何友，姚力波，江政杰

（1.海軍航空大學(xué)信息融合研究所，山東 煙臺(tái) 264001；2.海軍裝備部信息系統(tǒng)局，北京 100841）

1 引言

海洋是國(guó)家安全的重要屏障和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要通道，海上安全關(guān)系到我國(guó)國(guó)家利益的發(fā)展，海上方向仍然面臨著傳統(tǒng)和非傳統(tǒng)的安全威脅。目前，地基、?；?、空基和天基海洋目標(biāo)探測(cè)技術(shù)發(fā)展迅速，形成了全譜段、主被動(dòng)的海洋監(jiān)視傳感器譜系，但這些平臺(tái)之間或獨(dú)立工作，或者僅進(jìn)行簡(jiǎn)單配合，多平臺(tái)、多時(shí)相、多維度的海洋目標(biāo)探測(cè)信息得不到及時(shí)有效的融合，海洋目標(biāo)尤其是遠(yuǎn)海區(qū)域目標(biāo)監(jiān)視的實(shí)時(shí)性、連續(xù)性仍然較弱，海洋重點(diǎn)目標(biāo)的持續(xù)監(jiān)視能力和海洋突發(fā)事件的快速響應(yīng)能力仍需要進(jìn)一步提升。

空間信息網(wǎng)絡(luò)是以空間平臺(tái)(如同步衛(wèi)星或中、低軌道衛(wèi)星、平流層氣球和有人或無人駕駛飛機(jī)等)為載體，實(shí)時(shí)獲取、傳輸和處理空間信息的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)?？臻g信息網(wǎng)絡(luò)通過組網(wǎng)互聯(lián)，實(shí)時(shí)采集、傳輸和處理海量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星遙感、衛(wèi)星導(dǎo)航和衛(wèi)星通信的一體化集成應(yīng)用與協(xié)同服務(wù)[1]?？臻g信息網(wǎng)絡(luò)主要包括探測(cè)、通信和計(jì)算三類資源，空間計(jì)算以快速處理和高速通信為基礎(chǔ)，將傳感器、處理器和用戶終端組成一個(gè)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)分布式處理網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)海量空間數(shù)據(jù)在軌觀測(cè)、處理與分析。隨著空間信息網(wǎng)絡(luò)探測(cè)、通信和計(jì)算能力的極大提高，空間計(jì)算可以代替地面數(shù)據(jù)處理的大部分功能，進(jìn)一步支撐海洋目標(biāo)的多平臺(tái)協(xié)同探測(cè)和多源信息融合，逐步實(shí)現(xiàn)海洋目標(biāo)的廣域發(fā)現(xiàn)、精確識(shí)別、連續(xù)觀測(cè)和快速響應(yīng)。

本文結(jié)合我國(guó)空間信息網(wǎng)絡(luò)建設(shè)發(fā)展現(xiàn)狀和未來規(guī)劃，從空間信息網(wǎng)絡(luò)海洋目標(biāo)監(jiān)視的發(fā)展現(xiàn)狀、差距與不足、未來趨勢(shì)等幾個(gè)方面分別進(jìn)行闡述，研究基于空間信息網(wǎng)絡(luò)的海洋目標(biāo)監(jiān)視，分析展望其體系架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)，重點(diǎn)研究空間信息融合處理。

2 空間信息網(wǎng)絡(luò)海洋目標(biāo)監(jiān)視概述

2.1 空間信息網(wǎng)絡(luò)的研究與發(fā)展

空間信息網(wǎng)絡(luò)是地面網(wǎng)絡(luò)技術(shù)向空中、太空和深空的延伸和拓展，是衛(wèi)星通信技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合的必然結(jié)果。國(guó)外空間信息網(wǎng)絡(luò)研究經(jīng)歷了由天基通信組網(wǎng)到天基、空基、地基一體化和通信、探測(cè)、計(jì)算一體化組網(wǎng)的發(fā)展歷程。美國(guó)對(duì)空間信息網(wǎng)絡(luò)的研究起步較早，實(shí)施了 IPN(interplanetary internet)[2]、NGSI(next generation space internet)[3]、OMNI(operating mission as nodes on the internet)[4]、TCA(transformation communication architecture)[5]、SCaN(space communication and navigation)[6]等項(xiàng)目，對(duì)空間組網(wǎng)體系架構(gòu)、通信協(xié)議進(jìn)行研究和驗(yàn)證，開展了 Sensor Web[7-8]、IEOS(intelligent earth observing satellite)[9-11]等計(jì)劃，研究空間傳感器系統(tǒng)集成和信息融合技術(shù)。美軍建設(shè)的 GIG(global information grid)系統(tǒng)能夠?qū)⒚儡姴荚O(shè)在全球范圍內(nèi)的傳感器網(wǎng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)和武器平臺(tái)網(wǎng)綜合集成，實(shí)現(xiàn)全球性的信息化作戰(zhàn)空間網(wǎng)，GIG是空間信息網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)思想和應(yīng)用優(yōu)勢(shì)的體現(xiàn)。歐盟和俄羅斯也提出了各自的空間信息網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃，進(jìn)行了通信系統(tǒng)和對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)集成化研究。隨著微納衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，一些商業(yè)公司也開始進(jìn)行空間信息網(wǎng)絡(luò)的研究和構(gòu)建，例如Google、One Web、SpaceX、LEOSat等公司各自提出的太空互聯(lián)網(wǎng)計(jì)劃，Planet Labs、BlackSky Global、UrtheCast、EarthNow 等公司也開始構(gòu)建各自的遙感小衛(wèi)星星座。

