GEO遙感衛星在艦船目標檢測跟蹤中的應用分析

王俐云 方峰 伊成俊 孫亞楠 萬生陽

(1 中國空間技術研究院衛星應用總體部，北京 100094)(2 陜西航天技術應用研究院有限公司，西安 710199)

地球靜止軌道遙感衛星由于位于地球同步軌道，可長期駐留于固定區域上空，具有觀測幅寬數百千米、可對觀測范圍內的目標進行持續監視、可實時向地面站下傳數據等特點。在時間分辨率、觀測范圍等方面與低軌觀測系統相比，具備快速任務響應能力與大范圍多目標的持續監視能力，可彌補低軌偵察監視衛星時間分辨率低和覆蓋范圍小等問題[1-2]。

我國幅員遼闊，海岸綿長，國家對海洋資源的充分利用日益重視，隨著海上絲綢之路戰略的實施，如何高效智能地進行海面交通管理與監測成為了一個亟待解決的問題。《國家民用空間基礎設施中長期發展規劃(2015—2025年)》明確提出要“圍繞海域環境監測、海域使用管理、海洋權益維護和防災減災等應用對全天時、全天候、近實時監測需求，發展高軌凝視光學和高軌SAR技術”。

高分四號衛星是我國第一顆靜止軌道遙感衛星，也是國家高分辨率對地觀測系統重大專項中的高軌道遙感衛星。衛星投入使用后，開辟了我國同步軌道對地觀測新途徑，利用其覆蓋范圍大、響應迅速等特點與低軌衛星配合使用，在防災減災、森林草原火災、洪澇災害、氣象預警、地震監測等領域提供了可靠、穩定、快捷的光學遙感數據。由于能夠長時間對同一區域持續成像，高分四號在海面艦船檢測、艦船運動狀態估計等方面相對低軌道衛星而言有著明顯的優勢，對于建立海上艦船監測系統，有著難以替代的重要作用。后續我國“十四五”規劃的多顆靜止軌道高分辨率遙感衛星也將陸續發射入軌，投入使用，其在海上艦船目標檢測跟蹤領域的應用潛力亟待充分挖掘[3-4]。

本文針對靜止軌道遙感衛星的特點，結合在艦船目標檢測跟蹤應用中的需求[5]，對其應用模式進行了分析，識別了目前常規應用流程中的短板，從提升需求響應時效性，融入實際保障流程出發，立足現有技術發展水平，對應用流程進行了優化設計，并通過實際案例開展了應用驗證。

1 衛星應用模式與流程分析

1.1 總體考慮

目前靜止軌道遙感衛星分辨率較低，無法對艦船目標進行識別，因此需要由其他獲取手段發現目標后，提供目標的位置信息作為先驗信息，然后再快速調用靜止軌道遙感衛星拍攝目標位置附近區域，進行目標的檢測與持續跟蹤監視，通過對序列圖像的快速檢測，給出目標的運動信息。其中，先驗信息準確性、任務響應速度、數據處理時間、目標檢測跟蹤時間，均影響了任務的時效性與目標信息的可用性。因此，在應用模式設計中，重點以提高任務響應時效性，保證用戶獲取信息的可用性為目標，在分析常規任務流程在保障艦船目標檢測跟蹤應用中短板的基礎上，對應用流程進行優化設計。

1.2 常規應用流程分析

靜止軌道遙感衛星近實時觀測的特性，使其有較快的應急響應能力。由于目前民用高分四號衛星，以保障氣象、環境、減災應用為主，常規任務流程中未充分考慮艦船目標檢測跟蹤需求，在實際應用中存在“任務響應慢、成像數據量大、傳輸時延長、圖像處理慢、應用效果不理想”等情況，未能充分發揮其近實時觀測的優勢。通過分析，目前常規任務流程存在的問題具體體現在以下幾方面。

(1)衛星數據落地后在運管部門集中處理，時效性較差。衛星成像數據落地后，需要在衛星運管部門將整軌成像數據集中處理生成標準的2級圖像產品再分發給用戶，同時存在處理任務排隊情況，目前處理時延一般為小時級。

(2)圖像產品生產與目標檢測跟蹤過程相互獨立，流程串行增加了時延。衛星運管部門將單次任務的圖像產品生產結束后，打包傳輸給用戶，用戶在接收到單次任務的所有圖像產品后，再進行目標的檢測跟蹤，任務流程時延大，時效性難以保證。

