深空探測智能遙感技術(shù)展望

焦建超 蘇云 陳曉麗

（北京空間機(jī)電研究所，北京 100076）

1 引言

深空探測是當(dāng)今世界上極具挑戰(zhàn)性、創(chuàng)新性與帶動性的航天活動之一，對于激發(fā)科學(xué)探索精神、推動人類科技進(jìn)步與社會可持續(xù)發(fā)展，具有重大而深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義。進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著航天遙感能力的大幅提升，我國逐步開展了深空探索活動，探月工程所取得的重要進(jìn)展，標(biāo)志著我國已具備了開展深空探測的能力。但是采用傳統(tǒng)遙感方法進(jìn)行深空探測面臨著諸多問題，如有效數(shù)據(jù)獲取能力低，深空通信延遲大，以及深空探測任務(wù)復(fù)雜度高等。為滿足深空探測任務(wù)需求，提升深空探測有效數(shù)據(jù)獲取能力，遙感器需具備以下兩個(gè)特點(diǎn)：

1）自動化。根據(jù)具體用戶需求，能夠進(jìn)行目標(biāo)自動搜索、特征識別和變化檢測等活動；同時(shí)，自動實(shí)現(xiàn)在軌實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理，自動提取用戶所需信息，并自動執(zhí)行數(shù)傳。

2）智能化。使遙感器成為一個(gè)智能的專家系統(tǒng)，具有自我判斷、自我更新和自我學(xué)習(xí)的能力，能夠?qū)崿F(xiàn)在軌自主決策。根據(jù)用戶發(fā)出的請求，自主制定相應(yīng)的探測計(jì)劃與計(jì)劃安排，并指揮自動化系統(tǒng)實(shí)施這一計(jì)劃。根據(jù)計(jì)劃實(shí)施結(jié)果可判斷計(jì)劃實(shí)施情況，并進(jìn)行下一步工作的規(guī)劃，同時(shí)更新自身數(shù)據(jù)庫。這一過程的實(shí)現(xiàn)具有完全的自主性。

本文依據(jù)深空探測任務(wù)的特殊性，分析了對智能遙感器的功能需求以及智能遙感器所涉及的關(guān)鍵技術(shù)，并對我國深空探測智能遙感技術(shù)提出發(fā)展建議。

2 智能遙感的發(fā)展現(xiàn)狀

智能遙感是遙感技術(shù)與智能科學(xué)的交叉學(xué)科。遙感器的智能化主要體現(xiàn)在遙感器具有自我判斷、自我學(xué)習(xí)和自我更新的能力，本身就是一個(gè)智能的專家系統(tǒng)，可在軌根據(jù)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果進(jìn)行探測模式切換、遙感器參數(shù)切換以及遙感數(shù)據(jù)智能處理、傳輸，以實(shí)現(xiàn)對未知目標(biāo)的自主探測。在復(fù)雜多變的空間環(huán)境條件下，自主優(yōu)化各系統(tǒng)的資源配比，提升遙感數(shù)據(jù)的有用性和高效性。

目前，國外已開展智能遙感技術(shù)研究，并進(jìn)行了一系列的在軌驗(yàn)證工作，某些載荷已實(shí)現(xiàn)了部分智能。國內(nèi)只在對地觀測領(lǐng)域開展了概念研究。

（1）未來智能對地觀測衛(wèi)星系統(tǒng)(FIEOS)

隨著遙感技術(shù)與信息技術(shù)的發(fā)展，用戶對于遙感數(shù)據(jù)的需求也從基于影像的數(shù)據(jù)發(fā)展到了基于影像的信息和知識產(chǎn)品。而傳統(tǒng)的對地觀測系統(tǒng)，無法滿足當(dāng)前這種以用戶需求為導(dǎo)向的現(xiàn)狀。周國清教授在2003年前后發(fā)表文章闡述了未來智能對地觀測衛(wèi)星系統(tǒng)的概念[1]。

FIEOS是基于空間的架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)遙感器、數(shù)據(jù)處理器和通訊系統(tǒng)動態(tài)在軌集成，為全球各類用戶提供實(shí)時(shí)有效對地觀測數(shù)據(jù)和滿足各領(lǐng)域應(yīng)用需求的智能對地觀測系統(tǒng)，體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 FIEOS體系結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of FIEOS