美國(guó)一直重視研究衛(wèi)星數(shù)據(jù)在軌處理技術(shù)，美軍戰(zhàn)術(shù)快響（ORS, operationally responsive space）系列衛(wèi)星能夠在軌分析衛(wèi)星采集的圖像數(shù)據(jù)和信號(hào)數(shù)據(jù)，準(zhǔn)實(shí)時(shí)地快速提供目標(biāo)信息、戰(zhàn)備及戰(zhàn)場(chǎng)毀傷評(píng)估信息，同時(shí)該項(xiàng)目還開展了衛(wèi)星之間如何相互引導(dǎo)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)成像的研究[12]。美軍自2012年起開始關(guān)注空間計(jì)算技術(shù)，開展了衛(wèi)星在軌信息處理、空天地一體化協(xié)同組網(wǎng)等技術(shù)研究，涵蓋了云計(jì)算、空間預(yù)測(cè)分析、空間信息協(xié)同等領(lǐng)域。目前，美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室已完成了在地球同步軌道部署星上云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)，并正在探究高/中/低多種軌道類型的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)云計(jì)算部署方案及性能研究[13]。

我國(guó)對(duì)空間信息網(wǎng)絡(luò)的研究也經(jīng)歷了與國(guó)外相同的發(fā)展路徑。1999年，召開了天基綜合信息網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)，2000年，在《中國(guó)的航天》白皮書中首次明確建設(shè)天地一體化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的發(fā)展目標(biāo)，2013年、2015年和2017年召開了天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)高峰論壇，2013年，國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)立項(xiàng)空間信息網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)重大研究計(jì)劃，2016年，實(shí)施天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)重大工程。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)空間信息網(wǎng)絡(luò)體系和技術(shù)進(jìn)行了深入研究。沈榮駿院士在2006年正式提出了“天地一體化航天互聯(lián)網(wǎng)”設(shè)想[14]，分析了我國(guó)天地一體化航天互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的體系結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和發(fā)展步驟。張乃通院士研究了我國(guó)建設(shè)天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的基本架構(gòu)、技術(shù)難點(diǎn)并給出了初步建設(shè)性建議[15]。吳曼青院士設(shè)計(jì)了我國(guó)天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的總體架構(gòu)，并分析了網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、安全保密、運(yùn)維管控等關(guān)鍵技術(shù)。姜會(huì)林院士深入分析了天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)中光通信和光學(xué)探測(cè)的關(guān)鍵問題[16]。孫家棟院士和李德仁院士提出了“互聯(lián)網(wǎng)+天基信息服務(wù)系統(tǒng)”的構(gòu)想，李德仁院士還提出了空天地一體化對(duì)地觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)、對(duì)地觀測(cè)腦等構(gòu)想[17-19]，通過組網(wǎng)互聯(lián)，實(shí)時(shí)采集、傳輸和處理海量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星通信、衛(wèi)星遙感和衛(wèi)星導(dǎo)航一體化的天基信息實(shí)時(shí)協(xié)同服務(wù)。國(guó)內(nèi)其他學(xué)者也開展了空間信息網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)等方面的相關(guān)研究[20-24]。此外，國(guó)內(nèi)學(xué)者還開展了智能遙感對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星和在軌數(shù)據(jù)處理方面的研究工作[25-28]。北京理工大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化所、中國(guó)科學(xué)院電子所等單位開展了星上合成孔徑雷達(dá)（SAR, synthetic aperture radar）實(shí)時(shí)成像、星上圖像預(yù)處理、星上目標(biāo)檢測(cè)與識(shí)別等方面的研究。我國(guó)衛(wèi)星已經(jīng)具有在軌數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)壓縮、目標(biāo)檢測(cè)等功能[29-31]。

2.2 空間信息網(wǎng)絡(luò)海洋目標(biāo)監(jiān)視研究現(xiàn)狀

空基和岸基海洋目標(biāo)監(jiān)視的研究發(fā)展較早，國(guó)內(nèi)外對(duì)其體系設(shè)計(jì)和關(guān)鍵技術(shù)研究相對(duì)較多。本節(jié)主要分析討論天基海洋目標(biāo)監(jiān)視的發(fā)展。世界各海洋大國(guó)都非常重視利用天基平臺(tái)來提高海洋監(jiān)視能力。軍事上，美國(guó)和俄羅斯已經(jīng)建成了以電子偵察方式為主、雷達(dá)和成像為輔的實(shí)用型海洋監(jiān)視衛(wèi)星系統(tǒng)，其發(fā)展歷程充分體現(xiàn)了多手段融合、多目標(biāo)兼顧和天地一體網(wǎng)絡(luò)化的特點(diǎn)。法國(guó)積極發(fā)展電子偵察衛(wèi)星和高軌高分辨率光學(xué)成像偵察衛(wèi)星，以滿足未來海洋作戰(zhàn)需求。德國(guó)、意大利、加拿大、日本、歐盟等國(guó)家和國(guó)際組織雖然沒有專門的天基海洋目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)，但借助于軍事成像偵察衛(wèi)星或者商業(yè)遙感衛(wèi)星，開展了一系列天基海洋目標(biāo)監(jiān)視研究，這些項(xiàng)目主要是基于合成孔徑雷達(dá)（SAR）衛(wèi)星開展，例如德國(guó)的SAR-Lupe、TerraSAR-X和TanDEM-X衛(wèi)星，意大利的COSMOS-Skymed衛(wèi)星，加拿大的RadarSat衛(wèi)星等，特別值得注意的是，這些SAR衛(wèi)星具備地面動(dòng)目標(biāo)指示（GMTI，ground moving target indicator）工作模式，對(duì)海上慢速目標(biāo)和弱小運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)非常有利[32]。

