軍民兩用商業遙感數據應用系統的設計研究

■ 李 棟 董正宏 劉曉昂 龔 婕

（1.航天工程大學；2.中國人民解放軍32142部隊；3.清華大學）

部隊傳統的信息保障模式受到技術及體制限制，無法實現情報信息的實時或近實時大范圍獲取，偵察行動多為獨立活動且手段方式比較單一；此外，受到層級關系、跨軍兵種等因素影響，軍用天基信息的獲取在時效性、可用性等方面存在嚴重缺陷。因此，研究商業遙感衛星在部隊的應用情況，能夠進一步豐富戰場態勢感知手段，拓展戰場態勢感知范圍，增強部隊在戰場空間的情報信息獲取能力。目前，國內尚沒有類似的軍民兩用遙感衛星應用系統，本文從分析我國商業遙感衛星保障能力出發，借鑒通用遙感數據應用模式，構建了商業遙感衛星應用系統的業務流程和組成框架，打通了商業遙感數據應用于部隊單元的信息鏈路。

一、國內外商業遙感衛星在軍用、民用領域的應用現狀

軍民融合是世界主要國家發展軍事實力的必然選擇，美國、俄羅斯、歐洲等主要國家和地區在長期發展中探索出一條適合本國國情的軍民融合發展道路。隨著當代科技進步和軍事變革的發展，軍民兩用技術在衛星領域深度融合，不斷創新發展，推動了軍民“一體化”衛星產業的快速發展。

（一 ）國外“民參軍”現狀

與滿足未來軍事行動需求的需要相比，目前的空間偵察保障能力尚存在較大差距，而商業遙感衛星的性能指標、快速反應能力及客戶服務水平不斷提升，為滿足不斷發展的軍事需求提供了更佳選擇，其根本原因是空間遙感技術具有軍民兩用性。

美國在遙感衛星領域的發展模式是軍民一體化發展，基本方式主要包括買斷優先使用權、租賃部分使用權、以民掩軍等，創新方式則包括鼓勵探索在非軍用載荷領域部署更多的軍用載荷，以增強美軍太空偵察體系的抗毀性等。美國政府制定了符合本國國情的航天軍民兩用技術體制發展政策，推動了其商業遙感衛星產業的快速發展，彌補了美軍在空間偵察體系建設上的短板。

日本的遙感衛星產業發展采取“先民后軍、寓軍于民”的發展模式，其民用企業在國防領域的研究開發能力、技術水平及經費投入等方面都具有強大優勢，例如，日本三菱重工、大金工業、東芝等公司，在提供優質商業產品和服務的同時也是日本防務力量的重要支柱。

印度的遙感衛星技術先從民用遙感偵察衛星技術起步，隨后借鑒民用遙感成像偵察衛星的技術及經驗，逐漸發展軍用成像偵察衛星。其軍民兩用遙感衛星主要有“制圖衛星”系列、“資源衛星”系列、“海洋衛星”系列等，主要應用于軍事偵察、軍事制圖、海洋船艦監控、旱情警告和評估、洪水控制和損毀評估、礦產勘探、土地管理等方面。

綜上，從國外“民參軍”的情況來看，軍方主要依靠民用商用衛星所具有的成本低、技術水平高、實踐經驗豐富等優勢來快速發展本國的軍事遙感衛星體系或彌補軍事遙感衛星能力短板，同時在非軍事任務中，也積極將民用商用遙感衛星作為補充手段來完成相關的任務，民用和軍用的界限并非涇渭分明。

（二 ）國外“軍轉民”現狀

美國國家航空航天局（NASA）致力于推進“軍民一體化”發展模式，在滿足航天技術建設需求的同時，也著眼于有效提升國家經濟競爭力。NASA不斷發布軍民兩用通用技術、創新成果、需求指南等信息，通過政策和資金支持、商業合作計劃、預付采購費或買斷等方式催生了眾多的商業化遙感衛星公司，例如，美國數字地球公司、美國行星實驗室公司等世界知名的商業遙感衛星運營商。

歐洲空中客車集團下屬的Astrium公司負責法國軍民兩用衛星SPOT、Pleiades的商業化運行，該公司能夠提供多種分辨率的遙感影像資料和多種地理信息服務，以不斷滿足制圖、農業、林業、土地利用、水利、國防、環保地質勘探等多個應用領域的需求。

