电子载荷与成像载荷协同高效应用思考

邓武东，陈　锋，崔本杰，成　飞

(上海卫星工程研究所，上海 200240)



电子载荷与成像载荷协同高效应用思考

邓武东，陈锋，崔本杰，成飞

(上海卫星工程研究所，上海 200240)

未来战场环境瞬息万变，唯有进行快速、准确、高效的战场信息获取、决策与分发，方能求得先机。传统的单星单载荷模式，由于信息获取方式的局限，应对突发事件能力有限。多体制载荷信息融合与协同应用的需求应运而生。首先以多体制载荷协同高效应用为出发点，将此需求分解为多体制载荷的信息高效获取和多体制载荷信息的高效应用两方面，并加以阐述。然后介绍了以多手段协同高效信息获取为出发点设计的综合运用型卫星的主要技术特点，该星以电子载荷引导光学成像任务为主体。最后，针对多体制载荷协同高效的需求，梳理了电子与成像协同体制下的发展建议。

电子载荷；成像载荷；多载荷协同

0　引言

未来战场环境瞬息万变，唯有进行快速、准确、高效的战场信息获取、分发与决策，方能求得先机。传统的各体制分立的研制、装备模式，以及单星单载荷模式，由于信息获取方式单一和缺乏协同性设计，战场信息收集往往片段化，处理和决策滞后严重，应对突发事件能力有限。而多体制信息融合对战场目标身份的准确识别有着显著的效果[1-2]。在众多天基信息获取手段中，航天电子载荷通过侦测目标的电磁辐射来获取敌方军事能力、意图、组成和部署，成像载荷利用可见光、红外、合成孔径雷达、激光、多光谱获取目标二维或三维图像。电磁辐射特征和成像特征从不同角度共同刻画了目标在全电磁谱段的不同属性，两者之间存在着多个层次的互补性。将两者有机结合起来，可以实现发现即引导，且在提高目标定位精度和识别准确度方面具有极大的优势[3-4]。

本文以多体制载荷协同高效应用为出发点，将此需求分解为多体制载荷信息的高效获取和高效应用两方面，并加以阐述。然后介绍了以多手段协同高效信息获取为出发点设计的综合运用卫星的主要技术特点。最后，针对多体制载荷协同高效的需求，梳理了电子与成像协同体制下的发展建议。

1　多体制载荷协同高效应用思考

航天装备在战场支援上起着重要作用，从信息获取到最终决策主要有以下几个层面：

1)战场信息获取

通过多种体制载荷进行多维度信息获取，包括体制维度、空间维度、时间维度。

2)战场大数据基础库

包含了历史数据和实时新增的战场信息大数据，包括海、陆、空、天等众多信息的数据库。

3)信息加工与高效处理

通过对多维度态势的综合掌控，进行有效信息的加工、融合处理(地面或星上)，如侧重于身份属性的判定、多目标的态势把握等。同时，在信息加工与处理过程中，新的信息需求也可以反馈给战场信息获取单位，如单星、多星的综合调度等。

4)战场决策

根据对信息高效加工后的结果，做出有效的决策。

航天装备参与战场支援的具体过程如图1所示。

图1　　航天装备战场支援信息图

1.1多体制载荷信息的高效获取

主要阐述全方位多角度信息获取方式和多维度信息综合的能力提升方式。

1)全方位多角度信息获取方式

信息获取力求全方位、多角度、全息地、实时地掌控战场态势。

①体制维度。主要包括多种手段所获取的不同种类的信息，如电磁频谱、通信内容、图像等，主要通过电子、雷达、可见光、红外、SAR等实现。

②空间维度。主要体现获取信息的位置、区域和视角的不同，如高低轨卫星覆盖性和视角的不同，单颗卫星覆盖区域等。

③时间维度。指对地面或空间目标获取的有效信息的时间、时间序列、可见时间、重访时间等。

战场信息维度如图2所示。

图2　战场信息维度

2)多维度信息综合的能力提升方式

以上三个维度，在以往的航天装备中都有所体现，但从多维度综合的角度进行卫星装备的顶层设计，在同一个时空维度，完成对目标的多信息获取体制，将发挥更大的效能。

①多星实现多维度信息获取

在现有的装备基础上，通过不同卫星搭载不同体制的载荷，通过组网或编队在轨协同完成综合效能提升。组网更利于普查型任务，而编队则能更容易地实现对同一目标、同一时间进行多载荷体制信息的获取。

②单星实现多维度信息获取

在一颗卫星上搭载不同的载荷，省去了多星编队的协同调度复杂性，但对平台承载能力和载荷小型化提出了新的要求。但从成本收益来讲，比多星方式更有优势，同样能实现对同一目标、同一时间进行多载荷体制信息的获取。

