張舒琪 楊宏 易予生

(北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

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

傳統(tǒng)意義上的信息技術是指通過科學合理的手段與方法及硬件軟件方面的支持，對圖像、聲音、文字等信息進行分析處理及存儲加工[1]。該定義強調的是信息技術的現(xiàn)代化與高科技含量，而物聯(lián)網和云計算在現(xiàn)階段代表了先進信息技術的最新形式及方向。根據中國物聯(lián)網校企聯(lián)盟的定義，物聯(lián)網是綜合布線技術、網絡通信技術、信息傳感技術、音視頻技術等大量信息技術的結合，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)形式與應用模式[2]。

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

目前，我國開展了多項大型航天任務，如載人空間站、月球探測、載人登月等，這將對航天信息技術的發(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發(fā)展的基礎上，根據我國載人空間站任務，提出了未來載人航天器信息技術需求，分析了物聯(lián)網、云計算等先進信息技術在載人航天任務中應用的可行性，最后結合實際對未來我國載人航天信息技術的應用與發(fā)展進行探討。

1 載人航天器信息系統(tǒng)發(fā)展及特點

我國載人航天工程經歷了從無到有、從弱到強的發(fā)展歷程，信息系統(tǒng)設計也不斷升級擴展，逐步走向成熟，實現(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算機、分布式智能終端及總線為核心的船載信息系統(tǒng)，采用三機表決的船載計算機、雙冗余度1553B總線、應急數(shù)據存儲等設計方案，能實現(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)

在天宮二號空間實驗室、天舟一號貨運飛船上應用的第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)設計。采用航天器多用戶、大容量數(shù)據分級管理方法，搭建基于1553B總線的高可靠系統(tǒng)網與基于1394總線和低電壓差分信號(LVDS)協(xié)議的高速載荷網分級管理的數(shù)據管理平臺，實現(xiàn)了遙測數(shù)據、遙控數(shù)據、圖像、話音及載荷數(shù)據的統(tǒng)一管理，實現(xiàn)前返向測控數(shù)據傳輸，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，結合當代信息技術的最新成果，將互聯(lián)網技術應用于空間站系統(tǒng)設計，統(tǒng)一構建了載人空間站信息系統(tǒng)。根據信息種類及數(shù)據量傳輸?shù)牟町愋?，將空間站網絡劃分為系統(tǒng)網、通信網及載荷網，分別執(zhí)行不同的數(shù)據傳輸任務，并通過Wi-Fi協(xié)議實現(xiàn)艙內無線網絡的搭建，其信息系統(tǒng)拓撲結構如圖2所示。單艙模式下各艙網絡獨立運行，同時設置獨立的穿艙網絡，以實現(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、天地一體化高速網絡、航天員信息服務等功能，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)。由于航天任務固有的可靠性要求，與現(xiàn)代先進的信息技術相比，目前的航天信息系統(tǒng)仍相對落后。隨著我國航天技術的發(fā)展，未來在軌航天器數(shù)量大、運行形態(tài)多、在軌時間長、處理能力和通信速率要求高、飛控程序復雜[5]，這些需要信息系統(tǒng)具備更高的整體性能。

2 載人航天器先進信息技術需求

隨著我國航天任務不斷發(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及產品，將其應用于載人航天器中，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

2.1.1 需求分析

載人空間站工程任務階段，航天員長期在軌駐留，良好的艙內環(huán)境設計、人機交互設計、智能終端設計、無線生理參數(shù)檢測設計，可以構建高效、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是計算機技術、信息傳感技術、物聯(lián)網技術、音視頻技術等多項先進技術融合應用的成果，將有關的家居設備集成管理，實現(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”的建造時間較早，受到信息技術發(fā)展的制約，其信息系統(tǒng)主要由光纖分布式數(shù)據接口(FDDI)網絡及1553B總線系統(tǒng)構成，部署及協(xié)議復雜，易出現(xiàn)網絡擁塞現(xiàn)象，并不是智能家居網絡建立的最佳選擇。我國空間站正處于建造階段，空間站通信網和天地一體化網絡的建立為宇航智能家居系統(tǒng)的發(fā)展提供了堅實的基礎。

