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岸岛观测系统设计与实现

2022-09-08 15:55:03

摘?要:海岸防御对于国家安全十分重要,本文通过空海监视雷达、VTS雷达、光电、AIS系统、ADS-B系统、气象仪等多种监控设备实现近海海域和远海岛礁的信息采集和集成,设计了一种岸岛观测系统,实现对布设地点附近海域内的空中和水面目标的实时观测,通过多源观测信息的融合和综合处理,形成整体态势信息。

关键词:岸岛;
信息融合;
监测

1 概述

为落實习近平总书记建设海洋强国重要指示,中国电子科技集团启动建设了蓝海信息网络示范系统,是践行央企使命担当的重要示范工程。岸岛观测系统作为蓝海信息网络示范系统的一个组成部分,由空海监视雷达、VTS雷达、光电、AIS系统、ADS-B系统、北斗卫星定位系统、气象数据传输系统等组成,完成对布设地点附近海域内的空中和水面目标的实时观测,通过多源观测信息的融合和综合处理,形成整体态势信息。

2 系统特点

1)多种目标观测手段:系统整合雷达探测、AIS、光电监视、ADS-B等多种观测手段,可发现空中、水面的不同类型目标;

2)综合分析处理能力:系统综合处理包括空中、水面活动目标位置、视频和自然环境等信息,并对这些信息进行处理,分析信息之间的关联性;

3)利用网络通信技术,实现设备远程遥控及信息接入和集中处理;

4)面向服务的设计:系统是集成多种传感手段的综合信息平台,为上级应用提供监控海域内目标信息、环境信息服务;

5)分布式结构化系统:系统采用分层体系架构,由感知层、传输层、平台层、应用层和支撑系统共同组成完善的体系;

6)环境适应能力:系统设计中考虑设备在高温高湿高盐雾恶劣环境中能正常使用。

3 主要功能

3.1 目标探测功能

1)具有对海目标的视距/超视距监视功能;

2)具有对空目标的监视功能;

3)位置信息获取功能:接收船舶防碰撞信号(AIS)、飞机航行广播信号(ADS-B)等信息,获得区域内相关船只和飞机的位置信息;

4)目标观察功能:对进入视频监测范围的目标进行视频监测和识别。

3.2 自然环境监测功能

观测布设地点的环境气象要素:风向、风速、气温、相对湿度、气压、雨量等信息。

3.3 信息处理功能

1)系统根据预先制定的目标信息融合规则,对AIS信息与对海雷达数据进行人工/自动识别;

2)将ADS-B信息与对空雷达数据进行人工/自动识别;

3)系统能采用自动和手动两种方式对目标进行识别;

4)系统能根据目标监控系统获得的目标信息来分析目标的运动轨迹,并进行跟踪;

5)系统可针对自然环境监测数据进行统计分析,主要包括:环境温湿度、雨量、风速等全周期分析。

3.4 显示功能

1)系统支持标准电子海图显示,具有漫游、放大、缩小、距离与方位量算、多目标显示、目标标签显示、海图打印与保存、辅助图层管理等功能。

2)能以表格、态势图等多种方式显示目标监控系统获得的目标信息、轨迹和目标的详细信息。

3)系统能选择展示光电设备获得的图像,同时还可以对历史图像进行播放和查询;

4)可显示岛礁信息系统传送来的数据;

5)可显示处理水下信息系统传送来的数据;

6)系统能同时展示观测海域空中、水面、水下的多种目标的位置及其他相关信息;

7)系统能展示岸岛目标态势和气象参数。

3.5 系统管理及警示功能

完成系统各设备的监控及管理,系统能对选定的威胁目标进行警示。

4 系统方案设计

4.1系统构架

系统有空海监视雷达系统、VTS雷达系统、光电系统、AIS系统、ADS-B系统、气象参数测量系统、综合处理控制系统等设备。

空海监视雷达完成中近海水面目标的视距/超视距监视,完成空中目标的监视。VTS雷达完成港口及航道船舶监控及交通设施的监视。AIS系统接收水面船舶发射的报文信息。ADS-B系统接收空中目标发送的报文信息。光电监视系统完成近海水面目标的监视。气象测量系统完成观测站点的气象参设测量。

综合处理控制系统完成岸岛观测系统的信息综合处理、显示控制,数据存储。可显示光电系统发送的实时视频信息;
各设备工作状态信息;
可根据需要完成对各观测站的设备远程操控;
形成大范围覆盖的海域及其空域的监视管控能力,并将处理分类后的信息分发给上级控制中心,进一步处理后向不同用户提供信息服务;
同时可接收上级控制中心发来的控制指令。

系统从架构上分为前端感知层、数据传输层、平台层和应用层四部分组成。

4.2系统分层设计

4.2.1前段感知层

前段感知层是集成各种目标传感器、气象信息监测和管控设备共同组成。主要包括下面一些:

1)雷达设备:用于对周边监控区域内的活动目标进行监控;
雷达设备可以在复杂环境下完成对机动目标的探测、分辨和定位,具有全天候、探测距离远、发现捕捉目标能力强等特点。

2)光电监控设备:用于对15公里内的可见光和红外目标进行监视和跟踪;
光电跟踪分系统是由集成在转塔上的变焦红外热像仪和电视摄像机组成,能够全天时搜索跟踪监视重点目标,并对海上目标粗略被动测距。通过千兆网发送探测结果和监视图像。

3)AIS监控设备:设备用于对近海海域(10海里内)的过往船舶的动态信息(位置信息、ROT、COG等)进行监控,并可获取过往船舶的相关静态信息(船名、MMSI、IMO等)及航行相关信息(人数、吃水深度等)。