民用上，國(guó)外天基海洋目標(biāo)監(jiān)視主要基于商業(yè)SAR衛(wèi)星和AIS（automatic identification system）衛(wèi)星，逐漸融合商業(yè)光學(xué)遙感衛(wèi)星。美國(guó)、德國(guó)、加拿大、挪威等國(guó)家都發(fā)射了專門的AIS衛(wèi)星，未來規(guī)劃將建成多個(gè)AIS小衛(wèi)星星座，實(shí)現(xiàn)全球海域合作目標(biāo)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)視。國(guó)外開展了一系列融合衛(wèi)星信息的全球海域連續(xù)觀測(cè)研究項(xiàng)目，例如美國(guó)的C-SIGMA(collaboration in space for global maritime awareness)項(xiàng)目融合SAR和光學(xué)遙感衛(wèi)星、AIS衛(wèi)星和通信衛(wèi)星(M2M/SMS/LRIT)數(shù)據(jù)[33]。加拿大的Polar Epsilon項(xiàng)目融合SAR遙感衛(wèi)星、AIS衛(wèi)星、通信衛(wèi)星LRIT（long range identification and tracking）、岸基AIS和岸基雷達(dá)數(shù)據(jù)，未來還將融合光學(xué)遙感衛(wèi)星、無人機(jī)、海岸巡邏機(jī)、巡邏艇等提供的數(shù)據(jù)[34]。歐盟的 LIMES（land/sea integrated monitoring for European security）項(xiàng)目用 GMES（global monitoring for environment and security）衛(wèi)星、SAR和光學(xué)商業(yè)遙感衛(wèi)星、星載AIS、通信衛(wèi)星等實(shí)現(xiàn)對(duì)地中海目標(biāo)監(jiān)視[35]，Pilot項(xiàng)目主要研究利用 SAR遙感衛(wèi)星和光學(xué)遙感衛(wèi)星提高對(duì)海上目標(biāo)的精細(xì)探測(cè)和識(shí)別能力，并進(jìn)行海上態(tài)勢(shì)決策支持研究[36]。

我國(guó)已經(jīng)成功發(fā)射了“高分”“海洋”“資源”“環(huán)境”等系列的民用遙感衛(wèi)星。其中，高分四號(hào)地球同步軌道光學(xué)成像衛(wèi)星，在3.6萬千米外的軌道上實(shí)現(xiàn)50 m空間分辨率，其監(jiān)測(cè)范圍覆蓋中國(guó)及周邊4 900萬平方千米的陸海區(qū)域，高分三號(hào)衛(wèi)星是我國(guó)首顆分辨率達(dá)到1 m的C波段多極化民用SAR衛(wèi)星，能夠高時(shí)效地實(shí)現(xiàn)1～500 m空間分辨率、10 ～650 km幅寬的不同應(yīng)用成像模式，具有高分辨率、大成像幅寬、多成像模式，能夠全天候、全天時(shí)進(jìn)行海洋和陸地監(jiān)測(cè)與監(jiān)視，能通過調(diào)整姿態(tài)機(jī)動(dòng)擴(kuò)大觀測(cè)范圍，提升快速響應(yīng)能力。我國(guó)天基探測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展顯著提高了對(duì)海洋目標(biāo)監(jiān)視的時(shí)空覆蓋能力和快速響應(yīng)能力，為實(shí)現(xiàn)大范圍海洋目標(biāo)持續(xù)監(jiān)視提供了多模式的海量空間數(shù)據(jù)支持[37-39]。中國(guó)科學(xué)院電子所、國(guó)防科技大學(xué)、武漢大學(xué)等單位開展了基于多源衛(wèi)星信息融合的海洋目標(biāo)監(jiān)視研究[40-42]。

2.3 發(fā)展啟示

世界各海洋大國(guó)都十分重視空間信息網(wǎng)絡(luò)海洋目標(biāo)監(jiān)視的研究，其發(fā)展具有以下特點(diǎn)：1) 多傳感器協(xié)同探測(cè)，針對(duì)近海和遠(yuǎn)海應(yīng)用場(chǎng)景，逐步完善天、空、岸對(duì)海探測(cè)手段，形成多平臺(tái)、全譜段、主動(dòng)被動(dòng)相結(jié)合的多維探測(cè)網(wǎng)絡(luò)，未來重點(diǎn)發(fā)展高軌高分辨率成像衛(wèi)星、天基監(jiān)視雷達(dá)等新型海洋目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)；2) 多源信息融合處理，基于中/低分辨率光學(xué)和 SAR遙感圖像實(shí)現(xiàn)海洋目標(biāo)的廣域發(fā)現(xiàn)，基于高分辨率的光學(xué)和 SAR圖像實(shí)現(xiàn)海洋目標(biāo)的精細(xì)識(shí)別，基于電子偵察和AIS數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)海洋目標(biāo)的連續(xù)跟蹤，未來將重點(diǎn)向航跡推演、危險(xiǎn)告警等高層次融合的研究方向發(fā)展；3) 觀測(cè)與處理智能融合，基于空間計(jì)算模式設(shè)計(jì)多載荷協(xié)同控制、多平臺(tái)相互引導(dǎo)和多信息融合處理的新機(jī)制，實(shí)現(xiàn)海量空間數(shù)據(jù)在線協(xié)同獲取和協(xié)同分析，是基于空間信息網(wǎng)絡(luò)的海洋目標(biāo)監(jiān)視未來發(fā)展新模式。

