柳 罡，陸 洲，胡金暉，仇林遙，周 彬

(1.中國電子科學(xué)研究院，北京 100041；2. 中電科新型智慧城市研究院有限公司，深圳 518033)

0 引 言

我國現(xiàn)擁有各類在軌衛(wèi)星一百多顆，涵蓋了資源、環(huán)境、海洋、陸地、氣象、測繪、水文、通信中繼、導(dǎo)航定位等領(lǐng)域。已經(jīng)建成初具規(guī)模的天基信息獲取網(wǎng)、天基信息通信網(wǎng)、時空基準(zhǔn)網(wǎng)和航天地面應(yīng)用系統(tǒng)。但目前基本采用的是“單星單系統(tǒng)”的體制，不同類型的天基系統(tǒng)之間尚未組網(wǎng)，存在資源使用效率相對較低、數(shù)據(jù)共享困難、信息支援不及時等問題，制約了整個天基信息系統(tǒng)資源效能的發(fā)揮。亟需利用技術(shù)手段建立統(tǒng)一的體系服務(wù)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的互聯(lián)互通、資源的按需聚合和服務(wù)。云計算系統(tǒng)以其良好的可擴(kuò)展性、高可靠性和高可用性，可為提升空間信息服務(wù)系統(tǒng)的服務(wù)能力提供了強(qiáng)大的技術(shù)支撐。在云計算中，軟件和硬件都被抽象化為資源形態(tài)，并且封裝成服務(wù)形式對外提供服務(wù)，不論終端是哪一種設(shè)備，都可以透過網(wǎng)絡(luò)以即需即取的方式獲取服務(wù)，而無須關(guān)注其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及運(yùn)行模式[1]。云計算技術(shù)的出現(xiàn)為空間信息服務(wù)的實(shí)現(xiàn)提供了一種新的技術(shù)架構(gòu)構(gòu)建思路。

1 天基信息服務(wù)發(fā)展現(xiàn)狀及問題

在天基信息服務(wù)方面，美國保持全面領(lǐng)先，其天基信息服務(wù)能力得益于頂層的規(guī)劃整合以及強(qiáng)大網(wǎng)絡(luò)能力支撐，形成了面向任務(wù)、按需調(diào)配、全球服務(wù)的天基信息應(yīng)用服務(wù)體系，例如典型的全球信息柵格(Global Information Grid，GIG)[2]、國防情報信息體系(Defense Intelligence Information Enterprise，DI2E)。另一方面，隨著大數(shù)據(jù)、云計算等新技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)與信息服務(wù)正融為一體，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了信息有效的流動、共享和融合，提供了按需定制、個性化以及快速響應(yīng)的服務(wù)能力，典型的如美軍的分布式通用地面系統(tǒng)(Distributed Common Ground/Surface System，DCGS)[3]、美地球觀測地面網(wǎng)等。

我國經(jīng)過幾十年的建設(shè)發(fā)展，初步建立了以部門專業(yè)應(yīng)用為主要目標(biāo)的天基信息獲取、傳輸、處理和應(yīng)用系統(tǒng),如高分對地觀測系統(tǒng)、氣象、海洋、資源觀測系統(tǒng)等[4-5]，積累了海量的信息資源，但這些系統(tǒng)分布于不同的地區(qū)，分別隸屬于不同的管理機(jī)構(gòu)，信息格式異構(gòu)，共享困難，利用率較低。而且存在開發(fā)平臺各異，缺少統(tǒng)一的規(guī)范的問題，即使用戶獲得了天基數(shù)據(jù)，也因缺少相應(yīng)的高性能計算資源和信息處理算法而難以得到高效的應(yīng)用。

2 天基信息應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)建設(shè)思路

(1)整合天基信息異構(gòu)資源，發(fā)揮天基信息系統(tǒng)整體優(yōu)勢。

面對廣域分布、復(fù)雜異構(gòu)、功能多樣的天基信息資源，天基信息應(yīng)用服務(wù)體系要通過天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)將各種資源實(shí)現(xiàn)無縫鏈接[6]，消除信息孤島，充分利用云計算、大數(shù)據(jù)技術(shù)，對異構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行集成，整合各類異構(gòu)資源，發(fā)揮天基信息系統(tǒng)的整體優(yōu)勢，為用戶提供增值服務(wù)。

