基于衛(wèi)星綜合應(yīng)用技術(shù)的邊境海岸防御監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)的研究

·文|航天恒星科技有限公司 尚壹 李寶明 郭偉 游佳君

基于衛(wèi)星綜合應(yīng)用技術(shù)的邊境海岸防御監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)的研究

·文|航天恒星科技有限公司 尚壹 李寶明 郭偉 游佳君

目前世界許多國(guó)家面臨著諸如走私、偷渡、恐怖分子越境、邊境局部武裝沖突等各種各樣的邊境問(wèn)題。如何及時(shí)獲得這些邊境情況的準(zhǔn)確信息是處理此類問(wèn)題的關(guān)鍵所在，在衛(wèi)星綜合應(yīng)用技術(shù)基礎(chǔ)上提出的邊境海岸防御監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)通過(guò)自動(dòng)化流程采用衛(wèi)星和無(wú)人機(jī)等手段及時(shí)獲取遙感影像及視頻等信息并通過(guò)后期處理為解決此類邊境問(wèn)題提供及時(shí)準(zhǔn)確的情報(bào)資料，為各國(guó)恰當(dāng)快速解決邊境問(wèn)題提供情報(bào)保障。邊境海岸防御監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)主要由遙感衛(wèi)星監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以及指揮通信系統(tǒng)四大部分構(gòu)成。

邊境海岸防御 邊境問(wèn)題 遙感影像 遙感衛(wèi)星監(jiān)測(cè) 無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè) 地面監(jiān)測(cè)

一、 引言

當(dāng)前隨著科技的發(fā)展，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家基于多種技術(shù)的ISR應(yīng)用系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于軍事、公共安全及政府安全多個(gè)方面。而基于天基的ISR系統(tǒng)更是在美軍近期的歷次戰(zhàn)爭(zhēng)中發(fā)揮了極為重要的作用[1]，由此可見(jiàn)遙感技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各類偵察和效果評(píng)估方面[2]。

當(dāng)前許多國(guó)家在邊境上或多或少面臨著諸如領(lǐng)土爭(zhēng)端、走私、偷渡、恐怖分子越境及局部武裝沖突等多種問(wèn)題。尤其是邊境區(qū)域存在無(wú)人區(qū)或不宜長(zhǎng)期駐兵布防的國(guó)家，對(duì)于上述邊境問(wèn)題的發(fā)現(xiàn)及取證存在一定難度，而不能及時(shí)地發(fā)現(xiàn)上述邊境問(wèn)題并獲取準(zhǔn)確清晰的信息以供國(guó)防及政府公共安全部門決斷處理，任由其發(fā)展可能會(huì)對(duì)邊境雙方國(guó)家造成更為嚴(yán)重的負(fù)面影響。因此如何能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并獲取準(zhǔn)確清晰的邊境問(wèn)題相關(guān)現(xiàn)場(chǎng)證據(jù)是處理邊境問(wèn)題的關(guān)鍵所在。因而在能力允許基礎(chǔ)上，國(guó)家建立一個(gè)統(tǒng)一高效的邊境海岸防御監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)是非常必要的。通過(guò)基于天基空基的遙感影像及視頻可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)邊境問(wèn)題，監(jiān)測(cè)邊境敏感區(qū)域，識(shí)別邊境車輛、人員[3]，提供更為準(zhǔn)確清晰直觀的證據(jù)，而隨著商業(yè)高分遙感衛(wèi)星的普及和無(wú)人機(jī)技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)一步提高了邊境海岸防御監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)的自動(dòng)化程度和問(wèn)題處理效率；通過(guò)使用無(wú)線通信滿足邊境情報(bào)傳輸對(duì)通信實(shí)時(shí)性的需求；通過(guò)衛(wèi)星導(dǎo)航終端的使用滿足監(jiān)測(cè)目標(biāo)坐標(biāo)信息的獲??；而通過(guò)后臺(tái)處理系統(tǒng)對(duì)各類天空基監(jiān)測(cè)信息的綜合處理形成邊境態(tài)勢(shì)圖。

二、 總體方案設(shè)計(jì)

