海洋衛(wèi)星北極多區(qū)域遙感成像任務規(guī)劃及應用評估

孫從容 刁寧輝 韓靜雨 劉金普 劉建強

(1 國家衛(wèi)星海洋應用中心,北京 100081;2 自然資源部空間海洋遙感與應用重點實驗室,北京100081)

0 引言

隨著全球氣候變暖,北冰洋海冰分布范圍呈減少趨勢,商船在北極區(qū)域的年通行時間變長。但由于北極地區(qū)氣象變化劇烈,海冰分布面積廣,且沿岸冰的產生和消融存在年際差異,對北極船舶航行安全產生重要影響[1-4]。衛(wèi)星遙感能夠對北極航線上的海冰進行監(jiān)測,保障各類船舶的安全通行[1-2]。北極是極軌衛(wèi)星過境頻次很高的區(qū)域,每天14 軌,如何遴選衛(wèi)星載荷對極區(qū)的觀測圈次合理安排探測時間和優(yōu)化流程,以及提升衛(wèi)星應用效能和服務水平,是極地遙感觀測中亟待解決的系統(tǒng)性技術問題?，F有的衛(wèi)星成像規(guī)劃算法側重于多星任務規(guī)劃和統(tǒng)籌[5-6],或者側重于應急敏捷衛(wèi)星任務規(guī)劃[7],尚沒有針對衛(wèi)星載荷設計極地每天多次過境多個關注區(qū)域覆蓋效率最優(yōu)等專用需求的成像規(guī)劃算法。

本文針對北極地區(qū)近實時遙感觀測,以北極航線經過的幾個重點海域,即靠近歐亞大陸和美洲大陸的島嶼密集區(qū)域為例,結合衛(wèi)星軌道預測技術和衛(wèi)星載荷特點,提出了一種多目標快速匹配的衛(wèi)星探測任務規(guī)劃算法。該任務規(guī)劃算法采用簡化的軌道預報模型和規(guī)劃算法,自主設計獨立編程,脫離商用軟件的約束,并利用海洋一號C 衛(wèi)星海岸帶成像儀進行了系統(tǒng)仿真,驗證了算法的有效性,可滿足近實時觀測的需求,改變了以往無差別接收任務規(guī)劃的不合理局面,成果可應用于全球海洋遙感觀測的業(yè)務化系統(tǒng)中,為我國海洋立體觀測網提供技術支撐,并在北極航線保障領域開展遙感應用。

1 北極重點海域遙感觀測任務規(guī)劃算法

1.1 海洋一號衛(wèi)星和載荷特點

海洋一號衛(wèi)星(HY-1)是運行在太陽同步軌道的海洋水色衛(wèi)星,目前在軌的HY-1CHY-1D衛(wèi)星已經進入了業(yè)務化組網運行階段,主要用于全球海洋水色水溫海岸帶和海洋災害與環(huán)境監(jiān)測,主要載荷有水色水溫掃描儀海岸帶成像儀(coastal zone imager,CZI)等(表1),在中國實時過境時連續(xù)開機,在北極等境外區(qū)域觀測時需要安排合理載荷開關機時間。

表1 HY-1C/D 衛(wèi)星及載荷特點Table 1.HY-1C/D satellite and payloads

1.2 北極航線重點監(jiān)測海域分布情況

本文選擇北極航線經過的幾個重點海域(表2),即靠近歐亞大陸和美洲大陸的島嶼密集區(qū)域,予以關注。地圖采用極坐標,區(qū)域2 跨越東西經180°,具體分布見圖1。

表2 北極選擇區(qū)域的地理范圍Table 2.Selected areas at Arctic region

圖1 北極選擇區(qū)域分布圖及一天的過境軌道Fig.1.All orbits passing Arctic region in one day and focus areas

1.3 CZI 在北極區(qū)域觀測能力的分析

海洋一號C 衛(wèi)星(HY-1C)在選擇的5 個區(qū)域里,每天經過的軌道數為5～9 軌(表3),需要合理選擇每個區(qū)域的過境軌道及載荷開關機時間,以達到觀測覆蓋最優(yōu)。

