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天地体化信息网络数据融合技术
摘 要：天地一体化传输网络已基本成型,依托天地一体化网络组建的战场信息系统,确保军事强国可以从天、空、地甚至海上等多维空间同时获取诸多战场信息.如果对信息处理方式不当或信息处理不及时,将直接影响信息的准确性和目标位置的精确性.以防空预警信息系统为实例,研究采用信息融合技术,对天地一体化信息网络获取的多维信息进行处理,不仅提升网络的时效性和可靠性,同时对战场作战和武器作战性能的提升有深远影响.
关键词：天地一体化网络；信息采集；信息服务；数据融合
中图分类号：TP212 文献标志码：A 文章编号：1008-1739（2018）16-60-3
0 引言
随着卫星通信的不断发展,传统以点对点为主的传输方式将被淘汰,未来以信息交换和传输为基础,处理和应用为核心,支撑全域空间的军民融合使命为目的的天地一体化信息网络,必将成为大型网络的信息基础设施[1],满足国民经济建设和国防安全发展的要求.天地一体化信息网络是综合利用现代信息网络技术,以信息流为载体,以任务使命为指引,汇聚空、天、地信息技术的各自优势,有效获取和传输空、天、地、海等多维信息,采用资源统筹运用、信息融合处理、任务协同分发和动作组织管理等方法,实现对时空复杂的一体化网络综合处理和高效利用,满足为各个用户提供实时、可靠及信息服务需求的机动、高效、智能、协同的信息网络基础设施[2]和决策支持系统.
伴随天地一体化信息网络的不断发展变化,网络中的各种行业信息系统不断增多,信息量也会剧增,因此,需要对信息进行复杂的处理.
1 天地一体化信息网络
天地一体化信息网络由3 层和2 个系统组成[3],3 层从底向上分别是数据传输层、数据交换层和信息服务层组成,每一层也可以看成一个网络；2 个系统是指信息采集系统和信息处理系统,如图1 所示.
1.1 数据传输层
数据传输层实际上指的是由天基、空基和地面站等构成的天地一体化传输网络,天基系统包括高、中、低通信卫星和空间站形成传输链路,高轨道卫星之间形成星间链路,天基系统与空基和地面站之间形成传输链路,如图2 所示.
空基系统包括升空中继平台和各种通信中继用的飞机,与天基系统、地面站和多种地面通信终端形成传输链路.地面站主要由各种卫星地面站和地面站之间的光纤传输网络组成,具备数据传输和交换功能,对减少多跳和形成天地一体的数据传输网起到重要作用.
1.2 数据交换层
数据交换层位于信息服务层和数据传输层之间,主要完成各种信息的交换,引导并控制信息传输功能,实现信息无缝连接,具体采用ATM、IP 和MPLS 等多种交换方式.
1.3 信息服务层
天地一体化信息网络可以走军民融合的发展道路,建成后,战时为军队作战服务,平时为国民经济建设、社会治安和居民生活等方面提供信息服务.依托天地一体化网络可以建成多个行业门户信息系统,信息系统可以采用SOA 服务架构,构建具备云计算、云存储能力的分布式及跨平台的大数据服务能力的信息系统,同时具备实时与非实时、主动获取、推送广播和点播等多种服务模式,最终要满足行业的需求并提升信息服务水平.
1.4 2 个系统
① 信息采集系统主要由遥感、探测与监视卫星、地面雷达站、海监船、各种传感器网络[4]和视频监控等组成.主要负责大气、水纹、空中、水面、水下和地面目标的识别和采集,实时回传到指定的信息中心和武器平台.
② 信息处理系统主要完成消息预判、过滤、信息融合、信息存储与提取和数据容灾备份等功能,信息处理系统涉及到人工智能技术、模式识别技术、数理统计学、数字信号处理技术和信息论等多种复杂算法,对信息的真实性、实时性和指挥决策起到至关重要作用.
2 天地一体化信息网络中的信息融合
2.1 信息融合
信息融合也称数据融合技术,指对各种信息源发出的相关信息的采集、传输、综合、过滤与合成,对战场态势或环境判定、目标探测、路径规划、消息验证和精确打击等起到辅助作用.如信息化条件下作战,战场上能否及时准确地获取各种有用的战场信息,包括战场态势和威胁目标及其危险程度进行实时的、客观的评价,对实施战术、战略辅助决策与作战部队的指挥控制起到重要作用.战场态势瞬息万变,影响决策的因素错综复杂,要求指挥员在最短的时间内,做出对战场态势最准确的判断,对作战部队实施最有效的指挥控制.这一系列的决定,需要高效的数据融合[5]技术手段做保障.否则再高明的军事领导人和指挥官也会被浩如烟海的数据所淹没,导致判断失误、延误决策和错失良机,将会造成不可估量的战场损失.
