用于礦產(chǎn)監(jiān)測的遙感衛(wèi)星應(yīng)用體系效能仿真方法

殷建豐 張玥 黃麗霞 高陽特

(北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094)

用于礦產(chǎn)監(jiān)測的遙感衛(wèi)星應(yīng)用體系效能仿真方法

殷建豐 張玥 黃麗霞 高陽特

(北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094)

衛(wèi)星遙感應(yīng)用技術(shù)在礦產(chǎn)資源勘探與監(jiān)測任務(wù)中發(fā)揮的作用日益加深，為分析衛(wèi)星系統(tǒng)執(zhí)行礦產(chǎn)勘探與監(jiān)測任務(wù)的現(xiàn)有能力與不足，需要對衛(wèi)星系統(tǒng)效能進行量化與對比分析。文章建立了一套從需求分析到需求滿足度評估的全流程一體化體系效能仿真方法，通過對綜合效能指標(biāo)計算模型、綜合需求滿足度評估計算模型的數(shù)學(xué)建模，實現(xiàn)了對衛(wèi)星效能的量化分析。此方法的有效性通過STK手段進行了驗證。

典型應(yīng)用；遙感載荷；任務(wù)規(guī)劃與調(diào)度；效能仿真

1 引 言

隨著民用衛(wèi)星遙感技術(shù)的快速發(fā)展，衛(wèi)星遙感應(yīng)用范圍越來越廣泛。礦產(chǎn)資源勘探與監(jiān)測就是衛(wèi)星遙感應(yīng)用的一個重要方面。我國礦山分布區(qū)域大、類型多、地形復(fù)雜，目前對礦產(chǎn)開發(fā)利用與管理缺乏實時監(jiān)控，在造成資源嚴(yán)重浪費的同時還引發(fā)了一系列環(huán)境問題[1-2]，這些現(xiàn)狀使得對礦山環(huán)境監(jiān)管采用實地調(diào)查、逐級上報的傳統(tǒng)工作方法急需改變，對衛(wèi)星遙感應(yīng)用技術(shù)的需求日益迫切。

衛(wèi)星遙感應(yīng)用技術(shù)相對于航空遙感、實地調(diào)查等傳統(tǒng)方法，具有傳輸快速、獲取方便、周期性強、成本低等特點。目前，我國礦山遙感調(diào)查與監(jiān)測主要依靠國外高分辨率遙感影像為數(shù)據(jù)源，隨著我國衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展，將高分辨率國產(chǎn)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)應(yīng)用于礦山遙感監(jiān)測工作，既可以大幅度節(jié)約數(shù)據(jù)的購置成本，也可以提高年度監(jiān)測的頻次，為大規(guī)模開展多期次動態(tài)礦山遙感監(jiān)測工作提供數(shù)據(jù)保障[4-6]。未來空間基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)將滿足礦產(chǎn)勘探與監(jiān)測任務(wù)對衛(wèi)星遙感圖像的需求，為現(xiàn)有在軌衛(wèi)星體系與未來衛(wèi)星體系建設(shè)方案的需求滿足度進行分析，為建設(shè)方案的確定提供定量化依據(jù)，是效能仿真重點解決的問題。

目前針對衛(wèi)星遙感技術(shù)在礦產(chǎn)勘探與監(jiān)測方面的應(yīng)用的研究，多集中在實際應(yīng)用效果分析、遙感圖像在該領(lǐng)域的應(yīng)用處理方法等方面，對應(yīng)用體系效能仿真方法的研究較少，且多集中在其中某一環(huán)節(jié)或某一方面算法的研究[7-8]，缺少能夠覆蓋從任務(wù)需求到擬選擇的單星貢獻(xiàn)度計算，再到所規(guī)劃的衛(wèi)星系統(tǒng)對任務(wù)需求的滿足度評估的全流程一體化體系效能仿真方法。本文面向礦產(chǎn)勘探與監(jiān)測任務(wù)進行需求分析，選擇對滿足需求的衛(wèi)星進行仿真建模，并通過任務(wù)規(guī)劃與調(diào)度算法來優(yōu)化衛(wèi)星系統(tǒng)的對地觀測效能，對不同衛(wèi)星系統(tǒng)的效能進行量化與對比，有針對性地提出衛(wèi)星系統(tǒng)建設(shè)方案建議。

