張舒琪 楊宏 易予生

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

航天技術(shù)的發(fā)展對人類社會進(jìn)步作出了巨大的貢獻(xiàn)，人類一直致力于突破大氣層、到外太空探索新資源。航天任務(wù)的不斷發(fā)展離不開信息技術(shù)的支持，無論是天地測控鏈路的建立，還是對信號的采集，都依賴于信息技術(shù)的發(fā)展。

傳統(tǒng)意義上的信息技術(shù)是指通過科學(xué)合理的手段與方法及硬件軟件方面的支持，對圖像、聲音、文字等信息進(jìn)行分析處理及存儲加工[1]。該定義強(qiáng)調(diào)的是信息技術(shù)的現(xiàn)代化與高科技含量，而物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算在現(xiàn)階段代表了先進(jìn)信息技術(shù)的最新形式及方向。根據(jù)中國物聯(lián)網(wǎng)校企聯(lián)盟的定義，物聯(lián)網(wǎng)是綜合布線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、信息傳感技術(shù)、音視頻技術(shù)等大量信息技術(shù)的結(jié)合，可以令信息更全面地被采集與傳輸，是現(xiàn)代科技的最新呈現(xiàn)形式與應(yīng)用模式[2]。

航天應(yīng)用的信息技術(shù)，在航天器的設(shè)計(jì)、組裝、測試、發(fā)射、在軌運(yùn)行和返回著陸等方面發(fā)揮著重要的作用。當(dāng)前的航天信息系統(tǒng)已不再是過去單純的天地通信、數(shù)據(jù)處理及總線式的分布式體系架構(gòu)，已超越了傳統(tǒng)信息系統(tǒng)的概念和范疇，含義更寬泛，包含內(nèi)容越來越多，范圍越來越廣，并逐漸向網(wǎng)絡(luò)化與一體化方向發(fā)展。這不僅要求航天器內(nèi)部各功能模塊間、子系統(tǒng)間、甚至各系統(tǒng)間信息實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，還需要與航天器實(shí)現(xiàn)信息共享，提升航天器的整體性能。

目前，我國開展了多項(xiàng)大型航天任務(wù)，如載人空間站、月球探測、載人登月等，這將對航天信息技術(shù)的發(fā)展提出更高的要求。本文在分析我國載人航天器信息技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上，根據(jù)我國載人空間站任務(wù)，提出了未來載人航天器信息技術(shù)需求，分析了物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等先進(jìn)信息技術(shù)在載人航天任務(wù)中應(yīng)用的可行性，最后結(jié)合實(shí)際對未來我國載人航天信息技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展進(jìn)行探討。

1 載人航天器信息系統(tǒng)發(fā)展及特點(diǎn)

我國載人航天工程經(jīng)歷了從無到有、從弱到強(qiáng)的發(fā)展歷程，信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)也不斷升級擴(kuò)展，逐步走向成熟，實(shí)現(xiàn)了各種航天信息資源綜合利用、信息融合、優(yōu)化配置、整體性能最優(yōu)的高成熟度、高可靠性的航天信息系統(tǒng)[3]。

1.1 載人航天器第1代信息系統(tǒng)

以應(yīng)用于載人飛船為代表的第1代信息系統(tǒng)，規(guī)劃了指令和信息流，如圖1所示。它是以高可靠船載計(jì)算機(jī)、分布式智能終端及總線為核心的船載信息系統(tǒng)，采用三機(jī)表決的船載計(jì)算機(jī)、雙冗余度1553B總線、應(yīng)急數(shù)據(jù)存儲等設(shè)計(jì)方案，能實(shí)現(xiàn)空空通信、遙控遙測、雙向通話、下行圖像等功能。該系統(tǒng)一直應(yīng)用于“神舟”系列飛船，滿足自主飛行、出艙活動、交會對接、組合體控制等各類任務(wù)需求。

1.2 載人航天器第2代信息系統(tǒng)