(3)用戶缺乏自動化精準高效的應用系統，檢測跟蹤算法有待驗證優化。利用高軌遙感圖像進行艦船目標檢測跟蹤的應用系統尚處在探索階段，目前艦船目標檢測跟蹤仍存在很多技術難題[6]，如海上云量大，如何降低碎云引起的虛警率；海上缺少控制點數據，如何提高定位精度等問題；海洋背景復雜，如何避免目標跟丟與跟錯的情況等。同時，隨著技術發展，后續在靜止軌道遙感衛星分辨率提升后，不同分辨率圖像目標的特性不同，相應的檢測跟蹤算法需要進行適應性改進與優化[7]。

(4)艦船目標的定位誤差受衛星定位精度與姿態控制精度等因素影響，航跡抖動明顯。靜止軌道遙感衛星與岸基雷達、船舶自動識別系統(Automatic Identification System，AIS)等探測手段相比，其定位精度較差，如果僅考慮利用原始圖像信息進行艦船目標檢測，航向航速誤差大，航跡抖動明顯，因此需要研究定位精度的提升技術，降低航向航速誤差[8]。

綜上所述，目前衛星成像產品由于任務響應、數據傳輸、處理與應用環節耗時長，使得時效性大打折扣，用戶從獲取成像數據到拿到圖像產品的時間延長到幾個小時。用戶由于缺乏精準高效的處理應用系統，目標檢測跟蹤的準確性難以保障。因此，對于現有衛星應用流程，無法有效滿足艦船目標檢測跟蹤任務需求。

1.3 設計思路與解決方案

針對處理與應用流程相互獨立，用戶需求響應慢，處理傳輸應用鏈路長的現狀，從任務需求出發，打通任務籌劃、數據處理、應用系統設計流程，開展一體化設計與應用，切實提高任務響應時效性。實現“實時拍攝、實時傳輸、實時接收、實時處理、實時檢測跟蹤”。

(1)任務籌劃階段，針對中遠海艦船目標檢測跟蹤任務的特點精準設計衛星成像模式，形成固定響應機制，提高任務響應效率。從成像模式與檢測跟蹤算法兩個維度，聯合考慮優化設計，切實減少傳輸與處理的數據量，提升系統效率。衛星成像模式采用可見光譜段的單譜段成像，單景數據量僅為全譜段成像的五分之一。衛星成像間隔設計需要對數據量與目標運動特性進行統一考慮，間隔時間太短數據量大且目標運動特征不明顯，而時間越長目標關聯的難度也越大，且航跡點更為稀疏。考慮目標檢測范圍與目標運動特性的關系，設計靈活可調的成像間隔。

(2)數據處理階段，與應用系統一體化設計，將單譜段成像的原始數據近實時下傳并傳輸給用戶，在用戶端邊接收邊處理生成1A級圖像產品，實現實時快速處理。方案設計中，考慮數據處理與應用系統的一體化設計，將原始數據實時傳輸給用戶進行邊接收邊處理，大幅節省時間。同時，處理生成1A級圖像產品傳輸給檢測跟蹤系統，與處理生成2級圖像產品相比，耗時更短。

(3)檢測跟蹤階段，與數據處理階段并行進行，根據譜段特性選擇智能檢測算法，基于先驗信息縮減目標檢測范圍，實現目標快速檢測跟蹤。通過數據處理與應用系統的一體化設計，數據處理與圖像的檢測跟蹤可實現并行進行。數據處理階段產生的圖像產品實時傳遞給目標檢測跟蹤模塊，目標檢測跟蹤模塊開始目標檢測，在收到連續三幀圖像產品后，對三幀圖像進行關聯，生成目標的連續運動信息，包括位置、航向、航速、航跡等信息。之后每收到一幀圖像產品檢測并更新當前信息，實現實時快速檢測跟蹤。

目標檢測跟蹤算法基于近紅外譜段圖像產品特點設計，參考文獻[9-10]中的檢測跟蹤算法，一般需要先利用海陸分割算法，進行海陸特征識別區分。中遠海稀疏海域艦船目標檢測中，圖像切片中無陸地區域，可以不考慮海陸分割問題，因此可僅利用近紅外譜段圖像特性進行目標檢測。同時，靜止軌道遙感衛星面陣成像范圍大(如高分四號衛星單景圖像可覆蓋400 km×400 km范圍)，可通過先驗信息，確定目標可能分布區域，減小檢測范圍，優化流程，提高時效性和檢測率。

(4)在檢測跟蹤算法的設計上，從降低虛警率、提高定位精度、提高目標關聯正確性3個方面綜合考慮。靜止軌道遙感衛星影像分辨率較低時，目標特征難與小型海島、較小厚云進行區分，往往檢測出大量虛警目標，為降低虛警率，將艦船檢測分為粗檢測和精檢測兩個步驟。通過粗檢測得到可疑的艦船目標，通過精檢測篩選正確的艦船目標。在目標檢測算法選擇上，目前采用基于角點檢測(ORB)結合支持向量機(SVM)+方向梯度直方圖(HOG)的基于模板匹配的算法，在某些特定場景下具有較好的應用效果，但難以應對各種復雜背景。后續可考慮基于深度學習的艦船目標檢測方法。

