應(yīng)用體系能力貢獻(xiàn)率的新研高分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星軌道擇優(yōu)方法

喬凱 金挺 黃石生 韓曉亞 倪辰

(1 北京跟蹤與通信技術(shù)研究所，北京 100094)(2 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

隨著高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)的全面建設(shè)，目前我國已發(fā)射了多顆“高分”系列對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星，形成了由低軌、高軌衛(wèi)星組成的高分辨率對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于國土、測(cè)繪、海洋、環(huán)境等多個(gè)領(lǐng)域，滿足國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)、社會(huì)發(fā)展的應(yīng)用需求。

衛(wèi)星的軌道是影響高分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星任務(wù)能力的關(guān)鍵因素之一，常用的衛(wèi)星軌道設(shè)計(jì)思路是根據(jù)衛(wèi)星的使命任務(wù)和用戶需求，從軌道動(dòng)力學(xué)理論入手，分析軌道攝動(dòng)、成像能力、成像質(zhì)量、運(yùn)載能力、工作壽命等，選擇合適的軌道參數(shù)，提出若干備選方案，再根據(jù)相關(guān)規(guī)則從中選取最佳軌道，使衛(wèi)星入軌后能夠最大化滿足用戶的要求[1-3]。對(duì)于新研高分辨光學(xué)率遙感衛(wèi)星，在滿足用戶需求的基礎(chǔ)上，分析其對(duì)當(dāng)前已有“高分”系列衛(wèi)星的體系能力貢獻(xiàn)率[4](又稱為“貢獻(xiàn)度”)，是進(jìn)行衛(wèi)星軌道擇優(yōu)的重要依據(jù)之一。體系能力貢獻(xiàn)率綜合反映了單顆衛(wèi)星對(duì)體系能力提升的促進(jìn)作用。通過加強(qiáng)新研高分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星與現(xiàn)有“高分”系列衛(wèi)星體系的高度融合，實(shí)現(xiàn)體系內(nèi)的“高分”系列衛(wèi)星之間的能力互補(bǔ)，可以更好地發(fā)揮分布于不同軌道衛(wèi)星的整體應(yīng)用效能。

為了提高高分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星的應(yīng)用效能，本文針對(duì)衛(wèi)星的任務(wù)需求，從體系能力貢獻(xiàn)率的角度分析評(píng)估新研高分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星在不同軌道條件下的綜合應(yīng)用效能，以及對(duì)現(xiàn)有“高分”系列衛(wèi)星體系的新增貢獻(xiàn)，作為對(duì)衛(wèi)星軌道擇優(yōu)的依據(jù)，以促進(jìn)新研衛(wèi)星與現(xiàn)有體系的無縫融合與協(xié)調(diào)發(fā)展。

1 高分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星成像能力指標(biāo)體系構(gòu)建

目前，光學(xué)遙感衛(wèi)星主要采用太陽同步回歸軌道，即綜合太陽同步軌道和回歸軌道特性的雙重特性，定期、定時(shí)經(jīng)過觀測(cè)區(qū)域上空，利用單顆衛(wèi)星便可獲取全球觀測(cè)數(shù)據(jù)[5]。軌道是影響光學(xué)遙感衛(wèi)星成像性能及數(shù)據(jù)獲取能力的重要因素，包括空間分辨率、重訪時(shí)間、成像幅寬、幾何精度、覆蓋范圍和多目標(biāo)觀測(cè)能力。

體系能力貢獻(xiàn)率是對(duì)體系能力的度量，通過將能力轉(zhuǎn)化為效能分析來實(shí)現(xiàn)其定量計(jì)算[6-9]。在進(jìn)行高分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星體系能力貢獻(xiàn)率評(píng)估時(shí)，不能由某個(gè)或幾個(gè)指標(biāo)來確定衛(wèi)星性能的優(yōu)劣，而必須進(jìn)行多種性能指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)，即由多種性能參數(shù)的指標(biāo)值求出綜合效能。因此，衛(wèi)星成像能力指標(biāo)體系的完整性、合理性決定著最終的評(píng)價(jià)結(jié)果，從而影響衛(wèi)星的軌道擇優(yōu)。

根據(jù)國軍標(biāo)GJB451A-2005，系統(tǒng)效能是系統(tǒng)在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，滿足一組特定任務(wù)要求的程度[10]。高分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星的任務(wù)需求主要體現(xiàn)在全球覆蓋觀測(cè)、高空間分辨率、大幅寬、快速重訪觀測(cè)、成像光照條件、幾何精度等實(shí)際應(yīng)用。由于成像譜段的選取與應(yīng)用相關(guān)，譜段不一樣，應(yīng)用及對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)也不一樣。因此，從光學(xué)遙感衛(wèi)星可見光對(duì)地觀測(cè)任務(wù)需求出發(fā)，建立與軌道相關(guān)的高分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星成像能力指標(biāo)體系(如圖1所示)，進(jìn)行體系能力評(píng)估。

