環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星運(yùn)行管理與服務(wù)

李素菊 范一大 楊思全 王興玲 吳瑋 劉龍飛 張超 崔燕

（1 民政部國家減災(zāi)中心 2 民政部信息中心）

1 引言

環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星星座業(yè)務(wù)運(yùn)行管理的主要任務(wù)是收集用戶的觀測需求、有效載荷成像申請，合理規(guī)劃安排衛(wèi)星和地面資源，制定衛(wèi)星運(yùn)行工作計(jì)劃、有效載荷成像計(jì)劃、地面接收計(jì)劃、業(yè)務(wù)測控計(jì)劃等，監(jiān)視衛(wèi)星及其有效載荷的工作狀態(tài)，處理業(yè)務(wù)運(yùn)控指令，并向用戶提供衛(wèi)星軌道、姿態(tài)等輔助數(shù)據(jù)服務(wù)。國家減災(zāi)中心具體承擔(dān)了環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星系統(tǒng)的三星四載荷的業(yè)務(wù)運(yùn)行管理任務(wù)，盡管衛(wèi)星在軌設(shè)計(jì)壽命僅3年，但通過科學(xué)、有效的衛(wèi)星運(yùn)行管理，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星星座多星協(xié)調(diào)管控，最大限度地發(fā)揮了應(yīng)用需求牽引、天地協(xié)同服務(wù)的能力，保障了星座的超期服役和長期穩(wěn)定運(yùn)行。通過多年的探索和實(shí)踐，國家減災(zāi)中心建立了專業(yè)化的人才隊(duì)伍，形成了環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星星座業(yè)務(wù)運(yùn)行管理機(jī)制，積累了衛(wèi)星運(yùn)行管理的豐富經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行管理系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行，并在全球?yàn)?zāi)害事件監(jiān)測、地表環(huán)境綜合觀測以及我國自然災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測與應(yīng)急響應(yīng)中發(fā)揮了重要作用。

2 運(yùn)行管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與建設(shè)

運(yùn)行管理系統(tǒng)是面向環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星星座并服務(wù)于應(yīng)用系統(tǒng)和地面系統(tǒng)的業(yè)務(wù)支撐系統(tǒng)。該系統(tǒng)的建設(shè)與運(yùn)行一方面能夠支持環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星星座常規(guī)的業(yè)務(wù)運(yùn)行管理任務(wù)，另一方面還要具備應(yīng)對突發(fā)性災(zāi)害事件的應(yīng)急運(yùn)行管理能力。因此，研制功能完善、性能高效、運(yùn)行可靠的運(yùn)行管理系統(tǒng)可有效管理環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星星座，保證衛(wèi)星在軌穩(wěn)定運(yùn)行，對于防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)的實(shí)際應(yīng)用非常重要。

運(yùn)行管理系統(tǒng)按照統(tǒng)一規(guī)劃、急用先行的思路進(jìn)行設(shè)計(jì)與建設(shè)。2008年5月底，在環(huán)境減災(zāi)一號A、B（HJ－1A/B）衛(wèi)星發(fā)射之前，先期完成運(yùn)行管理系統(tǒng)應(yīng)急系統(tǒng)的研制，主要是針對HJ－1A/B衛(wèi)星業(yè)務(wù)運(yùn)行管理功能進(jìn)行開發(fā)。衛(wèi)星發(fā)射后，由應(yīng)急系統(tǒng)承擔(dān)衛(wèi)星運(yùn)行管理任務(wù)。2011年3月，在環(huán)境減災(zāi)一號C（HJ－1C）衛(wèi)星發(fā)射前，對應(yīng)急系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)和擴(kuò)充，充實(shí)了HJ－1C衛(wèi)星業(yè)務(wù)運(yùn)行管理功能。2012年10月，進(jìn)一步完善運(yùn)行管理系統(tǒng)，全面實(shí)現(xiàn)了對環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星星座3顆衛(wèi)星的業(yè)務(wù)管控。

