我國陸地觀測衛星綜合運控淺析

文|王靜巧 易維 陳衛榮 中國資源衛星應用中心

一、前言

衛星遙感技術自20世紀60年代以來發展迅速，隨著遙感應用領域的深入，各國政府和民營資本都相繼發射陸地觀測衛星，當前國外較成熟的遙感衛星系統包括美國的Landsat陸地觀測衛星、法國的SPOT、歐洲的ERS，加拿大的Radarsat等。自1999年10月第一顆中巴地球資源衛星成功發射以來，我國陸續發射了資源、減災、測繪、高分、高景系列陸地觀測衛星，衛星數據已廣泛應用于國土資源調查與監測、防災減災、農林水利、生態環境、城市規劃與建設、國家重大工程等領域[1]。

衛星綜合運控是統籌不同載荷、不同空間分辨率、不同軌道高度的衛星為同一目標服務的活動。隨著陸地觀測衛星的發展，衛星運控也逐漸引起重視，國內外已經開展了很多陸地觀測衛星運控的研究。比較著名的商業運控系統以美國AGI公司的STK（Satellite tool kit）軟件[2]為代表，此類軟件計算、統計、分析功能相對比較完備，可以對衛星的運行情況進行仿真，但在衛星成像規劃中未加入約束條件，可擴展性較差，人工參與量較大，難以適應具體衛星運控系統。

針對STK無法適應具體型號衛星的現狀，國內外衛星運控多采用定制系統。例如美國Veridian公司針對SPOT-5衛星日常規劃開發的GREAS系統[3]，美國國家航空航天局（NASA）針對EO-1衛星的ASPEN系統和ASTER調度系統[4]，美國Orbit Logic公司針對OrbView-3衛星開發了OrbView Tasking System等[5]。國內定制系統主要有中國電子科技集團有限公司第五十四所和國防科技大學研制的衛星任務規劃系統[6]，此類系統均考慮了載荷約束。

定制系統的優勢在于加入了衛星載荷使用約束，例如衛星能源平衡、星上存儲器容量等，相對于非定制系統在衛星調度時更加自動化，但是由于海量的用戶需求和多元化的衛星工作模式，目前我國衛星運控還很難實現完全自動化，大多數情況下需要人機交互。隨著后續衛星發射，未來衛星綜合運控面臨更艱巨的挑戰。

二、陸地觀測衛星綜合運控的必要性

經過近30年的發展，我國陸地觀測衛星發展呈現的趨勢是：空間分辨率提高，目前在軌運行的衛星中有4顆衛星優于0.5m；工作模式向多元化發展，表現在衛星姿態調整和數傳方式更加靈活；同一衛星搭載成像載荷增多，多臺相機同時成像并通過無縫拼接技術形成寬視場；衛星壽命延長，國產陸地觀測衛星設計壽命最初通常為2～3年，現在可達到5～8年。從目前衛星發展趨勢來看，不同分辨率數據的需求、工作模式的靈活性增強和在軌衛星數量的增多對衛星運控較以往有更高的要求，綜合運控是必然發展趨勢，主要原因是：

1.避免地面系統重復建設

地面系統是保障衛星數據處理、歸檔、管理和分發的重要環節，也是負責衛星日常運行和有效載荷管理的關鍵系統之一。不同衛星搭載的成像載荷和工作模式不同，但常規運行模式、傳輸鏈路、處理算法和分發流程存在許多共性，針對每顆衛星建立一套獨立的地面系統需要耗費大量的財力和人力資源，并且后期的系統運行和維護的成本也是隨著衛星顆數的增加成倍增長。衛星綜合運控有利于推進陸地衛星地面系統的集中建設，不至于導致成本隨衛星數量增加呈線性增長甚至指數增長的趨勢。

2.數據獲取時效性提高

在軌運行的陸地觀測衛星有不同的回歸特性和觀測能力[7]，通過衛星姿態調整，可側擺成像提高衛星的重訪能力。若衛星綜合運控，則可在單星重訪周期的基礎上重訪能力再次提高。例如，環境1A和環境1B衛星單顆衛星4天實現重訪，以180°相位差構建環境1A、1B衛星星座可實現2天對任意點重訪[8]。高景系列衛星由4顆0.5m高分辨率衛星組成衛星星座[9]，在側擺25°條件下不同緯度重訪時間如圖1所示。衛星實際的重訪情況由于成像區域位置的不同而有所不同，從赤道向兩極方向，相鄰軌道間的距離越小，越容易實現重訪。

