天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)融合技術(shù)研究

李常春 王康年 嚴(yán)明

摘要：天地一體化傳輸網(wǎng)絡(luò)已基本成型，依托天地一體化網(wǎng)絡(luò)組建的戰(zhàn)場(chǎng)信息系統(tǒng)，確保軍事強(qiáng)國(guó)可以從天、空、地甚至海上等多維空間同時(shí)獲取諸多戰(zhàn)場(chǎng)信息。如果對(duì)信息處理方式不當(dāng)或信息處理不及時(shí)，將直接影響信息的準(zhǔn)確性和目標(biāo)位置的精確性。以防空預(yù)警信息系統(tǒng)為實(shí)例，研究采用信息融合技術(shù)，對(duì)天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)獲取的多維信息進(jìn)行處理，不僅提升網(wǎng)絡(luò)的時(shí)效性和可靠性，同時(shí)對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)作戰(zhàn)和武器作戰(zhàn)性能的提升有深遠(yuǎn)影響。

關(guān)鍵詞：天地一體化網(wǎng)絡(luò)；信息采集；信息服務(wù)；數(shù)據(jù)融合

中圖分類(lèi)號(hào)：TP212文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1008-1739（2018）16-60-3

Research on Data Fusion Technology of Integrated Space-ground Information Network

LI Changchun1， WANG Kangnian2，YAN Ming3

（1. Chongqing Engineering College， Chongqing 400056， China； 2. Chongqing Communication College， Chongqing 400035， China； 3. Communication NCO Academy， Army Engineering University of PLA， Chongqing 400035， China）

0引言

隨著衛(wèi)星通信的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)為主的傳輸方式將被淘汰，未來(lái)以信息交換和傳輸為基礎(chǔ)，處理和應(yīng)用為核心，支撐全域空間的軍民融合使命為目的的天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)，必將成為大型網(wǎng)絡(luò)的信息基礎(chǔ)設(shè)施[1]，滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國(guó)防安全發(fā)展的要求。天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)是綜合利用現(xiàn)代信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以信息流為載體，以任務(wù)使命為指引，匯聚空、天、地信息技術(shù)的各自優(yōu)勢(shì)，有效獲取和傳輸空、天、地、海等多維信息，采用資源統(tǒng)籌運(yùn)用、信息融合處理、任務(wù)協(xié)同分發(fā)和動(dòng)作組織管理等方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)空復(fù)雜的一體化網(wǎng)絡(luò)綜合處理和高效利用，滿足為各個(gè)用戶提供實(shí)時(shí)、可靠及信息服務(wù)需求的機(jī)動(dòng)、高效、智能、協(xié)同的信息網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施[2]和決策支持系統(tǒng)。

伴隨天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展變化，網(wǎng)絡(luò)中的各種行業(yè)信息系統(tǒng)不斷增多，信息量也會(huì)劇增，因此，需要對(duì)信息進(jìn)行復(fù)雜的處理。

1天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)

天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)由3層和2個(gè)系統(tǒng)組成[3]，3層從底向上分別是數(shù)據(jù)傳輸層、數(shù)據(jù)交換層和信息服務(wù)層組成，每一層也可以看成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)；2個(gè)系統(tǒng)是指信息采集系統(tǒng)和信息處理系統(tǒng)，如圖1所示。

1.1數(shù)據(jù)傳輸層

數(shù)據(jù)傳輸層實(shí)際上指的是由天基、空基和地面站等構(gòu)成的天地一體化傳輸網(wǎng)絡(luò)，天基系統(tǒng)包括高、中、低通信衛(wèi)星和空間站形成傳輸鏈路，高軌道衛(wèi)星之間形成星間鏈路，天基系統(tǒng)與空基和地面站之間形成傳輸鏈路，如圖2所示。

空基系統(tǒng)包括升空中繼平臺(tái)和各種通信中繼用的飛機(jī)，與天基系統(tǒng)、地面站和多種地面通信終端形成傳輸鏈路。地面站主要由各種衛(wèi)星地面站和地面站之間的光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)組成，具備數(shù)據(jù)傳輸和交換功能，對(duì)減少多跳和形成天地一體的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)起到重要作用。

1.2數(shù)據(jù)交換層

數(shù)據(jù)交換層位于信息服務(wù)層和數(shù)據(jù)傳輸層之間，主要完成各種信息的交換，引導(dǎo)并控制信息傳輸功能，實(shí)現(xiàn)信息無(wú)縫連接，具體采用ATM、IP和MPLS等多種交換方式。