FIEOS是一個(gè)事件驅(qū)動對地觀測系統(tǒng)，如圖2所示。當(dāng)某顆子衛(wèi)星探測到某一事件（例如森林大火），此衛(wèi)星會自動調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)、姿態(tài)，以獲取該事件當(dāng)時(shí)的詳細(xì)情況。同時(shí)，通知同組其它衛(wèi)星對該事件進(jìn)行觀測，由于每顆衛(wèi)星攜帶不同類型遙感器，因此可以獲取該事件的多角度、多分辨率和多光譜數(shù)據(jù)[2]。

圖2 事件驅(qū)動對地觀測Fig.2 Event-driven earth observation

FIEOS系統(tǒng)主要特點(diǎn)：智能化在軌數(shù)據(jù)處理；實(shí)時(shí)發(fā)送用戶所需信息而不是原始數(shù)據(jù)；事件驅(qū)動機(jī)制滿足用戶對某些區(qū)域進(jìn)行多角度、多傳感器、多分辨率與多譜段觀測和分析的需求；系統(tǒng)擴(kuò)展性強(qiáng)，新型傳感器、數(shù)據(jù)處理設(shè)備能夠即插即用；此外系統(tǒng)采用小衛(wèi)星，可靠性高、成本低[3]。

（2）美國智能對地觀測衛(wèi)星

2000年，作為NASA新千年地球觀測計(jì)劃的第一顆科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“地球觀測一號”(EO-1)發(fā)射升空，其展示了21世紀(jì)地球觀測衛(wèi)星的新概念和新技術(shù)[4]。

EO-1搭載了一套重要的軟件系統(tǒng)——自主科學(xué)飛船試驗(yàn)系統(tǒng)(ASE)，ASE軟件系統(tǒng)可使航天器能夠自主地進(jìn)行科學(xué)探測并對地球上發(fā)生的科學(xué)事件自主響應(yīng)[5]。

ASE系統(tǒng)包含3個(gè)自主模塊[6]：

1）星上科學(xué)算法模塊。主要功能是進(jìn)行對地觀測和在軌的數(shù)據(jù)分析，包括在軌事件偵查、特征識別和變化檢測等。

2）連續(xù)活動計(jì)劃執(zhí)行與再計(jì)劃模塊(CASPER)。CASPER模塊根據(jù)星上科學(xué)算法模塊的結(jié)果制定或調(diào)整任務(wù)操作計(jì)劃，以科學(xué)和工程目標(biāo)作為輸入，確保高水準(zhǔn)的目標(biāo)導(dǎo)向行為。

3）執(zhí)行管理模塊(SCL)。SCL模塊執(zhí)行并監(jiān)視CASPER產(chǎn)生的計(jì)劃，且具有一定的靈活性和理解能力，能夠?qū)κ录?qū)動指令做出一定的調(diào)整以改善計(jì)劃的執(zhí)行和對異常事件的局部響應(yīng)。

上述功能都是在軌自動實(shí)現(xiàn)，工作流程如圖3所示，充分驗(yàn)證了智能遙感器的基本功能。

圖3 自主科學(xué)觀測過程Fig.3 Process of autonomous science observation

NASA進(jìn)行ASE在軌驗(yàn)證的目的是為了將其應(yīng)用到深空探測任務(wù)中[7]。在深空探測任務(wù)中應(yīng)用ASE系統(tǒng)進(jìn)行星上科學(xué)分析，能夠捕捉到更短暫的科學(xué)現(xiàn)象。目前，ASE軟件系統(tǒng)已應(yīng)用到火星“奧德賽”任務(wù)和“機(jī)遇號”、“勇氣號”火星車上，用來幫助研究火星上的CO2冰帽、塵暴和熱異常。

（3）緊湊型高分辨率成像光譜儀（CHRIS）

歐空局（ESA）于2001年10月22日發(fā)射了PROBA-1（Project for on Board Autonomy 1）小衛(wèi)星，其上搭載了緊湊型高分辨率成像光譜儀CHRIS，該光譜儀可在2.5 min之內(nèi)獲取5個(gè)角度的高光譜圖像（-55°，-36°，0°，36°，55°），并能夠根據(jù)陸地、植被和水體等不同觀測目標(biāo)和應(yīng)用需求，實(shí)現(xiàn) 5種不同空間和光譜分辨率成像模式的轉(zhuǎn)換[8]。模式3、4、5為陸地成像，模式2為水成像，模式1則包括陸地與水成像，具體分類如下[9]：