在天宮二號空間實(shí)驗(yàn)室、天舟一號貨運(yùn)飛船上應(yīng)用的第2代信息系統(tǒng)，將高級在軌系統(tǒng)(AOS)用于載人航天器信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)。采用航天器多用戶、大容量數(shù)據(jù)分級管理方法，搭建基于1553B總線的高可靠系統(tǒng)網(wǎng)與基于1394總線和低電壓差分信號(LVDS)協(xié)議的高速載荷網(wǎng)分級管理的數(shù)據(jù)管理平臺，實(shí)現(xiàn)了遙測數(shù)據(jù)、遙控?cái)?shù)據(jù)、圖像、話音及載荷數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)前返向測控?cái)?shù)據(jù)傳輸，保證地面對組合體狀態(tài)的統(tǒng)一監(jiān)控和航天員在任一航天器內(nèi)對組合體的監(jiān)控。

1.3 載人空間站信息系統(tǒng)

目前，我國正在開展空間站研制工作，結(jié)合當(dāng)代信息技術(shù)的最新成果，將互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于空間站系統(tǒng)設(shè)計(jì)，統(tǒng)一構(gòu)建了載人空間站信息系統(tǒng)。根據(jù)信息種類及數(shù)據(jù)量傳輸?shù)牟町愋?，將空間站網(wǎng)絡(luò)劃分為系統(tǒng)網(wǎng)、通信網(wǎng)及載荷網(wǎng)，分別執(zhí)行不同的數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，并通過Wi-Fi協(xié)議實(shí)現(xiàn)艙內(nèi)無線網(wǎng)絡(luò)的搭建，其信息系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。單艙模式下各艙網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立運(yùn)行，同時(shí)設(shè)置獨(dú)立的穿艙網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)組合體模式下整站的統(tǒng)一信息管理[4]。

縱觀我國載人航天領(lǐng)域信息系統(tǒng)的發(fā)展，其具備了跟蹤測軌、遙測遙控、中繼高速數(shù)傳、圖像話音通信、天地一體化高速網(wǎng)絡(luò)、航天員信息服務(wù)等功能，是各種航天測控資源綜合利用、信息融合、優(yōu)化配置、整體性能最優(yōu)的高成熟度、高可靠性的航天信息系統(tǒng)。由于航天任務(wù)固有的可靠性要求，與現(xiàn)代先進(jìn)的信息技術(shù)相比，目前的航天信息系統(tǒng)仍相對落后。隨著我國航天技術(shù)的發(fā)展，未來在軌航天器數(shù)量大、運(yùn)行形態(tài)多、在軌時(shí)間長、處理能力和通信速率要求高、飛控程序復(fù)雜[5]，這些需要信息系統(tǒng)具備更高的整體性能。

2 載人航天器先進(jìn)信息技術(shù)需求

隨著我國航天任務(wù)不斷發(fā)展，空間站建成后需要航天員長期在軌完成大量工作，這對航天員的生活環(huán)境及工作手段提出了更高的要求。借鑒地面現(xiàn)有的一些成熟商用技術(shù)及產(chǎn)品，將其應(yīng)用于載人航天器中，不僅可以提升航天器的性能，還會提高航天員在軌生活的智能性、舒適性與便捷性。

2.1 智能家居技術(shù)