1.2多体制载荷信息的高效利用

主要从多体制信息融合高效处理、战场大数据信息挖掘与匹配、新需求的及时反馈与响应三方面加以阐述：

1)多体制信息融合处理手段

需进一步探索高效的信息综合处理手段，如多体制载荷数据自动化高精度配准技术、面向对象的变化检测和动态目标分析技术、典型目标检测定位与特征信息抽取技术、面向目标识别与情报生成的多源数据融合技术等。

另外，多体制信息的星上实时处理，同样具有一定意义，可以有效地提高情报获取的快速性和时效性，真正实现“发现、识别、确认、决策、分发”的作战意图，通过多平台、多传感器、多时空数据间以及数据与目标背景知识间的实时融合，可以进一步提高军事情报的获取能力和质量。

2)战场大数据信息挖掘与匹配

获取多体制实时信息后，为了进行有效的决策，必须在已有的战场知识大数据基础上，进行挖掘、匹配与综合分析，才能获得更优的决策。

所谓大数据，是指需要新处理模式才能具有更强的决策力、洞察发现力和流程优化能力的海量、高增长率和多样化的信息资产。大数据技术的战略意义不在于掌握庞大的数据信息，而在于对这些含有意义的数据进行专业化处理，通过加工实现数据的增值。

战场大数据，是众多大数据中的一个分支。进行作战决策，并不局限于战场环境的大数据，非军事领域的大数据同样具有参考意义，如经济大数据、群体行为大数据、气候环境大数据、互联网大数据等。

3)新需求的及时反馈与响应

在信息处理与决策过程中，当现有信息不足时，决策中枢应当能够产生有针对性的、有利于准确决策进行的、迫切的信息获取体制与时空需求。通过天基装备的合理调动，及时响应、搜集并反馈给处理中枢。

2　电子与成像协同应用进展

就航天领域而言，电子获取的目标定位精度一般在数千米至数十千米级，瞬时监视范围一般在数百至数千平方千米；而成像的图像分辨率一般在米级或亚米级，定位精度一般在百米量级，瞬时成像一般在几十千米的量级。因此在数据配准、融合后有以下特点：

电子刻画的是目标配属的辐射源特征，与分辨率无关，数据经过处理，获得辐射源参数后，在有关情报的支持下，可以较为准确地判定辐射源类型及型号；而成像的目标识别能力直接与分辨率有关，在较低图像分辨率情况下，只能判定目标粗的类别归属；但提供成像和电子的融合处理，则可以进一步判定目标的类型及型号。另外，对目标定位精度可以显著提高。王壮、樊昀等结合电子和成像的各自特点，给出了基于不精确图匹配方法的平台配准算法、基于模糊推理的目标识别算法和基于证据理论的目标融合识别算法[3]，如图3所示。

图3　基于单星体制的电子与成像融合系统组成框图

以往的航天协同研究多针对信息已经获取后的数据融合与识别上，对于单星完成目标电子快速识别与快速引导成像无相关研究。国外文献检索到，美国国家安全局(NSA)为提高美军平台效能，于1997年9月进行了飞机引导成像试验，PiperNavaho双发动机飞机搭载了L-3公司的超轻型电子情报(ELINT)接收机和洛克希德·马丁公司的小型战术合成孔径雷达(STacSAR)，旨在证明信号情报(SIGINT)与图像传感器间引导成像的可行性，成像载荷因孔径较小以及视野较窄而受到限制，SIGINT系统弥补了这一缺陷，它增加了对战场辐射源的全方位检测与定位，这样就能将合成孔径雷达(SAR)传感器引至辐射目标的方向上。

3　电子与成像协同应用案例

将电子载荷和光学成像载荷集成于一颗卫星，是多体制协同背景下的一个重要探索，卫星可验证电子引导光学相机对目标进行成像的新方法，同时卫星具备更强的时效性、集约性、低成本和快速响应潜力。

3.1综合运用卫星示例

卫星装载电子、光学成像等有效载荷。在综合模式下，电子载荷对目标区域进行广域搜索、定位，综合电子分系统根据自主任务规划算法确定是否具备引导条件及引导参数，引导相机指向目标成像，两种载荷的业务数据由综合电子分系统数传模块存储，可通过通信分系统传输至地面数据接收站。

卫星具备同轨多目标连续成像能力，电子载荷发现目标，通过星上引导算法控制驱动机构或卫星姿态调整光学载荷对准目标，对轨道内所能观测到的多个目标进行成像，如图4所示。

图4　多目标连续引导成像示意图

3.2电子引导光学成像流程

开创性的在单星上完成电子载荷自主引导光学成像的功能，是使综合应用卫星发挥重要在轨价值的核心所在。

其功能是：对可拍照条件、相对运动条件、载荷视场条件等态势的可引导成像条件的自主判断，以及随着卫星与地面目标的高动态相对运动情况下，实现成像准确的姿态计算和相机成像时间的确定。