運(yùn)行管理系統(tǒng)的運(yùn)行流程是根據(jù)用戶觀測申請，生成可以實(shí)施的載荷工作計(jì)劃并通過地面測控系統(tǒng)上注到衛(wèi)星，并將生成的地面站接收計(jì)劃發(fā)送到地面系統(tǒng)，由其負(fù)責(zé)衛(wèi)星成像數(shù)據(jù)的接收。同時(shí)，運(yùn)行管理系統(tǒng)接收地面測控系統(tǒng)傳來的遙測數(shù)據(jù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理，監(jiān)視計(jì)劃執(zhí)行情況和有效載荷狀態(tài)，并為應(yīng)用系統(tǒng)提供軌道數(shù)據(jù)服務(wù)。運(yùn)行管理系統(tǒng)結(jié)合應(yīng)用特點(diǎn)分為常規(guī)和應(yīng)急兩種工作模式。在常規(guī)模式下，運(yùn)行管理系統(tǒng)按照測控計(jì)劃接收地面測控系統(tǒng)發(fā)送的遙測數(shù)據(jù)，對衛(wèi)星及其有效載荷的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視；負(fù)責(zé)接收地面測控系統(tǒng)發(fā)送的軌道根數(shù)數(shù)據(jù)，進(jìn)行衛(wèi)星軌道預(yù)報(bào)并發(fā)送至應(yīng)用系統(tǒng)和地面系統(tǒng)；按照觀測申請，通過地面測控系統(tǒng)實(shí)施觀測計(jì)劃；調(diào)度地面系統(tǒng)，按照數(shù)據(jù)接收計(jì)劃接收衛(wèi)星下行的數(shù)傳數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)接收計(jì)劃發(fā)送至應(yīng)用系統(tǒng)和地面系統(tǒng)。應(yīng)急工作模式是指在突發(fā)事件情況下，由應(yīng)用系統(tǒng)提出應(yīng)急觀測申請，運(yùn)行管理系統(tǒng)對常規(guī)運(yùn)控計(jì)劃進(jìn)行重排，生成同時(shí)滿足應(yīng)急申請和部分常規(guī)申請的運(yùn)控計(jì)劃，并將應(yīng)急計(jì)劃發(fā)送到地面測控系統(tǒng)，同時(shí)將應(yīng)急接收計(jì)劃發(fā)送到地面系統(tǒng)。

運(yùn)行管理系統(tǒng)是一個(gè)全天候、不間斷、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的業(yè)務(wù)運(yùn)行系統(tǒng)，主要任務(wù)就是對衛(wèi)星及其有效載荷進(jìn)行運(yùn)行控制和實(shí)時(shí)監(jiān)視，對數(shù)據(jù)交換的實(shí)時(shí)性、響應(yīng)速度、業(yè)務(wù)運(yùn)行的可控性和可監(jiān)視性等要求很高。在系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計(jì)中，采用多層的體系結(jié)構(gòu)，有利于提高系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)展性。運(yùn)行管理系統(tǒng)主要包括衛(wèi)星遙測遙控?cái)?shù)據(jù)處理顯示、計(jì)劃管理與任務(wù)調(diào)度、運(yùn)控信息管理等3個(gè)分系統(tǒng)和1個(gè)運(yùn)行管理業(yè)務(wù)支撐平臺，共12個(gè)子系統(tǒng)以及34個(gè)功能模塊。其中，衛(wèi)星遙測遙控?cái)?shù)據(jù)處理顯示分系統(tǒng)負(fù)責(zé)接收、處理、顯示遙測數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)視衛(wèi)星及其有效載荷工作狀態(tài)，根據(jù)有效載荷工作計(jì)劃，進(jìn)行衛(wèi)星數(shù)據(jù)注入編碼處理。計(jì)劃管理與任務(wù)調(diào)度分系統(tǒng)負(fù)責(zé)根據(jù)衛(wèi)星軌道根數(shù)進(jìn)行星歷計(jì)算和軌道預(yù)報(bào)，制定衛(wèi)星載荷工作計(jì)劃和數(shù)據(jù)接收計(jì)劃。運(yùn)控信息管理分系統(tǒng)負(fù)責(zé)對運(yùn)行管理系統(tǒng)運(yùn)行過程中的信息進(jìn)行記錄、分析、檢索，對接收、處理、生成的數(shù)據(jù)提供信息歸檔入庫、信息分發(fā)和檢索查詢等。運(yùn)行管理業(yè)務(wù)支撐平臺是運(yùn)行管理系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與安全控制的軟硬件平臺，提供時(shí)統(tǒng)、語音調(diào)度等技術(shù)支撐。