2.1.1 需求分析

載人空間站工程任務(wù)階段，航天員長期在軌駐留，良好的艙內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)、人機(jī)交互設(shè)計(jì)、智能終端設(shè)計(jì)、無線生理參數(shù)檢測設(shè)計(jì)，可以構(gòu)建高效、舒適的宇航家居環(huán)境，使航天員的工作、生活和地面一樣，更加智能、便利、舒適和安全，對有效緩解航天員長期在軌造成的心理壓力有極大的幫助，同時(shí)為地面飛控人員的工作提供便利。目前，地面的智能家居技術(shù)是計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息傳感技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、音視頻技術(shù)等多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)融合應(yīng)用的成果，將有關(guān)的家居設(shè)備集成管理，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，提升家居安全性、智能性、便利性、舒適性[6]。“國際空間站”的建造時(shí)間較早，受到信息技術(shù)發(fā)展的制約，其信息系統(tǒng)主要由光纖分布式數(shù)據(jù)接口(FDDI)網(wǎng)絡(luò)及1553B總線系統(tǒng)構(gòu)成，部署及協(xié)議復(fù)雜，易出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁塞現(xiàn)象，并不是智能家居網(wǎng)絡(luò)建立的最佳選擇。我國空間站正處于建造階段，空間站通信網(wǎng)和天地一體化網(wǎng)絡(luò)的建立為宇航智能家居系統(tǒng)的發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2.1.2 應(yīng)用探討

目前，設(shè)備運(yùn)營商中蘋果公司推出的智能家居平臺主要指HomeKit，定義了HomeKit 附屬協(xié)議(HAP)的協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的互聯(lián)互通，該協(xié)議規(guī)范了智能家居產(chǎn)品如何與iOS終端連接與通信[7]。HomeKit將家庭作為智能家居設(shè)備的集合，一些設(shè)備組成場景由終端進(jìn)行統(tǒng)一控制。蘋果平臺的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、安全性及可靠性高，但是未經(jīng)授權(quán)無法自行開發(fā)兼容HomeKit的應(yīng)用[8]，無法將其直接應(yīng)用于我國載人航天器中；但是，HomeKit所涉及的“場景”概念十分新穎，可加以借鑒。依據(jù)航天員生活工作的需求，設(shè)置娛樂模式、睡眠模式、起床模式、交會對接模式、無人值守模式等，將航天器中的照明裝置、安全監(jiān)測裝置、通話裝置、攝像頭及機(jī)械臂等設(shè)備結(jié)合起來在場景模式下統(tǒng)一管理，可提升載人航天器的智能性與航天員工作的高效性。

除此之外，小米公司與華為公司也推出了自己的智能家居產(chǎn)品鏈，皆以路由器為整個(gè)智能家居系統(tǒng)的核心，能實(shí)現(xiàn)設(shè)備互聯(lián)及場景聯(lián)動。華為公司提出的HiLink協(xié)議可實(shí)現(xiàn)多標(biāo)準(zhǔn)、多協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換，同時(shí)支持ZigBee、Wi-Fi及藍(lán)牙的設(shè)備接入系統(tǒng)，其協(xié)議架構(gòu)如圖3所示。手機(jī)、平板電腦、智能音箱等支持HiLink協(xié)議的終端，可以接入智能網(wǎng)關(guān)、智能家居云，并支持通過APP對設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，也支持設(shè)備之間的聯(lián)動控制[9]，其系統(tǒng)架構(gòu)對宇航智能家居系統(tǒng)的建立有借鑒作用。

