高分衛(wèi)星任務(wù)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馬萬(wàn)權(quán)，徐小剛，霍國(guó)清，孔慶玲，張 棟，韓 續(xù)

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司航天信息應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050081)

0 引言

長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取渠道單一，尤其是高分辨率遙感數(shù)據(jù)基本上被國(guó)外壟斷，造成了作為我國(guó)農(nóng)業(yè)、林業(yè)、土地、水利、城市規(guī)劃、環(huán)境保護(hù)、地質(zhì)礦產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境和自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)應(yīng)對(duì)等領(lǐng)域的重要信息源的遙感數(shù)據(jù)長(zhǎng)期依賴進(jìn)口，相關(guān)領(lǐng)域不能掌握核心關(guān)鍵技術(shù)的困境。為打破我國(guó)高分辨率對(duì)地觀測(cè)技術(shù)落后、遙感數(shù)據(jù)依賴國(guó)外進(jìn)口的局面，高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)(China High-resolution Earth Observation System，CHEOS)重大專項(xiàng)(簡(jiǎn)稱“高分專項(xiàng)”)經(jīng)國(guó)務(wù)院批復(fù)立項(xiàng)，是《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006—2020年)》確定的16個(gè)國(guó)家重大科技專項(xiàng)之一，由國(guó)防科工局聯(lián)合有關(guān)部門(mén)共同實(shí)施，旨在大幅度提高我國(guó)自主對(duì)地觀測(cè)信息獲取能力,對(duì)保障國(guó)家安全、推動(dòng)國(guó)防現(xiàn)代化建設(shè)和促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展具有重大戰(zhàn)略意義。

CHEOS是國(guó)家重要的戰(zhàn)略性資源和空間基礎(chǔ)設(shè)施，包括衛(wèi)星系統(tǒng)、運(yùn)載系統(tǒng)等空間段，以及發(fā)射、測(cè)控和地面應(yīng)用系統(tǒng)等地面段。建立以CHEOS重大專項(xiàng)數(shù)據(jù)中心為核心的地面系統(tǒng)，是有效滿足國(guó)家有關(guān)重大戰(zhàn)略需求、推動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展的保障，是銜接高分?jǐn)?shù)據(jù)獲取系統(tǒng)與應(yīng)用不可或缺的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，高效獲取利用高分?jǐn)?shù)據(jù)、為行業(yè)部委等用戶進(jìn)行社會(huì)治理提供有力支持，也是落實(shí)數(shù)據(jù)政策、積累戰(zhàn)略數(shù)據(jù)資源、加強(qiáng)信息安全監(jiān)管和進(jìn)行宏觀調(diào)控的重要支撐[1]。

高分專項(xiàng)按照衛(wèi)星型號(hào)工程立項(xiàng)研制，但是為了提高高分衛(wèi)星和地面資源的建設(shè)和運(yùn)行效率，對(duì)高分地面系統(tǒng)提出了統(tǒng)籌建設(shè)要求。明確要求，通過(guò)高分地面系統(tǒng)建設(shè)帶動(dòng)我國(guó)現(xiàn)有衛(wèi)星地面設(shè)施和資源統(tǒng)籌利用和整合，全面提升空間數(shù)據(jù)資源共享共用水平。地面系統(tǒng)建設(shè)將統(tǒng)籌規(guī)劃并利用我國(guó)陸地、環(huán)境、氣象和海洋衛(wèi)星已有的地面設(shè)施和技術(shù)能力，創(chuàng)新管理和運(yùn)行模式，聯(lián)合相關(guān)部門(mén)組建高分民用數(shù)據(jù)中心，建立統(tǒng)一任務(wù)規(guī)劃、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、運(yùn)行平臺(tái)和服務(wù)模式的工作機(jī)制，建成國(guó)家級(jí)高分?jǐn)?shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)，滿足國(guó)家對(duì)專項(xiàng)的要求。

1 高分衛(wèi)星介紹

高分一號(hào)衛(wèi)星是CHEOS的首發(fā)星，裝載2臺(tái)全色多光譜高分辨率相機(jī)和4臺(tái)寬覆蓋多光譜相機(jī)，6臺(tái)相機(jī)相互配合，具有“高分辨率與大視場(chǎng)相結(jié)合、多載荷圖像拼接融合應(yīng)用”的特點(diǎn)。全色多光譜高分辨率相機(jī)采用同軸三反光學(xué)鏡頭與多譜段TDICCD相結(jié)合的技術(shù)路線，寬覆蓋多光譜相機(jī)具有4個(gè)多光譜譜段，采用4臺(tái)相機(jī)進(jìn)行拼接視場(chǎng)的方式，實(shí)現(xiàn)星下點(diǎn)地面分辨率優(yōu)于16 m、觀測(cè)帶寬達(dá)830 km的技術(shù)指標(biāo)，單星實(shí)現(xiàn)了4 d的重復(fù)觀測(cè)周期[2]。

高分二號(hào)衛(wèi)星是中國(guó)首顆分辨率達(dá)到1 m的民用遙感衛(wèi)星，裝載2臺(tái)1 m全色/4 m多光譜相機(jī)，整星質(zhì)量為2 100 kg。衛(wèi)星運(yùn)行在632 km的太陽(yáng)同步軌道上，可為用戶提供最高全色分辨率為0.8 m、多光譜分辨率為3.2 m、幅寬為45 km的圖像數(shù)據(jù)，是中國(guó)第一顆目標(biāo)定位精度要求達(dá)到 50 m、空間分辨率最高的民用低軌遙感衛(wèi)星[3]。

