卫星信息支持海域感知关键技术分析

王志敏,王建斌,王长力

(海军装备研究院, 北京102249)

1 引 言

随着空间对地观测技术的快速发展,对地观测卫星数量逐步增加,性能不断提高,种类逐渐丰富,囊括了可见光、红外、多光谱和合成孔径雷达等遥感手段。近年来,对地观测卫星在海域感知中得到了日益广泛的应用,卫星信息在海洋资源调查、水文气象监测预报、灾害调查和评估等方面发挥了重要作用[1-2]。在海上护航等军事行动中,护航编队兵力机动分散,海洋环境又复杂多变,对卫星信息融合处理、多手段协同、海量信息快速处理、水下目标探测等提出了更高的要求。本文通过大量的调研分析,梳理提出了面向航母编队信息保障的快速反应技术、面向任务的异种平台协同任务规划及基于效能的异类多平台协同策略优化技术、目标信息快速处理技术等若干项关键技术。

2 卫星信息支持海域感知的重要任务领域

以美国、俄罗斯、法国、德国、印度、日本等为典型的航天国家发展了气象遥感卫星、陆地遥感卫星、海洋遥感卫星等民用空间资源,并发展了以成像侦察卫星、电子侦察卫星、海洋监视卫星、导弹预警卫星为主体的军用侦察卫星体系。对地观测卫星体系构成见图1。

图1 对地观测卫星体系分类框架Fig.1 Frame of earth observing satellites architecture

海湾战争以来的实践表明,卫星信息支持海域感知贯穿于战争的全过程,下面分析从战前准备到战后评估中卫星信息的重要应用和任务领域。

2.1 在战前准备阶段进行目标和环境信息积累

利用高分辨率对地观测卫星,侦察作战对象国家和地区的战略母港等重要目标和机场、导弹发射阵地等纵深目标,进行目标情报积累,获取作战所需的陆岸目标及地理环境等信息,为海上作战指挥决策、对陆目标攻击等提供目标信息保障。

2.2 为海上早期预警提供信息支持

利用宽覆盖中分辨率对地观测卫星进行大范围发现,与高分辨率卫星观测配合[3-4],对预测的作战海区及防御范围内的航母编队、驱护舰编队等海上重要目标进行早期发现、跟踪和预警。

2.3 为海上目标跟踪监视和武器打击提供信息支持

综合利用多种卫星观测手段,对大范围海上舰船目标进行发现、识别、定位和跟踪,建立海上目标态势,为海基反舰导弹提供准确的舰船目标指示信息,并进行变化检测,提供精确的目标毁伤信息。

2.4 为海战场作战提供环境信息保障

海洋广阔,战场环境复杂,对舰艇航行安全和武器使用影响很大。要求对地观测卫星获取陆地和岛礁高精度三维遥感影像、沿岸自然地理要素、重力场和磁力场信息等,为远程武器打击提供海洋地理环境保障,为探潜、反潜等军事活动提供支持。

3 卫星信息支持海域感知关键技术

3.1 面向航母编队作战信息保障需求的快速反应相关技术

航母编队是海上兵力的重中之重,对信息保障需求具有精度和时效性要求高、持续时间长等特点,需要研究快速、动态的计划制定与任务调度方法,能够在短时间内完成卫星资源的优化分配与调度,并优先安排数据的分发传输,同时能对侦察计划进行实时插入、动态修改,实施相关业务部门的任务调度和协调,优先完成支持作战的任务保障,从而保证卫星信息的时效性。

一是研究预案推演和评估技术,准确预测卫星系统在任务期间的轨道分布、观测区域范围和星下点轨迹等因素,以此为基础提出针对性强的观测计划,有效提高卫星资源使用效率和观测结果的有效性。

二是在海上突发危机事件等强时效性任务背景下,要求卫星观测任务计划时间更短,并具有计划实时插入、动态修改等能力,需优化、完善卫星观测计划制定算法,研究计划动态修改算法,提高计划制定效率。此外,不仅观测任务在不断变化,在轨卫星资源也会发生变化,需针对需求更新和约束条件的动态变化,构建动态约束模型,利用网络并行计算技术等,以对正在实施的侦察计划的影响度最小为前提,开发侦察计划快速动态编制模型和算法,实现动态化编制。

三是研究面向作战保障的任务动态调度方法,打破常规的任务调度模式,对卫星测控、数据接收、处理等各业务部门进行动态的任务调度和协调,实现相关任务的实时动态调度,以保证任务的正确执行。

3.2 面向海域观测任务的异种平台协同任务规划技术

由于海战场目标机动分散,所以对卫星系统的性能指标具有极大的挑战性,一方面,为了实现对目标的准确识别,要求星载传感器[5-6]有足够高的分辨率;另一方面,为了实现对作战海域的大范围搜索发现,需要尽可能大的观测幅宽,这对单颗卫星来说是无法调和的矛盾。因此,亟需开展卫星与航空、临近空间飞行器、海洋调查船等异种平台协同[7]技术研究,充分取长补短,实现对大范围海域的目标监视。

美AD 报告《Planning Coverage of Points of Interest via Multiple Imaging Surveillance Assets:A Multi Modal Approach》中研究了侦察任务规划问题,试图同时考虑多颗成像卫星、无人机等多种手段,建立了多种资源联合侦察模型。加拿大国防部报告《Joint Space-Based Wide A rea Surveillance and Support Capability》中提出了利用RadarSat-2 卫星和船舶自动识别系统(AIS),对重点关注的太平洋、大西洋、北冰洋海域实现近实时的舰船检测。

