GEO遥感卫星在舰船目标检测跟踪中的应用分析

王俐云 方峰 伊成俊 孙亚楠 万生阳

(1 中国空间技术研究院卫星应用总体部，北京 100094)(2 陕西航天技术应用研究院有限公司，西安 710199)

地球静止轨道遥感卫星由于位于地球同步轨道，可长期驻留于固定区域上空，具有观测幅宽数百千米、可对观测范围内的目标进行持续监视、可实时向地面站下传数据等特点。在时间分辨率、观测范围等方面与低轨观测系统相比，具备快速任务响应能力与大范围多目标的持续监视能力，可弥补低轨侦察监视卫星时间分辨率低和覆盖范围小等问题[1-2]。

我国幅员辽阔，海岸绵长，国家对海洋资源的充分利用日益重视，随着海上丝绸之路战略的实施，如何高效智能地进行海面交通管理与监测成为了一个亟待解决的问题。《国家民用空间基础设施中长期发展规划(2015—2025年)》明确提出要“围绕海域环境监测、海域使用管理、海洋权益维护和防灾减灾等应用对全天时、全天候、近实时监测需求，发展高轨凝视光学和高轨SAR技术”。

高分四号卫星是我国第一颗静止轨道遥感卫星，也是国家高分辨率对地观测系统重大专项中的高轨道遥感卫星。卫星投入使用后，开辟了我国同步轨道对地观测新途径，利用其覆盖范围大、响应迅速等特点与低轨卫星配合使用，在防灾减灾、森林草原火灾、洪涝灾害、气象预警、地震监测等领域提供了可靠、稳定、快捷的光学遥感数据。由于能够长时间对同一区域持续成像，高分四号在海面舰船检测、舰船运动状态估计等方面相对低轨道卫星而言有着明显的优势，对于建立海上舰船监测系统，有着难以替代的重要作用。后续我国“十四五”规划的多颗静止轨道高分辨率遥感卫星也将陆续发射入轨，投入使用，其在海上舰船目标检测跟踪领域的应用潜力亟待充分挖掘[3-4]。

本文针对静止轨道遥感卫星的特点，结合在舰船目标检测跟踪应用中的需求[5]，对其应用模式进行了分析，识别了目前常规应用流程中的短板，从提升需求响应时效性，融入实际保障流程出发，立足现有技术发展水平，对应用流程进行了优化设计，并通过实际案例开展了应用验证。

1 卫星应用模式与流程分析

1.1 总体考虑

目前静止轨道遥感卫星分辨率较低，无法对舰船目标进行识别，因此需要由其他获取手段发现目标后，提供目标的位置信息作为先验信息，然后再快速调用静止轨道遥感卫星拍摄目标位置附近区域，进行目标的检测与持续跟踪监视，通过对序列图像的快速检测，给出目标的运动信息。其中，先验信息准确性、任务响应速度、数据处理时间、目标检测跟踪时间，均影响了任务的时效性与目标信息的可用性。因此，在应用模式设计中，重点以提高任务响应时效性，保证用户获取信息的可用性为目标，在分析常规任务流程在保障舰船目标检测跟踪应用中短板的基础上，对应用流程进行优化设计。

1.2 常规应用流程分析

静止轨道遥感卫星近实时观测的特性，使其有较快的应急响应能力。由于目前民用高分四号卫星，以保障气象、环境、减灾应用为主，常规任务流程中未充分考虑舰船目标检测跟踪需求，在实际应用中存在“任务响应慢、成像数据量大、传输时延长、图像处理慢、应用效果不理想”等情况，未能充分发挥其近实时观测的优势。通过分析，目前常规任务流程存在的问题具体体现在以下几方面。

(1)卫星数据落地后在运管部门集中处理，时效性较差。卫星成像数据落地后，需要在卫星运管部门将整轨成像数据集中处理生成标准的2级图像产品再分发给用户，同时存在处理任务排队情况，目前处理时延一般为小时级。

(2)图像产品生产与目标检测跟踪过程相互独立，流程串行增加了时延。卫星运管部门将单次任务的图像产品生产结束后，打包传输给用户，用户在接收到单次任务的所有图像产品后，再进行目标的检测跟踪，任务流程时延大，时效性难以保证。