2 礦產(chǎn)監(jiān)測任務(wù)需求分析

對礦產(chǎn)監(jiān)測任務(wù)主要分為3個部分：①礦山開發(fā)狀況監(jiān)測，包括礦產(chǎn)資源開采點或開采面位置、開采方式范圍以及礦山開采狀態(tài)等；②礦業(yè)開采秩序監(jiān)測，是否存在無證開采、越界開采、擅自改變開采方式以及開采礦種等行為；③礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測，包括各類礦山地物占地情況、礦山地質(zhì)災(zāi)害分布情況及影響范圍、礦山環(huán)境污染情況以及礦山地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理情況等。以上任務(wù)對衛(wèi)星的固有性能有一定的要求[2]，重點需要考慮空間分辨率、幅寬、譜段、時間分辨率等效能指標(biāo)。針對以上任務(wù)需求進行遙感監(jiān)測，對衛(wèi)星系統(tǒng)的具體需求如表1所示(該需求僅為本文算例設(shè)計)。

表1 礦山監(jiān)測需求表

表1中，覆蓋時間是觀測區(qū)域全部覆蓋所需時間，重訪時間是同一觀測區(qū)域網(wǎng)格兩次被觀測的最大時間間隔。譜段重要性排序按1、2、3……依次排序，重要性依次降低。其中，譜段的設(shè)置主要針對探測要素而定，衛(wèi)星譜段設(shè)置基本采用3種配置：①全色和多光譜搭配；②僅有全色譜段；③僅有多光譜譜段。目前，各國的在軌衛(wèi)星以及規(guī)劃中的衛(wèi)星絕大部分是采用全色和多光譜的經(jīng)典配置。在譜段設(shè)置中，多光譜譜段基本上會含有藍(lán)、綠、紅、近紅外譜段等4個經(jīng)典譜段。

3 礦產(chǎn)監(jiān)測任務(wù)效能仿真方法

為實現(xiàn)對礦產(chǎn)監(jiān)測任務(wù)效能仿真，本文提出了一種效能仿真方法，首先，需要確定仿真對象，根據(jù)任務(wù)需要選擇相應(yīng)的仿真觀測區(qū)域與衛(wèi)星系統(tǒng)，然后，對結(jié)果進行需求滿足度分析，當(dāng)結(jié)果不滿足需求情況下，對各項指標(biāo)進行計算，并對衛(wèi)星系統(tǒng)進行任務(wù)規(guī)劃，再次進行需求滿足度分析，如果結(jié)果仍然不滿足需求時，證明所選用的衛(wèi)星系統(tǒng)能力有限，需要在此衛(wèi)星系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進行衛(wèi)星增量設(shè)計，或重新設(shè)計一套衛(wèi)星系統(tǒng)。

因此為完成礦產(chǎn)監(jiān)測任務(wù)，將效能仿真過程重點分為面向需求的衛(wèi)星載荷優(yōu)選、滿足度分析、效能指標(biāo)計算和衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃4個部分。

此方法的特點是涉及需求分析、需求滿足度評估、效能指標(biāo)計算、多星協(xié)同任務(wù)規(guī)劃等多個方面的技術(shù)，因此，在方法實現(xiàn)上，需要將各個方面的技術(shù)有機結(jié)合，各個環(huán)節(jié)之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)的無縫連接，形成一套覆蓋從需求分析到需求滿足度評估的全流程一體化體系效能仿真系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 礦產(chǎn)監(jiān)測任務(wù)效能仿真流程Fig.1 Effectiveness simulation flow of mines monitoring