目前，我國(guó)空間信息網(wǎng)絡(luò)對(duì)海洋目標(biāo)監(jiān)視研究發(fā)展迅速，但仍存在以下問題：1) 遠(yuǎn)海區(qū)域的熱點(diǎn)海域事件和海上時(shí)敏目標(biāo)實(shí)時(shí)持續(xù)掌控能力仍然不足，衛(wèi)星資源有限，受軌道、頻譜、工作弧段、運(yùn)載能力等因素的限制，難以通過增加衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)數(shù)量和提高單衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)能力來獲得大范圍海洋目標(biāo)持續(xù)跟蹤所需的時(shí)空覆蓋范圍，并且天基平臺(tái)之間或單獨(dú)工作或進(jìn)行簡(jiǎn)單的配合工作，還不具備衛(wèi)星動(dòng)態(tài)組網(wǎng)協(xié)同探測(cè)能力；2) 空間數(shù)據(jù)智能化處理水平滯后，海洋目標(biāo)檢測(cè)、識(shí)別和跟蹤大多基于傳統(tǒng)理論實(shí)現(xiàn)，以深度學(xué)習(xí)為代表的類腦智能計(jì)算理論在海洋目標(biāo)監(jiān)視信息處理中尚處于起步階段，與實(shí)際應(yīng)用需求還有較大的差距；3) 空間計(jì)算能力有限，大部分衛(wèi)星只能實(shí)現(xiàn)在軌數(shù)據(jù)預(yù)處理，部分衛(wèi)星具備了一定的海洋目標(biāo)在軌檢測(cè)能力，天基與岸基、空基之間的信息交互能力較弱，空間信息網(wǎng)絡(luò)分布式動(dòng)態(tài)組網(wǎng)協(xié)同計(jì)算仍處于理論研究階段；4)多源空間信息融合處理能力不足，現(xiàn)有空間數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)大多按照單一平臺(tái)數(shù)據(jù)源設(shè)計(jì)，積累的海量空間數(shù)據(jù)沒有充分處理，艦船目標(biāo)識(shí)別特征、艦船目標(biāo)行為規(guī)律、海上態(tài)勢(shì)威脅估計(jì)等高層次融合識(shí)別核心技術(shù)研究較少。

基于空間信息網(wǎng)絡(luò)的海洋目標(biāo)監(jiān)視是未來的發(fā)展趨勢(shì)，尤其是空間計(jì)算技術(shù)將極大提升海洋目標(biāo)監(jiān)視的信息處理能力和快速響應(yīng)能力，因此，既要注重研究先進(jìn)的海洋目標(biāo)偵察監(jiān)視技術(shù)，發(fā)展新型海洋目標(biāo)偵察監(jiān)視裝備，建立完善的海洋目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)，更要重視天、空、岸、海多平臺(tái)多傳感器觀測(cè)信息融合處理核心技術(shù)的研究，通過信息融合處理，將不同空間平臺(tái)、不同類型傳感器深度整合，實(shí)現(xiàn)廣域海洋目標(biāo)的精細(xì)識(shí)別和連續(xù)觀測(cè)。

圖1 空間信息網(wǎng)絡(luò)海洋目標(biāo)監(jiān)視體系示意

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

空間信息網(wǎng)絡(luò)中的航天、航空、?；痘?、臨近空間等平臺(tái)共同組成探測(cè)、通信和計(jì)算一體化網(wǎng)絡(luò)，通過空間計(jì)算模式實(shí)現(xiàn)海洋目標(biāo)監(jiān)視信息在線獲取、處理和傳輸，為用戶提供近實(shí)時(shí)多維度的海上態(tài)勢(shì)情報(bào)，其體系如圖1所示?？栈⒑；桶痘Ｑ竽繕?biāo)監(jiān)視長(zhǎng)期是研究的重點(diǎn)，其技術(shù)發(fā)展相對(duì)成熟，但上述平臺(tái)傳感器只能用于監(jiān)視近海和艦船周邊。天基海洋目標(biāo)監(jiān)視是遠(yuǎn)海區(qū)域海上目標(biāo)監(jiān)視的主要手段。天基平臺(tái)組網(wǎng)探測(cè)具有節(jié)點(diǎn)高速運(yùn)動(dòng)頻繁交接、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化、空間觀測(cè)稀疏非均勻、數(shù)據(jù)海量異構(gòu)等特點(diǎn)，需要解決網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、通信協(xié)議、運(yùn)維管控、信息獲取與處理等多個(gè)方面的關(guān)鍵技術(shù)。相對(duì)于美國(guó)的全球布設(shè)地面站的特點(diǎn)，我國(guó)主要以本土布站和測(cè)量船結(jié)合的方式完成衛(wèi)星測(cè)控和數(shù)據(jù)接收，從任務(wù)規(guī)劃到數(shù)據(jù)分發(fā)的延遲難以滿足遠(yuǎn)海區(qū)域高時(shí)效性的任務(wù)需求?；诳臻g計(jì)算的海洋目標(biāo)監(jiān)視通過空間計(jì)算資源分布式動(dòng)態(tài)組網(wǎng)，在軌融合處理多源海量異構(gòu)空間數(shù)據(jù)，利用星間鏈路共享目標(biāo)指示與引導(dǎo)信息，實(shí)現(xiàn)自主任務(wù)規(guī)劃和多星多載荷協(xié)同控制，提高探測(cè)數(shù)據(jù)處理的時(shí)效性和快速響應(yīng)能力?；诳臻g計(jì)算的多源信息融合是我國(guó)海洋監(jiān)視的發(fā)展方向和必然趨勢(shì)。本節(jié)從空間計(jì)算的角度出發(fā)，研究天基海洋目標(biāo)監(jiān)視信息感知，即信息獲取與處理方面的關(guān)鍵技術(shù)，從空間資源組網(wǎng)、在軌信息融合和新型海洋目標(biāo)監(jiān)視載荷三方面進(jìn)行分析。