高分三號(hào)衛(wèi)星是我國(guó)首顆C頻段多極化高分辨率合成孔徑雷達(dá)(SAR)衛(wèi)星，具有聚束、條帶、掃描等12種成像模式，可以獲取分辨率 1～500 m、幅寬 10～500 km、從單極化至全極化的SAR圖像，單次成像最長(zhǎng)可連續(xù)工作 50 min，具有高分辨率、大成像幅寬、高輻射精度、多成像模式和長(zhǎng)時(shí)工作的特點(diǎn)，能夠全天候和全天時(shí)實(shí)現(xiàn)全球海洋和陸地信息的監(jiān)視監(jiān)測(cè)，并通過(guò)左右姿態(tài)機(jī)動(dòng)擴(kuò)大對(duì)地觀測(cè)范圍和提升快速響應(yīng)能力，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到或超過(guò)國(guó)外同類衛(wèi)星水平[4-5]。

高分四號(hào)衛(wèi)星是我國(guó)首顆地球靜止軌道高分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星。衛(wèi)星有效載荷配置1臺(tái)可見(jiàn)光和中波紅外共口徑的光學(xué)相機(jī)，星下點(diǎn)像元分辨率達(dá)到可見(jiàn)光譜段50 m/中波紅外譜段400 m，可見(jiàn)光通道幅面大于500 km×500 km；共6個(gè)譜段，譜段范圍是0.45～0.9 μm和3.5～4.1 μm，無(wú)控制點(diǎn)目標(biāo)定位精度優(yōu)于4 km。衛(wèi)星具有全色、多光譜和中波紅外譜段成像能力，利用長(zhǎng)期駐留固定區(qū)域上空和快速指向調(diào)整的優(yōu)勢(shì)，可快速對(duì)中國(guó)及周邊地區(qū)的觀測(cè)任務(wù)進(jìn)行響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了高時(shí)間分辨率和較高空間分辨率的結(jié)合。高分四號(hào)衛(wèi)星的研制填補(bǔ)了我國(guó)乃至世界高軌道高分辨率遙感衛(wèi)星的空白[6-7]。

高分五號(hào)衛(wèi)星是我國(guó)第一顆高光譜綜合觀測(cè)衛(wèi)星，裝載了6臺(tái)有效載荷，觀測(cè)譜段覆蓋范圍從紫外到長(zhǎng)波紅外譜段(0.24～13.3 μm)，最高光譜分辨率達(dá)0.03 cm-1。衛(wèi)星具備高光譜與全譜段對(duì)地成像、大氣掩星與天底觀測(cè)、大氣多角度偏振探測(cè)和海洋耀斑觀測(cè)等觀測(cè)手段，具備在軌定標(biāo)功能，絕對(duì)輻射定標(biāo)精度優(yōu)于5%，光譜定標(biāo)精度最高可達(dá)0.008 cm-1。主要用于獲取從紫外到長(zhǎng)波紅外譜段的高光譜分辨率遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品，是實(shí)現(xiàn)高分專項(xiàng)“形成高空間分辨率、高時(shí)間分辨率、高光譜分辨率和高精度觀測(cè)的時(shí)空協(xié)調(diào)，全天候、全天時(shí)的對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)”目標(biāo)的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)國(guó)家高分辨率對(duì)地觀測(cè)能力的重要標(biāo)志之一,可為我國(guó)大氣、水、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)、自然資源調(diào)查和氣候變化研究等提供國(guó)產(chǎn)高光譜數(shù)據(jù)產(chǎn)品[8]。

高分六號(hào)衛(wèi)星是首顆采用國(guó)產(chǎn)CMOS成像器件的多光譜遙感衛(wèi)星，兼具高分辨率成像與超大幅寬成像能力，裝載1臺(tái)全色2 m/多光譜8 m分辨率95 km幅寬的高分辨率相機(jī)和1臺(tái)16 m分辨率860 km幅寬的超大視場(chǎng)寬覆蓋多光譜相機(jī)，8個(gè)譜段充分利用了可見(jiàn)光0.4～0.9 μm光譜范圍，量化位數(shù)達(dá)到12 bit，輻射分辨能力比高分一號(hào)提高了4倍，也是我國(guó)首顆具備紅邊譜段的遙感衛(wèi)星。和高分一號(hào)組網(wǎng)運(yùn)行，對(duì)我國(guó)陸地區(qū)域的重訪時(shí)間分辨率提高了一倍[9]。

高分七號(hào)衛(wèi)星是我國(guó)首顆1∶10 000比例尺立體測(cè)繪衛(wèi)星，裝載1臺(tái)雙線陣相機(jī)和1臺(tái)激光測(cè)高儀，其中前視相機(jī)地面像元分辨率0.8 m，后視相機(jī)地面像元分辨率0.65 m，多光譜地面像元分辨率2.6 m，實(shí)現(xiàn)了雙線陣相機(jī)與激光測(cè)高儀主被動(dòng)復(fù)合測(cè)繪新體制，實(shí)現(xiàn)了少控制點(diǎn)或無(wú)控制點(diǎn)區(qū)域的大比例尺立體測(cè)繪能力。首次實(shí)現(xiàn)了低軌遙感衛(wèi)星X頻段自適應(yīng)高速率數(shù)據(jù)傳輸，雙通道最高傳輸速率可達(dá)2×1.2 Gb/s[10-11]。

