衛(wèi)星信息支持海域感知關(guān)鍵技術(shù)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(shù)的快速發(fā)展,對地觀測衛(wèi)星數(shù)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(dá)等遙感手段。近年來,對地觀測衛(wèi)星在海域感知中得到了日益廣泛的應(yīng)用,衛(wèi)星信息在海洋資源調(diào)查、水文氣象監(jiān)測預(yù)報(bào)、災(zāi)害調(diào)查和評估等方面發(fā)揮了重要作用[1-2]。在海上護(hù)航等軍事行動(dòng)中,護(hù)航編隊(duì)兵力機(jī)動(dòng)分散,海洋環(huán)境又復(fù)雜多變,對衛(wèi)星信息融合處理、多手段協(xié)同、海量信息快速處理、水下目標(biāo)探測等提出了更高的要求。本文通過大量的調(diào)研分析,梳理提出了面向航母編隊(duì)信息保障的快速反應(yīng)技術(shù)、面向任務(wù)的異種平臺協(xié)同任務(wù)規(guī)劃及基于效能的異類多平臺協(xié)同策略優(yōu)化技術(shù)、目標(biāo)信息快速處理技術(shù)等若干項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

2 衛(wèi)星信息支持海域感知的重要任務(wù)領(lǐng)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(fā)展了氣象遙感衛(wèi)星、陸地遙感衛(wèi)星、海洋遙感衛(wèi)星等民用空間資源,并發(fā)展了以成像偵察衛(wèi)星、電子偵察衛(wèi)星、海洋監(jiān)視衛(wèi)星、導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星為主體的軍用偵察衛(wèi)星體系。對地觀測衛(wèi)星體系構(gòu)成見圖1。

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

海灣戰(zhàn)爭以來的實(shí)踐表明,衛(wèi)星信息支持海域感知貫穿于戰(zhàn)爭的全過程,下面分析從戰(zhàn)前準(zhǔn)備到戰(zhàn)后評估中衛(wèi)星信息的重要應(yīng)用和任務(wù)領(lǐng)域。

2.1 在戰(zhàn)前準(zhǔn)備階段進(jìn)行目標(biāo)和環(huán)境信息積累

利用高分辨率對地觀測衛(wèi)星,偵察作戰(zhàn)對象國家和地區(qū)的戰(zhàn)略母港等重要目標(biāo)和機(jī)場、導(dǎo)彈發(fā)射陣地等縱深目標(biāo),進(jìn)行目標(biāo)情報(bào)積累,獲取作戰(zhàn)所需的陸岸目標(biāo)及地理環(huán)境等信息,為海上作戰(zhàn)指揮決策、對陸目標(biāo)攻擊等提供目標(biāo)信息保障。

2.2 為海上早期預(yù)警提供信息支持

利用寬覆蓋中分辨率對地觀測衛(wèi)星進(jìn)行大范圍發(fā)現(xiàn),與高分辨率衛(wèi)星觀測配合[3-4],對預(yù)測的作戰(zhàn)海區(qū)及防御范圍內(nèi)的航母編隊(duì)、驅(qū)護(hù)艦編隊(duì)等海上重要目標(biāo)進(jìn)行早期發(fā)現(xiàn)、跟蹤和預(yù)警。

2.3 為海上目標(biāo)跟蹤監(jiān)視和武器打擊提供信息支持

綜合利用多種衛(wèi)星觀測手段,對大范圍海上艦船目標(biāo)進(jìn)行發(fā)現(xiàn)、識別、定位和跟蹤,建立海上目標(biāo)態(tài)勢,為海基反艦導(dǎo)彈提供準(zhǔn)確的艦船目標(biāo)指示信息,并進(jìn)行變化檢測,提供精確的目標(biāo)毀傷信息。

2.4 為海戰(zhàn)場作戰(zhàn)提供環(huán)境信息保障

海洋廣闊,戰(zhàn)場環(huán)境復(fù)雜,對艦艇航行安全和武器使用影響很大。要求對地觀測衛(wèi)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(yuǎn)程武器打擊提供海洋地理環(huán)境保障,為探潛、反潛等軍事活動(dòng)提供支持。

3 衛(wèi)星信息支持海域感知關(guān)鍵技術(shù)

