對地觀測衛星應用等效仿真系統研究

文|高軼 羅嘯 馬紅梅 孫協昌 楊德運 于薇

1.海軍裝備部裝備項目管理中心

2.中國空間技術研究院衛星應用總體部

一、前言

我國航空航天技術經過50 多年的迅速發展，已基本形成了以通信、導航、遙感為主體的國家空間設施骨干框架。衛星應用技術作為具有代表性的高新技術，可以將衛星及其開發的空間資源用于國防、國民經濟建設等領域。特別是天地一體化衛星應用理念的提出，通過建設天基、空基、路基、海基等各類用戶應用平臺，為國家安全、國民經濟、人民生活提供了不可或缺的保障，可以隨時隨地為各行各業的人們提供便捷的信息服務，使整個社會發生深刻變革。近年來，隨著傳感器、互聯網、人工智能產品的不斷成熟，星上載荷、衛星產品處理、星地間傳輸等能力都得到了顯著提升，衛星應用技術受到各國廣泛關注，如何構建高效、靈活的衛星應用體系已成為目前亟待解決的重大科研問題。

在衛星整體應用方面，受限于“一星一型號”的發展模式，目前我國的衛星應用尚處于“煙囪式”粗獷型發展階段，功能單一、信息相互孤立等問題日益凸顯。亟需針對星地測控、數據傳輸和存儲、衛星應用分發服務等多樣化需求進行分析，根據星歷軌跡約束條件進行動態預估和任務規劃修正、合理規劃星上能源供給，通過精細化衛星應用流程，最大限度地發揮衛星使用效能，合理分發給衛星服務訂閱用戶。通過利用先進的技術手段，使衛星應用技術向精細化、智能化、協同化、規范化轉型，因此需要合理統籌規劃有限的星上、星間、星地資源，以滿足我國國土安全、經濟、民生等領域對于衛星應用服務的發展要求。

在對地觀測衛星應用方面，我國已形成陸地、環境、氣象、海洋等對地觀測衛星系統，隨著遙感衛星數量、衛星工作模式、觀測載荷精度和質量的不斷提升，如何提升對地觀測衛星系統任務管控的綜合能力，如何提升對地觀測應用最終產品質量，是影響對地衛星應用效能各環節的瓶頸問題。迫切需要以應用為牽引，研究并建立一套集產學研用為一體能夠覆蓋對地觀測全要素、全過程的集成化系統，以支撐衛星需求方與應用方的供需統籌分析、應用效能評估、關鍵影響因素識別等衛星應用效能提升工作。

綜上所述，開展對地觀測衛星應用技術研究對我國具有極其重要的戰略意義。本文將分析對地觀測衛星應用存在的問題，圍繞對地觀測衛星應用等效仿真系統的架構設計，針對系統需求介紹相關支撐技術的原理和運作方法，并通過實際工程應用案例證明等效仿真系統的實用性和可行性。

二、對地觀測衛星應用存在的問題

對地觀測指在地球表面之外，利用空間的位置優勢對地球進行觀測的活動。我國對地觀測衛星發展迅速，已成功研制了資源系列、環境與災害監測預報系列、風云氣象系列、海洋系列、測繪系列等多用途的衛星種類。雖然不同類型衛星的觀測原理和星上載荷參數不同，但相對于對地觀測任務而言，這些衛星在應用過程中存在著以下共性問題：

1.較長的拍攝周期

由于受到星地一體系統的制約，對地觀測衛星需要提前一天將用戶的拍攝需求提報給資源衛星應用中心進行統一籌劃，資源衛星應用中心將統籌處理用戶的拍攝需求，通過地面測控站將詳細的拍攝計劃上注給衛星的星上任務管理系統，衛星次日按軌道運行至拍攝地點時執行拍攝任務，當其運行至地面數傳站接收范圍時將拍攝數據進行下傳。由此可知，從用戶提報拍攝需求到對地觀測衛星數據傳回地面，至少需要近兩天的時間。

2.拍攝需求與衛星拍攝計劃的沖突

受到衛星自身軌道、任務窗口和衛星能量等客觀條件的限制，用戶的拍攝需求尚未達到“指哪里拍哪里”的理想情況，并需要經衛星資源管理的相關部門進行統一籌劃。因此，用戶的拍攝需求要和統一籌劃的衛星拍攝計劃相一致，才能為用戶執行拍攝任務。

3.多源觀測衛星數據格式的差異

由于目前對地觀測的民商衛星種類繁多，而不同系列的衛星由于通信協議不同，即使是同一系列不同批次發射的衛星，其數據格式通常也存在差異，為此需要將種類多源、協議各異的衛星數據進行規范化處理。