1. 系統(tǒng)架構(gòu)及原理

如圖1所示，邊境海岸防御監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)架構(gòu)主要分為天基、空基和陸基三個(gè)層面，涵蓋天基監(jiān)測(cè)、空基監(jiān)測(cè)和陸基監(jiān)測(cè)。天基層面通過(guò)遙感衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)目標(biāo)國(guó)和邊境的遙感圖像監(jiān)測(cè)，通過(guò)導(dǎo)航衛(wèi)星為地面目標(biāo)及空基設(shè)備提供定位服務(wù)，通過(guò)通信衛(wèi)星提供衛(wèi)星通信傳輸鏈路實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)信息實(shí)時(shí)回傳；空基層面通過(guò)無(wú)人機(jī)獲取對(duì)邊境地區(qū)監(jiān)測(cè)的遙感圖像、視頻及目標(biāo)坐標(biāo)；地基層面，通過(guò)地面動(dòng)中通監(jiān)測(cè)車獲取邊境地區(qū)的視頻并實(shí)時(shí)回傳，通過(guò)衛(wèi)星VSAT設(shè)備與通信衛(wèi)星建立衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)和地面網(wǎng)絡(luò)將分布在各邊境地區(qū)的無(wú)人機(jī)地面測(cè)控站和地面監(jiān)測(cè)設(shè)備與指揮中心連接成通信網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)采用遙感衛(wèi)星、無(wú)人機(jī)、衛(wèi)通車以及雷達(dá)等多源傳感器獲取邊境圖像、視頻和其他監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)通信衛(wèi)星鏈路和地面其他傳輸通道建立的異構(gòu)多傳感器傳輸網(wǎng)絡(luò)[4]傳回指控中心進(jìn)行信息綜合獲得指揮所需情報(bào)，生成邊境區(qū)域態(tài)勢(shì)圖。當(dāng)前，異構(gòu)多傳感器傳輸網(wǎng)絡(luò)的研究和應(yīng)用在對(duì)地觀測(cè)領(lǐng)域已廣泛展開(kāi)[5-6]，具備分布式信息高效融合和實(shí)時(shí)信息服務(wù)的能力。

圖1 邊境海岸線防御監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)組成圖

2. 系統(tǒng)組成及功能

邊境海岸防御信息化系統(tǒng)包括遙感衛(wèi)星監(jiān)測(cè)分系統(tǒng)、無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)分系統(tǒng)、指控通信分系統(tǒng)和地面監(jiān)測(cè)分系統(tǒng)，見(jiàn)圖2。以衛(wèi)星遙感圖像和無(wú)人機(jī)遙感圖像及視頻監(jiān)測(cè)為主，輔以地面視頻及圖像監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)邊境進(jìn)行戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)層面的監(jiān)測(cè)。主要提供如下功能：①提供對(duì)所關(guān)注邊境相關(guān)鄰國(guó)軍事基地、準(zhǔn)軍事設(shè)施以及重要戰(zhàn)略設(shè)施的高分遙感監(jiān)測(cè)，獲取鄰國(guó)軍事戰(zhàn)略動(dòng)態(tài)，對(duì)本國(guó)邊防提出預(yù)警；②提供邊境地區(qū)敏感區(qū)域的高分遙感監(jiān)測(cè)影像；③提供邊境監(jiān)測(cè)視頻信息獲取并實(shí)時(shí)回傳到指揮部；④提供邊境人員、車輛的監(jiān)測(cè)和識(shí)別；⑤提供后期圖像、視頻、電文等多源傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)融合處理；⑥提供被監(jiān)測(cè)邊境區(qū)域態(tài)勢(shì)圖生成；⑦提供情報(bào)態(tài)勢(shì)圖數(shù)據(jù)分發(fā)。

圖2 系統(tǒng)組成圖

遙感衛(wèi)星監(jiān)測(cè)分系統(tǒng)主要包括遙感衛(wèi)星子系統(tǒng)和地面應(yīng)用子系統(tǒng)。通過(guò)遙感衛(wèi)星子系統(tǒng)獲取目標(biāo)區(qū)域遙感影像，發(fā)送給地面應(yīng)用子系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)地面應(yīng)用子系統(tǒng)的后期處理，形成情報(bào)產(chǎn)品輸出給指揮通信分系統(tǒng)作為最終邊境態(tài)勢(shì)圖產(chǎn)品的輸入。

無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)分系統(tǒng)主要包括無(wú)人機(jī)子系統(tǒng)和地面測(cè)控站。通過(guò)無(wú)人機(jī)子系統(tǒng)獲取目標(biāo)區(qū)域遙感影像和視頻，實(shí)時(shí)或離線發(fā)送到地面測(cè)控站。經(jīng)過(guò)地面測(cè)控站的后期處理，形成情報(bào)產(chǎn)品輸出給指揮通信分系統(tǒng)作為最終邊境態(tài)勢(shì)圖產(chǎn)品的輸入。

地面監(jiān)測(cè)分系統(tǒng)主要包括地面信息采集子系統(tǒng)和地面監(jiān)測(cè)指揮站。通過(guò)地面動(dòng)中通監(jiān)測(cè)設(shè)備和雷達(dá)監(jiān)測(cè)設(shè)備獲取視頻和近空、近海雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)，形成情報(bào)產(chǎn)品輸出給指揮通信分系統(tǒng)作為最終邊境態(tài)勢(shì)圖產(chǎn)品的輸入。