加拿大的Radarsat-1衛星是世界上第一顆投入商業運行的軍民兩用雷達遙感衛星，由加拿大MDA公司負責完成商業化運營，主要用于海上監視、國家安全和資源管理領域。

以色列重視軍民結合，“以軍帶民”的政策帶動了一批與國防相關的高技術產業快速發展，以色列國際影像衛星公司是由以色列和美國共同投資組建的國際商業遙感公司，其最大的用戶則是以色列政府。

總之，國外軍民兩用遙感衛星產業發展勢頭迅猛且各具特色。隨著科技產業化發展速度加快，軍工企業發展更傾向于向市場化靠攏，同時隨著軍用需求的不斷開放，民營企業有望發展成為擁有軍民兩用技術的新型產業化集群。

（三 ）我國商業遙感衛星能力現狀

近幾年來，我國商業遙感衛星公司市場表現活躍，多家公司都成功發射了遙感星座或試驗衛星，同時也在不斷尋找新的產品應用場景，為我國商業遙感應用市場的繁榮貢獻了重要力量。我國主要民用/商業遙感衛星基本情況見表1，主要從運營商及衛星名稱、分辨率、幅寬、側擺能力、重訪周期等方面進行了對比。

表1 我國主要民用/商業遙感衛星情況

由表1可以看出，在空間分辨率方面，有且只有“高景一號”星座能夠達到0.5m的空間分辨率，其次有“高分二號”“北京二號”“吉林一號”“珠海一號”可獲得0.8m左右的空間分辨率。但總的來說，我國民用/商業遙感衛星的空間分辨率還比較低；在幅寬方面，最高達到800km，最低是11.6km；在重訪周期方面，最快重訪周期為1天，與國外先進衛星系統的高重訪率、低延遲相比仍有較大差距。

通過STK仿真和市場調研，可得到現有商業遙感衛星對我國范圍內典型位置的時效性情況。

（1）初始條件。初始條件見表2。

表2 初始條件

注：暫不考慮衛星產品分發所消耗的時間。

（2）分析結果。表3列出了商業遙感衛星在運營商正常業務處理模式下的時效性情況；表4列出了商業遙感衛星在運營商最快業務處理模式下的時效性情況；表5列出了獲取最高精度（0.5m）圖像的時效性情況。

表3中需求處理、任務規劃和指令上行的合計處理時間是51min；衛星遙感時間因拍照位置不同而不同；數據下傳時間一般為15min；遙感數據基本處理時間一般為30min。正常模式時效性是指考慮非本系統內遙感任務影響情況下的時效性。

表4中，需求處理、任務規劃和指令上行的合計處理時間是15min；衛星遙感時間因拍照位置不同而不同；數據下傳時間一般為15min；遙感數據基本處理時間一般為15min。最快模式時效性是指運營商僅完成本系統內遙感任務情況下的時效性。

表5中，需求處理、任務規劃和指令上行的合計處理時間是51min；衛星遙感時間因拍照位置不同而不同；數據下傳時間一般為15min；遙感數據基本處理時間一般為30min。

表3 我國商業遙感衛星正常模式時效性分析 （min)

表4 我國商業遙感衛星最快模式時效性分析 （min)

表5 最高精度圖像獲取時效性分析 （min)

從表3—表5中數據可得到以下結論：

（1）最高分辨率遙感影像獲取時間與正常模式或最快模式相比，時效性大大降低。

（2）以丹東地區為例，在不要求分辨率的情況下，獲取遙感影像最快仍需79min，若要求0.5m分辨率，則耗時長達429min，加之外界不可抗拒因素，耗時可能更長。因此，如何縮短部隊獲取數據的時間，是系統應重點考慮的問題之一。

