基于卫星综合应用技术的边境海岸防御监测信息系统的研究

·文|航天恒星科技有限公司 尚壹 李宝明 郭伟 游佳君

基于卫星综合应用技术的边境海岸防御监测信息系统的研究

·文|航天恒星科技有限公司 尚壹 李宝明 郭伟 游佳君

目前世界许多国家面临着诸如走私、偷渡、恐怖分子越境、边境局部武装冲突等各种各样的边境问题。如何及时获得这些边境情况的准确信息是处理此类问题的关键所在，在卫星综合应用技术基础上提出的边境海岸防御监测信息系统通过自动化流程采用卫星和无人机等手段及时获取遥感影像及视频等信息并通过后期处理为解决此类边境问题提供及时准确的情报资料，为各国恰当快速解决边境问题提供情报保障。边境海岸防御监测信息系统主要由遥感卫星监测系统、无人机监测系统、地面监测系统以及指挥通信系统四大部分构成。

边境海岸防御 边境问题 遥感影像 遥感卫星监测 无人机监测 地面监测

一、 引言

当前随着科技的发展，欧美等发达国家基于多种技术的ISR应用系统已广泛应用于军事、公共安全及政府安全多个方面。而基于天基的ISR系统更是在美军近期的历次战争中发挥了极为重要的作用[1]，由此可见遥感技术已广泛应用于各类侦察和效果评估方面[2]。

当前许多国家在边境上或多或少面临着诸如领土争端、走私、偷渡、恐怖分子越境及局部武装冲突等多种问题。尤其是边境区域存在无人区或不宜长期驻兵布防的国家，对于上述边境问题的发现及取证存在一定难度，而不能及时地发现上述边境问题并获取准确清晰的信息以供国防及政府公共安全部门决断处理，任由其发展可能会对边境双方国家造成更为严重的负面影响。因此如何能及时发现并获取准确清晰的边境问题相关现场证据是处理边境问题的关键所在。因而在能力允许基础上，国家建立一个统一高效的边境海岸防御监测信息系统是非常必要的。通过基于天基空基的遥感影像及视频可以及时发现边境问题，监测边境敏感区域，识别边境车辆、人员[3]，提供更为准确清晰直观的证据，而随着商业高分遥感卫星的普及和无人机技术的发展，进一步提高了边境海岸防御监测信息系统的自动化程度和问题处理效率；通过使用无线通信满足边境情报传输对通信实时性的需求；通过卫星导航终端的使用满足监测目标坐标信息的获取；而通过后台处理系统对各类天空基监测信息的综合处理形成边境态势图。

二、 总体方案设计

1. 系统架构及原理

如图1所示，边境海岸防御监测信息系统架构主要分为天基、空基和陆基三个层面，涵盖天基监测、空基监测和陆基监测。天基层面通过遥感卫星实现目标国和边境的遥感图像监测，通过导航卫星为地面目标及空基设备提供定位服务，通过通信卫星提供卫星通信传输链路实现监测信息实时回传；空基层面通过无人机获取对边境地区监测的遥感图像、视频及目标坐标；地基层面，通过地面动中通监测车获取边境地区的视频并实时回传，通过卫星VSAT设备与通信卫星建立卫星通信网络和地面网络将分布在各边境地区的无人机地面测控站和地面监测设备与指挥中心连接成通信网络。系统采用遥感卫星、无人机、卫通车以及雷达等多源传感器获取边境图像、视频和其他监测数据，并将监测数据通过通信卫星链路和地面其他传输通道建立的异构多传感器传输网络[4]传回指控中心进行信息综合获得指挥所需情报，生成边境区域态势图。当前，异构多传感器传输网络的研究和应用在对地观测领域已广泛展开[5-6]，具备分布式信息高效融合和实时信息服务的能力。

图1 边境海岸线防御监测信息系统组成图

2. 系统组成及功能

边境海岸防御信息化系统包括遥感卫星监测分系统、无人机监测分系统、指控通信分系统和地面监测分系统，见图2。以卫星遥感图像和无人机遥感图像及视频监测为主，辅以地面视频及图像监测实现对边境进行战略和战术层面的监测。主要提供如下功能：①提供对所关注边境相关邻国军事基地、准军事设施以及重要战略设施的高分遥感监测，获取邻国军事战略动态，对本国边防提出预警；②提供边境地区敏感区域的高分遥感监测影像；③提供边境监测视频信息获取并实时回传到指挥部；④提供边境人员、车辆的监测和识别；⑤提供后期图像、视频、电文等多源传感器监测数据融合处理；⑥提供被监测边境区域态势图生成；⑦提供情报态势图数据分发。

图2 系统组成图

遥感卫星监测分系统主要包括遥感卫星子系统和地面应用子系统。通过遥感卫星子系统获取目标区域遥感影像，发送给地面应用子系统，经过地面应用子系统的后期处理，形成情报产品输出给指挥通信分系统作为最终边境态势图产品的输入。

无人机监测分系统主要包括无人机子系统和地面测控站。通过无人机子系统获取目标区域遥感影像和视频，实时或离线发送到地面测控站。经过地面测控站的后期处理，形成情报产品输出给指挥通信分系统作为最终边境态势图产品的输入。

地面监测分系统主要包括地面信息采集子系统和地面监测指挥站。通过地面动中通监测设备和雷达监测设备获取视频和近空、近海雷达探测数据，形成情报产品输出给指挥通信分系统作为最终边境态势图产品的输入。

