·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)星綜合應用技術的邊境海岸防御監(jiān)測信息系統(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題。如何及時獲得這些邊境情況的準確信息是處理此類問題的關鍵所在，在衛(wèi)星綜合應用技術基礎上提出的邊境海岸防御監(jiān)測信息系統(tǒng)通過自動化流程采用衛(wèi)星和無人機等手段及時獲取遙感影像及視頻等信息并通過后期處理為解決此類邊境問題提供及時準確的情報資料，為各國恰當快速解決邊境問題提供情報保障。邊境海岸防御監(jiān)測信息系統(tǒng)主要由遙感衛(wèi)星監(jiān)測系統(tǒng)、無人機監(jiān)測系統(tǒng)、地面監(jiān)測系統(tǒng)以及指揮通信系統(tǒng)四大部分構(gòu)成。

邊境海岸防御 邊境問題 遙感影像 遙感衛(wèi)星監(jiān)測 無人機監(jiān)測 地面監(jiān)測

一、 引言

當前隨著科技的發(fā)展，歐美等發(fā)達國家基于多種技術的ISR應用系統(tǒng)已廣泛應用于軍事、公共安全及政府安全多個方面。而基于天基的ISR系統(tǒng)更是在美軍近期的歷次戰(zhàn)爭中發(fā)揮了極為重要的作用[1]，由此可見遙感技術已廣泛應用于各類偵察和效果評估方面[2]。

當前許多國家在邊境上或多或少面臨著諸如領土爭端、走私、偷渡、恐怖分子越境及局部武裝沖突等多種問題。尤其是邊境區(qū)域存在無人區(qū)或不宜長期駐兵布防的國家，對于上述邊境問題的發(fā)現(xiàn)及取證存在一定難度，而不能及時地發(fā)現(xiàn)上述邊境問題并獲取準確清晰的信息以供國防及政府公共安全部門決斷處理，任由其發(fā)展可能會對邊境雙方國家造成更為嚴重的負面影響。因此如何能及時發(fā)現(xiàn)并獲取準確清晰的邊境問題相關現(xiàn)場證據(jù)是處理邊境問題的關鍵所在。因而在能力允許基礎上，國家建立一個統(tǒng)一高效的邊境海岸防御監(jiān)測信息系統(tǒng)是非常必要的。通過基于天基空基的遙感影像及視頻可以及時發(fā)現(xiàn)邊境問題，監(jiān)測邊境敏感區(qū)域，識別邊境車輛、人員[3]，提供更為準確清晰直觀的證據(jù)，而隨著商業(yè)高分遙感衛(wèi)星的普及和無人機技術的發(fā)展，進一步提高了邊境海岸防御監(jiān)測信息系統(tǒng)的自動化程度和問題處理效率；通過使用無線通信滿足邊境情報傳輸對通信實時性的需求；通過衛(wèi)星導航終端的使用滿足監(jiān)測目標坐標信息的獲?。欢ㄟ^后臺處理系統(tǒng)對各類天空基監(jiān)測信息的綜合處理形成邊境態(tài)勢圖。

二、 總體方案設計

1. 系統(tǒng)架構(gòu)及原理

如圖1所示，邊境海岸防御監(jiān)測信息系統(tǒng)架構(gòu)主要分為天基、空基和陸基三個層面，涵蓋天基監(jiān)測、空基監(jiān)測和陸基監(jiān)測。天基層面通過遙感衛(wèi)星實現(xiàn)目標國和邊境的遙感圖像監(jiān)測，通過導航衛(wèi)星為地面目標及空基設備提供定位服務，通過通信衛(wèi)星提供衛(wèi)星通信傳輸鏈路實現(xiàn)監(jiān)測信息實時回傳；空基層面通過無人機獲取對邊境地區(qū)監(jiān)測的遙感圖像、視頻及目標坐標；地基層面，通過地面動中通監(jiān)測車獲取邊境地區(qū)的視頻并實時回傳，通過衛(wèi)星VSAT設備與通信衛(wèi)星建立衛(wèi)星通信網(wǎng)絡和地面網(wǎng)絡將分布在各邊境地區(qū)的無人機地面測控站和地面監(jiān)測設備與指揮中心連接成通信網(wǎng)絡。系統(tǒng)采用遙感衛(wèi)星、無人機、衛(wèi)通車以及雷達等多源傳感器獲取邊境圖像、視頻和其他監(jiān)測數(shù)據(jù)，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)通過通信衛(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[4]傳回指控中心進行信息綜合獲得指揮所需情報，生成邊境區(qū)域態(tài)勢圖。當前，異構(gòu)多傳感器傳輸網(wǎng)絡的研究和應用在對地觀測領域已廣泛展開[5-6]，具備分布式信息高效融合和實時信息服務的能力。

