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美军国防太空架构“战斗治理层(BMC3)”概述

时间:2021-08-27 00:51作者:华体会游戏平台

本文摘要:2020年12月,美国太空生长局(SDA)公布信息征询,寻求对战斗治理指挥控制和通信(BMC3)能力的反馈。这意味着SDA在构建美军“国防太空架构(NDSA)”战斗治理层(BMC3层)门路上迈出了重要的一步。 2020年6月,SDA公布了BMC3层“任务特定应用原型”跨机构通告,征集国防太空架构中羁系层、导航层与跟踪层中BMC3模块方案。本文将简要先容BMC3层近期生长情况。

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2020年12月,美国太空生长局(SDA)公布信息征询,寻求对战斗治理指挥控制和通信(BMC3)能力的反馈。这意味着SDA在构建美军“国防太空架构(NDSA)”战斗治理层(BMC3层)门路上迈出了重要的一步。

2020年6月,SDA公布了BMC3层“任务特定应用原型”跨机构通告,征集国防太空架构中羁系层、导航层与跟踪层中BMC3模块方案。本文将简要先容BMC3层近期生长情况。01、项目配景美国太空生长局(SDA)现在正着力建设“国防太空架构(NDSA)”——一个由数百颗卫星组成的低地球轨道(LEO)扩散型多层“网状网络”。NDSA由7个功效层组成,包罗传输层、跟踪层、战斗治理(BMC3)层、羁系层、导航层、支持层与威慑层,参见图1。

NDSA将为美军提供导弹预警、空中/地面/外貌目的跟踪,以及其他导弹防御能力,特别是探测和击败高明音速导弹威胁的能力。SDA表现,NDSA将让美军作战人员能够“比威胁速度更快”获得数据。此前,SDA传输层和跟踪层已经开始授出“0期”条约。而BMC3层将集成国防太空架构中所有功效层,通过指挥控制、任务分配、任务处置惩罚和分发提供自动化天基战斗治理能力,以支持战役规模的时敏杀伤链闭合,为作战人员应对种种新兴威胁提供保障。

图1 国防太空架构02、主要技术领域战斗治理层(BMC3)将提供硬件和软件框架,以支持种种跨层的任务特定处置惩罚、算法和应用。支持用例包罗天基指挥控制、任务分配和任务处置惩罚。处置惩罚后的数据将通过交链和下行链路在网状网络中举行路由,实时分发给作战人员和其他系统。航行软件可以在轨更新以适应威胁和任务需求的不停变化。

现在BMC3层正在研究的主要技术领域包罗:• 低延迟在轨网状网络• 漫衍式指挥控制• 用于战斗治理和信息分发的先进人机接口• 自动化调理优化和传感器任务分配• 星载处置惩罚算法• 支持任务迁移和在轨升级的软件架构• 可信的自主能力和人工智能• 增强网络宁静、开发宁静运营(DevSecOps)和宁静更新• 性能增强的星载处置惩罚硬件,将尺寸、重量和功耗降至最低• 增强战斗治理功效模块化水平和互操作性• 作战支援的训练观点和方法• 革新计划和情报产物的任务分配和使用• 治理多个异构盘算架构• 革新在轨和地面处置惩罚平台之间的数据存留和任务迁移计谋。NDSA星座包罗由在轨和地面BMC3盘算机软硬件控制和治理的一组异构节点。

星座节点的软硬件能力可能相差很大。在轨节点的尺寸、重量、功率(SWaP)、盘算资源和通信带宽都很有限。节点之间的数据速率可能低于地面数据中心之间的数据速率。

节点之间的毗连可能是断断续续的。因此,软件平台需要分区并容忍数据丢失。

BMC3层开发的恒久愿景是使态势感知、作战决议支持和指挥官决议执行不再是时敏杀伤链的主要延迟因素。理想情况下,执行给定杀伤链所需的时间应该完全由指挥官授权武器释放所需的时间和武器的锁定时间来决议。美军认为,韧性、天基传感、数据传输和BMC3是实现这一愿景的手段。

为了实现这一愿景,需要提升星座自主水平,同时淘汰对地面系统的依赖,为作战计划任务提供更多支持并实现更高水平的自动化。这意味着,以往大多数在地面上执行的功效需要逐步迁移到太空。成熟状态下,NDSA星座需要实现高度自动化和自主性。

而BMC3层将有能力通过一套预先建设的计谋和做法来自主调理资源,并消除任务请求冲突。现在,SDA仍在研究论证“1期”弹道导弹防御系统能力,预计将为星座运行和任务运行寻求地面/太空和以太空为主的混淆解决方案。任务运行可能包罗动态网状网络计划和路由、战术数据链消息集生成、“过顶连续红外(OPIR)”或衍生轨道融合和目的解决方案开发,以及其他BMC3应用的实验测试平台。

