國產(chǎn)陸地觀測衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃及應(yīng)急成像概述

文 ∣ 車航宇 史小金 莊超然 王靜巧 中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心

一、引言

陸地觀測衛(wèi)星一般分布在太陽同步回歸軌道上，從太空直接獲取地面目標(biāo)的影像信息，具有大范圍、全天時(shí)、全天候、周期性監(jiān)測、不受國界限制等優(yōu)點(diǎn)，在城市規(guī)劃、資源調(diào)查、礦產(chǎn)監(jiān)測、防災(zāi)減災(zāi)等領(lǐng)域都發(fā)揮了重要的作用。經(jīng)過20年的發(fā)展，我國陸地觀測衛(wèi)星應(yīng)用事業(yè)基本形成了從一顆星到多顆星，從一個(gè)衛(wèi)星系列到多個(gè)衛(wèi)星系列、從科研試驗(yàn)應(yīng)用到業(yè)務(wù)化運(yùn)行的格局。

中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心（以下簡稱中心）作為國家陸地觀測衛(wèi)星數(shù)據(jù)中心，承擔(dān)著我國陸地觀測衛(wèi)星成像統(tǒng)籌規(guī)劃、數(shù)據(jù)統(tǒng)一處理、存儲和分發(fā)的任務(wù)。在2011年之前，衛(wèi)星業(yè)務(wù)測控完全委托西安測控中心開展。從2011年以后，中心自主建設(shè)了衛(wèi)星綜合管控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星業(yè)務(wù)獨(dú)立自主測控，僅委托西安衛(wèi)星測控中心進(jìn)行指令上注。隨著我國陸地觀測衛(wèi)星的迅速增加，中心負(fù)責(zé)運(yùn)控的衛(wèi)星數(shù)量逐年增加，衛(wèi)星綜合管控能力不斷加強(qiáng)。目前在軌運(yùn)行的衛(wèi)星數(shù)量已達(dá)20余顆，最高分辨率可達(dá)0.5m，優(yōu)于1m衛(wèi)星5顆，優(yōu)于2.5m衛(wèi)星數(shù)量達(dá)到10顆。

二、衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃

衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃則根據(jù)用戶采集申請，對用戶需求進(jìn)行分析，結(jié)合多方面因素進(jìn)行規(guī)劃方案設(shè)計(jì)，最終生成陸地觀測衛(wèi)星及地面系統(tǒng)工作計(jì)劃。任務(wù)規(guī)劃涉及多個(gè)方面，包括有效載荷控制計(jì)劃、地面站跟蹤接收計(jì)劃、數(shù)據(jù)傳輸處理計(jì)劃。任務(wù)規(guī)劃方案的合理性、正確性直接關(guān)系到能否合理利用衛(wèi)星資源，充分發(fā)揮衛(wèi)星使用效率。

衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃方案的制定一般依據(jù)以下四個(gè)方面：

目標(biāo)類型：用戶觀測需求一般為點(diǎn)目標(biāo)或區(qū)域目標(biāo)，按衛(wèi)星傳感器幅寬可分為單軌可覆蓋點(diǎn)目標(biāo)以及多軌覆蓋區(qū)域目標(biāo)。點(diǎn)目標(biāo)區(qū)域通過衛(wèi)星側(cè)擺可以實(shí)現(xiàn)快速重訪，區(qū)域目標(biāo)分解為多軌多次觀測覆蓋。

傳感器類型：遙感衛(wèi)星搭載傳感器分為可見光、高光譜和雷達(dá)類型的傳感器，不同類型的傳感器成像方式、空間分辨率以及成像幅寬不同。用戶依據(jù)自己的需求，選擇相應(yīng)載荷進(jìn)行成像采集申請。

天氣因素：由于光學(xué)相機(jī)受天氣影響較大，多云或者有雨時(shí)，影像質(zhì)量較差。為了提高數(shù)據(jù)的有效性，避免衛(wèi)星資源浪費(fèi)，制定光學(xué)衛(wèi)星成像計(jì)劃時(shí)，需要結(jié)合天氣情況生成衛(wèi)星成像計(jì)劃。

沖突消解：由于衛(wèi)星資源及觀測能力有限，對于不同用戶觀測較為集中的地區(qū)，衛(wèi)星即使通過側(cè)擺也不能滿足對不同的需求同時(shí)進(jìn)行拍攝，另外由于衛(wèi)星成像約束的限制，導(dǎo)致不同用戶的需求不能同時(shí)滿足，這時(shí)就需要進(jìn)行沖突消解。

