面向應急事件的衛(wèi)星任務規(guī)劃技術

王靜巧 楊磊 莊超然 史小金

面向應急事件的衛(wèi)星任務規(guī)劃技術

王靜巧1,2楊磊1,2莊超然1,2史小金1,2

（1 中國四維測繪技術有限公司，北京 100094）（2 中國資源衛(wèi)星應用中心，北京 100094）

陸地觀測衛(wèi)星在軌運控中，面向用戶成像需求的任務規(guī)劃通常分為常規(guī)和應急兩種類型。常規(guī)任務規(guī)劃即根據(jù)需求的類型及空間位置，結合衛(wèi)星軌道信息進行需求過境計算及常規(guī)任務安排，以獲取衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)；應急任務規(guī)劃即通過技術手段實現(xiàn)衛(wèi)星快速應急成像。文章通過分析衛(wèi)星常規(guī)及應急運控模式，提出了衛(wèi)星應急成像任務規(guī)劃模式下需求統(tǒng)籌、衛(wèi)星資源綜合調度、應急可行性分析、測控和接收資源調度、應急計劃快速調整等關鍵技術，總結了中國陸地觀測衛(wèi)星應急成像能力，對應急任務規(guī)劃系統(tǒng)設計提出可行性建議，有效地提高了衛(wèi)星應急時效性。

任務規(guī)劃 應急成像 智能匹配 動態(tài)任務規(guī)劃 陸地觀測衛(wèi)星

0 引言

目前我國民用陸地觀測衛(wèi)星在軌運行20余顆，傳感器類型涵蓋光學、雷達等，軌道分為高軌和低軌。應急災害響應一般指針對無預兆的突發(fā)的自然災害或人為的事故災難，如地震，洪澇，火災等進行及時響應和處理方案的制定與實施，以最大程度減少損失。遙感作為應急觀測的重要手段，當應急災害發(fā)生時，快速利用遙感衛(wèi)星資源實現(xiàn)監(jiān)測，為災害預警、決策、評估提供重要的數(shù)據(jù)支撐。

目前，常規(guī)任務規(guī)劃模式可以滿足各遙感用戶日常數(shù)據(jù)應用。在應急調度中，國內外針對應急衛(wèi)星資源和測控資源以及協(xié)同觀測研究較多，例如面向地質災害應急的國產衛(wèi)星觀測能力分析、面向自然災害應急的衛(wèi)星協(xié)同觀測策略研究[1-13]，也有考慮了衛(wèi)星全流程提出了系統(tǒng)構建設想，但都側重于應急需求分析，衛(wèi)星資源、測控資源和地面站資源調度[14-19]，對于基于任務規(guī)劃系統(tǒng)應急全流程研究較少。

本文結合實際運行的多星任務規(guī)劃系統(tǒng)[20-21]和常規(guī)應急任務規(guī)劃流程，提出了需求統(tǒng)籌、衛(wèi)星資源綜合調度、應急可行性分析、測控和接收資源調度、應急計劃快速調整，以及應急任務規(guī)劃關鍵技術和系統(tǒng)設計，實現(xiàn)應急數(shù)據(jù)快速獲取。

1 常規(guī)任務規(guī)劃分析

1.1 常規(guī)任務規(guī)劃模式

遙感衛(wèi)星常規(guī)成像任務制定，需要根據(jù)用戶日常采集需求，在滿足傳感器使用約束條件下，結合天氣預報信息、任務優(yōu)先級、沖突消解情況等，對衛(wèi)星和地面站接收資源進行規(guī)劃和調度，結合歷史數(shù)據(jù)獲取情況，制定遙感衛(wèi)星任務規(guī)劃方案，使得需求覆蓋和星地資源利用率最大化。并生成傳感器工作計劃指令、地面站接收計劃和數(shù)據(jù)處理計劃，分別發(fā)送至測控、接收和數(shù)據(jù)處理部門。

1.2 常規(guī)任務規(guī)劃簡介

常規(guī)任務規(guī)劃涉及用戶需求、衛(wèi)星運控、衛(wèi)星測控和數(shù)據(jù)接收等部分。

用戶需求主要為各遙感用戶根據(jù)具體的國土覆蓋、科研、實驗等觀測任務提出的常規(guī)觀測需求，以及國防、減災等應急觀測需求。需求類型為多軌覆蓋區(qū)域目標或單軌覆蓋點位（小區(qū)域）目標，需求獲取周期分為一次有效觀測或多次重復觀測。

