環境減災衛星運行管理與服務

李素菊 范一大 楊思全 王興玲 吳瑋 劉龍飛 張超 崔燕

（1 民政部國家減災中心 2 民政部信息中心）

1 引言

環境減災衛星星座業務運行管理的主要任務是收集用戶的觀測需求、有效載荷成像申請，合理規劃安排衛星和地面資源，制定衛星運行工作計劃、有效載荷成像計劃、地面接收計劃、業務測控計劃等，監視衛星及其有效載荷的工作狀態，處理業務運控指令，并向用戶提供衛星軌道、姿態等輔助數據服務。國家減災中心具體承擔了環境減災衛星系統的三星四載荷的業務運行管理任務，盡管衛星在軌設計壽命僅3年，但通過科學、有效的衛星運行管理，實現了環境減災衛星星座多星協調管控，最大限度地發揮了應用需求牽引、天地協同服務的能力，保障了星座的超期服役和長期穩定運行。通過多年的探索和實踐，國家減災中心建立了專業化的人才隊伍，形成了環境減災衛星星座業務運行管理機制，積累了衛星運行管理的豐富經驗，實現了運行管理系統的安全可靠運行，并在全球災害事件監測、地表環境綜合觀測以及我國自然災害的風險監測與應急響應中發揮了重要作用。

2 運行管理系統的設計與建設

運行管理系統是面向環境減災衛星星座并服務于應用系統和地面系統的業務支撐系統。該系統的建設與運行一方面能夠支持環境減災衛星星座常規的業務運行管理任務，另一方面還要具備應對突發性災害事件的應急運行管理能力。因此，研制功能完善、性能高效、運行可靠的運行管理系統可有效管理環境減災衛星星座，保證衛星在軌穩定運行，對于防災減災救災的實際應用非常重要。

運行管理系統按照統一規劃、急用先行的思路進行設計與建設。2008年5月底，在環境減災一號A、B（HJ－1A/B）衛星發射之前，先期完成運行管理系統應急系統的研制，主要是針對HJ－1A/B衛星業務運行管理功能進行開發。衛星發射后，由應急系統承擔衛星運行管理任務。2011年3月，在環境減災一號C（HJ－1C）衛星發射前，對應急系統進行改進和擴充，充實了HJ－1C衛星業務運行管理功能。2012年10月，進一步完善運行管理系統，全面實現了對環境減災衛星星座3顆衛星的業務管控。

運行管理系統的運行流程是根據用戶觀測申請，生成可以實施的載荷工作計劃并通過地面測控系統上注到衛星，并將生成的地面站接收計劃發送到地面系統，由其負責衛星成像數據的接收。同時，運行管理系統接收地面測控系統傳來的遙測數據，進行實時數據處理，監視計劃執行情況和有效載荷狀態，并為應用系統提供軌道數據服務。運行管理系統結合應用特點分為常規和應急兩種工作模式。在常規模式下，運行管理系統按照測控計劃接收地面測控系統發送的遙測數據，對衛星及其有效載荷的工作狀態進行監視；負責接收地面測控系統發送的軌道根數數據，進行衛星軌道預報并發送至應用系統和地面系統；按照觀測申請，通過地面測控系統實施觀測計劃；調度地面系統，按照數據接收計劃接收衛星下行的數傳數據，并將數據接收計劃發送至應用系統和地面系統。應急工作模式是指在突發事件情況下，由應用系統提出應急觀測申請，運行管理系統對常規運控計劃進行重排，生成同時滿足應急申請和部分常規申請的運控計劃，并將應急計劃發送到地面測控系統，同時將應急接收計劃發送到地面系統。