圖1 高景衛星星座側擺25°條件下不同緯度重訪時間

3.資源合理利用

受地面站天線資源限制，衛星同時過地面站數量超過可用天線數量時，接收將發生沖突。若制定衛星成像計劃未考慮接收沖突，衛星接收計劃直接匯總至地面接收站，地面站發現沖突后，再通知用戶，此種方式增加了人工成本，還造成了衛星資源浪費。若增加一顆衛星，地面站即增加一幅天線，加大了設備的投入，也造成了資源浪費。衛星綜合運控有利于在制定各衛星成像計劃時充分考慮衛星和地面站天線資源，對多個地面站多顆衛星接收調度，在有限接收資源條件下，制定最優調整方案，避免接收沖突和衛星資源浪費，確保重要數據接收。

三、陸地觀測衛星綜合運控的關鍵技術

1.區域的合并和分解技術

隨著遙感數據的不斷推廣，用戶需求呈現出需求量大、區域分布廣等特點。用戶觀測需求一般為點目標和區域目標，按衛星傳感器幅寬可分為一軌可覆蓋點目標和小區域目標以及多軌覆蓋區域目標。觀測需求具有一定時效性，按照時間長短可分為長期和短期任務規劃需求，按照觀測頻度可分為約定時間范圍內觀測一次，按照一定的周期多次觀測。

對單個點或區域，在約定時間范圍內成像一次比較容易預測，但面對海量的區域和不同時間段的需求，在空間上和時間上往往存在交疊的區間，對每個區域和時間段都完成一次計算需要占據大量的計算資源，這種方式顯然不可行，因此，綜合運控的首要任務是將來自多用戶、多衛星、多區域、多時段的區域按照空間分布和時間分布特征進行合并，減少綜合運控的冗余計算。

區域根據空間和時間合并后再分解到每一顆衛星的條帶上是個更復雜的問題，目前我國陸地觀測衛星都具備較強的側擺能力，在海量的區域之下，衛星在任意時間任意側擺角度對應的條帶都可能覆蓋用戶區域，并且不同側擺角對應的地面軌跡和幅寬都不一致，因此對應同一衛星的不同側視角度即可得到不同的解決方案。當多星綜合運控時，衛星軌道傾角的差異導致衛星的星下點并不平行，不同的衛星又分解出相互交叉的不同條帶，因此，很難確定哪種分解方案是最恰當的。目前相對合理的解決方案是，以衛星的星下點經過條帶為初始分解條帶，剔除初始分解條帶后以角度最優為原則再分解剩余區域，但最優角度的確定主觀性較強。

2.有效載荷約束定量化技術

不同衛星運控模式的共性是陸地觀測衛星綜合運控的優勢之一，但每顆衛星搭載的有效載荷并不一致，衛星成像能力也有區別，為保證資源有效利用和避免人為原因造成衛星的不恰當管理，對每顆衛星獨有的特性在運行時都需要提前考慮，因此，在綜合運控中對單顆衛星進行定量化約束是必不可少的。

根據衛星的軌道高度、能源平衡和存儲容量，有以下幾條需要定量化約束：

1）單圈能量約束。衛星運行過程中消耗能源的操作有成像、數傳和側擺，由于衛星上的能源是由太陽能帆板供電，電量使用和恢復都有時間上的限制，為了保證衛星在設計壽命內安全穩定地運行，側視操作次數、成像時間和數傳時間需要有所限制。此外，由于不同衛星軌道高度經過地面站都有最長時間弧段，在地面站可視范圍內實傳時間應限制在此時間內。

2）連續側擺約束。側擺是衛星機動能力最直接的體現，衛星的側擺并不是瞬間完成的，在兩次連續側擺時間應該保證前一次側擺衛星穩定后再進行下一次的側擺，為保證衛星的成像精度，從衛星的側擺加電開始到側擺后衛星的穩定這段時期內相機是不能開機工作的，因此，兩次連續側擺之間的時間需要具體的約束。

3）星上數據存儲約束。當衛星不在地面站可視范圍內時，衛星的成像數據只能先記錄在星上存儲器內，等到衛星經過地面站可視范圍內時再擇機將數據下傳，受星上存儲容量的限制，在衛星數據下傳之前數據不能無限制地記錄。同時，由于星上數據壓縮算法一致，而成像地物的豐富程度不一致，相同時間的數據也對應不同大小的存儲空間，所以星上數據存儲在約束的前提下還需要優化。

