面向突發(fā)事件的遙感衛(wèi)星動(dòng)態(tài)管控模式

王鵬，劉曉東，郭建恩，何川東，趙玉春，周述雄

（北京市遙感信息研究所，北京 100192）

面向突發(fā)事件的遙感衛(wèi)星動(dòng)態(tài)管控模式

王鵬，劉曉東，郭建恩，何川東，趙玉春，周述雄

（北京市遙感信息研究所，北京 100192）

遙感衛(wèi)星具有覆蓋范圍廣、成像速度快、不受國土、領(lǐng)海和領(lǐng)空限制等獨(dú)特優(yōu)勢，在國防和經(jīng)濟(jì)建設(shè)領(lǐng)域中發(fā)揮了重要作用，然而，現(xiàn)有的遙感衛(wèi)星系統(tǒng)運(yùn)控環(huán)節(jié)多、重訪周期長，很難把空間觀測信息直接送達(dá)用戶，不能滿足突發(fā)事件中應(yīng)急保障的需要，有必要設(shè)計(jì)更為靈活的管控模式以提高整個(gè)衛(wèi)星系統(tǒng)的響應(yīng)能力。通過對遙感衛(wèi)星現(xiàn)有管控模式進(jìn)行分析，提出了基于快速滿足用戶需求的敏捷管控模式，可以將衛(wèi)星系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間大大縮短，基本達(dá)到支持突發(fā)事件應(yīng)急觀測的實(shí)時(shí)和近實(shí)時(shí)要求。

突發(fā)事件；動(dòng)態(tài)環(huán)境；遙感衛(wèi)星；管理控制；在線調(diào)度

0 引言

遙感衛(wèi)星具有覆蓋范圍廣、運(yùn)行時(shí)間長、不受國界和空域限制等獨(dú)特優(yōu)勢，為對地觀測開辟了新領(lǐng)域，一直為各國政府所重視。隨著全球氣候變暖，各種極端自然災(zāi)害日益頻發(fā)，局部和地區(qū)性恐怖主義的威脅不斷涌現(xiàn)，應(yīng)急觀測需求日益增多，用戶對觀測時(shí)效性提出了更高的要求，這給遙感衛(wèi)星的管理控制帶來了極大挑戰(zhàn)。

經(jīng)歷抗震救災(zāi)、反恐維穩(wěn)和保交護(hù)航等非戰(zhàn)爭軍事行動(dòng)的實(shí)際應(yīng)用，遙感衛(wèi)星暴露出了許多不足或與突發(fā)事件應(yīng)急保障不相適應(yīng)之處，現(xiàn)有的衛(wèi)星存在不能及時(shí)響應(yīng)現(xiàn)場變化［1］、不能由現(xiàn)場決策人員控制，以及不能滿足時(shí)效性要求等問題，而且現(xiàn)有的太空能力不能有效地提供信息，特別是很難把現(xiàn)場空間感知信息直接送達(dá)救援隊(duì)伍，因此需要研制相應(yīng)功能的衛(wèi)星，開發(fā)更加靈活的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提供更快速響應(yīng)的能力［2］。

遙感衛(wèi)星的響應(yīng)能力取決于衛(wèi)星數(shù)量、遙感器性能、軌道選擇、地面系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及管控模式等因素，前幾個(gè)屬于硬的因素，而管控模式屬于軟的因素，在硬件條件一定的情況下，采用更為合理的管控模式能夠極大提高整個(gè)衛(wèi)星系統(tǒng)的響應(yīng)能力。因此，研究動(dòng)態(tài)環(huán)境下特別是面向突發(fā)事件的遙感衛(wèi)星管控模式具有重要的社會和經(jīng)濟(jì)意義。

1 動(dòng)態(tài)環(huán)境的描述

空間分辨率是指在像元的可分辨極限條件下，像元所對應(yīng)的地面空間尺度通常稱之為地面分辨率。空間分辨率是評價(jià)遙感器性能和遙感信息的重要指標(biāo)之一，也是識別地物形狀大小的重要依據(jù)。

時(shí)間分辨率是指遙感衛(wèi)星對同一地面目標(biāo)相鄰2次觀測的最小時(shí)間間隔，通常稱之為重訪周期。時(shí)間間隔大，則時(shí)間分辨率低，反之則時(shí)間分辨率高。時(shí)間分辨率是評價(jià)對地觀測系統(tǒng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測能力的重要指標(biāo)。多星組網(wǎng)能夠提高時(shí)間分辨率，對面向突發(fā)事件的應(yīng)急觀測具有非常主要的作用。

