岸島觀測系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

摘？要：海岸防御對于國家安全十分重要，本文通過空海監(jiān)視雷達、VTS雷達、光電、AIS系統(tǒng)、ADS-B系統(tǒng)、氣象儀等多種監(jiān)控設備實現(xiàn)近海海域和遠海島礁的信息采集和集成，設計了一種岸島觀測系統(tǒng)，實現(xiàn)對布設地點附近海域內的空中和水面目標的實時觀測，通過多源觀測信息的融合和綜合處理，形成整體態(tài)勢信息。

關鍵詞：岸島；信息融合；監(jiān)測

1 概述

為落實習近平總書記建設海洋強國重要指示，中國電子科技集團啟動建設了藍海信息網(wǎng)絡示范系統(tǒng)，是踐行央企使命擔當?shù)闹匾痉豆こ獭０秿u觀測系統(tǒng)作為藍海信息網(wǎng)絡示范系統(tǒng)的一個組成部分，由空海監(jiān)視雷達、VTS雷達、光電、AIS系統(tǒng)、ADS-B系統(tǒng)、北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)、氣象數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)等組成，完成對布設地點附近海域內的空中和水面目標的實時觀測，通過多源觀測信息的融合和綜合處理，形成整體態(tài)勢信息。

2 系統(tǒng)特點

1）多種目標觀測手段：系統(tǒng)整合雷達探測、AIS、光電監(jiān)視、ADS-B等多種觀測手段，可發(fā)現(xiàn)空中、水面的不同類型目標；

2）綜合分析處理能力：系統(tǒng)綜合處理包括空中、水面活動目標位置、視頻和自然環(huán)境等信息，并對這些信息進行處理，分析信息之間的關聯(lián)性；

3）利用網(wǎng)絡通信技術，實現(xiàn)設備遠程遙控及信息接入和集中處理；

4）面向服務的設計：系統(tǒng)是集成多種傳感手段的綜合信息平臺，為上級應用提供監(jiān)控海域內目標信息、環(huán)境信息服務；

5）分布式結構化系統(tǒng)：系統(tǒng)采用分層體系架構，由感知層、傳輸層、平臺層、應用層和支撐系統(tǒng)共同組成完善的體系；

6）環(huán)境適應能力：系統(tǒng)設計中考慮設備在高溫高濕高鹽霧惡劣環(huán)境中能正常使用。

3 主要功能

3.1 目標探測功能

1）具有對海目標的視距/超視距監(jiān)視功能；

2）具有對空目標的監(jiān)視功能；

3）位置信息獲取功能：接收船舶防碰撞信號（AIS）、飛機航行廣播信號（ADS-B）等信息，獲得區(qū)域內相關船只和飛機的位置信息；

4）目標觀察功能：對進入視頻監(jiān)測范圍的目標進行視頻監(jiān)測和識別。

3.2 自然環(huán)境監(jiān)測功能

觀測布設地點的環(huán)境氣象要素：風向、風速、氣溫、相對濕度、氣壓、雨量等信息。

3.3 信息處理功能

1）系統(tǒng)根據(jù)預先制定的目標信息融合規(guī)則，對AIS信息與對海雷達數(shù)據(jù)進行人工/自動識別；

2）將ADS-B信息與對空雷達數(shù)據(jù)進行人工/自動識別；

3）系統(tǒng)能采用自動和手動兩種方式對目標進行識別；

4）系統(tǒng)能根據(jù)目標監(jiān)控系統(tǒng)獲得的目標信息來分析目標的運動軌跡，并進行跟蹤；

5）系統(tǒng)可針對自然環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，主要包括：環(huán)境溫濕度、雨量、風速等全周期分析。

