王俐云 方峰 伊成俊 孫亞楠 萬(wàn)生陽(yáng)

(1 中國(guó)空間技術(shù)研究院衛(wèi)星應(yīng)用總體部，北京 100094)(2 陜西航天技術(shù)應(yīng)用研究院有限公司，西安 710199)

地球靜止軌道遙感衛(wèi)星由于位于地球同步軌道，可長(zhǎng)期駐留于固定區(qū)域上空，具有觀測(cè)幅寬數(shù)百千米、可對(duì)觀測(cè)范圍內(nèi)的目標(biāo)進(jìn)行持續(xù)監(jiān)視、可實(shí)時(shí)向地面站下傳數(shù)據(jù)等特點(diǎn)。在時(shí)間分辨率、觀測(cè)范圍等方面與低軌觀測(cè)系統(tǒng)相比，具備快速任務(wù)響應(yīng)能力與大范圍多目標(biāo)的持續(xù)監(jiān)視能力，可彌補(bǔ)低軌偵察監(jiān)視衛(wèi)星時(shí)間分辨率低和覆蓋范圍小等問(wèn)題[1-2]。

我國(guó)幅員遼闊，海岸綿長(zhǎng)，國(guó)家對(duì)海洋資源的充分利用日益重視，隨著海上絲綢之路戰(zhàn)略的實(shí)施，如何高效智能地進(jìn)行海面交通管理與監(jiān)測(cè)成為了一個(gè)亟待解決的問(wèn)題?！秶?guó)家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃(2015—2025年)》明確提出要“圍繞海域環(huán)境監(jiān)測(cè)、海域使用管理、海洋權(quán)益維護(hù)和防災(zāi)減災(zāi)等應(yīng)用對(duì)全天時(shí)、全天候、近實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)需求，發(fā)展高軌凝視光學(xué)和高軌SAR技術(shù)”。

高分四號(hào)衛(wèi)星是我國(guó)第一顆靜止軌道遙感衛(wèi)星，也是國(guó)家高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)重大專項(xiàng)中的高軌道遙感衛(wèi)星。衛(wèi)星投入使用后，開(kāi)辟了我國(guó)同步軌道對(duì)地觀測(cè)新途徑，利用其覆蓋范圍大、響應(yīng)迅速等特點(diǎn)與低軌衛(wèi)星配合使用，在防災(zāi)減災(zāi)、森林草原火災(zāi)、洪澇災(zāi)害、氣象預(yù)警、地震監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域提供了可靠、穩(wěn)定、快捷的光學(xué)遙感數(shù)據(jù)。由于能夠長(zhǎng)時(shí)間對(duì)同一區(qū)域持續(xù)成像，高分四號(hào)在海面艦船檢測(cè)、艦船運(yùn)動(dòng)狀態(tài)估計(jì)等方面相對(duì)低軌道衛(wèi)星而言有著明顯的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于建立海上艦船監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，有著難以替代的重要作用。后續(xù)我國(guó)“十四五”規(guī)劃的多顆靜止軌道高分辨率遙感衛(wèi)星也將陸續(xù)發(fā)射入軌，投入使用，其在海上艦船目標(biāo)檢測(cè)跟蹤領(lǐng)域的應(yīng)用潛力亟待充分挖掘[3-4]。

本文針對(duì)靜止軌道遙感衛(wèi)星的特點(diǎn)，結(jié)合在艦船目標(biāo)檢測(cè)跟蹤應(yīng)用中的需求[5]，對(duì)其應(yīng)用模式進(jìn)行了分析，識(shí)別了目前常規(guī)應(yīng)用流程中的短板，從提升需求響應(yīng)時(shí)效性，融入實(shí)際保障流程出發(fā)，立足現(xiàn)有技術(shù)發(fā)展水平，對(duì)應(yīng)用流程進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并通過(guò)實(shí)際案例開(kāi)展了應(yīng)用驗(yàn)證。

