氣象信息輔助巴遙一號(hào)遙感衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃

文 | 寧定遠(yuǎn) 方舟 齊昕滸 陳元偉 李媛博

航天恒星科技有限公司

一、引言

遙感衛(wèi)星按照相對(duì)固定的高度飛行，而且衛(wèi)星的觀測(cè)視場(chǎng)角范圍也相對(duì)固定，通常，可用的高分辨率觀測(cè)寬度為50～100km。為了擴(kuò)大觀測(cè)范圍，遙感衛(wèi)星一般都具有側(cè)擺能力，能夠觀測(cè)到偏離星下線的目標(biāo)[1]。當(dāng)衛(wèi)星側(cè)擺后，可以觀測(cè)到一個(gè)以星下點(diǎn)軌跡為中心線的帶狀區(qū)域，在這個(gè)帶狀區(qū)域內(nèi)的地面目標(biāo)理論上都有機(jī)會(huì)被衛(wèi)星觀測(cè)到。但由于同一時(shí)刻衛(wèi)星只能觀測(cè)有限的地面目標(biāo)，不能同時(shí)完成多個(gè)目標(biāo)的觀測(cè)，所以需要設(shè)計(jì)與衛(wèi)星特點(diǎn)相匹配的任務(wù)規(guī)劃，對(duì)采集單進(jìn)行綜合評(píng)估和取舍后，最終安排滿足衛(wèi)星和地面資源要求的調(diào)度方案，滿足用戶的觀測(cè)要求。

光學(xué)成像衛(wèi)星因其分辨率高、成像質(zhì)量好，被廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、災(zāi)害防治和軍事偵察等活動(dòng)中，但由于氣象因素，光學(xué)衛(wèi)星在對(duì)地觀測(cè)成像過(guò)程中，圖像中經(jīng)常有成片的云層覆蓋區(qū)域，它們幾乎不具備任何地面信息[2]。光學(xué)衛(wèi)星受云層氣象環(huán)境的影響較大，據(jù)統(tǒng)計(jì)，60%左右的觀測(cè)數(shù)據(jù)存在云層遮蔽情況，這些無(wú)效數(shù)據(jù)占用了大量的數(shù)據(jù)傳輸和處理資源[3]。這個(gè)問(wèn)題幾乎伴隨著遙感技術(shù)發(fā)展的每個(gè)階段，是可見(jiàn)光衛(wèi)星遙感所面臨的一個(gè)重要課題[4-5]。面對(duì)該問(wèn)題，學(xué)者們主要從兩個(gè)維度進(jìn)行研究。一是對(duì)遙感影像處理達(dá)到去云的效果；二是從衛(wèi)星拍攝階段考慮減少氣象因素的影響。

本文則是在衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)獲取階段進(jìn)行處理，減少氣象因素的影響，增大有效成像區(qū)域的覆蓋率，從而獲得高質(zhì)量的成像圖像。研究根據(jù)衛(wèi)星成像任務(wù)規(guī)劃的流程，建設(shè)氣象信息輔助任務(wù)規(guī)劃流程，并通過(guò)巴遙一號(hào)地面應(yīng)用系統(tǒng)的實(shí)例，分析氣象信息輔助任務(wù)規(guī)劃的效果?？紤]氣象信息輔助進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃，能夠通過(guò)提前預(yù)測(cè)出的云量信息，提高目標(biāo)拍攝的成功率，獲得高質(zhì)量遙感衛(wèi)星影像，同時(shí)也提高了衛(wèi)星和地面資源的使用效率。

二、氣象信息輔助遙感衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃

氣象信息輔助任務(wù)規(guī)劃主要需要考慮完成氣象信息任務(wù)規(guī)劃的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、核心算法設(shè)計(jì)等工作。需要在任務(wù)規(guī)劃功能的基礎(chǔ)上，考慮氣象信息，進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃算法及相關(guān)核心技術(shù)的研究，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)其中的核心的任務(wù)規(guī)劃算法，完成原型系統(tǒng)研制，對(duì)核心模塊進(jìn)行驗(yàn)證。

1. 氣象信息相關(guān)流程

氣象信息輔助任務(wù)規(guī)劃主要考慮將從外部氣象服務(wù)接收到的云預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)和氣候統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)作為任務(wù)規(guī)劃的參考依據(jù)。其采集單處理過(guò)程如圖1所示?？紤]氣象信息任務(wù)規(guī)劃主要處理流程如圖2所示。

