用于礦產(chǎn)監(jiān)測(cè)的遙感衛(wèi)星應(yīng)用體系效能仿真方法

殷建豐 張玥 黃麗霞 高陽(yáng)特

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

用于礦產(chǎn)監(jiān)測(cè)的遙感衛(wèi)星應(yīng)用體系效能仿真方法

殷建豐 張玥 黃麗霞 高陽(yáng)特

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

衛(wèi)星遙感應(yīng)用技術(shù)在礦產(chǎn)資源勘探與監(jiān)測(cè)任務(wù)中發(fā)揮的作用日益加深，為分析衛(wèi)星系統(tǒng)執(zhí)行礦產(chǎn)勘探與監(jiān)測(cè)任務(wù)的現(xiàn)有能力與不足，需要對(duì)衛(wèi)星系統(tǒng)效能進(jìn)行量化與對(duì)比分析。文章建立了一套從需求分析到需求滿足度評(píng)估的全流程一體化體系效能仿真方法，通過(guò)對(duì)綜合效能指標(biāo)計(jì)算模型、綜合需求滿足度評(píng)估計(jì)算模型的數(shù)學(xué)建模，實(shí)現(xiàn)了對(duì)衛(wèi)星效能的量化分析。此方法的有效性通過(guò)STK手段進(jìn)行了驗(yàn)證。

典型應(yīng)用；遙感載荷；任務(wù)規(guī)劃與調(diào)度；效能仿真

1 引 言

隨著民用衛(wèi)星遙感技術(shù)的快速發(fā)展，衛(wèi)星遙感應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛。礦產(chǎn)資源勘探與監(jiān)測(cè)就是衛(wèi)星遙感應(yīng)用的一個(gè)重要方面。我國(guó)礦山分布區(qū)域大、類(lèi)型多、地形復(fù)雜，目前對(duì)礦產(chǎn)開(kāi)發(fā)利用與管理缺乏實(shí)時(shí)監(jiān)控，在造成資源嚴(yán)重浪費(fèi)的同時(shí)還引發(fā)了一系列環(huán)境問(wèn)題[1-2]，這些現(xiàn)狀使得對(duì)礦山環(huán)境監(jiān)管采用實(shí)地調(diào)查、逐級(jí)上報(bào)的傳統(tǒng)工作方法急需改變，對(duì)衛(wèi)星遙感應(yīng)用技術(shù)的需求日益迫切。

衛(wèi)星遙感應(yīng)用技術(shù)相對(duì)于航空遙感、實(shí)地調(diào)查等傳統(tǒng)方法，具有傳輸快速、獲取方便、周期性強(qiáng)、成本低等特點(diǎn)。目前，我國(guó)礦山遙感調(diào)查與監(jiān)測(cè)主要依靠國(guó)外高分辨率遙感影像為數(shù)據(jù)源，隨著我國(guó)衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展，將高分辨率國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)應(yīng)用于礦山遙感監(jiān)測(cè)工作，既可以大幅度節(jié)約數(shù)據(jù)的購(gòu)置成本，也可以提高年度監(jiān)測(cè)的頻次，為大規(guī)模開(kāi)展多期次動(dòng)態(tài)礦山遙感監(jiān)測(cè)工作提供數(shù)據(jù)保障[4-6]。未來(lái)空間基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)將滿足礦產(chǎn)勘探與監(jiān)測(cè)任務(wù)對(duì)衛(wèi)星遙感圖像的需求，為現(xiàn)有在軌衛(wèi)星體系與未來(lái)衛(wèi)星體系建設(shè)方案的需求滿足度進(jìn)行分析，為建設(shè)方案的確定提供定量化依據(jù)，是效能仿真重點(diǎn)解決的問(wèn)題。

