電子載荷與成像載荷協(xié)同高效應(yīng)用思考

鄧武東，陳　鋒，崔本杰，成　飛

(上海衛(wèi)星工程研究所，上海 200240)

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電子載荷與成像載荷協(xié)同高效應(yīng)用思考

鄧武東，陳鋒，崔本杰，成飛

(上海衛(wèi)星工程研究所，上海 200240)

未來戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境瞬息萬變，唯有進(jìn)行快速、準(zhǔn)確、高效的戰(zhàn)場(chǎng)信息獲取、決策與分發(fā)，方能求得先機(jī)。傳統(tǒng)的單星單載荷模式，由于信息獲取方式的局限，應(yīng)對(duì)突發(fā)事件能力有限。多體制載荷信息融合與協(xié)同應(yīng)用的需求應(yīng)運(yùn)而生。首先以多體制載荷協(xié)同高效應(yīng)用為出發(fā)點(diǎn)，將此需求分解為多體制載荷的信息高效獲取和多體制載荷信息的高效應(yīng)用兩方面，并加以闡述。然后介紹了以多手段協(xié)同高效信息獲取為出發(fā)點(diǎn)設(shè)計(jì)的綜合運(yùn)用型衛(wèi)星的主要技術(shù)特點(diǎn)，該星以電子載荷引導(dǎo)光學(xué)成像任務(wù)為主體。最后，針對(duì)多體制載荷協(xié)同高效的需求，梳理了電子與成像協(xié)同體制下的發(fā)展建議。

電子載荷；成像載荷；多載荷協(xié)同

0　引言

未來戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境瞬息萬變，唯有進(jìn)行快速、準(zhǔn)確、高效的戰(zhàn)場(chǎng)信息獲取、分發(fā)與決策，方能求得先機(jī)。傳統(tǒng)的各體制分立的研制、裝備模式，以及單星單載荷模式，由于信息獲取方式單一和缺乏協(xié)同性設(shè)計(jì)，戰(zhàn)場(chǎng)信息收集往往片段化，處理和決策滯后嚴(yán)重，應(yīng)對(duì)突發(fā)事件能力有限。而多體制信息融合對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)目標(biāo)身份的準(zhǔn)確識(shí)別有著顯著的效果[1-2]。在眾多天基信息獲取手段中，航天電子載荷通過偵測(cè)目標(biāo)的電磁輻射來獲取敵方軍事能力、意圖、組成和部署，成像載荷利用可見光、紅外、合成孔徑雷達(dá)、激光、多光譜獲取目標(biāo)二維或三維圖像。電磁輻射特征和成像特征從不同角度共同刻畫了目標(biāo)在全電磁譜段的不同屬性，兩者之間存在著多個(gè)層次的互補(bǔ)性。將兩者有機(jī)結(jié)合起來，可以實(shí)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)即引導(dǎo)，且在提高目標(biāo)定位精度和識(shí)別準(zhǔn)確度方面具有極大的優(yōu)勢(shì)[3-4]。

本文以多體制載荷協(xié)同高效應(yīng)用為出發(fā)點(diǎn)，將此需求分解為多體制載荷信息的高效獲取和高效應(yīng)用兩方面，并加以闡述。然后介紹了以多手段協(xié)同高效信息獲取為出發(fā)點(diǎn)設(shè)計(jì)的綜合運(yùn)用衛(wèi)星的主要技術(shù)特點(diǎn)。最后，針對(duì)多體制載荷協(xié)同高效的需求，梳理了電子與成像協(xié)同體制下的發(fā)展建議。

1　多體制載荷協(xié)同高效應(yīng)用思考

航天裝備在戰(zhàn)場(chǎng)支援上起著重要作用，從信息獲取到最終決策主要有以下幾個(gè)層面：

1)戰(zhàn)場(chǎng)信息獲取

通過多種體制載荷進(jìn)行多維度信息獲取，包括體制維度、空間維度、時(shí)間維度。

2)戰(zhàn)場(chǎng)大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)庫

包含了歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)新增的戰(zhàn)場(chǎng)信息大數(shù)據(jù)，包括海、陸、空、天等眾多信息的數(shù)據(jù)庫。