圖1 邊境海岸線防御監(jiān)測信息系統(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)測分系統(tǒng)、無人機監(jiān)測分系統(tǒng)、指控通信分系統(tǒng)和地面監(jiān)測分系統(tǒng)，見圖2。以衛(wèi)星遙感圖像和無人機遙感圖像及視頻監(jiān)測為主，輔以地面視頻及圖像監(jiān)測實現(xiàn)對邊境進行戰(zhàn)略和戰(zhàn)術層面的監(jiān)測。主要提供如下功能：①提供對所關注邊境相關鄰國軍事基地、準軍事設施以及重要戰(zhàn)略設施的高分遙感監(jiān)測，獲取鄰國軍事戰(zhàn)略動態(tài)，對本國邊防提出預警；②提供邊境地區(qū)敏感區(qū)域的高分遙感監(jiān)測影像；③提供邊境監(jiān)測視頻信息獲取并實時回傳到指揮部；④提供邊境人員、車輛的監(jiān)測和識別；⑤提供后期圖像、視頻、電文等多源傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)融合處理；⑥提供被監(jiān)測邊境區(qū)域態(tài)勢圖生成；⑦提供情報態(tài)勢圖數(shù)據(jù)分發(fā)。

圖2 系統(tǒng)組成圖

遙感衛(wèi)星監(jiān)測分系統(tǒng)主要包括遙感衛(wèi)星子系統(tǒng)和地面應用子系統(tǒng)。通過遙感衛(wèi)星子系統(tǒng)獲取目標區(qū)域遙感影像，發(fā)送給地面應用子系統(tǒng)，經(jīng)過地面應用子系統(tǒng)的后期處理，形成情報產(chǎn)品輸出給指揮通信分系統(tǒng)作為最終邊境態(tài)勢圖產(chǎn)品的輸入。

無人機監(jiān)測分系統(tǒng)主要包括無人機子系統(tǒng)和地面測控站。通過無人機子系統(tǒng)獲取目標區(qū)域遙感影像和視頻，實時或離線發(fā)送到地面測控站。經(jīng)過地面測控站的后期處理，形成情報產(chǎn)品輸出給指揮通信分系統(tǒng)作為最終邊境態(tài)勢圖產(chǎn)品的輸入。

地面監(jiān)測分系統(tǒng)主要包括地面信息采集子系統(tǒng)和地面監(jiān)測指揮站。通過地面動中通監(jiān)測設備和雷達監(jiān)測設備獲取視頻和近空、近海雷達探測數(shù)據(jù)，形成情報產(chǎn)品輸出給指揮通信分系統(tǒng)作為最終邊境態(tài)勢圖產(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。通過VSAT通信網(wǎng)絡和通信衛(wèi)星子系統(tǒng)構(gòu)成的衛(wèi)星雙向通信網(wǎng)絡實現(xiàn)指揮控制中心和地面應用子系統(tǒng)、無人機地面測控站、地面監(jiān)測指揮站及動中通和雷達等終端的連接。通過衛(wèi)星通信網(wǎng)絡和地面網(wǎng)絡指揮控制中心接收遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)處理產(chǎn)品、無人機監(jiān)測數(shù)據(jù)處理產(chǎn)品、動中通監(jiān)測數(shù)據(jù)處理產(chǎn)品、雷達監(jiān)測數(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)勢圖供各級決策者參考，同時將決策信息和情報按需分發(fā)，為多部門協(xié)同行動提供情報數(shù)據(jù)支持。

3.系統(tǒng)配置原則及性能指標

（1）系統(tǒng)配置原則

系統(tǒng)配置原則依據(jù)邊境防御需求進行，邊境防御需求的關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。對目標的解譯分類一般分為發(fā)現(xiàn)、識別、確認以及描述分析4檔。所謂“發(fā)現(xiàn)”是提供感興趣的各種單元、物體或行動的位置；“識別”是要測定出一般目標的類別；“確認”是要判定目標為已知類別中的哪種類別及型號；“描述分析”是要提供目標的尺寸/范圍、輪廓/布局、組成部分的結(jié)構(gòu)、設備數(shù)量等。表1給出了對各種任務解譯所需部分的分辨率原則。