目前針對(duì)衛(wèi)星遙感技術(shù)在礦產(chǎn)勘探與監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用的研究，多集中在實(shí)際應(yīng)用效果分析、遙感圖像在該領(lǐng)域的應(yīng)用處理方法等方面，對(duì)應(yīng)用體系效能仿真方法的研究較少，且多集中在其中某一環(huán)節(jié)或某一方面算法的研究[7-8]，缺少能夠覆蓋從任務(wù)需求到擬選擇的單星貢獻(xiàn)度計(jì)算，再到所規(guī)劃的衛(wèi)星系統(tǒng)對(duì)任務(wù)需求的滿足度評(píng)估的全流程一體化體系效能仿真方法。本文面向礦產(chǎn)勘探與監(jiān)測(cè)任務(wù)進(jìn)行需求分析，選擇對(duì)滿足需求的衛(wèi)星進(jìn)行仿真建模，并通過(guò)任務(wù)規(guī)劃與調(diào)度算法來(lái)優(yōu)化衛(wèi)星系統(tǒng)的對(duì)地觀測(cè)效能，對(duì)不同衛(wèi)星系統(tǒng)的效能進(jìn)行量化與對(duì)比，有針對(duì)性地提出衛(wèi)星系統(tǒng)建設(shè)方案建議。

2 礦產(chǎn)監(jiān)測(cè)任務(wù)需求分析

對(duì)礦產(chǎn)監(jiān)測(cè)任務(wù)主要分為3個(gè)部分：①礦山開(kāi)發(fā)狀況監(jiān)測(cè)，包括礦產(chǎn)資源開(kāi)采點(diǎn)或開(kāi)采面位置、開(kāi)采方式范圍以及礦山開(kāi)采狀態(tài)等；②礦業(yè)開(kāi)采秩序監(jiān)測(cè)，是否存在無(wú)證開(kāi)采、越界開(kāi)采、擅自改變開(kāi)采方式以及開(kāi)采礦種等行為；③礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)，包括各類(lèi)礦山地物占地情況、礦山地質(zhì)災(zāi)害分布情況及影響范圍、礦山環(huán)境污染情況以及礦山地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理情況等。以上任務(wù)對(duì)衛(wèi)星的固有性能有一定的要求[2]，重點(diǎn)需要考慮空間分辨率、幅寬、譜段、時(shí)間分辨率等效能指標(biāo)。針對(duì)以上任務(wù)需求進(jìn)行遙感監(jiān)測(cè)，對(duì)衛(wèi)星系統(tǒng)的具體需求如表1所示(該需求僅為本文算例設(shè)計(jì))。

表1 礦山監(jiān)測(cè)需求表

表1中，覆蓋時(shí)間是觀測(cè)區(qū)域全部覆蓋所需時(shí)間，重訪時(shí)間是同一觀測(cè)區(qū)域網(wǎng)格兩次被觀測(cè)的最大時(shí)間間隔。譜段重要性排序按1、2、3……依次排序，重要性依次降低。其中，譜段的設(shè)置主要針對(duì)探測(cè)要素而定，衛(wèi)星譜段設(shè)置基本采用3種配置：①全色和多光譜搭配；②僅有全色譜段；③僅有多光譜譜段。目前，各國(guó)的在軌衛(wèi)星以及規(guī)劃中的衛(wèi)星絕大部分是采用全色和多光譜的經(jīng)典配置。在譜段設(shè)置中，多光譜譜段基本上會(huì)含有藍(lán)、綠、紅、近紅外譜段等4個(gè)經(jīng)典譜段。

