氣象信息輔助巴遙一號遙感衛星任務規劃

文 | 寧定遠 方舟 齊昕滸 陳元偉 李媛博

航天恒星科技有限公司

一、引言

遙感衛星按照相對固定的高度飛行，而且衛星的觀測視場角范圍也相對固定，通常，可用的高分辨率觀測寬度為50～100km。為了擴大觀測范圍，遙感衛星一般都具有側擺能力，能夠觀測到偏離星下線的目標[1]。當衛星側擺后，可以觀測到一個以星下點軌跡為中心線的帶狀區域，在這個帶狀區域內的地面目標理論上都有機會被衛星觀測到。但由于同一時刻衛星只能觀測有限的地面目標，不能同時完成多個目標的觀測，所以需要設計與衛星特點相匹配的任務規劃，對采集單進行綜合評估和取舍后，最終安排滿足衛星和地面資源要求的調度方案，滿足用戶的觀測要求。

光學成像衛星因其分辨率高、成像質量好，被廣泛應用于環境監測、災害防治和軍事偵察等活動中，但由于氣象因素，光學衛星在對地觀測成像過程中，圖像中經常有成片的云層覆蓋區域，它們幾乎不具備任何地面信息[2]。光學衛星受云層氣象環境的影響較大，據統計，60%左右的觀測數據存在云層遮蔽情況，這些無效數據占用了大量的數據傳輸和處理資源[3]。這個問題幾乎伴隨著遙感技術發展的每個階段，是可見光衛星遙感所面臨的一個重要課題[4-5]。面對該問題，學者們主要從兩個維度進行研究。一是對遙感影像處理達到去云的效果；二是從衛星拍攝階段考慮減少氣象因素的影響。

本文則是在衛星遙感影像數據獲取階段進行處理，減少氣象因素的影響，增大有效成像區域的覆蓋率，從而獲得高質量的成像圖像。研究根據衛星成像任務規劃的流程，建設氣象信息輔助任務規劃流程，并通過巴遙一號地面應用系統的實例，分析氣象信息輔助任務規劃的效果。考慮氣象信息輔助進行任務規劃，能夠通過提前預測出的云量信息，提高目標拍攝的成功率，獲得高質量遙感衛星影像，同時也提高了衛星和地面資源的使用效率。

二、氣象信息輔助遙感衛星任務規劃

氣象信息輔助任務規劃主要需要考慮完成氣象信息任務規劃的關鍵技術攻關、核心算法設計等工作。需要在任務規劃功能的基礎上，考慮氣象信息，進行任務規劃算法及相關核心技術的研究，設計并實現其中的核心的任務規劃算法，完成原型系統研制，對核心模塊進行驗證。

1. 氣象信息相關流程

氣象信息輔助任務規劃主要考慮將從外部氣象服務接收到的云預報數據和氣候統計數據作為任務規劃的參考依據。其采集單處理過程如圖1所示。考慮氣象信息任務規劃主要處理流程如圖2所示。

圖1 考慮氣象信息的采集單處理過程圖

圖2 考慮氣象信息任務規劃處理流程圖

考慮氣象信息任務規劃流程需要根據接收到的云覆蓋預報數據和氣象統計預報文件，在預規劃以及計劃的確認和調整階段，對任務規劃方案進行相應調整。氣象信息作為這兩個階段的輸入參數，影響任務規劃的結果。

2. 氣象數據的格式和管理設計

在氣象信息輔助任務規劃中，將對國內外氣象數據的格式、內容、日接收數據量進行調研，并設計專門用于輔助任務規劃的氣象數據格式。系統將設計數據的存儲機構、更新機制、檢索方式，以滿足存儲、檢索全球網格氣象預報數據功能；并確定各類氣象數據的存儲時間。

3. 氣象數據存儲方式設計

在氣象信息輔助任務規劃系統中，將對云預報數據、氣象預報數據和氣候統計數據三種預報數據的存儲方式進行設計，分析氣象數據的種類、更新方式和具體的存儲方法。

4. 氣象數據的判讀和使用方式設計

在氣象信息輔助規劃中，將對氣象數據的整合、自動判讀技術進行研究，設計一種判斷成像區域的天氣情況是否滿足衛星成像要求的評價體系，以滿足氣象信息輔助任務規劃的需求。判讀算法根據配置參數和讀取的氣象數據值進行判讀計算，最后得到判讀結果。