(2)實(shí)現(xiàn)服務(wù)資源按需共享與協(xié)同，提高天基信息服務(wù)效率。

采用分布式云數(shù)據(jù)中心的理念[7]，通過資源虛擬整合和服務(wù)封裝的方式，把分散在不同地理位置的天基信息資源映射成一個具有標(biāo)準(zhǔn)接口的服務(wù)集合[8]，采用資源虛擬化及中間件技術(shù)，屏蔽底層資源的異構(gòu)性和分布性，通過統(tǒng)一的資源管理、服務(wù)發(fā)布、信息交互等方式，實(shí)現(xiàn)各種服務(wù)資源的按需共享[9]。通過主動服務(wù)、個性化服務(wù)、服務(wù)內(nèi)容定制、服務(wù)模式組合等多種方式[10]，使用戶獲得權(quán)限內(nèi)滿足個性化需求的多類服務(wù)資源，實(shí)現(xiàn)服務(wù)資源的共享與協(xié)同。

(3)增強(qiáng)系統(tǒng)的動態(tài)性和開放性，實(shí)現(xiàn)天基信息服務(wù)資源的即插即用。

天基信息應(yīng)用服務(wù)體系要能提供統(tǒng)一的用戶管理、界面管理、資源管理、流程管理等，使用戶方便地通過門戶節(jié)點(diǎn)或者終端請求、訪問和應(yīng)用權(quán)限內(nèi)的服務(wù)，通過統(tǒng)一的界面標(biāo)準(zhǔn)、服務(wù)接口標(biāo)準(zhǔn)、信息交互標(biāo)準(zhǔn)等，服務(wù)資源可以方便的接入、移出和應(yīng)用，在服務(wù)資源和對象發(fā)生損毀時，可以隨時增補(bǔ)，增強(qiáng)系統(tǒng)的動態(tài)性和開放性，實(shí)現(xiàn)服務(wù)資源的即插即用，適應(yīng)未來資源和用戶的動態(tài)變化。

3 基于云架構(gòu)的天基信息應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)總體設(shè)計

天基信息應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)針對天基信息資源充分共享和高效綜合利用的問題，利用云計算、大數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)資源虛擬化等新技術(shù)，整合異構(gòu)的天基信息資源，構(gòu)建分布式的天基信息應(yīng)用服務(wù)云平臺，將天基信息系統(tǒng)的信息資源、網(wǎng)絡(luò)資源、計算資源虛擬化，支撐資源全局虛擬整合、軟件靈活重組、彈性動態(tài)擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)天基信息資源統(tǒng)一管理和信息共享服務(wù)。

3.1 能力視圖

面向不同的用戶，天基信息應(yīng)用服務(wù)體系需要提供不同的能力。面向資源提供者，需提供資源接入與分配管理支持；面向系統(tǒng)管理者，需提供用戶、信息服務(wù)和其它各類資源的運(yùn)行維護(hù)與安全防護(hù)支持；面向信息服務(wù)的使用者，需提供信息按需服務(wù)、系統(tǒng)快速構(gòu)建、數(shù)據(jù)綜合利用支持。天基信息應(yīng)用服務(wù)體系能力劃分如圖1所示。

圖1 能力視圖

其中，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)資源管理能力支持異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)配、自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)資源管理、多維網(wǎng)絡(luò)資源協(xié)同規(guī)劃等能力，實(shí)現(xiàn)天基網(wǎng)絡(luò)資源有效共享與高效服務(wù)。

資源隨遇接入能力能夠支持陸地觀測衛(wèi)星、海洋觀測衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星、成像衛(wèi)星等衛(wèi)星資源以及各類情報、信息處理系統(tǒng)和用戶終端的無縫接入。

資源按需共享能力支持在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下通過信息服務(wù)機(jī)制，為用戶提供天基信息服務(wù)所需的物理計算與存儲資源、數(shù)據(jù)資源、軟件資源、信息資源，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化的資源匯集與跨域共享。

信息融合處理能力支持電子探測信息融合、電子信號與通信信號信息融合、各類成像信息融合、電子信號與成像信息融合等多類型情報的融合，以及目標(biāo)關(guān)聯(lián)、影像產(chǎn)品關(guān)聯(lián)、知識數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、地理定位關(guān)聯(lián)等情報關(guān)聯(lián)挖掘。