3.多星一體化技術

多星一體化后可以提供多種策略以備選擇，滿足不同用戶的觀測需求，如角度最小、角度最優、最快成像、連片覆蓋等。策略的選擇與需求觀測時間跨度和區域大小關聯。對于應急觀測小區域需求，根據多星計算生成的觀測窗口，選取最快成像的衛星；對于大區域需求，選取最快連片覆蓋策略，設置搭接距離，保證多星最短周期完成無縫覆蓋。若在有限時間內觀測小區域目標，可以選取角度最優策略；對于大區域，可以使用最優觀測角度最快連片覆蓋策略；對于觀測時間跨度長的需求，先期可以使用角度最小策略，即使用衛星星下點成像（不側擺），完成一段時間拍攝后，使用角度最優策略對缺失區域進行補充。

由于光學相機受天氣影響較大，多云或者有雨時，數據一般為云圖，影響應用效果。為了更合理利用衛星資源獲取有效數據，避免衛星資源浪費，制定光學衛星成像計劃時，需要結合天氣情況，同時考慮衛星載荷和地面站接收范圍等約束條件生成衛星成像計劃。在衛星實際任務安排中，用戶需求分解至單星時，結合天氣情況優先選擇側擺度數小，無其他觀測沖突，且一軌能覆蓋多個觀測需求的衛星成像。單顆衛星拍攝任務發生沖突時，優先考慮需求重要性和時間緊迫程度。

四、陸地觀測衛星綜合運控的現狀

陸地觀測衛星的運控模式經歷了兩個主要階段：第一個階段是在中巴地球資源衛星01星（CBERS-01）發射之初至CBERS-02B星運行，由衛星用戶部門負責業務測控，提出長期管理階段的成像要求，委托西安衛星測控中心編制載荷工作和地面接收任務。第二個階段是中國資源衛星應用中心統一用戶需求、優化衛星成像計劃，并生成衛星上注指令，由西安衛星測控中心統一執行上注。當前衛星綜合運控主要體現在：

1）多個系列衛星綜合運控。我國自從1999年發射第一顆陸地觀測衛星CBERS-01以來，已形成多個系列的衛星，包括資源系列、環境減災系列、高分系列、實踐系列、高景系列等，后續系列衛星運控系統可以充分利用已有衛星系列的經驗。

2）多個分辨率衛星綜合運控。目前中國衛星遙感圖像高空間分辨率為亞米級、中空間分辨率為數十米、低空間分辨率上百米，多種分辨率的結合可以進行“高分辨率詳查、中低分辨率普查”。

3）多種譜段衛星綜合運控。現有陸地觀測衛星除了人們熟知的可見光、多光譜圖像外，還包括豐富的紅外圖像和雷達圖像，應用范圍更加廣泛，例如中波紅外圖像可以應用于火災監測，熱紅外圖像可以應用于城市熱島效應，雷達圖像可以實現有云有雨天氣的觀測。

由于歷史原因，現有遙感衛星運控體系是不同時間、不同承研單位研制建設的相對獨立的運行體系，尚沒有有效的技術手段支持不同系統間衛星資源的統籌應用，不能實現多星多載荷任務協同規劃，不能充分發揮多個衛星系統的整體應用效益。如何整合所有可用的對地觀測資源，實現對這些資源的統籌管理和任務協同規劃成為亟待解決的問題。在當前階段綜合運控面臨的挑戰主要有：

1）沖突決策。一方面，在實際運行過程中，衛星在一軌內只能允許有限的側擺次數，而海量的用戶需求往往超出側擺次數的限制，即便在充分考慮天氣原因、用戶需求等級和衛星資源可用等多方面約束條件下，有時也無法確定衛星側擺角度的最優方案，需要與用戶反復溝通，人工成本投入大。另一方面，地面接收資源有限，衛星經過地面站可視范圍內時數傳具有獨占性特點，多顆衛星同時經過時需要有所取舍。綜合運控相對于單星運控，在星地資源決策上，人工參與的比例較大，自動化程度還顯不足。

