劉 鑫，王海濤，羅 嘯，孫協(xié)昌，胡 靜，鄒 云

(1.中國船舶集團有限公司第七一四研究所，北京 100101；2.中國空間技術(shù)研究院衛(wèi)星應(yīng)用總體部，北京 100094)

0 引 言

衛(wèi)星應(yīng)用是一種可將各類衛(wèi)星提供的數(shù)字化產(chǎn)品服務(wù)于國防、國民及經(jīng)濟建設(shè)等領(lǐng)域的高新技術(shù)[1]。衛(wèi)星應(yīng)用平臺經(jīng)多年的建設(shè)和統(tǒng)一規(guī)劃，正逐漸由“系統(tǒng)林立”向“集成應(yīng)用”轉(zhuǎn)型[2 – 3]。面向船舶的衛(wèi)星應(yīng)用是一種典型規(guī)模龐大、跨學科、跨領(lǐng)域的復(fù)雜體系，我國已構(gòu)建了通信、導(dǎo)航、遙感、偵察等空間設(shè)施骨干框架以及配套的地面處理系統(tǒng)，在海洋資源與環(huán)境監(jiān)測、海洋防災(zāi)減災(zāi)、海洋安全等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。

目前面向船舶的天基偵察體系雖然初具規(guī)模，但在衛(wèi)星資源數(shù)量、星上處理、運控能力、鏈路應(yīng)用模式等方面存在很多薄弱環(huán)節(jié)，相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)研究還有待發(fā)展。為有效融合多源天基偵察信息，提升天基信息向海上平臺的流轉(zhuǎn)效率，本文提出一種面向船舶的多源衛(wèi)星產(chǎn)品集成框架，基于研發(fā)運營并行設(shè)計理念，以云計算平臺為底層架構(gòu)，為探索多源衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理、數(shù)字鏈路高效傳輸?shù)燃夹g(shù)提供等效支撐環(huán)境。

1 多源衛(wèi)星產(chǎn)品集成框架設(shè)計

1.1 我國面向船舶的衛(wèi)星體系特點

為實現(xiàn)從淺海走向深海、由近海邁向大洋的海洋強國夢想，我國已初步建成了一套手段種類齊全、數(shù)量規(guī)?？捎^、技術(shù)性能先進的衛(wèi)星應(yīng)用體系，實現(xiàn)了探測手段從單一到綜合、探測范圍從區(qū)域到全球、探測精度從粗放到精細、處理分析從定性到定量的巨大跨越。為推動多源化多型號衛(wèi)星面向船舶的集成化應(yīng)用，本文深度分析并挖掘當前不同類型衛(wèi)星在工作過程和約束條件等方面存在的共性特點，這也是開展衛(wèi)星應(yīng)用技術(shù)研究和促進工程落地實施的主要關(guān)注點。共性特點總結(jié)如下：

1） 多源衛(wèi)星數(shù)據(jù)格式的統(tǒng)一管控

由于我國一星一型號的發(fā)射體制，同一型號不同批次發(fā)射衛(wèi)星的數(shù)據(jù)格式也通常存在差異，且不同探測手段的衛(wèi)星其數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)和地面處理節(jié)點不同，為實現(xiàn)衛(wèi)星面向船舶的集成化應(yīng)用，需要將種類多源、協(xié)議各異的衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行規(guī)范化處理。

2） 用戶需求與衛(wèi)星偵照任務(wù)的沖突

由于衛(wèi)星受到數(shù)量、自身軌道、載荷能量、中繼能力、地面站分布等客觀條件的限制，衛(wèi)星偵照任務(wù)需要相關(guān)運控部門統(tǒng)籌考慮各類需求要素，并進行統(tǒng)一的任務(wù)籌劃[4 – 5]。對于單一用戶的細粒度拍攝需求，尚未達到“指哪里拍哪里”的理想情況。

3） 多型衛(wèi)星難以協(xié)同觀測

不同類型的衛(wèi)星觀測手段各有其優(yōu)缺點，為形成統(tǒng)一的海洋態(tài)勢，需要將同一被觀測目標的多模態(tài)特性數(shù)據(jù)進行研究比對，結(jié)合多種載荷的信息開展綜合性的識別鑒定，使數(shù)據(jù)在統(tǒng)一時空基準下相互印證、相互補充以實現(xiàn)關(guān)聯(lián)和融合[6 – 7]。