運行管理系統是一個全天候、不間斷、實時性強的業務運行系統，主要任務就是對衛星及其有效載荷進行運行控制和實時監視，對數據交換的實時性、響應速度、業務運行的可控性和可監視性等要求很高。在系統構架設計中，采用多層的體系結構，有利于提高系統的靈活性和可擴展性。運行管理系統主要包括衛星遙測遙控數據處理顯示、計劃管理與任務調度、運控信息管理等3個分系統和1個運行管理業務支撐平臺，共12個子系統以及34個功能模塊。其中，衛星遙測遙控數據處理顯示分系統負責接收、處理、顯示遙測數據，實時監視衛星及其有效載荷工作狀態，根據有效載荷工作計劃，進行衛星數據注入編碼處理。計劃管理與任務調度分系統負責根據衛星軌道根數進行星歷計算和軌道預報，制定衛星載荷工作計劃和數據接收計劃。運控信息管理分系統負責對運行管理系統運行過程中的信息進行記錄、分析、檢索，對接收、處理、生成的數據提供信息歸檔入庫、信息分發和檢索查詢等。運行管理業務支撐平臺是運行管理系統的計算機網絡與安全控制的軟硬件平臺，提供時統、語音調度等技術支撐。

3 運行管理應用服務成效

環境減災衛星星座的運行管理系統是一個面對多星、多載荷、多用戶的衛星觀測管理系統。截至2018年7月，運行管理系統共安排HJ－1A/B衛星工作計劃545期，安排衛星成像16620軌，實際有效成像率達94%。通過合理調度、管理衛星及其有效載荷資源，運行管理應用服務工作主要取得了以下4個方面的成效。

實現環境減災衛星星座的長期穩定運行管理

建立了常規和應急兩種運行管理工作模式，形成24小時動態監控管理能力，能夠進行有效載荷工作狀態的實時監控，實現既能在常規條件下安排衛星觀測，又能根據國內外突發重大事件的需求，隨時安排應急觀測計劃，并及時上注觀測指令。環境減災衛星星座在軌運行期間，完成了軌道調整、固存自檢、衛星健康狀況分析等工作，為衛星穩定運行提供了保障。

2012年3月，在發現HJ－1A/B衛星因軌道漂移，相位差大大超出設計要求后，通過運行管理系統仿真顯示南北緯33.8°之間會出現漏縫，相應區域的衛星任務規劃將受到影響。國家減災中心組織相關單位，通過5次點火將衛星軌道提升。通過高精度的軌控工作，達到預期指標要求。同期，針對HJ－1A/B衛星記錄回放影像噪聲逐漸加重的情況，國家減災中心安排針對性的試驗，通過一次記錄多次回放、一次回放多站接收的措施，對星地鏈路中可能產生噪聲的各個環節進行分析，確定噪聲來源。經過自檢操作，消除了噪聲影響，使圖像質量得到提高。同時，優化了指令序列，防止噪聲再次出現。此外，衛星運行期間，通過運行管理系統遙測參數的分析，判斷HJ－1A/B衛星運行狀況，為星座的延壽運行提供技術支撐。

有效支撐環境減災衛星災害風險監測與應急響應工作

環境減災衛星具有大幅寬、多載荷、多譜段等特點，能在災害風險監測和應急中發揮重要作用。自衛星發射以來，通過定期安排衛星觀測計劃，有力支持了全國陸域本底影像制作、災害特征參數反演、積雪覆蓋監測、水域范圍監測等日常災害遙感業務。應急情況下，目前已針對青海玉樹地震、甘肅舟曲泥石流、南方暴雨洪澇等100余次國內重特大自然災害和澳大利亞森林大火、非洲之角干旱、孟加拉洪澇、緬甸洪澇等20余次國際災害事件，通過精確計算衛星軌道，快速進行任務規劃，使得在第一時間內能夠緊急安排衛星觀測任務，保障了衛星減災應用服務及時有效。

