高分多模衛(wèi)星星地一體化快速響應系統(tǒng)設計與在軌驗證

汪精華 王躍 于龍江 范立佳 姜洋

(中國空間技術研究院遙感衛(wèi)星總體部，北京 100094)

遙感衛(wèi)星智能化處理技術發(fā)展迅速，用戶對于遙感信息的快速響應需求也日益強烈[1-2]，結合民用減災用戶災區(qū)遙感圖像快速獲取需求，高分多模衛(wèi)星采用星地一體化快速響應系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠完成熱點區(qū)域的目標快速提取及2級圖像產品的快速生成，結合低碼速率星地下傳通道，支持圖像產品的快速應用，數據可快速直傳到災區(qū)一線的指揮車，滿足用戶“所見即所得”的快速獲取需求。它將事件響應時間由小時級提升至分鐘級，同時能為用戶提供高定位精度的2級圖像產品，支持定量化應用。

本文主要介紹了高分多模衛(wèi)星支持快速響應的星地一體化系統(tǒng)設計(簡稱“快速響應系統(tǒng)”)，以及系統(tǒng)在軌試驗驗證結果，可為后續(xù)遙感衛(wèi)星快速響應的應用模式提供參考。

1 快速響應系統(tǒng)組成

高分多模衛(wèi)星快速響應系統(tǒng)星上部分由區(qū)域提取與處理單元單機，以及數傳分系統(tǒng)的相關單機組成，數據流程跨越區(qū)域提取與處理單元、一體化數據處理器、X頻段調制器及數傳天線等十余臺單機，數據流設計見圖1。高分辨率相機數據發(fā)送到一體化數據處理器進行分路，一路數據在一體化處理器中進行壓縮處理，壓縮后的數據進如固態(tài)存儲器；一路數據經分路后進入區(qū)域提取與處理單元進行處理，處理后的圖像產品經過一體化處理器進行數據復接與格式編排，再通過調制器及數傳天線下傳至地面，此時數傳的通道部分將采用低碼速率模式。

圖1 星上處理及快速分發(fā)數據流Fig.1 Data stream of onboard processing and fast delivery

高分多模衛(wèi)星快速響應系統(tǒng)的地面及處理部分由地面便攜站或者機動站組成，站內配置接收、處理、顯示及評估軟件，可滿足分鐘級的遙感2級圖像快速響應，星地采用的低碼速率模式降低了地面接收系統(tǒng)的規(guī)模，優(yōu)化了快速響應系統(tǒng)設計。從表1星地鏈路分析結果可知：地面站性能指數(G/T)為15.5 dB/K(對應于1.5 m天線)的接收系統(tǒng)還有3 dB以上的鏈路余量[3-4]。

表1 星地鏈路分析Table 1 Ground-to-satellite link analysis

2 星地一體化設計

針對在軌處理所涉及的區(qū)域提取及2級圖像生成需求，星上處理涉及到目標提取、輻射校正、圖像拼接及系統(tǒng)幾何校正等。考慮星地指標體系的一致性，高分多模衛(wèi)星星上處理采用星地一體化設計，具體包括：①星上處理算法采用地面簡化算法，保證算法的可用性及測試結果的可信度；②模型參數由地面標定獲取后上注星上處理軟件使用，并定期更新，保持星上處理指標的高精度。

在軌相對輻射校正、拼接、系統(tǒng)級幾何校正產品星地一體化處理過程，如圖2所示。

圖2 星地一體化處理過程Fig.2 Ground-to-satellite integrated processing flowchart

2.1 輻射校正星地一體化設計

地面的輻射校正一般包括查找表法及系數法[5-6]，它們均是目前地面站的常用處理方法。查找表法需要對每一個像素在查找表中進行二維搜索，并用表中的值對原值進行替換；系數法則是將每個像素直接進行乘加運算，對于星上處理系統(tǒng)來說，處理器對存儲器存取是比較耗時的，尤其是跨行讀寫效率是連續(xù)讀寫效率的1/100，考慮到輻射校正實時性要求及星上處理系統(tǒng)規(guī)模的限制，高分多模衛(wèi)星輻射校正采用系數法。

2.2 幾何校正星地一體化設計

本文基于嚴格幾何模型進行多片CCD拼接和系統(tǒng)級幾何校正[7]，產品幾何校正處理依賴于幾何模型的建立[8]。考慮星上處理能力的限制，為提高幾何校正處理的效率，采用分塊校正的思路，以少部分的精度損失換取校正過程的高效率。其原理如圖3所示：左側為一幅原始圖像(四邊形abcd)，定義在圖像坐標系a-xy中；右側C-XY是地圖坐標系及校正后的圖像(四邊形a′b′c′d′)，四邊形ABCD表示在計算機中為校正后圖像開出的存儲范圍及相應的地面位置。具體操作為：①對輸出圖像按地面范圍劃分格網；②求出每個格網的4個角點對應的原始圖像坐標，如圖3中a，b，c，d；③求單個格網塊對應的原始圖像坐標的范圍，得到圖3中的A，B，C，D；④對格網內的每個點P，用簡單內插的辦法求出原始圖像坐標P′及點的輸出灰度；⑤判斷格網內所有像素是否都已處理完畢，若未處理完畢，轉到第④步，若已處理完畢，將該格網內的象素灰度寫入文件中；⑥判斷是否所有格網塊已處理完畢，若未處理完畢，轉到第③步繼續(xù)處理下一個格網塊，若已處理完畢，結束操作。

