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航天领域大数据应用详解及航天军工可视化展示

2020-09-16 09:49     来源:中工云网     浏览:4694

大数据现在是一个相当火热的名词,在许多领域里都能看到他的身影,比如金融、工业、教育、航天等等。那么,为了让大家更好地了解大数据在各行业各领域的发展,小编选取航天领域作为典型案例。

  首先我们将了解大数据的基本信息,然后具体以美国宇航局(NASA)为例,说明大数据在航天方面的应用。

航天大数据:从大科学到大事业

  什么是大数据?就是指那些超过传统数据库系统处理能力的数据,数据量通常在10TB(1TB=1024GB,为1万亿字节)以上。大数据的基本特征是:体量巨大(volume),类型多样(variety),处理速度快(velocity)。有时所说的“大数据”,也指一种技术,它包括海量数据分析技术、大数据处理技术、分布式计算(云计算)技术、数据可视化技术

  20多年来,各个领域的信息化使数据量以指数率加速增长。有专家测算,2000年全球新产生的数据量为1000PB(1PB=1024TB)到2000PB,到2010年仅仅全球企业一年新存储的数据量就超过了7000PB。目前全球性的科技公司都要和PB级规模的数据打交道,而Facebook每天要存储大约100TB的用户数据,美国宇航局 (NASA)每天要处理约24TB的数据。目前大数据已渗透到每一个行业,逐渐成为重要的生产因素;而人们对于海量数据的运用,将迎来新一波生产率增长浪潮。大数据在政府决策、商业和科技等领域的广泛应用,将在公共服务、民生医疗、维护社会安定、动态安全监管等方面,将产生巨大的社会价值和产业空间。

  航天是人类探索太空和利用太空的伟大事业。它在研制、运行和发布成果的全过程中,都会产生大数据和要求应用大数据。数据既是航天理论的基础,又是航天实践的基石。航天要对尺度远比地球要大无数倍的广阔空间中进行探索,其总量更多,要求更高。如果没有及时而精确的大数据支持,哪怕是一个小数点的错误,也会影响全局的成败。因此,航天大数据不仅具有一般大数据的特点,而且要求高可靠和高价值的要求。因此,航天是最早提出发展大数据技术的领域,也是取得大数据成果最多的领域。

  为了说明大数据在航天方面的应用,我们将以美国宇航局(NASA)为例。在美国政府的“大数据研究与开发倡议”中,列出了其它的12个国家机构的大数据的行动计划。其中NASA的计划引人注目,它包括先进的信息系统技术(AIST)、地球科学数据和信息系统(ESDIS)、全球地球观测系统(GEOSS)、太空行动协议、行星数据系统(PDS)、太空望远镜科学研究所(MAST)、地球系统电网联邦公共档案等。

  我们经常看到的天文奇观的预测报告,其实很多都来自于NASA背后的海量数据的收集、管理和分析。NASA 约翰逊航天中心(JSC)从1959年至今,已收集400多万静态图像,总达950万英尺的16毫米胶卷,85000卷录像磁带,以及总时长81616小时的视频模拟及数字档案。NASA开发了一项应用,将其命名为IO(在线影像),IO 能够将影像文件名与所有相关元数据连接。然而,JSC 依然面临一大难题:如何将资源向公众开放,以及如何对这些资源进行代码转换,使其空间占用更小,可利用率更高。为此,NASA和美国IT界合作,开发和应用一个高度可扩展的分布式批量处理系统Hadoop,对大型数据集进行扫描,来处理从太空中(如太空望远镜)中传回海量数据,其数据量可达到每秒钟 700TB!