3.4 顯示功能

1）系統(tǒng)支持標準電子海圖顯示，具有漫游、放大、縮小、距離與方位量算、多目標顯示、目標標簽顯示、海圖打印與保存、輔助圖層管理等功能。

2）能以表格、態(tài)勢圖等多種方式顯示目標監(jiān)控系統(tǒng)獲得的目標信息、軌跡和目標的詳細信息。

3）系統(tǒng)能選擇展示光電設備獲得的圖像，同時還可以對歷史圖像進行播放和查詢；

4）可顯示島礁信息系統(tǒng)傳送來的數(shù)據(jù)；

5）可顯示處理水下信息系統(tǒng)傳送來的數(shù)據(jù)；

6）系統(tǒng)能同時展示觀測海域空中、水面、水下的多種目標的位置及其他相關信息；

7）系統(tǒng)能展示岸島目標態(tài)勢和氣象參數(shù)。

3.5 系統(tǒng)管理及警示功能

完成系統(tǒng)各設備的監(jiān)控及管理，系統(tǒng)能對選定的威脅目標進行警示。

4 系統(tǒng)方案設計

4.1系統(tǒng)構架

系統(tǒng)有空海監(jiān)視雷達系統(tǒng)、VTS雷達系統(tǒng)、光電系統(tǒng)、AIS系統(tǒng)、ADS-B系統(tǒng)、氣象參數(shù)測量系統(tǒng)、綜合處理控制系統(tǒng)等設備。

空海監(jiān)視雷達完成中近海水面目標的視距/超視距監(jiān)視，完成空中目標的監(jiān)視。VTS雷達完成港口及航道船舶監(jiān)控及交通設施的監(jiān)視。AIS系統(tǒng)接收水面船舶發(fā)射的報文信息。ADS-B系統(tǒng)接收空中目標發(fā)送的報文信息。光電監(jiān)視系統(tǒng)完成近海水面目標的監(jiān)視。氣象測量系統(tǒng)完成觀測站點的氣象參設測量。

綜合處理控制系統(tǒng)完成岸島觀測系統(tǒng)的信息綜合處理、顯示控制，數(shù)據(jù)存儲?？娠@示光電系統(tǒng)發(fā)送的實時視頻信息；各設備工作狀態(tài)信息；可根據(jù)需要完成對各觀測站的設備遠程操控；形成大范圍覆蓋的海域及其空域的監(jiān)視管控能力，并將處理分類后的信息分發(fā)給上級控制中心，進一步處理后向不同用戶提供信息服務；同時可接收上級控制中心發(fā)來的控制指令。

系統(tǒng)從架構上分為前端感知層、數(shù)據(jù)傳輸層、平臺層和應用層四部分組成。

4.2系統(tǒng)分層設計

4.2.1前段感知層

前段感知層是集成各種目標傳感器、氣象信息監(jiān)測和管控設備共同組成。主要包括下面一些：

1）雷達設備：用于對周邊監(jiān)控區(qū)域內的活動目標進行監(jiān)控；雷達設備可以在復雜環(huán)境下完成對機動目標的探測、分辨和定位，具有全天候、探測距離遠、發(fā)現(xiàn)捕捉目標能力強等特點。

2）光電監(jiān)控設備：用于對15公里內的可見光和紅外目標進行監(jiān)視和跟蹤；光電跟蹤分系統(tǒng)是由集成在轉塔上的變焦紅外熱像儀和電視攝像機組成，能夠全天時搜索跟蹤監(jiān)視重點目標，并對海上目標粗略被動測距。通過千兆網(wǎng)發(fā)送探測結果和監(jiān)視圖像。

3）AIS監(jiān)控設備：設備用于對近海海域（10海里內）的過往船舶的動態(tài)信息（位置信息、ROT、COG等）進行監(jiān)控，并可獲取過往船舶的相關靜態(tài)信息（船名、MMSI、IMO等）及航行相關信息（人數(shù)、吃水深度等）。

4）ADS-B監(jiān)控設備：該監(jiān)控設備用于接收200公里內裝備了ADS-B發(fā)射設備的飛機，通過數(shù)據(jù)鏈廣播的自身的精確位置和其它數(shù)據(jù)（如速度、高度及飛機是否轉彎、爬升或下降等）。

5）氣象監(jiān)測設備：自動地觀測和存儲氣象觀測數(shù)據(jù)，完成氣象相關參數(shù)采集處理和傳輸?shù)南到y(tǒng)，主要由氣象傳感器、采集器、通訊接口、系統(tǒng)電源等組成。