時(shí)效性是指觀測需求或任務(wù)從提出到完成所允許的最大時(shí)間間隔。時(shí)間間隔大，則時(shí)效性低，反之則時(shí)效性高。時(shí)效性是觀察需求或任務(wù)的固有屬性，反映了該需求或任務(wù)的緊迫程度。

響應(yīng)時(shí)間是指對地觀測系統(tǒng)從獲取用戶需求到將圖像產(chǎn)品交付給用戶之間的時(shí)間間隔。響應(yīng)時(shí)間是衡量對地觀測系統(tǒng)響應(yīng)能力的關(guān)鍵參數(shù)。

動(dòng)態(tài)環(huán)境是指對地觀測系統(tǒng)所處環(huán)境在一定時(shí)間內(nèi)發(fā)生急劇變化，造成用戶需求在提交時(shí)間和數(shù)量上具有極大的不確定性，用戶對觀測需求的時(shí)間分辨率和時(shí)效性往往提出非常嚴(yán)格的要求，另外，環(huán)境變化也可能導(dǎo)致衛(wèi)星數(shù)量和軌道特征動(dòng)態(tài)變化。突發(fā)事件所處地點(diǎn)就是一個(gè)典型的動(dòng)態(tài)環(huán)境，周圍環(huán)境瞬息萬變，不確定因素眾多，決策人員要求能夠?qū)崟r(shí)或近實(shí)時(shí)獲取目標(biāo)位置、損毀效果評估等信息，衛(wèi)星為了躲避反衛(wèi)星武器的攻擊或者阻止敵方預(yù)測過頂時(shí)間，需要進(jìn)行機(jī)動(dòng)變軌，在衛(wèi)星出現(xiàn)故障或被擊毀的情況下，為了提高整個(gè)衛(wèi)星系統(tǒng)的響應(yīng)能力，需要快速增補(bǔ)衛(wèi)星［3］。

相對于動(dòng)態(tài)環(huán)境，地觀測系統(tǒng)所處的日常工作環(huán)境即為靜態(tài)環(huán)境。用戶需求在提交時(shí)間和數(shù)量上具有一定規(guī)律性，對觀測的時(shí)間分辨率和時(shí)效性并沒有嚴(yán)格要求，衛(wèi)星數(shù)量和軌道特征基本保持不變。

2 遙感衛(wèi)星日常管控模式

遙感衛(wèi)星運(yùn)行管控主要根據(jù)遙感衛(wèi)星應(yīng)用任務(wù)需求，對空間和地面資源進(jìn)行分配，對信息獲取、處理與傳輸活動(dòng)進(jìn)行調(diào)度，制定出滿足衛(wèi)星應(yīng)用任務(wù)需求的衛(wèi)星對地觀測計(jì)劃、數(shù)傳計(jì)劃、測控計(jì)劃、數(shù)據(jù)中繼計(jì)劃、地面站接收計(jì)劃和地面數(shù)據(jù)傳輸與處理計(jì)劃［4］。根據(jù)所管理衛(wèi)星的數(shù)量，遙感衛(wèi)星管控可分為各星單獨(dú)管控和多星集中管控。根據(jù)所處環(huán)境，遙感衛(wèi)星管控可分為靜態(tài)環(huán)境下遙感衛(wèi)星管控和動(dòng)態(tài)環(huán)境下遙感衛(wèi)星管控，顯然，遙感衛(wèi)星日常管控對應(yīng)靜態(tài)環(huán)境下的遙感衛(wèi)星管控。

隨著航天事業(yè)的發(fā)展，遙感衛(wèi)星的數(shù)量及種類逐步增多，成像任務(wù)的需求量也飛速增加，成像任務(wù)類型更加復(fù)雜多樣，用戶對成像任務(wù)的時(shí)效性、準(zhǔn)確性要求更加嚴(yán)格，任務(wù)管理的復(fù)雜度大大增加，原有的各星單獨(dú)管控模式已經(jīng)無法滿足實(shí)際需要，有必要采用多星集中管控模式［5－7］。多星集中管控能夠充分發(fā)揮衛(wèi)星資源的最大效益，減少地面設(shè)施重復(fù)建設(shè)，降低衛(wèi)星運(yùn)行管理成本，縮短對地觀測的重訪周期。