系統(tǒng)快速重建能力支持在無設(shè)施無軟件的條件下，借助自組織資源和系統(tǒng)模板快速創(chuàng)建可運(yùn)行的應(yīng)用系統(tǒng)；支持資源不足條件下，快速調(diào)度并補(bǔ)充資源；支持在軟件、硬件設(shè)施故障和損毀的條件下，靈活的定位故障、發(fā)現(xiàn)并調(diào)度替代資源，實(shí)現(xiàn)任務(wù)快速接替。

大規(guī)模計算與存儲能力支持實(shí)現(xiàn)海量結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、環(huán)境、電磁、人文地理等數(shù)據(jù)的建模、收集、存儲、分析、挖掘，支持離線和實(shí)時分布式存儲與計算，為實(shí)現(xiàn)陸?？仗鞌?shù)據(jù)的組織管理與深入解析奠定基礎(chǔ)。

運(yùn)維與安防能力支持通過制定統(tǒng)一的運(yùn)維和安全策略，集成、應(yīng)用相應(yīng)的運(yùn)維/安保手段，為各類信息資源提供多級安全保障和運(yùn)行監(jiān)控支持。

時空統(tǒng)一能力支持建立與保持自主時間參考標(biāo)準(zhǔn)和空間參考標(biāo)準(zhǔn)，為陸、海、空、天用戶提供標(biāo)準(zhǔn)時間頻率和定位導(dǎo)航服務(wù)，達(dá)到保證應(yīng)用場景全局態(tài)勢一致性、實(shí)施聯(lián)合行動及提升聯(lián)合行動效能的目的。

3.2 系統(tǒng)視圖

3.2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于分布式云數(shù)據(jù)中心的設(shè)計理念，構(gòu)建如圖2所示的天基信息應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)，形成“天基信息應(yīng)用服務(wù)云系統(tǒng)”實(shí)現(xiàn)天地一體的網(wǎng)絡(luò)資源統(tǒng)一管理和天基信息融合共享；采用按需隨遇接入的應(yīng)用終端，向各類用戶提供各類空間信息產(chǎn)品和服務(wù)。

在基礎(chǔ)設(shè)施方面，通過SDN技術(shù)將分散的服務(wù)節(jié)點(diǎn)連接成“物理分布，邏輯統(tǒng)一”的分布式云平臺，通過總控中心和服務(wù)節(jié)點(diǎn)的資源虛擬化，為求者提供透明、自適應(yīng)的最優(yōu)化資源利用、調(diào)度和全方位管理，實(shí)現(xiàn)各信息港自治基礎(chǔ)上的虛擬整合、協(xié)同服務(wù)、靈活擴(kuò)展、互為備份、容災(zāi)抗毀。

在資源共享方面，用戶能夠借助天基信息應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)提供的資源接口和人機(jī)交互界面，提交資源需求，按權(quán)按需共享各自的信息產(chǎn)品、模型算法等資源。此外，針對用戶特殊需求，提供天基信息產(chǎn)品在線定制服務(wù)，滿足不同用戶、不同區(qū)域、不同行業(yè)、不同專題的多元化、深層次產(chǎn)品和服務(wù)的應(yīng)用。

在綜合應(yīng)用方面，依托海量數(shù)據(jù)共享，借助數(shù)據(jù)云服務(wù)平臺提供的機(jī)器學(xué)習(xí)、統(tǒng)計分析等數(shù)據(jù)分析挖掘模型和分布式計算資源，承載各類數(shù)據(jù)的處理和應(yīng)用，用戶可擴(kuò)展自身計算能力和分析能力，構(gòu)建、訓(xùn)練跨領(lǐng)域融合的綜合應(yīng)用模型，實(shí)施海量數(shù)據(jù)的清洗、分析、挖掘，從而創(chuàng)新行業(yè)應(yīng)用，推動天基信息產(chǎn)品在重大行業(yè)的公開共享和快速增值。

3.2.2 系統(tǒng)組成

天基信息應(yīng)用服務(wù)云平臺包括主要包括云基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)據(jù)存儲與管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)、全局支撐服務(wù)系統(tǒng)、業(yè)務(wù)應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)、安全保密系統(tǒng)、運(yùn)維管理系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)與通信服務(wù)系統(tǒng)組成，如圖3所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖3 天基信息應(yīng)用服務(wù)云平臺組成示意圖

(1) 云基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)