3)信息加工與高效處理

通過對(duì)多維度態(tài)勢(shì)的綜合掌控，進(jìn)行有效信息的加工、融合處理(地面或星上)，如側(cè)重于身份屬性的判定、多目標(biāo)的態(tài)勢(shì)把握等。同時(shí)，在信息加工與處理過程中，新的信息需求也可以反饋給戰(zhàn)場(chǎng)信息獲取單位，如單星、多星的綜合調(diào)度等。

4)戰(zhàn)場(chǎng)決策

根據(jù)對(duì)信息高效加工后的結(jié)果，做出有效的決策。

航天裝備參與戰(zhàn)場(chǎng)支援的具體過程如圖1所示。

圖1　　航天裝備戰(zhàn)場(chǎng)支援信息圖

1.1多體制載荷信息的高效獲取

主要闡述全方位多角度信息獲取方式和多維度信息綜合的能力提升方式。

1)全方位多角度信息獲取方式

信息獲取力求全方位、多角度、全息地、實(shí)時(shí)地掌控戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)。

①體制維度。主要包括多種手段所獲取的不同種類的信息，如電磁頻譜、通信內(nèi)容、圖像等，主要通過電子、雷達(dá)、可見光、紅外、SAR等實(shí)現(xiàn)。

②空間維度。主要體現(xiàn)獲取信息的位置、區(qū)域和視角的不同，如高低軌衛(wèi)星覆蓋性和視角的不同，單顆衛(wèi)星覆蓋區(qū)域等。

③時(shí)間維度。指對(duì)地面或空間目標(biāo)獲取的有效信息的時(shí)間、時(shí)間序列、可見時(shí)間、重訪時(shí)間等。

戰(zhàn)場(chǎng)信息維度如圖2所示。

圖2　戰(zhàn)場(chǎng)信息維度

2)多維度信息綜合的能力提升方式

以上三個(gè)維度，在以往的航天裝備中都有所體現(xiàn)，但從多維度綜合的角度進(jìn)行衛(wèi)星裝備的頂層設(shè)計(jì)，在同一個(gè)時(shí)空維度，完成對(duì)目標(biāo)的多信息獲取體制，將發(fā)揮更大的效能。

①多星實(shí)現(xiàn)多維度信息獲取

在現(xiàn)有的裝備基礎(chǔ)上，通過不同衛(wèi)星搭載不同體制的載荷，通過組網(wǎng)或編隊(duì)在軌協(xié)同完成綜合效能提升。組網(wǎng)更利于普查型任務(wù)，而編隊(duì)則能更容易地實(shí)現(xiàn)對(duì)同一目標(biāo)、同一時(shí)間進(jìn)行多載荷體制信息的獲取。

②單星實(shí)現(xiàn)多維度信息獲取

在一顆衛(wèi)星上搭載不同的載荷，省去了多星編隊(duì)的協(xié)同調(diào)度復(fù)雜性，但對(duì)平臺(tái)承載能力和載荷小型化提出了新的要求。但從成本收益來講，比多星方式更有優(yōu)勢(shì)，同樣能實(shí)現(xiàn)對(duì)同一目標(biāo)、同一時(shí)間進(jìn)行多載荷體制信息的獲取。

1.2多體制載荷信息的高效利用

主要從多體制信息融合高效處理、戰(zhàn)場(chǎng)大數(shù)據(jù)信息挖掘與匹配、新需求的及時(shí)反饋與響應(yīng)三方面加以闡述：

1)多體制信息融合處理手段

需進(jìn)一步探索高效的信息綜合處理手段，如多體制載荷數(shù)據(jù)自動(dòng)化高精度配準(zhǔn)技術(shù)、面向?qū)ο蟮淖兓瘷z測(cè)和動(dòng)態(tài)目標(biāo)分析技術(shù)、典型目標(biāo)檢測(cè)定位與特征信息抽取技術(shù)、面向目標(biāo)識(shí)別與情報(bào)生成的多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)等。

另外，多體制信息的星上實(shí)時(shí)處理，同樣具有一定意義，可以有效地提高情報(bào)獲取的快速性和時(shí)效性，真正實(shí)現(xiàn)“發(fā)現(xiàn)、識(shí)別、確認(rèn)、決策、分發(fā)”的作戰(zhàn)意圖，通過多平臺(tái)、多傳感器、多時(shí)空數(shù)據(jù)間以及數(shù)據(jù)與目標(biāo)背景知識(shí)間的實(shí)時(shí)融合，可以進(jìn)一步提高軍事情報(bào)的獲取能力和質(zhì)量。