指揮通信分系統(tǒng)主要包括指揮控制中心、通信衛(wèi)星子系統(tǒng)和VSAT通信網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)VSAT通信網(wǎng)絡(luò)和通信衛(wèi)星子系統(tǒng)構(gòu)成的衛(wèi)星雙向通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)指揮控制中心和地面應(yīng)用子系統(tǒng)、無(wú)人機(jī)地面測(cè)控站、地面監(jiān)測(cè)指揮站及動(dòng)中通和雷達(dá)等終端的連接。通過(guò)衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)和地面網(wǎng)絡(luò)指揮控制中心接收遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理產(chǎn)品、無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理產(chǎn)品、動(dòng)中通監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理產(chǎn)品、雷達(dá)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理產(chǎn)品及各類制式文電信息，將此類信息綜合形成邊境態(tài)勢(shì)圖供各級(jí)決策者參考，同時(shí)將決策信息和情報(bào)按需分發(fā)，為多部門協(xié)同行動(dòng)提供情報(bào)數(shù)據(jù)支持。

3.系統(tǒng)配置原則及性能指標(biāo)

（1）系統(tǒng)配置原則

系統(tǒng)配置原則依據(jù)邊境防御需求進(jìn)行，邊境防御需求的關(guān)鍵是前端傳感器選擇，因此前端傳感器的選擇決定了系統(tǒng)配置基本原則。對(duì)目標(biāo)的解譯分類一般分為發(fā)現(xiàn)、識(shí)別、確認(rèn)以及描述分析4檔。所謂“發(fā)現(xiàn)”是提供感興趣的各種單元、物體或行動(dòng)的位置；“識(shí)別”是要測(cè)定出一般目標(biāo)的類別；“確認(rèn)”是要判定目標(biāo)為已知類別中的哪種類別及型號(hào)；“描述分析”是要提供目標(biāo)的尺寸/范圍、輪廓/布局、組成部分的結(jié)構(gòu)、設(shè)備數(shù)量等。表1給出了對(duì)各種任務(wù)解譯所需部分的分辨率原則。

表1 解譯任務(wù)所需部分分辨率原則列表[7]

依據(jù)表1和實(shí)際所要監(jiān)測(cè)的邊境海岸目標(biāo)需求可進(jìn)行系統(tǒng)配置。

（2）系統(tǒng)性能指標(biāo)

系統(tǒng)性能依據(jù)系統(tǒng)配置而定，此處給出典型系統(tǒng)配置下的性能指標(biāo)。典型配置為遙感衛(wèi)星載荷為全色/多光譜相機(jī)；無(wú)人機(jī)載荷包括可見(jiàn)光相機(jī)、攝像頭和紅外攝像頭；動(dòng)中通采用可見(jiàn)光攝像頭；雷達(dá)采用岸防超視距雷達(dá)。以下是典型系統(tǒng)性能指標(biāo)要求：①系統(tǒng)天基遙感衛(wèi)星空間分辨率全色優(yōu)于2m，多光譜優(yōu)于8m；②遙感衛(wèi)星回訪周期（時(shí)間分辨率）：約1天（3星星座），約4天（單星）；③空基無(wú)人機(jī)空間分辨率可見(jiàn)光優(yōu)于0.2m；④空基無(wú)人機(jī)視頻分辨率為可見(jiàn)光為1920X1080，紅外為640X320；⑤無(wú)人機(jī)回訪周期（時(shí)間分辨率）為：0～8小時(shí)（通過(guò)增減無(wú)人機(jī)數(shù)量和飛行架次可控制監(jiān)測(cè)點(diǎn)回訪周期）；⑥地基動(dòng)中通分辨率為可見(jiàn)光為1920X1080； ⑦雷達(dá)分辨率為：方位角1.4°,距離1000m；⑧數(shù)據(jù)傳輸能力：視頻監(jiān)測(cè)信號(hào)可實(shí)時(shí)傳輸（延遲低于300ms）；⑨導(dǎo)航方式：GPS/北斗/GLONASS;⑩態(tài)勢(shì)圖更新周期：典型值小于30min，但態(tài)勢(shì)圖具體更新時(shí)間需根據(jù)態(tài)勢(shì)圖繁簡(jiǎn)需求有所變化。

三、 關(guān)鍵技術(shù)

系統(tǒng)監(jiān)測(cè)能力主要體現(xiàn)為信息源的準(zhǔn)確性和及時(shí)性。因此本系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)主要包括高分辨率遙感圖像與多源異構(gòu)傳感器數(shù)據(jù)融合和多傳感器自動(dòng)運(yùn)行規(guī)劃調(diào)度。