2.1.2 應用探討

目前，設備運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)議棧實現(xiàn)設備之間的互聯(lián)互通，該協(xié)議規(guī)范了智能家居產品如何與iOS終端連接與通信[7]。HomeKit將家庭作為智能家居設備的集合，一些設備組成場景由終端進行統(tǒng)一控制。蘋果平臺的技術標準、安全性及可靠性高，但是未經授權無法自行開發(fā)兼容HomeKit的應用[8]，無法將其直接應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。依據航天員生活工作的需求，設置娛樂模式、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、攝像頭及機械臂等設備結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品鏈，皆以路由器為整個智能家居系統(tǒng)的核心，能實現(xiàn)設備互聯(lián)及場景聯(lián)動。華為公司提出的HiLink協(xié)議可實現(xiàn)多標準、多協(xié)議之間的轉換，同時支持ZigBee、Wi-Fi及藍牙的設備接入系統(tǒng)，其協(xié)議架構如圖3所示。手機、平板電腦、智能音箱等支持HiLink協(xié)議的終端，可以接入智能網關、智能家居云，并支持通過APP對設備進行遠程控制，也支持設備之間的聯(lián)動控制[9]，其系統(tǒng)架構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)應遵守安全設計原則，平臺遙測、指令等可靠性要求高的數(shù)據使用系統(tǒng)網傳輸，圖像、話音和移動信息服務等數(shù)據使用通信網傳輸，試驗數(shù)據使用載荷網傳輸。其中：系統(tǒng)網與通信網之間的數(shù)據單向傳輸；通信網與載荷網物理上統(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、控制面板等終端對攝像機、食品加熱裝置等設備進行控制，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)議的設計上還需要進一步完善。智能家居系統(tǒng)作為空間站通信網的子網，以以太網與Wi-Fi技術為基礎，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)。結合我國空間站現(xiàn)有通信網結構及功能所形成的智能家居系統(tǒng)架構，如圖4所示。所有設備通過交換機連接到服務器，由服務器完成數(shù)據的處理與存儲，航天員使用手機、平板電腦等無線終端支持Wi-Fi協(xié)議，通過路由器接入網絡對其他設備進行控制，完成智能音視頻、智能顯示報警、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?？刂频雀黜椆δ堋ｋS著航天任務的不斷升級，還會有越來越多的先進產品應用到空間站中，此時Wi-Fi技術的優(yōu)越性便體現(xiàn)出來，支持Wi-Fi協(xié)議的設備不需要重新布線，安裝并登錄到服務器即可。

載人航天器智能家居系統(tǒng)的研制與升級應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，如蘋果公司及華為公司的協(xié)議設計，保持技術的先進性，不同設備間可以兼容、互聯(lián)，技術發(fā)展與民用領域同步，從而保證空間站能夠良好地兼容未來智能家居技術和產品。

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

2.1.3 需要關注的問題

智能家居技術在發(fā)展之初并不是為了用于航天任務，地面的智能家居系統(tǒng)架構及協(xié)議設計并不能直接應用于航天器，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，需要經過一系列的測試改良。因此，在設計階段應明確提出一些關鍵功能，并在其中采用冗余備份設計，如有可能還可采用相同功能異構設計，提高系統(tǒng)可靠性。對于非關鍵功能，考慮到系統(tǒng)代價和研制成本，可靠性要求可適度放寬，但仍要做到故障隔離設計，最大限度地降低影響和風險。在宇航智能家居系統(tǒng)中，服務器承擔著最核心的任務，需要設置備份服務器，以免出現(xiàn)意外導致整個系統(tǒng)癱瘓；另外，智能家居系統(tǒng)的各個頂層交換機與接入交換機也屬于關鍵器件，而在下屬的功能模塊中不影響整站運行及航天員在軌正常生活的功能，如舷窗控制、娛樂休閑等功能設置為非關鍵功能，不需要冗余設計。

2.2 AR技術

2.2.1 需求分析

航天員手控交會對接、出艙活動、應急返回手控操作等任務，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操作指導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險；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，且會面臨通信延時及不在測控區(qū)等由天地通信鏈路造成的問題。