2)戰(zhàn)場(chǎng)大數(shù)據(jù)信息挖掘與匹配

獲取多體制實(shí)時(shí)信息后，為了進(jìn)行有效的決策，必須在已有的戰(zhàn)場(chǎng)知識(shí)大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，進(jìn)行挖掘、匹配與綜合分析，才能獲得更優(yōu)的決策。

所謂大數(shù)據(jù)，是指需要新處理模式才能具有更強(qiáng)的決策力、洞察發(fā)現(xiàn)力和流程優(yōu)化能力的海量、高增長率和多樣化的信息資產(chǎn)。大數(shù)據(jù)技術(shù)的戰(zhàn)略意義不在于掌握龐大的數(shù)據(jù)信息，而在于對(duì)這些含有意義的數(shù)據(jù)進(jìn)行專業(yè)化處理，通過加工實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的增值。

戰(zhàn)場(chǎng)大數(shù)據(jù)，是眾多大數(shù)據(jù)中的一個(gè)分支。進(jìn)行作戰(zhàn)決策，并不局限于戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的大數(shù)據(jù)，非軍事領(lǐng)域的大數(shù)據(jù)同樣具有參考意義，如經(jīng)濟(jì)大數(shù)據(jù)、群體行為大數(shù)據(jù)、氣候環(huán)境大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)等。

3)新需求的及時(shí)反饋與響應(yīng)

在信息處理與決策過程中，當(dāng)現(xiàn)有信息不足時(shí)，決策中樞應(yīng)當(dāng)能夠產(chǎn)生有針對(duì)性的、有利于準(zhǔn)確決策進(jìn)行的、迫切的信息獲取體制與時(shí)空需求。通過天基裝備的合理調(diào)動(dòng)，及時(shí)響應(yīng)、搜集并反饋給處理中樞。

2　電子與成像協(xié)同應(yīng)用進(jìn)展

就航天領(lǐng)域而言，電子獲取的目標(biāo)定位精度一般在數(shù)千米至數(shù)十千米級(jí)，瞬時(shí)監(jiān)視范圍一般在數(shù)百至數(shù)千平方千米；而成像的圖像分辨率一般在米級(jí)或亞米級(jí)，定位精度一般在百米量級(jí)，瞬時(shí)成像一般在幾十千米的量級(jí)。因此在數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、融合后有以下特點(diǎn)：

電子刻畫的是目標(biāo)配屬的輻射源特征，與分辨率無關(guān)，數(shù)據(jù)經(jīng)過處理，獲得輻射源參數(shù)后，在有關(guān)情報(bào)的支持下，可以較為準(zhǔn)確地判定輻射源類型及型號(hào)；而成像的目標(biāo)識(shí)別能力直接與分辨率有關(guān)，在較低圖像分辨率情況下，只能判定目標(biāo)粗的類別歸屬；但提供成像和電子的融合處理，則可以進(jìn)一步判定目標(biāo)的類型及型號(hào)。另外，對(duì)目標(biāo)定位精度可以顯著提高。王壯、樊昀等結(jié)合電子和成像的各自特點(diǎn)，給出了基于不精確圖匹配方法的平臺(tái)配準(zhǔn)算法、基于模糊推理的目標(biāo)識(shí)別算法和基于證據(jù)理論的目標(biāo)融合識(shí)別算法[3]，如圖3所示。

圖3　基于單星體制的電子與成像融合系統(tǒng)組成框圖

以往的航天協(xié)同研究多針對(duì)信息已經(jīng)獲取后的數(shù)據(jù)融合與識(shí)別上，對(duì)于單星完成目標(biāo)電子快速識(shí)別與快速引導(dǎo)成像無相關(guān)研究。國外文獻(xiàn)檢索到，美國國家安全局(NSA)為提高美軍平臺(tái)效能，于1997年9月進(jìn)行了飛機(jī)引導(dǎo)成像試驗(yàn)，PiperNavaho雙發(fā)動(dòng)機(jī)飛機(jī)搭載了L-3公司的超輕型電子情報(bào)(ELINT)接收機(jī)和洛克希德·馬丁公司的小型戰(zhàn)術(shù)合成孔徑雷達(dá)(STacSAR)，旨在證明信號(hào)情報(bào)(SIGINT)與圖像傳感器間引導(dǎo)成像的可行性，成像載荷因孔徑較小以及視野較窄而受到限制，SIGINT系統(tǒng)彌補(bǔ)了這一缺陷，它增加了對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)輻射源的全方位檢測(cè)與定位，這樣就能將合成孔徑雷達(dá)(SAR)傳感器引至輻射目標(biāo)的方向上。

