衛星信息支持海域感知關鍵技術分析

王志敏,王建斌,王長力

(海軍裝備研究院, 北京102249)

1 引 言

隨著空間對地觀測技術的快速發展,對地觀測衛星數量逐步增加,性能不斷提高,種類逐漸豐富,囊括了可見光、紅外、多光譜和合成孔徑雷達等遙感手段。近年來,對地觀測衛星在海域感知中得到了日益廣泛的應用,衛星信息在海洋資源調查、水文氣象監測預報、災害調查和評估等方面發揮了重要作用[1-2]。在海上護航等軍事行動中,護航編隊兵力機動分散,海洋環境又復雜多變,對衛星信息融合處理、多手段協同、海量信息快速處理、水下目標探測等提出了更高的要求。本文通過大量的調研分析,梳理提出了面向航母編隊信息保障的快速反應技術、面向任務的異種平臺協同任務規劃及基于效能的異類多平臺協同策略優化技術、目標信息快速處理技術等若干項關鍵技術。

2 衛星信息支持海域感知的重要任務領域

以美國、俄羅斯、法國、德國、印度、日本等為典型的航天國家發展了氣象遙感衛星、陸地遙感衛星、海洋遙感衛星等民用空間資源,并發展了以成像偵察衛星、電子偵察衛星、海洋監視衛星、導彈預警衛星為主體的軍用偵察衛星體系。對地觀測衛星體系構成見圖1。

圖1 對地觀測衛星體系分類框架Fig.1 Frame of earth observing satellites architecture

海灣戰爭以來的實踐表明,衛星信息支持海域感知貫穿于戰爭的全過程,下面分析從戰前準備到戰后評估中衛星信息的重要應用和任務領域。

2.1 在戰前準備階段進行目標和環境信息積累

利用高分辨率對地觀測衛星,偵察作戰對象國家和地區的戰略母港等重要目標和機場、導彈發射陣地等縱深目標,進行目標情報積累,獲取作戰所需的陸岸目標及地理環境等信息,為海上作戰指揮決策、對陸目標攻擊等提供目標信息保障。

2.2 為海上早期預警提供信息支持

利用寬覆蓋中分辨率對地觀測衛星進行大范圍發現,與高分辨率衛星觀測配合[3-4],對預測的作戰海區及防御范圍內的航母編隊、驅護艦編隊等海上重要目標進行早期發現、跟蹤和預警。

2.3 為海上目標跟蹤監視和武器打擊提供信息支持

綜合利用多種衛星觀測手段,對大范圍海上艦船目標進行發現、識別、定位和跟蹤,建立海上目標態勢,為?；磁瀸椞峁蚀_的艦船目標指示信息,并進行變化檢測,提供精確的目標毀傷信息。

2.4 為海戰場作戰提供環境信息保障

海洋廣闊,戰場環境復雜,對艦艇航行安全和武器使用影響很大。要求對地觀測衛星獲取陸地和島礁高精度三維遙感影像、沿岸自然地理要素、重力場和磁力場信息等,為遠程武器打擊提供海洋地理環境保障,為探潛、反潛等軍事活動提供支持。

3 衛星信息支持海域感知關鍵技術

3.1 面向航母編隊作戰信息保障需求的快速反應相關技術

航母編隊是海上兵力的重中之重,對信息保障需求具有精度和時效性要求高、持續時間長等特點,需要研究快速、動態的計劃制定與任務調度方法,能夠在短時間內完成衛星資源的優化分配與調度,并優先安排數據的分發傳輸,同時能對偵察計劃進行實時插入、動態修改,實施相關業務部門的任務調度和協調,優先完成支持作戰的任務保障,從而保證衛星信息的時效性。

一是研究預案推演和評估技術,準確預測衛星系統在任務期間的軌道分布、觀測區域范圍和星下點軌跡等因素,以此為基礎提出針對性強的觀測計劃,有效提高衛星資源使用效率和觀測結果的有效性。

二是在海上突發危機事件等強時效性任務背景下,要求衛星觀測任務計劃時間更短,并具有計劃實時插入、動態修改等能力,需優化、完善衛星觀測計劃制定算法,研究計劃動態修改算法,提高計劃制定效率。此外,不僅觀測任務在不斷變化,在軌衛星資源也會發生變化,需針對需求更新和約束條件的動態變化,構建動態約束模型,利用網絡并行計算技術等,以對正在實施的偵察計劃的影響度最小為前提,開發偵察計劃快速動態編制模型和算法,實現動態化編制。

三是研究面向作戰保障的任務動態調度方法,打破常規的任務調度模式,對衛星測控、數據接收、處理等各業務部門進行動態的任務調度和協調,實現相關任務的實時動態調度,以保證任務的正確執行。

3.2 面向海域觀測任務的異種平臺協同任務規劃技術

由于海戰場目標機動分散,所以對衛星系統的性能指標具有極大的挑戰性,一方面,為了實現對目標的準確識別,要求星載傳感器[5-6]有足夠高的分辨率;另一方面,為了實現對作戰海域的大范圍搜索發現,需要盡可能大的觀測幅寬,這對單顆衛星來說是無法調和的矛盾。因此,亟需開展衛星與航空、臨近空間飛行器、海洋調查船等異種平臺協同[7]技術研究,充分取長補短,實現對大范圍海域的目標監視。

美AD 報告《Planning Coverage of Points of Interest via Multiple Imaging Surveillance Assets:A Multi Modal Approach》中研究了偵察任務規劃問題,試圖同時考慮多顆成像衛星、無人機等多種手段,建立了多種資源聯合偵察模型。加拿大國防部報告《Joint Space-Based Wide A rea Surveillance and Support Capability》中提出了利用RadarSat-2 衛星和船舶自動識別系統(AIS),對重點關注的太平洋、大西洋、北冰洋海域實現近實時的艦船檢測。