2 地面系統(tǒng)研制建設(shè)任務(wù)

2.1 地面系統(tǒng)研制建設(shè)目標(biāo)

地面系統(tǒng)建設(shè)主要包括數(shù)據(jù)接收、定標(biāo)檢校和公共平臺(tái)3類基礎(chǔ)保障設(shè)施，以及數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)處理和任務(wù)管理三大運(yùn)行系統(tǒng)。

3類基礎(chǔ)保障設(shè)施是指：數(shù)據(jù)接收設(shè)施，即衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收站網(wǎng)；定標(biāo)檢校設(shè)施，即對(duì)大氣、陸地、海洋等定標(biāo)和檢驗(yàn)設(shè)施；公共平臺(tái)設(shè)施，即數(shù)據(jù)服務(wù)網(wǎng)格和通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施等。

三大運(yùn)行系統(tǒng)主要任務(wù)：數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)通過(guò)地面接收站網(wǎng)完成海量數(shù)據(jù)接收和快速傳輸；數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)負(fù)責(zé)生產(chǎn)0～2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品；任務(wù)管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)星地任務(wù)規(guī)劃、設(shè)施運(yùn)行調(diào)度、數(shù)據(jù)分發(fā)管理和系統(tǒng)運(yùn)行評(píng)價(jià)。

2.2 地面系統(tǒng)運(yùn)行架構(gòu)設(shè)計(jì)

高分地面系統(tǒng)不僅需要根據(jù)用戶應(yīng)用需求來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)建設(shè)，同時(shí)還要考慮天基系統(tǒng)對(duì)地面系統(tǒng)的研制功能和指標(biāo)要求進(jìn)行配套建設(shè)任務(wù)管理管控能力、地面接收能力和數(shù)據(jù)處理能力，地面系統(tǒng)是一個(gè)大型復(fù)雜的信息系統(tǒng),整個(gè)系統(tǒng)建設(shè)周期為10年，同時(shí)考慮到天基系統(tǒng)是逐步完成立項(xiàng)和研制工作，因此地面系統(tǒng)采用增量式的研發(fā)過(guò)程，必然要研究解決系統(tǒng)的基礎(chǔ)架構(gòu)和工作流程的柔性重組與擴(kuò)展問(wèn)題。為了保障地面系統(tǒng)建設(shè)順利開(kāi)展以及建成的地面系統(tǒng)運(yùn)行可靠，進(jìn)行了地面系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)和綜合集成。

為了實(shí)現(xiàn)高分專項(xiàng)工程研制建設(shè)目標(biāo)，引領(lǐng)對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展，在實(shí)施方案中，針對(duì)高分專項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新內(nèi)容多、行業(yè)部委專用戶需求多、研制建設(shè)周期跨度大、參與建設(shè)實(shí)施與運(yùn)行的單位多等特點(diǎn)，地面系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)提出了“五統(tǒng)一”頂層設(shè)計(jì)原則，即：“任務(wù)規(guī)劃統(tǒng)一、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、運(yùn)行平臺(tái)統(tǒng)一、服務(wù)模式統(tǒng)一和信息網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一”。

根據(jù)“五統(tǒng)一”設(shè)計(jì)原則，從我國(guó)對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)地面應(yīng)用體系需求出發(fā)，提出了覆蓋高分衛(wèi)星陸地、氣象、海洋遙感領(lǐng)域的高分專項(xiàng)地面系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)，整合地面接收站網(wǎng)、定標(biāo)與數(shù)據(jù)處理、衛(wèi)星任務(wù)管控、數(shù)據(jù)共享分發(fā)網(wǎng)絡(luò)資源，設(shè)計(jì)了高分地面系統(tǒng)運(yùn)行架構(gòu)(如圖1所示)和統(tǒng)一的控制流程和信息流程，支撐了高分專項(xiàng)運(yùn)行機(jī)制的建立。

圖1 高分專項(xiàng)地面系統(tǒng)運(yùn)行架構(gòu)Fig.1 Operating architecture of CHEOS ground system

2.3 任務(wù)管理系統(tǒng)的地位作用

民用高分衛(wèi)星地面任務(wù)管理系統(tǒng)作為高分專項(xiàng)地面系統(tǒng)的三大組成系統(tǒng)之一，是任務(wù)優(yōu)化決策和衛(wèi)星控制的中樞神經(jīng)系統(tǒng)，是地面系統(tǒng)高效有序運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其職能定位如圖2所示。從用戶提出對(duì)地觀測(cè)需求開(kāi)始，統(tǒng)籌規(guī)劃衛(wèi)星和地面系統(tǒng)的任務(wù)，編排任務(wù)計(jì)劃，管控衛(wèi)星相機(jī)、固存、數(shù)傳等有效載荷動(dòng)作，安排地面數(shù)據(jù)站網(wǎng)接收、地面處理和分發(fā),并分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)運(yùn)行效能。

圖2 高分地面任務(wù)管理系統(tǒng)地位作用Fig.2 Position and role of CHEOS mission management system