4)ADS-B监控设备:该监控设备用于接收200公里内装备了ADS-B发射设备的飞机,通过数据链广播的自身的精确位置和其它数据(如速度、高度及飞机是否转弯、爬升或下降等)。

5)气象监测设备:自动地观测和存储气象观测数据,完成气象相关参数采集处理和传输的系统,主要由气象传感器、采集器、通訊接口、系统电源等组成。

4.2.2网络传输层

根据不同的使用环境可以采用下面几种方式:

1)卫星通信:卫星通信一般使用在海上和边远地区。主要的优势是大部分区域都已经覆盖。主要的劣势是带宽价格较高、数据传输时延较大,并且偶尔会出现无法传输的情况。

2)3G、4G网络:信号覆盖的区域可以使用3G或4G进行数据传输。由于3G和4G网络采用非对称的方式进行数据传输,因此上传的数据不能满足前端传感器中视频数据和电磁原始数据的传输带宽的要求。

3)有线数据传输:主要包括采用光纤和网线的方式进行数据传输,当前有线网络数据传输已经可以达到每秒100MBps的传输速度。但是有线网络存在布线困难的问题。

4)北斗短信数据传输:系统可以利用北斗短信方式进行数据传输。但由于北斗短信只能传输简单的目标信息,仅能作为传输备份链路。

5)无线数据链通信网络:主要优势是利于构建覆盖大面积的监控网络,能为设备提供数据和话音通信,传输速率80kbps的传输带宽,端机重量小于20kg。主要缺点是无法实现超视距的数据传输,每个网状网节点之间的距离不超过40公里。

对于传输链路的选择可以根据不同的使用环境进行考虑:岸岛观测系统设备架设在陆上,可借助公网或铺设专用光纤传输线完成数据传输;
无线数据传输网可作为备用数据传输方式。

4.2.3服务平台层

(1)信息处理平台

信息处理平台是整个平台层的核心部分,它一方面汇聚前端感知层采集的各类数据,进行集中的管理、存储、分析、挖掘;
另一方面它与应用层接口,向应用层提供各类信息数据服务。信息处理平台所提供服务主要包括:数据接入及转发、数据存储、通信服务、目标数据融合处理、气象信息统计等。

1)数据存储:系统提供数据库、文件系统两种方式进行数据的存储管理,并建立了完善的备份与容灾策略,从而实现对各类信息数据统一、安全、高效的存取。

2)通信服务:系统为应用层提供各级监控站和控制中心之间的通信服务能力,包括发送文字或语音的消息等。

3)数据接入及分发:将传感器传输过来的信息根据不同格式进行统一转换,根据应用层不同系统要求进行数据定向分发等。

数据融合处理服务:

a)向前端监控设备下发各类控制指令,实现对特定目标的追踪观测;

b)实现目标观测数据(含近场雷达数据、视频数据、AIS目标数据、ADS-B目标数据)的管理、分析、关联、识别能力。

气象数据统计:通过对监管区域的气象水文数据采集、处理、分析,形成区域气象数据库。

(2)数据交换平台

数据交换平台是整个平台层进行数据接入、交换的中心。它主要包括连接接入控制、传输协议转换、外部数据接口。

1)连接接入控制:连接接入控制主要实现各级监控站、二级控制中心接入核心控制中心的接入鉴权、连接建立、数据传输等操作控制。

2)传输协议转换:数据交换平台从各级监控站、二级控制中心接收各监测设备上报的各类信息数据,并对这些数据进行协议解析,并转换成系统后台处理所需协议格式。

3)外部数据接口:数据交换平台提供外部数据接口功能,实现与上级数据中心或其他外部信息系统互连,从而实现数据间的共享。

(3)系统维护平台

系统维护平台是为系统管理人员提供系统日常管理维护的操作接口。它主要由网络节点管理、系统运行监控、系统运行维护组成。

1)网络节点管理:网络节点管理实现系统各网络节点(二级控制中心、固定监控站)的添加、删除、修改、查询、启用、禁用等功能。

2)系统运行监控:实现对各级控制中心、固定监控站运行状况进行实时监控,监控对象包括前端的各种监测设备、传输设备、后台服务器,当设备出现故障或异常时,监控界面进行警示,提醒管理人员进行相关的维护管理工作。

3)系统运行维护:系统维护平台通过远程下发设置控制命令实现对前端监测设备的参数设置及维护工作(如开关机、自检等);
同时可以通过远程方式实现对二级控制中心服务器的维护管理。

4.2.4应用服务

应用服务是以雷达视频、电子海图、光电实时视频等为主要展现手段,为用户提供应用服务。应用层提供的服务主要包括:目标跟踪、态势显示、视频监控等。

1)目标跟踪:系统可以通过雷达持续跟踪、视频设备持续监控等方式对目标进行跟踪,通过在电子海图上绘制目标运动轨迹及实时视频显示等方式呈现给用户。

2)态势显示:系统实时获取区域内目标信号分布信息,并根据多系统综合给出目标的合法性,形成监管区域内的目标态势,为监管部门的行动决策提供数据支撑。

3)视频监控:系统可以实时显示各监控站上传的多路视频监控数据,便于及时、有效、准确的掌握监管区域的安全态势。

5 总结

海岸防御对于国家安全十分重要,本文通过空海监视雷达、VTS雷达、光电、AIS系统、ADS-B系统、气象仪等多种监控设备实现近海海域和远海岛礁的信息采集和集成,在海域态势感知、海洋环境观测信息服务等方面做出积极探索。

参考文献

[1]周凯.我国渤海综合管理的监控能力建设研究[D].山东:中国海洋大学,2009.

(作者简介:王梦璇,硕士研究生,工程师;
工作单位:中国电子科技集团公司第二十研究所)

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