具体工作流程：卫星进入稳态对地模式；各载荷开机；电子载荷发现目标，输出有效的位置信息。

引导参数解算；机构驱动/姿态机动，等待引导成像；图像处理载荷进行图像处理；准备对下一个目标，重复上述流程；各载荷关机。

4　电子与成像协同体制的发展建议

4.1载荷选型建议

1)电子载荷选型建议

在现有的基础上，进行频段范围扩展，提高目标发现概率。加快电子星上并行处理速度，做到每一个新增目标的及时发现和存储，并在已确定目标出视场前，通过标记节省星上处理时间。

2)成像载荷选型建议

可见光载荷受地表天气和光照条件的影响显著，SAR则可以全天候全天时成像，但光学载荷比SAR的质量、体积和功耗更小，实际任务需权衡。对地成像通过适应高亮与微光的光强变化、地影区成像，进一步拓展可成像区域，通过具备对可见光、红外与紫外的成像能力，进一步拓展光谱范围，这都将提高目标识别概率。

4.2卫星平台适应性建议

由于对多体制载荷信息获取型卫星的快速响应及战术运用需求日益激增，所以要求卫星具备高适应、快速生产、快速集成、快速测试等方面的技术特点，具体如下。

1)高适应性平台要求

由于搭载了多种载荷，对卫星平台的综合要求进一步提高。高适应性平台，是指提供给载荷更佳的飞行轨道、姿控性能、安装布局空间、电气接口匹配性、热环境、力学特性环境等。

2)货架式产品体系要求

对星上各系统的模块及设备按照功能、性能、质量、功耗等属性进行梳理，形成货架式的产品体系，以支持卫星快速设计、快速集成。当卫星技术指标确定后，从货架式产品体系中选择相应模块或设备配套整星安装。

3)快速集成要求

制定卫星货架式产品的机械接口、电气接口、软件设计等规范，供各设备、模块的研制单位参照，保证实现产品接口、功能的匹配。卫星快速集成技术的实现主要通过通用化机械接口设计、标准化电气接口设计、应用软件功能重构设计三个途径来完成。

4)快速测试要求

快速测试自动化测试系统的研制，基于总线的自动测试终端、外部响应监测系统、卫星健康状态数据库；在保证卫星测试有效性及可靠性的前提下，尽可能地降低测试周期。

5)低成本研制技术研究

努力降低卫星研制成本，优化星上各系统的配置，尽量减少设备间的备份及冗余，提高产品使用效率；对商业级元器件进行加固措施研究论证，在保证卫星在轨寿命的前提下，使用抗辐照能力较低的元器件，降低器件采购成本，同时为批量化生产奠定物质基础。

5　结束语

为应对未来战场对多体制载荷协同的需求，本文首先以多体制载荷的协同高效应用为出发点，阐述了多体制载荷信息高效获取与高效利用的基本内涵。然后，介绍了以多手段协同高效信息获取为出发点设计的综合运用卫星的主要技术特点。最后，针对多体制载荷协同高效的需求，给出了电子与成像协同体制下的发展建议，包括载荷选型建议、卫星平台适应性建议等。■

[1]郭玉华. 多类型对地观测卫星联合任务规划关键技术研究[D]. 长沙: 国防科学技术大学,2011.

[2]曾昊. 基于星载异类传感器的舰船编队目标数据关联方法研究[D]. 长沙: 国防科学技术大学,2010.

[3]王壮,樊昀,王成,等. 基于星载电子侦察与成像侦察的数据融合技术[J]. 电子学报,2003,31(12A):2127-2130.

[4]康少单. 基于电子和光学成像的目标综合识别算法研究[D]. 长沙: 国防科学技术大学,2005.

The coordinated and efficient application of electronic payload and imaging payload

Deng Wudong, Chen Feng, Cui Benjie, Cheng Fei

(Shanghai Institute of Satellite Engineering,Shanghai 200240,China)

It is very important to catch, deal with and distribute message quickly, exactly and efficiently in war field. One satellite with one sensor has lirnitation, so the need of multi-sensor comes into being. The starts with multi-sensor could work together in high efficiency. The need is analyzed from two aspects:getting message efficiently and using message efficiently. And then a satellite which getting war message with electronic payload and imaging payload are introduced.At last, advices on the development of electronic payload and imaging payload are given.

electronic payload; imaging payload; multi-payload coordination

2016-05-16；2016-07-11修回。

邓武东(1987-)，男，工程师，主要研究方向为卫星总体、姿轨控、系统仿真等。

TN971

A