載人航天器的信息系統(tǒng)應(yīng)遵守安全設(shè)計(jì)原則，平臺遙測、指令等可靠性要求高的數(shù)據(jù)使用系統(tǒng)網(wǎng)傳輸，圖像、話音和移動信息服務(wù)等數(shù)據(jù)使用通信網(wǎng)傳輸，試驗(yàn)數(shù)據(jù)使用載荷網(wǎng)傳輸。其中：系統(tǒng)網(wǎng)與通信網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)單向傳輸；通信網(wǎng)與載荷網(wǎng)物理上統(tǒng)一、邏輯上隔離，保證信息系統(tǒng)的安全性。我國正在建造的空間站已初具智能生活的雛形，航天員可通過手機(jī)、控制面板等終端對攝像機(jī)、食品加熱裝置等設(shè)備進(jìn)行控制，但還未形成正式、完整的智能家居系統(tǒng)，在系統(tǒng)功能分析及系統(tǒng)通信協(xié)議的設(shè)計(jì)上還需要進(jìn)一步完善。智能家居系統(tǒng)作為空間站通信網(wǎng)的子網(wǎng)，以以太網(wǎng)與Wi-Fi技術(shù)為基礎(chǔ)，將智能家居的概念引入其中，系統(tǒng)化地將已有的一些功能包括其中，同時(shí)從提高航天員在軌工作和生活效率的角度考慮引入新的功能，形成完整的宇航智能家居系統(tǒng)。結(jié)合我國空間站現(xiàn)有通信網(wǎng)結(jié)構(gòu)及功能所形成的智能家居系統(tǒng)架構(gòu)，如圖4所示。所有設(shè)備通過交換機(jī)連接到服務(wù)器，由服務(wù)器完成數(shù)據(jù)的處理與存儲，航天員使用手機(jī)、平板電腦等無線終端支持Wi-Fi協(xié)議，通過路由器接入網(wǎng)絡(luò)對其他設(shè)備進(jìn)行控制，完成智能音視頻、智能顯示報(bào)警、智能家電管理、智能醫(yī)監(jiān)醫(yī)保、智能環(huán)境監(jiān)測管理、智能物資管理、智能安?？刂频雀黜?xiàng)功能。隨著航天任務(wù)的不斷升級，還會有越來越多的先進(jìn)產(chǎn)品應(yīng)用到空間站中，此時(shí)Wi-Fi技術(shù)的優(yōu)越性便體現(xiàn)出來，支持Wi-Fi協(xié)議的設(shè)備不需要重新布線，安裝并登錄到服務(wù)器即可。

載人航天器智能家居系統(tǒng)的研制與升級應(yīng)與民用智能家居系統(tǒng)保持同步，充分借鑒民用智能家居系統(tǒng)技術(shù)，如蘋果公司及華為公司的協(xié)議設(shè)計(jì)，保持技術(shù)的先進(jìn)性，不同設(shè)備間可以兼容、互聯(lián)，技術(shù)發(fā)展與民用領(lǐng)域同步，從而保證空間站能夠良好地兼容未來智能家居技術(shù)和產(chǎn)品。

圖3 HiLink協(xié)議架構(gòu)Fig.3 HiLink protocol architecture

2.1.3 需要關(guān)注的問題

智能家居技術(shù)在發(fā)展之初并不是為了用于航天任務(wù)，地面的智能家居系統(tǒng)架構(gòu)及協(xié)議設(shè)計(jì)并不能直接應(yīng)用于航天器，地面商用系統(tǒng)的開放性在一定程度上存在不可靠的缺點(diǎn)，需要經(jīng)過一系列的測試改良。因此，在設(shè)計(jì)階段應(yīng)明確提出一些關(guān)鍵功能，并在其中采用冗余備份設(shè)計(jì)，如有可能還可采用相同功能異構(gòu)設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)可靠性。對于非關(guān)鍵功能，考慮到系統(tǒng)代價(jià)和研制成本，可靠性要求可適度放寬，但仍要做到故障隔離設(shè)計(jì)，最大限度地降低影響和風(fēng)險(xiǎn)。在宇航智能家居系統(tǒng)中，服務(wù)器承擔(dān)著最核心的任務(wù)，需要設(shè)置備份服務(wù)器，以免出現(xiàn)意外導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)癱瘓；另外，智能家居系統(tǒng)的各個(gè)頂層交換機(jī)與接入交換機(jī)也屬于關(guān)鍵器件，而在下屬的功能模塊中不影響整站運(yùn)行及航天員在軌正常生活的功能，如舷窗控制、娛樂休閑等功能設(shè)置為非關(guān)鍵功能，不需要冗余設(shè)計(jì)。

2.2 AR技術(shù)

2.2.1 需求分析

航天員手控交會對接、出艙活動、應(yīng)急返回手控操作等任務(wù)，對于航天器在軌組裝、維修和控制具有重大意義。目前，航天員在軌獲得任務(wù)操作指導(dǎo)信息的主要方法是查看手冊，或者與地面控制中心通話獲得技術(shù)支持[10]。但是，航天員在失重狀況下翻閱飛行手冊造成了身體的不穩(wěn)定性，會增加不必要的操作風(fēng)險(xiǎn)；在電腦上查閱信息同樣存在問題，電腦的位置固定，航天員無法在操作的同時(shí)查閱信息，造成工作效率低；與地面的交互相比，查閱手冊更加不直觀，且會面臨通信延時(shí)及不在測控區(qū)等由天地通信鏈路造成的問題。