3.1 空間資源組網(wǎng)

空間資源組網(wǎng)包括探測(cè)、通信和計(jì)算資源等方面的組網(wǎng)，隨著星上探測(cè)、存儲(chǔ)、計(jì)算和通信能力的不斷提升，不同類型、不同軌位的衛(wèi)星組成一個(gè)高速動(dòng)態(tài)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，通過空間計(jì)算技術(shù)，結(jié)合基于地面大數(shù)據(jù)處理的星地協(xié)同處理機(jī)制，將多源海量異構(gòu)空間數(shù)據(jù)分配到空間云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)在軌任務(wù)驅(qū)動(dòng)、信息感知與融合相統(tǒng)一的海洋目標(biāo)空間智能觀測(cè)與處理一體化網(wǎng)絡(luò)。

1) 天基多平臺(tái)多傳感器協(xié)同探測(cè)

海洋目標(biāo)監(jiān)視具有海域廣闊、目標(biāo)稀疏且機(jī)動(dòng)性較強(qiáng)等特點(diǎn)，單一衛(wèi)星、單一傳感器難以滿足探測(cè)需求。天基海洋目標(biāo)監(jiān)視可以綜合運(yùn)用多平臺(tái)（高/中/低軌）、多傳感器（電子偵察、成像偵察、AIS、通信等），在通信衛(wèi)星和中繼衛(wèi)星的支持下，通過優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)實(shí)現(xiàn)協(xié)同探測(cè)。天基多平臺(tái)多傳感器海洋目標(biāo)協(xié)同探測(cè)與單星探測(cè)和靜止目標(biāo)多星探測(cè)不同，需要重點(diǎn)解決多平臺(tái)頻繁交接背景下的海洋目標(biāo)接力跟蹤問題，包括時(shí)敏目標(biāo)和事件在軌智能感知、天基多平臺(tái)主動(dòng)補(bǔ)盲機(jī)制、天基多平臺(tái)海洋目標(biāo)交叉提示與引導(dǎo)交接，以及建立面向海洋監(jiān)視任務(wù)需求的在軌動(dòng)態(tài)自主任務(wù)規(guī)劃?rùn)C(jī)制，實(shí)現(xiàn)天基海洋目標(biāo)在軌探測(cè)與處理一體化。

2) 天基多平臺(tái)云計(jì)算架構(gòu)

天基多平臺(tái)獲取的觀測(cè)數(shù)據(jù)具有海量異構(gòu)的特點(diǎn)，單一衛(wèi)星難以及時(shí)有效地完成多源數(shù)據(jù)融合處理，并且海量原始數(shù)據(jù)的傳輸給通信衛(wèi)星帶來了負(fù)擔(dān)。衛(wèi)星都具有星上計(jì)算和存儲(chǔ)能力，不同軌位衛(wèi)星的計(jì)算資源組成一個(gè)高速動(dòng)態(tài)重構(gòu)的空間云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)，通過設(shè)計(jì)適應(yīng)在軌實(shí)時(shí)快速處理的體系架構(gòu)、硬件芯片和軟件算法，將海量多維的海洋目標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行星間動(dòng)態(tài)分配，實(shí)現(xiàn)分布式計(jì)算和存儲(chǔ)。需要重點(diǎn)解決大時(shí)空尺度下的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)模型、可擴(kuò)展的異質(zhì)異構(gòu)平臺(tái)組網(wǎng)、快速發(fā)現(xiàn)和自適應(yīng)容斷處理網(wǎng)絡(luò)、星上高速嵌入式數(shù)據(jù)處理架構(gòu)與硬件等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多源衛(wèi)星海洋目標(biāo)監(jiān)視信息的在軌分布式融合處理。

3) 天基平臺(tái)高速通信組網(wǎng)

天基平臺(tái)高速運(yùn)動(dòng)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變化，鏈路之間頻繁中斷，并且平臺(tái)之間距離遙遠(yuǎn)，鏈路之間通常存在較大的傳輸時(shí)延。傳統(tǒng)的地面網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不能直接移植應(yīng)用到空間網(wǎng)絡(luò)，需要解決高動(dòng)態(tài)時(shí)變網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型、異質(zhì)異構(gòu)大時(shí)空尺度組網(wǎng)協(xié)議、寬頻帶大容量高速星間通信、星間傳輸高效可靠編碼等核心技術(shù)，實(shí)現(xiàn)天基海洋目標(biāo)監(jiān)視信息的多節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)傳輸和共享。

