一種面向應用主題的多源遙感衛星需求建模方法

張曉 李遂賢

摘 要

面向海上臺風監測、海上溢油監測和森林火災監測等典型應用主題對多源遙感衛星協同觀測的復雜任務要求，研究面向應用主題的多源遙感衛星需求建模方法，開展典型應用主題的多樣化需求建模、多源衛星觀測能力建模和多源衛星協同觀測策略建模研究，并基于上述模型開展多源衛星協同觀測策略建模研究，為多星協同任務規劃提供優化目標和約束條件，并完成相關模型方法的軟件實現。

【關鍵詞】遙感衛星 應用主題 需求建模 協同觀測

1 問題概述

1.1 研究現狀

遙感衛星需求建模是對衛星觀測任務的要求進行定義、量化和綜合的過程，也是對不同類型的應用需求進行統籌、提高應用需求滿足度的過程，是衛星任務規劃的優化目標，是確保任務規劃結果的正確性、合理性的基礎，也是衛星觀測應用效能充分發揮的基礎。早期遙感衛星需求建模以簡單的軌道覆蓋需求為主，主要用于單一遙感衛星、單一觀測任務的訪問時間窗任務規劃；隨著遙感衛星功能性能的提升、應用領域的擴展和衛星數量的增多，遙感衛星需求建模開始關注空間分辨率、載荷譜段、側擺范圍等多要素的整體需求建模，為多源衛星的多任務規劃提供支撐。

1.2 主要問題

目前遙感衛星需求建模存在的主要問題是：在需求模型要素體系構建方面，雖然在觀測需求模型中已開始考慮分辨率、載荷譜段等觀測能力指標要求，但這些單純的指標要求并不能全面完整反映衛星遙感應用，例如國土、海洋、林業、減災等業務應用領域的應用需求，缺乏將最終應用需求轉化為衛星觀測能力指標和工作約束條件的模型；在多星協同觀測需求建模方面，雖然在需求模型中已開始引入多星、多任務及任務協作的觀測要求，但這種需求模型通常與具體的應用場景聯系不密切，沒有從應用目的對多源衛星協同觀測的要求出發開展協同觀測需求建模。

上述傳統的遙感衛星需求建模方法，在當今衛星遙感應用在響應時效性、手段綜合性、任務精準性等要求日益突出，遙感衛星多星組網協同觀測能力持續提升的背景下，愈來愈難以適應滿足復雜多樣應用需求、提升任務規劃有效性、發揮多源衛星系統綜合效能的要求。因此亟需面向若干典型應用主題，開展多源遙感衛星需求建模方法研究，為充分發揮多源遙感衛星針對復雜應用任務的綜合效能奠定技術基礎。

2 基本模式

面向應用主題的多源遙感衛星需求建模與任務規劃的基本模式是：

（1）首先進行典型應用主題的多樣化需求建模，采用統一的需求定義模板，將不同應用主題的差異化需求轉化為結構統一、參量各異的定量化需求模型；

（2）其次進行多源衛星觀測能力建模，同樣采用統一的約束定義模板，將不同衛星的軌道、姿態、成像等觀測能力約束條件轉化為統一的觀測能力模型；

（3）然后進行多源衛星協同觀測策略建模，根據不同應用主題的觀測要求，按照觀測任務間的邏輯與時序關系，構建多源衛星的協同觀測策略組合；

（4）進而開展應用需求與衛星觀測能力模型關聯分析，通過應用需求模型各參量與觀測能力模型各參量間的映射關系，將各自應用主題的應用需求轉化為衛星觀測能力約束條件，篩選出觀測能力約束條件滿足應用需求的衛星及其載荷資源；

（5）最后進行多源衛星協同任務規劃，基于模型關聯分析得到的可用衛星及其載荷資源，按照上文構建的觀測策略組合，針對觀測目標進行訪問時間窗計算，在消解訪問沖突后得到任務規劃結果；如果結果不滿足應用需求，則可通過調整應用需求或衛星觀測能力的模型設置，通過迭代修正進行優化