在中遠海艦船目標檢測中，由于純海洋背景缺少控制點信息，因此在做海上目標定位時會導致誤差較大。為有效提高艦船目標的定位精度，利用靜止軌道遙感衛星面陣成像單次成像幅寬較大的特點，在拍攝圖像中包含有陸地的情況下可通過選擇控制點進行地理位置匹配與校正以提高定位精度。

針對拍攝幀間間隔1 min的應用模式，為提高目標關聯正確性，解決幀間間隔時間長，無法僅通過不同幀間目標距離判斷目標是否是同一目標的問題，采用幀間多目標時空及紋理信息進行關聯一致性配準的算法。對目標紋理特征與目標航向變化信息綜合考慮，進行關聯配準。

1.4 應用模式與流程優化

根據靜止軌道遙感衛星的特點，在遠海艦船目標檢測跟蹤應用需求的基礎上，結合現有技術水平，對靜止軌道遙感衛星在軌應用過程中面向艦船檢測跟蹤的星地一體應用模式進行分析，如圖1所示。通過衛星應用流程優化，實現“需求快速響應、任務精準籌劃、數據實時下傳、同步數據處理、并行檢測跟蹤”，有效提高任務響應時效性。

圖1 靜止軌道遙感衛星面向艦船檢測跟蹤的星地一體應用模式示意圖Fig.1 Satellite ground-integrated application mode of GEO remote sensing satellite for ship detection and tracking

靜止軌道遙感衛星艦船目標檢測跟蹤可分為預處理、目標檢測及目標跟蹤階段。預處理與目標檢測階段采用多線程并行處理的方式，以接收到數據為信號啟動預處理及目標檢測線程。目標跟蹤功能則需要至少完成3幀數據的目標檢測功能后才能啟動，啟動后每新來1幀目標檢測結果則對應更新目標運動信息，實現目標位置與航速航向運動信息的連續滾動輸出。具體步驟如下(見圖2)。

圖2 靜止軌道遙感衛星艦船目標檢測跟蹤應用流程Fig.2 Application process ofship detection and tracking of GEO remote sensing satellite

(1)用戶提報艦船目標檢測需求：用戶確定需要對某可疑艦船目標進行持續跟蹤，并在獲知該可疑艦船目標某時刻位置后，生成任務需求(包括目標發現時間、目標點位置、跟蹤開始時間、持續跟蹤時長)直接提報給衛星運管部門。

(2)衛星運管部門進行任務籌劃：衛星運管部門進行任務籌劃后生成成像任務計劃，由地面站生成指令并上注；成像任務指令需明確衛星成像模式，成像譜段，成像間隔等。成像模式選為固定點遙感，成像譜段選近紅外譜段，成像間隔1 min。

(3)靜止軌道遙感衛星成像并實時下傳數據：衛星根據成像任務指令在指定時間開機拍攝目標點所在區域，衛星邊拍攝邊以實時碼流形式下傳成像數據。

(4)地面站實時接收成像數據并傳輸給用戶：地面站實時接收衛星原始碼流數據同步傳輸給衛星運管部門，并通過地面引接專線傳給用戶。

(5)成像數據通過預處理生成序列圖像產品：用戶通過部署數據快速處理與應用一體化系統對成像數據進行處理應用。該軟件由預處理模塊與檢測跟蹤模塊兩部分組成。首先，預處理模塊邊接收成像數據邊處理，通過數據錄入、姿軌處理、輻射校正、有理多項式模型(RPC)正射校正計算過程生成1A級序列圖像產品(帶RPC文件的標準產品)。

(6)并行開展艦船目標的檢測與跟蹤：預處理模塊每生成1景1A級圖像產品，傳遞給檢測與跟蹤模塊同步進行目標檢測與精確定位，在對連續3景圖像完成檢測后，可生成目標運動信息，輸出第1條目標跟蹤信息。之后每檢測完成一景新的圖像產品，更新輸出目標跟蹤信息，實現目標跟蹤信息的滾動輸出。其中目標跟蹤信息包括目標點位置、航向、航速及誤差信息等。

(7)用戶通過目標跟蹤信息對可疑目標持續跟蹤：用戶根據數據處理與應用一體化系統輸出的目標運動信息與目標航跡等，對目標進行持續跟蹤，可聯合其他信息獲取手段確認目標。