3.2 在軌信息融合

傳統(tǒng)信息融合方法是基于岸基、?；涂栈砻苡^測(cè)數(shù)據(jù)和地面處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的[43]?；诳臻g計(jì)算模式的在軌信息融合需要考慮衛(wèi)星稀疏觀測(cè)、星上處理系統(tǒng)等多方面的特點(diǎn)，對(duì)海量多維異構(gòu)的衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)層、特征層和決策層的融合處理（其中特征層融合是研究的重點(diǎn)和核心），為不同層次的用戶提供符合應(yīng)用需求的信息情報(bào)。在軌信息融合需要重點(diǎn)開展以下幾方面的研究。

1) 單源衛(wèi)星數(shù)據(jù)在軌預(yù)處理與信息提取

衛(wèi)星海洋目標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù)量大，但海洋目標(biāo)分布稀疏，有效的衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)僅占很小一部分。相對(duì)于陸地應(yīng)用，衛(wèi)星海洋目標(biāo)監(jiān)視的特點(diǎn)是固定控制點(diǎn)稀少，甚至沒有固定控制點(diǎn)。需要研究衛(wèi)星遙感圖像實(shí)時(shí)在軌輻射校正、無控定位、去云、海陸分割等預(yù)處理技術(shù)，設(shè)計(jì)高/中/低分辨率不同細(xì)節(jié)層次的多尺度遙感圖像海上目標(biāo)檢測(cè)深度學(xué)習(xí)框架，設(shè)計(jì)基于多維特征融合的多源遙感圖像(SAR、紅外、光譜等) 遷移學(xué)習(xí)算法，實(shí)現(xiàn)大范圍衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)在軌輕量化智能預(yù)處理與信息提取，為在軌多源信息融合提供高精度的艦船目標(biāo)信息。

2) 多源衛(wèi)星數(shù)據(jù)海洋目標(biāo)智能關(guān)聯(lián)

衛(wèi)星海洋監(jiān)視覆蓋范圍廣，同一場(chǎng)景內(nèi)相似目標(biāo)多，重訪周期長(zhǎng)，通常采用稀疏非均勻采樣觀測(cè)模式，不同類型衛(wèi)星數(shù)據(jù)從不同角度刻畫海洋目標(biāo)，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和目標(biāo)特征差異大。傳統(tǒng)的基于目標(biāo)狀態(tài)信息的關(guān)聯(lián)算法在衛(wèi)星大時(shí)空跨度觀測(cè)下關(guān)聯(lián)準(zhǔn)確率不高，傳統(tǒng)的目標(biāo)特征相似性度量關(guān)聯(lián)方法大多是針對(duì)同類型、同結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)，基于Minkowsky距離、Mahalanobis距離等距離度量函數(shù)實(shí)現(xiàn)。而多源異類數(shù)據(jù)的目標(biāo)關(guān)聯(lián)無法直接使用上述方法，多源異類數(shù)據(jù)在表征上是異構(gòu)的，但是在語義層次上是關(guān)聯(lián)的。需要通過研究海洋目標(biāo)在數(shù)據(jù)類型、時(shí)空尺度、特征類型等之間的深層關(guān)系圖譜，學(xué)習(xí)多維特征之間的隱含相似性關(guān)系和語義相關(guān)性，設(shè)計(jì)基于認(rèn)知理論的海洋目標(biāo)關(guān)聯(lián)模型，實(shí)現(xiàn)多源衛(wèi)星數(shù)據(jù)海洋目標(biāo)跨域、多視圖的智能關(guān)聯(lián)。

3) 多源衛(wèi)星數(shù)據(jù)海洋目標(biāo)特征在軌融合

相對(duì)于數(shù)據(jù)層和決策層融合，特征層融合能夠最大限度地保留原始目標(biāo)信息、降低數(shù)據(jù)冗余。但是衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)類型多，提取的海洋目標(biāo)特征維度和尺度不一致，特征融合模型設(shè)計(jì)難度大，現(xiàn)有數(shù)據(jù)描述方法未充分考慮各維特征之間的相關(guān)性，冗余度高。借鑒生物認(rèn)知和神經(jīng)科學(xué)理論，綜合形狀、光譜、極化等特征，設(shè)計(jì)多維異類異構(gòu)特征協(xié)同的層次化、稀疏化目標(biāo)一致性描述模型，將多源異構(gòu)衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)映射至同一耦合特征空間，并結(jié)合星上硬件和軟件環(huán)境實(shí)現(xiàn)不同類型傳感器、不同尺度觀測(cè)數(shù)據(jù)的海洋目標(biāo)特征在軌融合。