面向應用主題的多源遙感衛星需求建模與任務規劃的基本模式如圖 1所示。

3 建模與分析方法

3.1 典型應用主題的多樣化需求建模方法

傳統的遙感衛星任務調度方法對觀測需求通常只考慮任務目標區域可覆蓋、任務時間不超出給定范圍等指標，很少從特定應用對觀測資源和能力的要求出發，包含分辨率、觀測譜段、協同觀測時序等應用能力指標的觀測需求模型。典型應用主題的多樣化需求建模方法流程如圖 2所示。

（1）確定所需觀測的應用主題，例如海上臺風監測、海上溢油監測、森林火災監測等應用主題，記為A；

（2）基于給定的應用主題A，提取和篩選應關注的重點觀測目標，目標形態可以是點目標、線目標或區域目標，目標數量可以是單個也可以是多個，目標狀態可以是靜止目標、固定時敏目標或位置移動目標，這些觀測目標記為T1，T2……Tm，m為觀測目標數量；

（3）針對觀測目標Ti（i=1，2……m），從發現、識別、確認、量測、屬性分析等應用要求與觀測信息提取程度出發，構建相應目標的觀測特征要素體系，例如位置、尺寸、形態、色調、紋理、光譜、空間結構等，這些特征記為S1，S2……Sn，n為觀測目標Ti數量；

（4）針對特征要素Sj（j=1，2……n），使用通用的觀測指標體系，例如覆蓋范圍、空間分辨率、光譜譜段、觀測頻次、響應時長等，對每一個觀測目標特征要素的觀測需求進行定量化的描述，這些指標記為X1，X2……Xr，r為觀測目標Ti的特征Sj數量；

（5）根據應用主題A對上述特征要素S1，S2……Sn觀測需求的優先度差異，以及獲取不同類型特征要素間內在的邏輯關系，構建不同特征要素在時序與優先級上的邏輯關系，用函數表示為F（X1，X2……Xr）。

完成上述流程后，面向給定典型應用主題的多樣化需求模型即構建完成，該需求模型是面向應用主題的多源遙感衛星需求建模的初始條件，也是多源衛星協同任務規劃的規劃目標。

3.2 多源衛星觀測能力建模方法

對遙感衛星及其載荷的觀測能力建模，定量描述衛星及其載荷能力約束條件，是多源遙感衛星需求建模和任務規劃的基本要求。傳統的遙感衛星任務調度方法的衛星及載荷能力約束條件一般只考慮軌道、姿態、載荷視場等特性，某些場合增加一些衛星能源、數據存儲方面的約束，但很少考慮成像質量、響應時效性、信息獲取能力等衛星應用能力約束條件。多源衛星存在應用對象復雜、衛星性能多樣、應用能力不一等特點，若采用傳統方法存在衛星及載荷能力約束與應用需求相脫節的問題。多源衛星及載荷多樣化能力建模方法基于不同衛星各自的平臺、載荷等性能指標及其成像能力，構建跨衛星、跨載荷的多源衛星觀測能力指標體系，將個別的、具體的衛星觀測能力指標轉為一般的、通用的衛星觀測能力模型，以適應多源衛星協同觀測的需要。多源衛星觀測能力建模方法如圖 3所示。

（1）根據給定的應用主題A，以及給定可用的多源遙感衛星W1，W2……Wr（r為衛星數量），識別出衛星及其載荷觀測能力的共性要素，例如軌道、姿態、成像質量、信息獲取能力等，記為P1，P2……Pm，m為共性要素數量；

（2）針對要素Pi（i=1，2……m），按照不同觀測能力要素的特點，分別用不同方法構建要素Pi的描述模型，例如：對于軌道要素可用二體運動模型、J2模型、兩行根數模型等進行公式化的描述，對于姿態要素可用姿態參數序列等進行序列化的描述，對于成像質量要素可用包含空間分辨率、光譜譜段、視場角、信噪比等參量進行指數化的描述，對于信息獲取能力可用是否具備立體觀測能力、是否具備全天候觀測能力等進行模板化的描述；

