一种低轨多功能卫星对侦察目标的处理及筛选方法与流程

本发明属于航天器星上软件处理技术领域，特别是一种低轨多功能卫星对侦察目标的处理及筛选方法。

背景技术：

多年来，低轨卫星受到平台功耗、体积、重量等能力限制，大多仅能够携带单一载荷，或同一时间内仅单一载荷工作。随着卫星平台技术快速发展和载荷不断轻量和小型化，同一卫星平台上搭载ais、ads-b、高分辨率相机、长波红外等多类型侦察载荷已成为低轨卫星发展的基本趋势。对于多载荷低轨卫星，传统的信息处理方法是，星上载荷获取多个侦查目标信息后不做星上筛选处理，直接将所有侦查目标数据信息通过专用数传通道下发给卫星地面站，经卫星地面站转发后将目标数据发送给地面运控中心，对侦查目标的原始数据进行信息融合处理，具体流程见图1和图2。

传统的低轨卫星载荷数据处理及分发方法，即卫星获取多个侦查目标数据后不经星上处理筛选，通过专用数传通道全部下发，存在以下两方面不足：

(1)传输数据的信息浓度低。通过数传通道下发星上获取的全部目标数据，数据针对性差，但地面站仅需要特定目标信息，造成信道带宽利用率低的后果；

(2)有用信息获取时效性差。地面站融合卫星下发数据后，需要从收集到海量数据中提取有用信息，多跳链路空口传输和中心数据处理都导致侦查结果经历较长大时延，信息处理实时性差，使得数据的时间保鲜度低，影响信息获取的准确度和时效性。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种信道资源利用效率、信息保鲜度和精确度高的低轨多功能卫星对侦察目标的处理及筛选方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种低轨多功能卫星对侦察目标的处理及筛选方法，包括以下步骤：

步骤1、目标筛选：卫星地面站将待侦察目标属性信息以指令方式上传至低轨卫星，卫星基于解析结果对星上载荷获取的多个目标进行筛选；

步骤2、目标信息输出：将步骤1中筛选出来的前k个目标观测数据输出到星上缓冲区进行存储；

步骤3、星上信息提取：根据数据链格式化消息设计要求，提取k个目标观测数据中有用信息，包括经度纬度、高度、航向、速率数据；

步骤4、数据链消息生成：将步骤3中经过提取的目标观测数据，按数据链格式化消息设计要求封装为数据链格式化消息；

步骤5、信息回传：将数据链格式化消息通过下行链路发送到卫星地面站。

进一步地，步骤1所述的目标筛选，具体如下：

步骤1.1、数据收集：将星上载荷目标数据按载荷类型分类，每个载荷收集各自的数据，其中ais载荷收集船舶目标ais数据信息，ads-b载荷收集飞行目标ads-b数据信息，高分载荷收集可见光数据；

步骤1.2、数据表征：将待传输信息进行结构化表征处理，首先构造载荷专用的禁用词集、特征词集、概念集，将单一载荷数据进行结构化处理，根据禁用词集去除无用的数据，根据特征词集提取进行航迹关联特征所需的数据，根据概念集将不同表达方式的相同概念映射为同一概念；然后将处理后的结构化数据进行特征项提取，生成目标数据矢量库，表示为矩阵a，其中，矩阵a每一列为对应一个目标的侦查数据，设有m个目标的侦查数据，即表示为a＝(a1,a2,…,ai,…,am)，每一列向量ai＝(ai1,ai2,…,ain)，对于列向量ai，其中每一个数据元素ai1,ai2,…,ain都为目标i不同维度的侦查数据，i＝1,2,3,...,m，n为侦查目标数据维度；

步骤1.3、将地面平台发送至卫星的侦查目标指示数据进行结构化处理，去除无用数据，根据特征词集提取特征信息，按概念集将不同表达方式的相同概念映射为同一概念，形成空间向量模型，以向量形式对信息进行表征，即ω＝(ω1,ω2,…,ωt)，其中向量数据ωj表示该地面平台侦查到的一个目标所属的不同维度数据，j＝1,2,3,...,t，t为数据维度数；

步骤1.4、按照数据属性，将向量数据ω调整为同矩阵a各列数据信息相一致的序列；

步骤1.5、计算星上侦查目标结果与地面站发送的侦查目标之间的欧式距离，星上侦查目标结果所表征的结构化数据为矩阵a＝(a1,a2,…,am)，其中m为侦查目标的数量，矩阵a的第i个列向量为ai＝(ai1,ai2,…,aij,…,ain)表示第i个目标的n维度数据，n为侦查目标数据维度；根据矩阵a的第i列向量ai和向量ω＝(ω1,ω2,…,ωn)，计算欧式距离di，公式如下：