衛(wèi)星運控指統(tǒng)籌所有用戶觀測需求，根據(jù)優(yōu)先級、氣象預報信息、緊迫程度消解衛(wèi)星資源沖突，調整最優(yōu)側擺角度，制定成像計劃；針對多星協(xié)同衛(wèi)星觀測任務，統(tǒng)籌衛(wèi)星資源，規(guī)劃側擺角度，達到連片覆蓋，避免重復拍攝。衛(wèi)星有剩余拍攝資源時，結合氣象信息選擇無云區(qū)域，并結合歷史全球漏縫區(qū)域，將衛(wèi)星和地面站資源利用率達到最大化，充分發(fā)揮星地效能，實現(xiàn)全國、全球遙感數(shù)據(jù)周期性有效覆蓋。

衛(wèi)星測控中測控資源主要用于遙測參數(shù)下傳和遙控指令上傳。常規(guī)情況下，太陽同步衛(wèi)星每天運行14～15圈，測控圈次提前一周每天分配2～4圈，白天和晚上均勻分布。衛(wèi)星計劃制定周期一般為一天，選擇晚上的測控圈次上注次日衛(wèi)星成像指令。測控資源可以滿足衛(wèi)星常規(guī)任務上注頻次。

數(shù)據(jù)下傳采用地面接收站內實傳，地面站外星上記錄數(shù)據(jù)順序回放。地面站按照接收計劃接收衛(wèi)星下傳數(shù)據(jù)，發(fā)送至地面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)傳輸處理可滿足常規(guī)時效性要求。

用戶常規(guī)成像需求一般提前提出，數(shù)據(jù)在一定周期內有效覆蓋即可，計劃制定時間充裕，衛(wèi)星常規(guī)任務規(guī)劃時效性可滿足用戶常規(guī)需求。應急任務具有突發(fā)性，常規(guī)任務規(guī)劃周期、測控資源和數(shù)據(jù)接收傳輸可能無法滿足應急觀測要求。

2 應急任務規(guī)劃分析

2.1 應急任務規(guī)劃模式

自然災害或者其他應急觀測任務，需要快速響應，及時調動衛(wèi)星資源獲取影像數(shù)據(jù)。首要任務是根據(jù)用戶提供的應急經緯度信息，計算衛(wèi)星過境時間。若應急發(fā)生時，衛(wèi)星當天均已過境應急區(qū)域，不具備觀測窗口，則次日進行任務安排，該過程不涉及修改或者刪除星上已有指令，符合衛(wèi)星常規(guī)制定周期，容易實現(xiàn)。若當日還未過境應急區(qū)域，則可安排當日成像，若星上已有指令相沖突，需要申請應急測控資源，制定應急觀測計劃，生成應急指令上注衛(wèi)星，以及應急接收計劃發(fā)送至地面接收站。

針對突發(fā)應急觀測任務，當天獲取數(shù)據(jù)對任務規(guī)劃要求較高。后續(xù)持續(xù)的觀測，全鏈路仍為應急快速獲取數(shù)據(jù)，但任務規(guī)劃為常規(guī)的應急安排。如圖1所示主要針對當天應急任務規(guī)劃進行分析。

圖1 應急任務規(guī)劃鏈路

2.2 應急任務規(guī)劃分析

（1）應急需求分析

災害類型：應急災害主要有爆炸、火災、地震、滑坡、泥石流、堰塞湖、火山、溢油、雪災、洪澇、龍卷風、臺風等，不同的應急觀測任務對衛(wèi)星、傳感器和分辨率要求有所不同，不同災害需要匹配相應的衛(wèi)星資源。

目標大?。簯庇^測任務根據(jù)災害區(qū)域大小，分為點目標、多點目標、區(qū)域等。針對點目標多星同時過境，可多次進行觀測；多點、區(qū)域目標一顆衛(wèi)星不能完整覆蓋時，需多星聯(lián)合觀測。

衛(wèi)星分類：雷達衛(wèi)星主要拍攝洪澇災害，光學衛(wèi)星用于拍攝其他應急災害事件。

分辨率：高分辨率優(yōu)于2m的衛(wèi)星資源常用于拍攝爆炸、火災、地震等應急災害事件；分辨率2m以下的中低分辨率衛(wèi)星常用于拍攝火山、溢油、洪澇等較大范圍的災害事件。