2）長期軌道預報。衛星在地面的萬有引力作用下運行軌道是個橢圓，理論軌道是確定的，但陸地觀測衛星在近地環境下還受到包括地球的非理想球體形狀和大氣阻力等影響，使得衛星偏離理想軌道運行。對短期單星區域觀測，使用軌道根數可精確推算衛星覆蓋時間點，對長期觀測區域，使用軌道根數外推誤差較大。目前陸地觀測衛星大多采用太陽同步回歸軌道，若定期對軌道維持，可保證長期軌道預報的相對準確，若不進行軌道維持，目前條件下區域覆蓋條帶將不可預測。

3）評價體系。評價體系是當前綜合運控的薄弱環節，現在最受關注的是區域滿足度評價和星地資源利用評價。用戶需求的載體復雜，表現形式有地名、經緯度、圖片、帶地理信息的矢量圖等，評價前首先需要將這些載體轉換為統一的格式，并且每個需求時間跨度和云蓋量都不一致，滿足度評價必須逐一計算，若無評價系統海量數據將無法統計。星地資源利用的評價則更加復雜，單獨考慮星上資源和地面站資源是相對簡單的方式，但是星地資源是相互約束的，此種方式導致過高估計可用資源。若同時考慮星地資源，受多星約束繁雜和用戶區域分布不規律等特點制約，并不能得到最優解，無法保證評價的準確性。因此，在評價體系算法研究上還需要更加深入。

五、陸地觀測衛星綜合運控的愿景

陸地觀測衛星綜合運控未來應該向完全自動化、高速化發展。面對海量的用戶需求和多元化的工作模式，衛星綜合運控應具有較高時效性和靈活性，這就需要在衛星運行控制過程中不斷優化計算機的操作，減少人機交互的過程。

1.“一鍵式”運控

“一鍵式”運控是指根據衛星的使用載荷約束、多元化的工作模式和大量的任務需求，衛星調度人員只需要按下一個按鍵或者進行極為簡單的操作，系統就可以合理分配衛星資源、調整成像策略，形成一套最優的成像計劃，并自動完成指令生成、發送等一系列過程。同時系統可以快速、準確記錄和統計成像過程中的相關數據。“一鍵式”運控要求計算機可以最大程度簡化衛星運控過程中人機交互的部分，增加計算機的處理工作，依靠計算機的高速運算功能，代替操作人員快速、自動地完成衛星運控方面的相關工作，并且可以根據一定查詢條件，快速查詢和統計衛星運控相關的數據信息。這樣就可以提高任務安排過程中的自動化程度，減少因人為因素產生的錯誤，并且在減少操作人員工作量的同時增加衛星綜合運控的效率和準確性。

2.動態任務規劃

動態任務規劃是指在一個合理的規劃方案形成之后，仍然可以隨時增加一個或多個應急需求，并且在新需求加入后，計算機重新分析和計算所有的用戶需求，適當調整原來的成像方案，優化衛星成像資源，自動形成一個新的最為合理的任務規劃方案。在實際的運控過程中，新的需求往往需要調度人員手動錄入，分析決策后對原來的方案進行調整，以達到資源的合理分配。動態任務規劃則要求在新的需求加入之后，系統可以自動重新分析任務的優先級，形成多種規劃方案，通過分析對比，最終生成一套最為合理的成像計劃。動態任務規劃的實現可減少在成像方案更改過程中操作人員主觀的調整過程，增加任務規劃系統的自動化程度，提高綜合運控工作中的效率和靈活性。

六、結束語

從第一顆陸地觀測衛星發射升空，截至目前我國已完成多個系列衛星的處理系統綜合建設，并通過業務化運行，為全國各行業用戶提供綜合服務，取得了巨大的社會效益。尤其是逐步實現陸地觀測衛星的綜合運控，多顆衛星集成在同一運控系統內，方便綜合用戶需求，通過對衛星統一管理、協調，有利于地面站資源合理利用及綜合協調，同時減少與測控中心鏈路的重復建設，也有利于在常規觀測任務和應急觀測任務中，結合不同分辨率及雷達、光學、紅外相機不同成像方式的特點，發揮每顆衛星優勢，以更短周期獲取有效數據，更好更快滿足各行業用戶的需求，為各應用領域提供服務。要減少人工參與并處理更大量的用戶需求，自動化水平提高是綜合運控的必然發展趨勢。與此同時，未來應急事件和自然災害會更加依賴衛星監測，提高衛星運控的靈活性也是綜合運控的必經之路。