MODE 1：全部列寬度，62個(gè)譜段，光譜范圍為773～1 036nm，天底點(diǎn)地面分辨率34m；

MODE 2：水波段，全部列寬度，18個(gè)譜段，天底點(diǎn)地面分辨率17m；

MODE 3：陸地波段，全部列寬度，18個(gè)譜段，天底點(diǎn)地面分辨率17m；

MODE 4：葉綠素波段，全部列寬度，18個(gè)譜段，天底點(diǎn)地面分辨率17m；

MODE 5：陸地波段，半列寬度，37個(gè)譜段，天底點(diǎn)地面分辨率17m。

（4）光學(xué)實(shí)時(shí)自適應(yīng)光譜識別系統(tǒng)(ORASIS)

星上數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理是智能遙感必備功能之一，處理后的信息產(chǎn)品數(shù)據(jù)量大大減少，在減小數(shù)傳壓力的同時(shí)也使得遙感信息能夠直接被終端用戶接收。美國NEMO衛(wèi)星的高光譜數(shù)據(jù)處理采用光學(xué)實(shí)時(shí)自適應(yīng)光譜識別系統(tǒng)ORASIS，是一個(gè)智能化的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，能夠進(jìn)行自動數(shù)據(jù)分析、特征提取和數(shù)據(jù)壓縮。ORASIS是一個(gè)從實(shí)際物體圖像中識別光譜響應(yīng)而不需要指導(dǎo)或事前了解的高速處理系統(tǒng)。其數(shù)據(jù)處理采用凸面集分析和正交投影變換技術(shù)，對特定場景分解生成10～20個(gè)端元，實(shí)現(xiàn)自動數(shù)據(jù)分析、特征提取和數(shù)據(jù)壓縮。ORASIS在NEMO上的處理減少了接下來的地面數(shù)據(jù)開發(fā)和圖像特征識別處理，并且能夠在星上自動形成數(shù)據(jù)產(chǎn)品。同時(shí)，ORASIS自動處理使數(shù)據(jù)壓縮量大于10∶1，能夠在很大程度上緩解超光譜數(shù)據(jù)星上存儲和對地傳送的壓力。

目前國內(nèi)主要針對對地遙感提出智能化的概念，包括基于用戶需求的智能對地觀測系統(tǒng)[3]和智能高光譜遙感衛(wèi)星系統(tǒng)[10]，還沒有在深空探測領(lǐng)域開展智能化遙感器的研究工作。

綜上所述，國外已在深空探測領(lǐng)域開展了智能遙感器的研究，并應(yīng)用到了火星、木星等深空探測任務(wù)中，大大提高了深空探索的能力。根據(jù)目前我國深空探測的形勢，應(yīng)對深空探測智能遙感技術(shù)開展研究。

3 智能遙感在深空探測中的需求

深空探測是指對太陽系內(nèi)除地球之外的行星及其衛(wèi)星、小行星、彗星以及太陽系外的星球進(jìn)行探測的航天活動。自2003年以來，世界各航天國家紛紛推出新的深空探測發(fā)展戰(zhàn)略和規(guī)劃，并力求建立全球空間探測戰(zhàn)略與結(jié)構(gòu)體系[11]。

根據(jù)對國外深空探測發(fā)展的分析，深空探測主要以遙感探測方式為主，遙感圖像是獲取深空天體信息最直接、最有效和最重要的手段。由于深空環(huán)境的特殊性，對于深空探測遙感活動提出了特殊的要求，主要包括以下幾個(gè)方面：

（1）遙感探測對象特性未知，需采用適當(dāng)?shù)奶綔y模式

深空探測的目的即為探索地外天體的未知信息，因此與對地觀測不同，缺乏大量的先驗(yàn)知識，從而可能導(dǎo)致遙感探測模式低效甚至失效，需采用多種模式結(jié)合并可在軌自主切換的探測系統(tǒng)。