3.1面向需求的衛(wèi)星篩選

通過對全球在軌衛(wèi)星以及我國未來規(guī)劃方案中涉及到的衛(wèi)星軌道、平臺、載荷等參數(shù)信息的收集和整理，建立了一套衛(wèi)星信息管理系統(tǒng)，系統(tǒng)模塊關(guān)系如圖2所示。

圖2 衛(wèi)星數(shù)據(jù)管理庫Fig.2 Satellites and loads database

衛(wèi)星信息管理系統(tǒng)是以衛(wèi)星和地面站為主要信息的內(nèi)容管理系統(tǒng)，提供信息的查詢、新增、編輯、刪除和權(quán)限管理等功能，同時此系統(tǒng)提供了只讀權(quán)限的發(fā)布，調(diào)用時序圖如圖3所示，其中，JSON或XML均為數(shù)據(jù)文件格式。

對于礦山勘探與監(jiān)測任務(wù)，根據(jù)表1所示空間分辨率、幅寬等參數(shù)檢索出可能執(zhí)行任務(wù)的衛(wèi)星，形成任務(wù)可參與衛(wèi)星信息集合。

圖3 接口調(diào)用時序圖Fig.3 Interface call timing diagram

3.2單星綜合貢獻(xiàn)率計算

對地觀測任務(wù)的效能指標(biāo)一般包括對區(qū)域的重訪時間、覆蓋時間、單星覆蓋百分比、單星觀測次數(shù)、日均觀測次數(shù)等。為評估衛(wèi)星系統(tǒng)中各個衛(wèi)星的綜合效能，從而對體系中衛(wèi)星的能力全面評價，需要利用這些效能指標(biāo)計算值，對單星貢獻(xiàn)率進行建模計算。

對某顆衛(wèi)星的單個效能指標(biāo)進行單星貢獻(xiàn)率計算時，可以由該衛(wèi)星的某個指標(biāo)值與這個指標(biāo)在所有衛(wèi)星中的最大值之間的比值來表示，計算公式為

(1)

式中：cik為針對第i個指標(biāo)的第k顆衛(wèi)星的單星貢獻(xiàn)率；dik為第k顆衛(wèi)星所計算出的第i個指標(biāo)值；dimax為第i個指標(biāo)在所有衛(wèi)星中的最大值。

任務(wù)需求不同，每個效能指標(biāo)在衛(wèi)星綜合效能中的地位也不相同。因此，根據(jù)任務(wù)需求對不同指標(biāo)設(shè)置權(quán)重，通過對各效能指標(biāo)值進行加權(quán)綜合，便能得到衛(wèi)星的綜合單星貢獻(xiàn)率，計算為

(2)

式中：ck為第k顆衛(wèi)星的綜合單星貢獻(xiàn)率；wi為第i個指標(biāo)權(quán)重；m為指標(biāo)個數(shù)。針對遙感衛(wèi)星對礦山勘探與監(jiān)測的任務(wù)需求，重點關(guān)注的效能指標(biāo)為重訪時間與覆蓋時間。

3.3需求滿足度分析

通過將效能指標(biāo)需求值與仿真值進行對比，能夠得到需求滿足度。和3.2節(jié)的公式推導(dǎo)過程類似，綜合需求滿足度的計算通過對多個指標(biāo)的需求滿足度進行加權(quán)綜合得到。通過需求滿足度值可以評價衛(wèi)星系統(tǒng)是否能夠滿足當(dāng)前的任務(wù)需求，同時可以對比不同衛(wèi)星系統(tǒng)對相同任務(wù)的實現(xiàn)能力。具體計算公式為

(3)