3 礦產(chǎn)監(jiān)測(cè)任務(wù)效能仿真方法

為實(shí)現(xiàn)對(duì)礦產(chǎn)監(jiān)測(cè)任務(wù)效能仿真，本文提出了一種效能仿真方法，首先，需要確定仿真對(duì)象，根據(jù)任務(wù)需要選擇相應(yīng)的仿真觀測(cè)區(qū)域與衛(wèi)星系統(tǒng)，然后，對(duì)結(jié)果進(jìn)行需求滿足度分析，當(dāng)結(jié)果不滿足需求情況下，對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)衛(wèi)星系統(tǒng)進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃，再次進(jìn)行需求滿足度分析，如果結(jié)果仍然不滿足需求時(shí)，證明所選用的衛(wèi)星系統(tǒng)能力有限，需要在此衛(wèi)星系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行衛(wèi)星增量設(shè)計(jì)，或重新設(shè)計(jì)一套衛(wèi)星系統(tǒng)。

因此為完成礦產(chǎn)監(jiān)測(cè)任務(wù)，將效能仿真過(guò)程重點(diǎn)分為面向需求的衛(wèi)星載荷優(yōu)選、滿足度分析、效能指標(biāo)計(jì)算和衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃4個(gè)部分。

此方法的特點(diǎn)是涉及需求分析、需求滿足度評(píng)估、效能指標(biāo)計(jì)算、多星協(xié)同任務(wù)規(guī)劃等多個(gè)方面的技術(shù)，因此，在方法實(shí)現(xiàn)上，需要將各個(gè)方面的技術(shù)有機(jī)結(jié)合，各個(gè)環(huán)節(jié)之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)的無(wú)縫連接，形成一套覆蓋從需求分析到需求滿足度評(píng)估的全流程一體化體系效能仿真系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 礦產(chǎn)監(jiān)測(cè)任務(wù)效能仿真流程Fig.1 Effectiveness simulation flow of mines monitoring

3.1面向需求的衛(wèi)星篩選

通過(guò)對(duì)全球在軌衛(wèi)星以及我國(guó)未來(lái)規(guī)劃方案中涉及到的衛(wèi)星軌道、平臺(tái)、載荷等參數(shù)信息的收集和整理，建立了一套衛(wèi)星信息管理系統(tǒng)，系統(tǒng)模塊關(guān)系如圖2所示。

圖2 衛(wèi)星數(shù)據(jù)管理庫(kù)Fig.2 Satellites and loads database

衛(wèi)星信息管理系統(tǒng)是以衛(wèi)星和地面站為主要信息的內(nèi)容管理系統(tǒng)，提供信息的查詢、新增、編輯、刪除和權(quán)限管理等功能，同時(shí)此系統(tǒng)提供了只讀權(quán)限的發(fā)布，調(diào)用時(shí)序圖如圖3所示，其中，JSON或XML均為數(shù)據(jù)文件格式。

對(duì)于礦山勘探與監(jiān)測(cè)任務(wù)，根據(jù)表1所示空間分辨率、幅寬等參數(shù)檢索出可能執(zhí)行任務(wù)的衛(wèi)星，形成任務(wù)可參與衛(wèi)星信息集合。

圖3 接口調(diào)用時(shí)序圖Fig.3 Interface call timing diagram

3.2單星綜合貢獻(xiàn)率計(jì)算

對(duì)地觀測(cè)任務(wù)的效能指標(biāo)一般包括對(duì)區(qū)域的重訪時(shí)間、覆蓋時(shí)間、單星覆蓋百分比、單星觀測(cè)次數(shù)、日均觀測(cè)次數(shù)等。為評(píng)估衛(wèi)星系統(tǒng)中各個(gè)衛(wèi)星的綜合效能，從而對(duì)體系中衛(wèi)星的能力全面評(píng)價(jià)，需要利用這些效能指標(biāo)計(jì)算值，對(duì)單星貢獻(xiàn)率進(jìn)行建模計(jì)算。

對(duì)某顆衛(wèi)星的單個(gè)效能指標(biāo)進(jìn)行單星貢獻(xiàn)率計(jì)算時(shí)，可以由該衛(wèi)星的某個(gè)指標(biāo)值與這個(gè)指標(biāo)在所有衛(wèi)星中的最大值之間的比值來(lái)表示，計(jì)算公式為

(1)