其中i＝1,2,…,m；

步骤1.6、将步骤1.5计算得到的欧式距离di按升序排序，生成优先级队列，记为priorityqueue(qi)，qi表示第i个观测目标的数据表征，i＝1,2,…,m，m为侦查目标的数量，qi的表征方法以及内容和ai相同；

步骤1.7、每个目标生成格式化消息后，将单个目标消息占用的信道时隙资源记为l，具体值由不同消息类型所占用的时隙长度确定；

步骤1.8、卫星数据链载荷根据实时的下行信道容量，计算分配给星载载荷的总时隙资源数，记为w；

步骤1.9、根据可用资源w和目标所需资源l，推算当前信道条件下可供发送的目标数量k，其中k＝|w/l|；

步骤1.10、输出在优先级队列priorityqueue(qi)中的前k个目标的可观测信息数据。

进一步地，步骤2所述的目标信息输出，具体如下：

将步骤1中筛选出来的前k个目标观测数据输出到星上缓冲区进行存储，k为信道条件下可供发送的目标数量，设k个观测目标分别为a1,a2,…,ai,…,ak，其中第一个目标观测数据表示为a1＝(a11,a12,…,a1n)，第i个目标观测数据表示为ai＝(ai1,ai2,…,aij,…,ain)，...，第k个目标观测数据表示为ak＝(ak1,ak2,…,akj,…,akn)，ai中每一个元素ai1,ai2,…ain均为目标i对应的不同维度观测数据。

进一步地，步骤3所述的星上信息提取，具体如下：

根据数据链格式化消息设计要求，提取k个目标观测数据中有用信息，k为信道条件下可供发送的目标数量，有用信息包括经度、纬度、高度、航向、速率数据，有用信息共有p项，p为有用信息的维度，其中p<n，n为侦查目标数据维度，对于目标k，提取后的观测信息为第k个目标的观测数据ak＝(ak1,…,akj,…,akp)，此时ak为第k个目标p个维度的数据表征。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)提高了业务特性耦合的信道资源利用效率：星上载荷获取信息经过星上处理筛选后，仅发送和地面平台相同或相近范围内的重点观测目标，且传输信息仅包含关键要素，过滤后的信息分发至地面站进一步融合处理，提高了卫星下行的带宽利用率，对于低频段低轨卫星尤其重要；(2)提高了信息的保鲜度和精确度：通过具有针对性的目标信息提取，卫星载荷能够快速给出地面平台获取的观测目标相同或相近范围内的主要信息，剔除冗余信息，省去大量数据在地面处理中心的融合过程，使重要信息直达地面站末梢，保证了地面站关键信息服务的保鲜度要求和精确度要求。

附图说明

图1是单载荷低轨卫星侦查目标信息数传方法的流程示意图。

图2是多载荷低轨卫星侦查目标信息数传方法的流程示意图。

图3是本发明低轨多功能卫星侦查目标处理及筛选方法的流程示意图。

图4是本发明中数据筛选算法的流程示意图。

具体实施方式

本发明通过提取侦查获取目标的特征信息，并根据低轨卫星实时下行信道状态，对多个侦查目标识别信息进行快速筛选，优选可满足地面信息融合站点信息处理要求的重点目标，对本发明中用到的术语做出如下说明：

卫星地面站：向卫星发射任务指令，并接收卫星下分的数据；

地面运控中心：对低轨卫星执行跟踪测量、遥测、遥控和通信等任务的地面站，可根据任务需要生成控制指令，上注卫星，实时进行任务控制；

ais载荷：一种小型星上载荷，可收集船舶自动识别系统(ais，一般搭载在较大吨位船只上)发送到卫星的船舶静态和动态运行数据；

ads-b载荷：一种小型星上载荷，可收集机载广播式自动相关系统发送的飞行数据；

数据链：数据链是一种采用标准化通信链路，专用于高效数据传输与交换的战术信息系统；该系统通过在传感器、指挥平台和武器平台之间建立无线网络，并按照统一规定的消息格式和通信协议运行，实现战场态势、指挥引导、战术协同、武器控制等重要数据信息的高效流转；