軌道類型：太陽同步軌道衛(wèi)星以其較高的分辨率及多星聯(lián)合快速重訪能力，可用于各種類型的災害監(jiān)測及應急事件響應；地球同步軌道衛(wèi)星由于其具有較大的觀測范圍，以及一天內多次機動能力，常用于森林火災巡查，火山爆發(fā)監(jiān)測等。

觀測周期：一次觀測、一次有效（無云）和多次觀測。

（2）應急可行性分析

針對應急類型，匹配衛(wèi)星資源，計算衛(wèi)星過境時間、側擺角度等信息。單顆光學衛(wèi)星平均3～5天重訪一次，4顆衛(wèi)星平均每天重訪一次。目前在軌運行陸地觀測衛(wèi)星20余顆，每天平均重訪3～4次。光學衛(wèi)星降交點地方時一般設置為10:30，該觀測時段成像的光照條件最好，因太陽高度角近似相同，有利用農、林、國土等行業(yè)衛(wèi)星數(shù)據(jù)拼接使用。隨著衛(wèi)星長時間的運行，降交點地方時發(fā)生一定變化，但也基本集中在9:00—11:00之間。由于衛(wèi)星過境時間相對集中[22-24]，對突發(fā)應急觀測任務的完成有一定弊端。衛(wèi)星側擺使得對目標能夠實現(xiàn)的觀測時間范圍擴大，表1展示了不同緯度，不同經度的點目標太陽同步衛(wèi)星星下點及側擺后時間范圍。例如：對于點目標（東經120°，北緯40°）而言，東部地區(qū)點目標在衛(wèi)星側擺的情況下，觀測時間范圍集中在9:05—11:42；而在衛(wèi)星不側擺的情況下，其觀測時間范圍會有所縮短。不同經緯度地區(qū)在衛(wèi)星側擺及不側擺情況下可觀測的時間范圍如表1所示。

表1 不同經緯度點位觀測時間范圍

Tab.1 Observation time range in different degrees of longitude and latitude points

當天應急成像需要滿足一定條件：應急需求提出在成像前，具備測控資源。如圖2所示為應急任務的執(zhí)行時刻，假設為應急需求提出時間，1為測控站開始時間，2為衛(wèi)星指令開始執(zhí)行時間，3為衛(wèi)星過境時間。＜3，即需求提出時間在成像前，但涉及刪除星上指令或者做指令替換，則一般需要提前一個測控圈執(zhí)行刪除或者替換，即3－2一般大于衛(wèi)星運行一圈時間，當然若可使用中繼測控資源則該時段響應可縮減。1－，為應急任務規(guī)劃時間。3－2是指令開始執(zhí)行與衛(wèi)星成像時間間隔，為衛(wèi)星固有的時間，該時長一般為分鐘級。通常情況下，應急發(fā)生在衛(wèi)星成像前2h，即3－大于2h，應急任務可執(zhí)行性較高。

圖2 應急任務執(zhí)行時刻

應急測控：針對當日應急指令上注，需要具備成像前測控資源，且需判斷已有的測控資源是否滿足應急測控條件，若測控資源不能滿足應急指令上注，需協(xié)調增加測控資源。

應急任務規(guī)劃：應急觀測需求提出當天可調度衛(wèi)星進行應急觀測，但由于當天的衛(wèi)星指令已上注，且與應急任務相沖突，因此需要調整衛(wèi)星成像計劃或者制定優(yōu)先級高的指令進行替換。

成像計劃調整：通過設置應急時刻，選擇測控時間至應急成像時間之間某一時刻作為應急方案開始時刻，調整這一時刻后的成像計劃；保持當天已執(zhí)行計劃無變化，進行應急任務及后續(xù)任務的重新編排，如果應急區(qū)域在地面站接收范圍內，使用實傳模式，若應急區(qū)域在接收站范圍外，使用記錄模式，選擇最近地面站下傳；重新編排的應急成像方案生成對應計劃及指令，分別更新至地面站、數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)，應急指令通過應急測控圈次上注衛(wèi)星。

指令替換：制定應急成像計劃，設置為高優(yōu)先級，上注應急指令替換星上已有成像指令。

應急接收：地面站備份接收應急數(shù)據(jù)，優(yōu)先傳輸至處理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理采用截取應急區(qū)域快速處理技術，實現(xiàn)數(shù)據(jù)快速處理。

