高分多模衛星應急任務規劃流程設計

劉明亮 王小燕 邱虎 李紫未

(中國資源衛星應用中心，北京 100094)

自1999年10月我國第一顆民用陸地觀測衛星資源一號01星發射以來，我國陸地觀測衛星開始為我國乃至世界的重大自然災害和突發事件提供應急服務。

利用遙感衛星獲取應急任務數據，需要能夠快速拍攝應急區域，快速將應急觀測數據數傳至地面，并進行快速數據處理，從而最快的將應急區域的觀測數據送達至應急管理部門或相關用戶。

高分多模衛星2020年7月發射，是我國首顆分辨率達到0.5 m同時具有多種工作模式的光學敏捷遙感衛星，同時高分多模衛星還是我國第一顆具有中繼數傳功能的民用衛星，該衛星將在應急任務中發揮積極的作用，其特點如下。

(1)高分多模衛星遙控指令中有一個控制參數為任務的優先級，衛星具有星上任務規劃的能力，高優先級的任務能夠替換低優先級的任務，利用這一特點，常規任務的優先級默認為中優先級，當需要應急觀測時應急任務的優先級設置為高優先級，確保應急任務能夠優先執行。

(2)高分多模衛星的敏捷成像特性，采用多角度或立體成像模式，能夠對同一位置采用不同姿態進行觀測，獲取不同姿態視角下的觀測數據，能夠很大程度的規避云的影響，同時采用多角度成像模式還能在幾分鐘之內持續對同一目標進行觀測，獲取短時間內的動態變化情況。

(3)高分多模衛星所具有區域提取功能，即以特定位置為中心，提取一定大小的范圍(5 km×5 km/10 km×10 km/15 km×15 km)的觀測數據在星上進行一定的輻射及幾何校正處理，數據傳回地面后僅需進行解幀格式，從單獨虛擬信道提取出數據就能夠對相關應急用戶提供數據服務。

(4)高分多模衛星是我國第一顆具有中繼數傳功能的民用衛星[1]，衛星的數傳機會有非常大的提升，幾乎每圈都能通過中繼衛星進行數傳，因而在突發應急任務而地面接收系統無法安排任務時同樣也能夠將數據盡快傳回地面，極大的提高了數據傳輸效率。

本文結合上述高分多模衛星的特點，進行了應急任務的流程設計，研究其在應急任務觀測時的應用，然后針對衛星的相關特性進行了試驗及分析。

1 應急任務規劃流程設計及模式選擇

針對應急任務突發性強、時效性要求高[2]的特點，采用滾動優化策略[3-4]，以測控窗口時間和數傳窗口時間切分不同的規劃周期，以測控窗口的切分為主體，同時考慮原有任務對數傳窗口的依賴。在設計應急調度流程時考慮原有方案中的觀測需求，以最小化影響原有任務方案[5]，使系統在動態[6]應對應急任務時盡量實現任務總體收益的最大化。結合高分多模衛星任務優先級設置、多角度成像模式、星上進行數據快速處理的區域提取模式以及中繼數傳模式，進行應急任務規劃流程設計。

應急任務安排流程如圖1，具體步驟如下。

圖1 應急任務規劃流程圖Fig.1 Emergency task schedule flow chart

(1)接收應急觀測任務需求。

(2)根據確定是否選擇區域提取模式或多角度觀測模式，進行初步分析，確定衛星對其的拍攝時刻。

(3)讀取測控計劃，應急任務之前當前時刻之后須有測控窗口[7]保證指令能夠及時上注，若沒有測控窗口弧段彈出提示，進行協調，提供輸入測控時間窗口。

(4)依據上注圈時刻判斷是否需要任務重置(按照約束，指令完成上注時刻早于應急任務所在任務圈的開始時刻200 s以上的不需要任務重置)；考慮預留應急任務規劃、計劃發送及指令編制發送所需要的時間，當應急需求分析結束時判斷任務圈開始時刻與指令上注完成時刻之間時長大于600 s時不采用當圈任務重置進行處理，否則采用當圈任務重置進行處理；由于任務重置對一個任務圈的所有任務進行安全關機、刪除原任務以及重新上注新任務的相關處理，要求在優先滿足應急任務的要求下，盡量同時包含其他非應急任務。

(5)對新增應急任務進行任務規劃，上注圈開始時刻之前的任務不能調整，上注圈開始時刻之后、應急任務之前的可不調整，也可根據需要調整。

(6)根據應急任務的時間特性(是否需要盡快下傳)確定數傳窗口[8]。

(7)若不需要盡快下傳，應急成像任務和已有成像任務不沖突(可調整俯仰角規避沖突)，直接新增高優先級新任務號的應急成像任務及對應數傳任務(優先使用新任務號的空閑數傳窗口或使用高優先級新任務號的每次預留一定時間的數傳窗口)。

(8)若不需要盡快下傳，應急成像任務和已有成像任務沖突，上注高優先級新任務號的應急成像任務(高優先級的應急任務會將原中低優先級的任務替換掉)及原相沖突成像任務對應的數傳任務(將回放中沖突的原成像任務號替換為應急成像任務的新任務號，數傳任務調整為高優先級新任務號)。