式中：cik為針對(duì)第i個(gè)指標(biāo)的第k顆衛(wèi)星的單星貢獻(xiàn)率；dik為第k顆衛(wèi)星所計(jì)算出的第i個(gè)指標(biāo)值；dimax為第i個(gè)指標(biāo)在所有衛(wèi)星中的最大值。

任務(wù)需求不同，每個(gè)效能指標(biāo)在衛(wèi)星綜合效能中的地位也不相同。因此，根據(jù)任務(wù)需求對(duì)不同指標(biāo)設(shè)置權(quán)重，通過(guò)對(duì)各效能指標(biāo)值進(jìn)行加權(quán)綜合，便能得到衛(wèi)星的綜合單星貢獻(xiàn)率，計(jì)算為

(2)

式中：ck為第k顆衛(wèi)星的綜合單星貢獻(xiàn)率；wi為第i個(gè)指標(biāo)權(quán)重；m為指標(biāo)個(gè)數(shù)。針對(duì)遙感衛(wèi)星對(duì)礦山勘探與監(jiān)測(cè)的任務(wù)需求，重點(diǎn)關(guān)注的效能指標(biāo)為重訪時(shí)間與覆蓋時(shí)間。

3.3需求滿足度分析

通過(guò)將效能指標(biāo)需求值與仿真值進(jìn)行對(duì)比，能夠得到需求滿足度。和3.2節(jié)的公式推導(dǎo)過(guò)程類(lèi)似，綜合需求滿足度的計(jì)算通過(guò)對(duì)多個(gè)指標(biāo)的需求滿足度進(jìn)行加權(quán)綜合得到。通過(guò)需求滿足度值可以評(píng)價(jià)衛(wèi)星系統(tǒng)是否能夠滿足當(dāng)前的任務(wù)需求，同時(shí)可以對(duì)比不同衛(wèi)星系統(tǒng)對(duì)相同任務(wù)的實(shí)現(xiàn)能力。具體計(jì)算公式為

(3)

式中：S為需求滿足度；dni為第i個(gè)指標(biāo)的需求值；dsi為第i個(gè)指標(biāo)的仿真值；wi為第i個(gè)指標(biāo)的權(quán)重；m為指標(biāo)個(gè)數(shù)。對(duì)于重訪時(shí)間與覆蓋時(shí)間指標(biāo)，S越趨于1，衛(wèi)星系統(tǒng)的滿足度越高。其中，當(dāng)針對(duì)單顆衛(wèi)星計(jì)算需求滿足度時(shí)，dni和dsi均為單星指標(biāo)；當(dāng)針對(duì)多星體系計(jì)算需求滿足度時(shí)，dni和dsi均為體系指標(biāo)。

就本文所述礦山監(jiān)測(cè)任務(wù)，需求見(jiàn)表1。觀測(cè)區(qū)域的探測(cè)要素類(lèi)型決定了衛(wèi)星系統(tǒng)的選取，即譜段需求、空間分辨率和幅寬需求等。選取的衛(wèi)星系統(tǒng)對(duì)觀測(cè)區(qū)域仿真計(jì)算后，需分析結(jié)果是否滿足任務(wù)需求，就該任務(wù)而言，用戶最關(guān)心的是覆蓋時(shí)間和重訪時(shí)間。

3.4任務(wù)規(guī)劃

在軌衛(wèi)星可以通過(guò)軌道機(jī)動(dòng)、姿態(tài)機(jī)動(dòng)來(lái)擴(kuò)大對(duì)地觀測(cè)范圍，但軌道機(jī)動(dòng)相對(duì)于姿態(tài)機(jī)動(dòng)所耗費(fèi)的燃料較大，選擇軌道機(jī)動(dòng)方式來(lái)完成一次任務(wù)會(huì)大大降低衛(wèi)星在軌壽命，因此在效能仿真過(guò)程中僅采用姿態(tài)機(jī)動(dòng)方式進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃。通過(guò)建立以最短覆蓋時(shí)間為優(yōu)化目標(biāo)，以姿態(tài)機(jī)動(dòng)能力、載荷成像能力、能源平衡與數(shù)據(jù)平衡為約束的規(guī)劃模型，對(duì)所選擇的觀測(cè)區(qū)域進(jìn)行仿真計(jì)算，并給出衛(wèi)星運(yùn)控策略。

