高分衛星任務管理系統設計

馬萬權，徐小剛，霍國清，孔慶玲，張 棟，韓 續

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.中國電子科技集團公司航天信息應用技術重點實驗室，河北 石家莊 050081)

0 引言

長期以來，國內遙感衛星數據獲取渠道單一，尤其是高分辨率遙感數據基本上被國外壟斷，造成了作為我國農業、林業、土地、水利、城市規劃、環境保護、地質礦產、生態環境和自然災害監測應對等領域的重要信息源的遙感數據長期依賴進口，相關領域不能掌握核心關鍵技術的困境。為打破我國高分辨率對地觀測技術落后、遙感數據依賴國外進口的局面，高分辨率對地觀測系統(China High-resolution Earth Observation System，CHEOS)重大專項(簡稱“高分專項”)經國務院批復立項，是《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006—2020年)》確定的16個國家重大科技專項之一，由國防科工局聯合有關部門共同實施，旨在大幅度提高我國自主對地觀測信息獲取能力,對保障國家安全、推動國防現代化建設和促進經濟社會發展具有重大戰略意義。

CHEOS是國家重要的戰略性資源和空間基礎設施，包括衛星系統、運載系統等空間段，以及發射、測控和地面應用系統等地面段。建立以CHEOS重大專項數據中心為核心的地面系統，是有效滿足國家有關重大戰略需求、推動國民經濟建設和社會發展的保障，是銜接高分數據獲取系統與應用不可或缺的關鍵環節，高效獲取利用高分數據、為行業部委等用戶進行社會治理提供有力支持，也是落實數據政策、積累戰略數據資源、加強信息安全監管和進行宏觀調控的重要支撐[1]。

高分專項按照衛星型號工程立項研制，但是為了提高高分衛星和地面資源的建設和運行效率，對高分地面系統提出了統籌建設要求。明確要求，通過高分地面系統建設帶動我國現有衛星地面設施和資源統籌利用和整合，全面提升空間數據資源共享共用水平。地面系統建設將統籌規劃并利用我國陸地、環境、氣象和海洋衛星已有的地面設施和技術能力，創新管理和運行模式，聯合相關部門組建高分民用數據中心，建立統一任務規劃、數據標準、運行平臺和服務模式的工作機制，建成國家級高分數據服務平臺，滿足國家對專項的要求。

1 高分衛星介紹

高分一號衛星是CHEOS的首發星，裝載2臺全色多光譜高分辨率相機和4臺寬覆蓋多光譜相機，6臺相機相互配合，具有“高分辨率與大視場相結合、多載荷圖像拼接融合應用”的特點。全色多光譜高分辨率相機采用同軸三反光學鏡頭與多譜段TDICCD相結合的技術路線，寬覆蓋多光譜相機具有4個多光譜譜段，采用4臺相機進行拼接視場的方式，實現星下點地面分辨率優于16 m、觀測帶寬達830 km的技術指標，單星實現了4 d的重復觀測周期[2]。

高分二號衛星是中國首顆分辨率達到1 m的民用遙感衛星，裝載2臺1 m全色/4 m多光譜相機，整星質量為2 100 kg。衛星運行在632 km的太陽同步軌道上，可為用戶提供最高全色分辨率為0.8 m、多光譜分辨率為3.2 m、幅寬為45 km的圖像數據，是中國第一顆目標定位精度要求達到 50 m、空間分辨率最高的民用低軌遙感衛星[3]。

高分三號衛星是我國首顆C頻段多極化高分辨率合成孔徑雷達(SAR)衛星，具有聚束、條帶、掃描等12種成像模式，可以獲取分辨率 1～500 m、幅寬 10～500 km、從單極化至全極化的SAR圖像，單次成像最長可連續工作 50 min，具有高分辨率、大成像幅寬、高輻射精度、多成像模式和長時工作的特點，能夠全天候和全天時實現全球海洋和陸地信息的監視監測，并通過左右姿態機動擴大對地觀測范圍和提升快速響應能力，各項指標達到或超過國外同類衛星水平[4-5]。