1 衛(wèi)星應(yīng)用模式與流程分析

1.1 總體考慮

目前靜止軌道遙感衛(wèi)星分辨率較低，無(wú)法對(duì)艦船目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別，因此需要由其他獲取手段發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后，提供目標(biāo)的位置信息作為先驗(yàn)信息，然后再快速調(diào)用靜止軌道遙感衛(wèi)星拍攝目標(biāo)位置附近區(qū)域，進(jìn)行目標(biāo)的檢測(cè)與持續(xù)跟蹤監(jiān)視，通過(guò)對(duì)序列圖像的快速檢測(cè)，給出目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)信息。其中，先驗(yàn)信息準(zhǔn)確性、任務(wù)響應(yīng)速度、數(shù)據(jù)處理時(shí)間、目標(biāo)檢測(cè)跟蹤時(shí)間，均影響了任務(wù)的時(shí)效性與目標(biāo)信息的可用性。因此，在應(yīng)用模式設(shè)計(jì)中，重點(diǎn)以提高任務(wù)響應(yīng)時(shí)效性，保證用戶獲取信息的可用性為目標(biāo)，在分析常規(guī)任務(wù)流程在保障艦船目標(biāo)檢測(cè)跟蹤應(yīng)用中短板的基礎(chǔ)上，對(duì)應(yīng)用流程進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1.2 常規(guī)應(yīng)用流程分析

靜止軌道遙感衛(wèi)星近實(shí)時(shí)觀測(cè)的特性，使其有較快的應(yīng)急響應(yīng)能力。由于目前民用高分四號(hào)衛(wèi)星，以保障氣象、環(huán)境、減災(zāi)應(yīng)用為主，常規(guī)任務(wù)流程中未充分考慮艦船目標(biāo)檢測(cè)跟蹤需求，在實(shí)際應(yīng)用中存在“任務(wù)響應(yīng)慢、成像數(shù)據(jù)量大、傳輸時(shí)延長(zhǎng)、圖像處理慢、應(yīng)用效果不理想”等情況，未能充分發(fā)揮其近實(shí)時(shí)觀測(cè)的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)分析，目前常規(guī)任務(wù)流程存在的問(wèn)題具體體現(xiàn)在以下幾方面。

(1)衛(wèi)星數(shù)據(jù)落地后在運(yùn)管部門集中處理，時(shí)效性較差。衛(wèi)星成像數(shù)據(jù)落地后，需要在衛(wèi)星運(yùn)管部門將整軌成像數(shù)據(jù)集中處理生成標(biāo)準(zhǔn)的2級(jí)圖像產(chǎn)品再分發(fā)給用戶，同時(shí)存在處理任務(wù)排隊(duì)情況，目前處理時(shí)延一般為小時(shí)級(jí)。

(2)圖像產(chǎn)品生產(chǎn)與目標(biāo)檢測(cè)跟蹤過(guò)程相互獨(dú)立，流程串行增加了時(shí)延。衛(wèi)星運(yùn)管部門將單次任務(wù)的圖像產(chǎn)品生產(chǎn)結(jié)束后，打包傳輸給用戶，用戶在接收到單次任務(wù)的所有圖像產(chǎn)品后，再進(jìn)行目標(biāo)的檢測(cè)跟蹤，任務(wù)流程時(shí)延大，時(shí)效性難以保證。

(3)用戶缺乏自動(dòng)化精準(zhǔn)高效的應(yīng)用系統(tǒng)，檢測(cè)跟蹤算法有待驗(yàn)證優(yōu)化。利用高軌遙感圖像進(jìn)行艦船目標(biāo)檢測(cè)跟蹤的應(yīng)用系統(tǒng)尚處在探索階段，目前艦船目標(biāo)檢測(cè)跟蹤仍存在很多技術(shù)難題[6]，如海上云量大，如何降低碎云引起的虛警率；海上缺少控制點(diǎn)數(shù)據(jù)，如何提高定位精度等問(wèn)題；海洋背景復(fù)雜，如何避免目標(biāo)跟丟與跟錯(cuò)的情況等。同時(shí)，隨著技術(shù)發(fā)展，后續(xù)在靜止軌道遙感衛(wèi)星分辨率提升后，不同分辨率圖像目標(biāo)的特性不同，相應(yīng)的檢測(cè)跟蹤算法需要進(jìn)行適應(yīng)性改進(jìn)與優(yōu)化[7]。

(4)艦船目標(biāo)的定位誤差受衛(wèi)星定位精度與姿態(tài)控制精度等因素影響，航跡抖動(dòng)明顯。靜止軌道遙感衛(wèi)星與岸基雷達(dá)、船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(Automatic Identification System，AIS)等探測(cè)手段相比，其定位精度較差，如果僅考慮利用原始圖像信息進(jìn)行艦船目標(biāo)檢測(cè)，航向航速誤差大，航跡抖動(dòng)明顯，因此需要研究定位精度的提升技術(shù)，降低航向航速誤差[8]。