1.3信息服務(wù)層

天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)可以走軍民融合的發(fā)展道路，建成后，戰(zhàn)時(shí)為軍隊(duì)作戰(zhàn)服務(wù)，平時(shí)為國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、社會(huì)治安和居民生活等方面提供信息服務(wù)。依托天地一體化網(wǎng)絡(luò)可以建成多個(gè)行業(yè)門(mén)戶信息系統(tǒng)，信息系統(tǒng)可以采用SOA服務(wù)架構(gòu)，構(gòu)建具備云計(jì)算、云存儲(chǔ)能力的分布式及跨平臺(tái)的大數(shù)據(jù)服務(wù)能力的信息系統(tǒng)，同時(shí)具備實(shí)時(shí)與非實(shí)時(shí)、主動(dòng)獲取、推送廣播和點(diǎn)播等多種服務(wù)模式，最終要滿足行業(yè)的需求并提升信息服務(wù)水平。

1.4 2個(gè)系統(tǒng)

①信息采集系統(tǒng)主要由遙感、探測(cè)與監(jiān)視衛(wèi)星、地面雷達(dá)站、海監(jiān)船、各種傳感器網(wǎng)絡(luò)[4]和視頻監(jiān)控等組成。主要負(fù)責(zé)大氣、水紋、空中、水面、水下和地面目標(biāo)的識(shí)別和采集，實(shí)時(shí)回傳到指定的信息中心和武器平臺(tái)。

②信息處理系統(tǒng)主要完成消息預(yù)判、過(guò)濾、信息融合、信息存儲(chǔ)與提取和數(shù)據(jù)容災(zāi)備份等功能，信息處理系統(tǒng)涉及到人工智能技術(shù)、模式識(shí)別技術(shù)、數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和信息論等多種復(fù)雜算法，對(duì)信息的真實(shí)性、實(shí)時(shí)性和指揮決策起到至關(guān)重要作用。

2天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)中的信息融合

2.1信息融合

信息融合也稱(chēng)數(shù)據(jù)融合技術(shù)，指對(duì)各種信息源發(fā)出的相關(guān)信息的采集、傳輸、綜合、過(guò)濾與合成，對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)或環(huán)境判定、目標(biāo)探測(cè)、路徑規(guī)劃、消息驗(yàn)證和精確打擊等起到輔助作用。如信息化條件下作戰(zhàn)，戰(zhàn)場(chǎng)上能否及時(shí)準(zhǔn)確地獲取各種有用的戰(zhàn)場(chǎng)信息，包括戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)和威脅目標(biāo)及其危險(xiǎn)程度進(jìn)行實(shí)時(shí)的、客觀的評(píng)價(jià)，對(duì)實(shí)施戰(zhàn)術(shù)、戰(zhàn)略輔助決策與作戰(zhàn)部隊(duì)的指揮控制起到重要作用。戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)瞬息萬(wàn)變，影響決策的因素錯(cuò)綜復(fù)雜，要求指揮員在最短的時(shí)間內(nèi)，做出對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)最準(zhǔn)確的判斷，對(duì)作戰(zhàn)部隊(duì)實(shí)施最有效的指揮控制。這一系列的決定，需要高效的數(shù)據(jù)融合[5]技術(shù)手段做保障。否則再高明的軍事領(lǐng)導(dǎo)人和指揮官也會(huì)被浩如煙海的數(shù)據(jù)所淹沒(méi)，導(dǎo)致判斷失誤、延誤決策和錯(cuò)失良機(jī)，將會(huì)造成不可估量的戰(zhàn)場(chǎng)損失。

2.2數(shù)據(jù)融合的方法與分類(lèi)

（1）數(shù)據(jù)融合方法

隨著數(shù)據(jù)融合技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)融合方法也在不斷更新完善，方法也越來(lái)越多，不同的方法針對(duì)性也存在差異，但對(duì)各種傳感器信息都適用且能進(jìn)行數(shù)據(jù)融合的方法基本不存在，需要根據(jù)具體運(yùn)用領(lǐng)域采用可行融合方法，通常處理數(shù)據(jù)的過(guò)程包括相關(guān)、估計(jì)和識(shí)別這3個(gè)環(huán)節(jié)。①相關(guān)處理中一般的處理方法有聚類(lèi)分析法、最近鄰法則、統(tǒng)計(jì)關(guān)聯(lián)法、最大似然估計(jì)法和最優(yōu)差別法等；②估計(jì)處理中一般的處理方法有最小二乘法、卡爾曼濾波法及最大似然法等；③識(shí)別處理中一般的處理方法有證據(jù)推理法、貝葉斯估計(jì)法、模糊識(shí)別法、表決法及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。

（2）數(shù)據(jù)融合分類(lèi)

數(shù)據(jù)融合的分類(lèi)方法不同，其融合方法也有區(qū)別，根據(jù)操作層次不同分為數(shù)據(jù)級(jí)融合、特征級(jí)融合和決策級(jí)融合3個(gè)層次。