4.衛星難以協同觀測

源自不同觀測手段產生的遙感圖像可以對同一被觀測目標多模態特性的研究起到相互印證、相互補充的作用。對于特定目標的識別，則需要結合多源載荷的綜合信息進行識別鑒定。然而，我國民商對地觀測衛星還不具備星上協同觀測的能力，只能在地面處理系統中對不同手段拍攝的影像進行融合處理。

5.專題產品缺乏用戶的反饋機制

目前，對地觀測衛星的拍攝數據可以在地面處理系統中進行加工并反饋給用戶。然而，在專題產品加工過程中缺少用戶的參與和反饋，容易使用戶最終得到的產品不符合其預期效果，從而影響用戶的使用體驗和對系統的認可度。

三、對地觀測衛星應用等效仿真系統架構設計

針對上述對地觀測衛星應用中存在的問題，筆者團隊構建了對地觀測衛星應用等效仿真系統，嘗試通過虛實結合的方式解決或緩解上述問題。

對地觀測衛星應用等效仿真系統是一個集研發、實驗、運營于一體的衛星應用集成系統。系統在工程研制過程中靈活運用了平行系統、數字孿生理念，采用運營、仿真模式同步運作的機制，在系統實際運營的同時開展協同仿真，以提升產品研發和迭代效率。系統在仿真模式下，可以進行詳細的代碼版本控制，運用蒙特卡洛方法模擬真實數據進行仿真實驗。子系統間采用松耦合的配置模式，可同步開展相關子功能的代碼調試、運行單元測試、實驗性能分析等研發工作；系統在運營模式下具備衛星數據準實時接入、衛星產品處理、用戶拍攝需求籌劃，以及衛星產品服務分發等能力。通過將系統各項功能的仿真模型和真實模型進行迭代重用，從而提升系統的整體研發效率。

等效仿真系統的軟硬件基于云計算服務器集群搭建而成，采用Browser/Server結構的網絡應用模式，支持系統功能的動態擴展。在構建等效仿真系統架構基礎上，可支持研發與運營模式的協同運行、衛星下行數據的自動引接、用戶需求和衛星拍攝計劃的自動分發、業務處理流程的自動化處理等功能，為工程項目的進一步建設和組件快速迭代升級奠定良好的基礎。等效仿真系統架構包括設備層、數據層、工作模式切換層、平臺層、應用層和發布層6層結構，等效仿真系統架構如圖1 所示。

圖1 等效仿真系統架構圖

1.設備層

設備層主要包括用于支撐等效仿真系統的用于計算存儲、分析處理的高性能云計算設備、網絡通信設備、跨網通信設備、用于消防安全/電氣安全/信息安全的綜合保障設備以及接收衛星觀測數據傳輸的接收設備。

2.數據層

數據層用于存儲等效仿真系統所需的各種類型數據，主要包括衛星原始觀測數據、處理前后的影像數據、專題產品數據、用戶拍攝需求數據、衛星拍攝計劃數據、業務管理流程數據以及系統效能評估數據等。各類數據按照數據標準化存儲規范，分別存放在關系型和非關系型數據庫中，以方便其他層對數據的調用和處理。

3.工作模式切換層

工作模式切換層為系統進行運營/仿真模式切換提供必要的組件支撐，包括軟件版本控制、數據在不同模式的防護與隔離、數據和鏈路仿真程序以及單元級的性能評估和系統級的效能評估分析程序。

4.平臺層

平臺層為等效仿真系統的核心部分，提供組件級的應用服務程序，包括基礎組件、業務組件、業務管理和數據管理四部分。其中，基礎組件用于支撐系統的運維，包括用戶權限管理、系統狀態和設備狀態監控、異常處理、日志管理、模型管理、數據批處理和業務批處理等。業務組件用于支撐系統主要業務的運行，包括數據接入、影像分析、影像融合和專題產品分發的相關子應用程序。業務管理用于支撐系統業務流程的自動流轉，包括流程定制、業務編排、業務管理調度、調度負載均衡、業務批處理和業務校驗等應用程序。數據管理用于支撐系統數據流的運維管理，包括數據歸檔、數據分發、數據查詢、數據校驗、數據推送、數據提取等應用程序。