任務(wù)管理系統(tǒng)是高分衛(wèi)星應(yīng)用效益能否發(fā)揮的重要基礎(chǔ)，且通過(guò)系統(tǒng)建設(shè)可有效帶動(dòng)我國(guó)現(xiàn)有衛(wèi)星地面設(shè)施和資源統(tǒng)籌利用和整合，全面提升對(duì)地觀測(cè)資源共享共用水平，對(duì)推動(dòng)我國(guó)民用遙感行業(yè)技術(shù)發(fā)展具有重要作用。

2.4 任務(wù)管理系統(tǒng)功能與指標(biāo)

任務(wù)管理系統(tǒng)的建設(shè)目標(biāo)是：研制高分地面任務(wù)管理平臺(tái)，具備高分系列衛(wèi)星觀測(cè)任務(wù)規(guī)劃、地面系統(tǒng)任務(wù)流程的運(yùn)行管理能力和星地資源管理與狀態(tài)監(jiān)視能力，實(shí)現(xiàn)地面系統(tǒng)控制流與信息流的綜合集成，支持對(duì)衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量管理、地面系統(tǒng)運(yùn)行統(tǒng)計(jì)分析和運(yùn)行監(jiān)管評(píng)價(jià)。

主要功能指標(biāo)如下：

① 處理用戶需求，對(duì)用戶需求進(jìn)行分析，形成天基任務(wù)規(guī)劃預(yù)案，進(jìn)行會(huì)商協(xié)調(diào)；

② 對(duì)觀測(cè)計(jì)劃、載荷計(jì)劃、接收計(jì)劃、定標(biāo)檢校計(jì)劃的執(zhí)行過(guò)程實(shí)施制定、跟蹤與閉環(huán)管理；

③ 根據(jù)對(duì)地觀測(cè)任務(wù)進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃，形成一種或多種載荷組合的對(duì)地觀測(cè)任務(wù)單，按照衛(wèi)星工作模式和多傳感器使用方式制定衛(wèi)星觀測(cè)計(jì)劃；

④ 根據(jù)數(shù)據(jù)接收資源、衛(wèi)星預(yù)報(bào)軌道制定衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收計(jì)劃；

⑤ 處理衛(wèi)星遙測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)遙測(cè)參數(shù)監(jiān)視衛(wèi)星及有效載荷工作狀態(tài)；

⑥ 監(jiān)視地面系統(tǒng)的運(yùn)行狀況以及任務(wù)執(zhí)行情況；

⑦ 綜合顯示地面系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、任務(wù)進(jìn)程、衛(wèi)星運(yùn)行狀態(tài)；

⑧ 管理調(diào)度高分地面系統(tǒng)業(yè)務(wù)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)地面任務(wù)管理系統(tǒng)、接收系統(tǒng)和處理系統(tǒng)之間的業(yè)務(wù)協(xié)調(diào)，并完成任務(wù)閉環(huán)管理；

⑨ 模擬仿真高分地面系統(tǒng)接收系統(tǒng)、處理系統(tǒng)、任務(wù)管理系統(tǒng)的接口和業(yè)務(wù)流程，并驗(yàn)證其正確性和完整性；

⑩ 采集系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)行效能分析與評(píng)價(jià)。

主要技術(shù)指標(biāo)如下：

① 管理陸地、大氣、海洋觀測(cè)等7顆高分衛(wèi)星；

② 控制可見(jiàn)光、紅外、多光譜、高光譜、微波成像和大氣觀測(cè)等衛(wèi)星有效載荷；

③ 常規(guī)模式下任務(wù)規(guī)劃用時(shí)≤15 min，應(yīng)急模式下任務(wù)規(guī)劃用時(shí)≤3 min;

④ 工作模式：常規(guī)模式，應(yīng)急模式；

⑤ 模擬地面各系統(tǒng)接口，覆蓋率不低于99%；模擬接口文件和測(cè)試用例正確率不低于98%。

3 任務(wù)管理系統(tǒng)研制建設(shè)進(jìn)展

3.1 任務(wù)管理系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

與衛(wèi)星研制進(jìn)度相適應(yīng)，任務(wù)管理系統(tǒng)分3階段統(tǒng)籌建設(shè)。第1階段工程開(kāi)展頂層設(shè)計(jì)，針對(duì)高分一號(hào)、二號(hào)和三號(hào)衛(wèi)星完成研制建設(shè)任務(wù)；第2階段工程針對(duì)高分四號(hào)、五號(hào)衛(wèi)星完成研制建設(shè)任務(wù)；第3階段工程針對(duì)高分六號(hào)、七號(hào)衛(wèi)星完成研制建設(shè)任務(wù)。

在立項(xiàng)與可研論證及總體技術(shù)方案設(shè)計(jì)中，運(yùn)用系統(tǒng)工程理論開(kāi)展了領(lǐng)域分析與工程建模，設(shè)計(jì)了支持增量式開(kāi)發(fā)與集成的技術(shù)體系架構(gòu)，梳理了系統(tǒng)工程中的關(guān)鍵技術(shù)，分解了系統(tǒng)功能與性能指標(biāo)，將任務(wù)管理系統(tǒng)的研制建設(shè)任務(wù)分解為3個(gè)部分：星地任務(wù)統(tǒng)籌規(guī)劃與調(diào)度管理平臺(tái)、地面系統(tǒng)仿真與綜合集成平臺(tái)和系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)采集與運(yùn)行評(píng)價(jià)平臺(tái)。