03、设计原则与架构BMC3软件的设计和开发遵循合理的架构模式,如此才气针对那些重复泛起的问题提供有效解决方案。其中一些重要设计原则包罗:• 模块化和组件化:组件内部高度内聚,相互松散耦合。接纳容器化微服务反映了基于组件架构的最新生长趋势。

• 基于尺度的接口:尤其是机械-机械应用法式接口,如接纳原语明确界说的“表现状态转移(REST)接口”确保软件组件之间的互操作性,而与实现平台、编程语言和供应商产物无关。• 抽象层:如基础设施即服务(IaaS)/平台即服务(PaaS)/软件即服务(SaaS)。

SDA设想通过IaaS层提供软件界说网络,支持所有系统组件之间基于互联网协议的网络业务。PaaS层则包罗一个“零信任”加密服务网格,可以提供灵活性、可视察性和宁静性。• 解耦应用法式和数据:企业和任务关键型系统正在从“以应用法式为中心”向“以数据为中心”架构转变。

BMC3软件系统的抽象高层体系结构如图2所示。其计划与控制子系统(PCS)执行知识驱动的监控评预计划。图2 BMC3的架构层BMC3任务应用法式/服务是在容器编排平台上运行的通例事情载荷。

这些服务由PCS凭据任务优先级和资源可用性举行实例化和治理。PCS卖力治理所有BMC3应用法式/服务以及底层硬件和软件平台,包罗以下事项:• 监控BMC3应用法式和服务的运行状况和状态(例如故障、软件升级)• 评估应用和服务的有效性和康健状况(例如,融合算法是否有效?)• 凭据用户请求计划任务,确定其优先级,并相应分配资源(例如,为紧迫处置惩罚任务分配更多处置惩罚能力)• 在星座治理方面与其他卫星互助• 保持网络宁静态势,缓解潜在网络威胁(如宁静补丁、入侵检测)从这一意义上说,PCS需要更高水平的掩护和保证(例如,独立硬件和网络界限等)。04、技术挑战美国太空生长局指出了当前开发BMC3层软硬件的一系列关键挑战,包罗:• 实施BMC3功效所需的架构、系统、算法和硬件类型;• 支持能力频繁交付,并通过连续集成、测试和用户反馈降低风险;• 通过基于软硬件的开放架构实现BMC3功效;• 确定所需系统资源的模型、仿真、建模能力或已实现系统,如空间、重量、功耗和散热;• 设计和开发开放架构天基漫衍式同步数据库,包罗节点或网络分段和恢复、确定网络容量(特别是网状网络的网络容量)的模型、仿真或建模能力、资源预计(如处置惩罚能力和带宽);• 多卫星漫衍式动态处置惩罚架构开发方法,包罗平台之间的流程和任务迁移的构建和治理,支持这些功效的硬件、固件和操作系统支持方法,治理在轨平台和地面平台的更新、处置惩罚和任务迁移,以及开发和部署实用算法以融合来自轨道上或在轨/地面混淆架构中的多种传感器类型和传感器数据。• 开发和生长一种宁静的、富于网络韧性的太空系统,特别是思量国家宁静太空领域的新技术或创新技术,如网状网络、人工智能/机械学习、先进在轨重编程、在轨历程/任务迁移以及响应自主性。

• 支持BMC3组件关键系统测试的软硬件在环(HWIL/SWIL)、仿真系统或其他技术和能力,以及将这些能力应用于BMC3奇特的在轨和地基系统。05、采办问题美国太空生长局(SDA)计划将BMC3模块无缝集成到所有“1期”航天器中,无论它们是专用NDSA节点(例如传输层1期卫星)还是NDSA的一些“孝敬节点”(如政府或商业任务同伴的传感卫星)。

对于专用NDSA节点,SDA仍在权衡BMC3的开发模式——是按卫星要求确定BMC3软硬件架构,还是以独立方式获取BMC3的软硬件架构并作为“政府供应装备”提供模块和集成支持,或接纳混淆方案,即一部门指定软硬件架构,另一部门单独采购。根据SDA确定的能力生长基线,战斗治理层将在2020~2021财年开始开发相关的软硬件测试平台(HITL/SITL),测试用于网状网组网的软硬件;在2022~2023财年开始向弹道导弹防御系统(BMDS)的指挥控制战斗治理与通信(C2BMC)系统提供指挥控制消息,通过战术数据链提供超视距瞄准支持;在2024~2025财年通过传统战术数据链向90%列装武器系统提供数据。