4) 星上海洋目標(biāo)高層知識(shí)生成

高時(shí)效用戶更關(guān)注海洋目標(biāo)的高層次態(tài)勢(shì)信息，如威脅、意圖、目的等，衛(wèi)星通常難以對(duì)海洋目標(biāo)進(jìn)行持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間跟蹤監(jiān)視，難以生成海洋目標(biāo)的穩(wěn)定航跡，稀疏長(zhǎng)時(shí)間間隔的觀測(cè)模式給海上態(tài)勢(shì)估計(jì)與推演帶來極大的挑戰(zhàn)。多源衛(wèi)星海洋目標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù)融合處理的同時(shí)，還需要綜合水文氣象、由歷史運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)得到的運(yùn)動(dòng)規(guī)律等信息，設(shè)計(jì)基于多維時(shí)空信息的海洋目標(biāo)行為協(xié)同推理模型，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星稀疏觀測(cè)條件下的不完備觀測(cè)數(shù)據(jù)信息拓展和態(tài)勢(shì)推演，幫助用戶及時(shí)全面地掌控目標(biāo)海域態(tài)勢(shì)，輔助用戶決策。

5) 星地聯(lián)合數(shù)據(jù)處理與動(dòng)態(tài)交互

星上存儲(chǔ)、計(jì)算能力與地面處理系統(tǒng)差別巨大，海洋目標(biāo)潛在特征和行為規(guī)律的挖掘需要海量數(shù)據(jù)支持，信息融合過程中還需要更新大量的專家知識(shí)。設(shè)計(jì)在軌和地面的聯(lián)合處理機(jī)制，在地面進(jìn)行海量遙感時(shí)空大數(shù)據(jù)的機(jī)器學(xué)習(xí)，結(jié)合專家先驗(yàn)信息，挖掘海上目標(biāo)的識(shí)別特征、行為規(guī)律、動(dòng)向意圖和威脅程度、編隊(duì)聯(lián)動(dòng)規(guī)則等隱性信息，實(shí)時(shí)上傳更新至星上，為在軌海洋目標(biāo)識(shí)別、海上態(tài)勢(shì)預(yù)測(cè)及威脅評(píng)估等高層次應(yīng)用提供支持。

3.3 新型海洋目標(biāo)監(jiān)視載荷

針對(duì)海洋目標(biāo)和海洋環(huán)境的復(fù)雜性，天基海洋目標(biāo)監(jiān)視載荷應(yīng)該重點(diǎn)向廣域搜索、反隱身、反電磁靜默等方向發(fā)展，完善多軌道、多譜段、多尺度、主被動(dòng)相結(jié)合的天基海洋目標(biāo)監(jiān)視體系。

1) 地球靜止軌道高分辨率成像衛(wèi)星

地球靜止軌道高分辨率成像衛(wèi)星可以長(zhǎng)期駐留在固定區(qū)域上空，根據(jù)需要快速調(diào)整成像監(jiān)視區(qū)域，具備對(duì)重點(diǎn)事件的快速響應(yīng)能力和對(duì)重點(diǎn)目標(biāo)的近實(shí)時(shí)監(jiān)視能力，非常適合長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)視和快速成像訪問，未來將在海上運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的偵察監(jiān)視中發(fā)揮重要作用。目前，國(guó)外正在加快開展光學(xué)合成孔徑成像、稀疏空間成像、膜基衍射光學(xué)成像等新技術(shù)研究，突破靜止軌道高分辨率衛(wèi)星成像限制，例如，美國(guó)要求靜止軌道遙感衛(wèi)星分辨率達(dá)到1 m，實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)彈發(fā)射車等地面目標(biāo)和海洋艦船等高價(jià)值動(dòng)目標(biāo)的跟蹤，歐洲要求靜止軌道遙感衛(wèi)星分辨率達(dá)到3 m，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)視海洋目標(biāo)[44-48]。

2) 基于導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)探測(cè)的遙感衛(wèi)星

GNSS-R（global navigation satellite systemreflectometry）是一種被動(dòng)遙感探測(cè)技術(shù)，利用全球?qū)Ш叫l(wèi)星L波段信號(hào)為輻射源，通過接收并處理海洋表面和海洋目標(biāo)反射的導(dǎo)航衛(wèi)星偽隨機(jī)測(cè)距碼信號(hào)或者載波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)海上目標(biāo)探測(cè)，具有信號(hào)源豐富、覆蓋范圍廣、時(shí)空分辨率高、定位精度高等優(yōu)點(diǎn)[49-51]。由多顆低軌小衛(wèi)星組成GNSS-R星座，并結(jié)合海面、海浪對(duì)電磁波的反射和散射理論，可以提取反射信號(hào)中的海洋目標(biāo)的特征，尤其是無線電靜默條件下的海洋目標(biāo)探測(cè)定位。國(guó)外已經(jīng)發(fā)射了多組GNSS-R小衛(wèi)星用于海面風(fēng)速、風(fēng)向測(cè)量和海面測(cè)高，并初步開展了海洋目標(biāo)探測(cè)的研究，未來還將發(fā)射多個(gè)GNSS-R小衛(wèi)星組成星座[51]。

3) 分布式雷達(dá)小衛(wèi)星星座

海洋目標(biāo)隱身設(shè)計(jì)是針對(duì)艦載、機(jī)載雷達(dá)，天基監(jiān)視雷達(dá)可以有效地探測(cè)隱身海洋目標(biāo)。天基監(jiān)視雷達(dá)有雷達(dá)大衛(wèi)星和分布式雷達(dá)小衛(wèi)星星座這 2種方案。雷達(dá)大衛(wèi)星研制難度大、費(fèi)用高；分布式雷達(dá)小衛(wèi)星星座通過空間上相隔幾十米甚至幾千米、編隊(duì)構(gòu)型相對(duì)穩(wěn)定的多顆雷達(dá)小衛(wèi)星組成衛(wèi)星星座，通過信號(hào)處理的方式，虛擬形成比較長(zhǎng)的雷達(dá)天線基線，實(shí)現(xiàn)對(duì)雷達(dá)隱身海洋目標(biāo)的大范圍高概率發(fā)現(xiàn)[52-54]。

