基于衛星綜合應用技術的邊境海岸防御監測信息系統的研究

·文|航天恒星科技有限公司 尚壹 李寶明 郭偉 游佳君

基于衛星綜合應用技術的邊境海岸防御監測信息系統的研究

·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，在衛星綜合應用技術基礎上提出的邊境海岸防御監測信息系統通過自動化流程采用衛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。邊境海岸防御監測信息系統主要由遙感衛星監測系統、無人機監測系統、地面監測系統以及指揮通信系統四大部分構成。

邊境海岸防御 邊境問題 遙感影像 遙感衛星監測 無人機監測 地面監測

一、 引言

當前隨著科技的發展，歐美等發達國家基于多種技術的ISR應用系統已廣泛應用于軍事、公共安全及政府安全多個方面。而基于天基的ISR系統更是在美軍近期的歷次戰爭中發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。尤其是邊境區域存在無人區或不宜長期駐兵布防的國家，對于上述邊境問題的發現及取證存在一定難度，而不能及時地發現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。因此如何能及時發現并獲取準確清晰的邊境問題相關現場證據是處理邊境問題的關鍵所在。因而在能力允許基礎上，國家建立一個統一高效的邊境海岸防御監測信息系統是非常必要的。通過基于天基空基的遙感影像及視頻可以及時發現邊境問題，監測邊境敏感區域，識別邊境車輛、人員[3]，提供更為準確清晰直觀的證據，而隨著商業高分遙感衛星的普及和無人機技術的發展，進一步提高了邊境海岸防御監測信息系統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；通過衛星導航終端的使用滿足監測目標坐標信息的獲取；而通過后臺處理系統對各類天空基監測信息的綜合處理形成邊境態勢圖。

二、 總體方案設計

1. 系統架構及原理

如圖1所示，邊境海岸防御監測信息系統架構主要分為天基、空基和陸基三個層面，涵蓋天基監測、空基監測和陸基監測。天基層面通過遙感衛星實現目標國和邊境的遙感圖像監測，通過導航衛星為地面目標及空基設備提供定位服務，通過通信衛星提供衛星通信傳輸鏈路實現監測信息實時回傳；空基層面通過無人機獲取對邊境地區監測的遙感圖像、視頻及目標坐標；地基層面，通過地面動中通監測車獲取邊境地區的視頻并實時回傳，通過衛星VSAT設備與通信衛星建立衛星通信網絡和地面網絡將分布在各邊境地區的無人機地面測控站和地面監測設備與指揮中心連接成通信網絡。系統采用遙感衛星、無人機、衛通車以及雷達等多源傳感器獲取邊境圖像、視頻和其他監測數據，并將監測數據通過通信衛星鏈路和地面其他傳輸通道建立的異構多傳感器傳輸網絡[4]傳回指控中心進行信息綜合獲得指揮所需情報，生成邊境區域態勢圖。當前，異構多傳感器傳輸網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 邊境海岸線防御監測信息系統組成圖

2. 系統組成及功能

邊境海岸防御信息化系統包括遙感衛星監測分系統、無人機監測分系統、指控通信分系統和地面監測分系統，見圖2。以衛星遙感圖像和無人機遙感圖像及視頻監測為主，輔以地面視頻及圖像監測實現對邊境進行戰略和戰術層面的監測。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略設施的高分遙感監測，獲取鄰國軍事戰略動態，對本國邊防提出預警；②提供邊境地區敏感區域的高分遙感監測影像；③提供邊境監測視頻信息獲取并實時回傳到指揮部；④提供邊境人員、車輛的監測和識別；⑤提供后期圖像、視頻、電文等多源傳感器監測數據融合處理；⑥提供被監測邊境區域態勢圖生成；⑦提供情報態勢圖數據分發。

圖2 系統組成圖

遙感衛星監測分系統主要包括遙感衛星子系統和地面應用子系統。通過遙感衛星子系統獲取目標區域遙感影像，發送給地面應用子系統，經過地面應用子系統的后期處理，形成情報產品輸出給指揮通信分系統作為最終邊境態勢圖產品的輸入。