（3）針對要素Pi（i=1，2……m）的描述模型，確定其模型參數，記為Q1，Q2……Qn，n為模型參數數量，從而使得要素Pi的模型可用函數G（Q1，Q2……Qn）表示，例如：對于軌道模型中的二體模型可用軌道六根數作為模型參數，對于姿態模型可用滾動、俯仰、偏航三軸姿態角的時序參數作為模型參數；

（4）從全部給定可用衛星中，選定衛星Wj（j=1，2……r），其中若一顆衛星有多個載荷，因不同載荷的觀測能力存在差異，可將同一衛星的不同載荷也等同于多個衛星；

（5）對選定的衛星Wj（j=1，2……r）的模型參數Q1，Q2……Qn進行量化，具體參數量化值可來自于衛星設計參數、地面測試參數或在軌運行監測參數。

上述步驟即是多源衛星觀測能力建模方法的基本流程，完成這一過程即為多源衛星需求建模和協同任務規劃提供了基本約束條件。

3.3 多源衛星協同觀測策略建模方法

上述衛星觀測能力建模完成后，各個衛星自身的觀測能力即可得到定量化描述，但是多源遙感衛星協同觀測與單星觀測的區別除了衛星數量的增多、重訪周期的縮短等外部特點以外，其本質特點在于通過多個遙感衛星及其載荷間的引導、互補、覆蓋、接力、融合、多視角等關聯性，實現單個衛星、單一觀測手段難以實現的觀測能力，使得多源衛星協同觀測的整體觀測能力大于各個單一衛星獨立觀測能力的總和。多源衛星協同觀測主要有以下幾種策略：

（1）引導協同策略：指的是以某一顆或某一類遙感衛星的觀測結果，作為其它遙感衛星進行觀測的引導信息，從而實現不同遙感衛星間的信息引導觀測。例如：在森林火災監測這一典型應用主題中，首先使用大幅寬但是空間、光譜分辨率較低衛星進行大范圍的區域普查，發現疑似火點信息，然后再引導高光譜、高空間分辨率的衛星進行精細識別，從而實現森林火災等目標的快速感知與精細識別的統一，提高衛星用于應急響應的應用能力；

（2）互補協同策略：指的是具備不同觀測能力的多顆、多類遙感衛星，根據不同的觀測條件，選擇滿足觀測條件最優的衛星進行觀測，從而實現不同遙感衛星信息獲取手段上的互補，提高觀測可靠性與有效性。例如：在海上船只識別這一典型應用主題中，當觀測時段為白天、天氣條件良好的情況下優先選用光學遙感衛星進行觀測，而當觀測時段為黑夜或天氣條件惡劣的情況下則優先選用SAR遙感衛星進行觀測，從而實現光學和SAR兩種類型遙感衛星間的互補協同，最終實現對海上船只的全天候觀測能力；

（3）覆蓋協同策略：指的是多顆遙感衛星針對大范圍區域目標，為各顆衛星分別指定不同觀測區域，從而實現多顆遙感衛星對大范圍區域的快速觀測，減少或避免無效的重復觀測，縮短整體觀測周期，提升信息獲取時效性；

（4）接力協同策略：指的是對同一目標，通過多個衛星在短時間內依次過境進行多次觀測，延長對同一目標的整體觀測時長，實現對同一目標特別是固定時敏目標或位置移動目標的連續觀測能力。例如：在海上船只監測這一典型應用主題中，可以通過多顆衛星在短時間內連續通過目標區，實現十余分鐘至數十分鐘的連續監視，從而實現對海上船只運動過程、運動狀態的觀測；

（5）融合協同策略：指的是對同一目標，通過多種不同類型衛星或載荷分別進行觀測，獲取不同類型觀測信息，對這些觀測信息進行像素、特征或決策等不同尺度的信息融合處理，實現多種信息源的融合應用。例如：全色衛星載荷與多光譜衛星載荷融合便是典型的融合協同觀測，可以實現對同一目標的高空間分辨率與高光譜分辨率信息融合應用。

（6）多視角協同策略：指的是對同一目標，通過多顆遙感衛星從多個角度同時或在較短時間內進行多次觀測，從而不僅可以獲取目標各個方向、各個角度的信息，更可以通過攝影測量處理獲取目標的三維立體信息。