3.1 面向航母編隊(duì)作戰(zhàn)信息保障需求的快速反應(yīng)相關(guān)技術(shù)

航母編隊(duì)是海上兵力的重中之重,對信息保障需求具有精度和時(shí)效性要求高、持續(xù)時(shí)間長等特點(diǎn),需要研究快速、動(dòng)態(tài)的計(jì)劃制定與任務(wù)調(diào)度方法,能夠在短時(shí)間內(nèi)完成衛(wèi)星資源的優(yōu)化分配與調(diào)度,并優(yōu)先安排數(shù)據(jù)的分發(fā)傳輸,同時(shí)能對偵察計(jì)劃進(jìn)行實(shí)時(shí)插入、動(dòng)態(tài)修改,實(shí)施相關(guān)業(yè)務(wù)部門的任務(wù)調(diào)度和協(xié)調(diào),優(yōu)先完成支持作戰(zhàn)的任務(wù)保障,從而保證衛(wèi)星信息的時(shí)效性。

一是研究預(yù)案推演和評估技術(shù),準(zhǔn)確預(yù)測衛(wèi)星系統(tǒng)在任務(wù)期間的軌道分布、觀測區(qū)域范圍和星下點(diǎn)軌跡等因素,以此為基礎(chǔ)提出針對性強(qiáng)的觀測計(jì)劃,有效提高衛(wèi)星資源使用效率和觀測結(jié)果的有效性。

二是在海上突發(fā)危機(jī)事件等強(qiáng)時(shí)效性任務(wù)背景下,要求衛(wèi)星觀測任務(wù)計(jì)劃時(shí)間更短,并具有計(jì)劃實(shí)時(shí)插入、動(dòng)態(tài)修改等能力,需優(yōu)化、完善衛(wèi)星觀測計(jì)劃制定算法,研究計(jì)劃動(dòng)態(tài)修改算法,提高計(jì)劃制定效率。此外,不僅觀測任務(wù)在不斷變化,在軌衛(wèi)星資源也會(huì)發(fā)生變化,需針對需求更新和約束條件的動(dòng)態(tài)變化,構(gòu)建動(dòng)態(tài)約束模型,利用網(wǎng)絡(luò)并行計(jì)算技術(shù)等,以對正在實(shí)施的偵察計(jì)劃的影響度最小為前提,開發(fā)偵察計(jì)劃快速動(dòng)態(tài)編制模型和算法,實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)化編制。

三是研究面向作戰(zhàn)保障的任務(wù)動(dòng)態(tài)調(diào)度方法,打破常規(guī)的任務(wù)調(diào)度模式,對衛(wèi)星測控、數(shù)據(jù)接收、處理等各業(yè)務(wù)部門進(jìn)行動(dòng)態(tài)的任務(wù)調(diào)度和協(xié)調(diào),實(shí)現(xiàn)相關(guān)任務(wù)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)度,以保證任務(wù)的正確執(zhí)行。

3.2 面向海域觀測任務(wù)的異種平臺協(xié)同任務(wù)規(guī)劃技術(shù)

由于海戰(zhàn)場目標(biāo)機(jī)動(dòng)分散,所以對衛(wèi)星系統(tǒng)的性能指標(biāo)具有極大的挑戰(zhàn)性,一方面,為了實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)對作戰(zhàn)海域的大范圍搜索發(fā)現(xiàn),需要盡可能大的觀測幅寬,這對單顆衛(wèi)星來說是無法調(diào)和的矛盾。因此,亟需開展衛(wèi)星與航空、臨近空間飛行器、海洋調(diào)查船等異種平臺協(xié)同[7]技術(shù)研究,充分取長補(bǔ)短,實(shí)現(xiàn)對大范圍海域的目標(biāo)監(jiān)視。

美AD 報(bào)告《Planning Coverage of Points of Interest via Multiple Imaging Surveillance Assets:A Multi Modal Approach》中研究了偵察任務(wù)規(guī)劃問題,試圖同時(shí)考慮多顆成像衛(wèi)星、無人機(jī)等多種手段,建立了多種資源聯(lián)合偵察模型。加拿大國防部報(bào)告《Joint Space-Based Wide A rea Surveillance and Support Capability》中提出了利用RadarSat-2 衛(wèi)星和船舶自動(dòng)識別系統(tǒng)(AIS),對重點(diǎn)關(guān)注的太平洋、大西洋、北冰洋海域?qū)崿F(xiàn)近實(shí)時(shí)的艦船檢測。