星地任務(wù)統(tǒng)籌規(guī)劃與調(diào)度管理平臺(tái)受理分析各類用戶觀測(cè)需求，實(shí)施任務(wù)去重合并預(yù)規(guī)劃，通過(guò)人機(jī)交互式會(huì)商確定預(yù)案，優(yōu)化星地協(xié)同任務(wù)方案，編排高分衛(wèi)星載荷工作計(jì)劃、業(yè)務(wù)測(cè)控計(jì)劃、地面數(shù)據(jù)接收計(jì)劃，調(diào)度任務(wù)計(jì)劃有序?qū)嵤ＴO(shè)計(jì)了用戶需求統(tǒng)籌分析、天地一體化綜合任務(wù)規(guī)劃、中長(zhǎng)期任務(wù)規(guī)劃、低軌衛(wèi)星計(jì)劃編制、高分四號(hào)任務(wù)編排、運(yùn)行調(diào)度會(huì)商和技術(shù)支持服務(wù)等7個(gè)子系統(tǒng)。

地面系統(tǒng)仿真與綜合集成平臺(tái)利用二維/三維可視化方式展示任務(wù)規(guī)劃與管理的全過(guò)程，進(jìn)行衛(wèi)星地面系統(tǒng)接口模擬仿真，為地面任務(wù)管理系統(tǒng)接口對(duì)接、平面聯(lián)試、系統(tǒng)集成提供聯(lián)調(diào)測(cè)試環(huán)境，為地面系統(tǒng)的增量式開(kāi)發(fā)集成過(guò)程的平穩(wěn)升級(jí)提供支撐。設(shè)計(jì)了任務(wù)仿真與展現(xiàn)、接口數(shù)據(jù)模擬和測(cè)試用例管理等3個(gè)子系統(tǒng)。

系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)采集與運(yùn)行評(píng)價(jià)平臺(tái)通過(guò)采集地面系統(tǒng)采集星地系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程數(shù)據(jù)，進(jìn)行任務(wù)閉環(huán)管理和數(shù)據(jù)與產(chǎn)品質(zhì)量信息管理，統(tǒng)計(jì)分析業(yè)務(wù)運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)地面系統(tǒng)運(yùn)行評(píng)價(jià)，輸出日?qǐng)?bào)、月報(bào)和年報(bào)等系統(tǒng)能力分析和效能評(píng)估結(jié)果。設(shè)計(jì)了等地面系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)管、衛(wèi)星運(yùn)行評(píng)價(jià)、用戶服務(wù)評(píng)價(jià)和運(yùn)行監(jiān)管服務(wù)網(wǎng)站等4個(gè)子系統(tǒng)。

3.2 任務(wù)管理系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

從我國(guó)對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)地面應(yīng)用體系需求出發(fā)，基于“五統(tǒng)一”原則，統(tǒng)一體系構(gòu)架、技術(shù)體制和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，秉承“服務(wù)、敏捷、智慧、高效”的設(shè)計(jì)理念，在構(gòu)建星地資源一體化、自動(dòng)化、智能化的規(guī)劃調(diào)度體系基礎(chǔ)上，基于插件軟件平臺(tái)[12]，建立了基于服務(wù)的開(kāi)放式架構(gòu)，如圖3所示。按照業(yè)務(wù)應(yīng)用層、業(yè)務(wù)服務(wù)層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用軟件支撐平臺(tái)層、軟件基礎(chǔ)支撐平臺(tái)層和系統(tǒng)硬件支撐平臺(tái)層的多層可重組重構(gòu)的柔性系統(tǒng)結(jié)構(gòu)理念，建立可擴(kuò)展的用戶需求統(tǒng)籌服務(wù)、任務(wù)管理調(diào)度服務(wù)、星地資源智能規(guī)劃服務(wù)、星地可視化仿真平臺(tái)和系統(tǒng)運(yùn)行效果評(píng)估平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)用戶、衛(wèi)星、地面站、處理各環(huán)節(jié)的有序高效運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖3 高分地面任務(wù)管理系統(tǒng)技術(shù)體系架構(gòu)Fig.3 System architecture of CHEOS mission management system

3.3 關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)

重點(diǎn)針對(duì)高分專項(xiàng)的高時(shí)間分辨率、高空間分辨率、高光譜分辨率的科技創(chuàng)新要求，結(jié)合高分衛(wèi)星的多載荷工作模式(可見(jiàn)光、紅外、多光譜、微波條帶、微波寬幅掃描、微波聚束、微波全極化條帶、微波模式成像、高光譜、大氣痕量氣體差分吸收光譜儀、立體成像和激光等)、多用戶(國(guó)土、減災(zāi)、氣象、海洋和環(huán)境等行業(yè)用戶；京津冀、長(zhǎng)三角、珠三角、省級(jí)區(qū)域用戶、科研院所和大眾用戶)、多任務(wù)(調(diào)查、監(jiān)測(cè)和應(yīng)急)、高低軌衛(wèi)星協(xié)同觀測(cè)等應(yīng)用特點(diǎn)，開(kāi)展技術(shù)體系研究和工程實(shí)施應(yīng)用，突破開(kāi)放式多用戶對(duì)地觀測(cè)需求統(tǒng)籌處理、靜止軌道衛(wèi)星應(yīng)急任務(wù)編排、天地一體化多星任務(wù)規(guī)劃和啟發(fā)式快速應(yīng)急任務(wù)調(diào)度方法等多個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。