無人機監測分系統主要包括無人機子系統和地面測控站。通過無人機子系統獲取目標區域遙感影像和視頻，實時或離線發送到地面測控站。經過地面測控站的后期處理，形成情報產品輸出給指揮通信分系統作為最終邊境態勢圖產品的輸入。

地面監測分系統主要包括地面信息采集子系統和地面監測指揮站。通過地面動中通監測設備和雷達監測設備獲取視頻和近空、近海雷達探測數據，形成情報產品輸出給指揮通信分系統作為最終邊境態勢圖產品的輸入。

指揮通信分系統主要包括指揮控制中心、通信衛星子系統和VSAT通信網絡。通過VSAT通信網絡和通信衛星子系統構成的衛星雙向通信網絡實現指揮控制中心和地面應用子系統、無人機地面測控站、地面監測指揮站及動中通和雷達等終端的連接。通過衛星通信網絡和地面網絡指揮控制中心接收遙感監測數據處理產品、無人機監測數據處理產品、動中通監測數據處理產品、雷達監測數據處理產品及各類制式文電信息，將此類信息綜合形成邊境態勢圖供各級決策者參考，同時將決策信息和情報按需分發，為多部門協同行動提供情報數據支持。

3.系統配置原則及性能指標

（1）系統配置原則

系統配置原則依據邊境防御需求進行，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配置基本原則。對目標的解譯分類一般分為發現、識別、確認以及描述分析4檔。所謂“發現”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、組成部分的結構、設備數量等。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]

依據表1和實際所要監測的邊境海岸目標需求可進行系統配置。

（2）系統性能指標

系統性能依據系統配置而定，此處給出典型系統配置下的性能指標。典型配置為遙感衛星載荷為全色/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。以下是典型系統性能指標要求：①系統天基遙感衛星空間分辨率全色優于2m，多光譜優于8m；②遙感衛星回訪周期（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（通過增減無人機數量和飛行架次可控制監測點回訪周期）；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數據傳輸能力：視頻監測信號可實時傳輸（延遲低于300ms）；⑨導航方式：GPS/北斗/GLONASS;⑩態勢圖更新周期：典型值小于30min，但態勢圖具體更新時間需根據態勢圖繁簡需求有所變化。

三、 關鍵技術

系統監測能力主要體現為信息源的準確性和及時性。因此本系統關鍵技術主要包括高分辨率遙感圖像與多源異構傳感器數據融合和多傳感器自動運行規劃調度。

1.遙感圖像與多源異構傳感器數據融合

本系統針對邊境區域以遙感衛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、地面監視視頻信息等地面監測信息進行數據融合。數據融合包含像素級、特征級和決策級融合3個層次。通過像素級融合獲取更優的原始監測影像信息，例如通過將衛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，例如由衛星大范圍掃描發現邊境火災后，由無人機確定火災的具體著火點和過火面積，由地面監測對火災產生和蔓延過程進行進一步分析；將決策級融合作為態勢圖生成的基礎數據，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，針對邊境監測情況優化決策算法，實現融合目的。

2.多傳感器自動運行規劃調度

本系統通過對遙感衛星、無人機、動中通監視、雷達等多種傳感器進行統一的規劃、調度和控制，實現邊境海岸監測信息的準確獲取和高效傳遞。結合遙感衛星的運控系統、無人機的地面測控系統和動中通及雷達等地面傳感器的任務系統實現多傳感器運行的自動或半自動化規劃、調度。其中遙感衛星與其他傳感器的任務協同規劃和調度采用半自動方式，無人機與地面任務協同規劃與調度采用全自動方式，其中調度策略是系統能夠高效運行的關鍵所在，系統運行流程如圖3所示。

圖3 系統任務運行流程圖

四、結論

本文對衛星綜合應用技術在邊境海岸防御中的應用進行了研究，提出了一種基于衛星綜合應用技術的邊境海岸防御監測信息系統設計方案，并給出了方案設計思路和典型配置，通過邊境海岸防御監測信息系統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。

[1] 任國軍. 美軍聯合作戰情報支援研究[M]. 北京：軍事科學出版社, 2010,366～388.

[2]廖楚江，孟令杰， 賀東雷， 申志強. 遙感技術在戰場偵察與效果評估中的應用[J]. 航天電子對抗,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.