一種面向船舶的多源衛星產品集成框架研究

劉 鑫，王海濤，羅 嘯，孫協昌，胡 靜，鄒 云

(1.中國船舶集團有限公司第七一四研究所，北京 100101；2.中國空間技術研究院衛星應用總體部，北京 100094)

0 引 言

衛星應用是一種可將各類衛星提供的數字化產品服務于國防、國民及經濟建設等領域的高新技術[1]。衛星應用平臺經多年的建設和統一規劃，正逐漸由“系統林立”向“集成應用”轉型[2 – 3]。面向船舶的衛星應用是一種典型規模龐大、跨學科、跨領域的復雜體系，我國已構建了通信、導航、遙感、偵察等空間設施骨干框架以及配套的地面處理系統，在海洋資源與環境監測、海洋防災減災、海洋安全等領域發揮著越來越重要的作用。

目前面向船舶的天基偵察體系雖然初具規模，但在衛星資源數量、星上處理、運控能力、鏈路應用模式等方面存在很多薄弱環節，相關領域的技術研究還有待發展。為有效融合多源天基偵察信息，提升天基信息向海上平臺的流轉效率，本文提出一種面向船舶的多源衛星產品集成框架，基于研發運營并行設計理念，以云計算平臺為底層架構，為探索多源衛星數據處理、數字鏈路高效傳輸等技術提供等效支撐環境。

1 多源衛星產品集成框架設計

1.1 我國面向船舶的衛星體系特點

為實現從淺海走向深海、由近海邁向大洋的海洋強國夢想，我國已初步建成了一套手段種類齊全、數量規模可觀、技術性能先進的衛星應用體系，實現了探測手段從單一到綜合、探測范圍從區域到全球、探測精度從粗放到精細、處理分析從定性到定量的巨大跨越。為推動多源化多型號衛星面向船舶的集成化應用，本文深度分析并挖掘當前不同類型衛星在工作過程和約束條件等方面存在的共性特點，這也是開展衛星應用技術研究和促進工程落地實施的主要關注點。共性特點總結如下：

1） 多源衛星數據格式的統一管控

由于我國一星一型號的發射體制，同一型號不同批次發射衛星的數據格式也通常存在差異，且不同探測手段的衛星其數據傳輸網絡和地面處理節點不同，為實現衛星面向船舶的集成化應用，需要將種類多源、協議各異的衛星數據進行規范化處理。

2） 用戶需求與衛星偵照任務的沖突

由于衛星受到數量、自身軌道、載荷能量、中繼能力、地面站分布等客觀條件的限制，衛星偵照任務需要相關運控部門統籌考慮各類需求要素，并進行統一的任務籌劃[4 – 5]。對于單一用戶的細粒度拍攝需求，尚未達到“指哪里拍哪里”的理想情況。

3） 多型衛星難以協同觀測

不同類型的衛星觀測手段各有其優缺點，為形成統一的海洋態勢，需要將同一被觀測目標的多模態特性數據進行研究比對，結合多種載荷的信息開展綜合性的識別鑒定，使數據在統一時空基準下相互印證、相互補充以實現關聯和融合[6 – 7]。

4） 較長的鏈路保障周期

我國星地系統特別是衛星測控站、數傳站受到地緣政治因素的影響，絕大多數地面站點都部署在我國領土，極大限制了衛星上下行數據的傳輸，影響了對衛星的使用效率。受到星地鏈路的制約，用戶從需求提報到接收專題產品需要經歷較長的鏈路保障周期。

5） 衛星信息流轉機制有待提升

衛星信息保障鏈路目前存在流轉節點多、模式單一、透明度不足等缺點。各節點的用戶只能被動等待和參與到衛星產品的流轉過程中，不能掌握信息流轉的實時進程。另外，衛星專題產品的處理和制作過程缺乏用戶的參與和動態反饋，可能導致產品與用戶預期不一致，從而影響用戶對系統的認可度。

