空间计算技术或将引发天基信息网络体系变革

河南奇兵 2016-07-29

展开全文

近日，《美国计算机协会通信》杂志以及美国电子电气工程师协会数字图书馆刊发了数篇有关“空间计算”（Spatial Computing）的研究论文。文章认为，空间信息网络的高速发展，使得在轨卫星的计算及组网能力有了显著提升，有望改变传统的依赖地面节点进行数据处理的工作方式，为美军空间信息网络的发展带来新的变革。一、空间计算技术的发展背景

当前大部分在轨卫星的星上处理能力较弱，数据处理和分析主要依赖地面处理节点（主要指地面数据处理中心）来完成。随着星载处理芯片性能的大幅提升以及空间组网关键技术的突破，在轨卫星独立完成数据处理和传输成为可能。不同轨道的多种卫星之间将可以直接或通过中继方式进行数据交互，卫星和终端之间也可以进行多种形式的数据交互，多颗卫星和大量终端就构成了一个庞大的分布式处理网络，该网络将具备强大的分布式数据处理和分析能力，代替部分地面数据处理中心的职能，大大提高信息的时效性和稳定性，同时具有极高的系统弹性和抗毁性。“空间计算”概念建立在卫星在轨计算和组网能力的基础上，涵盖了空间数据挖掘、空间大数据分析、空间认知以及其他与地理或者非地理空间相关的计算性问题，彻底改变了卫星数据交互和处理模式，为美军空间信息网络的构建带来新的机遇。二、美军正积极开展“空间计算”技术研究

美军早在2012年就开始关注空间计算技术，空军学院、空军研究实验室等单位和伯克利大学、斯坦福大学等高校开展了关于卫星在轨信息处理、空天地一体化协同组网等相关技术的研究。美军在空间计算领域的主要研究包括：信息物理系统云计算目前，众多不同轨位、不同功能的卫星理论上组成了庞大的空间异构网络。该分布式网络架构与云计算的部署环境十分契合，因此，如何部署和利用星上资源进行云计算，提升数据处理效率是美军关心的问题。当前，美空军研究实验室已完成了在地球同步轨道上部署星上云计算网络的试验，正在探究高、中、低多种轨道类型的异构网络云计算部署方案及性能研究。通过充分利用现有的在轨卫星计算能力，部署动态化的云计算网络，将极大提升美军数据处理和交互能力，为作战行动提供精准的信息支援。

空间预测分析当前，美军在轨卫星种类繁多，且卫星的管理单位相对分散，不利于战时对时效性要求极高场景下的数据分析和处理。因此，通过在轨卫星网络的空间预测和分析，能够将多种不同类型卫星提供的数据进行协同分布式处理和在轨分析，帮助战场指挥官快速了解目标区域的频谱环境、温度、洋流等综合态势信息，同时利用空间计算能力进行大数据预测推演，精确评估作战行动的效果以及可能的干扰因素，降低不同部门之间信息交互的延迟，提高作战行动的成功率。

空间信息协同传统的卫星网络中，卫星主要承担了数据提供者的角色，向地面终端提供通信、侦察、测绘等服务。而在复杂的战场电磁环境下，卫星数据被干扰、欺骗是常态，导致用户端无法收到正确的信息，严重制约了卫星功能的发挥。通过空间信息协同，卫星将不仅仅能够向地面发送自身的数据，同时可以根据地面节点的反馈，动态调整组网方式、数据发送方式等，提高复杂电磁环境下数据交互的成功率，提升战场生存能力。例如，在美军即将部署的第三代GPS系统中，卫星可以通过侦察卫星、地面终端反馈的战场电磁环境信息，动态调整军用导航数据的发送频点和加密方式，极大提升定位精度和作战行动成功率。

特种定位技术该技术主要通过终端间的信息交互和协同信息处理实现。已获取精确定位的终端可以向室内终端提供辅助定位修正，辅以惯导等技术，使得特殊环境下的终端得以获得精准定位。针对诸如水下、室内等特殊环境下的定位需求，空间计算技术将可以通过地面移动通信基站、水面浮标、无人机、可见光终端等进行辅助定位，修正遮挡环境下的定位数据，提升在巷战、室内等环境下的作战能力。三、空间计算技术的未来展望展望未来，空间计算技术在协同数据获取、分析以及系统安全方面将得到进一步的发展。协同数据获取随着空间信息网络规模的进一步扩大，接入网络的终端类型更加多样化，将带来新的机遇和挑战。例如，单兵信息终端、车辆、无人机、预警机等单元能够向卫星网络提供多元化的数据，极大地拓展空间信息网络的信息获取途径和类型，为空间信息网络做出更精准的研判奠定基础。但是，更大的数据量将对星上处理能力提出严峻的考验。

协同数据分析随着空间信息网络的进一步发展，高、中、低不同轨道的卫星和数量巨大的用户终端将共同组网参与数据交互，网络架构将更加复杂，网络拓扑动态性更强，计算数据量更加庞大，巨大的数据交互量和处理量将为空间信息网络带来新的挑战。如何对这些数据进行动态的规划和处理，使得空间计算的效率进一步提升将成为后续的研究重点。