06、任务特定应用原型BMC3层将整合NDSA中的所有功效层,为作战人员提供缓解威胁和闭环时敏杀伤链的能力。所有NDSA卫星将在开放系统互连模型的物理层、数据链路层和网络层实现互操作。

BMC3硬件模块将驻留在每一颗卫星上,使用软件应用法式来指导种种高级功效、维护共用作战图像、处置惩罚时敏数据并提供与地面的应用层接口。它还使用“传输层”提供的在轨网状网络和战术通信能力将数据和情报传输到其他空中、太空、海上和地面节点。在轨BMC3模块中的软件应用法式需要应对威胁的不停变化、海量数据,以及日益加速的运行速度。美军希望最大水平实现在轨盘算,并使用在轨软件更新修复毛病,为作战人员增加新能力。

新型卫星为此提供了机缘,可以将星载处置惩罚更新到最新的尖端性能。使用模块化和开放式架构以及尺度软件开发工具包,还可以加速软件革新时间表,降低用度和庞大性。整个架构将建设在网络和信息保障的坚实基础上,可以确保在轨网状网络和软件应用的宁静。

思量到BMC3的整体愿景,美国太空生长局正在使用“任务特定应用原型(MSAP)”在羁系层、导航层和跟踪层开发软件原型。原型将有助于更好地权衡地面和轨道处置惩罚之间的关系。某种特定能力可能完全由在轨BMC3模块提供,也可能需要地面单元提供增补。

向在轨BMC3模块能力迁移将是一个迭代历程,其时间线将由任务优先级和军事效用、技术可行性和成本效益决议。BMC3体系结构仍在开发中,因此MSAP的重点将是原型演示,而不是针对详细目的架构的详细实现。

美国太空生长局计划建立一种尺度的BMC3软件开发情况和软件开发工具包,用于最终开发星载太空航行器应用法式(SVA),但它们要到2021财年年底才气推出。现在的原型开发将在2021财年竣事,因此发生的代码/算法将在地面开发情况中演示。一旦BMC3开发情况和SDK可用,就可以将开发原型的成熟部门移植到航行BMC3模块,在0期或1期内举行轨道测试。

原型是与硬件无关的,并将对专有接口的依赖降到最低,以便简化原型的任何进一步开发。6.1、羁系层(1)羁系层任务羁系层将保持对发射时敏目的的跟踪,并保持足够的置信度和质量,以便能够在作战相关时间表内建立从传感器到作战人员的火力解决方案。随着自动化水平的提高,时间表可以进一步缩短。

羁系层可以为作战人员提供特定感兴趣区域(AOI)或待跟踪目的的数据。羁系层并不开发和部署自己的星载传感能力,而是与天基战术卫星能力(也称“羁系传感器任务互助同伴”)协调互助。

羁系层还将开发软件来融合相关多情报源数据,以实现火力解决方案(称为“羁系应用”)。多情报源数据有助于改善目的识别正确率,提高地理定位准确性,或识别单个传感器或个体现象中不易发现的紧迫特征。软件最初在地面执行,但最终可能会迁移到与BMC3架构一致且兼容的结构中。

对于现在正在举行的0期开发与演示运动,美国太空生长局(SDA)将与具有融合多情报源数据能力的国家和战术组织互助(称为“羁系数据融合互助同伴”)。例如,SDA正在与卖力信息优势的水师作战部门(DCNO N2N6)讨论一项协议,互助推进“水师综合火力单元(NIFE)”的开发和运行。(2)羁系层架构羁系层将依靠传输层在全球规模内为作战人员平台提供韧性低延迟毗连。传输层高容量交链将为任务互助同伴传输数据提供支持,用于批量数据分发或数据融合。

融合应用将位于NDSA卫星上的BMC3模块内。BMC3模块将为羁系应用法式执行和星间数据流治理提供焦点应用法式治理、通信以及毗连。

羁系层将在太空和地面运行。地基融合将涉及更多盘算麋集型应用,而星载应用将获得简化并提供自动化操作。融合算法笼罩了从子工具数据评估(0级)到人类互动(5级)。

• 0级融合:子工具数据评估,通过基于像素/信号水平数据相关与特征化,对信号/工具可观察状态举行估算与预测,也称为源预处置惩罚• 1级融合:工具评估,包罗工具识别,即基于观察轨迹相关的实体状态举行估算与预测,以及一连状态估算(如动力学)与离散状态估算(如目的类型与ID)• 2级融合:态势/行为评估:实体间关系的估算与预测,包罗队伍结构与跨队伍关系,通信与感知影响、物理情况等。• 3级融合:影响评估:对计划态势效果的估算或预测,或者到场者估算/预测的行动,包罗多个到场者行动计划之间的交互(如凭据计划行动评估,预计或预测威胁行动的可疑性与懦弱性)• 4级融合:历程细化,自适应数据捕捉与处置惩罚,支持任务目的• 5级融合:用户再细化(或认知细化):此为新加入项,用于支持融合历程中的人类交互。算法将在地面上举行训练,以到达特定的检测概率和虚警率或准确度。