4） 較長的鏈路保障周期

我國星地系統(tǒng)特別是衛(wèi)星測控站、數(shù)傳站受到地緣政治因素的影響，絕大多數(shù)地面站點都部署在我國領(lǐng)土，極大限制了衛(wèi)星上下行數(shù)據(jù)的傳輸，影響了對衛(wèi)星的使用效率。受到星地鏈路的制約，用戶從需求提報到接收專題產(chǎn)品需要經(jīng)歷較長的鏈路保障周期。

5） 衛(wèi)星信息流轉(zhuǎn)機制有待提升

衛(wèi)星信息保障鏈路目前存在流轉(zhuǎn)節(jié)點多、模式單一、透明度不足等缺點。各節(jié)點的用戶只能被動等待和參與到衛(wèi)星產(chǎn)品的流轉(zhuǎn)過程中，不能掌握信息流轉(zhuǎn)的實時進程。另外，衛(wèi)星專題產(chǎn)品的處理和制作過程缺乏用戶的參與和動態(tài)反饋，可能導(dǎo)致產(chǎn)品與用戶預(yù)期不一致，從而影響用戶對系統(tǒng)的認可度。

1.2 多源衛(wèi)星產(chǎn)品集成框架設(shè)計

通過上述分析，為應(yīng)對多源衛(wèi)星對海應(yīng)用的復(fù)雜環(huán)境，滿足工程項目產(chǎn)學研用的實施要求，構(gòu)建面向船舶的多源衛(wèi)星產(chǎn)品集成框架，該框架基于某重大工程構(gòu)架的等效仿真系統(tǒng)[8]，針對新形勢新需求對已有系統(tǒng)進行改進和升級，形成一個集研發(fā)、實驗、運營于一體的衛(wèi)星應(yīng)用集成環(huán)境。整個系統(tǒng)采用運營、仿真同步運作的機制，在系統(tǒng)運營的同時基于模型重用[9]的理念同步開展系統(tǒng)各模塊和組件的迭代研發(fā)，提升系統(tǒng)整體研發(fā)效率。

集成框架采用B/S結(jié)構(gòu)基于商用服務(wù)器集群和商用云搭建而成，共包括設(shè)備層、數(shù)據(jù)層、平臺層、應(yīng)用層和發(fā)布層5層結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 集成框架架構(gòu)圖Fig.1 The architecture diagram of the integration framework

1） 設(shè)備層

設(shè)備層主要包括用于支撐系統(tǒng)和相關(guān)功能組件進行高效安全運作的高性能云計算設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備、跨網(wǎng)傳輸設(shè)備以及衛(wèi)星接收站等。

2） 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層針對船舶數(shù)據(jù)協(xié)議及傳輸規(guī)范對衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行標準化的修訂和適配，可以將引接的衛(wèi)星原始數(shù)據(jù)、處理過程數(shù)據(jù)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)以及相關(guān)管理、流程和仿真測試數(shù)據(jù)存放至各類數(shù)據(jù)庫和知識庫中，方便平臺層各組件和模塊對相關(guān)數(shù)據(jù)的快速調(diào)用和處理。

3） 平臺層

平臺層作為整個系統(tǒng)的核心部分提供組件級模塊化的應(yīng)用程序，包括基礎(chǔ)組件、業(yè)務(wù)組件、業(yè)務(wù)管理組件和數(shù)據(jù)管理組件四部分。其中，基礎(chǔ)組件用于支撐用戶權(quán)限管理、狀態(tài)監(jiān)控、日志管理等系統(tǒng)基礎(chǔ)功能的運維；業(yè)務(wù)組件用于支撐數(shù)據(jù)引接、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)融合和專題產(chǎn)品定制4個主要業(yè)務(wù)的運作；業(yè)務(wù)管理組件可根據(jù)標準業(yè)務(wù)流程管控各業(yè)務(wù)組件的執(zhí)行進度，實現(xiàn)對業(yè)務(wù)流程的狀態(tài)監(jiān)控和異常處理；數(shù)據(jù)管理組件用于確保組件運行過程中各類數(shù)據(jù)的正常流轉(zhuǎn)。

4） 應(yīng)用層

應(yīng)用層是面向開發(fā)人員的瀏覽器端操作界面，針對分布式環(huán)境下不同級別的系統(tǒng)開發(fā)人員，開放不同功能界面的訪問和操作權(quán)限。

5） 發(fā)布層

發(fā)布層是面向用戶的瀏覽器端專屬操作界面，用戶登錄后可進行需求提報，查看衛(wèi)星專題產(chǎn)品生產(chǎn)流程，并在相關(guān)環(huán)節(jié)給予及時的反饋。