目前，在遙感衛(wèi)星日常管理中基本采用多星集中管控模式［8］，日常管控模式的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

①任務(wù)規(guī)劃以周期規(guī)劃為主，最大化資源的使用效益。衛(wèi)星管控部門在收到用戶提出的觀測需求后，并沒有立即進(jìn)行處理，而是等到當(dāng)前周期快結(jié)束時(shí)統(tǒng)一進(jìn)行規(guī)劃，一般采用日規(guī)劃的形式，優(yōu)化目標(biāo)為最大化多顆衛(wèi)星的總收益，雖然考慮了用戶需求的優(yōu)先級，但并沒有體現(xiàn)用戶最為關(guān)心的響應(yīng)時(shí)間。

②自動(dòng)化程度不高，人工干預(yù)較多。遙感衛(wèi)星地面系統(tǒng)在一些關(guān)鍵環(huán)節(jié)存在較多的人工干預(yù)，降低了系統(tǒng)的執(zhí)行效率，由于地面系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加上涉及利益分配，導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)分系統(tǒng)之間存在冗余設(shè)計(jì)，影響了整個(gè)衛(wèi)星系統(tǒng)的響應(yīng)能力。

③管控環(huán)節(jié)過多，需求響應(yīng)時(shí)間長。從用戶提出觀測需求，到將圖像產(chǎn)品交付給用戶，構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)，如圖1所示。其中，影響產(chǎn)品交付時(shí)間的主要環(huán)節(jié)包括任務(wù)調(diào)度、衛(wèi)星測控、數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)處理、產(chǎn)品生產(chǎn)和數(shù)據(jù)分發(fā)。

圖1 遙感衛(wèi)星業(yè)務(wù)流程

任務(wù)調(diào)度所需時(shí)間取決于采用哪種調(diào)度方式和調(diào)度算法，目前一般采用周期調(diào)度方式，如圖2所示。第i－1個(gè)決策點(diǎn)ti－1與第i個(gè)決策點(diǎn)ti之間為一個(gè)周期，當(dāng)t＝ti－1時(shí)，需要對任務(wù)集Ni－1進(jìn)行調(diào)度，由于要考慮決策時(shí)間，因此，實(shí)際的規(guī)劃周期為［ti－1＋τi－1，ti＋τi］，在下一個(gè)決策點(diǎn)ti，需要調(diào)度的任務(wù)集Ni由前一階段未完成的任務(wù)集和新到達(dá)任務(wù)集構(gòu)成，如果某個(gè)新任務(wù)剛好在決策點(diǎn)ti－1之后提出，則該任務(wù)必須等到至少ti時(shí)才能被安排，而其觀測時(shí)間在ti＋τi之后，因此，對于該任務(wù)來說，任務(wù)調(diào)度環(huán)節(jié)所需時(shí)間至少為ti＋τi－ti－1，大于一個(gè)周期。決策時(shí)間τi與調(diào)度算法有關(guān)［9］，然而，求解質(zhì)量與求解時(shí)間是一對矛盾，選擇哪種調(diào)度算法需要權(quán)衡考慮。由于衛(wèi)星管控部門較為關(guān)心資源的使用效益，因此，一般選擇求解質(zhì)量較好的智能優(yōu)化算法。

圖2 周期調(diào)度示意

衛(wèi)星測控所需時(shí)間與測控手段有關(guān)，對于由若干個(gè)測控站構(gòu)成的地基測控網(wǎng)，測控時(shí)間取決于衛(wèi)星與地面測控站的可見時(shí)間窗口，對于由中繼衛(wèi)星和導(dǎo)航衛(wèi)星構(gòu)成的天基測控網(wǎng)，基本上可以做到實(shí)時(shí)測控［10］。

數(shù)據(jù)獲取所需時(shí)間取決于衛(wèi)星與目標(biāo)的可見時(shí)間窗口，如果多星對該目標(biāo)的時(shí)間分辨率高，則所需時(shí)間較短，反之，則所需時(shí)間較長。

數(shù)據(jù)接收所需時(shí)間與數(shù)傳方式有關(guān)［11］，如果衛(wèi)星觀測目標(biāo)時(shí)剛好在地面接收站可見范圍內(nèi)或中繼衛(wèi)星系統(tǒng)可用，則可以采取實(shí)時(shí)數(shù)傳方式，否則，所需時(shí)間取決于衛(wèi)星與地面接收站的可見時(shí)間窗口。