4.2.2網(wǎng)絡傳輸層

根據(jù)不同的使用環(huán)境可以采用下面幾種方式：

1）衛(wèi)星通信：衛(wèi)星通信一般使用在海上和邊遠地區(qū)。主要的優(yōu)勢是大部分區(qū)域都已經(jīng)覆蓋。主要的劣勢是帶寬價格較高、數(shù)據(jù)傳輸時延較大，并且偶爾會出現(xiàn)無法傳輸?shù)那闆r。

2）3G、4G網(wǎng)絡：信號覆蓋的區(qū)域可以使用3G或4G進行數(shù)據(jù)傳輸。由于3G和4G網(wǎng)絡采用非對稱的方式進行數(shù)據(jù)傳輸，因此上傳的數(shù)據(jù)不能滿足前端傳感器中視頻數(shù)據(jù)和電磁原始數(shù)據(jù)的傳輸帶寬的要求。

3）有線數(shù)據(jù)傳輸：主要包括采用光纖和網(wǎng)線的方式進行數(shù)據(jù)傳輸，當前有線網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸已經(jīng)可以達到每秒100MBps的傳輸速度。但是有線網(wǎng)絡存在布線困難的問題。

4）北斗短信數(shù)據(jù)傳輸：系統(tǒng)可以利用北斗短信方式進行數(shù)據(jù)傳輸。但由于北斗短信只能傳輸簡單的目標信息，僅能作為傳輸備份鏈路。

5）無線數(shù)據(jù)鏈通信網(wǎng)絡：主要優(yōu)勢是利于構建覆蓋大面積的監(jiān)控網(wǎng)絡，能為設備提供數(shù)據(jù)和話音通信，傳輸速率80kbps的傳輸帶寬，端機重量小于20kg。主要缺點是無法實現(xiàn)超視距的數(shù)據(jù)傳輸，每個網(wǎng)狀網(wǎng)節(jié)點之間的距離不超過40公里。

對于傳輸鏈路的選擇可以根據(jù)不同的使用環(huán)境進行考慮：岸島觀測系統(tǒng)設備架設在陸上，可借助公網(wǎng)或鋪設專用光纖傳輸線完成數(shù)據(jù)傳輸；無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)可作為備用數(shù)據(jù)傳輸方式。

4.2.3服務平臺層

（1）信息處理平臺

信息處理平臺是整個平臺層的核心部分，它一方面匯聚前端感知層采集的各類數(shù)據(jù)，進行集中的管理、存儲、分析、挖掘；另一方面它與應用層接口，向應用層提供各類信息數(shù)據(jù)服務。信息處理平臺所提供服務主要包括：數(shù)據(jù)接入及轉發(fā)、數(shù)據(jù)存儲、通信服務、目標數(shù)據(jù)融合處理、氣象信息統(tǒng)計等。

1）數(shù)據(jù)存儲：系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)庫、文件系統(tǒng)兩種方式進行數(shù)據(jù)的存儲管理，并建立了完善的備份與容災策略，從而實現(xiàn)對各類信息數(shù)據(jù)統(tǒng)一、安全、高效的存取。

2）通信服務：系統(tǒng)為應用層提供各級監(jiān)控站和控制中心之間的通信服務能力，包括發(fā)送文字或語音的消息等。

3）數(shù)據(jù)接入及分發(fā)：將傳感器傳輸過來的信息根據(jù)不同格式進行統(tǒng)一轉換，根據(jù)應用層不同系統(tǒng)要求進行數(shù)據(jù)定向分發(fā)等。

數(shù)據(jù)融合處理服務：

a）向前端監(jiān)控設備下發(fā)各類控制指令，實現(xiàn)對特定目標的追蹤觀測；

b）實現(xiàn)目標觀測數(shù)據(jù)（含近場雷達數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)、AIS目標數(shù)據(jù)、ADS-B目標數(shù)據(jù)）的管理、分析、關聯(lián)、識別能力。

氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計：通過對監(jiān)管區(qū)域的氣象水文數(shù)據(jù)采集、處理、分析，形成區(qū)域氣象數(shù)據(jù)庫。