圖3 分塊采樣原理Fig.3 Principle of block sampling

2.3 星地處理算法差異分析

在軌實時處理時的算法流程與地面的算法流程相同，存在差異如下。

(1)在幾何校正處理中，需要對圖像進行劃分格網分塊校正，較逐點計算提高運算效率，格網劃分越稀疏處理速度越快，同時精度損失越高；星上環(huán)境下，依據處理模塊的運算能力和處理時間需求，與地面相比更注重處理的實時高效，則配置格網劃分更偏向效率，較地面系統(tǒng)處理稀疏。目前，地面分塊大小為256×256，星上每塊大小為2000×2000(1 km×1 km)。通過準確的相機內定標后，唯一差別是小區(qū)域采用相同的高程計算，即高程誤差帶來的影響，對于平坦區(qū)域，該影響可以忽略[9]。

(2)在拼接和幾何校正過程中必需的DEM數據，理論上一定是精度越高，引入誤差越小，但考慮到星上存儲環(huán)境限制，地面系統(tǒng)所采用的較精細的DEM數據不適用于星上處理，因此采用格網較粗、存儲需求較低的DEM數據。目前，地面使用30 m分辨率的DEM數據，星上使用180 m分辨率的DEM數據，帶來的誤差也是高程誤差，在平坦地區(qū)可以忽略。

3 關鍵指標分析

快速響應系統(tǒng)性能關鍵指標包括快速響應延遲時間及圖像定位精度，下面分別對其進行分析。

3.1 快速響應延遲時間

快速響應延遲時間包括區(qū)域提取單元處理時間、2級圖像產品在星上數傳分系統(tǒng)流轉時間及圖像星地傳輸時間，由于星上已經處理成圖像產品，因此地面可不再進行處理，接收后直接顯示即可。對于不同大小的區(qū)域，響應時間見表2。根據分析可知：最大區(qū)域15 km×15 km的星地快速響應時間可達114 s，小于2 min；而最小區(qū)域5 km×5 km，星地快速響應時間僅為27 s。

表2 響應時間分析Table 2 Response time analysis

3.2 圖像定位精度

根據嚴格幾何模型，推導各個誤差項對定位精度影響的公式，并對高分多模衛(wèi)星平臺存在的各種誤差源大小進行估算。結合衛(wèi)星的相關參數，對星下點的定位精度進行分析，結果如表3所示。對于有側擺角的情況，單軸誤差會加大。

表3 圖像定位精度分析Table 3 Image positioning accuracy analysis

4 在軌驗證

4.1 響應時間在軌驗證

2020年12月31日，高分多模衛(wèi)星在北京首次完成了特定區(qū)域快速獲取模式應用演示驗證試驗，模擬應急搶險救災前沿指揮部“實時”接收受災區(qū)域2級遙感圖像產品，并進行判讀應用的場景。圖4是北京密云水庫目標測試現場及提取結果。根據試驗安排，高分多模衛(wèi)星當天上午飛越北京，衛(wèi)星對前沿指揮部所在的受災區(qū)域(密云水庫附近)快速指向，并于10：54：24開始成像，成像后立即進行星上實時處理，生成15 km×15 km的2級圖像產品；10：56：30通過指揮部配置的地面移動接收站完成圖像數據的接收、解調，并進行圖像產品的顯示和判讀。

圖4 北京密云水庫目標測試現場及提取結果Fig.4 Test-site and target extraction results of Miyun reservoir in Beijing

衛(wèi)星成像至用戶接收到可直接應用的圖像，獲取全鏈路時間縮短至2 min左右，“第一時間”將受災區(qū)域的遙感衛(wèi)星圖像產品傳送到前沿應急指揮部，以便指揮部及時掌握災害發(fā)生地點、涉及范圍、發(fā)展趨勢等信息。

4.2 定位精度在軌評估

在軌測試期間，高分多模衛(wèi)星對4個目標區(qū)域進行了提取及處理，側擺角度為20°～30°。為保證圖像定位精度測試的可靠性，試驗選用0.3 m分辨率的谷歌圖像作為參考圖像。具體測試結果如表4所示。

表4 在軌定位精度測試結果Table 4 On-orbit positioning accuracy test results

通過對高分多模衛(wèi)星多幅區(qū)域提取圖像進行幾何定位精度測試，結果表明經度方向(橫向)上的定位精度為-50.36 m，緯度方向(縱向)上的定位精度為29.18 m，考慮到測試圖像均為側擺角20°～30°范圍內，因此表4在軌測試結果與表3的指標分析結果一致。這表明：高分多模衛(wèi)星快速響應系統(tǒng)，可在2 min以內完成星上2級圖像采集與生成，并傳輸至用戶顯示，大大降低了系統(tǒng)響應時間，增強了系統(tǒng)應用效能；同時，2級圖像的兩軸定位精度與指標分析結果一致，滿足技術要求。

5 結束語

高分多模衛(wèi)星配置了星地一體化快速響應系統(tǒng)，完成特定區(qū)域圖像的提取、輻射校正及幾何校正，生成用戶可直接應用的2級圖像產品；并利用數傳分系統(tǒng)的低速傳輸模式，支持配置更為靈活的機動站或微型便攜接收站來完成圖像數據的快速實時接收與顯示，能有效解決如何“第一時間”將受災區(qū)域的遙感衛(wèi)星圖像產品傳送到前沿應急指揮部的問題。該衛(wèi)星將獲取時效性由數小時提高至分鐘級，且圖像定位精度較高，可提供及時、有效、準確的信息，有效服務于重大災害等應急需求。