為了準(zhǔn)確地完成出艙、控制等任務(wù)，航天員首先需要在艙內(nèi)完成設(shè)備的維修訓(xùn)練并模擬操作。AR技術(shù)可以將計(jì)算機(jī)生成的虛擬對象添加到現(xiàn)實(shí)世界中，如圖像、文字、音頻等增強(qiáng)信息，使其與現(xiàn)實(shí)世界融合在一起，通過將虛擬對象和真實(shí)物體疊加于同一空間中，令用戶可以直觀感受，指導(dǎo)其完成陌生且復(fù)雜的工作。

2.2.2 應(yīng)用探討

為了呈現(xiàn)AR技術(shù)構(gòu)建的場景，AR技術(shù)的顯示技術(shù)主要分為頭戴式、計(jì)算機(jī)屏幕顯示式、手持式和投影式，結(jié)合用戶的沉浸體驗(yàn)感與操作的便捷性，頭戴式AR眼鏡是最適宜太空應(yīng)用的一種。我國在飛行員的訓(xùn)練中已逐步開始應(yīng)用AR眼鏡，但還未使用到載人航天器中；而NASA已成功將幾副Microsoft公司開發(fā)的HoloLens眼鏡送入太空，Hololens是一款可直接單獨(dú)使用的AR眼鏡。在基于HoloLens的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)識別系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，以HoloLens為客戶端，計(jì)算機(jī)為服務(wù)端，通過IP地址和端口號進(jìn)行信息傳輸[11]。其中：客戶端的實(shí)現(xiàn)步驟為人機(jī)交互(包括手勢識別、凝視識別、語音識別等交互方式)、信息傳輸、通過HoloLens前置攝像頭進(jìn)行信息采集、從服務(wù)器獲取模型并動態(tài)加載及完成空間映射；服務(wù)端通過模型打包、獲取樣本數(shù)據(jù)集、訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)模型及分析模型識別結(jié)果等步驟提供虛擬模型生成和信息處理的功能，通信過程依靠用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議(UDP)進(jìn)行傳輸。HoloLens對網(wǎng)絡(luò)協(xié)議(IP)和UDP的應(yīng)用與我國空間站通信網(wǎng)所采用的傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)絡(luò)協(xié)議(TCP/IP)模型符合，因此可考慮將其應(yīng)用于我國空間站的建造中，作為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)終端通過Wi-Fi連入網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)設(shè)置與之匹配的計(jì)算機(jī)作為服務(wù)器，根據(jù)用戶需求調(diào)用服務(wù)器中已存儲好的模型，再通過Hololens的空間映射功能將任務(wù)計(jì)劃、任務(wù)狀態(tài)、工作要求等輔助信息、圖像經(jīng)過分析計(jì)算投放到航天員眼睛前方，在航天員操作的同時(shí)可以由地面將輔助信息發(fā)送給AR眼鏡，指導(dǎo)航天員在軌工作。

2.2.3 需要關(guān)注的問題

作為一個(gè)無線終端加入載人航天器的通信網(wǎng)中，需要注意AR眼鏡是否能夠承受復(fù)雜多變的太空環(huán)境，其中最顯著的是熱環(huán)境與空間輻射問題，例如：器件是否可以承受溫差幾十度的突變，其可承受的溫度范圍是多少，抗輻射能力如何。商用AR眼鏡往往采用超大規(guī)模集成電路、器件(如千萬門數(shù)的FPGA、高性能CPU等)，空間環(huán)境適應(yīng)性差，如果使用不當(dāng)，反而會影響正常的航天任務(wù)。因此，在AR眼鏡設(shè)計(jì)之初,需要對器件進(jìn)行附加的測試、篩選、評估與維護(hù)。商用芯片、軟件往往程序封裝，源碼不可見，無法評測，存在安全風(fēng)險(xiǎn)。在地面測試階段，針對商用產(chǎn)品應(yīng)增強(qiáng)地面測試手段，提高測試強(qiáng)度和測試用例，確保測試的覆蓋性和有效性，及早暴露和發(fā)現(xiàn)問題，保證系統(tǒng)的可靠性和安全性。

