智能對地觀測衛星初步設計與關鍵技術分析

張吉祥，郭建恩

(1.中國科學院 自動化研究所，北京 100190;

2.北京市遙感信息研究所，北京 100192 )

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智能對地觀測衛星初步設計與關鍵技術分析

張吉祥1,2，郭建恩2

(1.中國科學院 自動化研究所，北京 100190;

2.北京市遙感信息研究所，北京 100192 )

摘要自主性和智能化是未來對地觀測衛星發展的必然趨勢，因為隨著遙感衛星資源的增加，傳統的對地觀測衛星已經不能滿足遙感應用中日益增長的高時效性、精確獲取以及多樣化的需求。結合對地觀測的實際需求和目前的技術發展現狀，提出了智能對地觀測衛星載荷的初步設計，對其所具備的能力、工作原理以及其中的關鍵技術問題進行了闡述，提出了智能對地觀測衛星載荷的發展建議。

關鍵詞智能對地觀測；在軌任務規劃；在軌數據處理

Preliminary Design on Intelligent Remote Sensing Satellite System and Analysis on Its Key Technologies

ZHANG Ji-xiang1,2,GUO Jian-en2

(1.InstituteofAutomation,ChineseAcademicofScience,Beijing100190,China;2.BeijingInstituteofRemoteSensingInformation,Beijing100192,China)

AbstractThe autonomy and intelligence are the inevitable development trend of future earth observation satellite,because the traditional earth observation satellite remote sensing application has been unable to meet the growing high timeliness,accurate acquisition and diversification demand with the increase of remote sensing satellite resources.Combining the actual demand for earth observation,the current status of the development of technology,this paper proposes a preliminary design of intelligent earth observation satellite payload.The capability,operating principle and key technologies are introduced.Finally the development proposals are put forward for intelligent earth observation satellite payload.

Key wordsintelligent remote sensing;orbit mission planning;onboard data processing

0引言

近年來，對地觀測衛星快速發展，衛星的數量和應用領域不斷擴大，在現代信息化戰爭中，對地觀測衛星在軍事應用和信息獲取等方面突顯出重要的作用，為部隊提供了重要的作戰保障；大量的觀測數據也廣泛應用于社會經濟發展的各個領域，發揮了不可替代的作用。

隨著衛星資源的增加，觀測任務數量、時效性等任務需求的發展，對衛星運行的自主性和智能性提出了更高的要求。提升衛星的自主性和智能性可以有效減輕地面測控負擔，降低衛星運行費用，提高衛星的生存能力，擴展衛星的應用潛力，以及提高衛星快速響應能力。

針對以上需求，結合相關技術發展現狀，提出了具有高自主性的智能對地觀測衛星的總體構想，并對其中的關鍵技術問題進行了分析。

智能對地觀測衛星系統，通過衛星自主任務規劃、遙感數據在軌處理和多載荷協同控制技術，使衛星實現面向特定任務的多衛星相互引導，多載荷相互協同工作，實現多類型衛星系統協同對地觀測，星上多源信息融合處理，信息產品直接分發，提高衛星應用能力。

1需求分析與研究現狀

1.1需求分析

隨著成像衛星數量的增加和分辨率的提高，對地觀測的應用需求不斷發展，對成像遙感衛星的自主性有了更高的要求，主要體現在以下幾個方面：

1.1.1對地觀測的快速響應需求

傳統的天基遙感從提出需求開始，經過任務規劃和指令上注、遙感器獲取目標圖像、數據下傳、圖像生產到最終分發，延遲時間在小時級，難以滿足作戰應用、減災救災等高時效任務需求;

智能對地觀測衛星通過自主任務規劃和星上智能處理，在星上完成對時效性要求較高的處理任務，將海量遙感數據處理為可直接使用的產品，并將處理成果快速傳送給處于不同位置的最終用戶，實現快速響應，提高天基對地觀測的時效性。

1.1.2對地觀測數據的針對性需求

遙感衛星數目和類型越來越多，獲取數據能力越來越強，越來越大的數據量給下行數傳和后續處理都帶來巨大壓力，而真正使用的僅占很小比例，遙感數據缺乏針對性導致數據使用率極低；