表1 解譯任務所需部分分辨率原則列表[7]

依據(jù)表1和實際所要監(jiān)測的邊境海岸目標需求可進行系統(tǒng)配置。

（2）系統(tǒng)性能指標

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。典型配置為遙感衛(wèi)星載荷為全色/多光譜相機；無人機載荷包括可見光相機、攝像頭和紅外攝像頭；動中通采用可見光攝像頭；雷達采用岸防超視距雷達。以下是典型系統(tǒng)性能指標要求：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（時間分辨率）：約1天（3星星座），約4天（單星）；③空基無人機空間分辨率可見光優(yōu)于0.2m；④空基無人機視頻分辨率為可見光為1920X1080，紅外為640X320；⑤無人機回訪周期（時間分辨率）為：0～8小時（通過增減無人機數(shù)量和飛行架次可控制監(jiān)測點回訪周期）；⑥地基動中通分辨率為可見光為1920X1080； ⑦雷達分辨率為：方位角1.4°,距離1000m；⑧數(shù)據(jù)傳輸能力：視頻監(jiān)測信號可實時傳輸（延遲低于300ms）；⑨導航方式：GPS/北斗/GLONASS;⑩態(tài)勢圖更新周期：典型值小于30min，但態(tài)勢圖具體更新時間需根據(jù)態(tài)勢圖繁簡需求有所變化。

三、 關鍵技術

系統(tǒng)監(jiān)測能力主要體現(xiàn)為信息源的準確性和及時性。因此本系統(tǒng)關鍵技術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運行規(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)針對邊境區(qū)域以遙感衛(wèi)星的遙感影像為基礎與無人機遙感影像和視頻信息以及雷達探測信息、地面監(jiān)視視頻信息等地面監(jiān)測信息進行數(shù)據(jù)融合。數(shù)據(jù)融合包含像素級、特征級和決策級融合3個層次。通過像素級融合獲取更優(yōu)的原始監(jiān)測影像信息，例如通過將衛(wèi)星影像和無人機影像進行像素級融合生成分辨率更高的假彩圖像；將特征級融合應用與多傳感器的目標跟蹤，例如由衛(wèi)星大范圍掃描發(fā)現(xiàn)邊境火災后，由無人機確定火災的具體著火點和過火面積，由地面監(jiān)測對火災產(chǎn)生和蔓延過程進行進一步分析；將決策級融合作為態(tài)勢圖生成的基礎數(shù)據(jù)，有選擇地利用特征級融合所抽取或測量的有關目標的各類特征信息，針對邊境監(jiān)測情況優(yōu)化決策算法，實現(xiàn)融合目的。

2.多傳感器自動運行規(guī)劃調(diào)度

本系統(tǒng)通過對遙感衛(wèi)星、無人機、動中通監(jiān)視、雷達等多種傳感器進行統(tǒng)一的規(guī)劃、調(diào)度和控制，實現(xiàn)邊境海岸監(jiān)測信息的準確獲取和高效傳遞。結(jié)合遙感衛(wèi)星的運控系統(tǒng)、無人機的地面測控系統(tǒng)和動中通及雷達等地面?zhèn)鞲衅鞯娜蝿障到y(tǒng)實現(xiàn)多傳感器運行的自動或半自動化規(guī)劃、調(diào)度。其中遙感衛(wèi)星與其他傳感器的任務協(xié)同規(guī)劃和調(diào)度采用半自動方式，無人機與地面任務協(xié)同規(guī)劃與調(diào)度采用全自動方式，其中調(diào)度策略是系統(tǒng)能夠高效運行的關鍵所在，系統(tǒng)運行流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)任務運行流程圖

四、結(jié)論

本文對衛(wèi)星綜合應用技術在邊境海岸防御中的應用進行了研究，提出了一種基于衛(wèi)星綜合應用技術的邊境海岸防御監(jiān)測信息系統(tǒng)設計方案，并給出了方案設計思路和典型配置，通過邊境海岸防御監(jiān)測信息系統(tǒng)的應用將保證國家獲取邊境情況的及時性和準確性，可有效提高軍事或者公共安全領域邊境事務處理的效率。

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