2.3 語音識別技術(shù)

2.3.1 需求分析

隨著載人航天器信息系統(tǒng)的不斷升級，航天器內(nèi)的活動空間不斷擴(kuò)充，設(shè)備數(shù)目及其設(shè)計(jì)的復(fù)雜度也在不斷增加。為了減少航天員在軌工作的任務(wù)量，讓航天員便捷地對艙內(nèi)設(shè)備隨時(shí)隨地進(jìn)行操作，載人航天器內(nèi)部設(shè)備的操控方式要滿足更高的要求。目前，地面成熟的主流控制方式有觸屏方式及語音控制方式2種。觸屏方式已逐漸應(yīng)用于我國的航天技術(shù)中，如我國空間站中的控制面板可對一些設(shè)備進(jìn)行開關(guān)等簡單操作，而語音控制方式還未開始應(yīng)用。從近年來蘋果、華為、小米等公司不斷升級推出的智能音箱來看，語音控制會成為未來操控電器設(shè)備的主流方式，因此將語音識別技術(shù)引入載人航天器的建造勢在必行。

2.3.2 應(yīng)用探討

語音識別技術(shù)是實(shí)現(xiàn)語音控制最關(guān)鍵的手段，在智能音箱中完成對語音信號的采樣，并且將語音信號進(jìn)行數(shù)字化處理，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栠M(jìn)入語音識別系統(tǒng)。首先，系統(tǒng)對其進(jìn)行預(yù)處理，將信號切割成一個(gè)一個(gè)的片段，每段稱為一幀，并且切除首尾端的靜音段，以免對后續(xù)操作造成不好的影響。然后，將信號進(jìn)行聲學(xué)特征提取，得到一組特征向量，將這組特征向量與存儲于系統(tǒng)中的聲學(xué)模型與語言模型進(jìn)行匹配，根據(jù)特定的規(guī)則計(jì)算出相應(yīng)的概率，并選擇盡可能符合特征參數(shù)的結(jié)果，即語音識別的文本。最后，將識別出的結(jié)果與存儲的指令庫對應(yīng)，找到符合的指令后發(fā)送給相應(yīng)的設(shè)備。語音模板是根據(jù)對樣本不斷進(jìn)行訓(xùn)練所提取出來的特征參數(shù)，所以對模型進(jìn)行訓(xùn)練是語音識別過程中很關(guān)鍵的一點(diǎn)[12]。

智能音箱作為語音交互系統(tǒng)中的一臺設(shè)備，是語音識別的媒介，也是航天員訪問艙內(nèi)設(shè)備的入口。它需要包含幾項(xiàng)基本功能：①查詢功能，例如溫度、時(shí)間的查詢；②語音喚醒功能，例如蘋果產(chǎn)品通過口令“嘿，Siri”即可進(jìn)行交互；③控制家電功能，通過口頭的語音轉(zhuǎn)換為文本指令，實(shí)現(xiàn)控制，例如“打開空間站照明燈”。為了方便連接，載人航天器中的通信協(xié)議采用TCP/IP模型，支持Wi-Fi技術(shù)連入通信網(wǎng)，完成與其他設(shè)備之間的交互。