圖1 考慮氣象信息的采集單處理過(guò)程圖

圖2 考慮氣象信息任務(wù)規(guī)劃處理流程圖

考慮氣象信息任務(wù)規(guī)劃流程需要根據(jù)接收到的云覆蓋預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)和氣象統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)文件，在預(yù)規(guī)劃以及計(jì)劃的確認(rèn)和調(diào)整階段，對(duì)任務(wù)規(guī)劃方案進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。氣象信息作為這兩個(gè)階段的輸入?yún)?shù)，影響任務(wù)規(guī)劃的結(jié)果。

2. 氣象數(shù)據(jù)的格式和管理設(shè)計(jì)

在氣象信息輔助任務(wù)規(guī)劃中，將對(duì)國(guó)內(nèi)外氣象數(shù)據(jù)的格式、內(nèi)容、日接收數(shù)據(jù)量進(jìn)行調(diào)研，并設(shè)計(jì)專門(mén)用于輔助任務(wù)規(guī)劃的氣象數(shù)據(jù)格式。系統(tǒng)將設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)機(jī)構(gòu)、更新機(jī)制、檢索方式，以滿足存儲(chǔ)、檢索全球網(wǎng)格氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)功能；并確定各類氣象數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)時(shí)間。

3. 氣象數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式設(shè)計(jì)

在氣象信息輔助任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)中，將對(duì)云預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)、氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)和氣候統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)三種預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，分析氣象數(shù)據(jù)的種類、更新方式和具體的存儲(chǔ)方法。

4. 氣象數(shù)據(jù)的判讀和使用方式設(shè)計(jì)

在氣象信息輔助規(guī)劃中，將對(duì)氣象數(shù)據(jù)的整合、自動(dòng)判讀技術(shù)進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)一種判斷成像區(qū)域的天氣情況是否滿足衛(wèi)星成像要求的評(píng)價(jià)體系，以滿足氣象信息輔助任務(wù)規(guī)劃的需求。判讀算法根據(jù)配置參數(shù)和讀取的氣象數(shù)據(jù)值進(jìn)行判讀計(jì)算，最后得到判讀結(jié)果。

考慮氣象信息的任務(wù)規(guī)劃，將規(guī)劃前的氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)作為參考依據(jù)，結(jié)合其他條件：數(shù)據(jù)庫(kù)加載衛(wèi)星和接收站參數(shù)、數(shù)據(jù)采集單、衛(wèi)星星下點(diǎn)數(shù)據(jù)以及特殊的天文事件，共同決定拍攝任務(wù)和數(shù)據(jù)接收任務(wù)的規(guī)劃結(jié)果。

三、應(yīng)用案例

巴基斯坦遙感衛(wèi)星一號(hào)（簡(jiǎn)稱巴遙一號(hào)）地面應(yīng)用系統(tǒng)包括跟蹤與數(shù)據(jù)接收分系統(tǒng)、運(yùn)行管理分系統(tǒng)、圖像處理分系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理分系統(tǒng)、公共服務(wù)分系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)分系統(tǒng)六個(gè)分系統(tǒng)。

運(yùn)行管理分系統(tǒng)是地面應(yīng)用系統(tǒng)的重要組成部分，負(fù)責(zé)接收公共服務(wù)分系統(tǒng)的衛(wèi)星觀測(cè)請(qǐng)求，進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃，生成計(jì)劃文件，下發(fā)給跟蹤與數(shù)據(jù)接收分系統(tǒng)和測(cè)控系統(tǒng)；測(cè)控系統(tǒng)上注至衛(wèi)星，從而執(zhí)行計(jì)劃；跟蹤與數(shù)據(jù)接收分系統(tǒng)接收衛(wèi)星下傳的數(shù)據(jù)，并將狀態(tài)報(bào)給運(yùn)行管理分系統(tǒng)，從而達(dá)到監(jiān)控計(jì)劃執(zhí)行狀態(tài)的目的。該項(xiàng)目在衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃中引入了氣象因素，使用氣象信息輔助遙感衛(wèi)星進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃。