2 關(guān)鍵支撐技術(shù)

數(shù)據(jù)引接、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)融合、專題產(chǎn)品定制是貫穿整個衛(wèi)星專題產(chǎn)品生成流程的關(guān)鍵業(yè)務(wù)。

1） 數(shù)據(jù)引接

為實現(xiàn)面向船舶的多源衛(wèi)星產(chǎn)品集成技術(shù)的研究,首先需要具備引接各類型衛(wèi)星數(shù)據(jù)的能力。由于涉海業(yè)務(wù)的衛(wèi)星種類多型號多，且不同體制衛(wèi)星的傳輸鏈路也不同，為滿足系統(tǒng)對于各類衛(wèi)星數(shù)據(jù)規(guī)范化存儲和安全管理的需求，采用物理隔離與邏輯隔離并用的方式解決軍民商3類數(shù)據(jù)的信息安全傳輸問題。同時，引入“衛(wèi)星數(shù)據(jù)仿真?zhèn)鬏敗睓C制，利用各鏈路的真實數(shù)據(jù)進行仿真模擬，能夠量化系統(tǒng)對于數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?，并及早發(fā)現(xiàn)和規(guī)避系統(tǒng)開發(fā)中存在的漏洞。為解決特定用戶群體對于數(shù)據(jù)傳輸時效的要求，通過格式預(yù)處理的方式加速系統(tǒng)對衛(wèi)星數(shù)據(jù)引接和解析的速度。

數(shù)據(jù)引接業(yè)務(wù)組件的運作原理如圖2所示。接入任務(wù)管理模塊可提前根據(jù)接入計劃表中的衛(wèi)星偵察計劃自動啟動數(shù)據(jù)引接業(yè)務(wù)流程，當衛(wèi)星數(shù)據(jù)接入并落盤后，數(shù)據(jù)協(xié)議解析和數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換模塊調(diào)用相應(yīng)庫中的協(xié)議解析和格式轉(zhuǎn)換規(guī)則，將引接的衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一的標準化處理，供后續(xù)業(yè)務(wù)模塊調(diào)用。對于數(shù)據(jù)時效性高的軍用鏈路，將調(diào)用數(shù)據(jù)格式預(yù)處理模塊加速對引接數(shù)據(jù)的快速處理。利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)仿真鏈路可以模擬各類數(shù)據(jù)的接入時延，掌握衛(wèi)星數(shù)據(jù)接入與格式轉(zhuǎn)化過程的時效特性。

圖2 數(shù)據(jù)引接業(yè)務(wù)組件的運作原理Fig.2 The operating principle of the data access business component

2） 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析組件的首要問題是解決多源衛(wèi)星數(shù)據(jù)異構(gòu)性問題。首先需要對多源異構(gòu)衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行智能的特征提取。其次，衛(wèi)星在獲取數(shù)據(jù)時會受到衛(wèi)星拍攝姿態(tài)、載荷特性、氣候等諸多不確定因素的影響，其原始數(shù)據(jù)難免存在誤差，可通過對比數(shù)據(jù)特征知識庫進行誤差校正。最后對衛(wèi)星特征進行標注，設(shè)計中采用專家監(jiān)督的方式通過對標注特征的量化處理，優(yōu)化相關(guān)算法的數(shù)據(jù)分析性能。

數(shù)據(jù)分析業(yè)務(wù)組件的運作原理如圖3所示。首先將帶有標注的數(shù)據(jù)集依據(jù)數(shù)據(jù)特征知識庫，利用特定的算法將特征參數(shù)進行自動分類和提取，根據(jù)時空誤差等特性通過數(shù)據(jù)特征反演模塊對特征值進行校正。然后基于用戶定制需求對相關(guān)特征進行量化處理，在此基礎(chǔ)上對用戶需求進行定性定量的分析，根據(jù)特征需求制定標注規(guī)范，并以此對相關(guān)衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行自動標注處理。為提升標注算法的正確率，利用標注特征評測模塊，通過對比需求和標注的特征量化指標，優(yōu)化特征提取和自動標注算法。

圖3 數(shù)據(jù)分析業(yè)務(wù)組件的運作原理Fig.3 The operating principle of the data analysis business component