指挥通信分系统主要包括指挥控制中心、通信卫星子系统和VSAT通信网络。通过VSAT通信网络和通信卫星子系统构成的卫星双向通信网络实现指挥控制中心和地面应用子系统、无人机地面测控站、地面监测指挥站及动中通和雷达等终端的连接。通过卫星通信网络和地面网络指挥控制中心接收遥感监测数据处理产品、无人机监测数据处理产品、动中通监测数据处理产品、雷达监测数据处理产品及各类制式文电信息，将此类信息综合形成边境态势图供各级决策者参考，同时将决策信息和情报按需分发，为多部门协同行动提供情报数据支持。

3.系统配置原则及性能指标

（1）系统配置原则

系统配置原则依据边境防御需求进行，边境防御需求的关键是前端传感器选择，因此前端传感器的选择决定了系统配置基本原则。对目标的解译分类一般分为发现、识别、确认以及描述分析4档。所谓“发现”是提供感兴趣的各种单元、物体或行动的位置；“识别”是要测定出一般目标的类别；“确认”是要判定目标为已知类别中的哪种类别及型号；“描述分析”是要提供目标的尺寸/范围、轮廓/布局、组成部分的结构、设备数量等。表1给出了对各种任务解译所需部分的分辨率原则。

表1 解译任务所需部分分辨率原则列表[7]

依据表1和实际所要监测的边境海岸目标需求可进行系统配置。

（2）系统性能指标

系统性能依据系统配置而定，此处给出典型系统配置下的性能指标。典型配置为遥感卫星载荷为全色/多光谱相机；无人机载荷包括可见光相机、摄像头和红外摄像头；动中通采用可见光摄像头；雷达采用岸防超视距雷达。以下是典型系统性能指标要求：①系统天基遥感卫星空间分辨率全色优于2m，多光谱优于8m；②遥感卫星回访周期（时间分辨率）：约1天（3星星座），约4天（单星）；③空基无人机空间分辨率可见光优于0.2m；④空基无人机视频分辨率为可见光为1920X1080，红外为640X320；⑤无人机回访周期（时间分辨率）为：0～8小时（通过增减无人机数量和飞行架次可控制监测点回访周期）；⑥地基动中通分辨率为可见光为1920X1080； ⑦雷达分辨率为：方位角1.4°,距离1000m；⑧数据传输能力：视频监测信号可实时传输（延迟低于300ms）；⑨导航方式：GPS/北斗/GLONASS;⑩态势图更新周期：典型值小于30min，但态势图具体更新时间需根据态势图繁简需求有所变化。

三、 关键技术

系统监测能力主要体现为信息源的准确性和及时性。因此本系统关键技术主要包括高分辨率遥感图像与多源异构传感器数据融合和多传感器自动运行规划调度。

1.遥感图像与多源异构传感器数据融合

本系统针对边境区域以遥感卫星的遥感影像为基础与无人机遥感影像和视频信息以及雷达探测信息、地面监视视频信息等地面监测信息进行数据融合。数据融合包含像素级、特征级和决策级融合3个层次。通过像素级融合获取更优的原始监测影像信息，例如通过将卫星影像和无人机影像进行像素级融合生成分辨率更高的假彩图像；将特征级融合应用与多传感器的目标跟踪，例如由卫星大范围扫描发现边境火灾后，由无人机确定火灾的具体着火点和过火面积，由地面监测对火灾产生和蔓延过程进行进一步分析；将决策级融合作为态势图生成的基础数据，有选择地利用特征级融合所抽取或测量的有关目标的各类特征信息，针对边境监测情况优化决策算法，实现融合目的。

2.多传感器自动运行规划调度

本系统通过对遥感卫星、无人机、动中通监视、雷达等多种传感器进行统一的规划、调度和控制，实现边境海岸监测信息的准确获取和高效传递。结合遥感卫星的运控系统、无人机的地面测控系统和动中通及雷达等地面传感器的任务系统实现多传感器运行的自动或半自动化规划、调度。其中遥感卫星与其他传感器的任务协同规划和调度采用半自动方式，无人机与地面任务协同规划与调度采用全自动方式，其中调度策略是系统能够高效运行的关键所在，系统运行流程如图3所示。

图3 系统任务运行流程图

四、结论

本文对卫星综合应用技术在边境海岸防御中的应用进行了研究，提出了一种基于卫星综合应用技术的边境海岸防御监测信息系统设计方案，并给出了方案设计思路和典型配置，通过边境海岸防御监测信息系统的应用将保证国家获取边境情况的及时性和准确性，可有效提高军事或者公共安全领域边境事务处理的效率。

[1] 任国军. 美军联合作战情报支援研究[M]. 北京：军事科学出版社, 2010,366～388.

[2]廖楚江，孟令杰， 贺东雷， 申志强. 遥感技术在战场侦察与效果评估中的应用[J]. 航天电子对抗,2011(3),10～12.

[3] John M. Irvine. National Imagery Interpretability Rating Scales(NIIRS):Overview and Methdology[J].SPIE, 1997(3028),93～103.

[4] Sandro Leuchter, Dirk Muhlenberg ＆amp; Rainer Schonbein. Agent-Based Web for Information Fusion in Military Intelligence, Surveillance,and Reconnaissance[J]. 2008 IEEE International Conference on Systems, Man and Cybernetics(SMC 2008) ,3732～3737.

[5] Bulter D.2020 computing: Everything, Everywhere.Nature. 2006, 440:402～405.

[6] Bulter D.2020 Agencies join forces to share data.Nature. 2007, 446:354.

[7] B.JASANI,T.SAKATA.Satellite for Arms Control and Crsis Monitoring, Oxford.New York, Oxford University Press, 1987.