綜上所述，目前衛(wèi)星成像產(chǎn)品由于任務(wù)響應(yīng)、數(shù)據(jù)傳輸、處理與應(yīng)用環(huán)節(jié)耗時(shí)長(zhǎng)，使得時(shí)效性大打折扣，用戶從獲取成像數(shù)據(jù)到拿到圖像產(chǎn)品的時(shí)間延長(zhǎng)到幾個(gè)小時(shí)。用戶由于缺乏精準(zhǔn)高效的處理應(yīng)用系統(tǒng)，目標(biāo)檢測(cè)跟蹤的準(zhǔn)確性難以保障。因此，對(duì)于現(xiàn)有衛(wèi)星應(yīng)用流程，無(wú)法有效滿足艦船目標(biāo)檢測(cè)跟蹤任務(wù)需求。

1.3 設(shè)計(jì)思路與解決方案

針對(duì)處理與應(yīng)用流程相互獨(dú)立，用戶需求響應(yīng)慢，處理傳輸應(yīng)用鏈路長(zhǎng)的現(xiàn)狀，從任務(wù)需求出發(fā)，打通任務(wù)籌劃、數(shù)據(jù)處理、應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程，開(kāi)展一體化設(shè)計(jì)與應(yīng)用，切實(shí)提高任務(wù)響應(yīng)時(shí)效性。實(shí)現(xiàn)“實(shí)時(shí)拍攝、實(shí)時(shí)傳輸、實(shí)時(shí)接收、實(shí)時(shí)處理、實(shí)時(shí)檢測(cè)跟蹤”。

(1)任務(wù)籌劃階段，針對(duì)中遠(yuǎn)海艦船目標(biāo)檢測(cè)跟蹤任務(wù)的特點(diǎn)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)衛(wèi)星成像模式，形成固定響應(yīng)機(jī)制，提高任務(wù)響應(yīng)效率。從成像模式與檢測(cè)跟蹤算法兩個(gè)維度，聯(lián)合考慮優(yōu)化設(shè)計(jì)，切實(shí)減少傳輸與處理的數(shù)據(jù)量，提升系統(tǒng)效率。衛(wèi)星成像模式采用可見(jiàn)光譜段的單譜段成像，單景數(shù)據(jù)量?jī)H為全譜段成像的五分之一。衛(wèi)星成像間隔設(shè)計(jì)需要對(duì)數(shù)據(jù)量與目標(biāo)運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行統(tǒng)一考慮，間隔時(shí)間太短數(shù)據(jù)量大且目標(biāo)運(yùn)動(dòng)特征不明顯，而時(shí)間越長(zhǎng)目標(biāo)關(guān)聯(lián)的難度也越大，且航跡點(diǎn)更為稀疏?？紤]目標(biāo)檢測(cè)范圍與目標(biāo)運(yùn)動(dòng)特性的關(guān)系，設(shè)計(jì)靈活可調(diào)的成像間隔。

(2)數(shù)據(jù)處理階段，與應(yīng)用系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)，將單譜段成像的原始數(shù)據(jù)近實(shí)時(shí)下傳并傳輸給用戶，在用戶端邊接收邊處理生成1A級(jí)圖像產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)快速處理。方案設(shè)計(jì)中，考慮數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用系統(tǒng)的一體化設(shè)計(jì)，將原始數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸給用戶進(jìn)行邊接收邊處理，大幅節(jié)省時(shí)間。同時(shí)，處理生成1A級(jí)圖像產(chǎn)品傳輸給檢測(cè)跟蹤系統(tǒng)，與處理生成2級(jí)圖像產(chǎn)品相比，耗時(shí)更短。