航迹关联：各传感器平台产生航迹信息后，对其它传感器平台发送的目标航迹进行判断的方法，可识别其它传感器平台发送的目标航迹和本平台发送的目标航迹是否属于同一个目标；

航迹融合：将源自多个传感器平台的局部航迹信息，采用一定的方法和规则，优化融合不同信息源提供的有用信息形成全局航迹。

本发明种低轨多功能卫星对侦察目标的处理及筛选方法，包括以下步骤：

步骤1、目标筛选：卫星地面站将待侦察目标属性信息以指令方式上传至低轨卫星，卫星基于解析结果对星上载荷获取的多个目标进行筛选；

步骤2、目标信息输出：将步骤1中筛选出来的前k个目标观测数据输出到星上缓冲区进行存储；

步骤3、星上信息提取：根据数据链格式化消息设计要求，提取k个目标观测数据中有用信息，包括经度纬度、高度、航向、速率数据；所述数据链是一种采用标准化通信链路，专用于数据传输与交换的战术信息系统；数据链内部为保证相关系统之间信息交换而制定的信息排列规范；

步骤4、数据链消息生成：将步骤3中经过提取的目标观测数据，按数据链格式化消息设计要求封装为数据链格式化消息；

步骤5、信息回传：将数据链格式化消息通过下行链路发送到卫星地面站。

进一步地，步骤1所述的目标筛选，具体如下：

步骤1.1、数据收集：将星上载荷目标数据按载荷类型分类，每个载荷收集各自的数据，其中ais载荷收集船舶目标ais数据信息，ads-b载荷收集飞行目标ads-b数据信息，高分载荷收集可见光数据；所述ais载荷为一种星上载荷，收集船舶自动识别系统发送到卫星的船舶静态及动态运行数据；ads-b载荷为一种星上载荷，收集搭载在飞机上的广播式自动相关系统收集到的飞机的飞行数据；

步骤1.2、数据表征：将待传输信息进行结构化表征处理，首先构造载荷专用的禁用词集、特征词集、概念集，所述禁用词集用于标记对反映目标特征无用的数据集、特征词集用于标记反映目标特征的数据集、概念集用于标记具有相同目标特征的数据集；将单一载荷数据进行结构化处理，根据禁用词集去除无用的数据，根据特征词集提取进行航迹关联特征所需的数据，根据概念集将不同表达方式的相同概念映射为同一概念；然后将处理后的结构化数据进行特征项提取，生成目标数据矢量库，表示为矩阵a，其中，矩阵a每一列为对应一个目标的侦查数据，设有m个目标的侦查数据，即表示为a＝(a1,a2,…,ai,…,am)，每一列向量ai＝(ai1,ai2,…,ain)。对于列向量ai，每一个数据元素ai1,ai2,…,ain都是某个目标(此时为目标i)不同维度的侦查数据，i＝1,2,3,...,m，例如i＝1时，a11,a12,…,a1n是第一个目标的侦查数据，共有n个数据维度，如经度、纬度、高度、航向、航速5种维度，此时n＝5，通过以上描述可知，n为侦查目标数据维度。

步骤1.3、将地面平台发送至卫星的侦查目标指示数据进行结构化处理，去除无用数据，根据特征词集提取特征信息，按概念集将不同表达方式的相同概念映射为同一概念，形成空间向量模型，以向量形式对信息进行表征，即ω＝(ω1,ω2,…,ωt)，其中向量数据ωj表示该地面平台侦查到的一个目标所属的不同维度数据，j＝1,2,3,...,t，t为数据维度数，如经度、纬度、高度、航向、航速5种维度，此时t＝5；

步骤1.4、按照数据属性，将向量数据ω调整为同矩阵a各列数据信息相一致的序列；

步骤1.5、计算星上侦查目标结果与地面站发送的侦查目标之间的欧式距离。星上侦查目标结果所表征(表征方法见步骤1.2)的结构化数据为矩阵a＝(a1,a2,…,am)，其中m为侦查目标的数量，矩阵a的第i个列向量为ai＝(ai1,ai2,…,aij,…,ain)表示第i个目标的n维度数据，n为侦查目标数据维度(如存在经度、纬度、高度、航向、航速5种维度时n＝5)。根据矩阵a的第i列向量ai和向量ω＝(ω1,ω2,…,ωn)(向量ω表示地面平台发送至卫星的侦查目标的结构化数据，其表征方法见步骤1.3所示)计算欧式距离di，公式如下：

其中i＝1,2,…,m；

步骤1.6、将步骤1.5计算得到的欧式距离di按升序排序，生成优先级队列，记为priorityqueue(qi)，qi表示第i个观测目标的数据表征，i＝1,2,…,m，m为侦查目标的数量，qi的表征方法以及内容和步骤1.5中的ai相同；