(1) 開(kāi)放式多用戶對(duì)地觀測(cè)需求統(tǒng)籌服務(wù)平臺(tái)設(shè)計(jì)

高分用戶對(duì)地觀測(cè)需求數(shù)量持續(xù)激增，針對(duì)行業(yè)、區(qū)域用戶多、觀測(cè)需求各異的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了開(kāi)放式的用戶需求受理平臺(tái)，面向各類調(diào)查、監(jiān)測(cè)等常規(guī)觀測(cè)任務(wù)和應(yīng)急觀測(cè)任務(wù)，提供衛(wèi)星過(guò)頂軌道預(yù)報(bào)、目標(biāo)訪問(wèn)計(jì)算、用戶目標(biāo)批量導(dǎo)入與管理、觀測(cè)任務(wù)執(zhí)行進(jìn)展反饋等功能，提高用戶需求提交的方便性和準(zhǔn)確性。采用基于層級(jí)任務(wù)網(wǎng)絡(luò)(HTN)技術(shù)建立多用戶對(duì)地觀測(cè)需求預(yù)處理模型[13]，分析各用戶對(duì)觀測(cè)目標(biāo)區(qū)域、觀測(cè)時(shí)限、傳感器空間分辨率及光譜要求，將復(fù)合任務(wù)分解成元任務(wù)，便于發(fā)揮人機(jī)交互決策優(yōu)勢(shì)，同時(shí)提高用戶需求的滿足度。

在綜合任務(wù)規(guī)劃過(guò)程中，根據(jù)用戶提交的年度觀測(cè)需求預(yù)先進(jìn)行中長(zhǎng)期任務(wù)規(guī)劃分析，可以在較長(zhǎng)一段時(shí)間充分有效地利用現(xiàn)有衛(wèi)星資源，從而最大限度滿足用戶的需求。

針對(duì)各類用戶的短期、中期、長(zhǎng)期觀測(cè)需求，根據(jù)觀測(cè)需求對(duì)時(shí)間、空間和頻度的要求，建立多用戶對(duì)地觀測(cè)需求統(tǒng)籌處理模型，從需求時(shí)空分布、覆蓋率預(yù)估和優(yōu)先級(jí)等多個(gè)方面統(tǒng)籌分析觀測(cè)需求，考慮高分系列各衛(wèi)星軌道特性、回訪周期，利用一個(gè)基準(zhǔn)回歸周期內(nèi)的星歷數(shù)據(jù)推算任意時(shí)間的衛(wèi)星運(yùn)行位置，從而最大限度提高訪問(wèn)覆蓋分析的效率和準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)了開(kāi)放式觀測(cè)需求統(tǒng)籌平臺(tái)，幫助用戶提出精準(zhǔn)的觀測(cè)任務(wù)，滿足了服務(wù)用戶范圍廣、用戶需求復(fù)雜多樣、對(duì)需求受理與分析反饋要求高的需求，有效提高了觀測(cè)需求滿足率。

(2) 天地一體化綜合任務(wù)規(guī)劃技術(shù)

觀測(cè)任務(wù)規(guī)劃過(guò)程就是面向任務(wù)的規(guī)劃與優(yōu)化控制過(guò)程，是組合優(yōu)化問(wèn)題，問(wèn)題可行解數(shù)量巨大，具有組合爆炸特征。采用天地一體化綜合任務(wù)規(guī)劃技術(shù)，既考慮用戶需求滿足情況又考慮星地資源優(yōu)化利用，即結(jié)合氣象信息、數(shù)據(jù)預(yù)處理結(jié)果信息，在規(guī)劃時(shí)間范圍內(nèi)對(duì)多顆高分衛(wèi)星進(jìn)行綜合任務(wù)優(yōu)化，在滿足衛(wèi)星成像約束條件的前提下，消解多衛(wèi)星之間的任務(wù)沖突、單星任務(wù)沖突、地面站數(shù)據(jù)接收任務(wù)沖突。

其中，任務(wù)規(guī)劃算法是實(shí)現(xiàn)星地系統(tǒng)任務(wù)編排和資源優(yōu)化分配的關(guān)鍵，采用智能啟發(fā)式算法，根據(jù)問(wèn)題規(guī)模和時(shí)效性要求，選擇不同算法模型解決工程實(shí)際問(wèn)題。特別是針對(duì)應(yīng)急任務(wù)快速響應(yīng)需求，考慮衛(wèi)星側(cè)擺能力、空間分辨率要求、地面接收資源約束等，基于相鄰觀測(cè)任務(wù)姿態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)間約束和待觀測(cè)目標(biāo)優(yōu)先級(jí)，實(shí)現(xiàn)可變滑動(dòng)窗口的任務(wù)分配方法，并基于對(duì)任務(wù)規(guī)劃調(diào)度基本規(guī)則庫(kù)、精確算法、啟發(fā)式算法以及智能算法組成的底層算法集合進(jìn)行管理與調(diào)度，快速進(jìn)行任務(wù)分配，從而實(shí)現(xiàn)了啟發(fā)式快速應(yīng)急任務(wù)調(diào)度，該方法具有時(shí)序控制邏輯簡(jiǎn)單、時(shí)間復(fù)雜度低、任務(wù)安排效率高等特點(diǎn)，有效提高了多星應(yīng)急觀測(cè)時(shí)效性。

