高分多模衛(wèi)星應(yīng)急任務(wù)規(guī)劃流程設(shè)計(jì)

劉明亮 王小燕 邱虎 李紫未

(中國(guó)資源衛(wèi)星應(yīng)用中心，北京 100094)

自1999年10月我國(guó)第一顆民用陸地觀測(cè)衛(wèi)星資源一號(hào)01星發(fā)射以來，我國(guó)陸地觀測(cè)衛(wèi)星開始為我國(guó)乃至世界的重大自然災(zāi)害和突發(fā)事件提供應(yīng)急服務(wù)。

利用遙感衛(wèi)星獲取應(yīng)急任務(wù)數(shù)據(jù)，需要能夠快速拍攝應(yīng)急區(qū)域，快速將應(yīng)急觀測(cè)數(shù)據(jù)數(shù)傳至地面，并進(jìn)行快速數(shù)據(jù)處理，從而最快的將應(yīng)急區(qū)域的觀測(cè)數(shù)據(jù)送達(dá)至應(yīng)急管理部門或相關(guān)用戶。

高分多模衛(wèi)星2020年7月發(fā)射，是我國(guó)首顆分辨率達(dá)到0.5 m同時(shí)具有多種工作模式的光學(xué)敏捷遙感衛(wèi)星，同時(shí)高分多模衛(wèi)星還是我國(guó)第一顆具有中繼數(shù)傳功能的民用衛(wèi)星，該衛(wèi)星將在應(yīng)急任務(wù)中發(fā)揮積極的作用，其特點(diǎn)如下。

(1)高分多模衛(wèi)星遙控指令中有一個(gè)控制參數(shù)為任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，衛(wèi)星具有星上任務(wù)規(guī)劃的能力，高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)能夠替換低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)，利用這一特點(diǎn)，常規(guī)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)默認(rèn)為中優(yōu)先級(jí)，當(dāng)需要應(yīng)急觀測(cè)時(shí)應(yīng)急任務(wù)的優(yōu)先級(jí)設(shè)置為高優(yōu)先級(jí)，確保應(yīng)急任務(wù)能夠優(yōu)先執(zhí)行。

(2)高分多模衛(wèi)星的敏捷成像特性，采用多角度或立體成像模式，能夠?qū)ν晃恢貌捎貌煌藨B(tài)進(jìn)行觀測(cè)，獲取不同姿態(tài)視角下的觀測(cè)數(shù)據(jù)，能夠很大程度的規(guī)避云的影響，同時(shí)采用多角度成像模式還能在幾分鐘之內(nèi)持續(xù)對(duì)同一目標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)，獲取短時(shí)間內(nèi)的動(dòng)態(tài)變化情況。

(3)高分多模衛(wèi)星所具有區(qū)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(cè)數(shù)據(jù)在星上進(jìn)行一定的輻射及幾何校正處理，數(shù)據(jù)傳回地面后僅需進(jìn)行解幀格式，從單獨(dú)虛擬信道提取出數(shù)據(jù)就能夠?qū)ο嚓P(guān)應(yīng)急用戶提供數(shù)據(jù)服務(wù)。

(4)高分多模衛(wèi)星是我國(guó)第一顆具有中繼數(shù)傳功能的民用衛(wèi)星[1]，衛(wèi)星的數(shù)傳機(jī)會(huì)有非常大的提升，幾乎每圈都能通過中繼衛(wèi)星進(jìn)行數(shù)傳，因而在突發(fā)應(yīng)急任務(wù)而地面接收系統(tǒng)無法安排任務(wù)時(shí)同樣也能夠?qū)?shù)據(jù)盡快傳回地面，極大的提高了數(shù)據(jù)傳輸效率。

本文結(jié)合上述高分多模衛(wèi)星的特點(diǎn)，進(jìn)行了應(yīng)急任務(wù)的流程設(shè)計(jì)，研究其在應(yīng)急任務(wù)觀測(cè)時(shí)的應(yīng)用，然后針對(duì)衛(wèi)星的相關(guān)特性進(jìn)行了試驗(yàn)及分析。

1 應(yīng)急任務(wù)規(guī)劃流程設(shè)計(jì)及模式選擇

針對(duì)應(yīng)急任務(wù)突發(fā)性強(qiáng)、時(shí)效性要求高[2]的特點(diǎn)，采用滾動(dòng)優(yōu)化策略[3-4]，以測(cè)控窗口時(shí)間和數(shù)傳窗口時(shí)間切分不同的規(guī)劃周期，以測(cè)控窗口的切分為主體，同時(shí)考慮原有任務(wù)對(duì)數(shù)傳窗口的依賴。在設(shè)計(jì)應(yīng)急調(diào)度流程時(shí)考慮原有方案中的觀測(cè)需求，以最小化影響原有任務(wù)方案[5]，使系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)[6]應(yīng)對(duì)應(yīng)急任務(wù)時(shí)盡量實(shí)現(xiàn)任務(wù)總體收益的最大化。結(jié)合高分多模衛(wèi)星任務(wù)優(yōu)先級(jí)設(shè)置、多角度成像模式、星上進(jìn)行數(shù)據(jù)快速處理的區(qū)域提取模式以及中繼數(shù)傳模式，進(jìn)行應(yīng)急任務(wù)規(guī)劃流程設(shè)計(jì)。