云基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)主要依托存儲、計算、網(wǎng)絡(luò)、天線等物理設(shè)備，通過云計算平臺，整合形成統(tǒng)一資源池，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化計算與存儲環(huán)境的統(tǒng)一管理，提供彈性計算服務(wù)、云存儲服務(wù)等對外服務(wù)能力，為各類服務(wù)資源、數(shù)據(jù)資源的共享提供基礎(chǔ)環(huán)境支撐。

(2) 數(shù)據(jù)存儲管理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)存儲與管理處理系統(tǒng)是管理和維護(hù)各種數(shù)據(jù)庫的平臺，通過建立信息產(chǎn)品索引數(shù)據(jù)倉庫，形成統(tǒng)一的、多主體、多時空、多尺度的標(biāo)準(zhǔn)及專題信息分布式存儲體系，并提供長期、靈活、快速的分析工具支撐和保障，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)分析計算任務(wù)的快速個性化支持。

(3) 數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)

面向空、天、地、電各類信息，根據(jù)數(shù)據(jù)的不同類型，完成各類數(shù)據(jù)的通用基礎(chǔ)處理，形成符合要求的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品，為后續(xù)行業(yè)和綜合應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。同時，根據(jù)軍民用戶的專業(yè)化產(chǎn)品需求，對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行深層次專業(yè)化處理，形成滿足用戶需要的專題產(chǎn)品。

(4) 全局支撐服務(wù)系統(tǒng)

全局支撐服務(wù)系統(tǒng)是支撐天基信息應(yīng)用服務(wù)網(wǎng)絡(luò)化構(gòu)建和運(yùn)行的底層軟件，通過支持資源的服務(wù)化封裝、發(fā)布注冊、按需檢索、狀態(tài)監(jiān)視以及分配調(diào)度，使分布在網(wǎng)絡(luò)上的各類資源能夠以服務(wù)化的方式組織和共享，實(shí)現(xiàn)資源使用者與資源提供者之間的解耦。

(5) 業(yè)務(wù)應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)

面向軍事領(lǐng)域，主要提供情報處理、軍事測繪、氣象水文、電子對抗專業(yè)處理、預(yù)警探測等業(yè)務(wù)的應(yīng)用軟件；面向民用領(lǐng)域，主要提供政務(wù)、農(nóng)業(yè)、國土資源、環(huán)保交通等業(yè)務(wù)的應(yīng)用軟件；形成一系列專業(yè)共性處理功能和二次開發(fā)擴(kuò)展接口，具備各類業(yè)務(wù)應(yīng)用的靈活擴(kuò)展能力；提供服務(wù)接口，方便最終用戶使用，并可按照業(yè)務(wù)需求拓展研制更多應(yīng)用。

(6) 安全保密系統(tǒng)

安全保密系統(tǒng)旨在從物理層安全、系統(tǒng)層安全、網(wǎng)絡(luò)層安全、應(yīng)用層安全、安全管理5個層次為天基信息應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)提供全方位的、整體的安全防護(hù)體系。為資源層、服務(wù)層及應(yīng)用層提供統(tǒng)一的安全保密手段，保障系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息安全，有效保證作戰(zhàn)信息的收集、處理、傳輸、分發(fā)過程的安全可靠。

(7) 運(yùn)維管理系統(tǒng)

運(yùn)維管理系統(tǒng)是保證天基信息應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)正常運(yùn)行的后臺支撐與管理系統(tǒng)，主要通過對系統(tǒng)內(nèi)的IT資源實(shí)行全天候、全方位的集中管理和實(shí)時監(jiān)控，準(zhǔn)確掌握設(shè)備和應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)的運(yùn)行和使用狀況，最大化地減少故障，提升服務(wù)運(yùn)行的可靠性、可用性和連續(xù)性。

(8) 網(wǎng)絡(luò)與通信服務(wù)系統(tǒng)

依托天基信息應(yīng)用服務(wù)云平臺，網(wǎng)絡(luò)與通信服務(wù)系統(tǒng)為不同用戶按需分配網(wǎng)絡(luò)資源，提供衛(wèi)星固定通信、衛(wèi)星移動通信、衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)、衛(wèi)星廣播服務(wù)等傳統(tǒng)服務(wù)以及衛(wèi)星專網(wǎng)、系統(tǒng)集成等綜合服務(wù)。