智能對地觀測衛星面向任務需求有針對性的規劃任務、獲取目標、實時處理并分發到不同用戶，可以為用戶提供更符合特定需求，更能滿足專業應用的數據。

1.1.3多樣性的任務保障需求

不同目標的遙感特性也隨著時間而改變，不同的傳感器類型關注目標不同方面的特性，尤其是多合一載荷的出現，更是豐富了觀測需求的多樣性，目前的遙感衛星還無法根據觀測目標、觀測任務和遙感載荷的不同，對觀測任務進行自主優化；

智能對地觀測衛星通過星上的目標信息庫，可以結合目標特征與載荷特點，設計更加合理和精細的觀測動作，提高多樣性觀測任務的質量。

1.1.4提高衛星生存能力的需求

在不確定或不確知環境下能保證衛星高精度、高可靠性并平穩自主運行，目前主要通過地面測控站通過注入指令的方式實現衛星軌道和姿態的控制；

智能對地觀測衛星在在軌環境或航天器內部發生變化或出現故障時，能根據變化特征自主地修改控制器以適應其變化；當航天器運行過程中遇到某些事先未預料的情況時，能有臨場決策的能力。

1.2國內外研究現狀

國外智能對地觀測衛星方面的進展，近年來已經取得長足的進步。美國的一些在軌處理衛星及其星上處理功能如表1所示。

德國航空航天中心于2001年發射的火情監測小衛星BIRD[1]、歐空局的PROBA項目[2]和法國研制的下一代Pleiades衛星[3]等也都在一定程度上對遙感數據的在軌處理進行了探索，在任務規劃、數據壓縮、特征提取和數據分析等方面取得了一定的成果。歐洲的在軌處理衛星及其功能如表2所示。

表1　美國在軌處理概況

表2　歐洲在軌處理概況

智能對地觀測衛星的研究已經受到國內研究者越來越多的關注，武漢大學[6]、中科院對地觀測與數字地球中心[7]、北京理工大學[8]和中科院自動化所都已經在智能對地觀測、在軌圖像處理等方面展開研究，并取得了一定的成果。

2智能對地觀測衛星設計思路

為滿足以上需求，智能對地觀測衛星的自主能力主要體現在以下幾個方面，如表3所示。

衛星任務規劃系統是衛星系統的核心模塊，其性能直接影響到衛星系統的應用效益。衛星造價昂貴、研制周期長，衛星資源顯得尤為寶貴且稀缺，且隨著在軌衛星數量的增多、衛星種類的增加，可供調度的衛星資源在不斷擴大，特別是隨著衛星技術的發展，任務需求與衛星資源都在增多，任務時效性和空間覆蓋等多約束限制也使衛星任務規劃問題變得越來越復雜，手工操作任務規劃模式已完全不能滿足現有需求，近年來，各國都在深入研究衛星自主任務規劃系統，更進一步，星上自主任務規劃是未來的發展趨勢，已經受到越來越多的重視。

表3　智能對地觀測衛星的能力定義

精確獲取觀測目標的準確空間信息一直是對地觀測衛星的主要指標，提升遙感衛星的精確目標獲取能力不僅需要高精度載荷設備，結合目標特性和衛星機動性能，自主規劃衛星遙感器開關機時間、側視角度等對于快速精確獲取目標同樣至關重要;另外,由于遙感器拍攝的圖像質量受到待觀測目標周圍地物、拍攝時間等因素的影響，遙感器獲取最佳觀測圖像效果時的參數往往不同。因此，根據拍攝條件自適應地選擇遙感器類型、調整遙感器參數、提高遙感器自主參數選擇能力可以極大提高獲取目標精確信息的能力。

在軌遙感數據處理通過在星上完成對原始圖像數據的分析、篩選和處理工作，既可以生產出具有更高附加值的產品，盡量減少回傳的數據量，又能夠極大地提高應用的時效性。遙感圖像地面處理系統已經具有很多成熟的應用，例如：海面目標檢測、重點區域變化檢測、典型目標檢測和移動目標檢測等等，在考慮星上計算資源約束的條件下，將地面系統中的成熟應用遷移到星上，將會進一步提高對地觀測的效率，提高其應用效益。