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

2.2.2 應用探討

為了呈現(xiàn)AR技術構建的場景，AR技術的顯示技術主要分為頭戴式、計算機屏幕顯示式、手持式和投影式，結合用戶的沉浸體驗感與操作的便捷性，頭戴式AR眼鏡是最適宜太空應用的一種。我國在飛行員的訓練中已逐步開始應用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是一款可直接單獨使用的AR眼鏡。在基于HoloLens的增強現(xiàn)實識別系統(tǒng)設計中，以HoloLens為客戶端，計算機為服務端，通過IP地址和端口號進行信息傳輸[11]。其中：客戶端的實現(xiàn)步驟為人機交互(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前置攝像頭進行信息采集、從服務器獲取模型并動態(tài)加載及完成空間映射；服務端通過模型打包、獲取樣本數(shù)據集、訓練網絡模型及分析模型識別結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)據報協(xié)議(UDP)進行傳輸。HoloLens對網絡協(xié)議(IP)和UDP的應用與我國空間站通信網所采用的傳輸控制協(xié)議/網絡協(xié)議(TCP/IP)模型符合，因此可考慮將其應用于我國空間站的建造中，作為一個網絡終端通過Wi-Fi連入網絡，同時設置與之匹配的計算機作為服務器，根據用戶需求調用服務器中已存儲好的模型，再通過Hololens的空間映射功能將任務計劃、任務狀態(tài)、工作要求等輔助信息、圖像經過分析計算投放到航天員眼睛前方，在航天員操作的同時可以由地面將輔助信息發(fā)送給AR眼鏡，指導航天員在軌工作。

2.2.3 需要關注的問題

作為一個無線終端加入載人航天器的通信網中，需要注意AR眼鏡是否能夠承受復雜多變的太空環(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)境適應性差，如果使用不當，反而會影響正常的航天任務。因此，在AR眼鏡設計之初,需要對器件進行附加的測試、篩選、評估與維護。商用芯片、軟件往往程序封裝，源碼不可見，無法評測，存在安全風險。在地面測試階段，針對商用產品應增強地面測試手段，提高測試強度和測試用例，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

2.3.1 需求分析

隨著載人航天器信息系統(tǒng)的不斷升級，航天器內的活動空間不斷擴充，設備數(shù)目及其設計的復雜度也在不斷增加。為了減少航天員在軌工作的任務量，讓航天員便捷地對艙內設備隨時隨地進行操作，載人航天器內部設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。觸屏方式已逐漸應用于我國的航天技術中，如我國空間站中的控制面板可對一些設備進行開關等簡單操作，而語音控制方式還未開始應用。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備的主流方式，因此將語音識別技術引入載人航天器的建造勢在必行。

2.3.2 應用探討

語音識別技術是實現(xiàn)語音控制最關鍵的手段，在智能音箱中完成對語音信號的采樣，并且將語音信號進行數(shù)字化處理，轉變?yōu)殡娦盘栠M入語音識別系統(tǒng)。首先，系統(tǒng)對其進行預處理，將信號切割成一個一個的片段，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，將信號進行聲學特征提取，得到一組特征向量，將這組特征向量與存儲于系統(tǒng)中的聲學模型與語言模型進行匹配，根據特定的規(guī)則計算出相應的概率，并選擇盡可能符合特征參數(shù)的結果，即語音識別的文本。最后，將識別出的結果與存儲的指令庫對應，找到符合的指令后發(fā)送給相應的設備。語音模板是根據對樣本不斷進行訓練所提取出來的特征參數(shù)，所以對模型進行訓練是語音識別過程中很關鍵的一點[12]。

智能音箱作為語音交互系統(tǒng)中的一臺設備，是語音識別的媒介，也是航天員訪問艙內設備的入口。它需要包含幾項基本功能：①查詢功能，例如溫度、時間的查詢；②語音喚醒功能，例如蘋果產品通過口令“嘿，Siri”即可進行交互；③控制家電功能，通過口頭的語音轉換為文本指令，實現(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技術連入通信網，完成與其他設備之間的交互。

2.3.3 需要關注的問題

同AR眼鏡在航天器中的應用類似，智能音箱也是作為一個網絡終端存在于系統(tǒng)通信網中，同樣面臨空間環(huán)境的復雜多變問題，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確性?，F(xiàn)階段，地面的商用語音識別技術并不能達到百分之百的準確率，在操作的準確性上低于觸屏方式，因此需要進一步對語音模型進行訓練，設置專屬航天器的語音模型庫，改進語音識別的算法與應用方法，提高語音識別率，增強語音識別的魯棒性[13]。

2.4 云計算技術

2.4.1 需求分析

新一代的載人航天器承擔了大量空間試驗任務，隨之而來的龐大數(shù)據量不僅對天地信息傳輸系統(tǒng)提出挑戰(zhàn)，也對艙上設備的計算能力與存儲能力提出了新的需求。過去的數(shù)據運算分析任務主要由單機設備來執(zhí)行，這對每臺設備的單機性能要求極高，其硬件條件直接決定了系統(tǒng)執(zhí)行指令的效率及運行的速度。同時，為了滿足未來不斷變化的航天任務需求，艙內設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)據計算及存儲模式。