(9)若需要盡快下傳(即首先盡量與應急成像任務組成邊記邊放或其次應急成像任務之后再盡快回傳)，應急成像任務和已有任務不沖突，判斷應急任務之后是否還能新增最近的數傳(數傳最小1 min)，即判斷回放應急成像任務的數傳是否有沖突。①若數傳不沖突，直接新增高優先級新任務號的應急成像任務及對應數傳任務。②若數傳沖突，使用當圈任務重置(應急任務所在任務圈與指令上注時刻所在任務圈是同一圈)，并重發新的應急成像任務及數傳任務或者上注高優先級新任務號的應急成像任務及高優先級新任務號的數傳任務(當數傳與成像任務沖突時利用邊記邊放規則使用高優先級數傳任務替換掉其他非應急成像任務或當數傳與數傳任務沖突時使用高優先級數傳替換掉其他數傳任務)。

(10)若需要盡快下傳，應急成像任務和已有任務沖突，判斷應急任務之后是否還能新增最近的數傳(數傳最小1 min)，即判斷回放應急成像任務的數傳是否沖突。①若數傳不沖突，上注高優先級新任務號的應急成像任務及對應數傳任務。②若數傳沖突按照第(9)②步進行。

(11)此過程中，更新接收計劃及處理計劃。

2 試驗結果及分析

結合第1節中的應急任務規劃流程以及相關特有模式，高分多模衛星在軌業務運行期間分別進行了高優先級成像任務替換低優先級成像任務、邊記邊放模式時的數傳任務替換多個成像任務、采用多角度成像規避云對拍攝區域的影響、星上區域提取數據處理、通過中繼衛星進行數傳等試驗，以下逐一說明。

1)高優先級成像任務替換低優先級成像任務

按照前述應急任務規劃流程進行了應急拍攝任務，任務中只有成像任務相沖突，采用高優先級任務指令替換相沖突的低優先級任務指令的功能，圖2為原成像任務指令的拍攝區域示意圖；調整成像位置及任務優先級(高優先級)重新上注指令，實際拍攝區域如圖3所示，可見高優先級任務成功將低優先級任務替換。由于回放中包含的成像文件號為新的文件號，對應的回放任務的調整也使用高優先級的新任務替換原有任務來更新。另外，圖4中左側綠色數傳弧段和紅色高優先級的成像條帶組成邊記邊放模式為后上注的應急任務，右側4個點目標為提前上注的常規任務；該軌數據回傳處理后的覆蓋圖如圖5所示，表明：邊記邊放模式的數傳任務成功替換了其他幾個常規成像任務。通過這種方式，當在安排與原有任務有沖突的應急任務時可以很方便地替換操作，而不是傳統的必須要先全部刪除指令再重新發送指令的方式，顯著地提高了執行任務的時效性。

圖2 原成像任務拍攝區域示意圖Fig.2 Original task imaging area sketch

圖3 更新后實際的拍攝區域覆蓋圖 Fig.3 New task imaging area sketch

2)多角度成像規避云覆蓋的影響

高分多模衛星通過多角度成像模式可以對同一目標進行不同衛星姿態角度的成像，如圖6～圖9所示，從不同角度拍攝獲取的數據中云量是不一樣的，在應急任務的拍攝中可以充分利用這一特點以規避云的影響，最大程度的獲取有效數據。

圖9 從東方明珠的北側拍攝Fig.9 Image from OPR&T Tower north

另一方面，多角度成像模式允許衛星從俯仰角+45°～-45°之間，在3 min左右時間內對目標成像多達12次，可以對目標進行多角度觀測以盡量獲取目標的全貌，而且也在一定時間內達到了凝視效果，可以獲取應急目標的動態變化情況。

圖7 從廣州塔的南側拍攝Fig.7 Image from Canton Tower south

圖8 從東方明珠的南側拍攝Fig.8 Image from OPR&T Tower south

3)區域提取星上進行數據處理加快數據交付用戶

區域提取模式是衛星在軌從已獲取觀測數據中以某一位置為中心點，提取一定大小的區域在星上直接進行一定的處理。如圖10所示，數據已經過了輻射及幾何處理，可以提供應急相關用戶使用。

圖10 區域提取星上處理的數據Fig.10 Extracted data from on-orbit data processing

這為應急中的衛星遙感數據提供給出了一種新思路，即星上區域提取處理的數據先期給用戶提供，以進行應急區域初步的判斷。在此過程中，地面數據處理系統進行更高級的輻射校正處理及幾何校正處理，隨后提供用戶，進行更進一步的分析判斷。

4)高分多模衛星對中繼衛星數據傳輸

高分多模衛星是我國第一顆具有中繼數傳功能的民用衛星，在降軌南半球及升軌北半球時可以進行數傳，數據從高分多模衛星傳輸至中繼衛星后實時轉發至中繼地面接收站如圖11所示，再同步轉發至地面處理系統進行處理。可以想見，當在國境范圍內有應急任務時，應急成像結束后即可進行中繼數傳將數據傳回地面，由于國境內成完像才進行中繼數傳，這樣也不會干擾與應急任務同軌的其他任務，相對同軌境內地面接收站也有優勢。

圖11 高分多模衛星對中繼數傳示意圖Fig.11 GFDM-1 satellite data transmission to relay satellite sketch

3 結束語

本文結合高分多模衛星的特點及相關特有工作模式，設計了切實可行的應急任務規劃流程，并對流程及相關工作模式進行了試驗。通過高分多模衛星在軌業務運行，實際檢驗了指令高優先級替換低優先級的方式，顯著地簡化了衛星執行應急任務的操作步驟，進而增加了應急任務的執行成功率；采用多角度成像模式在一定程度上成功地規避了云對觀測區域的遮擋影響，提高了有效數據的獲取率；區域提取星上數據處理模式顯著地縮短了對用戶提供應急觀測數據所需的時間；使用中繼衛星進行數據傳輸在不影響同任務圈其他成像任務的情況下顯著地縮短了從應急任務成像到數據回傳所需的時間。