4 效能仿真算例

4.1衛(wèi)星系統(tǒng)與觀測(cè)區(qū)域選擇

根據(jù)中國(guó)的礦產(chǎn)區(qū)域分布，選擇東北部的3個(gè)礦區(qū)與西北部的1個(gè)礦區(qū)進(jìn)行效能仿真，如圖4所示。

傳統(tǒng)光學(xué)衛(wèi)星只在滾動(dòng)方向進(jìn)行單自由度姿態(tài)機(jī)動(dòng)，而敏捷衛(wèi)星由于可以在滾動(dòng)與俯仰兩個(gè)方向上進(jìn)行姿態(tài)機(jī)動(dòng)，在觀測(cè)視場(chǎng)范圍上優(yōu)于傳統(tǒng)光學(xué)衛(wèi)星而日益受到關(guān)注。該算例在衛(wèi)星數(shù)據(jù)庫(kù)中選擇3顆傳統(tǒng)光學(xué)衛(wèi)星與2顆敏捷衛(wèi)星組成兩套衛(wèi)星系統(tǒng)，分別對(duì)這4個(gè)礦區(qū)進(jìn)行多目標(biāo)觀測(cè)的效能仿真，計(jì)算覆蓋時(shí)間與重訪時(shí)間指標(biāo)以及單星貢獻(xiàn)率，通過(guò)對(duì)這兩組衛(wèi)星系統(tǒng)進(jìn)行效能仿真，分析兩套系統(tǒng)對(duì)需求的滿足度，并可以對(duì)兩組系統(tǒng)進(jìn)行量化比較，兩組衛(wèi)星系統(tǒng)的參數(shù)如表2所示。

圖4 4個(gè)礦產(chǎn)區(qū)域圖像Fig.4 Mines areas selected in simulation

表2 衛(wèi)星觀測(cè)譜段

方案一采用3顆分辨率為1 m、幅寬為45 km的傳統(tǒng)光學(xué)衛(wèi)星(無(wú)俯仰方向姿態(tài)機(jī)動(dòng)能力)，方案二采用2顆分辨率為1 m、幅寬為35 km的敏捷光學(xué)衛(wèi)星(滾動(dòng)、俯仰均能進(jìn)行姿態(tài)機(jī)動(dòng)能力)，兩套方案中的衛(wèi)星載荷觀測(cè)譜段均包含全色譜段和多光譜段。

4.2效能指標(biāo)計(jì)算

4.2.1 星下點(diǎn)成像效能指標(biāo)計(jì)算

在不考慮天氣對(duì)衛(wèi)星系統(tǒng)成像的條件下，兩套方案分別在星下點(diǎn)成像進(jìn)行仿真，結(jié)果如表3所示。

表3 對(duì)礦產(chǎn)區(qū)域的覆蓋時(shí)間

由表3可得，兩方案的星下點(diǎn)覆蓋時(shí)間都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)1天，因此，不再進(jìn)一步對(duì)不考慮姿態(tài)機(jī)動(dòng)的重訪效能進(jìn)行分析。

對(duì)星下點(diǎn)成像情況下的單星貢獻(xiàn)率進(jìn)行計(jì)算，如表4所示。利用式(2)進(jìn)行單星貢獻(xiàn)率計(jì)算時(shí)，選取日均觀測(cè)次數(shù)、日均觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)、覆蓋百分比等3個(gè)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算。其中，日均觀測(cè)次數(shù)和日均觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)分別為該衛(wèi)星對(duì)該區(qū)域每天平均觀測(cè)次數(shù)和每日平均觀測(cè)時(shí)間，覆蓋百分比為仿真時(shí)間內(nèi)對(duì)區(qū)域覆蓋面積占總面積的百分比。