3 運(yùn)行管理應(yīng)用服務(wù)成效

環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星星座的運(yùn)行管理系統(tǒng)是一個(gè)面對多星、多載荷、多用戶的衛(wèi)星觀測管理系統(tǒng)。截至2018年7月，運(yùn)行管理系統(tǒng)共安排HJ－1A/B衛(wèi)星工作計(jì)劃545期，安排衛(wèi)星成像16620軌，實(shí)際有效成像率達(dá)94%。通過合理調(diào)度、管理衛(wèi)星及其有效載荷資源，運(yùn)行管理應(yīng)用服務(wù)工作主要取得了以下4個(gè)方面的成效。

實(shí)現(xiàn)環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星星座的長期穩(wěn)定運(yùn)行管理

建立了常規(guī)和應(yīng)急兩種運(yùn)行管理工作模式，形成24小時(shí)動態(tài)監(jiān)控管理能力，能夠進(jìn)行有效載荷工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)既能在常規(guī)條件下安排衛(wèi)星觀測，又能根據(jù)國內(nèi)外突發(fā)重大事件的需求，隨時(shí)安排應(yīng)急觀測計(jì)劃，并及時(shí)上注觀測指令。環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星星座在軌運(yùn)行期間，完成了軌道調(diào)整、固存自檢、衛(wèi)星健康狀況分析等工作，為衛(wèi)星穩(wěn)定運(yùn)行提供了保障。

2012年3月，在發(fā)現(xiàn)HJ－1A/B衛(wèi)星因軌道漂移，相位差大大超出設(shè)計(jì)要求后，通過運(yùn)行管理系統(tǒng)仿真顯示南北緯33.8°之間會出現(xiàn)漏縫，相應(yīng)區(qū)域的衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃將受到影響。國家減災(zāi)中心組織相關(guān)單位，通過5次點(diǎn)火將衛(wèi)星軌道提升。通過高精度的軌控工作，達(dá)到預(yù)期指標(biāo)要求。同期，針對HJ－1A/B衛(wèi)星記錄回放影像噪聲逐漸加重的情況，國家減災(zāi)中心安排針對性的試驗(yàn)，通過一次記錄多次回放、一次回放多站接收的措施，對星地鏈路中可能產(chǎn)生噪聲的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行分析，確定噪聲來源。經(jīng)過自檢操作，消除了噪聲影響，使圖像質(zhì)量得到提高。同時(shí)，優(yōu)化了指令序列，防止噪聲再次出現(xiàn)。此外，衛(wèi)星運(yùn)行期間，通過運(yùn)行管理系統(tǒng)遙測參數(shù)的分析，判斷HJ－1A/B衛(wèi)星運(yùn)行狀況，為星座的延壽運(yùn)行提供技術(shù)支撐。

有效支撐環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測與應(yīng)急響應(yīng)工作

環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星具有大幅寬、多載荷、多譜段等特點(diǎn)，能在災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測和應(yīng)急中發(fā)揮重要作用。自衛(wèi)星發(fā)射以來，通過定期安排衛(wèi)星觀測計(jì)劃，有力支持了全國陸域本底影像制作、災(zāi)害特征參數(shù)反演、積雪覆蓋監(jiān)測、水域范圍監(jiān)測等日常災(zāi)害遙感業(yè)務(wù)。應(yīng)急情況下，目前已針對青海玉樹地震、甘肅舟曲泥石流、南方暴雨洪澇等100余次國內(nèi)重特大自然災(zāi)害和澳大利亞森林大火、非洲之角干旱、孟加拉洪澇、緬甸洪澇等20余次國際災(zāi)害事件，通過精確計(jì)算衛(wèi)星軌道，快速進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃，使得在第一時(shí)間內(nèi)能夠緊急安排衛(wèi)星觀測任務(wù)，保障了衛(wèi)星減災(zāi)應(yīng)用服務(wù)及時(shí)有效。