(3)用户缺乏自动化精准高效的应用系统，检测跟踪算法有待验证优化。利用高轨遥感图像进行舰船目标检测跟踪的应用系统尚处在探索阶段，目前舰船目标检测跟踪仍存在很多技术难题[6]，如海上云量大，如何降低碎云引起的虚警率；海上缺少控制点数据，如何提高定位精度等问题；海洋背景复杂，如何避免目标跟丢与跟错的情况等。同时，随着技术发展，后续在静止轨道遥感卫星分辨率提升后，不同分辨率图像目标的特性不同，相应的检测跟踪算法需要进行适应性改进与优化[7]。

(4)舰船目标的定位误差受卫星定位精度与姿态控制精度等因素影响，航迹抖动明显。静止轨道遥感卫星与岸基雷达、船舶自动识别系统(Automatic Identification System，AIS)等探测手段相比，其定位精度较差，如果仅考虑利用原始图像信息进行舰船目标检测，航向航速误差大，航迹抖动明显，因此需要研究定位精度的提升技术，降低航向航速误差[8]。

综上所述，目前卫星成像产品由于任务响应、数据传输、处理与应用环节耗时长，使得时效性大打折扣，用户从获取成像数据到拿到图像产品的时间延长到几个小时。用户由于缺乏精准高效的处理应用系统，目标检测跟踪的准确性难以保障。因此，对于现有卫星应用流程，无法有效满足舰船目标检测跟踪任务需求。

1.3 设计思路与解决方案

针对处理与应用流程相互独立，用户需求响应慢，处理传输应用链路长的现状，从任务需求出发，打通任务筹划、数据处理、应用系统设计流程，开展一体化设计与应用，切实提高任务响应时效性。实现“实时拍摄、实时传输、实时接收、实时处理、实时检测跟踪”。

(1)任务筹划阶段，针对中远海舰船目标检测跟踪任务的特点精准设计卫星成像模式，形成固定响应机制，提高任务响应效率。从成像模式与检测跟踪算法两个维度，联合考虑优化设计，切实减少传输与处理的数据量，提升系统效率。卫星成像模式采用可见光谱段的单谱段成像，单景数据量仅为全谱段成像的五分之一。卫星成像间隔设计需要对数据量与目标运动特性进行统一考虑，间隔时间太短数据量大且目标运动特征不明显，而时间越长目标关联的难度也越大，且航迹点更为稀疏。考虑目标检测范围与目标运动特性的关系，设计灵活可调的成像间隔。

(2)数据处理阶段，与应用系统一体化设计，将单谱段成像的原始数据近实时下传并传输给用户，在用户端边接收边处理生成1A级图像产品，实现实时快速处理。方案设计中，考虑数据处理与应用系统的一体化设计，将原始数据实时传输给用户进行边接收边处理，大幅节省时间。同时，处理生成1A级图像产品传输给检测跟踪系统，与处理生成2级图像产品相比，耗时更短。

(3)检测跟踪阶段，与数据处理阶段并行进行，根据谱段特性选择智能检测算法，基于先验信息缩减目标检测范围，实现目标快速检测跟踪。通过数据处理与应用系统的一体化设计，数据处理与图像的检测跟踪可实现并行进行。数据处理阶段产生的图像产品实时传递给目标检测跟踪模块，目标检测跟踪模块开始目标检测，在收到连续三帧图像产品后，对三帧图像进行关联，生成目标的连续运动信息，包括位置、航向、航速、航迹等信息。之后每收到一帧图像产品检测并更新当前信息，实现实时快速检测跟踪。

目标检测跟踪算法基于近红外谱段图像产品特点设计，参考文献[9-10]中的检测跟踪算法，一般需要先利用海陆分割算法，进行海陆特征识别区分。中远海稀疏海域舰船目标检测中，图像切片中无陆地区域，可以不考虑海陆分割问题，因此可仅利用近红外谱段图像特性进行目标检测。同时，静止轨道遥感卫星面阵成像范围大(如高分四号卫星单景图像可覆盖400 km×400 km范围)，可通过先验信息，确定目标可能分布区域，减小检测范围，优化流程，提高时效性和检测率。

(4)在检测跟踪算法的设计上，从降低虚警率、提高定位精度、提高目标关联正确性3个方面综合考虑。静止轨道遥感卫星影像分辨率较低时，目标特征难与小型海岛、较小厚云进行区分，往往检测出大量虚警目标，为降低虚警率，将舰船检测分为粗检测和精检测两个步骤。通过粗检测得到可疑的舰船目标，通过精检测筛选正确的舰船目标。在目标检测算法选择上，目前采用基于角点检测(ORB)结合支持向量机(SVM)+方向梯度直方图(HOG)的基于模板匹配的算法，在某些特定场景下具有较好的应用效果，但难以应对各种复杂背景。后续可考虑基于深度学习的舰船目标检测方法。