表3 HY-1C 衛(wèi)星在北極選擇區(qū)域的過境軌道Table 3.HY-1C satellite passing orbits on the selected areas

1.4 CZI 北極任務規(guī)劃需求

在北極所關注的區(qū)域內,每天過境軌道數量多,CZI 受到的約束包括:5 個區(qū)域內每天安排業(yè)務化觀測連續(xù)開機不超過20 min規(guī)避在同一圈次對2 個以上重點區(qū)域進行探測規(guī)避在同一圈次對境內和北極進行探測多區(qū)域總探測范圍最優(yōu)國內站接收和國外站接收的選擇跨日期變更線的區(qū)域2 的探測任務安排陽照區(qū)觀測要求。

目前的任務規(guī)劃一般是采用STK 等商用軟件進行設計,針對性不強,業(yè)務化運行期間一般采取每個區(qū)域固定探測時長依次選擇的策略,且現有任務規(guī)劃算法主要針對中低緯度區(qū)域設計,對北極地區(qū)的適應性不足,例如未考慮跨日期變更線單一區(qū)域出現多次過境時如何選擇軌道總成像區(qū)域最優(yōu)化等特點。此外,頻繁的人工操作易出錯,為提高工作效率,合理安排探測,業(yè)務化運行的衛(wèi)星一般采用專用軟件,本文論述的算法,采用簡化的軌道預報模型,針對北極探測任務規(guī)劃進行設計,通過自主設計獨立編程,自動實現北極多區(qū)域任務規(guī)劃。

1.5 CZI 北極任務規(guī)劃算法設計

任務規(guī)劃算法首先通過衛(wèi)星軌道根數,外推1 天或者若干天之后的衛(wèi)星位置,并根據衛(wèi)星載荷對地觀測的幾何關系,計算星下垂直掃描點和刈幅兩側掃描點的地理坐標,檢查它們是否位于本文所述的北極關注區(qū)域;之后計算掃描點的太陽高度角國內和國外接收站所在的軌道,并考慮1.4 節(jié)所述的避讓規(guī)則,確認該掃描點是否滿足覆蓋條件;最后統(tǒng)計不同軌道對重點關注區(qū)域的覆蓋因子,比較后得到各個關注區(qū)域的優(yōu)選軌道號和過境時間。

算法原理如下。

1.外推衛(wèi)星軌道

利用衛(wèi)星軌道根數,根據地球攝動理論修正生成精確的軌道根數,外推指定規(guī)劃期間的衛(wèi)星軌道。六個軌道根數是:軌道傾角i,升交點赤經Ω,軌道半長軸a,偏心率e,近地點幅角ω,衛(wèi)星過近地點的時刻τ0。

由參考時刻t1的軌道根數求出任一其他時刻的慣性坐標位置的方法[3-4]:

其中,ω0為τ0時刻的近地點幅角,J2=0.00108264 為地球引力場二階帶諧調和項的系數,Re為地球的赤道半徑,n為衛(wèi)星的平均角速度。

其中,Ω0為τ0時刻的升交點赤經。

其中,ex為軌道偏心率,ex0為偏心率向量的x分量,ey0為偏心率向量的y分量,,T為軌道周期。

其中,r為衛(wèi)星的位置矢量,為平均位置矢量,u為參考緯度。

其中,f為真近點角。

其中,xy和z為衛(wèi)星坐標。

2.計算衛(wèi)星星下點和刈幅兩側軌跡

根據CZI 掃描方式衛(wèi)星和地球的球面幾何關系(如圖2所示),計算星下點和刈幅邊緣掃描點的地理經緯度。在計算過程中,依次進行星體坐標系軌道坐標系地心慣性坐標系地固坐標系大地坐標系等多個坐標系的轉換。逐點進行地理定位,計算出每個對應地面點的經緯度。

圖2 CZI 探測幾何示意圖(左:平面幾何;右:球面幾何考慮地心和曲率)Fig.2.CZI detecting geometry(left:plane geometry;right:spherical geometry)