5.應用層

應用層通過B/S 結構的網絡應用模式，可以為分布式的開發者和用戶提供風格統一的系統應用界面，不同級別的用戶通過瀏覽器輸入賬號即可訪問系統應用界面，可以實時查看數據接入、影像分析、影像融合、產品分發、業務管理和數據管理的系統業務狀態，并根據自身的權限對相關界面組件進行訪問和操作。

6.發布層

發布層為行業用戶提供需求提報和產品查詢的專屬頁面，用戶可以登錄系統應用主界面的用戶定制欄進行需求提報操作，提報的需求經過系統需求籌劃組件可以反饋給用戶需求是否被受理。當需求被系統受理后，根據衛星拍攝計劃和系統產品處理時間綜合計算，向用戶反饋產品接收的大致時間，并在專題產品生成并分發后，向用戶提示產品已生成。用戶可以查看產品效果并反饋產品效果是否符合預期期望，系統可以根據用戶的反饋對系統的相關組件功能進行迭代優化。

四、等效仿真系統關鍵支撐技術

通過上述對等效仿真系統架構的描述，可以看出數據接入、影像分析、影像融合和專題產品分發是貫穿整個系統信息流程的關鍵業務。在系統研制過程中，圍繞這四類關鍵業務攻克了一系列的科學和工程技術問題，構建了四個分系統及相關業務組件以支撐系統的運行。以下將介紹相關支撐技術的原理和運作方法。

1.數據接入

數據接入分系統包括報文協議解析和傳輸格式轉換組件，可實現對各類衛星數據的規范化存儲和管理。采用物理隔離加邏輯隔離的方式解決民商衛星傳輸鏈路的信息安全問題。通過引入“衛星數據仿真傳輸”機制，衛星數據仿真鏈路可通過仿真數據注入的方式模擬民商數據接入的處理效果，從而檢驗該分系統組件的綜合性能以及整個接入鏈路的數據傳輸時效性。

2.影像分析

影像分析分系統包括影像識別、影像校正、影像標注和影像質量評測四個組件。其中，影像識別組件可實現對全色、多光譜、高光譜、熱紅外、合成孔徑雷達衛星拍攝影像的智能化自動識別分類。影像校正組件采用基于模型驅動的方式通過提取衛星成像特性、衛星觀測特性和觀測當地水文氣候特性參數，從算法庫中合理選用相應影像校正算法對影像進行剪裁、濾波、圖色渲染等校正處理。影像標注組件可對用戶需求進行量化分析，并按需對影像開展規范化標注從而生成專題影像產品。影像質量評測組件通過專家在線評測和基于知識庫的智能算法對影像產品修正，實現對專題產品的質量把控。

3.影像融合

影像融合分系統包括多源影像信息提取、影像信息融合、融合效果評測三個組件。其中，多源影像信息提取組件可將帶有標注的影像產品根據影像特征集（包括影像時間特征、空間特征、光譜特征等）進行自動挑選和分類，針對不同特征參數自主選用合適的人工智能算法，通過特征反演的方式提取影像中的關鍵信息。影像信息融合組件通過圖片拼接融合、關鍵特征融合以及決策信息融合的分層融合方式生成基于融合影像的專題產品。融合效果評測組件可根據用戶需求開展對觀測目標決策信息融合效果的評測和質量把控。

4.專題產品分發

專題產品分發分系統由于需要將系統生成的專題產品準確、安全、按時分發給不同級別的用戶，需要利用系統接口頻繁調用其他分系統以及系統平臺層的基礎組件。專題產品分發分系統包括拍攝需求反饋組件和專題產品分發組件。拍攝需求反饋組件可以結合用戶級別以及衛星拍攝計劃將專題產品的預計生成時間反饋給用戶。專題產品分發組件將持續監測系統業務的執行進度，當檢測到影像融合分系統的影像融合功能成功完成后，自動提取相應的專題產品并分發給用戶。

五、測試效果

為綜合檢驗對地觀測衛星應用等效仿真系統整體架構的合理性、各分系統組件的功能、性能以及系統的綜合效能，分別針對民商用戶在不同領域的需求構建了衛星應用想定場景，并擬定了詳細的實驗大綱，根據相關測試用例采用仿真模型和真實數據虛實結合的方式開展實驗驗證。通過下述具有代表性的測試用例及測試結果，證明對地觀測衛星應用等效仿真系統的實用性和可行性。