2.3 應急任務規(guī)劃關鍵技術

（1）需求與衛(wèi)星資源智能匹配

根據(jù)災害類型分類使用不同的衛(wèi)星、不同的傳感器和不同的分辨率進行觀測，例如洪澇災害主要以雷達衛(wèi)星為主觀測，森林火災可白天使用可見光載荷，晚上使用紅外相機觀測。通過統(tǒng)籌陸地觀測衛(wèi)星資源，構建應急需求與衛(wèi)星傳感器匹配模型，突發(fā)應急災害發(fā)生時，依據(jù)災害類型即可快速智能匹配對應的資源進行應急籌劃。

（2）自動化應急分析及規(guī)劃

結合需求，統(tǒng)籌衛(wèi)星、測控和接收資源，建立全鏈路閉環(huán)自動化分析和管理系統(tǒng)，從需求分析、任務規(guī)劃、測控資源申請、接收、傳輸和處理進行全局統(tǒng)籌，實現(xiàn)全鏈路狀態(tài)跟蹤。主要為應急任務自動匹配衛(wèi)星資源，快速計算衛(wèi)星過境時間信息；測控資源匹配，判斷是否需要申請應急測控資源；星上指令分析，根據(jù)衛(wèi)星能力和成像計劃分析進行指令替換或者刪除重注，實現(xiàn)應急響應。若需要刪除星上指令，根據(jù)星上已有成像計劃和測控資源窗口，衛(wèi)星使用約束，快速定位衛(wèi)星指令刪除時間點，自動反饋測控部門，執(zhí)行星上指令刪除。若替換星上指令，制定應急計劃生成指令，測控部門應急上注。

（3）應急動態(tài)規(guī)劃

常規(guī)情況下，測控資源由測控部門按照測控天線數(shù)量，統(tǒng)籌所有測運控衛(wèi)星統(tǒng)一分配。成像計劃制定周期常規(guī)每天制定一天任務，為了實現(xiàn)快速應急，按照測控資源每天制定多批計劃執(zhí)行上注，應急任務發(fā)生后可以動態(tài)調整成像計劃，隨時插入[25]。測控資源按照成像需求和衛(wèi)星任務周期合理預分配，既有利于滿足用戶常規(guī)需求拍攝，又滿足應急任務拍攝。

3 應急任務規(guī)劃系統(tǒng)設計

3.1 應急任務規(guī)劃系統(tǒng)

統(tǒng)籌應急需求、衛(wèi)星資源、測控資源和接收資源，實現(xiàn)快速應急數(shù)據(jù)獲取。應急觀測系統(tǒng)主要分為三個模塊（如圖3所示），應急需求模塊、應急籌劃分析模塊和應急計劃調整模塊。

圖3 多星應急聯(lián)合調度基本框架

應急需求模塊：應急任務與衛(wèi)星資源智能匹配中，針對點目標計算相對簡單，計算衛(wèi)星過境側擺角度和成像時間，按照最小角度、最高分辨率、計劃調整便捷、任務沖突少原則選擇成像資源。針對一軌不能覆蓋的大區(qū)域目標，多星聯(lián)合覆蓋，多星不能完整覆蓋時，確定拍攝區(qū)域優(yōu)先級。

應急籌劃分析模塊：該模塊通過接口方式，獲取各衛(wèi)星成像計劃。針對刪除指令重注應急指令衛(wèi)星，判斷刪除時段（當前時間至應急成像前），獲取此時間段測控窗口，測控窗口不滿足，向測控部門以接口方式申請，并直接進入現(xiàn)有規(guī)劃系統(tǒng)，根據(jù)衛(wèi)星成像計劃定位刪除時機，自動推送至測控部門執(zhí)行刪除。針對指令替換衛(wèi)星，定位指令上注時機，是否具備測控資源。

圖4 應急任務規(guī)劃執(zhí)行過程

應急計劃調整模塊：針對刪除指令重注衛(wèi)星，加載應急需求，對應急籌劃分析模塊定位的刪除點后的計劃重新規(guī)劃，生成應急計劃。對于指令替換衛(wèi)星，根據(jù)應急點位，替換應急前一軌的成像任務編號，并生成優(yōu)先級高的應急指令。