數(shù)據(jù)處理所需時(shí)間取決于處理能力，如果衛(wèi)星具有星上自主處理能力，則可以將數(shù)據(jù)處理活動(dòng)安排在數(shù)據(jù)下傳之前的空閑時(shí)間進(jìn)行，因而所需時(shí)間不會影響產(chǎn)品交付時(shí)間；如果將遙感數(shù)據(jù)安排在地面接收站進(jìn)行處理，則所需時(shí)間不能忽略。

產(chǎn)品生產(chǎn)所需時(shí)間與用戶對產(chǎn)品的加工要求有關(guān)，對于粗加工產(chǎn)品，所需時(shí)間較短，而對于精加工產(chǎn)品，所需時(shí)間較長，此外，如果加工設(shè)備能力允許的話，可以采取并行加工方式，以縮短所需時(shí)間。

數(shù)據(jù)分發(fā)所需時(shí)間取決于通信網(wǎng)絡(luò)容量和數(shù)據(jù)傳輸速率，由于衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量一般較大，特別是對于高分辨率遙感數(shù)據(jù)，需要大容量的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，如果數(shù)據(jù)傳輸速率較高，則所需時(shí)間較短，反之，所需時(shí)間較長。

從上述分析可以看出，衛(wèi)星系統(tǒng)對用戶需求的響應(yīng)時(shí)間較長，一般需要數(shù)天，甚至長達(dá)半個(gè)月，顯然，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足突發(fā)事件中應(yīng)急觀測對實(shí)時(shí)性的要求。

3 遙感衛(wèi)星動(dòng)態(tài)管控模式

由于動(dòng)態(tài)環(huán)境下用戶需求的提出具有很大的不確定性，并且用戶對觀測需求的時(shí)效性作了嚴(yán)格限制，特別是對于突發(fā)事件，用戶往往要求衛(wèi)星能夠?qū)崟r(shí)提供所需觀測信息，因此，動(dòng)態(tài)環(huán)境下遙感衛(wèi)星運(yùn)行管控不能采用日常管控模式，必須以用戶為中心，立足于快速滿足用戶需求，為決策人員提供持久的環(huán)境態(tài)勢感知能力［12］。

由于動(dòng)態(tài)環(huán)境下用戶需求的緊迫程度高，用戶非常關(guān)注需求的執(zhí)行狀態(tài)，因此，要改革原有的業(yè)務(wù)流程，建立以用戶為中心的遙感衛(wèi)星業(yè)務(wù)流程，如圖3所示，考慮到用戶和地面系統(tǒng)分布在不同的地理位置，采用網(wǎng)絡(luò)化能夠?qū)⒏鱾€(gè)部分有機(jī)地聯(lián)系起來［13］，用戶通過衛(wèi)星綜合信息網(wǎng)可以隨時(shí)提出需求和查看已有需求的完成情況，有利于及時(shí)進(jìn)行下一步?jīng)Q策?；诰W(wǎng)絡(luò)的虛擬任務(wù)操作中心（Virtual Mission Operations Center，VMOC）執(zhí)行任務(wù)分配、數(shù)據(jù)分發(fā)以及相互協(xié)作［3］。

圖3 以用戶為中心的業(yè)務(wù)流程

任務(wù)規(guī)劃與調(diào)度是遙感衛(wèi)星管控中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，以周期為特征的調(diào)度方式本質(zhì)上是一種離線調(diào)度，為了快速響應(yīng)用戶需求，必須采用在線調(diào)度方式，實(shí)現(xiàn)從基于時(shí)間驅(qū)動(dòng)的任務(wù)規(guī)劃向基于事件驅(qū)動(dòng)的任務(wù)規(guī)劃轉(zhuǎn)變，從而更好地滿足用戶需求。

充分利用中繼衛(wèi)星系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測控和數(shù)傳。要求衛(wèi)星具有星上處理能力。地面數(shù)據(jù)處理中心采取并行處理技術(shù)，提高數(shù)據(jù)產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。

臨時(shí)指揮所通過通用數(shù)據(jù)鏈／多頻帶集成衛(wèi)星終端（CDL／MIST）直接控制衛(wèi)星［14］，采用虛擬任務(wù)操作中心上注指令給衛(wèi)星，并通過CDL／MIST下傳數(shù)據(jù)或通過中繼衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)。