為衛(wèi)星載荷的單位觀測向量,p為載荷觀測向量與星下點的夾角,星下點或者刈幅兩側軌跡點對應的位置矢量為,此刻衛(wèi)星位置矢量為,用以下公式計算[5-6]。對北極地區(qū)的定位,根據選擇區(qū)域特點,為了節(jié)省計算時間,設置為衛(wèi)星在60°N 以上時每秒計算一次,衛(wèi)星處于60°N 以下時每分鐘計算一次。

即

其中,R對應衛(wèi)星到星下點或者軌跡點的距離,d是衛(wèi)星和掃描點的連線矢量,(dx,dy,dz)是衛(wèi)星與掃描點連線的三個余弦分量。計算時,星下點對應的掃描角p=0,軌跡點對應的p=63°/2=31.5°。

由于掃描點位于地球表面,存在關系式:

其中,Ae為地球的長半軸,Be為地球短半軸。

求解方程可以得到地面掃描點在慣性坐標系中的坐標(Xr,Yr,Zr),經坐標轉換得到地面掃描點在地心固連坐標系中的坐標(x,y,z)。經地固坐標系到直角大地坐標系的轉換公式[7],可以得到地面掃描點的地理緯度:

地理經度:

其中:

3.軌道選擇規(guī)則

對于每個區(qū)域,計算所有落在該區(qū)域軌道星下點和刈幅兩側軌跡,按照掃描軌跡進入和離開該區(qū)域的時間間隔t1和t2,比較掃描刈幅對該區(qū)域的覆蓋情況。設置覆蓋因子Fr作為覆蓋率指標,對當天所有經過軌道進行計算后,按大小排序,并選擇覆蓋率最大的軌道。

Fr定義為掃描點位置(Lat,Lon)落在區(qū)域內:

注:在跨越東西經180°的區(qū)域,比較經度大小時需將-180°～180°轉換為0°～360°范圍。

經過比較,總覆蓋因子的計算方式包括:計算星下點(FOV)軌跡上所有點的Fr;全部刈幅內的掃描點的Fr;用抽樣方式取刈幅內的掃描點,計算這些掃描點的Fr。

總覆蓋因子NF=多點Fr之和

其中第一種方式最簡便,但只有星下點信息,不能真實反映刈幅對該區(qū)域覆蓋率的差異。第二種方式最精確,但是如果逐點計算全部掃描點,當CZI 載荷分辨率為50 m 時,每行掃描點將超過2 萬個點,由于每條軌道和每個區(qū)域都需進行計算,使得計算量過大,特別是當任務規(guī)劃一次多天時,區(qū)域增大,數量增多,任務規(guī)劃軟件的計算量將呈幾何級數增加,計算時間過長,效率較低。第三種方式在第二種方式上做了簡化處理,計算量可控,便于實現,因此本文算法和軟件實現時采用第三種方式,經過比較,選擇每掃描行9 個點,逐行計算。

4.沖突和優(yōu)先級

本文按照區(qū)域編號排列優(yōu)先級,區(qū)域1 優(yōu)先級最高區(qū)域5 最低,在遇到兩個區(qū)域擬選擇的軌道出現沖突時,優(yōu)先級高的區(qū)域先選擇軌道,并在該軌道打上標記,使其他區(qū)域選擇時避開沖突軌道,按照第3 點中的規(guī)則選擇總覆蓋因子最大的軌道。

5.其他限定條件

在國內站和國外站的接收選擇方面,國內站的境內直傳國內回放優(yōu)先,國外站次之,此外CZI 固定開機區(qū)域需要規(guī)避相同的軌道。在可見光載荷開機探測方面,需選擇太陽光可照射的區(qū)域。由于北極區(qū)域冬季是極夜,而感興趣區(qū)域大多位于北極圈內,因此需要計算太陽高度角,并在任務規(guī)劃時選擇陽照區(qū)。在針對跨日期變更線的區(qū)域方面,算法里考慮了東經和西經之間的轉換和過渡。

2 任務規(guī)劃算法的實現和評估

2.1 北極重點區(qū)域探測仿真及應用成效

2020年5月,隨著北極地區(qū)進入夏季,太陽光照適合被動光學遙感觀測,利用本文的北極區(qū)域多目標成像規(guī)劃算法和軟件,開展了探測任務規(guī)劃。為提高載荷有效數據量,加入了CZI 最短開機時間限制(2 min)。算法利用ANSI C 語言編程,采用的HY-1C 軌道參數如下:

經過軌道外推掃描點軌跡計算總覆蓋因子計算等步驟,軟件輸出探測時間表(表4) 關注區(qū)域的各條軌道覆蓋因子(表5),并根據時間表安排了HY-1C 衛(wèi)星CZI 探測。覆蓋圖利用ArcGIS軟件繪制,所獲投影后實際探測影像見圖3,其中各觀測區(qū)域為紅色扇形區(qū)域,任務規(guī)劃算法定制的各區(qū)域CZI 探測覆蓋范圍(刈幅)用條帶表示,中間線條是星下點,兩側線條是刈幅兩端,各覆蓋范圍驗證了任務規(guī)劃算法的正確性,且本算法可適用于跨越東西經180 度分界線的觀測區(qū)域(如區(qū)域2)。延時數據14 分15 秒,符合回放要求。

表4 CZI 北極多區(qū)域探測時間Table 4.The CZI multi-area detecting schedule of the Arctic region

表5 關注區(qū)域的各條軌道覆蓋因子Table 5.Coverage factor of each orbit on focus areas

圖3 關注區(qū)域在一天中選擇的HY-1C 衛(wèi)星CZI 軌道Fig.3.Selected HY-1C CZI orbits on focus areas in one day

2.2 北極重點區(qū)域探測應用評估

根據北極多目標成像規(guī)劃算法,2020年5月安排HY-1C CZI 在北極區(qū)域進行實際成像觀測,驗證了規(guī)劃算法的正確性和有效性,經計算,相較于順序選取軌道的方式,使用任務規(guī)劃算法后,各區(qū)域的覆蓋率提高了11%～38%,區(qū)域1～5 的覆蓋率分別達到53%80%90%94%74%。由于區(qū)域1 的面積較大,受到載荷刈幅限制,因此單次最大覆蓋率較其它區(qū)域略低。

通過任務規(guī)劃,能夠實現在一天內對多區(qū)域的觀測,將業(yè)務化監(jiān)測的覆蓋范圍最大化。在重點區(qū)域觀測圖像(圖4)中可見加拿大北部群島和蘭開斯特海峽白令海-弗蘭格爾島新西伯利亞群島北地群島喀拉海和新地島等多個近岸區(qū)域的海冰已經開始融化,海冰分布面積減少,五個區(qū)域均出現明顯的冰間水道。

圖4 北極各區(qū)域HY-1C CZI 觀測結果。其中區(qū)域1 包括加拿大北部島嶼區(qū)域2 包括弗蘭格爾島區(qū)域3 包括新西伯利亞群島區(qū)域4 包括北地群島區(qū)域5 包括新地島Fig.4.HY-1C CZI detecting image in Arctic focus areas.Region 1 includes northern islands of Canada,region 2 includes Wrangel Island,region 3 includes New Siberian Islands,region 4 includes Severnaya Zemlya,and region 5 includes Novaya Zemlya

3 結論

北極多區(qū)域成像任務規(guī)劃算法,改變了以往無差別接收任務規(guī)劃的不合理局面,可通過一臺高分辨率遙感載荷每天探測北極地區(qū)多個關注區(qū)域,通過精細化特異化的載荷探測任務規(guī)劃,實現對北極關注區(qū)域的最優(yōu)覆蓋,軟件自主可控,有效發(fā)揮HY-1 系列衛(wèi)星CZI 境外觀測的效能,體現了星地聯合一體化設計的應用成效,為我國在北極地區(qū)的業(yè)務化遙感監(jiān)測奠定基礎。在海洋衛(wèi)星組網后,通過極地海洋科技創(chuàng)新,可為北極航線的商船航行提供更多更精準的衛(wèi)星觀測資料,為“冰上絲綢之路”服務。該算法可同樣適用于南極及其他區(qū)域的觀測任務規(guī)劃,應用于1m C-SAR 衛(wèi)星和即將發(fā)射的新一代海洋水色衛(wèi)星等的南北極多區(qū)域觀測任務規(guī)劃,還可以推廣到極地多星遙感業(yè)務化監(jiān)測的任務規(guī)劃。