指令發(fā)送：應急指令和接收處理計劃分別發(fā)送測控部門、接收系統(tǒng)和處理系統(tǒng)。

應急任務規(guī)劃具體執(zhí)行過程見圖4。

3.2 應用仿真

2021年3月21日8時火災應急觀測，點位東經109.2°，北緯28°，任務規(guī)劃系統(tǒng)智能匹配陸地觀測衛(wèi)星資源，包括“資源一號”02C/02D/04/04A星（ZY-1 02C/02D/04/04A）、“資源三號”01/02/03星（ZY-3 01/02/03）、“高分一號/二號/六號/七號”衛(wèi)星（GF-1/2/6/7）、“高分一號”B、C、D星（GF-1B/C/D）等。經過軌道快速計算，得出衛(wèi)星當天過境窗口（見表2），由表2可知當天過境衛(wèi)星共計4顆。由于火災區(qū)域面積較小，可進行單點位拍攝，一顆衛(wèi)星成像即可。對衛(wèi)星已上注成像計劃進行可行性分析，GF-1D衛(wèi)星滿足3–2＞2h，同時該衛(wèi)星可在成像期間刪除指令，且在成像前一圈具備測控窗口，因此確定使用該星執(zhí)行應急任務。指令上注窗口時間弧段為10:01—10:12，根據(jù)該圈指令執(zhí)行時間，定位指令刪除時機，執(zhí)行星上已有指令刪除，同時制定應急成像計劃，生成衛(wèi)星應急成像指令，由該測控圈隨后及時上注衛(wèi)星。

表2 衛(wèi)星應急點位過境時刻

4 結論及展望

本文從應急任務衛(wèi)星快速成像出發(fā)，分析了常規(guī)任務規(guī)劃和應急任務規(guī)劃模式，提出了應急可行性分析和任務規(guī)劃模式，并對涉及關鍵技術進行分析。本文提出的應急任務規(guī)劃系統(tǒng)設計思路，能夠解決應急任務資源綜合統(tǒng)籌快速規(guī)劃問題，通過多星應急統(tǒng)籌規(guī)劃，有效提升陸地觀測衛(wèi)星應急成像的時效性。

遙感觀測在應急救災中發(fā)揮著越來越重要的作用，為了實現(xiàn)衛(wèi)星快速應急成像，建議衛(wèi)星降交點地方時離散分布，設置13:00、15:00軌道面衛(wèi)星，且每個軌道面設置衛(wèi)星星座，每天可有離散分布觀測窗口。合理測控站點空間位置及數(shù)量，確保地面測控資源充裕，同時衛(wèi)星具備中繼測控、快速替換指令功能，有效提升陸地觀測衛(wèi)星應急成像的時效性。

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Emergency-oriented Satellite Mission Planning

WANG Jingqiao1,2YANG Lei1,2ZHUANG Chaoran1,2SHI Xiaojin1,2

（1 China Siwei Surveying and Mapping Technology Co. Ltd., Beijing 100094, China）（2 China Centre for Resources Satellite Data and Application, Beijing 100094, China）

In the on-orbit operation and control of land observation satellites, the task planning for user imaging requirements can be divided into two types: conventional and emergency. Conventional mission planning refers to demand transit calculation and routine mission arrangement according to demand type and space location combined with satellite orbit information to obtain satellite image data. Emergency mission planning is to realize satellite rapid emergency imaging by technical means. By analyzing the conventional and emergency operation and control modes of satellites, this paper proposes key technologies such as demand overall planning, satellite resource comprehensive scheduling, emergency feasibility analysis, monitoring and control and receiving resource scheduling, and rapid adjustment of emergency plans under the satellite emergency imaging mission planning mode, and summarizes China's land observation satellite emergency imaging capabilities, and puts forward feasible suggestions on the design of emergency mission planning system, which effectively improves the timeliness of satellite emergency.

mission planning; emergency imaging; intelligent matching; dynamic mission planning; land observation satellite

V445

A

1009-8518(2022)03-0105-08

10.3969/j.issn.1009-8518.2022.03.012

2022-03-15

王靜巧, 楊磊, 莊超然, 等. 面向應急事件的衛(wèi)星任務規(guī)劃技術[J]. 航天返回與遙感, 2022, 43(3): 105-112.

WANG Jingqiao, YANG Lei, ZHUANG Chaoran, et al. Emergency-oriented Satellite Mission Planning[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2022, 43(3): 105-112. (in Chinese)

王靜巧，女，1980年生，畢業(yè)于北京郵電大學通信工程專業(yè)，研究員。主要研究方向為衛(wèi)星運控技術。E-mail：wjqyiyi@163.com。

（編輯：龐冰）