(3)檢測(cè)跟蹤階段，與數(shù)據(jù)處理階段并行進(jìn)行，根據(jù)譜段特性選擇智能檢測(cè)算法，基于先驗(yàn)信息縮減目標(biāo)檢測(cè)范圍，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)快速檢測(cè)跟蹤。通過(guò)數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用系統(tǒng)的一體化設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)處理與圖像的檢測(cè)跟蹤可實(shí)現(xiàn)并行進(jìn)行。數(shù)據(jù)處理階段產(chǎn)生的圖像產(chǎn)品實(shí)時(shí)傳遞給目標(biāo)檢測(cè)跟蹤模塊，目標(biāo)檢測(cè)跟蹤模塊開(kāi)始目標(biāo)檢測(cè)，在收到連續(xù)三幀圖像產(chǎn)品后，對(duì)三幀圖像進(jìn)行關(guān)聯(lián)，生成目標(biāo)的連續(xù)運(yùn)動(dòng)信息，包括位置、航向、航速、航跡等信息。之后每收到一幀圖像產(chǎn)品檢測(cè)并更新當(dāng)前信息，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)快速檢測(cè)跟蹤。

目標(biāo)檢測(cè)跟蹤算法基于近紅外譜段圖像產(chǎn)品特點(diǎn)設(shè)計(jì)，參考文獻(xiàn)[9-10]中的檢測(cè)跟蹤算法，一般需要先利用海陸分割算法，進(jìn)行海陸特征識(shí)別區(qū)分。中遠(yuǎn)海稀疏海域艦船目標(biāo)檢測(cè)中，圖像切片中無(wú)陸地區(qū)域，可以不考慮海陸分割問(wèn)題，因此可僅利用近紅外譜段圖像特性進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)。同時(shí)，靜止軌道遙感衛(wèi)星面陣成像范圍大(如高分四號(hào)衛(wèi)星單景圖像可覆蓋400 km×400 km范圍)，可通過(guò)先驗(yàn)信息，確定目標(biāo)可能分布區(qū)域，減小檢測(cè)范圍，優(yōu)化流程，提高時(shí)效性和檢測(cè)率。

(4)在檢測(cè)跟蹤算法的設(shè)計(jì)上，從降低虛警率、提高定位精度、提高目標(biāo)關(guān)聯(lián)正確性3個(gè)方面綜合考慮。靜止軌道遙感衛(wèi)星影像分辨率較低時(shí)，目標(biāo)特征難與小型海島、較小厚云進(jìn)行區(qū)分，往往檢測(cè)出大量虛警目標(biāo)，為降低虛警率，將艦船檢測(cè)分為粗檢測(cè)和精檢測(cè)兩個(gè)步驟。通過(guò)粗檢測(cè)得到可疑的艦船目標(biāo)，通過(guò)精檢測(cè)篩選正確的艦船目標(biāo)。在目標(biāo)檢測(cè)算法選擇上，目前采用基于角點(diǎn)檢測(cè)(ORB)結(jié)合支持向量機(jī)(SVM)+方向梯度直方圖(HOG)的基于模板匹配的算法，在某些特定場(chǎng)景下具有較好的應(yīng)用效果，但難以應(yīng)對(duì)各種復(fù)雜背景。后續(xù)可考慮基于深度學(xué)習(xí)的艦船目標(biāo)檢測(cè)方法。

在中遠(yuǎn)海艦船目標(biāo)檢測(cè)中，由于純海洋背景缺少控制點(diǎn)信息，因此在做海上目標(biāo)定位時(shí)會(huì)導(dǎo)致誤差較大。為有效提高艦船目標(biāo)的定位精度，利用靜止軌道遙感衛(wèi)星面陣成像單次成像幅寬較大的特點(diǎn)，在拍攝圖像中包含有陸地的情況下可通過(guò)選擇控制點(diǎn)進(jìn)行地理位置匹配與校正以提高定位精度。

針對(duì)拍攝幀間間隔1 min的應(yīng)用模式，為提高目標(biāo)關(guān)聯(lián)正確性，解決幀間間隔時(shí)間長(zhǎng)，無(wú)法僅通過(guò)不同幀間目標(biāo)距離判斷目標(biāo)是否是同一目標(biāo)的問(wèn)題，采用幀間多目標(biāo)時(shí)空及紋理信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)一致性配準(zhǔn)的算法。對(duì)目標(biāo)紋理特征與目標(biāo)航向變化信息綜合考慮，進(jìn)行關(guān)聯(lián)配準(zhǔn)。