步骤1.7、每个目标生成格式化消息后，将单个目标消息占用的信道时隙资源记为l，具体值由不同消息类型所占用的时隙长度确定；

步骤1.8、卫星数据链载荷根据实时的下行信道容量，计算分配给星载载荷的总时隙资源数，记为w；

步骤1.9、根据可用资源w和目标所需资源l，推算当前信道条件下可供发送的目标数量k，其中k＝|w/l|；

步骤1.10、输出在优先级队列priorityqueue(qi)中的前k个目标的可观测信息数据。

进一步地，步骤2所述的目标信息输出，具体如下：

将步骤1中筛选出来的前k(k为信道条件下可供发送的目标数量)个目标观测数据输出到星上缓冲区进行存储，设k个观测目标分别为a1,a2,…,ai,…,ak，其中第一个目标观测数据表示为a1＝(a11,a12,…,a1n)，第i个目标观测数据表示为ai＝(ai1,ai2,…,aij,…,ain)，...，第k个目标观测数据表示为ak＝(ak1,ak2,…,akj,…,akn)，ai中每一个元素ai1,ai2,…ain均为某个目标(此时为目标i)对应的不同维度观测数据，n为侦查目标数据维度，如存在经度、纬度、高度、航向、航速5种维度时n＝5。

进一步地，步骤3所述的星上信息提取，具体如下：

根据数据链格式化消息设计要求，提取k个(k为信道条件下可供发送的目标数量)目标观测数据中有用信息(如经度、纬度、高度、航向、速率数据项)，共有p项(p为有用信息的维度，是否有用由数据链消息的设计决定，例如只有经度、纬度、高度3个维度的信息有用，则p＝3)，其中p<n(n为目标的总的维度，例如目标观测到经度、纬度、高度、航向、速率共5个维度的信息，则n＝5)，对于目标k，提取后的观测信息为第k个目标的观测数据ak＝(ak1,…,akj,…,akp)，此时ak为第k个目标p个维度的数据表征。

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例

结合图3，本发明低轨多功能卫星对侦察目标的处理及筛选方法，包括以下步骤：

步骤1、目标筛选

卫星地面站将待侦察目标属性信息以指令方式上传至低轨卫星，卫星基于解析结果对星上载荷获取的多个目标进行筛选。其中，卫星地面站发送到低轨卫星的侦查目标特征数据以数据链格式化消息方式进行封装，格式采用平台自身的精准定位与识别类消息和侦查目标的航迹类消息；星上对数据链格式化消息进行解析后，在星上载荷收集到的所有侦查目标数据里查找与地面站指示目标紧密关联的目标，将这些目标数据结果发送至星上数据发送缓冲区；

数据筛选过程基于低轨卫星实时信道质量及其可用带宽，采取信道自适应方式进行，数据筛选过程如图4所示，具体如下：

步骤1.1、数据收集：将星上载荷目标数据按载荷类型分类，每个载荷收集各自的数据，其中ais载荷收集船舶目标ais数据信息，ads-b载荷收集飞行目标ads-b数据信息，高分载荷收集可见光数据；

步骤1.2、数据表征：将待传输信息进行结构化表征处理，首先构造载荷专用的禁用词集、特征词集、概念集，将单一载荷数据进行结构化处理，根据禁用词集去除无用的数据，根据特征词集提取进行航迹关联特征所需的数据，根据概念集将不同表达方式的相同概念映射为同一概念；然后将处理后的结构化数据进行特征项提取，生成目标数据矢量库，表示为矩阵a，其中，矩阵a每一列为对应一个目标的侦查数据，设有m个目标的侦查数据，即表示为a＝(a1,a2,…,ai,…,am)，每一列向量ai＝(ai1,ai2,…,ain)。对于列向量ai，每一个数据元素ai1,ai2,…,ain都是某个目标(此时为目标i)不同维度的侦查数据，i＝1,2,3,...,m，例如i＝1时，a11,a12,…,a1n是第一个目标的侦查数据，共有n个数据维度，如经度、纬度、高度、航向、航速5种维度，此时n＝5，通过以上描述可知，n为侦查目标数据维度；

步骤1.3、将地面平台发送至卫星的侦查目标指示数据进行结构化处理，去除无用数据，根据特征词集提取特征信息，按概念集将不同表达方式的相同概念映射为同一概念，形成空间向量模型，以向量形式对信息进行表征，即ω＝(ω1,ω2,…,ωt)，其中向量数据ωj表示该地面平台侦查到的一个目标所属的不同维度数据，j＝1,2,3,...,t，t为数据维度数，如经度、纬度、高度、航向、航速5种维度，此时t＝5；

步骤1.4、按照数据属性，将向量数据ω调整为同矩阵a各列数据信息相一致的序列，如ai中第一个数据ai1和ω向量中第一个数据ω1同为经度数据，第二个数据ai2和ω2同为纬度数据；