1.遙感圖像與多源異構(gòu)傳感器數(shù)據(jù)融合

本系統(tǒng)針對(duì)邊境區(qū)域以遙感衛(wèi)星的遙感影像為基礎(chǔ)與無(wú)人機(jī)遙感影像和視頻信息以及雷達(dá)探測(cè)信息、地面監(jiān)視視頻信息等地面監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合。數(shù)據(jù)融合包含像素級(jí)、特征級(jí)和決策級(jí)融合3個(gè)層次。通過(guò)像素級(jí)融合獲取更優(yōu)的原始監(jiān)測(cè)影像信息，例如通過(guò)將衛(wèi)星影像和無(wú)人機(jī)影像進(jìn)行像素級(jí)融合生成分辨率更高的假彩圖像；將特征級(jí)融合應(yīng)用與多傳感器的目標(biāo)跟蹤，例如由衛(wèi)星大范圍掃描發(fā)現(xiàn)邊境火災(zāi)后，由無(wú)人機(jī)確定火災(zāi)的具體著火點(diǎn)和過(guò)火面積，由地面監(jiān)測(cè)對(duì)火災(zāi)產(chǎn)生和蔓延過(guò)程進(jìn)行進(jìn)一步分析；將決策級(jí)融合作為態(tài)勢(shì)圖生成的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，有選擇地利用特征級(jí)融合所抽取或測(cè)量的有關(guān)目標(biāo)的各類特征信息，針對(duì)邊境監(jiān)測(cè)情況優(yōu)化決策算法，實(shí)現(xiàn)融合目的。

2.多傳感器自動(dòng)運(yùn)行規(guī)劃調(diào)度

本系統(tǒng)通過(guò)對(duì)遙感衛(wèi)星、無(wú)人機(jī)、動(dòng)中通監(jiān)視、雷達(dá)等多種傳感器進(jìn)行統(tǒng)一的規(guī)劃、調(diào)度和控制，實(shí)現(xiàn)邊境海岸監(jiān)測(cè)信息的準(zhǔn)確獲取和高效傳遞。結(jié)合遙感衛(wèi)星的運(yùn)控系統(tǒng)、無(wú)人機(jī)的地面測(cè)控系統(tǒng)和動(dòng)中通及雷達(dá)等地面?zhèn)鞲衅鞯娜蝿?wù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多傳感器運(yùn)行的自動(dòng)或半自動(dòng)化規(guī)劃、調(diào)度。其中遙感衛(wèi)星與其他傳感器的任務(wù)協(xié)同規(guī)劃和調(diào)度采用半自動(dòng)方式，無(wú)人機(jī)與地面任務(wù)協(xié)同規(guī)劃與調(diào)度采用全自動(dòng)方式，其中調(diào)度策略是系統(tǒng)能夠高效運(yùn)行的關(guān)鍵所在，系統(tǒng)運(yùn)行流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)任務(wù)運(yùn)行流程圖

四、結(jié)論

本文對(duì)衛(wèi)星綜合應(yīng)用技術(shù)在邊境海岸防御中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，提出了一種基于衛(wèi)星綜合應(yīng)用技術(shù)的邊境海岸防御監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并給出了方案設(shè)計(jì)思路和典型配置，通過(guò)邊境海岸防御監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)的應(yīng)用將保證國(guó)家獲取邊境情況的及時(shí)性和準(zhǔn)確性，可有效提高軍事或者公共安全領(lǐng)域邊境事務(wù)處理的效率。

[1] 任國(guó)軍. 美軍聯(lián)合作戰(zhàn)情報(bào)支援研究[M]. 北京：軍事科學(xué)出版社, 2010,366～388.

[2]廖楚江，孟令杰， 賀東雷， 申志強(qiáng). 遙感技術(shù)在戰(zhàn)場(chǎng)偵察與效果評(píng)估中的應(yīng)用[J]. 航天電子對(duì)抗,2011(3),10～12.

[3] John M. Irvine. National Imagery Interpretability Rating Scales(NIIRS):Overview and Methdology[J].SPIE, 1997(3028),93～103.

[4] Sandro Leuchter, Dirk Muhlenberg ＆amp; Rainer Schonbein. Agent-Based Web for Information Fusion in Military Intelligence, Surveillance,and Reconnaissance[J]. 2008 IEEE International Conference on Systems, Man and Cybernetics(SMC 2008) ,3732～3737.

[5] Bulter D.2020 computing: Everything, Everywhere.Nature. 2006, 440:402～405.

[6] Bulter D.2020 Agencies join forces to share data.Nature. 2007, 446:354.

[7] B.JASANI,T.SAKATA.Satellite for Arms Control and Crsis Monitoring, Oxford.New York, Oxford University Press, 1987.