(3) 靜止軌道衛(wèi)星應(yīng)急任務(wù)動(dòng)態(tài)編排技術(shù)

高分四號(hào)衛(wèi)星為我國(guó)首顆高分辨率的地球靜止軌道衛(wèi)星，具備對(duì)指定目標(biāo)實(shí)施持續(xù)和近實(shí)時(shí)觀測(cè)，且應(yīng)急響應(yīng)快、時(shí)效性要求特別高。為此，提出了一種基于最佳觀測(cè)時(shí)間和衛(wèi)星最佳成像路線要素的地球靜止軌道衛(wèi)星快速任務(wù)規(guī)劃技術(shù)[14],根據(jù)衛(wèi)星工作時(shí)間、機(jī)動(dòng)次數(shù)、星上存儲(chǔ)、陽(yáng)光規(guī)避、接收站使用約束、觀測(cè)時(shí)間要求和機(jī)動(dòng)時(shí)間最短等約束，建立規(guī)劃模型。通過(guò)分析遺傳算法、模擬退火算法、蟻群算法、禁忌搜索算法和貪婪算法等多種算法的尋優(yōu)特點(diǎn)和對(duì)不同觀測(cè)任務(wù)的適應(yīng)性基礎(chǔ)上，遺傳算法在任務(wù)規(guī)模不大的情況下具有較好的尋優(yōu)能力，可以快速得到或逼近最優(yōu)解，并且有針對(duì)性地設(shè)計(jì)了優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星按照既定最佳成像路線進(jìn)行衛(wèi)星成像時(shí)，能夠觀測(cè)最多優(yōu)先級(jí)高的任務(wù)，且總側(cè)擺時(shí)間最少，成像質(zhì)量最高，根據(jù)衛(wèi)星掃描步進(jìn)方式及區(qū)域大小，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)計(jì)算點(diǎn)目標(biāo)的俯仰和滾動(dòng)指向角度，針對(duì)突發(fā)應(yīng)急任務(wù)，設(shè)計(jì)了任務(wù)直接插入、任務(wù)迭代插入和任務(wù)替代插入方法調(diào)度分配應(yīng)急任務(wù)，提高了地球靜止軌道衛(wèi)星觀測(cè)資源利用率和快速反應(yīng)能力[15]。

(4) 系統(tǒng)運(yùn)行效果評(píng)價(jià)技術(shù)

研究高分系統(tǒng)控制流程和信息流程的實(shí)際運(yùn)行過(guò)程，從衛(wèi)星觀測(cè)、數(shù)據(jù)接收、產(chǎn)品生產(chǎn)、產(chǎn)品推送和服務(wù)時(shí)間等角度對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，設(shè)計(jì)了衛(wèi)星成像時(shí)間、數(shù)傳時(shí)間、載荷工作時(shí)間和利用率等衛(wèi)星利用情況進(jìn)行評(píng)價(jià)指標(biāo)，設(shè)計(jì)了接收時(shí)長(zhǎng)、接收數(shù)據(jù)量、利用率等地面站運(yùn)行情況評(píng)價(jià)指標(biāo)，設(shè)計(jì)了傳輸時(shí)間、產(chǎn)品生產(chǎn)時(shí)間、產(chǎn)品推送時(shí)間等任務(wù)時(shí)效性評(píng)價(jià)指標(biāo)。

通過(guò)采集高分專項(xiàng)用戶需求受理、星地任務(wù)規(guī)劃與計(jì)劃編排、業(yè)務(wù)測(cè)控調(diào)度、衛(wèi)星觀測(cè)與數(shù)傳實(shí)施、地面接收與處理等環(huán)節(jié)的系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，建立了任務(wù)規(guī)模、時(shí)效性、執(zhí)行成功率、產(chǎn)品質(zhì)量和用戶滿意度等指標(biāo)評(píng)價(jià)模型，開(kāi)發(fā)了基于模板的數(shù)據(jù)挖掘分析技術(shù)，可生成關(guān)于高分遙感系統(tǒng)的包括衛(wèi)星和地面一體化的運(yùn)行評(píng)價(jià)周報(bào)、月報(bào)、年報(bào)，為國(guó)防科工局及各部委主管機(jī)構(gòu)對(duì)高分專項(xiàng)運(yùn)行效能監(jiān)管提供了支撐。

3.4 工程實(shí)施與試驗(yàn)驗(yàn)證

任務(wù)管理系統(tǒng)是隨著衛(wèi)星的逐步發(fā)射而研制實(shí)施的，必然是一個(gè)增量式開(kāi)發(fā)和集成試驗(yàn)的過(guò)程。通過(guò)研制建設(shè)地面系統(tǒng)仿真與綜合集成平臺(tái)，建立聯(lián)調(diào)與集成測(cè)試環(huán)境，在每一顆衛(wèi)星發(fā)射前，開(kāi)展分步驟的集成、聯(lián)試與測(cè)試，達(dá)到系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù)需要的技術(shù)狀態(tài)。在完成單個(gè)軟件配置項(xiàng)的研制后，在統(tǒng)一設(shè)計(jì)的任務(wù)管理一體化體系架構(gòu)基礎(chǔ)上，綜合集成試驗(yàn)過(guò)程中采取的具體方法包括：