在中远海舰船目标检测中，由于纯海洋背景缺少控制点信息，因此在做海上目标定位时会导致误差较大。为有效提高舰船目标的定位精度，利用静止轨道遥感卫星面阵成像单次成像幅宽较大的特点，在拍摄图像中包含有陆地的情况下可通过选择控制点进行地理位置匹配与校正以提高定位精度。

针对拍摄帧间间隔1 min的应用模式，为提高目标关联正确性，解决帧间间隔时间长，无法仅通过不同帧间目标距离判断目标是否是同一目标的问题，采用帧间多目标时空及纹理信息进行关联一致性配准的算法。对目标纹理特征与目标航向变化信息综合考虑，进行关联配准。

1.4 应用模式与流程优化

根据静止轨道遥感卫星的特点，在远海舰船目标检测跟踪应用需求的基础上，结合现有技术水平，对静止轨道遥感卫星在轨应用过程中面向舰船检测跟踪的星地一体应用模式进行分析，如图1所示。通过卫星应用流程优化，实现“需求快速响应、任务精准筹划、数据实时下传、同步数据处理、并行检测跟踪”，有效提高任务响应时效性。

图1 静止轨道遥感卫星面向舰船检测跟踪的星地一体应用模式示意图Fig.1 Satellite ground-integrated application mode of GEO remote sensing satellite for ship detection and tracking

静止轨道遥感卫星舰船目标检测跟踪可分为预处理、目标检测及目标跟踪阶段。预处理与目标检测阶段采用多线程并行处理的方式，以接收到数据为信号启动预处理及目标检测线程。目标跟踪功能则需要至少完成3帧数据的目标检测功能后才能启动，启动后每新来1帧目标检测结果则对应更新目标运动信息，实现目标位置与航速航向运动信息的连续滚动输出。具体步骤如下(见图2)。

图2 静止轨道遥感卫星舰船目标检测跟踪应用流程Fig.2 Application process ofship detection and tracking of GEO remote sensing satellite

(1)用户提报舰船目标检测需求：用户确定需要对某可疑舰船目标进行持续跟踪，并在获知该可疑舰船目标某时刻位置后，生成任务需求(包括目标发现时间、目标点位置、跟踪开始时间、持续跟踪时长)直接提报给卫星运管部门。

(2)卫星运管部门进行任务筹划：卫星运管部门进行任务筹划后生成成像任务计划，由地面站生成指令并上注；成像任务指令需明确卫星成像模式，成像谱段，成像间隔等。成像模式选为固定点遥感，成像谱段选近红外谱段，成像间隔1 min。

(3)静止轨道遥感卫星成像并实时下传数据：卫星根据成像任务指令在指定时间开机拍摄目标点所在区域，卫星边拍摄边以实时码流形式下传成像数据。

(4)地面站实时接收成像数据并传输给用户：地面站实时接收卫星原始码流数据同步传输给卫星运管部门，并通过地面引接专线传给用户。

(5)成像数据通过预处理生成序列图像产品：用户通过部署数据快速处理与应用一体化系统对成像数据进行处理应用。该软件由预处理模块与检测跟踪模块两部分组成。首先，预处理模块边接收成像数据边处理，通过数据录入、姿轨处理、辐射校正、有理多项式模型(RPC)正射校正计算过程生成1A级序列图像产品(带RPC文件的标准产品)。

(6)并行开展舰船目标的检测与跟踪：预处理模块每生成1景1A级图像产品，传递给检测与跟踪模块同步进行目标检测与精确定位，在对连续3景图像完成检测后，可生成目标运动信息，输出第1条目标跟踪信息。之后每检测完成一景新的图像产品，更新输出目标跟踪信息，实现目标跟踪信息的滚动输出。其中目标跟踪信息包括目标点位置、航向、航速及误差信息等。

(7)用户通过目标跟踪信息对可疑目标持续跟踪：用户根据数据处理与应用一体化系统输出的目标运动信息与目标航迹等，对目标进行持续跟踪，可联合其他信息获取手段确认目标。