步骤1.5、计算星上侦查目标结果与地面站发送的侦查目标之间的欧式距离。星上侦查目标结果所表征(表征方法见步骤1.2)的结构化数据为矩阵a＝(a1,a2,…,am)，其中m为侦查目标的数量，矩阵a的第i个列向量为ai＝(ai1,ai2,…,aij,…,ain)表示第i个目标的n维度数据，n为侦查目标数据维度(如存在经度、纬度、高度、航向、航速5种维度时n＝5)。根据矩阵a的第i列向量ai和向量ω＝(ω1,ω2,…,ωn)(向量ω表示地面平台发送至卫星的侦查目标的结构化数据，其表征方法见步骤1.4所示)计算欧式距离di，公式如下：

其中i＝1,2,…,m；

步骤1.6、将步骤1.5计算得到的欧式距离di按升序排序，生成优先级队列，记为priorityqueue(qi)，qi表示第i个观测目标，i＝1,2,…,m，m为侦查目标的数量，qi的表征方法以及内容和步骤1.5中的ai相同；

步骤1.7、每个目标生成格式化消息后，单个目标消息占用的信道时隙资源记为l，具体值由不同消息类型的时隙长度确定；

步骤1.8、卫星数据链载荷根据实时的下行信道容量，计算分配给星载载荷的总时隙资源数，记为w；

步骤1.9、根据可用资源w和目标所需资源l，推算当前信道条件下可供发送的目标数量k，其中k＝|w/l|；

步骤1.10、输出在优先级队列priorityqueue(qi)中的前k个目标的可观测信息数据。

步骤2、目标信息输出

将步骤1中筛选出来的前k(k为信道条件下可供发送的目标数量)个目标观测数据输出到星上缓冲区进行存储，设k个观测目标分别为a1,a2,…,ai,…,ak，其中第一个目标观测数据表示为a1＝(a11,a12,…,a1n)，第i个目标观测数据表示为ai＝(ai1,ai2,…,aij,…,ain)，...，第k个目标观测数据表示为ak＝(ak1,ak2,…,akj,…,akn)，ai中每一个元素ai1,ai2,…ain均为某个目标(此时为目标i)对应的不同维度观测数据，n为侦查目标数据维度(如存在经度、纬度、高度、航向、航速5种维度时n＝5)；

步骤3、上信息提取

根据数据链格式化消息设计要求，提取k个(k为信道条件下可供发送的目标数量)目标观测数据中有用信息(如经度、纬度、高度、航向、速率数据项)，共有p项(p为有用信息的维度，是否有用由数据链消息的设计决定，例如只有经度、纬度、高度3个维度的信息有用，则p＝3)，其中p<n(n为目标的总的维度，例如目标观测到经度、纬度、高度、航向、速率共5个维度的信息，则n＝5)，对于目标k，提取后的观测信息为第k个目标的观测数据ak＝(ak1,…,akj,…,akp)，此时ak为第k个目标p个维度的数据表征；

步骤4、数据链消息生成

对步骤3中经过提取的目标观测数据，按数据链格式化消息设计要求封装为数据链格式化消息；

步骤5、信息回传

将数据链格式化消息通过下行链路发送到卫星地面站。

本发明在低轨卫星模拟演示验证系统中设计使用，该系统通过模拟仿真，验证多载荷条件下低轨卫星的性能。低轨卫星搭载专用的数据链载荷，以及ais、ads-b、高分等多种观测载荷，观测载荷能够获取卫星覆盖区域内各目标多维度的数据，同时卫星具有一定的星上处理能力，能够将地面特定目标发送到卫星的数据和星上观测载荷获取的区域内数据进行处理和筛选。本发明设计的筛选和处理方法运用在星上载荷数据处理器模块，该模块能够将地面发送到卫星的数据进行提取和分析，以本发明所述方法，将符合规定(由数据链消息处理器所约定)需求的目标观测数据发送到卫星地面站。

通过本实施例，证明本发明低轨多功能卫星对侦察目标的处理及筛选方法将星上载荷获取信息经过星上处理筛选后，仅发送和地面平台相同或相近范围内的重点观测目标，且传输信息仅包含关键要素，过滤后的信息分发至地面站进一步融合处理，有效提高了卫星下行的带宽利用率；通过具有针对性的目标信息提取，卫星载荷能够快速给出地面平台获取的观测目标相同或相近范围内的主要信息，剔除冗余信息，省去大量数据在地面处理中心的融合过程，使重要信息直达地面站末梢，保证了地面站关键信息服务的保鲜度要求和精确度要求。