智能數據分發是自主任務規劃、在軌遙感數據處理的必然需求，只有將星上獲取的高價值數據快速、準確地發送到對應的用戶，智能對地觀測衛星才真正實現快速響應的目標。為此，必須進行更好的星地一體化設計，研制高性能的高速數據傳輸系統，提高對地觀測衛星的運行效率，同時，也要面向應用，對用戶進行不同粒度的分組和分級，從而提高數據分發的針對性和有效性。

衛星的自主軌道控制能力是在不依賴地面設施的條件下，在軌完成衛星軌道的維持。地面工作人員只需定期檢查航天器的工作狀態，從而大大地降低對人力和地面設施的要求，也降低了航天計劃的成本，而且還直接有助于提高衛星的生存能力，即在地面站發生阻塞甚至被破壞、航天器與地面通信聯絡完全中斷的條件下，能夠完成系統軌道確定、軌道保持以及完成觀測任務等。

對地觀測衛星姿態控制系統的作用，是結合衛星上的各種位姿傳感器的信息，通過智能控制決策系統，把衛星的方位控制到規定方向，以滿足目標觀測等相關系統對衛星的姿態要求。

3總體技術方案初步設計

技術體系結構如圖1所示。

圖1　技術體系結構

智能對地觀測衛星的實現需要增加嵌入式星上智能處理與控制系統，包括底層的嵌入式處理硬件設備、星上協同調度軟件以及實現具體應用的智能處理軟件，嵌入式星上智能處理與控制系統接收到星務計算機發送過來的觀測任務后，首先進行自主任務規劃；到達目標上空后，通過調整衛星姿態精確獲取目標，并根據背景信息自動調節成像參數，從而獲得目標高質量的圖像；針對海面目標，融合電磁環境探測與觀測衛星的優勢，電磁環境探測快速發現目標，觀測衛星實現目標精確定位，對目標進行分析和確認后對其進行跟蹤監視；針對陸地目標，實現目標的區域搜索和重點目標的觀測；隨后同平臺的各個載荷之間，通過相互協同，完成觀測任務，再進一步，多種不同載荷的衛星通過星間協同，多源融合，共同完成觀測任務；最后衛星將觀測數據與信息直接發送給用戶。

4需要解決的關鍵技術問題

4.1總體論證與頂層設計

智能對地觀測衛星與傳統的對地觀測衛星具有很大的差別，是一個非常復雜的系統，它涉及到衛星平臺的測控、姿軌控、推進、天線、太陽電池陣和數據管理等各個分系統，還涉及到多種類型遙感器，還包括新增的智能對地觀測衛星載荷，這些系統之間并不是獨立的模塊，而是需要進行協同與分工，共同組成一個復雜的系統，因此需要進行良好的總體論證與頂層設計。

4.2高性能低功耗遙感數據在軌處理設備

每個智能對地觀測衛星載荷的實現都需要硬件設備的支持，實現不同的功能對存儲容量、計算復雜度的要求不同，有的功能邏輯運算較多，而有的功能代數運算較多。因此，需要根據所實現功能對硬件的需求，研制滿足處理要求的在軌處理設備。除了滿足存儲、計算復雜度以及功率的要求，在軌處理設備還要考慮空間環境中的抗輻照因素。

4.3適應星上處理環境的在軌處理算法

星上處理設備的存儲、計算效率與地面處理系統差別巨大，因此，在軌處理算法并不是地面成熟技術的簡單移植。在星上計算資源和存儲資源非常有限的條件下，充分考慮應用的特點以及衛星平臺和相機載荷的各種數據，研制滿足性能要求的在軌處理算法是非常有挑戰的工作。

4.4面向任務的知識服務專家系統

智能化的對地觀測衛星需要專家系統的支持，在軌任務規劃、目標精確獲取、星上實時處理以及姿軌控等各個智能載荷都需要大量的專家知識，如何將這些知識更好地形式化，形成面向各種任務的專家知識庫，并設計高效的推理系統，是實現智能對地觀測衛星各個智能載荷的關鍵支撐技術。