根据应用流程优化设计结果，完成面向舰船目标检测的静止轨道遥感卫星数据处理与应用一体化系统设计。

2 应用案例分析

基于上述思路在工程中进行了实践应用，以下为基于高分四号卫星成像数据利用数据处理与应用一体化系统开展海上舰船目标检测跟踪试验验证的应用案例。高分四号卫星采用面阵凝视方式成像，具备可见光、多光谱和红外成像能力，其中可见光波段分辨率达50 m，红外波段达400 m，卫星定点于赤道上方，单景覆盖区域400 km×400 km，通过对相机的成像角度进行控制调整，可以完全覆盖中国及周边地区，成像区域达7000 km×7000 km，卫星定位精度优于4 km。针对高分四号卫星的应用模式进行拓展应用，

在本次试验中，利用高分四号卫星对黄渤海区域成像，选用可见光近红外谱段对指定海域成像，实际应用中设置帧间间隔为1 min。从卫星开机拍摄目标区域，到生成初始的舰船目标航迹，总时延在6 min以内，目标航迹滚动更新时延小于1 min。全流程时效性如表1所示。

表1 舰船目标检出跟踪任务时效性Table 1 Timeliness of ship target detection and tracking tasks

目标检测轨迹提取过程如图3所示，检测设置目标切片大小为20 km×20 km区域，目标切片中心点位置坐标为(123.327°E，36.7824°N)，图4(a)为利用高分四号卫星50 m近红外谱段拍摄目标区域处理生成的第一帧1A级图像；图4(b)为对图像进行切片后，在红框区域内共检测到3个目标；图4(c)为目标连续跟踪6帧后检测生成的目标轨迹。

图3 静止轨道遥感卫星目标检测轨迹提取Fig.3 Target detection trajectory extraction of GEO remote sensing satellite

经实际部署的试验验证系统测试，从卫星成像开始到获取目标跟踪信息从传统流程缩减到分钟级，大幅缩减了舰船目标检测跟踪应用时延，同时在无云层遮挡情况下，可对检测目标实施连续的跟踪监视，验证了应用模式与流程的高效性及在典型应用场景下的可用性。

3 结束语

静止轨道遥感卫星具有大范围持续观测优势，随着未来技术发展，成像载荷的分辨率将逐步提高、载荷的类型将更加丰富，其在舰船运动目标检测跟踪上的应用优势将更加突出，利用现有在轨卫星预先开展应用模式与关键技术研究具有重要意义。静止轨道遥感卫星的应用模式研究需要立足“需求提报、任务筹划、数据传输、数据处理及应用”的全链路，并通过实际应用结合需求不断迭代优化。后续建议在静止轨道遥感卫星的应用研究中重点关注以下几个方面[11-12]。

(1)开展天基高低轨多手段协同运用模式设计，充分挖掘天基应用潜能。静止轨道遥感卫星分辨率与低轨成像卫星相比较低，无法识别确认目标，需要提供目标先验信息作为舰船检测与跟踪的依据。通过研究高低轨卫星协同应用模式，综合光学、微波、电子侦察等探测手段，高、低轨道配置，相互补充，协同配合，充分发挥高低轨卫星各自的观测优势，提升探测的可靠性和综合效能，释放静止轨道遥感卫星的应用潜能。

(2)加强多源信息融合应用研究，获取目标的全要素信息。随着对地观测平台、遥感载荷类型和数量的日益丰富，产生了多波段、多极化、多尺度的遥感数据，实现多基多源信息之间的有效融合，可大幅提高数据利用价值，提高数据可靠性，检测识别准确性与变化检测和信息更新能力。同时，与AIS等天空地海多基多源信息融合应用，可实现多传感器间信息的互补，从而获取海洋目标的全要素信息。

(3)建立自动化的需求提报与响应机制，实现用户需求精细化管理与快速响应。充分发挥高轨卫星不受过境时间窗口限制可大范围持续观测的优势，研究面向用户任务精细化管理与快速响应的需求提报流程，针对高轨卫星遥感任务实现与卫星运管部门的精准高效对接。

(4)加强遥感图像海上移动目标检测跟踪相关关键技术攻关[13]。针对降低目标检测虚警率、提升目标跟踪正确率、提高航向航速计算精度等方面，需研究光学遥感图像中复杂海背景下的舰船检测关键技术与智能优化算法，如基于控制点的海上运动目标定位精度提升技术、基于运动差异性的海上目标快速发现和跟踪技术、光学遥感图像的碎云干扰去除技术、光学遥感图像舰船尾迹检测技术及复杂海况下舰船目标鉴别技术等关键技术。