例如，對于某些大面積平坦區(qū)域，采用高分辨率光譜探測、高密度激光點(diǎn)陣探測的意義不大；或某些區(qū)域需進(jìn)行紅外探測，不適合用可見光探測；等等。因此需要在軌評估遙感器探測模式，適時(shí)切換，以提高探測效率。

（2）深空探測環(huán)境復(fù)雜多變，需采用合理的參數(shù)

由于深空探測器與地球距離遙遠(yuǎn)，地面高精度測控存在極大困難，因此對于探測器的軌道條件、光照環(huán)境、電磁環(huán)境等無法進(jìn)行高精度預(yù)報(bào)并采取有效人為干預(yù)措施，深空探測器需要面臨復(fù)雜多變的空間環(huán)境。此時(shí)需具備一定的可調(diào)參數(shù)與參數(shù)自動調(diào)整能力，以適應(yīng)當(dāng)時(shí)的探測需求。

例如，對于低光照條件區(qū)域，需要對可見光探測增益進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，以獲取高質(zhì)量圖像；探測重點(diǎn)區(qū)域與非重點(diǎn)區(qū)域?qū)τ谔綔y分辨率需求不同，需要遙感器具備一定的變焦能力，以適應(yīng)不同的分辨率需求。

（3）遙感平臺資源有限，需合理高效利用探測器

深空探測由于距離遙遠(yuǎn)，運(yùn)載能力有限，因此探測器平臺一般為小型平臺，無法提供大量的資源，包括質(zhì)量、尺寸及功耗等。因此深空探測智能遙感器需根據(jù)優(yōu)先級，合理分配平臺資源。

例如，對于一些主動探測載荷，如激光、微波、中子等，由于耗能較高，平臺可能無法滿足其長期運(yùn)行。因此，需要從探測需求和數(shù)據(jù)有用性的角度出發(fā)，自主評估遙感效能，合理選擇探測器及工作時(shí)間，以優(yōu)化使用平臺資源。

（4）遙感數(shù)據(jù)傳輸能力受限，需進(jìn)行在軌數(shù)據(jù)處理

為獲取更精確、更全面的目標(biāo)信息，探測器會產(chǎn)生巨大的數(shù)據(jù)量，然而數(shù)據(jù)傳輸能力有限，致使大量數(shù)據(jù)無法下傳。因此需要遙感器具備較強(qiáng)的在軌數(shù)據(jù)自動處理能力，自動篩選有用數(shù)據(jù)，降低傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量[12]。

因此，為解決深空探測遙感活動中可能遇到的多種復(fù)雜問題，提高深空遙感數(shù)據(jù)獲取能力以及遙感數(shù)據(jù)有效性，為我國未來能夠高效開展深空探測活動奠定技術(shù)基礎(chǔ)，需在深空探測信息智能化獲取模式、深空探測遙感器參數(shù)智能化調(diào)整和深空探測在軌數(shù)據(jù)智能化處理三個(gè)方面，開展深空目標(biāo)智能遙感研究。

4 深空探測智能遙感關(guān)鍵技術(shù)分析

深空智能遙感是智能遙感技術(shù)在深空探測領(lǐng)域的應(yīng)用，目前有許多關(guān)鍵技術(shù)需要解決，主要包括以下4個(gè)方面：

（1）深空目標(biāo)智能遙感器總體框架研究

智能遙感器需要在軌自動實(shí)現(xiàn)三大功能：1)目標(biāo)探測和數(shù)據(jù)獲?。?)智能數(shù)據(jù)處理，包括圖像的校正、篩選、以及感興趣目標(biāo)的特征提取和分析；3)根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，快速做出響應(yīng)。

智能遙感器的工作流程和工作模式與傳統(tǒng)的遙感器有很大差別，并且是一個(gè)復(fù)雜的大系統(tǒng)，除了傳統(tǒng)的光、機(jī)、電、熱分系統(tǒng)外，還包括數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、識別系統(tǒng)和專家系統(tǒng)等。這些系統(tǒng)不是簡單地由幾個(gè)獨(dú)立模塊組成，中間還存在著相互交叉的輸入輸出網(wǎng)絡(luò)關(guān)系，并且需要實(shí)時(shí)獲取衛(wèi)星的參數(shù)信息，這些都將是面臨的挑戰(zhàn)。

（2）在軌智能數(shù)據(jù)處理技術(shù)