接口聯(lián)試：語(yǔ)法、語(yǔ)義檢查驗(yàn)證，接口流程中協(xié)議的動(dòng)態(tài)驗(yàn)證；

軟件集成調(diào)試：驗(yàn)證各系統(tǒng)有關(guān)接口、語(yǔ)法、流程的正確性，檢查各系統(tǒng)軟件功能，保證各系統(tǒng)具備執(zhí)行任務(wù)條件；

星地對(duì)接試驗(yàn)：通過(guò)初樣星星地對(duì)接試驗(yàn)和正樣星星地對(duì)接試驗(yàn)，確認(rèn)業(yè)務(wù)測(cè)控指令，為衛(wèi)星在軌測(cè)試提供基礎(chǔ)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)；

集成聯(lián)試試驗(yàn)：打通地面系統(tǒng)信息接口和業(yè)務(wù)流程，對(duì)系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證地面系統(tǒng)業(yè)務(wù)測(cè)控、數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理和系統(tǒng)監(jiān)控工作流程的正確性和匹配性；

在軌測(cè)試：保障衛(wèi)星關(guān)鍵技術(shù)狀態(tài)的調(diào)試，配合衛(wèi)星及載荷進(jìn)行功能性能測(cè)試、星地一體化指標(biāo)測(cè)試、地面及應(yīng)用示范系統(tǒng)測(cè)試；

系統(tǒng)驗(yàn)收：驗(yàn)證系統(tǒng)功能、性能是否滿足要求，接口、流程是否正確，文檔資料是否齊全并符合標(biāo)準(zhǔn)化要求，設(shè)備是否齊套，判定是否滿足批復(fù)的設(shè)計(jì)要求具備驗(yàn)收條件。

4 任務(wù)管理系統(tǒng)技術(shù)創(chuàng)新成果

2013年4月高分一號(hào)衛(wèi)星發(fā)射，任務(wù)管理系統(tǒng)同步上線運(yùn)行，隨著衛(wèi)星發(fā)射逐步擴(kuò)展優(yōu)化，完成了高分7顆衛(wèi)星相關(guān)的任務(wù)管理系統(tǒng)研制建設(shè)和在軌測(cè)試試驗(yàn)任務(wù)，取得了一系列具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)創(chuàng)新成果：

① 遵循“五統(tǒng)一”頂層設(shè)計(jì)原則，采用面向服務(wù)的思想進(jìn)行了高分衛(wèi)星一體化管控設(shè)計(jì)，涵蓋高分所有衛(wèi)星任務(wù)管理模式，設(shè)計(jì)了平臺(tái)加插件可擴(kuò)展軟件架構(gòu)，支持各型號(hào)衛(wèi)星任務(wù)管控模塊的增量式集成，滿足了衛(wèi)星發(fā)射時(shí)間跨度大、系統(tǒng)邊建設(shè)邊使用的高要求。

② 研制了系統(tǒng)接口試驗(yàn)?zāi)M仿真平臺(tái)，利用該平臺(tái)自動(dòng)模擬生成各類測(cè)試用例和接口，實(shí)現(xiàn)了增量式研制與綜合集成的完美結(jié)合，系統(tǒng)工程實(shí)踐效益明顯。

③ 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了任務(wù)管理服務(wù)總線和可重構(gòu)的任務(wù)管理流程，既可以把衛(wèi)星的資源實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理，又解決了需要在不同時(shí)機(jī)進(jìn)行并行與串行相結(jié)合的任務(wù)規(guī)劃和串行計(jì)劃編排的矛盾，適應(yīng)了衛(wèi)星載荷類型多、使用模式和約束復(fù)雜、對(duì)任務(wù)規(guī)劃和計(jì)劃編制要求高的需求。

④ 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了面向調(diào)查、監(jiān)測(cè)等常規(guī)觀測(cè)任務(wù)和應(yīng)急觀測(cè)任務(wù)的開(kāi)放式任務(wù)統(tǒng)籌平臺(tái)，滿足了服務(wù)用戶范圍廣、用戶需求復(fù)雜多樣、對(duì)需求受理與分析反饋要求高的需求。

⑤ 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)運(yùn)行評(píng)價(jià)平臺(tái)，滿足了系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)龐大、關(guān)聯(lián)關(guān)系復(fù)雜、對(duì)系統(tǒng)監(jiān)管與評(píng)價(jià)要求高的需求。

5 結(jié)束語(yǔ)

高分衛(wèi)星任務(wù)管理系統(tǒng)是銜接用戶和衛(wèi)星的橋梁，上線以來(lái)持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，滿足了國(guó)家安全、行業(yè)部委、應(yīng)用示范、企事業(yè)單位等各類用戶的遙感觀測(cè)需求，保障了甘肅迭部森林大火、青海門(mén)源地震災(zāi)害、四川九寨溝7.0級(jí)地震災(zāi)害、G20峰會(huì)氣象保障等多次重大任務(wù)[16]，成效顯著。

隨著我國(guó)民用空間基礎(chǔ)設(shè)施的研制建設(shè)，需要進(jìn)一步研究新的衛(wèi)星載荷及其工作模式的管控、天地一體化智能化管控、虛擬星座分布式管控[17-18]、應(yīng)急任務(wù)管控、大眾化用戶智能終端需求受理服務(wù)技術(shù)，以適應(yīng)技術(shù)不斷創(chuàng)新要求，不斷提高更大規(guī)模、不同用戶的對(duì)地觀測(cè)任務(wù)需求的滿足度。