考慮氣象信息的任務規劃，將規劃前的氣象預報數據作為參考依據，結合其他條件：數據庫加載衛星和接收站參數、數據采集單、衛星星下點數據以及特殊的天文事件，共同決定拍攝任務和數據接收任務的規劃結果。

三、應用案例

巴基斯坦遙感衛星一號（簡稱巴遙一號）地面應用系統包括跟蹤與數據接收分系統、運行管理分系統、圖像處理分系統、數據管理分系統、公共服務分系統、網絡分系統六個分系統。

運行管理分系統是地面應用系統的重要組成部分，負責接收公共服務分系統的衛星觀測請求，進行任務規劃，生成計劃文件，下發給跟蹤與數據接收分系統和測控系統；測控系統上注至衛星，從而執行計劃；跟蹤與數據接收分系統接收衛星下傳的數據，并將狀態報給運行管理分系統，從而達到監控計劃執行狀態的目的。該項目在衛星任務規劃中引入了氣象因素，使用氣象信息輔助遙感衛星進行任務規劃。

1.氣象歷史信息輔助任務規劃

用戶在下采集單前，提前對該區域歷史氣象信息進行統計，例如，用戶的拍攝區域為巴基斯坦首都伊斯蘭堡，近10年伊斯蘭堡各月的平均云量統計結果可以看出，伊斯蘭堡一年中二月份的平均云量最多，覆蓋率達到了45%，六月份的云量最少，云量覆蓋率為11%左右。在六月份用戶得到高質量衛星遙感影像數據的概率最大；在二月份衛星拍攝伊斯蘭堡，云量對目標的覆蓋較大，衛星獲取高質量衛星遙感影像的成功率較低。氣候統計數據的作用是使用戶對長時間的天氣情況有一個總體的把控。

2.最新氣象信息輔助任務規劃

在該系統任務預規劃過程中，調用氣象評定算法，即利用最新氣象數據計算出該拍攝條帶在衛星預計拍攝時間的平均云量值，如果該值小于用戶采集要求，則評定成功，反之，評定失敗。例如，用戶下北京地區的區域訂單，訂單中要求的云量值為小于30%，在沒有氣象信息輔助的情況下，該訂單任務規劃成功（available）（圖3），如果加入了氣象信息評定，該訂單在任務規劃過程中判定由于云量高于用戶要求，任務規劃失敗（unavailable），如圖4所示。

圖3 無氣象信息輔助任務規劃成功

圖4 考慮氣象信息輔助任務規劃失敗

從圖4中可以看出，該地區的云量值約72%，遠遠大于用戶要求的云量覆蓋率30%的條件，因此任務規劃結果判定為失敗。常規任務規劃只考慮了衛星載荷及接收資源使用約束，以該訂單為例，在常規任務規劃中，該訂單能夠任務規劃成功，在指定時間拍攝北京，但是實際拍攝的數據中有約72%為云量覆蓋區域，無法滿足遙感影像的使用要求，實際上浪費了衛星的拍攝資源和地面站的接收資源。

四、結論

文章根據衛星成像任務規劃的流程，建設氣象信息輔助的任務規劃方案，并通過巴遙一號地面應用系統的實例，分析氣象信息輔助任務規劃的效果。考慮氣象信息輔助任務規劃能夠通過提前預測出的云量信息，提高目標拍攝的成功率，獲得高質量遙感衛星影像，大大提高了衛星和地面資源的使用效率。

考慮氣象信息的任務規劃在一定程度上可以提高遙感衛星的成像質量，提高接收站接收數據的成功率，但是這并不意味著考慮氣象因素后就不會出現低質量圖像或者不會出現數據接收成功率低的情況。因為天氣預報數據存在一定的不確定性，預報準確率會影響到衛星成像質量。

同時，地面站范圍內的大風、大雨、大雪等惡劣天氣，會影響數據的接收，降低數據接收的成功率。后續研究中，應在接收資源規劃中增加氣象信息的分析。接收資源規劃中除加載衛星和接收站參數、接收資源使用需求、衛星過站時間窗口以及特殊的天文事件外，還應考慮接收站相應時間的氣象信息，從而提高數據接收的成功率。