針對突發(fā)性自然災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)時(shí)效性要求高的特點(diǎn)，根據(jù)災(zāi)害特征和災(zāi)區(qū)形勢，緊密結(jié)合災(zāi)害監(jiān)測評估業(yè)務(wù)需求，國家減災(zāi)中心及時(shí)、快速安排衛(wèi)星觀測任務(wù)，其中玉樹地震后僅4個(gè)半小時(shí)就進(jìn)行了首次觀測，并且實(shí)時(shí)下傳了遙感影像。在國際災(zāi)害事件的應(yīng)對上，2009年應(yīng)澳大利亞政府請求，安排澳大利亞東南部森林草原大火監(jiān)測，相關(guān)服務(wù)工作得到了澳大利亞政府的高度贊揚(yáng)；針對2010年智利8.8級地震，國家減災(zāi)中心啟動應(yīng)急觀測，HJ－1A/B衛(wèi)星于2月27日完成地震災(zāi)區(qū)第一次觀測，獲取了震后8小時(shí)的CCD影像15景，基本覆蓋智利全境，應(yīng)空間與重大災(zāi)害國際憲章（CHARTER）機(jī)制要求，繼續(xù)對智利地震區(qū)域進(jìn)行了2次觀測，共獲取CCD影像50余景；針對2010年危地馬拉火山噴發(fā)，應(yīng)聯(lián)合國災(zāi)害管理與應(yīng)急反應(yīng)天基信息平臺（UN-SPIDER）要求，及時(shí)安排應(yīng)急觀測，于6月3日對火山區(qū)域進(jìn)行了首次觀測，并進(jìn)行4次連續(xù)觀測，累計(jì)獲得遙感影像20余景；針對2015年緬甸洪澇災(zāi)害，通過持續(xù)安排衛(wèi)星觀測任務(wù)，獲取災(zāi)區(qū)衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)，完成了對洪澇災(zāi)區(qū)范圍和影響情況分析，為我國對外援助工作提供了有用的空間信息服務(wù)。以上應(yīng)用實(shí)例充分體現(xiàn)了環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星運(yùn)行管理工作服務(wù)于全球應(yīng)急觀測和快速響應(yīng)的能力。

完成全球陸地中分辨率光學(xué)數(shù)據(jù)的獲取

為獲取全球陸地光學(xué)遙感影像，研究全球地表覆蓋和土地利用狀況，2010年起，國家減災(zāi)中心開始利用HJ－1A/B衛(wèi)星CCD相機(jī)進(jìn)行全球陸地光學(xué)影像獲取。光學(xué)遙感影像的獲取既要考慮地面光照條件、云量、季節(jié)、地物特性等因素，又要考慮衛(wèi)星觀測能力、地面接收能力、全球陸地分布等因素。依托環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星運(yùn)行管理系統(tǒng)，通過合理規(guī)劃衛(wèi)星成像任務(wù)，完成了基于HJ－1A/B衛(wèi)星的全球陸地光學(xué)遙感影像獲取工作。該數(shù)據(jù)是我國首個(gè)中高分辨率全球覆蓋的遙感光學(xué)影像集，已成為我國開展全球變化研究和全球30m分辨率土地覆蓋產(chǎn)品重要的中高分辨率光學(xué)影像數(shù)據(jù)源。