1.4 應(yīng)用模式與流程優(yōu)化

根據(jù)靜止軌道遙感衛(wèi)星的特點(diǎn)，在遠(yuǎn)海艦船目標(biāo)檢測(cè)跟蹤應(yīng)用需求的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)水平，對(duì)靜止軌道遙感衛(wèi)星在軌應(yīng)用過(guò)程中面向艦船檢測(cè)跟蹤的星地一體應(yīng)用模式進(jìn)行分析，如圖1所示。通過(guò)衛(wèi)星應(yīng)用流程優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)“需求快速響應(yīng)、任務(wù)精準(zhǔn)籌劃、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)下傳、同步數(shù)據(jù)處理、并行檢測(cè)跟蹤”，有效提高任務(wù)響應(yīng)時(shí)效性。

圖1 靜止軌道遙感衛(wèi)星面向艦船檢測(cè)跟蹤的星地一體應(yīng)用模式示意圖Fig.1 Satellite ground-integrated application mode of GEO remote sensing satellite for ship detection and tracking

靜止軌道遙感衛(wèi)星艦船目標(biāo)檢測(cè)跟蹤可分為預(yù)處理、目標(biāo)檢測(cè)及目標(biāo)跟蹤階段。預(yù)處理與目標(biāo)檢測(cè)階段采用多線程并行處理的方式，以接收到數(shù)據(jù)為信號(hào)啟動(dòng)預(yù)處理及目標(biāo)檢測(cè)線程。目標(biāo)跟蹤功能則需要至少完成3幀數(shù)據(jù)的目標(biāo)檢測(cè)功能后才能啟動(dòng)，啟動(dòng)后每新來(lái)1幀目標(biāo)檢測(cè)結(jié)果則對(duì)應(yīng)更新目標(biāo)運(yùn)動(dòng)信息，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)位置與航速航向運(yùn)動(dòng)信息的連續(xù)滾動(dòng)輸出。具體步驟如下(見(jiàn)圖2)。

圖2 靜止軌道遙感衛(wèi)星艦船目標(biāo)檢測(cè)跟蹤應(yīng)用流程Fig.2 Application process ofship detection and tracking of GEO remote sensing satellite

(1)用戶提報(bào)艦船目標(biāo)檢測(cè)需求：用戶確定需要對(duì)某可疑艦船目標(biāo)進(jìn)行持續(xù)跟蹤，并在獲知該可疑艦船目標(biāo)某時(shí)刻位置后，生成任務(wù)需求(包括目標(biāo)發(fā)現(xiàn)時(shí)間、目標(biāo)點(diǎn)位置、跟蹤開(kāi)始時(shí)間、持續(xù)跟蹤時(shí)長(zhǎng))直接提報(bào)給衛(wèi)星運(yùn)管部門。

(2)衛(wèi)星運(yùn)管部門進(jìn)行任務(wù)籌劃：衛(wèi)星運(yùn)管部門進(jìn)行任務(wù)籌劃后生成成像任務(wù)計(jì)劃，由地面站生成指令并上注；成像任務(wù)指令需明確衛(wèi)星成像模式，成像譜段，成像間隔等。成像模式選為固定點(diǎn)遙感，成像譜段選近紅外譜段，成像間隔1 min。

(3)靜止軌道遙感衛(wèi)星成像并實(shí)時(shí)下傳數(shù)據(jù)：衛(wèi)星根據(jù)成像任務(wù)指令在指定時(shí)間開(kāi)機(jī)拍攝目標(biāo)點(diǎn)所在區(qū)域，衛(wèi)星邊拍攝邊以實(shí)時(shí)碼流形式下傳成像數(shù)據(jù)。

(4)地面站實(shí)時(shí)接收成像數(shù)據(jù)并傳輸給用戶：地面站實(shí)時(shí)接收衛(wèi)星原始碼流數(shù)據(jù)同步傳輸給衛(wèi)星運(yùn)管部門，并通過(guò)地面引接專線傳給用戶。

(5)成像數(shù)據(jù)通過(guò)預(yù)處理生成序列圖像產(chǎn)品：用戶通過(guò)部署數(shù)據(jù)快速處理與應(yīng)用一體化系統(tǒng)對(duì)成像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理應(yīng)用。該軟件由預(yù)處理模塊與檢測(cè)跟蹤模塊兩部分組成。首先，預(yù)處理模塊邊接收成像數(shù)據(jù)邊處理，通過(guò)數(shù)據(jù)錄入、姿軌處理、輻射校正、有理多項(xiàng)式模型(RPC)正射校正計(jì)算過(guò)程生成1A級(jí)序列圖像產(chǎn)品(帶RPC文件的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品)。