目前,協(xié)同任務(wù)規(guī)劃方面較為先進(jìn)的是多級、分布式聯(lián)合任務(wù)規(guī)劃模式,其思路是綜合考慮各種偵察資源配置、運(yùn)行管理等因素。圖2 描述了衛(wèi)星、飛艇、飛機(jī)協(xié)同實(shí)現(xiàn)成像偵察、電子偵察、海洋調(diào)查等多手段、多任務(wù)的聯(lián)合規(guī)劃體系。總控級綜合處理任務(wù)需求,將任務(wù)分解為可規(guī)劃調(diào)度的元任務(wù)序列,指派給各部門偵察監(jiān)視網(wǎng)絡(luò),部門級任務(wù)規(guī)劃再通過偵察任務(wù)規(guī)劃調(diào)度引擎將任務(wù)分配給每一個(gè)傳感器資源,確定其偵察性能要求和航跡。管控級任務(wù)規(guī)劃是每一個(gè)傳感器的單機(jī)任務(wù)規(guī)劃,根據(jù)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(dòng)序列和操作指令。該方法將一個(gè)復(fù)雜的規(guī)劃調(diào)度問題分散到多個(gè)層次來建模求解,在資源管理方面具有較強(qiáng)的可操作性。

圖2 多級、分布式空天信息系統(tǒng)任務(wù)規(guī)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(xié)同偵察策略優(yōu)化技術(shù)

偵察任務(wù)需求是協(xié)同策略構(gòu)建的輸入和依據(jù)。協(xié)同策略的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循性能優(yōu)、效率高、可實(shí)現(xiàn)等準(zhǔn)則。首先根據(jù)偵察任務(wù)需求進(jìn)行偵察任務(wù)分解與規(guī)劃,建立基本的協(xié)同策略層次體系,明確策略優(yōu)化的約束條件,根據(jù)偵察任務(wù)的復(fù)雜度進(jìn)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(jù)任務(wù)需要建立資源調(diào)度策略、傳感器協(xié)同策略、空間協(xié)同策略、時(shí)間協(xié)同策略等,通過與偵察任務(wù)的分解與任務(wù)規(guī)劃進(jìn)行映射,以協(xié)同伙伴/協(xié)同節(jié)點(diǎn)選擇、偵察效能、偵察資源可用性、偵察區(qū)域環(huán)境條件、偵察目標(biāo)反偵察能力、資源耗費(fèi)等作為策略優(yōu)化的約束條件。

3.4 可伸縮的海戰(zhàn)場環(huán)境監(jiān)測體系結(jié)構(gòu)與柔性部署技術(shù)

基于各類海洋遙感衛(wèi)星,以構(gòu)建數(shù)字海洋為發(fā)展目標(biāo),構(gòu)建衛(wèi)星遙感海戰(zhàn)場環(huán)境[1-2]監(jiān)測體系,加強(qiáng)對海洋的觀測和數(shù)值預(yù)報(bào),為應(yīng)對海上方向的多樣化安全威脅、完成海上多樣化軍事任務(wù)中的海戰(zhàn)場環(huán)境情報(bào)保障提供有力支撐。

圖3 基于衛(wèi)星遙感的海戰(zhàn)場環(huán)境監(jiān)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(duì)級大規(guī)模分布式應(yīng)用,到艦載終端的單機(jī)甚至嵌入式應(yīng)用,海戰(zhàn)場環(huán)境信息應(yīng)用平臺需要支持不同規(guī)模、不同架構(gòu)的應(yīng)用模式。為此,需要進(jìn)行詳細(xì)周密的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),從業(yè)務(wù)模式、系統(tǒng)流程、體系架構(gòu)、技術(shù)細(xì)節(jié)、接口形式上充分考慮系統(tǒng)平臺在不同規(guī)模下的需求和實(shí)現(xiàn)方式,最終形成可伸縮的體系結(jié)構(gòu)。