這3個(gè)指標(biāo)的重要性不相上下，其中日均觀測(cè)次數(shù)的重要性略低于其他兩個(gè)指標(biāo)，因此，設(shè)置日均觀測(cè)次數(shù)的權(quán)重為0.3，日均觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)與覆蓋百分比的權(quán)重為0.35。從計(jì)算結(jié)果可以看出，方案一中光學(xué)衛(wèi)星2號(hào)對(duì)系統(tǒng)的貢獻(xiàn)度遠(yuǎn)大于其他兩顆星，方案二中兩顆衛(wèi)星貢獻(xiàn)率相似，1號(hào)衛(wèi)星略大于2號(hào)衛(wèi)星。

表4 星下點(diǎn)成像情況下的單星貢獻(xiàn)率

通過(guò)單星貢獻(xiàn)度計(jì)算，為更大程度發(fā)揮貢獻(xiàn)率較低的衛(wèi)星的應(yīng)用效能，在后續(xù)的多星協(xié)同任務(wù)規(guī)劃中，可重點(diǎn)調(diào)度貢獻(xiàn)率較低的衛(wèi)星，提升衛(wèi)星系統(tǒng)的整體效能。

4.2.2 姿態(tài)機(jī)動(dòng)成像效能指標(biāo)計(jì)算

按照優(yōu)先調(diào)度單星貢獻(xiàn)率低的衛(wèi)星的原則，進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃，姿態(tài)機(jī)動(dòng)成像策略下的覆蓋時(shí)間和重訪時(shí)間如表5所示。

表5 對(duì)礦產(chǎn)區(qū)域的覆蓋與重訪時(shí)間

從表5中可知，方案一和方案二在考慮姿態(tài)機(jī)動(dòng)情況下的重訪效能均在1天以內(nèi)，均滿足任務(wù)需求，但方案一優(yōu)于方案二。

從成像覆蓋時(shí)間指標(biāo)上看，兩套方案的姿態(tài)機(jī)動(dòng)成像策略相對(duì)星下點(diǎn)成像策略，其覆蓋時(shí)間效能均有明顯提升。采用3顆傳統(tǒng)光學(xué)遙感衛(wèi)星的方案一，姿態(tài)機(jī)動(dòng)成像的覆蓋時(shí)間效能相比星下點(diǎn)成像覆蓋時(shí)間提升了80%，從26天提升到127 h，但仍不滿足1天以內(nèi)的任務(wù)需求；采用2顆敏捷光學(xué)遙感衛(wèi)星的方案二情況下，姿態(tài)機(jī)動(dòng)成像的覆蓋時(shí)間效能相比星下點(diǎn)成像覆蓋時(shí)間提升了99.8%，從34天提升到1 h 38 min，滿足覆蓋時(shí)間在1天以內(nèi)的任務(wù)需求。因此，從成像覆蓋時(shí)間的指標(biāo)看，采用方案二可實(shí)現(xiàn)礦產(chǎn)監(jiān)測(cè)任務(wù)能夠滿足任務(wù)需求。

4.3姿態(tài)機(jī)動(dòng)成像的綜合需求滿足度分析

利用式(3)對(duì)所選用的兩個(gè)衛(wèi)星系統(tǒng)計(jì)算需求滿足度，其中重訪指標(biāo)與覆蓋指標(biāo)的權(quán)重都為0.5，方案二的需求滿足度S2為0.534，方案一的需求滿足度S1為2.980，根據(jù)S值越趨于1衛(wèi)星系統(tǒng)的滿足度越高，可以看出方案二的需求滿足度高于方案一。通過(guò)需求滿足度分析可知，采用方案二可以更好地實(shí)現(xiàn)礦產(chǎn)監(jiān)測(cè)任務(wù)。

