天地一體化信息網絡數據融合技術研究

李常春 王康年 嚴明

摘要：天地一體化傳輸網絡已基本成型，依托天地一體化網絡組建的戰場信息系統，確保軍事強國可以從天、空、地甚至海上等多維空間同時獲取諸多戰場信息。如果對信息處理方式不當或信息處理不及時，將直接影響信息的準確性和目標位置的精確性。以防空預警信息系統為實例，研究采用信息融合技術，對天地一體化信息網絡獲取的多維信息進行處理，不僅提升網絡的時效性和可靠性，同時對戰場作戰和武器作戰性能的提升有深遠影響。

關鍵詞：天地一體化網絡；信息采集；信息服務；數據融合

中圖分類號：TP212文獻標志碼：A文章編號：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

隨著衛星通信的不斷發展，傳統以點對點為主的傳輸方式將被淘汰，未來以信息交換和傳輸為基礎，處理和應用為核心，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絡，必將成為大型網絡的信息基礎設施[1]，滿足國民經濟建設和國防安全發展的要求。天地一體化信息網絡是綜合利用現代信息網絡技術，以信息流為載體，以任務使命為指引，匯聚空、天、地信息技術的各自優勢，有效獲取和傳輸空、天、地、海等多維信息，采用資源統籌運用、信息融合處理、任務協同分發和動作組織管理等方法，實現對時空復雜的一體化網絡綜合處理和高效利用，滿足為各個用戶提供實時、可靠及信息服務需求的機動、高效、智能、協同的信息網絡基礎設施[2]和決策支持系統。

伴隨天地一體化信息網絡的不斷發展變化，網絡中的各種行業信息系統不斷增多，信息量也會劇增，因此，需要對信息進行復雜的處理。

1天地一體化信息網絡

天地一體化信息網絡由3層和2個系統組成[3]，3層從底向上分別是數據傳輸層、數據交換層和信息服務層組成，每一層也可以看成一個網絡；2個系統是指信息采集系統和信息處理系統，如圖1所示。

1.1數據傳輸層

數據傳輸層實際上指的是由天基、空基和地面站等構成的天地一體化傳輸網絡，天基系統包括高、中、低通信衛星和空間站形成傳輸鏈路，高軌道衛星之間形成星間鏈路，天基系統與空基和地面站之間形成傳輸鏈路，如圖2所示。

空基系統包括升空中繼平臺和各種通信中繼用的飛機，與天基系統、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星地面站和地面站之間的光纖傳輸網絡組成，具備數據傳輸和交換功能，對減少多跳和形成天地一體的數據傳輸網起到重要作用。

1.2數據交換層

數據交換層位于信息服務層和數據傳輸層之間，主要完成各種信息的交換，引導并控制信息傳輸功能，實現信息無縫連接，具體采用ATM、IP和MPLS等多種交換方式。

1.3信息服務層

天地一體化信息網絡可以走軍民融合的發展道路，建成后，戰時為軍隊作戰服務，平時為國民經濟建設、社會治安和居民生活等方面提供信息服務。依托天地一體化網絡可以建成多個行業門戶信息系統，信息系統可以采用SOA服務架構，構建具備云計算、云存儲能力的分布式及跨平臺的大數據服務能力的信息系統，同時具備實時與非實時、主動獲取、推送廣播和點播等多種服務模式，最終要滿足行業的需求并提升信息服務水平。

1.4 2個系統

①信息采集系統主要由遙感、探測與監視衛星、地面雷達站、海監船、各種傳感器網絡[4]和視頻監控等組成。主要負責大氣、水紋、空中、水面、水下和地面目標的識別和采集，實時回傳到指定的信息中心和武器平臺。

②信息處理系統主要完成消息預判、過濾、信息融合、信息存儲與提取和數據容災備份等功能，信息處理系統涉及到人工智能技術、模式識別技術、數理統計學、數字信號處理技術和信息論等多種復雜算法，對信息的真實性、實時性和指揮決策起到至關重要作用。

2天地一體化信息網絡中的信息融合

2.1信息融合

信息融合也稱數據融合技術，指對各種信息源發出的相關信息的采集、傳輸、綜合、過濾與合成，對戰場態勢或環境判定、目標探測、路徑規劃、消息驗證和精確打擊等起到輔助作用。如信息化條件下作戰，戰場上能否及時準確地獲取各種有用的戰場信息，包括戰場態勢和威脅目標及其危險程度進行實時的、客觀的評價，對實施戰術、戰略輔助決策與作戰部隊的指揮控制起到重要作用。戰場態勢瞬息萬變，影響決策的因素錯綜復雜，要求指揮員在最短的時間內，做出對戰場態勢最準確的判斷，對作戰部隊實施最有效的指揮控制。這一系列的決定，需要高效的數據融合[5]技術手段做保障。否則再高明的軍事領導人和指揮官也會被浩如煙海的數據所淹沒，導致判斷失誤、延誤決策和錯失良機，將會造成不可估量的戰場損失。