  NASA的大数据技术已经取得了大量成果。图示这幅2005年6月至2007年12月海洋表面洋流的示意图,集成了美国、日本和德国的具有各种数值模型的多种卫星的数据。漩涡和窄洋流在海洋中传送热量和碳。海洋环流和气候评估项目提供了所有深度的洋流,但这里仅仅使用了表层洋流。这些示意图用来测量海洋在全球碳循环中的作用,并监测地球系统的不同部分内部及之间的热量、水和化学交换。

  NASA用于探索火星是否存在适宜生命存在的、以核燃料钚为动力的“好奇”号火星车,于2011年11月从肯尼迪航天中心升空,并于2012年8月6日降落火星。在一年多中,“好奇”号传回了大量数据和图象,根据“她”发回的资料,科学家制成了13亿像素的360度火星高清全景图,由此发现了火星远古存在河流以及当时环境适合原始微生物生存的证据。“好奇”号每小时要向地球发回5万张高分辨率的图像。NASA喷气推进实验室(JPL)的科学家,采用了云计算(Amazon Web service)来处理这些数据,在分析这些数据后,才能给“好奇”号安排第二天的任务。

  总之,NASA的大数据的发展经历了两个阶段,初期称之为“大科学”阶段,这个阶段的特点,是产生数据的环境是可控的,目的是进行科学实验和研究;第二阶段称之为“大事业”阶段,产生数据的环境是自然的,目的是进行实际应用。目前,NASA的大数据正在从“大科学”向“大事业”的过渡之中。

  接下来,为了让大家更好地理解,我们寻找了以下内容作为相关材料,请您认真阅读!

美国航空航天局管理“大数据”洪流惠及全球

美国航空航天局管理“大数据”洪流惠及全球

  华盛顿——美国航空航天局(NASA)及其几十个使命项目每天传回的数据犹如奔涌的河流。航天器监测从我们的地球家园到遥远星系的一切,将图像和信息传回地球。所有这些数码记录都需要储存、索引和处理,以便世界各地的工程师、科学家和其他人员可以使用这些数据来理解地球及其以外的宇宙。

  使命项目策划者和软件工程师正在寻找管理如此庞大复杂而且不断增大的数据流的新策略,这样的数据流在信息技术行业中被称为“大数据” (Big Data)。

  “大数据”有多大?美国航空航天局的各项使命每小时收集数百TB数据。仅1TB就相当于在50,000棵树制成的纸张上打印的信息。

  位于加利福尼亚州帕萨迪纳(Pasadena)的美国航空航天局喷气推进实验室(Jet Propulsion Laboratory)的美国航空航天局太阳系可视化项目(Solar System Visualization project)的负责人埃里克·德容(Eric De Jong)说:“科学家们将大数据用于各种目的,从预测地球的天气到监测火星上的冰盖再到搜索遥远的星系。我们是数据的保存者,而数据使用者则是需要图像、拼图、地图和影片来寻找模式并验证理论的天文学家和科学家。”太阳系可视化项目可将美国航空航天局使命项目的科学成果转化为研究人员可以使用的可视化产品。

  德容解释说,应对来自太空使命的数据涉及三个方面:储存、处理和访问。第一项任务——储存或存档数据,对于更大量的数据来说自然更具挑战性。平方千米阵(Square Kilometer Array)是计划部署在南非和澳大利亚的由数千个望远镜组成的阵列,预计每天产生700TB图像数据,相当于因特网每两天的所有数据流量。工程师们正忙于开发更好地储存信息的创新软件工具,而不是创造更多硬件。

  美国航空航天局“大数据”计划的一位项目负责人克里斯·马特曼恩(Chris Mattmann)说:“我们不必做无谓的重复劳动。”美国航空航天局一直在加大对开源软件(Open-source Software)的整合,为太空使命提供经改进的数据处理工具。而后,美国航空航天局的这些工具可供世界其他人用于不同的应用领域。

  德容和他的团队正在开发信息可视化的新方式。例如,美国航空航天局火星勘测轨道飞行器(Mars Reconnaissance Orbiter)上一个摄像机拍摄的每个图像含有120兆像素。除了制作电脑图像和动画使科学家和公众能够近距离了解这颗红色星球,他的团队还用这类数据来制作影片。

  德容说:“数据不只是越来越大,而且越来越复杂。我们在不断努力寻找使创建可视化产品过程自动化的方式,以便于科学家和工程师使用这些数据。”