研究各類海戰(zhàn)場環(huán)境要素、系統(tǒng)功能和服務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)和接口,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)和松耦合集成;研究以服務(wù)為中心的數(shù)據(jù)-功能-服務(wù)關(guān)聯(lián)技術(shù),保證系統(tǒng)能夠根據(jù)應(yīng)用模式的要求動(dòng)態(tài)裁剪、加裝和高效運(yùn)行;研究多系統(tǒng)部署條件下分布數(shù)據(jù)的集成管理和按需共享技術(shù);研究不同應(yīng)用模式下的系統(tǒng)部署方案生成技術(shù),保證系統(tǒng)的快速、柔性、分布部署。

3.5 天基遙感探潛技術(shù)

對潛艇探測是海上軍事行動(dòng)的迫切需求,隨著潛艇降噪技術(shù)的發(fā)展和低噪聲潛艇的投入使用,傳統(tǒng)的聲學(xué)探潛面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。在開拓新的探潛手段時(shí),利用合成孔徑雷達(dá)(SAR)、紅外、光學(xué)衛(wèi)星探潛受到重要關(guān)注,目前仍處于技術(shù)研究的起步階段。

SAR 衛(wèi)星探潛技術(shù)主要揭示SAR 衛(wèi)星遙感探潛機(jī)理,建立潛艇尾跡星載SAR 圖像仿真平臺,開展?jié)撏槽E微波探測水槽試驗(yàn),分析海面背景的隨機(jī)時(shí)變特性及尾跡弱反差特性,突破遙感數(shù)據(jù)水下目標(biāo)檢測識別技術(shù),對星載SAR 關(guān)鍵性能指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),仿真評估SAR 衛(wèi)星探潛能力等。

可見光/紅外衛(wèi)星遙感探潛技術(shù)主要研究并驗(yàn)證潛艇尾流計(jì)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(qiáng)的影響,評估通過海洋生物光強(qiáng)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(shè)計(jì)可行的紅外探潛方案,建立潛艇尾流觀測模型。

3.6 衛(wèi)星觀測海上動(dòng)目標(biāo)圖像快速處理技術(shù)

利用對地觀測衛(wèi)星監(jiān)視海上動(dòng)目標(biāo),需要持續(xù)觀測獲得連續(xù)圖像,所獲海量數(shù)據(jù)的處理速度慢,衛(wèi)星信息時(shí)效性較低。為生成動(dòng)目標(biāo)航跡必須突破海量衛(wèi)星信息快速處理技術(shù),需要構(gòu)建快速處理流程和設(shè)備架構(gòu),對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分塊記錄、快視提取,進(jìn)行多機(jī)并行處理實(shí)現(xiàn)文件快速拼接、數(shù)據(jù)預(yù)處理。

衛(wèi)星觀測海上動(dòng)目標(biāo)圖像快速處理技術(shù)主要包括:光學(xué)圖像動(dòng)目標(biāo)快速檢測識別技術(shù),SAR 圖像水面目標(biāo)快速探測方法,海上動(dòng)目標(biāo)多源信息融合[5]技術(shù),稀疏控制點(diǎn)條件下海上動(dòng)目標(biāo)快速定位技術(shù),海上動(dòng)目標(biāo)變化檢測技術(shù),海上動(dòng)目標(biāo)檢測處理算法等。

4 結(jié) 語

充分利用對地觀測衛(wèi)星,加強(qiáng)對海戰(zhàn)場目標(biāo)、環(huán)境等的感知能力,并通過衛(wèi)星與航空、海上、岸基等戰(zhàn)場感知手段進(jìn)行有效的組織協(xié)同,對多源信息進(jìn)行綜合處理和深度融合,為海上作戰(zhàn)提供準(zhǔn)確、及時(shí)、可靠的目標(biāo)和環(huán)境信息,是對地觀測衛(wèi)星軍事應(yīng)用的重要方向。梳理海上作戰(zhàn)衛(wèi)星信息保障關(guān)鍵技術(shù),可以有效推動(dòng)衛(wèi)星對地觀測技術(shù)的發(fā)展,為提高海域感知能力提供技術(shù)支撐。

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