發(fā)現(xiàn)技術存在的風險。

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，或者被視為天基數(shù)據(jù)云服務。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，包括功能層和節(jié)點控制，任務數(shù)據(jù)管理，數(shù)據(jù)傳輸、存儲和處理，數(shù)據(jù)分發(fā)。

4 Pit Boss 的相關技術

DARPA 在Pit Boss 招標書中介紹了6 個技術領域，涉及大規(guī)模星座的體系架構設計、多任務執(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。

技術領域1：針對太空作戰(zhàn)的低軌大規(guī)模星座任務體系結構

開發(fā)具有擴展性、伸縮性和適應性的體系網(wǎng)絡架構，該體系架構應該具備以下能力或需求：

1）“黑杰克”節(jié)點在任務規(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)任務目標。

2）針對某目標或區(qū)域，在觀測組范圍內，“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需求，最大化數(shù)據(jù)輸出的方法。

7）確保高質量服務的方法。

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、傳輸可靠性和質量等）。

技術領域2：多任務執(zhí)行軟件

開發(fā)靈活的、模塊化的軟件，可自主執(zhí)行多個不同任務。某些功能可能支持多個任務（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)調等），而其他功能可能是特定任務（如，自動目標識別）。建議的方法應該能夠實現(xiàn)星座級自主，并且應該滿足以下性能目標。

1）計劃任務的自主執(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）自主診斷和響應一般的系統(tǒng)故障（如，在連續(xù)執(zhí)行計劃任務時節(jié)點丟失）。

6）提供數(shù)據(jù)存儲。

7）安裝第三方應用程序。

以上并不包括Pit Boss 軟件的所有性能目標，同時，投標方應說明支持自主任務執(zhí)行所需的任何額外領域。在可能的情況下，投標方應利用平臺和有效載荷功能來滿足性能指標，并降低軟件復雜性和成本。

技術領域3：人機用戶接口

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）在最小化訓練下，提供輕松定義任務參數(shù)和生成指令的能力。

2）提供設置和快速更新指揮層級和任務優(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）適應各類衛(wèi)星和各類用戶（如，分析員、戰(zhàn)術用戶和高級指揮官）。

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，投標方應說明支持人機界面所需的任何額外功能。

技術領域4：在軌計算資源

實現(xiàn)未來任務擴展升級，自主化、智能化的軟件需要高性能處理內存和帶寬能力。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（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)）。解決方案應滿足估計的計算需求，定義在軌計算體系架構，并描述實現(xiàn)體系架構的硬件和軟件（如，接口卡、計算平臺等）。投標方將負責開發(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)絡和軟件接口的系統(tǒng)，具有適當?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，而無需長時間的設計、集成和測試。

計算資源方法應解決以下問題：

1）考慮每顆衛(wèi)星質量功耗的限制，Pit Boss 所需的總計算資源。

2）考慮每顆衛(wèi)星質量功耗的限制，Pit Boss 所需的內存資源。

3）支持第三方應用程序和無質量有效載荷的能力。

4）功耗和占空比。

5）發(fā)射后，新算法和任務線程的可擴展性。

6）無需重新設計Pit Boss 的情況下，增加在軌計算資源（處理器和內存）的伸縮性。

技術領域5：通過實時和虛擬的環(huán)境進行任務驗證

通過先進的建模、仿真和演示，實現(xiàn)體系架構適應性的驗證。投標方應描述Pit Boss 與平臺和有效載荷模型集成的過程，在一個任務演示環(huán)境中演示任務功能，通過一系列地面模擬，展現(xiàn)完整的在軌活動。此外，方案應該解決Pit Boss 開發(fā)人員如何與衛(wèi)星集成商合作的問題。

技術領域6：自主加密和信息保證

戰(zhàn)術系統(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。投標方可以假設“黑杰克”架構將包含“黑杰克”衛(wèi)星與一個或多個低軌CDDTL 之間的直接通信鏈路。

開發(fā)工具包（SDK）

Pit Boss 的投標方應該描述開發(fā)可自由發(fā)布的SDK 的方法，支持第三方無質量有效載荷的集成。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。工具集應該包括支持新的無質量有效載荷的開發(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 應該定義標準的軟件接口和開放的數(shù)據(jù)格式。

5 結論

智能化、分布式自主控制和處理網(wǎng)絡有望引領衛(wèi)星系統(tǒng)跨代發(fā)展

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、導彈預警、通信中繼和導航定位能力，在現(xiàn)代化、智能化戰(zhàn)爭中，實現(xiàn)“先發(fā)制人”、“以快致勝”。

Pit Boss 是智能化衛(wèi)星的核心關鍵系統(tǒng)，是美軍未來低軌七層體系架構的技術基礎

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。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，并將其作為首個技術要求。其次，Pit Boss 是大規(guī)模星座的分布式指揮控制網(wǎng)絡和分布式計算系統(tǒng)，負責星座的管控和具體任務數(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中BMC3 軟件的功能，執(zhí)行七層體系架構中，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 是美軍“即插即用衛(wèi)星”等理念的繼承發(fā)展

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)行機構以任意復雜形式組合來搭建網(wǎng)絡，使得搭建的網(wǎng)絡易于擴展和修改。Pit Boss 結合了這些發(fā)展理念，并與人工智能技術結合，形成了新的創(chuàng)新理念。