遙感器產(chǎn)生的原始數(shù)據(jù)量十分龐大，且所包含的有效信息只占很少部分，需在星上對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的處理，提取出有效的數(shù)據(jù)、信息，以減小數(shù)據(jù)下傳壓力，節(jié)省星上資源。由于深空探測遙感影像中目標(biāo)、特征及背景的多樣性和復(fù)雜性，以及地面人員不可能對在軌數(shù)據(jù)處理過程進(jìn)行復(fù)雜的參數(shù)設(shè)置、輔助處理及大量嘗試，所以，需要研究新的數(shù)據(jù)處理技術(shù)以適應(yīng)深空探測需求。

在軌智能數(shù)據(jù)處理必須具備靈活性、可配置性、自適應(yīng)性和自主學(xué)習(xí)等性能，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在軌自動處理。對數(shù)據(jù)分析算法（包括特殊事件偵查、特征檢測、變化檢測和異常檢測等算法）進(jìn)行深入研究，提高智能數(shù)據(jù)處理能力。綜合研究現(xiàn)有衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理步驟，將這些需要人機(jī)交互操作的處理步驟標(biāo)準(zhǔn)化、流程化，研究通過自動匹配、自動參數(shù)選擇等技術(shù)實(shí)現(xiàn)影像的在軌自動化處理流程。

（3） 專家系統(tǒng)

智能遙感器的所有功能必須在軌自動完成，這就需要專家系統(tǒng)。此系統(tǒng)相當(dāng)于人的大腦，具備分析、判斷和自主學(xué)習(xí)的能力，能夠根據(jù)獲取的數(shù)據(jù)，對下一步的工作任務(wù)進(jìn)行規(guī)劃，是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。專家系統(tǒng)中涉及到復(fù)雜的目標(biāo)特性庫的建立、判斷標(biāo)準(zhǔn)的建立，目標(biāo)特性的提取，模式的識別，以及和衛(wèi)星的交互等，這都是即將面臨的嶄新問題。

（4）星上自主管理系統(tǒng)

構(gòu)建一個(gè)高效的智能遙感系統(tǒng)，需對星上的能源、數(shù)據(jù)和內(nèi)務(wù)等進(jìn)行有效的管理。這就需要建立一個(gè)星上自主管理系統(tǒng)，在沒有地面人員的干預(yù)下，自主計(jì)劃并實(shí)施星上能源、數(shù)據(jù)和內(nèi)務(wù)的管理工作。在遙感探測任務(wù)中，對每次活動所需的能源進(jìn)行自主管理，合理分配；自主管理在軌數(shù)據(jù)處理、存儲和下行傳輸任務(wù)；自主進(jìn)行故障檢測、故障識別與故障恢復(fù)。

5 結(jié)束語

在深空探測任務(wù)中應(yīng)用智能遙感技術(shù)，能夠有效解決深空探測所面臨的問題，大大提高深空遙感數(shù)據(jù)獲取能力及遙感數(shù)據(jù)有效性，是未來深空探測器的重要發(fā)展方向。

根據(jù)以上的分析，對我國深空探測領(lǐng)域智能遙感技術(shù)的發(fā)展建議如下：

1）由于星上資源有限，在實(shí)現(xiàn)智能遙感過程中，要充分考慮星上計(jì)算、電力等資源，在星上建立可與智能系統(tǒng)協(xié)同工作的資源管理系統(tǒng)，保證星上智能活動的有效進(jìn)行；

2）深空探測智能系統(tǒng)是一個(gè)龐大的系統(tǒng)，如何處理好各分系統(tǒng)間的關(guān)系對于整個(gè)系統(tǒng)具有重要意義。因此，需在星上建立一個(gè)智能的指揮系統(tǒng)，可以根據(jù)分系統(tǒng)的信息反饋協(xié)調(diào)各分系統(tǒng)的工作，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)性能的優(yōu)化，以利用較少資源就能確保計(jì)劃順利完成；

3）根據(jù)我國目前深空探測的形勢，急需開展智能遙感技術(shù)基礎(chǔ)問題研究，建立深空智能遙感探測的理論基礎(chǔ)，以盡早將智能遙感技術(shù)應(yīng)用到我國深空探測活動中，提高我國深空探測能力。

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