  “大数据”领域另一项重要的工作是使用户容易从数据存档中获取所需信息。

  美国航空航天局红外处理和分析中心(Infrared Processing and Analysis Center)负责人史蒂夫·格鲁姆(Steve Groom)说:“如果你有一个巨型书架,你仍必须知道如何找到需要的书籍。”有时候用户希望一次访问所有数据,以寻找全局模式,这是“大数据”存档的一个好处。格鲁姆说:“天文学家还可以同时浏览我们库存的所有‘书籍’,这在他们自己的电脑上是无法做到的。”

  美国航空航天局说,最终,“大数据”潮流将继续猛增,美国航空航天局将开发出新的策略来管理数据流以惠及全球。

  以上内容主要是以美国航空航天局为例子,讲述大数据在航天领域的应用,接下来我们将了解“航天企业如何拥抱大数据时代

航天企业如何拥抱大数据时代

  如今,一个大规模生产、分享和应用数据的时代正在开启。我们惊讶地发现,谷歌通过搜索记录的内容和频度可以预测H1N1流感病毒的爆发;亚马逊的推荐书目正是一本读者孜孜以求的冷僻书籍;沃尔玛依据超市防窃监控录像来调整货架产品摆放并大大提高了销量;更让人跌破眼镜的是Netflix公司,这个起家于连锁DVD租赁店的新兴视频网站在分析了观众观看网络视频节目时快进、慢进和重播的特性之后,摇身一变成为影视制作公司,专门拍摄“投其所好”式的作品并赚得盆满钵满。种种现象似乎表明当今社会已经拥有了一种非凡的创新能力,即:以某种前所未有的方式,通过对海量数据进行分析,提供有巨大价值的产品和服务,或者获得深刻的洞见。

  这就是所谓“大数据时代”的行为,但“大数据”绝不能简单理解为“数据大”。观察那些在大数据时代风生水起的企业和个人,我们不难发现以下特点。一是重视数据的价值。大数据公司奉行“一切皆可量化”的哲学,甚至从很多被认为与“数据”根本无关的事物中汲取信息,而且总是利用数据的非物质性另辟蹊径,依靠二次利用、整合重组等手段在数据背后或其关联领域开启寻宝游戏。

  二是找准自己的定位。大数据公司总体可分为三类:要么是直接产生、收集海量数据,要么是掌握了有效加工处理数据的技术手段及分析方法,要么是独具挖掘数据价值的开创性想法。这其实代表了大数据价值的三个基本来源——数据本身、技能和思维。

  三是思维的巨大变革。大数据思维的精髓可以概括为:不再依靠局部样本而追求全体信息,不再执着于精确性而追求混杂性,不再强调因果关系而追求相关关系,进而从思维模式上摆脱既往经验的束缚,获得关于事物未来走势和潜在价值的全新视野。

  大数据已经在互联网、电子商务、移动通信、公共服务等领域产生了深远的影响,并体现出向其他行业不断蔓延的蓬勃趋势。航天业界如何应对大数据时代的机遇和挑战,是我们必须正视的问题。在笔者看来,航天与大数据至少在以下方面可以结合起来思考。

  卫星遥感产业的发展机遇。一般认为卫星技术产业应用的三大主要方向是通信、导航和遥感,目前只有卫星遥感还没有形成真正意义上的产业规模,而这一现象有望在大数据时代得到根本改变。由于遥感数据中包含着大量的人类活动和自然环境信息,依靠大数据技术进行经济、人口、交通、城市发展、能源资源、公共安全等领域的仿真规划和预测分析将变得越来越准确而有效。因此,各种分析咨询机构和专业公司在获取遥感数据信息方面将产生巨大的商业需求,航天企业完全可以未雨绸缪,提前开展布局。美国Skybox公司已经走在了前面,该公司正计划用“米诺陶”火箭以一箭6星的方式将Sky-sat对地观测小卫星发射升空,后续将以24颗星的规模组成星座。该公司希望为重大地球事件和重要地区实时播出卫星图像和视频,供订阅账户用户付费观看,或者把观测信息出售给有关企业,用于分析全球经济走势等。