2.2數據融合的方法與分類

（1）數據融合方法

隨著數據融合技術的不斷發展，數據融合方法也在不斷更新完善，方法也越來越多，不同的方法針對性也存在差異，但對各種傳感器信息都適用且能進行數據融合的方法基本不存在，需要根據具體運用領域采用可行融合方法，通常處理數據的過程包括相關、估計和識別這3個環節。①相關處理中一般的處理方法有聚類分析法、最近鄰法則、統計關聯法、最大似然估計法和最優差別法等；②估計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識別處理中一般的處理方法有證據推理法、貝葉斯估計法、模糊識別法、表決法及神經網絡法等。

（2）數據融合分類

數據融合的分類方法不同，其融合方法也有區別，根據操作層次不同分為數據級融合、特征級融合和決策級融合3個層次。

①數據級融合：直接將采集到的源數據進行融合的操作，數據未經后期處理就對其進行分析及綜合，這是最低層次的數據融合，融合能處理盡可能多地未修改原始數據，提供很多其他融合層次無法提供的細節信息。優點是提供了盡可能多的細節信息；缺點是該層次包含的信息很多，處理時間較長，實時性較差。

②特征級融合：是中間層次，從采集到的原始數據中提取特征信息，提取出來的特征信息應是具有一定代表性的特征向量，能夠按特征信息對采集到的數據進行分類、匯集與綜合，這一層次融合又可以分為目標特性融合和目標狀態數據融合2類，前者常運用于目標識別領域，后者常運用于目標跟蹤領域。優點是完成了一定的信息壓縮，便于實時處理；缺點是由于丟失一定細節信息會使其準確性有所下降。

③決策級融合：是在最高級層次進行的融合，是一種高層次融合，信號處理裝置要在進行融合之前完成決策或分類任務，為用戶最終決策提供的依據來源就是決策級融合的結果，所以此層次融合必須來源于實際的決策需求，運用特定的融合技術處理特征級融合所提供的各種特征信息，為決策級融合服務。優點是高靈活性、傳送帶寬要求較低及不錯的容錯性等；缺點是需要對采集的原始信息進行預處理并獲得相應的判決結果，因此預處理代價較高。

2.3防空預警信息系統數據融合處理

假定某防空預警信息系統偵查發現敵機入侵后，快速做出反擊決策過程中的數據融合處理[6]。整個過程可分為預處理和決策數據融合2個融合處理過程。其中預處理由各路采集系統負責處理，如圖3所示。

①由于地形因素、衛星擾動、天氣變化和大氣散射等隨機因素對成像結果會造成透視收縮、疊掩和陰影的影響，需要進行幾何糾正、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、時相及分辨率等方面的存在差異，需要進行影像空間配準處理；

③在第2步處理完成配準的2幅影像上，選擇提取邊界、線狀物交叉點和區域輪廓線等明顯的特征。

④在第3步處理后的2幅影像上，對比較明顯的物點進行特征匹配處理，作為控制點；

⑤將第4步得到的控制點，完成空間變化，建立影像間的映射關系；

⑥根據影像映射關系，對非參考影像進行重采樣，獲取同參考影像配準的影像，進行插值處理，空間配準的精度一般要求在1～2個像元內；

⑦目標識別：通過上述處理后，識別出入侵敵機目標，并將該信息放送到指控中心和武器平臺進行數據決策融合處理。

防空預警信息系統數據融合處理，通常依據每路數據的時間戳和目標位置進行相應計算，獲取目標移動軌跡和運行速度等參數，并加注到攻擊武器中，目的就是提高時間效率和反擊率。

3結束語

天地一體化信息網絡中的行業信息系統不斷增多，信息量劇增，采用數據融合技術主要確保網絡數據處理系統各單元與信息中心之間的連通性與實時性，把軍事操作人員和情報分析人員從繁瑣的事務處理工作中解脫出來，提升網絡的實效性和可靠性，并對戰場作戰和武器作戰性能的提升有深遠影響。

參考文獻

[1] Arici T，Altunbasak Y.Adaptive Sensing for Environment Monitoring using Wireless Sensor Network[C]//IEEE Wireless Communications and Networking Conference， 21-25，March，2004，Atlanta，Georgia，USA，2004：2350-2355.

[2]龍吟，朱珂，丁凱，等.天地一體化互聯網絡中航天器網關的設計及實現[J].航天器工程，2016，25（1）：77-83.

[3]黃惠明，常呈武.天地一體化天基骨干網絡體系架構研究[J].中國電子科學研究院學報，2015，10（5）：460-467.

[4]王瑞.無線傳感器網絡中數據融合處理及可靠傳輸研究[D].成都：西南交通大學，2012.

[5]袁剛.無線傳感器網絡數據融合系統設計[D].北京：郵電大學，2009.

[6]李洪輝.數據融合技術在無人機高度測量中的研究應用[D].廣州：華南理工大學，2012.