圖1 與軌道相關(guān)的高分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星成像能力指標(biāo)體系Fig.1 Orbit-related high-resolution optical remote sensing satellite imaging capability index system

2 應(yīng)用體系能力貢獻(xiàn)率的軌道擇優(yōu)方法

應(yīng)用體系能力貢獻(xiàn)率進(jìn)行軌道擇優(yōu)，主要針對(duì)高分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星的應(yīng)用需求，根據(jù)衛(wèi)星成像能力指標(biāo)體系，利用體系能力貢獻(xiàn)率模型，對(duì)能力指標(biāo)項(xiàng)進(jìn)行聚合評(píng)估，定量化計(jì)算位于不同軌道下衛(wèi)星對(duì)體系能力的提升幅度。通過不同軌道條件下衛(wèi)星體系能力貢獻(xiàn)率的對(duì)比分析，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星軌道的擇優(yōu)。評(píng)估計(jì)算過程主要包括指標(biāo)量化評(píng)估、衛(wèi)星成像能力評(píng)估、體系能力貢獻(xiàn)率計(jì)算等。

1)指標(biāo)量化評(píng)估

指標(biāo)量化評(píng)估采用的是逼近理想點(diǎn)解排序法(TOPSIS)，它是有效處理多方案排序和選擇的經(jīng)典方法[11]。其基本原理是：設(shè)定對(duì)象的正理想值和負(fù)理想值，在目標(biāo)空間中求解方案的相對(duì)接近程度，以度量某個(gè)方案靠近理想值和遠(yuǎn)離理想值的程度；用相對(duì)接近程度的值決定方案的排序，相對(duì)接近程度越大，方案越優(yōu)，反之，則越差。對(duì)衛(wèi)星成像能力指標(biāo)的原始值Xi，通過TOPSIS中的去量綱化處理，得到評(píng)估值Ci。

(1)

式中：i為不同的能力指標(biāo)。

2)衛(wèi)星成像能力評(píng)估

采用線性加權(quán)法對(duì)衛(wèi)星成像能力A進(jìn)行評(píng)估，評(píng)估結(jié)果由所有指標(biāo)值的權(quán)重和決定。

(2)

式中：Wi為指標(biāo)權(quán)重。

各指標(biāo)權(quán)重反映了該指標(biāo)的重要性，權(quán)重越大，則該指標(biāo)對(duì)評(píng)估結(jié)果的貢獻(xiàn)越大。由于指標(biāo)權(quán)重對(duì)衛(wèi)星成像能力評(píng)估的影響較大，因此其選取要與用戶的具體應(yīng)用需求緊密結(jié)合。通常應(yīng)根據(jù)典型的應(yīng)用場(chǎng)景，結(jié)合在軌衛(wèi)星的實(shí)際應(yīng)用情況，綜合進(jìn)行各指標(biāo)權(quán)重的分配。

3)體系能力貢獻(xiàn)率計(jì)算

體系能力貢獻(xiàn)率G主要由當(dāng)前評(píng)估衛(wèi)星成像綜合能力AK和當(dāng)前在軌衛(wèi)星成像綜合能力AF決定，其計(jì)算公式如下。

(3)

通過計(jì)算不同軌道條件下的衛(wèi)星體系能力貢獻(xiàn)率，選取體系能力貢獻(xiàn)率最大的軌道作為衛(wèi)星的最佳軌道。

3 仿真結(jié)果及分析

目前，我國已發(fā)射低軌太陽同步軌道光學(xué)遙感衛(wèi)星高分一號(hào)、二號(hào)、五號(hào)、六號(hào)等“高分”系列衛(wèi)星，組成了天基高分辨率光學(xué)對(duì)地觀測(cè)體系。本文將“高分”系列衛(wèi)星作為參考，以新研高分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星為仿真分析對(duì)象，針對(duì)初步設(shè)計(jì)的2種太陽同步軌道，基于體系能力貢獻(xiàn)率評(píng)估分析不同軌道條件下的衛(wèi)星應(yīng)用能力，進(jìn)行衛(wèi)星軌道優(yōu)選，即定量化計(jì)算位于不同軌道下單顆衛(wèi)星對(duì)于當(dāng)前體系能力的提升幅度，將衛(wèi)星體系能力貢獻(xiàn)率作為衛(wèi)星軌道擇優(yōu)的依據(jù)，以提升高分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星的應(yīng)用效能。