1.2 多源衛星產品集成框架設計

通過上述分析，為應對多源衛星對海應用的復雜環境，滿足工程項目產學研用的實施要求，構建面向船舶的多源衛星產品集成框架，該框架基于某重大工程構架的等效仿真系統[8]，針對新形勢新需求對已有系統進行改進和升級，形成一個集研發、實驗、運營于一體的衛星應用集成環境。整個系統采用運營、仿真同步運作的機制，在系統運營的同時基于模型重用[9]的理念同步開展系統各模塊和組件的迭代研發，提升系統整體研發效率。

集成框架采用B/S結構基于商用服務器集群和商用云搭建而成，共包括設備層、數據層、平臺層、應用層和發布層5層結構，如圖1所示。

圖1 集成框架架構圖Fig.1 The architecture diagram of the integration framework

1） 設備層

設備層主要包括用于支撐系統和相關功能組件進行高效安全運作的高性能云計算設備、網絡通信設備、跨網傳輸設備以及衛星接收站等。

2） 數據層

數據層針對船舶數據協議及傳輸規范對衛星數據進行標準化的修訂和適配，可以將引接的衛星原始數據、處理過程數據、產品數據以及相關管理、流程和仿真測試數據存放至各類數據庫和知識庫中，方便平臺層各組件和模塊對相關數據的快速調用和處理。

3） 平臺層

平臺層作為整個系統的核心部分提供組件級模塊化的應用程序，包括基礎組件、業務組件、業務管理組件和數據管理組件四部分。其中，基礎組件用于支撐用戶權限管理、狀態監控、日志管理等系統基礎功能的運維；業務組件用于支撐數據引接、數據分析、數據融合和專題產品定制4個主要業務的運作；業務管理組件可根據標準業務流程管控各業務組件的執行進度，實現對業務流程的狀態監控和異常處理；數據管理組件用于確保組件運行過程中各類數據的正常流轉。

4） 應用層

應用層是面向開發人員的瀏覽器端操作界面，針對分布式環境下不同級別的系統開發人員，開放不同功能界面的訪問和操作權限。

5） 發布層

發布層是面向用戶的瀏覽器端專屬操作界面，用戶登錄后可進行需求提報，查看衛星專題產品生產流程，并在相關環節給予及時的反饋。

2 關鍵支撐技術

數據引接、數據分析、數據融合、專題產品定制是貫穿整個衛星專題產品生成流程的關鍵業務。

1） 數據引接

為實現面向船舶的多源衛星產品集成技術的研究,首先需要具備引接各類型衛星數據的能力。由于涉海業務的衛星種類多型號多，且不同體制衛星的傳輸鏈路也不同，為滿足系統對于各類衛星數據規范化存儲和安全管理的需求，采用物理隔離與邏輯隔離并用的方式解決軍民商3類數據的信息安全傳輸問題。同時，引入“衛星數據仿真傳輸”機制，利用各鏈路的真實數據進行仿真模擬，能夠量化系統對于數據傳輸的效能，并及早發現和規避系統開發中存在的漏洞。為解決特定用戶群體對于數據傳輸時效的要求，通過格式預處理的方式加速系統對衛星數據引接和解析的速度。

數據引接業務組件的運作原理如圖2所示。接入任務管理模塊可提前根據接入計劃表中的衛星偵察計劃自動啟動數據引接業務流程，當衛星數據接入并落盤后，數據協議解析和數據格式轉換模塊調用相應庫中的協議解析和格式轉換規則，將引接的衛星數據進行統一的標準化處理，供后續業務模塊調用。對于數據時效性高的軍用鏈路，將調用數據格式預處理模塊加速對引接數據的快速處理。利用衛星數據仿真鏈路可以模擬各類數據的接入時延，掌握衛星數據接入與格式轉化過程的時效特性。

圖2 數據引接業務組件的運作原理Fig.2 The operating principle of the data access business component

2） 數據分析

數據分析組件的首要問題是解決多源衛星數據異構性問題。首先需要對多源異構衛星數據進行智能的特征提取。其次，衛星在獲取數據時會受到衛星拍攝姿態、載荷特性、氣候等諸多不確定因素的影響，其原始數據難免存在誤差，可通過對比數據特征知識庫進行誤差校正。最后對衛星特征進行標注，設計中采用專家監督的方式通過對標注特征的量化處理，優化相關算法的數據分析性能。