3　電子與成像協(xié)同應(yīng)用案例

將電子載荷和光學(xué)成像載荷集成于一顆衛(wèi)星，是多體制協(xié)同背景下的一個(gè)重要探索，衛(wèi)星可驗(yàn)證電子引導(dǎo)光學(xué)相機(jī)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行成像的新方法，同時(shí)衛(wèi)星具備更強(qiáng)的時(shí)效性、集約性、低成本和快速響應(yīng)潛力。

3.1綜合運(yùn)用衛(wèi)星示例

衛(wèi)星裝載電子、光學(xué)成像等有效載荷。在綜合模式下，電子載荷對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行廣域搜索、定位，綜合電子分系統(tǒng)根據(jù)自主任務(wù)規(guī)劃算法確定是否具備引導(dǎo)條件及引導(dǎo)參數(shù)，引導(dǎo)相機(jī)指向目標(biāo)成像，兩種載荷的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)由綜合電子分系統(tǒng)數(shù)傳模塊存儲(chǔ)，可通過通信分系統(tǒng)傳輸至地面數(shù)據(jù)接收站。

衛(wèi)星具備同軌多目標(biāo)連續(xù)成像能力，電子載荷發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，通過星上引導(dǎo)算法控制驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)或衛(wèi)星姿態(tài)調(diào)整光學(xué)載荷對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)，對(duì)軌道內(nèi)所能觀測(cè)到的多個(gè)目標(biāo)進(jìn)行成像，如圖4所示。

圖4　多目標(biāo)連續(xù)引導(dǎo)成像示意圖

3.2電子引導(dǎo)光學(xué)成像流程

開創(chuàng)性的在單星上完成電子載荷自主引導(dǎo)光學(xué)成像的功能，是使綜合應(yīng)用衛(wèi)星發(fā)揮重要在軌價(jià)值的核心所在。

其功能是：對(duì)可拍照條件、相對(duì)運(yùn)動(dòng)條件、載荷視場(chǎng)條件等態(tài)勢(shì)的可引導(dǎo)成像條件的自主判斷，以及隨著衛(wèi)星與地面目標(biāo)的高動(dòng)態(tài)相對(duì)運(yùn)動(dòng)情況下，實(shí)現(xiàn)成像準(zhǔn)確的姿態(tài)計(jì)算和相機(jī)成像時(shí)間的確定。

具體工作流程：衛(wèi)星進(jìn)入穩(wěn)態(tài)對(duì)地模式；各載荷開機(jī)；電子載荷發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，輸出有效的位置信息。

引導(dǎo)參數(shù)解算；機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)/姿態(tài)機(jī)動(dòng)，等待引導(dǎo)成像；圖像處理載荷進(jìn)行圖像處理；準(zhǔn)備對(duì)下一個(gè)目標(biāo)，重復(fù)上述流程；各載荷關(guān)機(jī)。

4　電子與成像協(xié)同體制的發(fā)展建議

4.1載荷選型建議

1)電子載荷選型建議

在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上，進(jìn)行頻段范圍擴(kuò)展，提高目標(biāo)發(fā)現(xiàn)概率。加快電子星上并行處理速度，做到每一個(gè)新增目標(biāo)的及時(shí)發(fā)現(xiàn)和存儲(chǔ)，并在已確定目標(biāo)出視場(chǎng)前，通過標(biāo)記節(jié)省星上處理時(shí)間。

2)成像載荷選型建議

可見光載荷受地表天氣和光照條件的影響顯著，SAR則可以全天候全天時(shí)成像，但光學(xué)載荷比SAR的質(zhì)量、體積和功耗更小，實(shí)際任務(wù)需權(quán)衡。對(duì)地成像通過適應(yīng)高亮與微光的光強(qiáng)變化、地影區(qū)成像，進(jìn)一步拓展可成像區(qū)域，通過具備對(duì)可見光、紅外與紫外的成像能力，進(jìn)一步拓展光譜范圍，這都將提高目標(biāo)識(shí)別概率。

4.2衛(wèi)星平臺(tái)適應(yīng)性建議

由于對(duì)多體制載荷信息獲取型衛(wèi)星的快速響應(yīng)及戰(zhàn)術(shù)運(yùn)用需求日益激增，所以要求衛(wèi)星具備高適應(yīng)、快速生產(chǎn)、快速集成、快速測(cè)試等方面的技術(shù)特點(diǎn)，具體如下。