促進(jìn)相關(guān)行業(yè)的衛(wèi)星遙感應(yīng)用

環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星搭載有可見光、紅外、高光譜、微波等多種遙感器，具有廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域和前景。自衛(wèi)星發(fā)射以來，環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星數(shù)據(jù)已被廣泛用于農(nóng)業(yè)農(nóng)村、水利、自然資源、交通運(yùn)輸、統(tǒng)計(jì)等多個(gè)相關(guān)行業(yè)領(lǐng)域，為中國氣象局、中國地質(zhì)調(diào)查局等行業(yè)部門以及高校、科研院所、地方、企業(yè)等相關(guān)單位提供衛(wèi)星觀測和數(shù)據(jù)服務(wù)。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，利用運(yùn)行管理系統(tǒng)安排農(nóng)業(yè)旱災(zāi)等衛(wèi)星觀測任務(wù)，制作農(nóng)業(yè)干旱等專題圖，為農(nóng)業(yè)災(zāi)害的早期預(yù)警和糧食安全提供服務(wù)。在水利行業(yè)，通過制定洪水和干旱觀測計(jì)劃，為農(nóng)業(yè)干旱和洪水監(jiān)測提供服務(wù)。在自然資源行業(yè)，通過合理安排多光譜、高光譜等載荷成像任務(wù)，開展海上溢油、海冰、地質(zhì)環(huán)境、重大工程用地、城市規(guī)模擴(kuò)張、土地覆蓋等監(jiān)測，為海洋科考、國土資源調(diào)查等提供應(yīng)用服務(wù)。在交通運(yùn)輸行業(yè)，結(jié)合衛(wèi)星觀測區(qū)域數(shù)據(jù)，開展道路災(zāi)害損毀應(yīng)急監(jiān)測與評估工作。在統(tǒng)計(jì)行業(yè)，衛(wèi)星運(yùn)行管理工作為開展糧食主產(chǎn)區(qū)作物種植面積遙感測量和估產(chǎn)提供了保障。通過運(yùn)行管理系統(tǒng)的合理規(guī)劃和調(diào)度，使得環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星不僅能夠有效服務(wù)于防災(zāi)減災(zāi)、生態(tài)環(huán)境等主要行業(yè)用戶，還能兼顧服務(wù)于其他相關(guān)的行業(yè)領(lǐng)域，從而推動了環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星在各領(lǐng)域應(yīng)用水平和能力的提升。

4 結(jié)語

環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星的運(yùn)行管理業(yè)務(wù)已持續(xù)10年。10年來，為加強(qiáng)環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星運(yùn)行管理工作，國家減災(zāi)中心成立了運(yùn)行管理中心，培養(yǎng)和配備了專業(yè)化的運(yùn)行管理業(yè)務(wù)人員，建立了衛(wèi)星運(yùn)行管理制度，形成了多部門協(xié)作的衛(wèi)星運(yùn)行管理與服務(wù)機(jī)制，研制的衛(wèi)星運(yùn)行管理系統(tǒng)能夠長期穩(wěn)定運(yùn)行，為環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星星座在軌運(yùn)行和最大限度發(fā)揮衛(wèi)星應(yīng)用效能提供了有力保障。環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星星座運(yùn)行管理的一大特色和寶貴經(jīng)驗(yàn)在于衛(wèi)星的業(yè)務(wù)管控是由用戶部門負(fù)責(zé)，這就保證了衛(wèi)星觀測能夠更為緊密地結(jié)合國家防災(zāi)減災(zāi)和應(yīng)急處置應(yīng)用需求，能夠?qū)崿F(xiàn)定期觀測和靈活安排編程計(jì)劃相結(jié)合，使衛(wèi)星的應(yīng)用效益得到更為充分的發(fā)揮。因此，這種成功的運(yùn)行管理機(jī)制將在“環(huán)境減災(zāi)”衛(wèi)星運(yùn)行管理的后續(xù)發(fā)展中得到延續(xù)，現(xiàn)有運(yùn)行管理系統(tǒng)將會進(jìn)一步完善功能、提升性能，最大限度地實(shí)現(xiàn)需求牽引、天地協(xié)同的衛(wèi)星應(yīng)用服務(wù)。