數據分析業務組件的運作原理如圖3所示。首先將帶有標注的數據集依據數據特征知識庫，利用特定的算法將特征參數進行自動分類和提取，根據時空誤差等特性通過數據特征反演模塊對特征值進行校正。然后基于用戶定制需求對相關特征進行量化處理，在此基礎上對用戶需求進行定性定量的分析，根據特征需求制定標注規范，并以此對相關衛星數據進行自動標注處理。為提升標注算法的正確率，利用標注特征評測模塊，通過對比需求和標注的特征量化指標，優化特征提取和自動標注算法。

圖3 數據分析業務組件的運作原理Fig.3 The operating principle of the data analysis business component

3） 數據融合

數據融合業務設計初衷是以用戶的定制需求為導向,根據一定的需求準則實現對多源衛星數據的自動處理、分析和融合，最終生成滿足特定應用需求的定制化融合。數據融合業務組件各模塊旨在利用智能化有監督的方式對多源衛星數據進行特征提取、融合和人工校正。通過提取多源衛星數據的顯著信息（時域、空域、光譜頻域特性等）并剔除冗余信息，并按照一定的規則進行融合處理，獲得比單幅數據更精準、完整、有效的信息。

數據融合業務組件的運作原理如圖4所示。采用3層信息逐層融合的方式對多源衛星數據進行融合。其中，特征信息融合可利用特征信息開展影像拼接、光譜融合、點位融合等初步數據融合工作。邏輯信息融合根據時空特性及衛星偵察手段特性依據邏輯關系進行融合，通過比對同一時空基準下（如判定觀測目標的尺寸、類型、移動軌跡等）的遙感數據和電子偵察數據，根據船舶影像定位剔除異常的電子點位信息。決策信息融合是根據用戶的需求，從現有較全面的態勢中篩選出特定類型的目標信息制成專題產品。通過融合效果評測模塊，利用專家監督的方式對融合效果進行評定，基于3層信息融合的量化標注，根據專家的評測反饋意見對相關融合算法和參數進行迭代優化和自適應調整。

圖4 數據融合業務組件的運作原理Fig.4 The operating principle of the data fusion business component

4） 專題產品定制

專題產品定制業務組件有別于其他功能相對封閉的組件，需要利用系統接口頻繁調用其他組件和功能模塊以及系統平臺層的基礎組件。專題產品定制業務需要根據不同數據鏈路的傳輸時效特性，將生成的專題產品準確、安全、按時分發給不同級別的用戶。用戶需要提報需求，系統將根據用戶的需求提取關鍵信息形成產品定制需求，并以此標準進行數據的處理和融合。簡而言之，只有確定需求被受理后業務管理組件才能啟動任務流程，并逐步監測各組件的任務執行進度。當監測到各組件完成了既定任務后，調用專題產品定制組件執行最后的產品分發流程。

專題產品定制業務組件的運作原理如圖5所示。首先判定用戶提報的需求是否被受理，進一步確認用戶的產品定制需求，系統將根據衛星偵察計劃向用戶反饋衛星數據引接的時間。當衛星數據引接并成功在本地落盤后，業務管理組件將持續監測不同任務流程在各組件的執行進度，當監測到專題產品已制作完成時，數據管理組件將自動調取相應的定制產品并分發給用戶。

圖5 專題產品定制業務組件的運作原理Fig.5 The operating principle of thematic product customization business components

3 結 語

本文通過分析我國面向船舶的衛星體系特點，構建多源衛星產品集成框架，并對平臺層4項核心業務的運作原理進行了介紹。整個集成框架雖然運用人工智能技術在一定程度上減輕了人工處理數據的工作負擔，但在數據規范化處理、需求提報機制、產品快速分發等功能的技術成熟度還有待提升。

在后續工作中，一方面充分吸收、運用先進技術提升系統的智能化水平，一方面與船舶用戶深度溝通，了解我國艦船體系在海洋偵察方面的能力和優勢，取長補短，提升對多源天基資源的綜合應用能力。