（3）完成需求處理、任務規劃和指令上行的過程耗時較長，應在機制協調、需求統籌、任務規劃和優化算法等方面加大研究力度。

圖1 遙感數據獲取通用業務流程圖

圖2 業務流程設計

二、我國商業遙感衛星應用系統構建

根據上述對我國主要民用/商業遙感衛星能力現狀的研究可知，目前我國民用/商業遙感衛星在完成支援部隊軍事任務的能力方面還存在綜合協調機制缺乏、獲取數據耗時較長等問題。為了解決該問題，本文提出構建我國民用/商業遙感應用系統，其特色之處在于“1中心+N終端”模式，“1中心”即商業遙感綜合服務中心，其作為協調樞紐，主要負責部隊遙感需求統籌、任務規劃、聯合調度、數據處理和傳輸，以及協調國內民用/商業衛星運營商等工作；“N終端”即為客戶端，直接配置于部隊末端，負責與商業遙感綜合服務中心進行溝通聯絡，以及數據接收等工作。該構建工作基本能夠保障部隊的遙感影像需求，天基偵察系統在輔助部隊軍事行動決策中得到了很好的應用，對部隊獲取超遠程偵察情報能力起到了重要作用。

（一 ）業務流程設計

遙感數據獲取通用業務流程如圖1所示。

該流程具體描述為：

（1）客戶提出具體拍照需求，提交遙感衛星運營商（以下簡稱運營商）進行需求處理；

（2）運營商完成任務規劃，生成拍照載荷指令和數據接收計劃；

（3）測控站（網）接收測控指令，衛星按照計劃進行拍照，生成遙感數據；

（4）地面站按照接收計劃，接收遙感數據；

（5）運營商將接收到的遙感數據進行一系列的解密、預處理等操作，生成標準遙感產品；

（6）運營商按照客戶要求進行綜合處理，生成最終產品，分發到客戶終端。

借鑒上述通用遙感衛星業務流程，結合本系統構建模式，可設計得到本系統的具體業務流程，如圖2所示。

具體描述為：

（1）終端統籌本級拍照需求并發送至商業遙感服務中心（以下簡稱服務中心）；

（2）服務中心統籌來自各個終端的需求，提交各商業測運控中心進行需求分析；

（3）各商業測運控中心通過分析，得出執行任務需求的可滿足情況；

（4） 服務中心綜合可滿足情況，提出任務規劃方案；

（5）服務中心執行任務規劃方案，方案提交至各衛星測運控中心；

（6）各測運控中心接收方案，執行拍攝計劃，接收遙感數據并處理，生成遙感數據產品；

（7）服務中心匯總遙感數據并推送產品；

（8）用戶接收遙感產品。

圖3 系統組成框架圖

（二 ）系統組成設計

在充分論證軍事需求的基礎上，以整合我國商業遙感資源為出發點，借鑒軟件工程的思想，從系統業務流程設計中，分析得出該系統包括7個子系統，分別是前端通信子系統、衛星通信子系統、用戶接口管理子系統、規劃與數據處理子系統、終端處理子系統、商業衛星網絡、商業測運控網絡。系統組成框架如圖3所示。

（1）前端通信子系統：負責系統與商業衛星測運控網絡間的衛星軌道數據、任務規劃及遙感數據傳輸；負責系統內部用戶接口管理子系統與終端設備間的用戶需求（含反饋確認）信息和數據產品等衛通數據的交互傳輸。

（2）衛星通信子系統：負責服務中心和用戶之間信息的高效傳輸。

（3）用戶接口管理子系統：負責用戶需求提交、確認、需求統籌等過程管理；根據需求確認結果向用戶推送相關數據產品。

（4）規劃與數據處理子系統：根據用戶需求完成衛星資源統籌，進行衛星任務規劃，并推送至商業衛星測運控網絡，接收商業遙感衛星網絡的產品，以及各級產品的數據管理。

（5）終端處理子系統：負責需求提出、數據接收、數據應用、應急規劃等。

（6）商業衛星網絡：指可納入該系統統一使用的在軌商業遙感衛星資源。

（7）商業測運控網絡：由商業測運控中心和商業測運控網站組成，負責根據商業遙感綜合服務中心傳來的衛星任務規劃，生成遙控指令，綜合統籌地面可用測控資源，擇機上注衛星。統籌實時可用接收資源，向其下達衛星跟蹤接收計劃和任務，以接收衛星下傳數據；完成原始數據接收與處理，并可根據需求基于原始數據生成產品，最終將產品推送至規劃與數據處理子系統。