目前,协同任务规划方面较为先进的是多级、分布式联合任务规划模式,其思路是综合考虑各种侦察资源配置、运行管理等因素。图2 描述了卫星、飞艇、飞机协同实现成像侦察、电子侦察、海洋调查等多手段、多任务的联合规划体系。总控级综合处理任务需求,将任务分解为可规划调度的元任务序列,指派给各部门侦察监视网络,部门级任务规划再通过侦察任务规划调度引擎将任务分配给每一个传感器资源,确定其侦察性能要求和航迹。管控级任务规划是每一个传感器的单机任务规划,根据其特定的测控要求、工作模式、约束条件生成具体的传感器活动序列和操作指令。该方法将一个复杂的规划调度问题分散到多个层次来建模求解,在资源管理方面具有较强的可操作性。

图2 多级、分布式空天信息系统任务规划体系示意图Fig.2 Multi-level distributed aerospace information systems task planning architecture

3.3 基于侦察效能的异类多平台协同侦察策略优化技术

侦察任务需求是协同策略构建的输入和依据。协同策略的设计应遵循性能优、效率高、可实现等准则。首先根据侦察任务需求进行侦察任务分解与规划,建立基本的协同策略层次体系,明确策略优化的约束条件,根据侦察任务的复杂度进行策略层次分解。以二级策略层次为例,一级为综合策略层,二级为功能策略层。在功能策略层中根据任务需要建立资源调度策略、传感器协同策略、空间协同策略、时间协同策略等,通过与侦察任务的分解与任务规划进行映射,以协同伙伴/协同节点选择、侦察效能、侦察资源可用性、侦察区域环境条件、侦察目标反侦察能力、资源耗费等作为策略优化的约束条件。

3.4 可伸缩的海战场环境监测体系结构与柔性部署技术

基于各类海洋遥感卫星,以构建数字海洋为发展目标,构建卫星遥感海战场环境[1-2]监测体系,加强对海洋的观测和数值预报,为应对海上方向的多样化安全威胁、完成海上多样化军事任务中的海战场环境情报保障提供有力支撑。

图3 基于卫星遥感的海战场环境监测体系示意图Fig.3 Architecture of sea battlefield envioronment observing with satellite remote sensing

从基于岸基指挥所的舰队级大规模分布式应用,到舰载终端的单机甚至嵌入式应用,海战场环境信息应用平台需要支持不同规模、不同架构的应用模式。为此,需要进行详细周密的体系结构设计,从业务模式、系统流程、体系架构、技术细节、接口形式上充分考虑系统平台在不同规模下的需求和实现方式,最终形成可伸缩的体系结构。

研究各类海战场环境要素、系统功能和服务的标准化结构和接口,实现系统的模块化设计和松耦合集成;研究以服务为中心的数据-功能-服务关联技术,保证系统能够根据应用模式的要求动态裁剪、加装和高效运行;研究多系统部署条件下分布数据的集成管理和按需共享技术;研究不同应用模式下的系统部署方案生成技术,保证系统的快速、柔性、分布部署。

3.5 天基遥感探潜技术

对潜艇探测是海上军事行动的迫切需求,随着潜艇降噪技术的发展和低噪声潜艇的投入使用,传统的声学探潜面临严峻挑战。在开拓新的探潜手段时,利用合成孔径雷达(SAR)、红外、光学卫星探潜受到重要关注,目前仍处于技术研究的起步阶段。

SAR 卫星探潜技术主要揭示SAR 卫星遥感探潜机理,建立潜艇尾迹星载SAR 图像仿真平台,开展潜艇尾迹微波探测水槽试验,分析海面背景的随机时变特性及尾迹弱反差特性,突破遥感数据水下目标检测识别技术,对星载SAR 关键性能指标进行优化设计,仿真评估SAR 卫星探潜能力等。

可见光/红外卫星遥感探潜技术主要研究并验证潜艇尾流计算模型,提取海面潜艇尾迹的可见光和红外谱段特征,分析潜艇水下航行对海洋生物光强的影响,评估通过海洋生物光强变化探潜的可行性,建立潜艇对海水温度的影响及变化分布模型,设计可行的红外探潜方案,建立潜艇尾流观测模型。

3.6 卫星观测海上动目标图像快速处理技术

利用对地观测卫星监视海上动目标,需要持续观测获得连续图像,所获海量数据的处理速度慢,卫星信息时效性较低。为生成动目标航迹必须突破海量卫星信息快速处理技术,需要构建快速处理流程和设备架构,对原始数据进行分块记录、快视提取,进行多机并行处理实现文件快速拼接、数据预处理。

卫星观测海上动目标图像快速处理技术主要包括:光学图像动目标快速检测识别技术,SAR 图像水面目标快速探测方法,海上动目标多源信息融合[5]技术,稀疏控制点条件下海上动目标快速定位技术,海上动目标变化检测技术,海上动目标检测处理算法等。

4 结 语

充分利用对地观测卫星,加强对海战场目标、环境等的感知能力,并通过卫星与航空、海上、岸基等战场感知手段进行有效的组织协同,对多源信息进行综合处理和深度融合,为海上作战提供准确、及时、可靠的目标和环境信息,是对地观测卫星军事应用的重要方向。梳理海上作战卫星信息保障关键技术,可以有效推动卫星对地观测技术的发展,为提高海域感知能力提供技术支撑。

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