2.3.3 需要關(guān)注的問題

同AR眼鏡在航天器中的應(yīng)用類似，智能音箱也是作為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)終端存在于系統(tǒng)通信網(wǎng)中，同樣面臨空間環(huán)境的復(fù)雜多變問題，對器件的篩選加固是不可避免的。另外，語音識別技術(shù)要想在航天器中成為一種控制手段，需要極高的可靠性與準(zhǔn)確性?，F(xiàn)階段，地面的商用語音識別技術(shù)并不能達(dá)到百分之百的準(zhǔn)確率，在操作的準(zhǔn)確性上低于觸屏方式，因此需要進(jìn)一步對語音模型進(jìn)行訓(xùn)練，設(shè)置專屬航天器的語音模型庫，改進(jìn)語音識別的算法與應(yīng)用方法，提高語音識別率，增強(qiáng)語音識別的魯棒性[13]。

2.4 云計(jì)算技術(shù)

2.4.1 需求分析

新一代的載人航天器承擔(dān)了大量空間試驗(yàn)任務(wù)，隨之而來的龐大數(shù)據(jù)量不僅對天地信息傳輸系統(tǒng)提出挑戰(zhàn)，也對艙上設(shè)備的計(jì)算能力與存儲能力提出了新的需求。過去的數(shù)據(jù)運(yùn)算分析任務(wù)主要由單機(jī)設(shè)備來執(zhí)行，這對每臺設(shè)備的單機(jī)性能要求極高，其硬件條件直接決定了系統(tǒng)執(zhí)行指令的效率及運(yùn)行的速度。同時(shí)，為了滿足未來不斷變化的航天任務(wù)需求，艙內(nèi)設(shè)備需要不斷升級與替換，為了節(jié)約太空的生活資源、縮減研究成本，需要考慮更加適宜的數(shù)據(jù)計(jì)算及存儲模式。

近年來，云計(jì)算技術(shù)的發(fā)展非常迅猛，它以數(shù)量龐大的服務(wù)器集群、容量超大的存儲設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)帶寬等資源為基礎(chǔ)，根據(jù)用戶需求進(jìn)行動態(tài)資源分配來提供信息服務(wù)，具有超大規(guī)模、虛擬化、多用戶、高可靠性、高可擴(kuò)展性等特點(diǎn)。本地計(jì)算機(jī)作為用戶與“云”進(jìn)行交互的一個(gè)入口，用戶完成所有的信息運(yùn)算分析不再僅僅依靠本地服務(wù)器，而是交遞到“云”中，將大量的計(jì)算需求分割，交給大量的服務(wù)器共同完成，提升計(jì)算效率。由于大量服務(wù)器的協(xié)同配合，對于其中的每位用戶來說，“云”可開發(fā)的潛力是巨大的，具有極強(qiáng)的可擴(kuò)展性，并且可以在不占用本地內(nèi)存的情況下隨時(shí)獲取，在提升系統(tǒng)計(jì)算效率的同時(shí)解決了航天器內(nèi)存有限的問題。

2.4.2 應(yīng)用探討

在現(xiàn)有技術(shù)中，云計(jì)算有公有云和私有云2種部署模式。公有云的缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)不存儲于自身的數(shù)據(jù)中心，存在安全隱患；私有云的“云”可以布置在系統(tǒng)內(nèi)部，更加注重?cái)?shù)據(jù)的保密性，適合航天任務(wù)的應(yīng)用[14]。基于我國空間站天地一體化網(wǎng)絡(luò)的建立，太空也成為了互聯(lián)網(wǎng)的一部分，在地面建立大型的私有云服務(wù)集群，航天器上運(yùn)算量大的設(shè)備可將其數(shù)據(jù)采集后通過天地鏈路直接傳輸于云服務(wù)端進(jìn)行分析處理，從而簡化艙內(nèi)設(shè)備的性能要求，并且在地面保留原始數(shù)據(jù)，方便地面飛控人員對其進(jìn)行查詢分析。除此之外，私有云還可以為航天任務(wù)提供可靠的云存儲服務(wù)，將整個(gè)系統(tǒng)中管理存儲業(yè)務(wù)的服務(wù)器集合起來，形成一個(gè)整體，同時(shí)將服務(wù)器中的文件數(shù)據(jù)進(jìn)行拷貝，存儲于不同的服務(wù)器中，以此確保數(shù)據(jù)的安全，隱藏一些底層的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，最終留一個(gè)統(tǒng)一的視圖入口供用戶使用，進(jìn)行數(shù)據(jù)的訪問及文件的傳輸與存儲[15]。私有云還能提供備份服務(wù)器，定時(shí)為主服務(wù)器中的元數(shù)據(jù)進(jìn)行備份，進(jìn)一步保證數(shù)據(jù)的安全，航天員在軌只需要登錄云賬號便可實(shí)時(shí)查閱所需資料，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理及一體化操作。