遙感衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃的整體流程，具體步驟見圖1。

圖1 遙感衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃流程圖

根據(jù)提交采集申請，對用戶提交的點(diǎn)位或區(qū)域目標(biāo)進(jìn)行需求錄入；根據(jù)衛(wèi)星最新的軌道根數(shù)，對衛(wèi)星經(jīng)過需求目標(biāo)時(shí)的成像時(shí)間以及側(cè)擺信息進(jìn)行動(dòng)態(tài)推演；結(jié)合用戶需求、天氣因素、載荷使用約束、星上固存容量和地面站接收能力，消解成像沖突，綜合制定衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃方案，并生成衛(wèi)星載荷工作計(jì)劃及對應(yīng)的上注指令、地面跟蹤接收及數(shù)據(jù)傳輸處理計(jì)劃；上注指令發(fā)送測控部門上注衛(wèi)星，地面跟蹤接收計(jì)劃發(fā)送地面接收部門進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，處理計(jì)劃發(fā)送處理部門進(jìn)行影像數(shù)據(jù)處理。

三、區(qū)域目標(biāo)多星聯(lián)合觀測

衛(wèi)星遙感器具有特定的視場角度，一次成像過程能夠覆蓋一定幅寬的條帶區(qū)域。陸地觀測衛(wèi)星的觀測目標(biāo)一般可分為點(diǎn)目標(biāo)和區(qū)域目標(biāo)。衛(wèi)星遙感器可以通過一次觀測覆蓋點(diǎn)目標(biāo)，但對于區(qū)域目標(biāo)而言，衛(wèi)星遙感器單次拍攝無法完成覆蓋觀測，需要單顆衛(wèi)星多次過境或多顆衛(wèi)星協(xié)同聯(lián)合觀測。衛(wèi)星對地觀測計(jì)劃制定過程中包含許多特定客觀條件相關(guān)的約束。如地面目標(biāo)與衛(wèi)星之間的可見窗口、衛(wèi)星連續(xù)兩次觀測之間的時(shí)間間隔、整星平臺及各分系統(tǒng)能源、地面目標(biāo)要求的特定遙感器及特定分辨率、星上存儲空間、氣象條件等。同時(shí)為了盡可能多地覆蓋觀測目標(biāo)，還需要考慮載荷的側(cè)擺情況。

當(dāng)前在軌衛(wèi)星計(jì)劃制定時(shí)，計(jì)劃制定的工作人員需要采用區(qū)域目標(biāo)預(yù)先仿真的方式獲取衛(wèi)星過境窗口，根據(jù)各衛(wèi)星的過境窗口對區(qū)域目標(biāo)進(jìn)行拆分，并根據(jù)算法對拆分的區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化規(guī)劃，在規(guī)劃過程中迭代計(jì)算目標(biāo)覆蓋率，進(jìn)行實(shí)時(shí)效能評估同時(shí)對拆分方式進(jìn)行反饋調(diào)整，保證區(qū)域目標(biāo)覆蓋結(jié)果最優(yōu)。針對多星對地聯(lián)合任務(wù)規(guī)劃問題，需要根據(jù)實(shí)際情況制定優(yōu)化策略，合理安排衛(wèi)星資源，最大限度發(fā)揮衛(wèi)星效能。

以2米級衛(wèi)星為例，針對2米級衛(wèi)星覆蓋區(qū)域目標(biāo)，若指定特定衛(wèi)星對該區(qū)域進(jìn)行觀測，以高分一號（GF-1）衛(wèi)星為例，GF-1衛(wèi)星側(cè)擺25°不同緯度地區(qū)重訪時(shí)間如圖2所示。目前2米級衛(wèi)星資源較多，若多顆2米級衛(wèi)星聯(lián)合對該區(qū)域進(jìn)行觀測，側(cè)擺25°不同緯度地區(qū)重訪時(shí)間如圖3所示，側(cè)擺25°不同緯度地區(qū)每天過境次數(shù)如圖4所示。多顆衛(wèi)星聯(lián)合拍攝時(shí)需要考慮資源的合理分配，以及相鄰軌之間的數(shù)據(jù)搭接。