式中：S為需求滿足度；dni為第i個指標(biāo)的需求值；dsi為第i個指標(biāo)的仿真值；wi為第i個指標(biāo)的權(quán)重；m為指標(biāo)個數(shù)。對于重訪時間與覆蓋時間指標(biāo)，S越趨于1，衛(wèi)星系統(tǒng)的滿足度越高。其中，當(dāng)針對單顆衛(wèi)星計算需求滿足度時，dni和dsi均為單星指標(biāo)；當(dāng)針對多星體系計算需求滿足度時，dni和dsi均為體系指標(biāo)。

就本文所述礦山監(jiān)測任務(wù)，需求見表1。觀測區(qū)域的探測要素類型決定了衛(wèi)星系統(tǒng)的選取，即譜段需求、空間分辨率和幅寬需求等。選取的衛(wèi)星系統(tǒng)對觀測區(qū)域仿真計算后，需分析結(jié)果是否滿足任務(wù)需求，就該任務(wù)而言，用戶最關(guān)心的是覆蓋時間和重訪時間。

3.4任務(wù)規(guī)劃

在軌衛(wèi)星可以通過軌道機動、姿態(tài)機動來擴大對地觀測范圍，但軌道機動相對于姿態(tài)機動所耗費的燃料較大，選擇軌道機動方式來完成一次任務(wù)會大大降低衛(wèi)星在軌壽命，因此在效能仿真過程中僅采用姿態(tài)機動方式進行任務(wù)規(guī)劃。通過建立以最短覆蓋時間為優(yōu)化目標(biāo)，以姿態(tài)機動能力、載荷成像能力、能源平衡與數(shù)據(jù)平衡為約束的規(guī)劃模型，對所選擇的觀測區(qū)域進行仿真計算，并給出衛(wèi)星運控策略。

4 效能仿真算例

4.1衛(wèi)星系統(tǒng)與觀測區(qū)域選擇

根據(jù)中國的礦產(chǎn)區(qū)域分布，選擇東北部的3個礦區(qū)與西北部的1個礦區(qū)進行效能仿真，如圖4所示。

傳統(tǒng)光學(xué)衛(wèi)星只在滾動方向進行單自由度姿態(tài)機動，而敏捷衛(wèi)星由于可以在滾動與俯仰兩個方向上進行姿態(tài)機動，在觀測視場范圍上優(yōu)于傳統(tǒng)光學(xué)衛(wèi)星而日益受到關(guān)注。該算例在衛(wèi)星數(shù)據(jù)庫中選擇3顆傳統(tǒng)光學(xué)衛(wèi)星與2顆敏捷衛(wèi)星組成兩套衛(wèi)星系統(tǒng)，分別對這4個礦區(qū)進行多目標(biāo)觀測的效能仿真，計算覆蓋時間與重訪時間指標(biāo)以及單星貢獻(xiàn)率，通過對這兩組衛(wèi)星系統(tǒng)進行效能仿真，分析兩套系統(tǒng)對需求的滿足度，并可以對兩組系統(tǒng)進行量化比較，兩組衛(wèi)星系統(tǒng)的參數(shù)如表2所示。

圖4 4個礦產(chǎn)區(qū)域圖像Fig.4 Mines areas selected in simulation

表2 衛(wèi)星觀測譜段

方案一采用3顆分辨率為1 m、幅寬為45 km的傳統(tǒng)光學(xué)衛(wèi)星(無俯仰方向姿態(tài)機動能力)，方案二采用2顆分辨率為1 m、幅寬為35 km的敏捷光學(xué)衛(wèi)星(滾動、俯仰均能進行姿態(tài)機動能力)，兩套方案中的衛(wèi)星載荷觀測譜段均包含全色譜段和多光譜段。

4.2效能指標(biāo)計算

4.2.1 星下點成像效能指標(biāo)計算

在不考慮天氣對衛(wèi)星系統(tǒng)成像的條件下，兩套方案分別在星下點成像進行仿真，結(jié)果如表3所示。

表3 對礦產(chǎn)區(qū)域的覆蓋時間

由表3可得，兩方案的星下點覆蓋時間都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過1天，因此，不再進一步對不考慮姿態(tài)機動的重訪效能進行分析。