3） 數(shù)據(jù)融合

數(shù)據(jù)融合業(yè)務(wù)設(shè)計初衷是以用戶的定制需求為導(dǎo)向,根據(jù)一定的需求準則實現(xiàn)對多源衛(wèi)星數(shù)據(jù)的自動處理、分析和融合，最終生成滿足特定應(yīng)用需求的定制化融合。數(shù)據(jù)融合業(yè)務(wù)組件各模塊旨在利用智能化有監(jiān)督的方式對多源衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行特征提取、融合和人工校正。通過提取多源衛(wèi)星數(shù)據(jù)的顯著信息（時域、空域、光譜頻域特性等）并剔除冗余信息，并按照一定的規(guī)則進行融合處理，獲得比單幅數(shù)據(jù)更精準、完整、有效的信息。

數(shù)據(jù)融合業(yè)務(wù)組件的運作原理如圖4所示。采用3層信息逐層融合的方式對多源衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行融合。其中，特征信息融合可利用特征信息開展影像拼接、光譜融合、點位融合等初步數(shù)據(jù)融合工作。邏輯信息融合根據(jù)時空特性及衛(wèi)星偵察手段特性依據(jù)邏輯關(guān)系進行融合，通過比對同一時空基準下（如判定觀測目標的尺寸、類型、移動軌跡等）的遙感數(shù)據(jù)和電子偵察數(shù)據(jù)，根據(jù)船舶影像定位剔除異常的電子點位信息。決策信息融合是根據(jù)用戶的需求，從現(xiàn)有較全面的態(tài)勢中篩選出特定類型的目標信息制成專題產(chǎn)品。通過融合效果評測模塊，利用專家監(jiān)督的方式對融合效果進行評定，基于3層信息融合的量化標注，根據(jù)專家的評測反饋意見對相關(guān)融合算法和參數(shù)進行迭代優(yōu)化和自適應(yīng)調(diào)整。

圖4 數(shù)據(jù)融合業(yè)務(wù)組件的運作原理Fig.4 The operating principle of the data fusion business component

4） 專題產(chǎn)品定制

專題產(chǎn)品定制業(yè)務(wù)組件有別于其他功能相對封閉的組件，需要利用系統(tǒng)接口頻繁調(diào)用其他組件和功能模塊以及系統(tǒng)平臺層的基礎(chǔ)組件。專題產(chǎn)品定制業(yè)務(wù)需要根據(jù)不同數(shù)據(jù)鏈路的傳輸時效特性，將生成的專題產(chǎn)品準確、安全、按時分發(fā)給不同級別的用戶。用戶需要提報需求，系統(tǒng)將根據(jù)用戶的需求提取關(guān)鍵信息形成產(chǎn)品定制需求，并以此標準進行數(shù)據(jù)的處理和融合。簡而言之，只有確定需求被受理后業(yè)務(wù)管理組件才能啟動任務(wù)流程，并逐步監(jiān)測各組件的任務(wù)執(zhí)行進度。當監(jiān)測到各組件完成了既定任務(wù)后，調(diào)用專題產(chǎn)品定制組件執(zhí)行最后的產(chǎn)品分發(fā)流程。

專題產(chǎn)品定制業(yè)務(wù)組件的運作原理如圖5所示。首先判定用戶提報的需求是否被受理，進一步確認用戶的產(chǎn)品定制需求，系統(tǒng)將根據(jù)衛(wèi)星偵察計劃向用戶反饋衛(wèi)星數(shù)據(jù)引接的時間。當衛(wèi)星數(shù)據(jù)引接并成功在本地落盤后，業(yè)務(wù)管理組件將持續(xù)監(jiān)測不同任務(wù)流程在各組件的執(zhí)行進度，當監(jiān)測到專題產(chǎn)品已制作完成時，數(shù)據(jù)管理組件將自動調(diào)取相應(yīng)的定制產(chǎn)品并分發(fā)給用戶。

圖5 專題產(chǎn)品定制業(yè)務(wù)組件的運作原理Fig.5 The operating principle of thematic product customization business components

3 結(jié) 語

本文通過分析我國面向船舶的衛(wèi)星體系特點，構(gòu)建多源衛(wèi)星產(chǎn)品集成框架，并對平臺層4項核心業(yè)務(wù)的運作原理進行了介紹。整個集成框架雖然運用人工智能技術(shù)在一定程度上減輕了人工處理數(shù)據(jù)的工作負擔，但在數(shù)據(jù)規(guī)范化處理、需求提報機制、產(chǎn)品快速分發(fā)等功能的技術(shù)成熟度還有待提升。

在后續(xù)工作中，一方面充分吸收、運用先進技術(shù)提升系統(tǒng)的智能化水平，一方面與船舶用戶深度溝通，了解我國艦船體系在海洋偵察方面的能力和優(yōu)勢，取長補短，提升對多源天基資源的綜合應(yīng)用能力。