周期調(diào)度關(guān)注的是時(shí)間，即如何使一個(gè)周期內(nèi)安排的任務(wù)最多，從而使收益最大，而在線調(diào)度關(guān)注的任務(wù)本身，即如何確定任務(wù)的觀測開始時(shí)間，從而使該任務(wù)盡可能早完成。周期調(diào)度人為地將時(shí)間軸劃分為若干個(gè)周期，而在線調(diào)度依據(jù)事件（新任務(wù)到達(dá)、衛(wèi)星故障、衛(wèi)星變軌和增補(bǔ)衛(wèi)星）發(fā)生時(shí)刻進(jìn)行及時(shí)處理。

圖4 在線調(diào)度示意

由于衛(wèi)星系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間與時(shí)間分辨率有關(guān)，為了提高快速響應(yīng)能力，要求時(shí)間分辨率盡可能高，這就要求在軌衛(wèi)星盡可能多，而經(jīng)費(fèi)預(yù)算有限的情況下，只能通過降低單顆衛(wèi)星的成本來實(shí)現(xiàn)，采用小衛(wèi)星技術(shù)可以縮短衛(wèi)星的研制周期，降低衛(wèi)星的制造成本，采用快速發(fā)射技術(shù)可以迅速補(bǔ)充在軌衛(wèi)星數(shù)量。如果在軌衛(wèi)星的數(shù)量足夠多，整個(gè)衛(wèi)星系統(tǒng)對任意目標(biāo)的重訪周期能夠小于10 min。例如美國曾經(jīng)構(gòu)想的Starlite計(jì)劃采用48顆衛(wèi)星可將反應(yīng)時(shí)間進(jìn)一步縮短為5 min。

衛(wèi)星測控和數(shù)據(jù)接收通過中繼衛(wèi)星系統(tǒng)基本可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)操作，采用星上處理技術(shù)可以縮短地面系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理時(shí)間。

通過以上幾個(gè)方面的改進(jìn)，可以將衛(wèi)星系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間縮短至10 min以內(nèi)［15］，基本達(dá)到支持突發(fā)事件應(yīng)急觀測的實(shí)時(shí)和近實(shí)時(shí)要求。

4 結(jié)束語

基于快速滿足用戶需求的敏捷管控模式體現(xiàn)了以用戶為中心的管控思想，通過針對核心管控環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化，能夠大大縮短遙感衛(wèi)星系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，滿足突發(fā)事件對時(shí)效性的要求。然而，本文只是提出了增強(qiáng)遙感衛(wèi)星系統(tǒng)快速響應(yīng)能力的基本思路，未來將針對其中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。

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Dynamic Control Mode of Remote Sensing Satellites for Emergencies

WANG Peng，LIU Xiao-dong，GUO Jian-en，HE Chuan-dong，ZHAO Yu-chun，ZHOU Shu-xiong
（Beijing Remote Sensing Information Institute，Beijing 100192，China）

Remote sensing satellites have unique advantages of wide-range coverage，fast imaging，and less restriction of land，territorial waters and airspace，and play an important role in national defense and economic development.However，the existing remote sensing satellite system has a lot of operation phases and a long revisited period.It is difficult to send space observation information directly to user，which can’t meet the needs of emergency support.It is necessary to design more flexible control modes to improve the response capacity of the entire satellite system.Through analyzing the existing management and control mode of remote sensing satellites，an agile management and control mode is proposed based on meeting the needs of user quickly.This mode can shorten the response time of the satellite system to less than 10 minutes，and support real-time and near real-time observation requirements in emer-gencies

emergencies；dynamic environment；remote sensing satellites；management control；online scheduling

TP751

A

1003－3106（2015）11－0060－04

10.3969／j.issn.1003－3106.2015.11.16

王 鵬，劉曉東，郭建恩，等.面向突發(fā)事件的遙感衛(wèi)星動(dòng)態(tài)管控模式［J］.無線電工程，2015，45（11）：60－63.

王 鵬男，（1977—），碩士，高級工程師。主要研究方向：遙感衛(wèi)星地面系統(tǒng)建設(shè)。

2015-07-08

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（“863”計(jì)劃）資助項(xiàng)目（2013AA7013035）；裝備技術(shù)基礎(chǔ)資助課題（12EB018）。

郭建恩男，（1958—），博士，研究員。主要研究方向：遙感衛(wèi)星地面系統(tǒng)發(fā)展規(guī)劃與總體論證。