對星下點成像情況下的單星貢獻(xiàn)率進行計算，如表4所示。利用式(2)進行單星貢獻(xiàn)率計算時，選取日均觀測次數(shù)、日均觀測時長、覆蓋百分比等3個指標(biāo)進行計算。其中，日均觀測次數(shù)和日均觀測時長分別為該衛(wèi)星對該區(qū)域每天平均觀測次數(shù)和每日平均觀測時間，覆蓋百分比為仿真時間內(nèi)對區(qū)域覆蓋面積占總面積的百分比。

這3個指標(biāo)的重要性不相上下，其中日均觀測次數(shù)的重要性略低于其他兩個指標(biāo)，因此，設(shè)置日均觀測次數(shù)的權(quán)重為0.3，日均觀測時長與覆蓋百分比的權(quán)重為0.35。從計算結(jié)果可以看出，方案一中光學(xué)衛(wèi)星2號對系統(tǒng)的貢獻(xiàn)度遠(yuǎn)大于其他兩顆星，方案二中兩顆衛(wèi)星貢獻(xiàn)率相似，1號衛(wèi)星略大于2號衛(wèi)星。

表4 星下點成像情況下的單星貢獻(xiàn)率

通過單星貢獻(xiàn)度計算，為更大程度發(fā)揮貢獻(xiàn)率較低的衛(wèi)星的應(yīng)用效能，在后續(xù)的多星協(xié)同任務(wù)規(guī)劃中，可重點調(diào)度貢獻(xiàn)率較低的衛(wèi)星，提升衛(wèi)星系統(tǒng)的整體效能。

4.2.2 姿態(tài)機動成像效能指標(biāo)計算

按照優(yōu)先調(diào)度單星貢獻(xiàn)率低的衛(wèi)星的原則，進行任務(wù)規(guī)劃，姿態(tài)機動成像策略下的覆蓋時間和重訪時間如表5所示。

表5 對礦產(chǎn)區(qū)域的覆蓋與重訪時間

從表5中可知，方案一和方案二在考慮姿態(tài)機動情況下的重訪效能均在1天以內(nèi)，均滿足任務(wù)需求，但方案一優(yōu)于方案二。

從成像覆蓋時間指標(biāo)上看，兩套方案的姿態(tài)機動成像策略相對星下點成像策略，其覆蓋時間效能均有明顯提升。采用3顆傳統(tǒng)光學(xué)遙感衛(wèi)星的方案一，姿態(tài)機動成像的覆蓋時間效能相比星下點成像覆蓋時間提升了80%，從26天提升到127 h，但仍不滿足1天以內(nèi)的任務(wù)需求；采用2顆敏捷光學(xué)遙感衛(wèi)星的方案二情況下，姿態(tài)機動成像的覆蓋時間效能相比星下點成像覆蓋時間提升了99.8%，從34天提升到1 h 38 min，滿足覆蓋時間在1天以內(nèi)的任務(wù)需求。因此，從成像覆蓋時間的指標(biāo)看，采用方案二可實現(xiàn)礦產(chǎn)監(jiān)測任務(wù)能夠滿足任務(wù)需求。

4.3姿態(tài)機動成像的綜合需求滿足度分析

利用式(3)對所選用的兩個衛(wèi)星系統(tǒng)計算需求滿足度，其中重訪指標(biāo)與覆蓋指標(biāo)的權(quán)重都為0.5，方案二的需求滿足度S2為0.534，方案一的需求滿足度S1為2.980，根據(jù)S值越趨于1衛(wèi)星系統(tǒng)的滿足度越高，可以看出方案二的需求滿足度高于方案一。通過需求滿足度分析可知，采用方案二可以更好地實現(xiàn)礦產(chǎn)監(jiān)測任務(wù)。