2.2 数据融合的方法与分类
（1）数据融合方法
随着数据融合技术的不断发展,数据融合方法也在不断更新完善,方法也越来越多,不同的方法针对性也存在差异,但对各种传感器信息都适用且能进行数据融合的方法基本不存在,需要根据具体运用领域采用可行融合方法,通常处理数据的过程包括相关、估计和识别这3 个环节.① 相关处理中一般的处理方法有聚类分析法、最近邻法则、统计关联法、最大似然估计法和最优差别法等；② 估计处理中一般的处理方法有最小二乘法、卡尔曼滤波法及最大似然法等；③ 识别处理中一般的处理方法有证据推理法、贝叶斯估计法、模糊识别法、表决法及神经网络法等.
（2）数据融合分类
数据融合的分类方法不同,其融合方法也有区别,根据操作层次不同分为数据级融合、特征级融合和决策级融合3 个层次.
① 数据级融合：直接将采集到的源数据进行融合的操作,数据未经后期处理就对其进行分析及综合,这是最低层次的数据融合,融合能处理尽可能多地未修改原始数据,提供很多其他融合层次无法提供的细节信息.优点是提供了尽可能多的细节信息；缺点是该层次包含的信息很多,处理时间较长,实时性较差.
② 特征级融合：是中间层次,从采集到的原始数据中提取特征信息,提取出来的特征信息应是具有一定代表性的特征向量,能够按特征信息对采集到的数据进行分类、汇集与综合,这一层次融合又可以分为目标特性融合和目标状态数据融合2 类,前者常运用于目标识别领域,后者常运用于目标跟踪领域.优点是完成了一定的信息压缩,便于实时处理；缺点是由于丢失一定细节信息会使其准确性有所下降.
③ 决策级融合：是在最高级层次进行的融合,是一种高层次融合,信号处理装置要在进行融合之前完成决策或分类任务,为用户最终决策提供的依据来源就是决策级融合的结果,所以此层次融合必须来源于实际的决策需求,运用特定的融合技术处理特征级融合所提供的各种特征信息,为决策级融合服务.优点是高灵活性、传送带宽要求较低及不错的容错性等；缺点是需要对采集的原始信息进行预处理并获得相应的判决结果,因此预处理代价较高.
2.3 防空预警信息系统数据融合处理
假定某防空预警信息系统侦查发现敌机入侵后,快速做出反击决策过程中的数据融合处理[6].整个过程可分为预处理和决策数据融合2 个融合处理过程.其中预处理由各路采集系统负责处理,如图3 所示.
① 由于地形因素、卫星扰动、天气变化和大气散射等随机因素对成像结果会造成透视收缩、叠掩和阴影的影响,需要进行几何纠正、大气订正及辐射校正等图像处理；
② 由于不同传感器获取影像的拍摄角度、时相及分辨率等方面的存在差异,需要进行影像空间配准处理；
③ 在第2 步处理完成配准的2 幅影像上,选择提取边界、线状物交叉点和区域轮廓线等明显的特征.
④ 在第3 步处理后的2 幅影像上,对比较明显的物点进行特征匹配处理,作为控制点；
⑤ 将第4 步得到的控制点,完成空间变化,建立影像间的映射关系；
⑥ 根据影像映射关系,对非参考影像进行重采样,获取同参考影像配准的影像,进行插值处理,空间配准的精度一般要求在1~2 个像元内；
⑦ 目标识别：通过上述处理后,识别出入侵敌机目标,并将该信息放送到指控中心和武器平台进行数据决策融合处理.防空预警信息系统数据融合处理,通常依据每路数据的时间戳和目标位置进行相应计算,获取目标移动轨迹和运行速度等参数,并加注到攻击武器中,目的就是提高时间效率和反击率.
3 结束语
天地一体化信息网络中的行业信息系统不断增多,信息量剧增,采用数据融合技术主要确保网络数据处理系统各单元与信息中心之间的连通性与实时性,把军事操作人员和情报分析人员从繁琐的事务处理工作中解脱出来,提升网络的实效性和可靠性,并对战场作战和武器作战性能的提升有深远影响.
参考文献
[1] Arici T,Altunbasak Y.Adaptive Sensing for EnvironmentMonitoring using Wireless Sensor Network[C]//IEEEWireless Communications and Networking Conference,21-25,March,2004,Atlanta,Georgia,USA,2004:2350-2355.
[2] 龙吟,朱珂,丁凯,等.天地一体化互联网络中航天器网关的设计及实现[J].航天器工程,2016,25(1):77-83.
[3] 黄惠明,常呈武.天地一体化天基骨干网络体系架构研究[J].中国电子科学研究院学报,2015,10(5):460-467.
[4] 王瑞.无线传感器网络中数据融合处理及可靠传输研究[D].成都:西南交通大学,2012.
[5] 袁刚.无线传感器网络数据融合系统设计[D].北京:邮电大学,2009.
[6] 李洪辉.数据融合技术在无人机高度测量中的研究应用[D].广州:华南理工大学,2012.
信息网络论文范文结:
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