新研高分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星擬采用500 km和650 km的太陽同步軌道，降交點(diǎn)地方時(shí)為10:30，以實(shí)現(xiàn)全球覆蓋，并滿足成像光照條件的地區(qū)最廣、一年中可成像天數(shù)最多的應(yīng)用需求。仿真過程中，衛(wèi)星載荷、敏捷機(jī)動(dòng)能力等基本參數(shù)設(shè)置如表1所示。

根據(jù)表1中選定衛(wèi)星基本參數(shù)，仿真計(jì)算同一相機(jī)參數(shù)約束下不同軌道高度對(duì)應(yīng)的衛(wèi)星成像能力的一組典型值。對(duì)于“高分”系列衛(wèi)星，選取體系內(nèi)衛(wèi)星成像指標(biāo)上限作為當(dāng)前體系的最大能力，2種軌道衛(wèi)星成像能力指標(biāo)如表2所示。采用式(1)對(duì)表2中的衛(wèi)星成像能力指標(biāo)去量綱得到指標(biāo)量化值，如表3所示。

對(duì)各能力屬性進(jìn)行規(guī)范化處理。根據(jù)用戶對(duì)指標(biāo)關(guān)注程度的不同，指標(biāo)權(quán)重可以調(diào)整，以反映該項(xiàng)指標(biāo)在應(yīng)用中的重要性。本文采用的各指標(biāo)權(quán)重由用戶根據(jù)應(yīng)用需求提出，用戶較為關(guān)注衛(wèi)星的空間分辨率，對(duì)“空間分辨率”指標(biāo)的權(quán)重取為0.2，其余指標(biāo)權(quán)重取為0.1，所有指標(biāo)權(quán)重之和為1，如表4所示。

根據(jù)衛(wèi)星成像能力指標(biāo)體系，通過體系能力貢獻(xiàn)率評(píng)估方法，對(duì)2種軌道衛(wèi)星的成像能力進(jìn)行綜合評(píng)估。根據(jù)表4定義各指標(biāo)權(quán)重，采用簡單加權(quán)法的運(yùn)算步驟，計(jì)算獲得衛(wèi)星體系能力綜合評(píng)價(jià)及體系能力貢獻(xiàn)率分析結(jié)果，如表5所示。

表1 衛(wèi)星基本參數(shù)設(shè)置

表2 2種軌道下衛(wèi)星成像能力指標(biāo)

表3 2種軌道下衛(wèi)星成像能力指標(biāo)量化表

表4 指標(biāo)權(quán)重

表5 體系能力評(píng)估結(jié)果

根據(jù)仿真結(jié)果，相比于當(dāng)前體系能力，新研高分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星若采用500 km太陽同步軌道，在空間分辨率、回歸周期、平面定位精度等方面有提升；若采用650 km太陽同步軌道，在同軌合成幅寬、同軌多目標(biāo)成像個(gè)數(shù)、同軌凝視成像次數(shù)等方面有提升。2種軌道均基本滿足用戶的應(yīng)用需求，并且各有各的優(yōu)勢(shì)，難以通過指標(biāo)直接對(duì)比的方式進(jìn)行最佳軌道的選取。采用基于體系能力貢獻(xiàn)率的評(píng)估方法，將多個(gè)成像能力指標(biāo)進(jìn)行聚合分析，得出采用500 km太陽同步軌道，其體系能力貢獻(xiàn)率為31.06%，優(yōu)于650 km太陽同步軌道，對(duì)當(dāng)前體系能力的提升幅度更大，入軌后可以使整個(gè)體系獲得更優(yōu)的綜合應(yīng)用效能，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)2種軌道的擇優(yōu)。

4 結(jié)束語

面向高分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星的應(yīng)用效能，本文以我國在軌“高分”系列衛(wèi)星組成的天基高分辨率對(duì)地觀測(cè)體系作為參考，采用應(yīng)用體系能力貢獻(xiàn)率的軌道擇優(yōu)方法，對(duì)新研高分辨率遙感衛(wèi)星在不同軌道條件下的應(yīng)用能力進(jìn)行綜合評(píng)估。仿真結(jié)果表明：相比于當(dāng)前高分辨率對(duì)地觀測(cè)體系，新研高分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星采用500 km太陽同步軌道，可以實(shí)現(xiàn)更好的綜合成像能力。本文所提出的方法采用多屬性決策方式，融合多個(gè)衛(wèi)量成像指標(biāo)，將能力轉(zhuǎn)化為效能分析來實(shí)現(xiàn)體系能力貢獻(xiàn)率定量計(jì)算，綜合反映了不同軌道下衛(wèi)星的應(yīng)用效能，可以作為對(duì)衛(wèi)星軌道最優(yōu)選取的依據(jù)。