通過仿真結(jié)果可以看出，相同的遙感衛(wèi)星系統(tǒng)方案采用不同的任務(wù)規(guī)劃策略對時、空覆蓋效能影響顯著；傳統(tǒng)光學(xué)衛(wèi)星在平臺機動能力相對敏捷衛(wèi)星能力有一定差距，未來應(yīng)重點投入到敏捷衛(wèi)星的研究方向。

4.4仿真驗證

圖5 姿態(tài)機動成像1天內(nèi)對4個區(qū)域的覆蓋范圍Fig.5 Coverage areas in four mines area with task scheduling

為驗證本文所設(shè)計的體系效能仿真的可信性，建立相應(yīng)的兩個方案的STK場景，依據(jù)任務(wù)規(guī)劃結(jié)果進行場景復(fù)現(xiàn)姿態(tài)機動成像，1天內(nèi)對4個礦山區(qū)域的覆蓋效能如圖5所示，可以看出方案二在1天內(nèi)對4個區(qū)域的覆蓋百分比達(dá)到100%，而方案一的覆蓋百分比僅有13.6%，不滿足1天內(nèi)覆蓋所有區(qū)域的任務(wù)需求。結(jié)果表明，兩個衛(wèi)星系統(tǒng)的覆蓋指標(biāo)需求滿足度比較結(jié)果與本文方法給出的結(jié)果一致，表明該方法有效可行。

5 結(jié)論

本文針對礦產(chǎn)監(jiān)測任務(wù)的遙感衛(wèi)星應(yīng)用效能仿真方法進行研究，在充分調(diào)研與分析礦產(chǎn)監(jiān)測任務(wù)需求的基礎(chǔ)上，建立了一套覆蓋從需求分析到需求滿足度評估的全流程一體化體系效能仿真方法，并將該方法應(yīng)用于礦產(chǎn)監(jiān)測應(yīng)用體系效能仿真，通過需求滿足度的綜合評估分析，識別出衛(wèi)星系統(tǒng)短板，可為衛(wèi)星體系與有效載荷建設(shè)提供參考；通過將對重點觀測區(qū)域的重訪時間、覆蓋時間等反映衛(wèi)星效能的指標(biāo)進行加權(quán)綜合，建立單星體系貢獻(xiàn)度計算模型，從而實現(xiàn)對衛(wèi)星效能的量化分析，并有針對性地提出使衛(wèi)星系統(tǒng)效能最大化的建議。

本文建立的體系效能仿真方法同樣適用于遙感衛(wèi)星對其他各領(lǐng)域應(yīng)用的體系效能的分析，所開發(fā)的軟件包含衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃、單星體系貢獻(xiàn)度計算等功能模塊，以及配套衛(wèi)星信息數(shù)據(jù)庫，為支持未來衛(wèi)星系統(tǒng)的建設(shè)提供了分析計算的工具軟件。

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A System Effectiveness Simulation Method of Mines Exploration and Monitoring with Remote Sense Satellites

YIN Jianfeng ZHANG Yue HUANG Lixia GAO Yangte

(Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China)

Mines exploration and monitoring application is a typical application of satellite remote sense. Recently, the satellite remote sense technology is becoming more and more important in this area. For analyzing the ability and exploring the deficiency of the satellites system in mines exploration and monitoring task, a quantitative and comparative analysis is needed. A full process integration system effectiveness simulation method for satellites system is established, with a comprehensive efficiency index calculation model and a comprehensive demand satisfaction evaluation model. The validity and effectiveness of this method is demonstrated by a simulation case of STK.

typical application; remote sense load; task planning and scheduling; effectiveness simulation

V474.2；TD15

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.04.020

2017-05-01；

2017-08-04

殷建豐，男，博士，高級工程師，從事航天器系統(tǒng)仿真，航天器動力學(xué)與控制等研究工作。Email:jianfengabc@gmail.com。

(編輯：張小琳)