5典型在軌處理功能需求

5.1對地觀測衛星在軌自主任務規劃技術

針對觀測任務的分布特性，綜合考慮數據傳輸和觀測任務規劃的相互影響，形成衛星載荷約束和星地數據傳輸約束下的星地一體化任務規劃機制。針對全球目標觀測任務，考慮衛星載荷、地面站和在軌處理設備的約束，建立滿足目標核查任務需求的數學模型庫，并基于這些模型構建相應的優化算法庫，解決對地觀測在軌任務規劃中觀測計劃和數據傳輸計劃的優化問題。

5.2觀測目標的精確獲取與載荷參數的精確控制

根據不同類型遙感衛星的成像特點，結合觀測任務需求，一方面，根據衛星的機動能力與在軌任務規劃的結果，對相機的開關機時間、衛星的側擺動作進行精細規劃與控制；另一方面，結合不同類型傳感器的特點，研究不同類型的目標的成像特性與周邊地物的關系模型、與相機成像參數的關系模型，對相機的成像過程和成像參數進行動態調整，提高成像質量。

5.2.1推掃相機在軌自動調焦技術

空間遙感相機在發射和在軌運行過程中，飛行過程中的振動、環境的變化和成像距離的變化等因素，會導致空間遙感相機的機械結構和光學系統參數發生微小變化，從而引起空間遙感相機的離焦，導致成像質量下降。推掃式遙感相機由于無法獲取同一場景的多次成像，設計適合的檢焦算法具有很大難度。在軌自動調焦需要解決類似場景快速提取技術、基于不同場景的圖像質量評價技術以及推掃相機在軌自動調焦策略，從而實現基于在軌圖像處理的推掃式相機自動調焦，提高相機的成像質量。

5.2.2SAR成像增益自動控制技術

SAR成像的增益控制就是對來自地面不同反射區域的回波加以不同的增益，以保證成像質量，由于不同的地物需要采用不同的增益參數，因此需要通過對場景進行預成像，并通過在軌處理實時計算增益參數。

5.2.3電磁環境探測精細掃描技術

電磁環境探測中，實時準確檢測對方的雷達信號，對目標發現和識別至關重要，在軌處理可以根據實時計算結果，設計更加復雜的掃描策略，從而既能夠通過快速掃描迅速的發現目標，又能夠通過精細掃描確定目標的準確電磁特征。

5.3面向典型應用的遙感數據在軌處理技術研究

遙感數據在軌處理是實現快速響應能力的必然途徑。目前我國的衛星應用主要依賴地面系統的處理,對于遙感數據的在軌處理還處于初步的探索中。針對典型的對地觀測任務，研究其目標特性和任務特點，考慮在軌處理設備的約束條件，建立相應的模型庫和算法庫，結合圖像判讀人員的先驗知識，形成多個核心應用的遙感圖像在軌處理解決方法。

5.3.1云量判別與圖像過濾

云量判別是遙感數據在軌處理過程中需首要解決的問題之一，對于緩解遙感數據傳輸帶寬壓力，提高在軌目標檢測與識別的精度具有重要意義。針對全色圖像和高光譜圖像中的云覆蓋問題，對云在不同載荷圖像中的紋理特征、光譜特征進行分析，構建云的判別模型，結合光譜特征與空間分布特征對圖像中的云覆蓋區域進行檢測，形成對地觀測相機中云量判別技術。

5.3.2遙感圖像在軌精校正技術

定位精度是遙感圖像處理系統的重要指標。針對由于衛星平臺定位和姿態誤差所帶來的圖像定位精度偏低的問題，解決在軌精校正中的高精度控制點獲取、管理與應用技術，高性能的圖像配準技術，形成對地觀測衛星在軌幾何精校正技術，提高圖像中目標的定位精度。

5.3.3重點區域動態監控技術

機場與港口是對地觀測的重點關注區域，針對這些重點監控區域和其中的重要目標，研究其目標特性、場景特點、建立場景與目標的知識庫、動態變化模型庫以及特征提取和圖像分析的算法庫，結合在軌處理設備的計算與存儲約束，形成重點關注區域的動態變化檢測技術。