應(yīng)急任務(wù)安排流程如圖1，具體步驟如下。

圖1 應(yīng)急任務(wù)規(guī)劃流程圖Fig.1 Emergency task schedule flow chart

(1)接收應(yīng)急觀測(cè)任務(wù)需求。

(2)根據(jù)確定是否選擇區(qū)域提取模式或多角度觀測(cè)模式，進(jìn)行初步分析，確定衛(wèi)星對(duì)其的拍攝時(shí)刻。

(3)讀取測(cè)控計(jì)劃，應(yīng)急任務(wù)之前當(dāng)前時(shí)刻之后須有測(cè)控窗口[7]保證指令能夠及時(shí)上注，若沒有測(cè)控窗口弧段彈出提示，進(jìn)行協(xié)調(diào)，提供輸入測(cè)控時(shí)間窗口。

(4)依據(jù)上注圈時(shí)刻判斷是否需要任務(wù)重置(按照約束，指令完成上注時(shí)刻早于應(yīng)急任務(wù)所在任務(wù)圈的開始時(shí)刻200 s以上的不需要任務(wù)重置)；考慮預(yù)留應(yīng)急任務(wù)規(guī)劃、計(jì)劃發(fā)送及指令編制發(fā)送所需要的時(shí)間，當(dāng)應(yīng)急需求分析結(jié)束時(shí)判斷任務(wù)圈開始時(shí)刻與指令上注完成時(shí)刻之間時(shí)長(zhǎng)大于600 s時(shí)不采用當(dāng)圈任務(wù)重置進(jìn)行處理，否則采用當(dāng)圈任務(wù)重置進(jìn)行處理；由于任務(wù)重置對(duì)一個(gè)任務(wù)圈的所有任務(wù)進(jìn)行安全關(guān)機(jī)、刪除原任務(wù)以及重新上注新任務(wù)的相關(guān)處理，要求在優(yōu)先滿足應(yīng)急任務(wù)的要求下，盡量同時(shí)包含其他非應(yīng)急任務(wù)。

(5)對(duì)新增應(yīng)急任務(wù)進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃，上注圈開始時(shí)刻之前的任務(wù)不能調(diào)整，上注圈開始時(shí)刻之后、應(yīng)急任務(wù)之前的可不調(diào)整，也可根據(jù)需要調(diào)整。

(6)根據(jù)應(yīng)急任務(wù)的時(shí)間特性(是否需要盡快下傳)確定數(shù)傳窗口[8]。

(7)若不需要盡快下傳，應(yīng)急成像任務(wù)和已有成像任務(wù)不沖突(可調(diào)整俯仰角規(guī)避沖突)，直接新增高優(yōu)先級(jí)新任務(wù)號(hào)的應(yīng)急成像任務(wù)及對(duì)應(yīng)數(shù)傳任務(wù)(優(yōu)先使用新任務(wù)號(hào)的空閑數(shù)傳窗口或使用高優(yōu)先級(jí)新任務(wù)號(hào)的每次預(yù)留一定時(shí)間的數(shù)傳窗口)。

(8)若不需要盡快下傳，應(yīng)急成像任務(wù)和已有成像任務(wù)沖突，上注高優(yōu)先級(jí)新任務(wù)號(hào)的應(yīng)急成像任務(wù)(高優(yōu)先級(jí)的應(yīng)急任務(wù)會(huì)將原中低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)替換掉)及原相沖突成像任務(wù)對(duì)應(yīng)的數(shù)傳任務(wù)(將回放中沖突的原成像任務(wù)號(hào)替換為應(yīng)急成像任務(wù)的新任務(wù)號(hào)，數(shù)傳任務(wù)調(diào)整為高優(yōu)先級(jí)新任務(wù)號(hào))。