針對突發性自然災害應急響應時效性要求高的特點，根據災害特征和災區形勢，緊密結合災害監測評估業務需求，國家減災中心及時、快速安排衛星觀測任務，其中玉樹地震后僅4個半小時就進行了首次觀測，并且實時下傳了遙感影像。在國際災害事件的應對上，2009年應澳大利亞政府請求，安排澳大利亞東南部森林草原大火監測，相關服務工作得到了澳大利亞政府的高度贊揚；針對2010年智利8.8級地震，國家減災中心啟動應急觀測，HJ－1A/B衛星于2月27日完成地震災區第一次觀測，獲取了震后8小時的CCD影像15景，基本覆蓋智利全境，應空間與重大災害國際憲章（CHARTER）機制要求，繼續對智利地震區域進行了2次觀測，共獲取CCD影像50余景；針對2010年危地馬拉火山噴發，應聯合國災害管理與應急反應天基信息平臺（UN-SPIDER）要求，及時安排應急觀測，于6月3日對火山區域進行了首次觀測，并進行4次連續觀測，累計獲得遙感影像20余景；針對2015年緬甸洪澇災害，通過持續安排衛星觀測任務，獲取災區衛星觀測數據，完成了對洪澇災區范圍和影響情況分析，為我國對外援助工作提供了有用的空間信息服務。以上應用實例充分體現了環境減災衛星運行管理工作服務于全球應急觀測和快速響應的能力。

完成全球陸地中分辨率光學數據的獲取

為獲取全球陸地光學遙感影像，研究全球地表覆蓋和土地利用狀況，2010年起，國家減災中心開始利用HJ－1A/B衛星CCD相機進行全球陸地光學影像獲取。光學遙感影像的獲取既要考慮地面光照條件、云量、季節、地物特性等因素，又要考慮衛星觀測能力、地面接收能力、全球陸地分布等因素。依托環境減災衛星運行管理系統，通過合理規劃衛星成像任務，完成了基于HJ－1A/B衛星的全球陸地光學遙感影像獲取工作。該數據是我國首個中高分辨率全球覆蓋的遙感光學影像集，已成為我國開展全球變化研究和全球30m分辨率土地覆蓋產品重要的中高分辨率光學影像數據源。

促進相關行業的衛星遙感應用

環境減災衛星搭載有可見光、紅外、高光譜、微波等多種遙感器，具有廣闊的應用領域和前景。自衛星發射以來，環境減災衛星數據已被廣泛用于農業農村、水利、自然資源、交通運輸、統計等多個相關行業領域，為中國氣象局、中國地質調查局等行業部門以及高校、科研院所、地方、企業等相關單位提供衛星觀測和數據服務。在農業領域，利用運行管理系統安排農業旱災等衛星觀測任務，制作農業干旱等專題圖，為農業災害的早期預警和糧食安全提供服務。在水利行業，通過制定洪水和干旱觀測計劃，為農業干旱和洪水監測提供服務。在自然資源行業，通過合理安排多光譜、高光譜等載荷成像任務，開展海上溢油、海冰、地質環境、重大工程用地、城市規模擴張、土地覆蓋等監測，為海洋科考、國土資源調查等提供應用服務。在交通運輸行業，結合衛星觀測區域數據，開展道路災害損毀應急監測與評估工作。在統計行業，衛星運行管理工作為開展糧食主產區作物種植面積遙感測量和估產提供了保障。通過運行管理系統的合理規劃和調度，使得環境減災衛星不僅能夠有效服務于防災減災、生態環境等主要行業用戶，還能兼顧服務于其他相關的行業領域，從而推動了環境減災衛星在各領域應用水平和能力的提升。

4 結語

環境減災衛星的運行管理業務已持續10年。10年來，為加強環境減災衛星運行管理工作，國家減災中心成立了運行管理中心，培養和配備了專業化的運行管理業務人員，建立了衛星運行管理制度，形成了多部門協作的衛星運行管理與服務機制，研制的衛星運行管理系統能夠長期穩定運行，為環境減災衛星星座在軌運行和最大限度發揮衛星應用效能提供了有力保障。環境減災衛星星座運行管理的一大特色和寶貴經驗在于衛星的業務管控是由用戶部門負責，這就保證了衛星觀測能夠更為緊密地結合國家防災減災和應急處置應用需求，能夠實現定期觀測和靈活安排編程計劃相結合，使衛星的應用效益得到更為充分的發揮。因此，這種成功的運行管理機制將在“環境減災”衛星運行管理的后續發展中得到延續，現有運行管理系統將會進一步完善功能、提升性能，最大限度地實現需求牽引、天地協同的衛星應用服務。