1.拍攝需求響應測試

當用戶提報的拍攝需求和衛星數據中心定時提交的衛星拍攝計劃相符合時，才能給予用戶相應的反饋，并告知系統是否開展后續的產品生產流程。在實際應用中，由于衛星拍攝計劃以天為單位定時發送，為提升用戶需求的反饋效率，構建了衛星拍攝籌劃組件。該組件采用STK 衛星軌跡仿真軟件，基于歷史數據仿真的方式計算拍攝需求的可行性。實驗結果表明，系統能夠對用戶產品定制需求進行解析，根據實際情況進行邏輯判斷并將結果反饋給用戶，當拍攝需求可執行時，可自動通知業務管理分系統執行后續產品生產流程。對于衛星拍攝籌劃組件，除衛星數據中心人為取消某次拍攝計劃或基于特殊任務更改拍攝計劃的特殊情況，拍攝需求籌劃軟件的仿真效果基本全部符合實際的拍攝計劃。

2.全鏈路時效性測試

針對移動目標辨別時效的想定場景，當用戶提報對于特定地區的拍攝需求后，系統能夠在規定的時間內接入該地區的衛星拍攝影像，通過影像分析和影像融合功能對拍攝地區的目標進行分析、識別、軌跡標識、生成專題產品，并通過分發分系統將專題產品反饋給用戶。最終判斷整個流程的信息傳輸鏈路是否符合用戶對于移動目標辨別的時效性要求。在仿真模式下，可以通過歷史數據模擬衛星數據接入后的所有業務流程，從而可以對全鏈路時效性進行有效把控。實驗結果表明，通過業務組件間的協同運行，該系統可以對移動目標進行有效辨別，同時業務流轉過程中的信息鏈路傳輸符合用戶的時效性要求。

3.影像融合性能測試

為實現民商用戶對于產品的定制化需求，需要驗證影像融合分系統對于影像關鍵信息提取的能力、影像信息逐層融合的能力、融合信息效果評定的能力。分別針對民商用戶對于移動目標辨別、固定目標辨別、固定目標標識的想定應用場景，基于定量的實時衛星影像進行影像融合性能測試。實驗結果表明，影像融合分系統能夠有效運用先進的人工智能算法對用戶的定制需求進行量化分析，通過影像特征反演手段提取影像的關鍵信息，利用信息融合算法逐層進行信息融合標注，為用戶提供關鍵的決策信息并生成相關專題產品。系統可根據專家的融合評定信息對相關算法指標進行校正，從而迭代優化該系統相關組件的性能。

4.用戶體驗

該系統基于“邊研邊用”的迭代開發模式，充分借鑒基于模型的系統工程理念，讓用戶全程參與項目研發、測試、驗收等全生命周期，使系統在各級測試、驗收階段能夠充分暴露問題，并使系統更加符合用戶的操作習慣。在問題迭代修正的過程中，通過運用智能算法為用戶拍攝需求提報、專題產品評定等給予了規范化的智能導正，使用戶提出的拍攝需求、專題產品需求更加符合對地觀測衛星的客觀應用條件。項目驗收階段用戶對系統“邊研邊用”的迭代開發模式和用戶全程參與的項目組織模式給予了高度認可，用戶在項目研制期間便可試用和熟悉系統功能，顯著增強了用戶體驗以及對項目的認可度。

六、總結與展望

對地觀測衛星應用等效仿真系統是為適應我國現有對地觀測空間設施骨干框架而構建的一套集仿真、實驗、運營為一體的集成系統，實現了我國民商衛星協同對地觀測應用技術從以實驗為主向用戶需求為驅動的服務型應用轉變。本文介紹了系統的框架以及相關分系統的運作原理，通過實際工程應用測試效果證明了等效仿真系統的實用性和可行性，為后續衛星應用技術的發展奠定了良好的基礎。然而，該系統僅初步實現了對地觀測衛星“用好”的目標，離實現“好用”的戰略目標還有很大的差距，等效仿真系統雖然使用了很多先進的人工智能技術，一定程度上減少了人工判圖的工作量，并運用數字孿生理念提升了系統的研制效率。但在用戶需求處理、影像分析/影像融合效果評測以及系統全流程運維方面還需要投入大量的人力。

綜上所述，我國衛星應用技術的發展任重道遠，距離“如何充分貫徹天地一體化衛星應用的發展理念，利用現有通信、導航、遙感的空間設施服務于國防、國民經濟建設等領域。如何構建高效、靈活的衛星應用體系為國家安全、國民經濟、人民生活提供保障”的遠大目標尚有很大的差距。在后續工作中，將進一步改善在系統綜合效能驗證過程中發現的問題，充分吸收、運用先進的技術提升系統的智能化水平，針對用戶需求進行細粒度的元模型構建以提升對用戶需求的綜合響應能力。