  航天企业在大数据时代的角色定位。有观察显示,专业的分析咨询机构一般具有较强的大数据技术,某个数据产业的外行人可能靠创新想法成为大数据机遇的宠儿。但是从长远来看,真正能够保持长盛不衰的还是原始数据的生产者和持有者。笔者认为,航天企业既肩负着对地观测和地外探索的天然责任,又是国家工业和信息化体系的支柱力量,还是各种市场经济活动的重要参与者,多年以来已经积累了可观的数据基础,并且具备继续获取海量数据的渠道和资质,因此理应追求数据制造商和供应商的角色定位,牢牢抓住数据本身这座难以估价的宝藏,确立大数据价值链的核心地位。在大数据技能和思维层面,则既可以依靠自身挖潜来开辟领域,也可以通过授权使用、有偿提供、投资并购等方式快速获取利益。

  大数据与航天商业模式创新。如果找准了大数据时代的角色定位,航天企业就可以从中挖掘更多的价值,从而颠覆传统的商业模式。罗尔斯·罗伊斯公司一直监控着全球范围内3700多架飞机的引擎运行情况,这些监测结果将被转换成油量消耗、故障预警等信息并有偿提供给航空公司,其商业价值约占罗尔斯·罗伊斯公司民航发动机部门年收入的70%,这无疑是未来空天飞机引擎制造商可模仿的范例。类似的例子还有很多,成像观测数据在有关社会发展的预测分析中发挥着重要作用,次表层勘探数据可以作为本年度石油、矿产等大宗商品交易分析的重要依据,温室气体采集数据能够辅助区域粮食作物的估产,电磁环境探测数据是城市功能区规划布局的决策参考等等。更为重要的是,在对某特定任务的数据实现“第一手利用”后,如果能够依靠大数据思维启发进行二次开发再利用,在某种程度上就意味着以零成本获取新的利益,而这其中的关键是始终牢记自己正坐在大数据的冰山一角上,只要不断积累和挖掘,就有望触及水平面以下那部分更加庞大的价值。

航天企业如何拥抱大数据时代

  大数据与航天项目成本控制。航天产品之所以“金贵娇气”,源于一直以来对精度的依赖,而把精度推高一个小数点所耗费的成本往往需要十倍、百倍的累积。比如:为了实现对地“凝视”,需要把卫星发射到距地面36000km的地球静止轨道,对火箭运载能力和有效载荷成像精度都有很高的要求,成本随即大幅上扬。大数据方法给出的成本控制答案是:以低廉的价格,发射多颗低轨微纳卫星组网,实现较短重访周期的“准凝视”,在获取了多谱段、多类型的大量普通精度图像数据后,通过挖掘潜在信息,设计合理算法,改善分辨率和图谱质量以满足用户要求。这种方法体现了大数据思维追求“更全、更杂、更相关”的理念,正可以与廉价火箭、“手机卫星”以及“图像数字增强技术”等新兴手段相得益彰,成为航天工业未来的方向。

  大数据与航天工程管理。在真正迎来低成本时代之前,航天任务仍然属于体量巨大、周期漫长的超级工程,运用大数据方法有助于实现更加高质高效的管理。以航天可靠性工作为例,现有的成功经验是巨细靡遗的质量复查,但业界也承认这是一种“后知后觉”的被动纠正,因此出现了“可靠性数据包”一类的预防性手段试图提前暴露问题。运用大数据的方式,我们可以把这种“正向质量确认”进一步推向极致。例如:尽量完整地记录整批产品的各种生产信息、状态信息,更为重要的是关联信息(比如:关注零件加工刀具因磨损而更换的次数是否增加,因为这意味着零件材料的硬度可能超标),依据这些信息进行提炼分析和综合评估,提前设置产品质量“综合预警阈值”,一旦异常现象累计超标,就提前采取维修措施或报废处理,这显然比产生惨痛失利后的人力资源浪费、信誉度损失、保险赔偿和周期延误要合算得多。类似方法对航天工程计划调度、质量检测和产品全生命周期管理也有重要的借鉴意义。