通過(guò)仿真結(jié)果可以看出，相同的遙感衛(wèi)星系統(tǒng)方案采用不同的任務(wù)規(guī)劃策略對(duì)時(shí)、空覆蓋效能影響顯著；傳統(tǒng)光學(xué)衛(wèi)星在平臺(tái)機(jī)動(dòng)能力相對(duì)敏捷衛(wèi)星能力有一定差距，未來(lái)應(yīng)重點(diǎn)投入到敏捷衛(wèi)星的研究方向。

4.4仿真驗(yàn)證

圖5 姿態(tài)機(jī)動(dòng)成像1天內(nèi)對(duì)4個(gè)區(qū)域的覆蓋范圍Fig.5 Coverage areas in four mines area with task scheduling

為驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)的體系效能仿真的可信性，建立相應(yīng)的兩個(gè)方案的STK場(chǎng)景，依據(jù)任務(wù)規(guī)劃結(jié)果進(jìn)行場(chǎng)景復(fù)現(xiàn)姿態(tài)機(jī)動(dòng)成像，1天內(nèi)對(duì)4個(gè)礦山區(qū)域的覆蓋效能如圖5所示，可以看出方案二在1天內(nèi)對(duì)4個(gè)區(qū)域的覆蓋百分比達(dá)到100%，而方案一的覆蓋百分比僅有13.6%，不滿足1天內(nèi)覆蓋所有區(qū)域的任務(wù)需求。結(jié)果表明，兩個(gè)衛(wèi)星系統(tǒng)的覆蓋指標(biāo)需求滿足度比較結(jié)果與本文方法給出的結(jié)果一致，表明該方法有效可行。

5 結(jié)論

本文針對(duì)礦產(chǎn)監(jiān)測(cè)任務(wù)的遙感衛(wèi)星應(yīng)用效能仿真方法進(jìn)行研究，在充分調(diào)研與分析礦產(chǎn)監(jiān)測(cè)任務(wù)需求的基礎(chǔ)上，建立了一套覆蓋從需求分析到需求滿足度評(píng)估的全流程一體化體系效能仿真方法，并將該方法應(yīng)用于礦產(chǎn)監(jiān)測(cè)應(yīng)用體系效能仿真，通過(guò)需求滿足度的綜合評(píng)估分析，識(shí)別出衛(wèi)星系統(tǒng)短板，可為衛(wèi)星體系與有效載荷建設(shè)提供參考；通過(guò)將對(duì)重點(diǎn)觀測(cè)區(qū)域的重訪時(shí)間、覆蓋時(shí)間等反映衛(wèi)星效能的指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)綜合，建立單星體系貢獻(xiàn)度計(jì)算模型，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星效能的量化分析，并有針對(duì)性地提出使衛(wèi)星系統(tǒng)效能最大化的建議。

本文建立的體系效能仿真方法同樣適用于遙感衛(wèi)星對(duì)其他各領(lǐng)域應(yīng)用的體系效能的分析，所開(kāi)發(fā)的軟件包含衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃、單星體系貢獻(xiàn)度計(jì)算等功能模塊，以及配套衛(wèi)星信息數(shù)據(jù)庫(kù)，為支持未來(lái)衛(wèi)星系統(tǒng)的建設(shè)提供了分析計(jì)算的工具軟件。

References)

[1] 楊金中，秦緒文，張志，等. 礦山遙感監(jiān)測(cè)理論方法與實(shí)踐[M]. 北京: 測(cè)繪出版社，2011

Yang Jinzhong，Qin Xuwen，Zhang Zhi，et al. Theory and practice on remote sensing monitoring of mine[M]. Beijing: Sinomaps Press，2011 (in Chinese)