(6)并行開(kāi)展艦船目標(biāo)的檢測(cè)與跟蹤：預(yù)處理模塊每生成1景1A級(jí)圖像產(chǎn)品，傳遞給檢測(cè)與跟蹤模塊同步進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)與精確定位，在對(duì)連續(xù)3景圖像完成檢測(cè)后，可生成目標(biāo)運(yùn)動(dòng)信息，輸出第1條目標(biāo)跟蹤信息。之后每檢測(cè)完成一景新的圖像產(chǎn)品，更新輸出目標(biāo)跟蹤信息，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)跟蹤信息的滾動(dòng)輸出。其中目標(biāo)跟蹤信息包括目標(biāo)點(diǎn)位置、航向、航速及誤差信息等。

(7)用戶通過(guò)目標(biāo)跟蹤信息對(duì)可疑目標(biāo)持續(xù)跟蹤：用戶根據(jù)數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用一體化系統(tǒng)輸出的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)信息與目標(biāo)航跡等，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行持續(xù)跟蹤，可聯(lián)合其他信息獲取手段確認(rèn)目標(biāo)。

根據(jù)應(yīng)用流程優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果，完成面向艦船目標(biāo)檢測(cè)的靜止軌道遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2 應(yīng)用案例分析

基于上述思路在工程中進(jìn)行了實(shí)踐應(yīng)用，以下為基于高分四號(hào)衛(wèi)星成像數(shù)據(jù)利用數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用一體化系統(tǒng)開(kāi)展海上艦船目標(biāo)檢測(cè)跟蹤試驗(yàn)驗(yàn)證的應(yīng)用案例。高分四號(hào)衛(wèi)星采用面陣凝視方式成像，具備可見(jiàn)光、多光譜和紅外成像能力，其中可見(jiàn)光波段分辨率達(dá)50 m，紅外波段達(dá)400 m，衛(wèi)星定點(diǎn)于赤道上方，單景覆蓋區(qū)域400 km×400 km，通過(guò)對(duì)相機(jī)的成像角度進(jìn)行控制調(diào)整，可以完全覆蓋中國(guó)及周邊地區(qū)，成像區(qū)域達(dá)7000 km×7000 km，衛(wèi)星定位精度優(yōu)于4 km。針對(duì)高分四號(hào)衛(wèi)星的應(yīng)用模式進(jìn)行拓展應(yīng)用，

在本次試驗(yàn)中，利用高分四號(hào)衛(wèi)星對(duì)黃渤海區(qū)域成像，選用可見(jiàn)光近紅外譜段對(duì)指定海域成像，實(shí)際應(yīng)用中設(shè)置幀間間隔為1 min。從衛(wèi)星開(kāi)機(jī)拍攝目標(biāo)區(qū)域，到生成初始的艦船目標(biāo)航跡，總時(shí)延在6 min以內(nèi)，目標(biāo)航跡滾動(dòng)更新時(shí)延小于1 min。全流程時(shí)效性如表1所示。

表1 艦船目標(biāo)檢出跟蹤任務(wù)時(shí)效性Table 1 Timeliness of ship target detection and tracking tasks

目標(biāo)檢測(cè)軌跡提取過(guò)程如圖3所示，檢測(cè)設(shè)置目標(biāo)切片大小為20 km×20 km區(qū)域，目標(biāo)切片中心點(diǎn)位置坐標(biāo)為(123.327°E，36.7824°N)，圖4(a)為利用高分四號(hào)衛(wèi)星50 m近紅外譜段拍攝目標(biāo)區(qū)域處理生成的第一幀1A級(jí)圖像；圖4(b)為對(duì)圖像進(jìn)行切片后，在紅框區(qū)域內(nèi)共檢測(cè)到3個(gè)目標(biāo)；圖4(c)為目標(biāo)連續(xù)跟蹤6幀后檢測(cè)生成的目標(biāo)軌跡。

圖3 靜止軌道遙感衛(wèi)星目標(biāo)檢測(cè)軌跡提取Fig.3 Target detection trajectory extraction of GEO remote sensing satellite

經(jīng)實(shí)際部署的試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)測(cè)試，從衛(wèi)星成像開(kāi)始到獲取目標(biāo)跟蹤信息從傳統(tǒng)流程縮減到分鐘級(jí)，大幅縮減了艦船目標(biāo)檢測(cè)跟蹤應(yīng)用時(shí)延，同時(shí)在無(wú)云層遮擋情況下，可對(duì)檢測(cè)目標(biāo)實(shí)施連續(xù)的跟蹤監(jiān)視，驗(yàn)證了應(yīng)用模式與流程的高效性及在典型應(yīng)用場(chǎng)景下的可用性。