  大数据的时代幕布已经悄然拉开,依靠大数据重新认识世界和创造价值的神话正在不断上演。伴随着新的变革,总会有新的机会,企业不能回避,也不应被动依附,而是应该以开放的心态、创新的勇气响应大数据的时代变化,真正把握属于自己的机遇。

  如果您耐心地阅读了以上文字,说明您是一位真正想要了解大数据在航天领域应用的专业人士,作为奖励,我们将为你继续奉上航天大数据的精彩内容。上面的内容偏重于文字,比较抽象,小编特意选取了航天大数据可视化的内容,让你能更加直观、迅速的了解相关信息。

有企业在航天军工可视化领域累积数年,不断开发完善系统功能,可广泛用于航天测发、测控设备及显示控制系统;航天指挥作战体系模拟推演、作战评估系统;航天作战指挥显示控制系统;联合指挥作战仿真系统;航天器数据分析、状态监控系统。

系统具有以下功能:

一、大范围可视化空间:覆盖全球,乃至宇宙空间;支持离线部署全球卫星/电子地图及地形高程数据

■系统可以逼真呈现地球和太空,根据星历精确显示太阳、月球,乃至其他行星的精确位置,并且宇宙空间中有实时的光照和反射。

■系统支持多视角切换,可以从地理坐标系和天球坐标系的角度观察地球;支持跟随指定目标的视角;支持编排视角移动序列。

■系统并不限于在高空观察地球,用户可以无限拉近,支持全球 30M 高程地形,和全球高清卫星影像贴图。

■提供全套离线数据解决方案和数据更新服务。

二、各种目标的三维显示

■包括飞行器目标、地面目标、海面目标等,例如飞机、人造卫星、火箭、车辆、建筑、雷达等目标的显示;

■支持将3DSMAX.、Maya、Solidworks、Pro-E制作的模型转换为自定义格式加载;

■可以为三维模型定义关节,通过数值属性来操纵模型各部分的运动。

三、对航天业务特定支持:航天器运行轨迹、飞行姿态呈现;航天器载荷数据可视化呈现

■对卫星乃至航天器的轨道、在轨姿态、在轨任务,卫星自身状态,系统内置提供众多支持,并可根据客户要求定制开发。

■可以根据时序数据,平滑插值目标的经纬度、高程、三轴欧拉角,驱动目标的位置和姿态变化;

■支持在目标上附加各种轴向、参考系的向量表现,以及各种信息的文字显示。

■支持设置轨道的线形、线宽、颜色、纹理等飞行器的轨道显示。

■支持对卫星采集数据的可视化分析,通过椎体、包络、扫描面等三维图形,表现各种不同类型探测器的探测范围、通讯链路等效果

四、多维度视角分析查看:时间维度(当前态势监控、未来模拟推演、历史数据回放)、空间维度、逻辑维度

■系统支持根据事先设定的脚本,对复杂的任务流程进行推演和分析。

■可在实时监控状态和规划数据进行比对。

■根据实际数据对历史态势进行回放。

五、强大的信息标绘功能

■无论是二维,还是三维,系统都提供非常强大友好的基础标绘支持

■支持对标绘对象的复杂定制

■支持各种在地表标绘的形状如点、线、多边形目标的显示•可以设置图标、颜色、线宽等

■可全屏同时显示不低于 10 万个移动信标,优化海量信标的显示效率。

成功案例精选

1、航天器发射可视化

2、航天器运行轨迹、飞行姿态可视化

3、航天器载荷任务可视化

4、三维地理信息系统可视化

5、战略态势可视化

6、航天测发、测控、运行态势 指挥显示系统

7、卫星数据分析、状态监测 显示控制系统

硬件环境解决方案

航天军工管控中心结构设计


硬件环境应用案例(已实施案例精选)

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