一旦算法训练效果获得验证,就可以上传到太空节点。当执行数据融适时,如果置信度和/或质量不足以支持战术边缘火力解决方案,将重新评估满足度甚至提倡新的数据请求,提示可用数据和所需数据,建立收集请求或会见其他更多数据源。

BMC3将通过传输层与互助同伴星座接口,发送请求,并凭据其他优先级对请求举行裁决,请求建立融合解决方案所需的分外数据。最终,羁系层应用法式将生成火力解决方案或提示/线索,并分发给战术边缘(3)羁系层原型重点领域羁系层将在2023财年通过“0期极点”开发和展示其恒久愿景的各项功效。最初的重点将放在原型多情报源融合软件应用上。同时,美国太空生长局将与美国水师互助,将水师综合火力单元(NIFE)”的地基融合能力集成到NDSA中,使用传输层将火力解决方案低延迟分发到战术边缘。

在“0期极点”期间,羁系层将传感器任务互助同伴数据从地面终端通报数据,完成地面处置惩罚和融合,建立火力解决方案并通过Link 16分发到战术边缘。2018年8月,“水师综合火力单元(NIFE)”投入使用,这标志着一种新型高端作战能力的生成。

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而这种能力是通过情报专业知识、战争学科和技术的新颖整合而实现的。最初,开端作战能力NIFE的任务是支持每周5天、天天8小时运行,而且一次只卖力一个责任区。

随着NIFE的成熟和能力的提高,其奇特的跟踪和瞄准能力变得极为突出,美国国防部要求NIFE扩展到满足24×7全天候支持多责任区和多域作战指挥官和盟军作战。现在,多责任区支持正在举行中。NIFE还在与MTCE(目的验证和任务支持的多域实时资源)互助。

这种能力正在真实世界中支持美国水师、美国水师陆战队、美国海岸警卫队,包罗其现场训练和集成。在项目0期,主要事情偏重于将N2N6/NIFE能力集成到国防太空架构中,而目的能力包罗特定任务处置惩罚、算法以及测试和评估应用。因此,SDA需要一种端对端羁系层任务解决方案,开发能够编码到小型卫星星载处置惩罚器上的算法,以便分阶段演示羁系层功效。

“端对端”指开发基于软件的多情报源融合模型/算法所需的全部运动,该模型/算法将在全天候和足够短的时间内保持对目的的跟踪,以支持地理定位和跟踪,从而实现一种具备武器质量的火力解决方案,包罗:• 模型/算法的界说,以及融合效果对特定武器系统的适用性/适用性• 将融合能力原型化并部署到地基平台上——这将增加NIFE的价值;开发端对端作战观点,将原型转换为天基应用,并最终转换为最佳运行设置。• 模型/算法的验证和确认;识别、收集、存储和交付模型训练数据;多情报源融合传感器数据源的近实时毗连;在条约方提供的软件开发情况中训练模型;预测算法行为和演示能力的建模和仿真能力。

• 建立融合监视器。• 提示能力:用于获取分外数据,以改善地理定位并实现目的定位解决方案。6.2、导航层(1)导航层任务美国太空生长局需要准确相识每颗NDSA卫星的位置、导航和授时(PNT)。

PNT数据将用于支持卫星运行,包罗为种种有效载荷提供支撑。在项目0期,PNT服务将由星载全球定位系统(GPS)吸收机支持。

而为了支持任务的稳健性,SDA将举行试验,在GPS拒止情况中长时间执行项目0期的任务操作。(2)导航层架构导航层需要一种先进的软件架构,能够联合多源输入,并确保生成鲁棒的PNT解决方案。当GPS服务可用时,它是PNT的主要泉源。此外,平台星载系统(如惯性导航系统、恒星跟踪器和时钟)也将提供分外的资助。

平台交链有望通过间歇性空间测距在SDA卫星之间提供准确、持久的相对测距/授时信息。在GPS拒止情况中,交链丈量是长时间运行的关键。SDA卫星交链要求准确相识卫星位置、速度和时间(PVT)以及相对于SDA星座其余部门的方位,以确保链路闭合。