（2）數(shù)據(jù)交換平臺

數(shù)據(jù)交換平臺是整個平臺層進行數(shù)據(jù)接入、交換的中心。它主要包括連接接入控制、傳輸協(xié)議轉換、外部數(shù)據(jù)接口。

1）連接接入控制：連接接入控制主要實現(xiàn)各級監(jiān)控站、二級控制中心接入核心控制中心的接入鑒權、連接建立、數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔僮骺刂啤?/p>

2）傳輸協(xié)議轉換：數(shù)據(jù)交換平臺從各級監(jiān)控站、二級控制中心接收各監(jiān)測設備上報的各類信息數(shù)據(jù)，并對這些數(shù)據(jù)進行協(xié)議解析，并轉換成系統(tǒng)后臺處理所需協(xié)議格式。

3）外部數(shù)據(jù)接口：數(shù)據(jù)交換平臺提供外部數(shù)據(jù)接口功能，實現(xiàn)與上級數(shù)據(jù)中心或其他外部信息系統(tǒng)互連，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)間的共享。

（3）系統(tǒng)維護平臺

系統(tǒng)維護平臺是為系統(tǒng)管理人員提供系統(tǒng)日常管理維護的操作接口。它主要由網(wǎng)絡節(jié)點管理、系統(tǒng)運行監(jiān)控、系統(tǒng)運行維護組成。

1）網(wǎng)絡節(jié)點管理：網(wǎng)絡節(jié)點管理實現(xiàn)系統(tǒng)各網(wǎng)絡節(jié)點（二級控制中心、固定監(jiān)控站）的添加、刪除、修改、查詢、啟用、禁用等功能。

2）系統(tǒng)運行監(jiān)控：實現(xiàn)對各級控制中心、固定監(jiān)控站運行狀況進行實時監(jiān)控，監(jiān)控對象包括前端的各種監(jiān)測設備、傳輸設備、后臺服務器，當設備出現(xiàn)故障或異常時，監(jiān)控界面進行警示，提醒管理人員進行相關的維護管理工作。

3）系統(tǒng)運行維護：系統(tǒng)維護平臺通過遠程下發(fā)設置控制命令實現(xiàn)對前端監(jiān)測設備的參數(shù)設置及維護工作（如開關機、自檢等）；同時可以通過遠程方式實現(xiàn)對二級控制中心服務器的維護管理。

4.2.4應用服務

應用服務是以雷達視頻、電子海圖、光電實時視頻等為主要展現(xiàn)手段，為用戶提供應用服務。應用層提供的服務主要包括：目標跟蹤、態(tài)勢顯示、視頻監(jiān)控等。

1）目標跟蹤：系統(tǒng)可以通過雷達持續(xù)跟蹤、視頻設備持續(xù)監(jiān)控等方式對目標進行跟蹤，通過在電子海圖上繪制目標運動軌跡及實時視頻顯示等方式呈現(xiàn)給用戶。

2）態(tài)勢顯示：系統(tǒng)實時獲取區(qū)域內目標信號分布信息，并根據(jù)多系統(tǒng)綜合給出目標的合法性，形成監(jiān)管區(qū)域內的目標態(tài)勢，為監(jiān)管部門的行動決策提供數(shù)據(jù)支撐。

3）視頻監(jiān)控：系統(tǒng)可以實時顯示各監(jiān)控站上傳的多路視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)，便于及時、有效、準確的掌握監(jiān)管區(qū)域的安全態(tài)勢。

5 總結

海岸防御對于國家安全十分重要，本文通過空海監(jiān)視雷達、VTS雷達、光電、AIS系統(tǒng)、ADS-B系統(tǒng)、氣象儀等多種監(jiān)控設備實現(xiàn)近海海域和遠海島礁的信息采集和集成，在海域態(tài)勢感知、海洋環(huán)境觀測信息服務等方面做出積極探索。

參考文獻

[1]周凱.我國渤海綜合管理的監(jiān)控能力建設研究[D].山東：中國海洋大學，2009.

（作者簡介：王夢璇，碩士研究生，工程師；工作單位：中國電子科技集團公司第二十研究所）