多源衛星協同觀測策略建模的基本方法如圖 4所示。

（1）確定協同觀測策略類型：基于給定的典型應用主題A，從上述協同觀測策略或更多的協同觀測策略中，選取一種或多種多源遙感衛星協同觀測策略類型，記為C；

（2）篩選協同觀測衛星及其載荷資源：在給定的協同觀測策略類型C條件下，從給定可用的多源遙感衛星W1，W2……Wr（r為衛星數量）中，選取若干遙感衛星及其載荷作為參與協同觀測的衛星資源，記為K1，K2……Kl（l為參與協同觀測的衛星數量）；

（3）定義多源衛星及其載荷觀測時序：根據協同觀測策略類型C，以及應用主題A和參與協同觀測的衛星資源K1，K2……Kl等條件，同時考慮不同衛星及其載荷間的數據特征依賴關系，定義多顆遙感衛星協同觀測的時序，包括一般意義上的時間順序，也包括邏輯上的前后承接關系，例如：假設Ki為大幅寬、中低分辨率衛星資源，Kj為小幅寬、高分辨率衛星資源，在觀測時Ki衛星首先進行大范圍普查觀測，Kj衛星然后進行小區域精細觀測，則上述兩顆衛星觀測的時序可記為Ki→Kj；

（4）定義多源衛星及其載荷多次觀測的間隔時間要求：在確定多源衛星及其載荷觀測時序后，進一步定義相鄰時序的前序衛星資源觀測事件與后續衛星資源觀測事件的間隔時間要求，包括最小間隔時間和最大間隔時間，例如：對于衛星觀測時序Ki→Kj，其最小間隔時間記為ΔTmin，最大間隔時間記為ΔTmax；

（5）量化描述單次觀測的特定觀測條件：對于任意一次觀測事件Ki，對其特定的觀測條件，例如：衛星觀測指向角、單次連續觀測時長、是否要求立體成像等用量化指標進行描述，可以是指數型參數，也可以是狀態型參數，記為Y1，Y2……Yh（h為單次觀測的特點觀測條件參數數量）。

通過上述步驟，即完成了多源衛星協同觀測策略建模，為多源衛星需求建模和協同任務規劃提供了協同觀測約束條件。

3.4 應用需求與衛星觀測能力模型關聯分析方法

在典型應用主題的多樣化需求建模、多源衛星觀測能力建模和多源衛星協同觀測策略建模完成后，以同類模型參數為紐帶，構建典型應用主題的多樣化需求模型的需求指標參數與多源衛星觀測能力模型的衛星及載荷能力指標參數間的映射關系，實現“應用任務需求參數——衛星及載荷能力參數”的關聯與轉化；同時以衛星軌道運動模型為基礎，將多源衛星協同觀測策略模型的相關策略參數轉化為時間序列事件，并引入衛星軌道運動時間序列中，從而實現將多源衛星協同觀測策略模型參數轉化為多源衛星觀測能力模型附有時間條件的約束參數；最終基于衛星軌道運動模型及目標訪問計算進行任務規劃，得到滿足給定應用需求與衛星觀測能力的可用任務集。

應用需求與衛星觀測能力模型關聯分析基本流程如圖 5所示。

（1）獲取典型應用主題的多樣化需求模型的模型參數集：這里的模型參數主要指需求模型特征參數X；

（2）獲取多源衛星觀測能力模型的模型參數集：這里的模型參數主要指衛星及載荷觀測能力指標參數Q；

（3）需求與觀測能力模型參數關聯與轉化：構建典型應用主題的多樣化需求模型的模型參數集X與多源衛星觀測能力模型的模型參數集Q兩者間的同類型模型參數間的映射關系，例如：應用需求模型的空間分辨率參數為Xi，衛星觀測能力模型的某衛星資源空間分辨率指標參數為Qj，則建立Xi到Qj的映射；

（4）衛星及載荷資源篩選：根據需求與觀測能力模型參數的關聯關系，通過模型參數比對分析，計算衛星觀測能力參數是否滿足應用需求參數的要求，篩選出滿足要求的衛星及載荷資源；