1.氣象歷史信息輔助任務(wù)規(guī)劃

用戶在下采集單前，提前對(duì)該區(qū)域歷史氣象信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，例如，用戶的拍攝區(qū)域?yàn)榘突固故锥家了固m堡，近10年伊斯蘭堡各月的平均云量統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，伊斯蘭堡一年中二月份的平均云量最多，覆蓋率達(dá)到了45%，六月份的云量最少，云量覆蓋率為11%左右。在六月份用戶得到高質(zhì)量衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)的概率最大；在二月份衛(wèi)星拍攝伊斯蘭堡，云量對(duì)目標(biāo)的覆蓋較大，衛(wèi)星獲取高質(zhì)量衛(wèi)星遙感影像的成功率較低。氣候統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的作用是使用戶對(duì)長(zhǎng)時(shí)間的天氣情況有一個(gè)總體的把控。

2.最新氣象信息輔助任務(wù)規(guī)劃

在該系統(tǒng)任務(wù)預(yù)規(guī)劃過(guò)程中，調(diào)用氣象評(píng)定算法，即利用最新氣象數(shù)據(jù)計(jì)算出該拍攝條帶在衛(wèi)星預(yù)計(jì)拍攝時(shí)間的平均云量值，如果該值小于用戶采集要求，則評(píng)定成功，反之，評(píng)定失敗。例如，用戶下北京地區(qū)的區(qū)域訂單，訂單中要求的云量值為小于30%，在沒(méi)有氣象信息輔助的情況下，該訂單任務(wù)規(guī)劃成功（available）（圖3），如果加入了氣象信息評(píng)定，該訂單在任務(wù)規(guī)劃過(guò)程中判定由于云量高于用戶要求，任務(wù)規(guī)劃失?。╱navailable），如圖4所示。

圖3 無(wú)氣象信息輔助任務(wù)規(guī)劃成功

圖4 考慮氣象信息輔助任務(wù)規(guī)劃失敗

從圖4中可以看出，該地區(qū)的云量值約72%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于用戶要求的云量覆蓋率30%的條件，因此任務(wù)規(guī)劃結(jié)果判定為失敗。常規(guī)任務(wù)規(guī)劃只考慮了衛(wèi)星載荷及接收資源使用約束，以該訂單為例，在常規(guī)任務(wù)規(guī)劃中，該訂單能夠任務(wù)規(guī)劃成功，在指定時(shí)間拍攝北京，但是實(shí)際拍攝的數(shù)據(jù)中有約72%為云量覆蓋區(qū)域，無(wú)法滿足遙感影像的使用要求，實(shí)際上浪費(fèi)了衛(wèi)星的拍攝資源和地面站的接收資源。

四、結(jié)論

文章根據(jù)衛(wèi)星成像任務(wù)規(guī)劃的流程，建設(shè)氣象信息輔助的任務(wù)規(guī)劃方案，并通過(guò)巴遙一號(hào)地面應(yīng)用系統(tǒng)的實(shí)例，分析氣象信息輔助任務(wù)規(guī)劃的效果?？紤]氣象信息輔助任務(wù)規(guī)劃能夠通過(guò)提前預(yù)測(cè)出的云量信息，提高目標(biāo)拍攝的成功率，獲得高質(zhì)量遙感衛(wèi)星影像，大大提高了衛(wèi)星和地面資源的使用效率。

考慮氣象信息的任務(wù)規(guī)劃在一定程度上可以提高遙感衛(wèi)星的成像質(zhì)量，提高接收站接收數(shù)據(jù)的成功率，但是這并不意味著考慮氣象因素后就不會(huì)出現(xiàn)低質(zhì)量圖像或者不會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)接收成功率低的情況。因?yàn)樘鞖忸A(yù)報(bào)數(shù)據(jù)存在一定的不確定性，預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率會(huì)影響到衛(wèi)星成像質(zhì)量。

同時(shí)，地面站范圍內(nèi)的大風(fēng)、大雨、大雪等惡劣天氣，會(huì)影響數(shù)據(jù)的接收，降低數(shù)據(jù)接收的成功率。后續(xù)研究中，應(yīng)在接收資源規(guī)劃中增加氣象信息的分析。接收資源規(guī)劃中除加載衛(wèi)星和接收站參數(shù)、接收資源使用需求、衛(wèi)星過(guò)站時(shí)間窗口以及特殊的天文事件外，還應(yīng)考慮接收站相應(yīng)時(shí)間的氣象信息，從而提高數(shù)據(jù)接收的成功率。