(9)若需要盡快下傳(即首先盡量與應(yīng)急成像任務(wù)組成邊記邊放或其次應(yīng)急成像任務(wù)之后再盡快回傳)，應(yīng)急成像任務(wù)和已有任務(wù)不沖突，判斷應(yīng)急任務(wù)之后是否還能新增最近的數(shù)傳(數(shù)傳最小1 min)，即判斷回放應(yīng)急成像任務(wù)的數(shù)傳是否有沖突。①若數(shù)傳不沖突，直接新增高優(yōu)先級(jí)新任務(wù)號(hào)的應(yīng)急成像任務(wù)及對(duì)應(yīng)數(shù)傳任務(wù)。②若數(shù)傳沖突，使用當(dāng)圈任務(wù)重置(應(yīng)急任務(wù)所在任務(wù)圈與指令上注時(shí)刻所在任務(wù)圈是同一圈)，并重發(fā)新的應(yīng)急成像任務(wù)及數(shù)傳任務(wù)或者上注高優(yōu)先級(jí)新任務(wù)號(hào)的應(yīng)急成像任務(wù)及高優(yōu)先級(jí)新任務(wù)號(hào)的數(shù)傳任務(wù)(當(dāng)數(shù)傳與成像任務(wù)沖突時(shí)利用邊記邊放規(guī)則使用高優(yōu)先級(jí)數(shù)傳任務(wù)替換掉其他非應(yīng)急成像任務(wù)或當(dāng)數(shù)傳與數(shù)傳任務(wù)沖突時(shí)使用高優(yōu)先級(jí)數(shù)傳替換掉其他數(shù)傳任務(wù))。

(10)若需要盡快下傳，應(yīng)急成像任務(wù)和已有任務(wù)沖突，判斷應(yīng)急任務(wù)之后是否還能新增最近的數(shù)傳(數(shù)傳最小1 min)，即判斷回放應(yīng)急成像任務(wù)的數(shù)傳是否沖突。①若數(shù)傳不沖突，上注高優(yōu)先級(jí)新任務(wù)號(hào)的應(yīng)急成像任務(wù)及對(duì)應(yīng)數(shù)傳任務(wù)。②若數(shù)傳沖突按照第(9)②步進(jìn)行。

(11)此過程中，更新接收計(jì)劃及處理計(jì)劃。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

結(jié)合第1節(jié)中的應(yīng)急任務(wù)規(guī)劃流程以及相關(guān)特有模式，高分多模衛(wèi)星在軌業(yè)務(wù)運(yùn)行期間分別進(jìn)行了高優(yōu)先級(jí)成像任務(wù)替換低優(yōu)先級(jí)成像任務(wù)、邊記邊放模式時(shí)的數(shù)傳任務(wù)替換多個(gè)成像任務(wù)、采用多角度成像規(guī)避云對(duì)拍攝區(qū)域的影響、星上區(qū)域提取數(shù)據(jù)處理、通過中繼衛(wèi)星進(jìn)行數(shù)傳等試驗(yàn)，以下逐一說明。

1)高優(yōu)先級(jí)成像任務(wù)替換低優(yōu)先級(jí)成像任務(wù)

按照前述應(yīng)急任務(wù)規(guī)劃流程進(jìn)行了應(yīng)急拍攝任務(wù)，任務(wù)中只有成像任務(wù)相沖突，采用高優(yōu)先級(jí)任務(wù)指令替換相沖突的低優(yōu)先級(jí)任務(wù)指令的功能，圖2為原成像任務(wù)指令的拍攝區(qū)域示意圖；調(diào)整成像位置及任務(wù)優(yōu)先級(jí)(高優(yōu)先級(jí))重新上注指令，實(shí)際拍攝區(qū)域如圖3所示，可見高優(yōu)先級(jí)任務(wù)成功將低優(yōu)先級(jí)任務(wù)替換。由于回放中包含的成像文件號(hào)為新的文件號(hào)，對(duì)應(yīng)的回放任務(wù)的調(diào)整也使用高優(yōu)先級(jí)的新任務(wù)替換原有任務(wù)來更新。另外，圖4中左側(cè)綠色數(shù)傳弧段和紅色高優(yōu)先級(jí)的成像條帶組成邊記邊放模式為后上注的應(yīng)急任務(wù)，右側(cè)4個(gè)點(diǎn)目標(biāo)為提前上注的常規(guī)任務(wù)；該軌數(shù)據(jù)回傳處理后的覆蓋圖如圖5所示，表明：邊記邊放模式的數(shù)傳任務(wù)成功替換了其他幾個(gè)常規(guī)成像任務(wù)。通過這種方式，當(dāng)在安排與原有任務(wù)有沖突的應(yīng)急任務(wù)時(shí)可以很方便地替換操作，而不是傳統(tǒng)的必須要先全部刪除指令再重新發(fā)送指令的方式，顯著地提高了執(zhí)行任務(wù)的時(shí)效性。