5.3.4綜合電磁環境探測與相機載荷的海面目標檢測

電磁環境探測載荷能夠快速獲取有源移動目標的定位數據，但是定位偏差較大，對地觀測衛星能夠獲取目標的詳細信息和準確位置，但是圖像的在軌處理計算量較大，難以實現實時處理。通過電磁環境探測載荷快速發現目標并及時引導寬幅或者其他對地觀測衛星完成目標觀測，在軌處理能夠在電磁環境探測載荷的誤差范圍內，對圖像進行分析和處理，從而實現海面目標的高效、精確定位，以及目標類型和位置信息的精確判別。

5.3.5凝視模式下的動目標檢測技術

通過研究典型移動目標的特點、成像特征以及運動特性等，分析對地觀測衛星的凝視成像模式下實現動目標進行檢測對衛星平臺和相機的要求，研究凝視模式下連續景衛星影像之間表征目標運動的變化信息，結合目標形狀、尺寸等特征，形成陸地與海上動目標的實時檢測技術。

6分階段研制計劃

智能對地觀測衛星的研制是一個長期的過程，需要結合關鍵技術的重要性、緊迫性以及相關技術的成熟度分階段開展工作，智能對地觀測衛星的研制可以分為以下3個階段開展：

第1階段：核心技術研制階段。對在軌圖像預處理、圖像處理等相關核心算法開展研發工作，例如：云量判別、噪聲抑制和輻射校正等基礎功能。

第2階段：典型應用階段。為了驗證智能對地觀測衛星的應用效益，面向最迫切的應用需求，突破相關關鍵技術，實現最小應用系統。具體的研制工作包括：以具體的應用為牽引，例如：面向戰術目標核查的智能分析載荷，研制適應在軌運行環境的嵌入式計算設備，實現在軌任務規劃，重點區域的動態監控和在軌幾何精校正。

第3階段：深入應用階段。結合第2階段工作的研究成果，豐富智能對地觀測衛星載荷的功能，拓展其應用范圍，更大程度上提高對地觀測衛星的智能化程度。更進一步對智能對地觀測衛星載荷的應用效益與載荷性能進行大量的測試與分析，將性能優異、應用效果好的在軌分析功能擴展到多個型號，多個類型的對地觀測衛星，實現智能分析載荷的模塊化與標準化。

7結束語

智能對地觀測衛星載荷具有重要的經濟效益，通過智能對地觀測衛星載荷的自主任務規劃和星上智能處理，能夠簡化衛星管理控制流程，減少衛星工程測控、任務管控、地面接收與處理系統等龐大設施的投入，提高天基對地觀測效率；通過高效的任務規劃和星上高價值信息提取，大大提高現有衛星資源的利用率。

高自主性智能對地觀測衛星載荷是未來的發展趨勢，仍存在許多亟需解決的關鍵技術問題，需要結合衛星平臺、載荷和用戶等多方面共同努力，以用戶需求為引導，協調好衛星平臺與載荷的關系，突破在軌處理硬件和軟件關鍵技術，最終實現對地觀測衛星的智能化。

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張吉祥男，(1983—)，畢業于中國科學院自動化研究所，模式識別與智能系統專業，現在中國科學院自動化研究所工作，高級工程師。主要研究方向：遙感圖像處理與機器視覺，主持完成SAR圖像精校正、紅外圖像目標檢測與識別等多個項目。

郭建恩男，(1958—)，1992年畢業于北京郵電大學電磁場與微波專業，工學博士，現為北京遙感信息技術研究所研究員。主要研究方向：衛星遙感技術與應用，獲國家科技進步特等獎一項，一等獎兩頊，二等獎一項。

作者簡介

中圖分類號TP752

文獻標識碼A

文章編號1003-3106(2016)02-0001-05

收稿日期：2015-11-13

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.02.01

引用格式：張吉祥，郭建恩.智能對地觀測衛星初步設計與關鍵技術分析[J].無線電工程,2016,46(2):1-5,22.