①數(shù)據(jù)級(jí)融合：直接將采集到的源數(shù)據(jù)進(jìn)行融合的操作，數(shù)據(jù)未經(jīng)后期處理就對(duì)其進(jìn)行分析及綜合，這是最低層次的數(shù)據(jù)融合，融合能處理盡可能多地未修改原始數(shù)據(jù)，提供很多其他融合層次無(wú)法提供的細(xì)節(jié)信息。優(yōu)點(diǎn)是提供了盡可能多的細(xì)節(jié)信息；缺點(diǎn)是該層次包含的信息很多，處理時(shí)間較長(zhǎng)，實(shí)時(shí)性較差。

②特征級(jí)融合：是中間層次，從采集到的原始數(shù)據(jù)中提取特征信息，提取出來(lái)的特征信息應(yīng)是具有一定代表性的特征向量，能夠按特征信息對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)、匯集與綜合，這一層次融合又可以分為目標(biāo)特性融合和目標(biāo)狀態(tài)數(shù)據(jù)融合2類(lèi)，前者常運(yùn)用于目標(biāo)識(shí)別領(lǐng)域，后者常運(yùn)用于目標(biāo)跟蹤領(lǐng)域。優(yōu)點(diǎn)是完成了一定的信息壓縮，便于實(shí)時(shí)處理；缺點(diǎn)是由于丟失一定細(xì)節(jié)信息會(huì)使其準(zhǔn)確性有所下降。

③決策級(jí)融合：是在最高級(jí)層次進(jìn)行的融合，是一種高層次融合，信號(hào)處理裝置要在進(jìn)行融合之前完成決策或分類(lèi)任務(wù)，為用戶最終決策提供的依據(jù)來(lái)源就是決策級(jí)融合的結(jié)果，所以此層次融合必須來(lái)源于實(shí)際的決策需求，運(yùn)用特定的融合技術(shù)處理特征級(jí)融合所提供的各種特征信息，為決策級(jí)融合服務(wù)。優(yōu)點(diǎn)是高靈活性、傳送帶寬要求較低及不錯(cuò)的容錯(cuò)性等；缺點(diǎn)是需要對(duì)采集的原始信息進(jìn)行預(yù)處理并獲得相應(yīng)的判決結(jié)果，因此預(yù)處理代價(jià)較高。

2.3防空預(yù)警信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合處理

假定某防空預(yù)警信息系統(tǒng)偵查發(fā)現(xiàn)敵機(jī)入侵后，快速做出反擊決策過(guò)程中的數(shù)據(jù)融合處理[6]。整個(gè)過(guò)程可分為預(yù)處理和決策數(shù)據(jù)融合2個(gè)融合處理過(guò)程。其中預(yù)處理由各路采集系統(tǒng)負(fù)責(zé)處理，如圖3所示。

①由于地形因素、衛(wèi)星擾動(dòng)、天氣變化和大氣散射等隨機(jī)因素對(duì)成像結(jié)果會(huì)造成透視收縮、疊掩和陰影的影響，需要進(jìn)行幾何糾正、大氣訂正及輻射校正等圖像處理；

②由于不同傳感器獲取影像的拍攝角度、時(shí)相及分辨率等方面的存在差異，需要進(jìn)行影像空間配準(zhǔn)處理；

③在第2步處理完成配準(zhǔn)的2幅影像上，選擇提取邊界、線狀物交叉點(diǎn)和區(qū)域輪廓線等明顯的特征。

④在第3步處理后的2幅影像上，對(duì)比較明顯的物點(diǎn)進(jìn)行特征匹配處理，作為控制點(diǎn)；

⑤將第4步得到的控制點(diǎn)，完成空間變化，建立影像間的映射關(guān)系；

⑥根據(jù)影像映射關(guān)系，對(duì)非參考影像進(jìn)行重采樣，獲取同參考影像配準(zhǔn)的影像，進(jìn)行插值處理，空間配準(zhǔn)的精度一般要求在1～2個(gè)像元內(nèi)；

⑦目標(biāo)識(shí)別：通過(guò)上述處理后，識(shí)別出入侵?jǐn)硻C(jī)目標(biāo)，并將該信息放送到指控中心和武器平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)決策融合處理。

防空預(yù)警信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合處理，通常依據(jù)每路數(shù)據(jù)的時(shí)間戳和目標(biāo)位置進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算，獲取目標(biāo)移動(dòng)軌跡和運(yùn)行速度等參數(shù)，并加注到攻擊武器中，目的就是提高時(shí)間效率和反擊率。

3結(jié)束語(yǔ)

天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)中的行業(yè)信息系統(tǒng)不斷增多，信息量劇增，采用數(shù)據(jù)融合技術(shù)主要確保網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)各單元與信息中心之間的連通性與實(shí)時(shí)性，把軍事操作人員和情報(bào)分析人員從繁瑣的事務(wù)處理工作中解脫出來(lái)，提升網(wǎng)絡(luò)的實(shí)效性和可靠性，并對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)作戰(zhàn)和武器作戰(zhàn)性能的提升有深遠(yuǎn)影響。

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