3 結(jié)束語(yǔ)

靜止軌道遙感衛(wèi)星具有大范圍持續(xù)觀測(cè)優(yōu)勢(shì)，隨著未來(lái)技術(shù)發(fā)展，成像載荷的分辨率將逐步提高、載荷的類型將更加豐富，其在艦船運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)跟蹤上的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)將更加突出，利用現(xiàn)有在軌衛(wèi)星預(yù)先開(kāi)展應(yīng)用模式與關(guān)鍵技術(shù)研究具有重要意義。靜止軌道遙感衛(wèi)星的應(yīng)用模式研究需要立足“需求提報(bào)、任務(wù)籌劃、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用”的全鏈路，并通過(guò)實(shí)際應(yīng)用結(jié)合需求不斷迭代優(yōu)化。后續(xù)建議在靜止軌道遙感衛(wèi)星的應(yīng)用研究中重點(diǎn)關(guān)注以下幾個(gè)方面[11-12]。

(1)開(kāi)展天基高低軌多手段協(xié)同運(yùn)用模式設(shè)計(jì)，充分挖掘天基應(yīng)用潛能。靜止軌道遙感衛(wèi)星分辨率與低軌成像衛(wèi)星相比較低，無(wú)法識(shí)別確認(rèn)目標(biāo)，需要提供目標(biāo)先驗(yàn)信息作為艦船檢測(cè)與跟蹤的依據(jù)。通過(guò)研究高低軌衛(wèi)星協(xié)同應(yīng)用模式，綜合光學(xué)、微波、電子偵察等探測(cè)手段，高、低軌道配置，相互補(bǔ)充，協(xié)同配合，充分發(fā)揮高低軌衛(wèi)星各自的觀測(cè)優(yōu)勢(shì)，提升探測(cè)的可靠性和綜合效能，釋放靜止軌道遙感衛(wèi)星的應(yīng)用潛能。

(2)加強(qiáng)多源信息融合應(yīng)用研究，獲取目標(biāo)的全要素信息。隨著對(duì)地觀測(cè)平臺(tái)、遙感載荷類型和數(shù)量的日益豐富，產(chǎn)生了多波段、多極化、多尺度的遙感數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)多基多源信息之間的有效融合，可大幅提高數(shù)據(jù)利用價(jià)值，提高數(shù)據(jù)可靠性，檢測(cè)識(shí)別準(zhǔn)確性與變化檢測(cè)和信息更新能力。同時(shí)，與AIS等天空地海多基多源信息融合應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)多傳感器間信息的互補(bǔ)，從而獲取海洋目標(biāo)的全要素信息。

(3)建立自動(dòng)化的需求提報(bào)與響應(yīng)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)用戶需求精細(xì)化管理與快速響應(yīng)。充分發(fā)揮高軌衛(wèi)星不受過(guò)境時(shí)間窗口限制可大范圍持續(xù)觀測(cè)的優(yōu)勢(shì)，研究面向用戶任務(wù)精細(xì)化管理與快速響應(yīng)的需求提報(bào)流程，針對(duì)高軌衛(wèi)星遙感任務(wù)實(shí)現(xiàn)與衛(wèi)星運(yùn)管部門的精準(zhǔn)高效對(duì)接。

(4)加強(qiáng)遙感圖像海上移動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)跟蹤相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)[13]。針對(duì)降低目標(biāo)檢測(cè)虛警率、提升目標(biāo)跟蹤正確率、提高航向航速計(jì)算精度等方面，需研究光學(xué)遙感圖像中復(fù)雜海背景下的艦船檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)與智能優(yōu)化算法，如基于控制點(diǎn)的海上運(yùn)動(dòng)目標(biāo)定位精度提升技術(shù)、基于運(yùn)動(dòng)差異性的海上目標(biāo)快速發(fā)現(xiàn)和跟蹤技術(shù)、光學(xué)遙感圖像的碎云干擾去除技術(shù)、光學(xué)遙感圖像艦船尾跡檢測(cè)技術(shù)及復(fù)雜海況下艦船目標(biāo)鑒別技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。