4) 高軌紅外海洋監(jiān)視衛(wèi)星

紅外成像具備白天、暗夜、微光等條件下的海洋目標(biāo)探測(cè)能力，尤其是海洋背景比較單一，紅外圖像反映的溫度特性可以使艦船目標(biāo)與背景分離，有利于水面目標(biāo)和水下目標(biāo)尾跡的探測(cè)。高軌寬幅紅外海洋監(jiān)視衛(wèi)星利用高靈敏度紅外探測(cè)器觀測(cè)海洋目標(biāo)本身及其活動(dòng)特征，可以為海洋目標(biāo)發(fā)現(xiàn)提供補(bǔ)充信息。

5) 多載荷一體化衛(wèi)星

多載荷衛(wèi)星將具有廣域搜索功能的載荷和具有精細(xì)識(shí)別能力的載荷進(jìn)行綜合一體化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)前一種載荷引導(dǎo)后一種載荷協(xié)同觀測(cè)，例如中/低分辨率遙感載荷引導(dǎo)高分辨遙感載荷，電子偵察載荷引導(dǎo)高分辨率遙感載荷等，通過單星多載荷協(xié)同探測(cè)和信息處理，提高重點(diǎn)海洋目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)概率和識(shí)別準(zhǔn)確度。

3.4 發(fā)展趨勢(shì)

隨著新型體制衛(wèi)星傳感器載荷和星上計(jì)算存儲(chǔ)能力的提升，天基海洋目標(biāo)監(jiān)視未來將發(fā)生以下4個(gè)方面的轉(zhuǎn)變。

1) 靜態(tài)向動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)變。凝視衛(wèi)星能夠?qū)δ骋粎^(qū)域進(jìn)行一定時(shí)間的連續(xù)觀測(cè)，能夠應(yīng)用于環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)視和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)持續(xù)跟蹤，實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星遙感由定期靜態(tài)普查向?qū)崟r(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的發(fā)展，數(shù)據(jù)由靜態(tài)圖像轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)態(tài)視頻，可以獲取運(yùn)動(dòng)信息，從而提升對(duì)海上目標(biāo)態(tài)勢(shì)研判的準(zhǔn)確性。

2) 稀疏向連續(xù)轉(zhuǎn)變。通過發(fā)展中/高軌衛(wèi)星系統(tǒng)和低軌小衛(wèi)星星座系統(tǒng)，對(duì)海上目標(biāo)進(jìn)行持續(xù)觀測(cè)或者接力觀測(cè)，從稀疏觀測(cè)向連續(xù)監(jiān)視轉(zhuǎn)變，數(shù)據(jù)采樣周期由小時(shí)級(jí)提升至分鐘級(jí)，提升天基系統(tǒng)對(duì)海上重要目標(biāo)和突發(fā)事件的快速響應(yīng)能力。

3) 人工向智能轉(zhuǎn)變。天基信息感知已經(jīng)進(jìn)入大數(shù)據(jù)時(shí)代，深度學(xué)習(xí)能夠獲得大數(shù)據(jù)背后的深層次情報(bào)，揭示潛在規(guī)律，挖掘人類不能發(fā)現(xiàn)的新模式，云計(jì)算則為大數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理提供了平臺(tái)支持。借鑒生物認(rèn)知和神經(jīng)科學(xué)理論建立天基遙感大數(shù)據(jù)智能分析技術(shù)，能夠極大地提高天基數(shù)據(jù)的應(yīng)用價(jià)值。

4) 垂直向扁平轉(zhuǎn)變。隨著先進(jìn)微納衛(wèi)星的發(fā)展，衛(wèi)星任務(wù)控制權(quán)限下放到用戶，使其能夠操控在軌衛(wèi)星，直接下達(dá)觀測(cè)指令，直接獲取情報(bào)數(shù)據(jù)，極大縮短了從衛(wèi)星傳感器到用戶的衛(wèi)星指控鏈條，實(shí)現(xiàn)快速感知海上時(shí)敏目標(biāo)和事件。

4 結(jié)束語

當(dāng)前是我國(guó)空間信息網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的重要時(shí)期，尤其是天基信息網(wǎng)絡(luò)正在進(jìn)入全面組網(wǎng)的關(guān)鍵時(shí)期?？臻g計(jì)算將進(jìn)一步顯著提升對(duì)海洋目標(biāo)監(jiān)視的廣域覆蓋、精細(xì)識(shí)別、持續(xù)監(jiān)視和快速響應(yīng)能力，是未來海洋目標(biāo)監(jiān)視的重要發(fā)展方向。但是基于空間計(jì)算模式的海洋目標(biāo)監(jiān)視仍然存在著許多亟待解決的難點(diǎn)問題和關(guān)鍵技術(shù)，需要結(jié)合空間資源組網(wǎng)、在軌信息融合等多個(gè)方面，從我國(guó)海洋監(jiān)視裝備的發(fā)展現(xiàn)狀和未來規(guī)劃出發(fā)，建設(shè)新型天空基海洋監(jiān)視平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)海洋目標(biāo)協(xié)同探測(cè)和融合印證。