近年來，云計算技術的發(fā)展非常迅猛，它以數(shù)量龐大的服務器集群、容量超大的存儲設備和網絡帶寬等資源為基礎，根據用戶需求進行動態(tài)資源分配來提供信息服務，具有超大規(guī)模、虛擬化、多用戶、高可靠性、高可擴展性等特點。本地計算機作為用戶與“云”進行交互的一個入口，用戶完成所有的信息運算分析不再僅僅依靠本地服務器，而是交遞到“云”中，將大量的計算需求分割，交給大量的服務器共同完成，提升計算效率。由于大量服務器的協(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，具有極強的可擴展性，并且可以在不占用本地內存的情況下隨時獲取，在提升系統(tǒng)計算效率的同時解決了航天器內存有限的問題。

2.4.2 應用探討

在現(xiàn)有技術中，云計算有公有云和私有云2種部署模式。公有云的缺點是數(shù)據不存儲于自身的數(shù)據中心，存在安全隱患；私有云的“云”可以布置在系統(tǒng)內部，更加注重數(shù)據的保密性，適合航天任務的應用[14]?；谖覈臻g站天地一體化網絡的建立，太空也成為了互聯(lián)網的一部分，在地面建立大型的私有云服務集群，航天器上運算量大的設備可將其數(shù)據采集后通過天地鏈路直接傳輸于云服務端進行分析處理，從而簡化艙內設備的性能要求，并且在地面保留原始數(shù)據，方便地面飛控人員對其進行查詢分析。除此之外，私有云還可以為航天任務提供可靠的云存儲服務，將整個系統(tǒng)中管理存儲業(yè)務的服務器集合起來，形成一個整體，同時將服務器中的文件數(shù)據進行拷貝，存儲于不同的服務器中，以此確保數(shù)據的安全，隱藏一些底層的實現(xiàn)細節(jié)，最終留一個統(tǒng)一的視圖入口供用戶使用，進行數(shù)據的訪問及文件的傳輸與存儲[15]。私有云還能提供備份服務器，定時為主服務器中的元數(shù)據進行備份，進一步保證數(shù)據的安全，航天員在軌只需要登錄云賬號便可實時查閱所需資料，實現(xiàn)數(shù)據的統(tǒng)一管理及一體化操作。

云計算的使用能提高系統(tǒng)整體的運算能力，為航天員提供更便捷的資源訪問和高可用的服務，但我國尚未具備實現(xiàn)的條件，主要原因如下。①云計算對天地交互支持提出更高需求，天地通信速率會進一步提高，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)據速率，以及多用戶載荷的存在，需要采用更先進的通信體制，如激光通信、量子通信、太赫茲通信等進一步提高天地信息傳輸能力。②云計算需要在地面建立大型、遍布各地的航天任務私有云服務集群，即專屬于航天的云服務端，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，在此基礎上，載人航天器只相當于一個位置較遠且情況特殊的用戶，在艙內計算機上登錄云賬戶即可完成數(shù)據的查詢與存儲。

2.4.3 需要關注的問題

云服務端負責整個系統(tǒng)的計算及底層物理資源的安全，客戶端則保障各自的運行環(huán)境與應用的安全問題，計算資源的擁有者與使用者分離導致了云計算模式固有的信息安全問題。因此，在應用中需要注意：將客戶端的數(shù)據隔離，謹防被私自篡改、盜取或混合，存儲于云服務端的數(shù)據應妥善保管或銷毀，防止出現(xiàn)數(shù)據服務阻塞；保障云服務端的連續(xù)性及用戶取用數(shù)據的實時性；整個云平臺內資源高度集中導致風險集中，需要加強云服務端的防火墻設置；設置云數(shù)據備份與恢復服務，防止數(shù)據意外丟失或被覆蓋。

3 結束語

我國載人航天領域3個階段的發(fā)展充分證明了信息技術的重要性，也對信息技術的應用提出了更高的要求。載人航天器的發(fā)展能夠帶動先進信息技術的應用，先進技術的應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。本文針對有望應用于載人航天器中提高其性能的4種地面先進信息技術進行了介紹，并對各個技術的應用模式進行分析。由于這些技術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，并要進一步測試篩選。目前，國內還沒有一套現(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用的測試規(guī)范是非常必要的。