1)高適應(yīng)性平臺(tái)要求

由于搭載了多種載荷，對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)的綜合要求進(jìn)一步提高。高適應(yīng)性平臺(tái)，是指提供給載荷更佳的飛行軌道、姿控性能、安裝布局空間、電氣接口匹配性、熱環(huán)境、力學(xué)特性環(huán)境等。

2)貨架式產(chǎn)品體系要求

對(duì)星上各系統(tǒng)的模塊及設(shè)備按照功能、性能、質(zhì)量、功耗等屬性進(jìn)行梳理，形成貨架式的產(chǎn)品體系，以支持衛(wèi)星快速設(shè)計(jì)、快速集成。當(dāng)衛(wèi)星技術(shù)指標(biāo)確定后，從貨架式產(chǎn)品體系中選擇相應(yīng)模塊或設(shè)備配套整星安裝。

3)快速集成要求

制定衛(wèi)星貨架式產(chǎn)品的機(jī)械接口、電氣接口、軟件設(shè)計(jì)等規(guī)范，供各設(shè)備、模塊的研制單位參照，保證實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品接口、功能的匹配。衛(wèi)星快速集成技術(shù)的實(shí)現(xiàn)主要通過通用化機(jī)械接口設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)化電氣接口設(shè)計(jì)、應(yīng)用軟件功能重構(gòu)設(shè)計(jì)三個(gè)途徑來完成。

4)快速測(cè)試要求

快速測(cè)試自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)的研制，基于總線的自動(dòng)測(cè)試終端、外部響應(yīng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、衛(wèi)星健康狀態(tài)數(shù)據(jù)庫；在保證衛(wèi)星測(cè)試有效性及可靠性的前提下，盡可能地降低測(cè)試周期。

5)低成本研制技術(shù)研究

努力降低衛(wèi)星研制成本，優(yōu)化星上各系統(tǒng)的配置，盡量減少設(shè)備間的備份及冗余，提高產(chǎn)品使用效率；對(duì)商業(yè)級(jí)元器件進(jìn)行加固措施研究論證，在保證衛(wèi)星在軌壽命的前提下，使用抗輻照能力較低的元器件，降低器件采購成本，同時(shí)為批量化生產(chǎn)奠定物質(zhì)基礎(chǔ)。

5　結(jié)束語

為應(yīng)對(duì)未來戰(zhàn)場(chǎng)對(duì)多體制載荷協(xié)同的需求，本文首先以多體制載荷的協(xié)同高效應(yīng)用為出發(fā)點(diǎn)，闡述了多體制載荷信息高效獲取與高效利用的基本內(nèi)涵。然后，介紹了以多手段協(xié)同高效信息獲取為出發(fā)點(diǎn)設(shè)計(jì)的綜合運(yùn)用衛(wèi)星的主要技術(shù)特點(diǎn)。最后，針對(duì)多體制載荷協(xié)同高效的需求，給出了電子與成像協(xié)同體制下的發(fā)展建議，包括載荷選型建議、衛(wèi)星平臺(tái)適應(yīng)性建議等?！?/p>

[1]郭玉華. 多類型對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星聯(lián)合任務(wù)規(guī)劃關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 長沙: 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué),2011.

[2]曾昊. 基于星載異類傳感器的艦船編隊(duì)目標(biāo)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)方法研究[D]. 長沙: 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué),2010.

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The coordinated and efficient application of electronic payload and imaging payload

Deng Wudong, Chen Feng, Cui Benjie, Cheng Fei

(Shanghai Institute of Satellite Engineering,Shanghai 200240,China)

It is very important to catch, deal with and distribute message quickly, exactly and efficiently in war field. One satellite with one sensor has lirnitation, so the need of multi-sensor comes into being. The starts with multi-sensor could work together in high efficiency. The need is analyzed from two aspects:getting message efficiently and using message efficiently. And then a satellite which getting war message with electronic payload and imaging payload are introduced.At last, advices on the development of electronic payload and imaging payload are given.

electronic payload; imaging payload; multi-payload coordination

2016-05-16；2016-07-11修回。

鄧武東(1987-)，男，工程師，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星總體、姿軌控、系統(tǒng)仿真等。

TN971

A