3.3 技術(shù)視圖

天地信息應(yīng)用服務(wù)云平臺采用面向服務(wù)的體系架構(gòu)(SOA)，在技術(shù)上擬采用“三橫兩縱”技術(shù)架構(gòu)，即基礎(chǔ)設(shè)施層、通用功能層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層三個層次，以及運(yùn)維管理系統(tǒng)、信息安全系統(tǒng)，如圖4所示。

(a)基礎(chǔ)設(shè)施層

主要基于云計算架構(gòu)負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)分布式計算/存儲集群的集中管理與調(diào)度功能，主要包括計算/存儲/網(wǎng)絡(luò)等設(shè)備，利用資源虛擬化技術(shù)按需提供彈性計算、云存儲、軟件定義網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)能力。

(b)通用功能層

通用功能層由數(shù)據(jù)資源、大數(shù)據(jù)平臺、數(shù)據(jù)通用處理、網(wǎng)絡(luò)與通信四個子層構(gòu)成，主要完成空、天、地、電各類信息的收集、大數(shù)據(jù)處理、信息分類等，并通過網(wǎng)絡(luò)與通信服務(wù)實(shí)現(xiàn)信息的有效共享。

(c)業(yè)務(wù)應(yīng)用層

業(yè)務(wù)應(yīng)用層由專業(yè)/綜合處理、應(yīng)用系統(tǒng)和服務(wù)運(yùn)營三個子層構(gòu)成，主要根據(jù)各類用戶的不同需求，完成多種產(chǎn)品的生產(chǎn)，以及為各類用戶提供定制、推送等各項服務(wù)。

(d) 運(yùn)維管理

運(yùn)維管理系統(tǒng)采用先進(jìn)的模塊化軟件體系架構(gòu)、層次化設(shè)計路線、插件式基礎(chǔ)架構(gòu)從運(yùn)維、運(yùn)行、運(yùn)用三個層面全方位實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)管理的各種功能。

(e) 信息安全

信息安全系統(tǒng)針對大規(guī)模數(shù)據(jù)安全防御需求，建立以云計算、大數(shù)據(jù)為核心，覆蓋物理安全、系統(tǒng)安全、網(wǎng)絡(luò)安全、應(yīng)用安全多層級，“云+端+邊界”全方位的安全防護(hù)體系，實(shí)現(xiàn)縱深聯(lián)動防御體系。

圖4 天基信息應(yīng)用服務(wù)云平臺技術(shù)架構(gòu)

3.4 服務(wù)視圖

采用“云、管、端”的方式，“云”是指天基信息應(yīng)用服務(wù)云，“管”是指天基傳輸網(wǎng)和地面柵格網(wǎng)，“端”是指各類綜合應(yīng)用終端或APP，天基信息應(yīng)用服務(wù)云平臺提供四大類云服務(wù)，如圖5所示：

圖5 天基信息服務(wù)云服務(wù)視圖

DaaS:面向授權(quán)的用戶統(tǒng)一提供所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)/產(chǎn)品，讓授權(quán)用戶更便捷高效地獲取數(shù)據(jù)。

IaaS: 為各類軍民用戶提供計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)資源，支撐各自空間數(shù)據(jù)應(yīng)用業(yè)務(wù)IT設(shè)施的靈活快速搭建。

PaaS：面向各類用戶提供空間數(shù)據(jù)應(yīng)用的開發(fā)/測試/部署和應(yīng)用的平臺環(huán)境，支撐地理環(huán)境、氣象水文、電磁頻譜、遙感成像、導(dǎo)航定位授時等專業(yè)天基信息處理及服務(wù)。

SaaS：向用戶提供各類在線業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)。應(yīng)用程序集中部署在服務(wù)器上，用戶通過客戶端軟件來獲取服務(wù)器中的資源，實(shí)現(xiàn)終端用戶高效、快捷、安全、方便地訪問各類應(yīng)用軟件。

4 結(jié) 語

本文依托云計算技術(shù)，提出了天基信息應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)構(gòu)想，采用多視圖理論方法，從系統(tǒng)能力、系統(tǒng)架構(gòu)、技術(shù)架構(gòu)、服務(wù)模式等方面開展了基于云架構(gòu)的天基信息應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)總體設(shè)計。研究成果具有一定先進(jìn)性和實(shí)用性，為開展各類天基信息建設(shè)提供設(shè)計參考，為踐行天基信息服務(wù)建設(shè)提供支持，具有較強(qiáng)的應(yīng)用指導(dǎo)意義。