[2] 秦緒文，楊金中，康高峰，等. 礦山遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)方法研究[M]. 北京: 測(cè)繪出版社，2011

Qin Xuwen，Yang Jinzhong，Kang Gaofeng，et al. Technology and method research on remote sensing monitoring of mine[M]. Beijing: Sinomaps Press，2011 (in Chinese)

[3] 陳述彭, 童慶禧, 郭華東. 遙感信息機(jī)理研究[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 1998

Chen Shupeng, Tong Qingxi, Guo Huadong. Information mechanism of remote sensing[M]. Beijing: Science Press, 1998 (in Chinese)

[4] 王曉紅，聶洪峰，楊清華，等. 高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)在礦山開(kāi)發(fā)狀況及環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用效果比較[J]. 國(guó)土資源遙感，2004，16(1): 15-18

Wang Xiaohong，Nie Hongfeng，Yang Qinhua，et al. The different monitoring effects of QuickBird and SPOT-5 data in mine exploitation[J].Remote Sensing for Land and Resources，2004，16(1): 15-18 (in Chinese)

[5] 陳偉濤，張志，王焰新. 礦山開(kāi)發(fā)及礦山環(huán)境遙感探測(cè)研究進(jìn)展[J]. 國(guó)土資源遙感，2009，21(2): 1-8

Chen Weitao，Zhang Zhi，Wang Yanxin. Advances in remote sensing-based detecting of mine exploitation and mine environment[J]. Remote Sensing for Land and Resources，2009，21(2): 1-8 (in Chinese)

[6] 劉智，黃潔，邵懷勇，等. RapidEye衛(wèi)星影像在1∶50000礦山開(kāi)發(fā)遙感調(diào)查中的應(yīng)用研究[J]. 國(guó)土資源遙感，2010，22(1): 127-129，133

Liu Zhi，Huang Jie，Shao Huaiyong，et al. The application of RapidEye satellite images to 1∶50000 remote sensing survey for mine exploitation[J]. Remote Sensing for Land and Resources，2010，22(1): 127-129，133 (in Chinese)

[7] 馮書(shū)興，肖業(yè)倫，陳浩光. 基于模糊推理的衛(wèi)星系統(tǒng)綜合效能評(píng)估方法[J],中國(guó)空間科學(xué)技術(shù)，2003，23(1): 31-37

Feng Shuxing, Xiao Yelun, Cheng Haoguang. Approach of the synthetic effectiveness evaluation of satellite systems based on fuzzy reasoning[J]. Chinese Space Science and Technology, 2003，23(1): 31-37 (in Chinese)

[8] 馮書(shū)興. 衛(wèi)星系統(tǒng)綜合效能分析研究[J]. 控制與決策，2003，18(6): 740-743

Feng Shuxing. Analyzing and studying of synthetic effectiveness for satellite systems[J]. Control and Decision, 2003，18(6): 740-743 (in Chinese)

A System Effectiveness Simulation Method of Mines Exploration and Monitoring with Remote Sense Satellites

YIN Jianfeng ZHANG Yue HUANG Lixia GAO Yangte

(Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China)

Mines exploration and monitoring application is a typical application of satellite remote sense. Recently, the satellite remote sense technology is becoming more and more important in this area. For analyzing the ability and exploring the deficiency of the satellites system in mines exploration and monitoring task, a quantitative and comparative analysis is needed. A full process integration system effectiveness simulation method for satellites system is established, with a comprehensive efficiency index calculation model and a comprehensive demand satisfaction evaluation model. The validity and effectiveness of this method is demonstrated by a simulation case of STK.

typical application; remote sense load; task planning and scheduling; effectiveness simulation

V474.2；TD15

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.04.020

2017-05-01；

2017-08-04

殷建豐，男，博士，高級(jí)工程師，從事航天器系統(tǒng)仿真，航天器動(dòng)力學(xué)與控制等研究工作。Email:jianfengabc@gmail.com。

(編輯：張小琳)