（三 ）系統功能設計

系統總體功能設計的主要思想是為整合我國目前各類商業測運控資源、商業遙感衛星資源、地面數據接收和處理資源，為用戶提供從需求提出到最終產品生產和推送的高時效性商業遙感衛星的數據信息服務。該系統的主要功能包括數據傳輸、需求處理、資源分析、數據接收處理等。

（1）數據傳輸。主要包括如下功能：通過商業衛星通信系統實現系統與用戶間需求信息及數據產品的實時高效傳輸；通過互聯網實現系統與商業衛星測運控中心間衛星在軌運行狀態、衛星拍攝規劃、數據接收規劃、各級產品數據等信息的實時高效傳輸。

（2）需求處理。主要包括如下功能：支持基于地理信息輔助的圖形化、交互式需求提出手段；支持對需求的綜合管理，包括需求的增加/刪除/查詢/修改、需求的審核/審批；支持對需求的可行性分析，給出初步規劃方案。

（3）資源分析。主要包括如下功能：接收并處理來自商業遙感衛星測運控中心提供的衛星軌道根數等在軌狀態信息；支持不同星座、不同載荷可用拍攝窗口綜合分析；支持不同約束條件下的測站跟蹤預報；支持相關在軌衛星資源的圖形化展示。

（4）任務規劃。主要包括如下功能：基于人工預分配結果，能夠進行多星聯合規劃調度，生成多星的觀測方案、數據接收方案，得到多套任務規劃預案；根據協同任務分配結果，生成任務規劃方案。

（5）數據接收處理。主要包括如下功能：實現對原始數據的預處理，并將0級數據永久歸檔；支持快視圖像；具備生產1級到2級產品能力，1級產品和2級產品為自動化批量生產，其他產品按用戶需求生產；對生成的0級數據和產品數據，都生成相應的編目信息，提交給數據庫更新目錄信息，供用戶對數據和產品進行查詢使用。

三、軍民兩用遙感衛星應用系統的關鍵技術

（一 ）基于任務的系統結構設計

基于美國DoDAF體系思想，商業遙感應用的系統體系結構設計就是從任務的視角來看待系統結構問題。通過系統結構設計，以確定用戶需求和系統功能需求。常見的體系結構描述方法有結構化體系設計、面向對象體系設計和形式化體系設計。面向對象體系設計方法的開發效率比較低，形式化體系設計方法的可讀性和可理解性差，且要求設計人員具有較高的數學素養。鑒于結構化描述方法具有過程簡單、描述直觀、可讀性好等優點，故采用結構化的描述方法對本應用的任務體系結構進行描述。

結構化設計方法是一種比較成熟的過程驅動系統工程方法，其出發點是基于系統需要執行的功能或活動，以及功能的不斷分解得到系統層次結構圖。其代表工具有DFD、IDEF0。結構化體系結構設計的主要過程如圖4所示。

圖4 結構化體系設計主要過程

結構化體系設計的主要過程包括：依據需求信息確定作戰概念，作戰概念是對如何達到軍事目的的簡要闡述；在分析作戰概念的基礎上進行功能分解，建立功能體系結構；在功能體系結構和作戰概念的基礎上，建立物理體系結構，同時還需要技術體系結構指導。

IDEF0與 DFD方法相比，模型結構更加清晰，更便于理解和溝通，因此本文選擇了IDEF0方法。IDEF0方法采用圖形化和結構化的系統建模方法，用來表達系統功能及功能彼此之間的限制、關系、相關信息等。

（1）IDEF0基本組件。IDEF0模型的基本圖形是盒子，每個盒子代表系統的某項功能活動，用與盒子相聯的箭頭表示與功能活動關聯的各種事物，基本模型如圖5所示。四周箭頭分別是輸入、輸出、控制、機制和調用。

圖5 IDEF0基本模型

系統的功能模型用一組遞階分解的活動圖來表示，其遞階關系也可以表示成樹狀結構。每一層表示相同級別的各種功能活動，每一張圖或盒子被賦予一個結點號來標志該圖或盒子在層次中的位置。遞階分解圖如圖6所示。