根據應用流程優化設計結果，完成面向艦船目標檢測的靜止軌道遙感衛星數據處理與應用一體化系統設計。

2 應用案例分析

基于上述思路在工程中進行了實踐應用，以下為基于高分四號衛星成像數據利用數據處理與應用一體化系統開展海上艦船目標檢測跟蹤試驗驗證的應用案例。高分四號衛星采用面陣凝視方式成像，具備可見光、多光譜和紅外成像能力，其中可見光波段分辨率達50 m，紅外波段達400 m，衛星定點于赤道上方，單景覆蓋區域400 km×400 km，通過對相機的成像角度進行控制調整，可以完全覆蓋中國及周邊地區，成像區域達7000 km×7000 km，衛星定位精度優于4 km。針對高分四號衛星的應用模式進行拓展應用，

在本次試驗中，利用高分四號衛星對黃渤海區域成像，選用可見光近紅外譜段對指定海域成像，實際應用中設置幀間間隔為1 min。從衛星開機拍攝目標區域，到生成初始的艦船目標航跡，總時延在6 min以內，目標航跡滾動更新時延小于1 min。全流程時效性如表1所示。

表1 艦船目標檢出跟蹤任務時效性Table 1 Timeliness of ship target detection and tracking tasks

目標檢測軌跡提取過程如圖3所示，檢測設置目標切片大小為20 km×20 km區域，目標切片中心點位置坐標為(123.327°E，36.7824°N)，圖4(a)為利用高分四號衛星50 m近紅外譜段拍攝目標區域處理生成的第一幀1A級圖像；圖4(b)為對圖像進行切片后，在紅框區域內共檢測到3個目標；圖4(c)為目標連續跟蹤6幀后檢測生成的目標軌跡。

圖3 靜止軌道遙感衛星目標檢測軌跡提取Fig.3 Target detection trajectory extraction of GEO remote sensing satellite

經實際部署的試驗驗證系統測試，從衛星成像開始到獲取目標跟蹤信息從傳統流程縮減到分鐘級，大幅縮減了艦船目標檢測跟蹤應用時延，同時在無云層遮擋情況下，可對檢測目標實施連續的跟蹤監視，驗證了應用模式與流程的高效性及在典型應用場景下的可用性。

3 結束語

靜止軌道遙感衛星具有大范圍持續觀測優勢，隨著未來技術發展，成像載荷的分辨率將逐步提高、載荷的類型將更加豐富，其在艦船運動目標檢測跟蹤上的應用優勢將更加突出，利用現有在軌衛星預先開展應用模式與關鍵技術研究具有重要意義。靜止軌道遙感衛星的應用模式研究需要立足“需求提報、任務籌劃、數據傳輸、數據處理及應用”的全鏈路，并通過實際應用結合需求不斷迭代優化。后續建議在靜止軌道遙感衛星的應用研究中重點關注以下幾個方面[11-12]。

(1)開展天基高低軌多手段協同運用模式設計，充分挖掘天基應用潛能。靜止軌道遙感衛星分辨率與低軌成像衛星相比較低，無法識別確認目標，需要提供目標先驗信息作為艦船檢測與跟蹤的依據。通過研究高低軌衛星協同應用模式，綜合光學、微波、電子偵察等探測手段，高、低軌道配置，相互補充，協同配合，充分發揮高低軌衛星各自的觀測優勢，提升探測的可靠性和綜合效能，釋放靜止軌道遙感衛星的應用潛能。

(2)加強多源信息融合應用研究，獲取目標的全要素信息。隨著對地觀測平臺、遙感載荷類型和數量的日益豐富，產生了多波段、多極化、多尺度的遙感數據，實現多基多源信息之間的有效融合，可大幅提高數據利用價值，提高數據可靠性，檢測識別準確性與變化檢測和信息更新能力。同時，與AIS等天空地海多基多源信息融合應用，可實現多傳感器間信息的互補，從而獲取海洋目標的全要素信息。

(3)建立自動化的需求提報與響應機制，實現用戶需求精細化管理與快速響應。充分發揮高軌衛星不受過境時間窗口限制可大范圍持續觀測的優勢，研究面向用戶任務精細化管理與快速響應的需求提報流程，針對高軌衛星遙感任務實現與衛星運管部門的精準高效對接。

(4)加強遙感圖像海上移動目標檢測跟蹤相關關鍵技術攻關[13]。針對降低目標檢測虛警率、提升目標跟蹤正確率、提高航向航速計算精度等方面，需研究光學遙感圖像中復雜海背景下的艦船檢測關鍵技術與智能優化算法，如基于控制點的海上運動目標定位精度提升技術、基于運動差異性的海上目標快速發現和跟蹤技術、光學遙感圖像的碎云干擾去除技術、光學遙感圖像艦船尾跡檢測技術及復雜海況下艦船目標鑒別技術等關鍵技術。