圖2 GF-1衛(wèi)星側(cè)擺25°不同緯度地區(qū)重訪時(shí)間

圖3 2米級衛(wèi)星側(cè)擺25°不同緯度地區(qū)重訪時(shí)間

圖4 2米級衛(wèi)星側(cè)擺25°不同緯度地區(qū)每天過境次數(shù)

以GF-1B/C/D三顆星聯(lián)合拍攝廣西為例。三顆衛(wèi)星在不側(cè)擺時(shí)過境廣西的情況如圖5所示，三顆衛(wèi)星在側(cè)擺搭接時(shí)過境廣西的情況如圖6所示。可以看出通過多星協(xié)同聯(lián)合拍攝，制定優(yōu)化策略，可合理使用衛(wèi)星資源，最大限度發(fā)揮衛(wèi)星效能。

圖5 三顆衛(wèi)星在不側(cè)擺時(shí)的幅寬及過境廣西情況

圖6 三顆衛(wèi)星在側(cè)擺搭接時(shí)的幅寬及過境廣西情況

四、遙感衛(wèi)星應(yīng)急觀測

在發(fā)生突發(fā)事件或者執(zhí)行緊急任務(wù)時(shí)，第一時(shí)間調(diào)動(dòng)遙感衛(wèi)星資源，調(diào)整遙感衛(wèi)星姿態(tài)、成像時(shí)間和下傳數(shù)據(jù)時(shí)間等，獲取遙感衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)，并提供觀測成果。涉及的主要環(huán)節(jié)包括應(yīng)急需求提出、應(yīng)急任務(wù)安排、應(yīng)急指令上注、應(yīng)急數(shù)據(jù)接收、應(yīng)急數(shù)據(jù)處理、應(yīng)急數(shù)據(jù)提供六項(xiàng)內(nèi)容（圖7）。

圖7 遙感衛(wèi)星應(yīng)急觀測流程圖

應(yīng)急需求提出是指突發(fā)事件或者緊急任務(wù)發(fā)生時(shí)，用戶提出遙感衛(wèi)星觀測時(shí)間、地理位置和衛(wèi)星圖像分辨率等要求。

應(yīng)急任務(wù)安排是指通過衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)緊急協(xié)調(diào)衛(wèi)星資源、安排應(yīng)急成像任務(wù)，并生成衛(wèi)星應(yīng)急成像指令及應(yīng)急數(shù)據(jù)接收、處理計(jì)劃的環(huán)節(jié)。

應(yīng)急指令上注是指通過地面測控站將衛(wèi)星成像指令緊急上注到衛(wèi)星的環(huán)節(jié)。若應(yīng)急成像指令與衛(wèi)星已獲取的指令有沖突，需要上注刪除指令及衛(wèi)星應(yīng)急成像指令，確保星上指令無沖突。

應(yīng)急數(shù)據(jù)接收是指地面接收站重點(diǎn)接收（一般采用備份接收的方式）遙感衛(wèi)星下傳的應(yīng)急衛(wèi)星數(shù)據(jù)原始碼流，并傳輸給應(yīng)急處理地面系統(tǒng)的環(huán)節(jié)。

應(yīng)急數(shù)據(jù)處理是指地面處理系統(tǒng)處理地面接收站接收到的應(yīng)急衛(wèi)星數(shù)據(jù)原始碼流，將原始數(shù)據(jù)處理為可視化影像數(shù)據(jù)的環(huán)節(jié)。

應(yīng)急數(shù)據(jù)提供是指將處理好的應(yīng)急遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)通過應(yīng)急共享通道提供給提出需求的用戶的環(huán)節(jié)。

五、結(jié)束語

“十三五”規(guī)劃對我國陸地觀測衛(wèi)星高分辨率系統(tǒng)提出了新的要求，我國將陸續(xù)研制發(fā)射“高分多模”、高分七號等5顆衛(wèi)星，全面完成高分辨率對地觀測系統(tǒng)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)由單一光學(xué)傳感器向光學(xué)、雷達(dá)、高光譜等多傳感器, 由單系列向多系列衛(wèi)星，由低分辨率向高中低分辨率結(jié)合的全方位、全天時(shí)、立體化的對地觀測體系轉(zhuǎn)變。隨著衛(wèi)星數(shù)量的增多，衛(wèi)星綜合運(yùn)控能力應(yīng)隨之增強(qiáng)，中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心將進(jìn)一步加強(qiáng)我國陸地觀測衛(wèi)星綜合管控系統(tǒng)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星的高效、穩(wěn)定運(yùn)行。