圖6 IDEF0功能模型圖

（2）建模基本過程。具體包括如下幾個步驟：

1）選擇范圍、觀點及目的。建立模型之前，首先應確定建模對象的立足點。

2）建立內外關系。即畫A-0圖，該圖不包含任務內部功能需求，僅僅表達系統與外部的關系，概要表述系統的總體需求，此時，系統邊界也被確定。

3）畫出頂層圖。把A-0圖分解成3～6個主要功能，得到A0圖，該圖是系統功能需求分析的頂層模型，它之下的每個圖都是對A0圖某項功能的細化

分解。

4）建立一系列圖形。將高層的需求逐步分解展開，直到分解至足夠細的粒度。

5）寫出文字說明。每張圖應該附有描述性的文字說明。

本系統構建應用IDEF0的結構化設計方法，就是從用戶的需求出發，以需求作為任務體系結構設計的輸入資源和牽引源動力，以實現特定軍事任務為目的，最終將用戶需求轉化為本系統必須要實現的功能要求，充分解釋了“本系統是什么”的問題。

（二 ）基于多星座多任務的任務規劃技術

本應用主要研究的是面向多星座、多任務的任務規劃模型，主要解決面向多項任務需求時的任務規劃問題，包括時效性、圖像精度等問題，通過建立高效的任務規劃模型及算法，才能合理且充分地發揮商業遙感衛星的使用效益，以及最大程度地滿足應用需求。常見的多星座、多任務的任務規劃模型有：CSP模型、Petri網模型、基于圖論的模型及基于Agent模型等。本文采用基于CSP模型的任務規劃模型，該模型表達能力強，是解決該類問題的一個普遍而有效的方法。

CSP模型的基本思想是給定變量集合與其相應的域，以及建立在相容的變量值上的約束集，問題的求解是對每一個變量在其域中找到一個值，使其滿足約束條件。其基本定義如下：

一個CSP實例P定義為一個三元組P= ，其中：

V={x1,…,xn}，是P中所有變量的集合；

D={D1,…,Dn}，是V中各變量的值域的集合，Di表示xi的值域；

C={c(xi1,…,xik)}，是V上的約束集合。

一個復合賦值V可行的條件是它滿足C中的每一個約束。一個可行復合賦值稱為P 的一個局部解，一個可行完全賦值稱作P的一個解，定義F（P）為所有的可行完全賦值集合。CSP求解的目標就是找到一個解s∈F（P）或證明P無解。

針對CSP 模型，采用遺傳算法求解，該方法通用性強，搜索效率高，具有內在的并行搜索能力，適用于大規模求解問題。而一般搜索算法搜索效率低，容易陷入局部最優。遺傳算法的操作包含3 個遺傳算子：選擇、交叉和變異。遺傳算法的操作效果與3 個遺傳算子所取的操作概率、編碼方法、群體大小、初始群體及適應度函數的設定均密切相關。

采用基于CSP 模型的任務規劃模型和遺傳算法，能夠滿足不同時效性要求和精度要求下的復雜任務的需求，適用性強；遺傳算法是智能算法中搜索效率較高的算法之一，適用于解決大規模需求問題

圖7 發布/訂閱基本模型

（三 ）基于發布/ 訂閱的產品分發技術

基于典型的應用場景，著眼打通商業遙感數據的信息鏈路，實現高效的遙感影像數據分發，是解決遙感影像支援作戰時效性的關鍵環節，因此，遙感影像的分發技術尤為重要。發布/ 訂閱的動態、松耦合性、異步等特點能夠滿足Internet 大型應用系統松散通信的需要，該模式常用于構建大規模分布式數據分發系統，因此，本系統采用基于發布訂閱模型的產品分發技術。

發布/ 訂閱是一種基于中間件的數據按需分發模式，其基本模型如圖7 所示，各個參與者能以發布/ 訂閱的方式進行交互，數據的產生者與消費者之間所傳輸的數據稱為事件。訂閱者通過發出訂閱事件來聲明自己對數據的興趣，通過取消訂閱事件來聲明不再感興趣的數據；發布者根據之前的訂閱條件將其產生的事件（數據）經由一些中間節點發給相應的訂閱者。

本系統采用基于發布/ 訂閱的產品分發技術，以滿足不同用戶對遙感影像的不同需求，可實現需求定制的功能，確保所收到的數據就是切實需要的數據；同時，節約了通信鏈路帶寬，有效提高了系統應用效率。