PVT预测服务将包罗在SDA PNT架构基线中。这些高精度PVT预测将包罗在卫星和地面终端之间交流的交链数据中。(3)导航层重点领域导航层正在为综合卫星PNT算法、接口控制文档和相关作战观点寻求导航层解决方案。原型算法最初将在地面执行,但最终可能会迁移到与BMC3架构一致和兼容的结构中。

SDA希望解决方案能涵盖PNT测定软件应用的开发、平台数据接口控制文件以及所有处置惩罚和PNT相关数据分发。SDA还计划使用星间光学链路(OISL)在星座所有卫星之间交流高速数据并举行测距和授时。

OISL能够毗连到光学对地终端,也可以提供距离/时间估算。同时,SDA还计划使用射频交链作为备用。这两种交链技术都有望发生高质量的单向/双向星间距离/时间丈量。

导航层的“轨道和时钟确定应用法式(OCDA)”可处置惩罚来自种种PNT源的输入,如GPS、惯性导航系统、星跟踪器、时钟,以及最关键的卫星交链测距和授时丈量。而如果GPS观察不行用或不行信,OCDA也能够运行,例如通过天-地丈量可以提供世界协调时参考以及WGS84丈量坐标(保持星座与地球外貌联系)。实际上,ODCA在0期演示时很大水平上可能依靠使用地面盘算设施对数据举行后处置惩罚。地面模拟是演示完整传输层星座性能和运行观点的重要工具。

SDA正在推进一种可互操作的跟踪层星座。该星座将提供交链测距。

从PNT的角度来看,传输层和跟踪层星座可能会在统一的PNT架构下运行。运行观点可以界说如何划分任务处置惩罚、OCDA数据请求以及每个平台之间和内部的通信接口尺度,并提出支持OCDA应用所需的所有PNT源信息的数据治理解决方案。凭据有效载荷的需要,每个平台有效载荷系统可以使用差别预测距离(从分钟到天)的OCDA数据。这些数据还将提供应地面卫星星座治理,并支持特殊分析。

6.3、跟踪层(1)跟踪层任务跟踪层将提供先进导弹威胁的全球指示、警告和跟踪,包罗高明音速导弹系统。跟踪层开发现在集中在两个项目上:一是宽视场项目(WFOV),重点关注在低地球轨道星座上举行扩展所需的技术;另一个是中视场项目(MFOV),重点关注提高性能所需的技术。WFOV卫星计划在2022财年后期投入使用,MFOV卫星计划在2023财年中期投入使用;这两组卫星将为指挥控制和运行提供增补任务数据。(2)跟踪层架构WFOV跟踪星座卫星将包罗一个BMC3模块,可支持一系列关键任务功效,包罗传感器数据处置惩罚、多卫星数据融合、建立3D轨迹,以及跟踪卫星任务和调理。

BMC3模块还将演示有效载荷数据的星载处置惩罚和融合。后期,预计BMC3模块将提供更多功效,如增强星载处置惩罚、联网和自主星座治理。所有测控、PNT、航天器交链和其他有效载荷数据都可能用于BMC3模块。

(3)跟踪层重点领域跟踪层的基本要求是由跟踪卫星生成目的瞄准信息(OSM),通过传输层通报给导弹防御局(MDA)的C2BMC(指挥控制、战斗治理和通信),并返回。而最终目的则是由跟踪层卫星生成的信息通报给跟踪层或传输层的BMC3模块,与其他跟踪层卫星的数据融合形成完整的3D轨迹,并通过传输层直接通报给战区用户终端。多传感器数据融合包罗合成来自传感器的经由处置惩罚或最低限度处置惩罚的数据,并确定目的3D地理位置。针对在轨传感器调理和任务分配提出的软件解决方案,在处置惩罚来自多颗性能水平差别的卫星的跟踪数据时,应思量数据质量。

例如,凭据视角优化以及太阳传感器和信号噪声比,可以确定最适合特定任务的跟踪卫星。当全球笼罩规模不行用时,任务分配应用法式应确定并向跟踪卫星提供预测数据质量评估,以便为给定地理区域(如美国本土)的优化星座笼罩规模。07、结语美军倾力打造的国防太空架构(NDSA)是一种“威胁驱动”型太空架构,战斗治理层(BMC3)层则旨在将那些原本在地面完成的战斗治理、指挥控制和通信功效迁移到太空,从而大幅提升美军对新兴威胁的响应能力。可以预见,美军将着力推进BMC3层建设,加速打造基于扩散型LEO星座的空间作战能力。


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