目前,協同任務規劃方面較為先進的是多級、分布式聯合任務規劃模式,其思路是綜合考慮各種偵察資源配置、運行管理等因素。圖2 描述了衛星、飛艇、飛機協同實現成像偵察、電子偵察、海洋調查等多手段、多任務的聯合規劃體系。總控級綜合處理任務需求,將任務分解為可規劃調度的元任務序列,指派給各部門偵察監視網絡,部門級任務規劃再通過偵察任務規劃調度引擎將任務分配給每一個傳感器資源,確定其偵察性能要求和航跡。管控級任務規劃是每一個傳感器的單機任務規劃,根據其特定的測控要求、工作模式、約束條件生成具體的傳感器活動序列和操作指令。該方法將一個復雜的規劃調度問題分散到多個層次來建模求解,在資源管理方面具有較強的可操作性。

圖2 多級、分布式空天信息系統任務規劃體系示意圖Fig.2 Multi-level distributed aerospace information systems task planning architecture

3.3 基于偵察效能的異類多平臺協同偵察策略優化技術

偵察任務需求是協同策略構建的輸入和依據。協同策略的設計應遵循性能優、效率高、可實現等準則。首先根據偵察任務需求進行偵察任務分解與規劃,建立基本的協同策略層次體系,明確策略優化的約束條件,根據偵察任務的復雜度進行策略層次分解。以二級策略層次為例,一級為綜合策略層,二級為功能策略層。在功能策略層中根據任務需要建立資源調度策略、傳感器協同策略、空間協同策略、時間協同策略等,通過與偵察任務的分解與任務規劃進行映射,以協同伙伴/協同節點選擇、偵察效能、偵察資源可用性、偵察區域環境條件、偵察目標反偵察能力、資源耗費等作為策略優化的約束條件。

3.4 可伸縮的海戰場環境監測體系結構與柔性部署技術

基于各類海洋遙感衛星,以構建數字海洋為發展目標,構建衛星遙感海戰場環境[1-2]監測體系,加強對海洋的觀測和數值預報,為應對海上方向的多樣化安全威脅、完成海上多樣化軍事任務中的海戰場環境情報保障提供有力支撐。

圖3 基于衛星遙感的海戰場環境監測體系示意圖Fig.3 Architecture of sea battlefield envioronment observing with satellite remote sensing

從基于岸基指揮所的艦隊級大規模分布式應用,到艦載終端的單機甚至嵌入式應用,海戰場環境信息應用平臺需要支持不同規模、不同架構的應用模式。為此,需要進行詳細周密的體系結構設計,從業務模式、系統流程、體系架構、技術細節、接口形式上充分考慮系統平臺在不同規模下的需求和實現方式,最終形成可伸縮的體系結構。

研究各類海戰場環境要素、系統功能和服務的標準化結構和接口,實現系統的模塊化設計和松耦合集成;研究以服務為中心的數據-功能-服務關聯技術,保證系統能夠根據應用模式的要求動態裁剪、加裝和高效運行;研究多系統部署條件下分布數據的集成管理和按需共享技術;研究不同應用模式下的系統部署方案生成技術,保證系統的快速、柔性、分布部署。

3.5 天基遙感探潛技術

對潛艇探測是海上軍事行動的迫切需求,隨著潛艇降噪技術的發展和低噪聲潛艇的投入使用,傳統的聲學探潛面臨嚴峻挑戰。在開拓新的探潛手段時,利用合成孔徑雷達(SAR)、紅外、光學衛星探潛受到重要關注,目前仍處于技術研究的起步階段。

SAR 衛星探潛技術主要揭示SAR 衛星遙感探潛機理,建立潛艇尾跡星載SAR 圖像仿真平臺,開展潛艇尾跡微波探測水槽試驗,分析海面背景的隨機時變特性及尾跡弱反差特性,突破遙感數據水下目標檢測識別技術,對星載SAR 關鍵性能指標進行優化設計,仿真評估SAR 衛星探潛能力等。

可見光/紅外衛星遙感探潛技術主要研究并驗證潛艇尾流計算模型,提取海面潛艇尾跡的可見光和紅外譜段特征,分析潛艇水下航行對海洋生物光強的影響,評估通過海洋生物光強變化探潛的可行性,建立潛艇對海水溫度的影響及變化分布模型,設計可行的紅外探潛方案,建立潛艇尾流觀測模型。

3.6 衛星觀測海上動目標圖像快速處理技術

利用對地觀測衛星監視海上動目標,需要持續觀測獲得連續圖像,所獲海量數據的處理速度慢,衛星信息時效性較低。為生成動目標航跡必須突破海量衛星信息快速處理技術,需要構建快速處理流程和設備架構,對原始數據進行分塊記錄、快視提取,進行多機并行處理實現文件快速拼接、數據預處理。

衛星觀測海上動目標圖像快速處理技術主要包括:光學圖像動目標快速檢測識別技術,SAR 圖像水面目標快速探測方法,海上動目標多源信息融合[5]技術,稀疏控制點條件下海上動目標快速定位技術,海上動目標變化檢測技術,海上動目標檢測處理算法等。

4 結 語

充分利用對地觀測衛星,加強對海戰場目標、環境等的感知能力,并通過衛星與航空、海上、岸基等戰場感知手段進行有效的組織協同,對多源信息進行綜合處理和深度融合,為海上作戰提供準確、及時、可靠的目標和環境信息,是對地觀測衛星軍事應用的重要方向。梳理海上作戰衛星信息保障關鍵技術,可以有效推動衛星對地觀測技術的發展,為提高海域感知能力提供技術支撐。

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