云計(jì)算的使用能提高系統(tǒng)整體的運(yùn)算能力，為航天員提供更便捷的資源訪問和高可用的服務(wù)，但我國尚未具備實(shí)現(xiàn)的條件，主要原因如下。①云計(jì)算對天地交互支持提出更高需求，天地通信速率會進(jìn)一步提高，要由目前的兆比特每秒量級提高至吉比特每秒量級。如此大的數(shù)據(jù)速率，以及多用戶載荷的存在，需要采用更先進(jìn)的通信體制，如激光通信、量子通信、太赫茲通信等進(jìn)一步提高天地信息傳輸能力。②云計(jì)算需要在地面建立大型、遍布各地的航天任務(wù)私有云服務(wù)集群，即專屬于航天的云服務(wù)端，方便各地航天工作者使用，共同完成協(xié)議的開發(fā)與系統(tǒng)的管理，在此基礎(chǔ)上，載人航天器只相當(dāng)于一個(gè)位置較遠(yuǎn)且情況特殊的用戶，在艙內(nèi)計(jì)算機(jī)上登錄云賬戶即可完成數(shù)據(jù)的查詢與存儲。

2.4.3 需要關(guān)注的問題

云服務(wù)端負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的計(jì)算及底層物理資源的安全，客戶端則保障各自的運(yùn)行環(huán)境與應(yīng)用的安全問題，計(jì)算資源的擁有者與使用者分離導(dǎo)致了云計(jì)算模式固有的信息安全問題。因此，在應(yīng)用中需要注意：將客戶端的數(shù)據(jù)隔離，謹(jǐn)防被私自篡改、盜取或混合，存儲于云服務(wù)端的數(shù)據(jù)應(yīng)妥善保管或銷毀，防止出現(xiàn)數(shù)據(jù)服務(wù)阻塞；保障云服務(wù)端的連續(xù)性及用戶取用數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性；整個(gè)云平臺內(nèi)資源高度集中導(dǎo)致風(fēng)險(xiǎn)集中，需要加強(qiáng)云服務(wù)端的防火墻設(shè)置；設(shè)置云數(shù)據(jù)備份與恢復(fù)服務(wù)，防止數(shù)據(jù)意外丟失或被覆蓋。

3 結(jié)束語

我國載人航天領(lǐng)域3個(gè)階段的發(fā)展充分證明了信息技術(shù)的重要性，也對信息技術(shù)的應(yīng)用提出了更高的要求。載人航天器的發(fā)展能夠帶動先進(jìn)信息技術(shù)的應(yīng)用，先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用同樣能大大提高載人航天器的能力，兩者相輔相成，相互促進(jìn)。本文針對有望應(yīng)用于載人航天器中提高其性能的4種地面先進(jìn)信息技術(shù)進(jìn)行了介紹，并對各個(gè)技術(shù)的應(yīng)用模式進(jìn)行分析。由于這些技術(shù)的開放性與可靠性之間存在矛盾，因此在載人航天器中要加以控制地使用，并要進(jìn)一步測試篩選。目前，國內(nèi)還沒有一套現(xiàn)成的規(guī)范可以遵循，因此建立一套完整的商用器件在載人航天器中應(yīng)用的測試規(guī)范是非常必要的。