圖2 原成像任務(wù)拍攝區(qū)域示意圖Fig.2 Original task imaging area sketch

圖3 更新后實(shí)際的拍攝區(qū)域覆蓋圖 Fig.3 New task imaging area sketch

2)多角度成像規(guī)避云覆蓋的影響

高分多模衛(wèi)星通過多角度成像模式可以對(duì)同一目標(biāo)進(jìn)行不同衛(wèi)星姿態(tài)角度的成像，如圖6～圖9所示，從不同角度拍攝獲取的數(shù)據(jù)中云量是不一樣的，在應(yīng)急任務(wù)的拍攝中可以充分利用這一特點(diǎn)以規(guī)避云的影響，最大程度的獲取有效數(shù)據(jù)。

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

另一方面，多角度成像模式允許衛(wèi)星從俯仰角+45°～-45°之間，在3 min左右時(shí)間內(nèi)對(duì)目標(biāo)成像多達(dá)12次，可以對(duì)目標(biāo)進(jìn)行多角度觀測(cè)以盡量獲取目標(biāo)的全貌，而且也在一定時(shí)間內(nèi)達(dá)到了凝視效果，可以獲取應(yīng)急目標(biāo)的動(dòng)態(tài)變化情況。

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

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

3)區(qū)域提取星上進(jìn)行數(shù)據(jù)處理加快數(shù)據(jù)交付用戶

區(qū)域提取模式是衛(wèi)星在軌從已獲取觀測(cè)數(shù)據(jù)中以某一位置為中心點(diǎn)，提取一定大小的區(qū)域在星上直接進(jìn)行一定的處理。如圖10所示，數(shù)據(jù)已經(jīng)過了輻射及幾何處理，可以提供應(yīng)急相關(guān)用戶使用。

圖10 區(qū)域提取星上處理的數(shù)據(jù)Fig.10 Extracted data from on-orbit data processing

這為應(yīng)急中的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)提供給出了一種新思路，即星上區(qū)域提取處理的數(shù)據(jù)先期給用戶提供，以進(jìn)行應(yīng)急區(qū)域初步的判斷。在此過程中，地面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行更高級(jí)的輻射校正處理及幾何校正處理，隨后提供用戶，進(jìn)行更進(jìn)一步的分析判斷。

4)高分多模衛(wèi)星對(duì)中繼衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸

高分多模衛(wèi)星是我國(guó)第一顆具有中繼數(shù)傳功能的民用衛(wèi)星，在降軌南半球及升軌北半球時(shí)可以進(jìn)行數(shù)傳，數(shù)據(jù)從高分多模衛(wèi)星傳輸至中繼衛(wèi)星后實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)至中繼地面接收站如圖11所示，再同步轉(zhuǎn)發(fā)至地面處理系統(tǒng)進(jìn)行處理。可以想見，當(dāng)在國(guó)境范圍內(nèi)有應(yīng)急任務(wù)時(shí)，應(yīng)急成像結(jié)束后即可進(jìn)行中繼數(shù)傳將數(shù)據(jù)傳回地面，由于國(guó)境內(nèi)成完像才進(jìn)行中繼數(shù)傳，這樣也不會(huì)干擾與應(yīng)急任務(wù)同軌的其他任務(wù)，相對(duì)同軌境內(nèi)地面接收站也有優(yōu)勢(shì)。

圖11 高分多模衛(wèi)星對(duì)中繼數(shù)傳示意圖Fig.11 GFDM-1 satellite data transmission to relay satellite sketch

3 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合高分多模衛(wèi)星的特點(diǎn)及相關(guān)特有工作模式，設(shè)計(jì)了切實(shí)可行的應(yīng)急任務(wù)規(guī)劃流程，并對(duì)流程及相關(guān)工作模式進(jìn)行了試驗(yàn)。通過高分多模衛(wèi)星在軌業(yè)務(wù)運(yùn)行，實(shí)際檢驗(yàn)了指令高優(yōu)先級(jí)替換低優(yōu)先級(jí)的方式，顯著地簡(jiǎn)化了衛(wèi)星執(zhí)行應(yīng)急任務(wù)的操作步驟，進(jìn)而增加了應(yīng)急任務(wù)的執(zhí)行成功率；采用多角度成像模式在一定程度上成功地規(guī)避了云對(duì)觀測(cè)區(qū)域的遮擋影響，提高了有效數(shù)據(jù)的獲取率；區(qū)域提取星上數(shù)據(jù)處理模式顯著地縮短了對(duì)用戶提供應(yīng)急觀測(cè)數(shù)據(jù)所需的時(shí)間；使用中繼衛(wèi)星進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸在不影響同任務(wù)圈其他成像任務(wù)的情況下顯著地縮短了從應(yīng)急任務(wù)成像到數(shù)據(jù)回傳所需的時(shí)間。