（5）獲取多源衛星協同觀測策略模型參數集：這里的模型參數主要指策略條件參數Y；

（6）策略分解為時序事件：將設置的多源衛星協同觀測策略Y按照策略中定義的事件的時間序列分解，構建時序事件Y（t），將協同觀測策略用一系列衛星動作事件的時間序列來表示；

（7）策略時序事件關聯與轉化：將多源衛星協同觀測策略時序事件Y（t）與經過衛星與載荷資源篩選的多源衛星觀測能力模型的模型參數集Q進行關聯，根據策略時序事件Y（t），分別為每一步時序事件設置對應的衛星觀測能力模型參數；

（8）目標訪問任務規劃：在上述模型參數關聯分析的基礎上，基于衛星軌道模型進行目標訪問計算，得到滿足應用需求與衛星觀測能力要求的觀測任務序列。

上述步驟完成后，即完成了整個的面向應用主題的多源遙感衛星需求建模，從而將用戶的觀測應用需求，轉化為符合衛星及載荷觀測能力約束條件，并通過任務規劃得到滿足應用需求的觀測任務，從而為衛星觀測任務計劃制定提供依據。

4 軟件實現

基于上文所述的建模方法，面向海上臺風監測、海上溢油監測和森林火災監測等典型應用主題，以目前在軌的高分、資源、環境等國產遙感衛星為衛星資源，研制多源遙感衛星協同數據獲取需求建模軟件，實現面向應用主題的多源遙感衛星需求建模方法軟件實現。

整個軟件采用“平臺+插件”的體系架構，構建統一的基礎支撐平臺，實現對處理數據、計算資源和模塊插件的統一管理；上文所述的各個模型開發為相對獨立的算法模塊插件，可被軟件基礎支撐平臺靈活調用，并通過不同插件之間的組合，形成不同的處理流程和完整的面向應用主題多源遙感衛星需求建模功能。

軟件主要包括三大組成部分：觀測需求分析軟件、觀測任務管理軟件、分析結果可視化軟件。觀測需求分析軟件實現對典型應用主題多樣化需求的建模和多源衛星觀測能力的建模，觀測任務管理軟件實現對多源衛星協同觀測策略的定制以及任務規劃分析，分析結果可視化軟件實現對基于需求建模的任務規劃分析結果三維可視化展示。

觀測需求分析軟件的整體界面及典型應用主題多樣化觀測需求配置界面分別如圖 6和圖 7所示。

觀測任務管理軟件的整體界面及多源衛星協同觀測策略配置界面分別如圖 8和圖 9所示。

分析結果可視化軟件的需求建模與任務規劃分析結果界面如圖 10所示。

5 結論

本文面向多源遙感衛星的協同觀測應用需求，針對典型應用主題開展了了多樣化需求建模研究；針對多星、多載荷的差異化觀測能力與協同觀測要求，開展了多源遙感衛星觀測能力建模與多源衛星協同觀測策略建模研究；并基于上述建模結果，開展了應用需求與衛星觀測能力模型關聯分析研究，實現應用需求向衛星觀測能力的轉化；最后對相關模型開發相應軟件，完成面向應用主題的多源遙感衛星需求建模軟件實現。

本文所述的面向應用主題的多源遙感衛星需求建模方法可以為復雜衛星對地觀測任務的任務規劃提供技術支撐，也可以為衛星遙感應用效能優化提供驗證手段。同時，本文所研究的建模方法還只以若干典型應用主題為個別應用場景開展研究，模型所用的衛星資源也只是常規遙感衛星資源，后續一方面應對所研究的應用主題進行拓展，使本文所述建模方法成為具有應用主題普適應的需求模型構建方法，另一方面應將敏捷衛星、靜止軌道凝視衛星、視頻衛星等新型衛星資源開展納入建模體系并開展研究，應對衛星技術發展的需要。

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作者簡介

張曉（1985-），男，四川省合江縣人。碩士學位。現為航天恒星科技有限公司系統設計師、工程師。主要研究方向為天地一體化對地觀測系統仿真、效能評估與數據處理。

作者單位

航天恒星科技有限公司 北京市 100086