高分四號衛星是我國首顆地球靜止軌道高分辨率光學遙感衛星。衛星有效載荷配置1臺可見光和中波紅外共口徑的光學相機，星下點像元分辨率達到可見光譜段50 m/中波紅外譜段400 m，可見光通道幅面大于500 km×500 km；共6個譜段，譜段范圍是0.45～0.9 μm和3.5～4.1 μm，無控制點目標定位精度優于4 km。衛星具有全色、多光譜和中波紅外譜段成像能力，利用長期駐留固定區域上空和快速指向調整的優勢，可快速對中國及周邊地區的觀測任務進行響應，實現了高時間分辨率和較高空間分辨率的結合。高分四號衛星的研制填補了我國乃至世界高軌道高分辨率遙感衛星的空白[6-7]。

高分五號衛星是我國第一顆高光譜綜合觀測衛星，裝載了6臺有效載荷，觀測譜段覆蓋范圍從紫外到長波紅外譜段(0.24～13.3 μm)，最高光譜分辨率達0.03 cm-1。衛星具備高光譜與全譜段對地成像、大氣掩星與天底觀測、大氣多角度偏振探測和海洋耀斑觀測等觀測手段，具備在軌定標功能，絕對輻射定標精度優于5%，光譜定標精度最高可達0.008 cm-1。主要用于獲取從紫外到長波紅外譜段的高光譜分辨率遙感數據產品，是實現高分專項“形成高空間分辨率、高時間分辨率、高光譜分辨率和高精度觀測的時空協調，全天候、全天時的對地觀測系統”目標的重要組成部分，是實現國家高分辨率對地觀測能力的重要標志之一,可為我國大氣、水、生態環境監測、自然資源調查和氣候變化研究等提供國產高光譜數據產品[8]。

高分六號衛星是首顆采用國產CMOS成像器件的多光譜遙感衛星，兼具高分辨率成像與超大幅寬成像能力，裝載1臺全色2 m/多光譜8 m分辨率95 km幅寬的高分辨率相機和1臺16 m分辨率860 km幅寬的超大視場寬覆蓋多光譜相機，8個譜段充分利用了可見光0.4～0.9 μm光譜范圍，量化位數達到12 bit，輻射分辨能力比高分一號提高了4倍，也是我國首顆具備紅邊譜段的遙感衛星。和高分一號組網運行，對我國陸地區域的重訪時間分辨率提高了一倍[9]。

高分七號衛星是我國首顆1∶10 000比例尺立體測繪衛星，裝載1臺雙線陣相機和1臺激光測高儀，其中前視相機地面像元分辨率0.8 m，后視相機地面像元分辨率0.65 m，多光譜地面像元分辨率2.6 m，實現了雙線陣相機與激光測高儀主被動復合測繪新體制，實現了少控制點或無控制點區域的大比例尺立體測繪能力。首次實現了低軌遙感衛星X頻段自適應高速率數據傳輸，雙通道最高傳輸速率可達2×1.2 Gb/s[10-11]。

2 地面系統研制建設任務

2.1 地面系統研制建設目標

地面系統建設主要包括數據接收、定標檢校和公共平臺3類基礎保障設施，以及數據接收、數據處理和任務管理三大運行系統。

3類基礎保障設施是指：數據接收設施，即衛星數據接收站網；定標檢校設施，即對大氣、陸地、海洋等定標和檢驗設施；公共平臺設施，即數據服務網格和通信網絡基礎設施等。

三大運行系統主要任務：數據接收系統通過地面接收站網完成海量數據接收和快速傳輸；數據處理系統負責生產0～2級標準數據產品；任務管理系統負責星地任務規劃、設施運行調度、數據分發管理和系統運行評價。

2.2 地面系統運行架構設計

高分地面系統不僅需要根據用戶應用需求來進行系統建設，同時還要考慮天基系統對地面系統的研制功能和指標要求進行配套建設任務管理管控能力、地面接收能力和數據處理能力，地面系統是一個大型復雜的信息系統,整個系統建設周期為10年，同時考慮到天基系統是逐步完成立項和研制工作，因此地面系統采用增量式的研發過程，必然要研究解決系統的基礎架構和工作流程的柔性重組與擴展問題。為了保障地面系統建設順利開展以及建成的地面系統運行可靠，進行了地面系統頂層設計和綜合集成。

為了實現高分專項工程研制建設目標，引領對地觀測系統技術創新發展，在實施方案中，針對高分專項技術創新內容多、行業部委專用戶需求多、研制建設周期跨度大、參與建設實施與運行的單位多等特點，地面系統總體設計團隊提出了“五統一”頂層設計原則，即：“任務規劃統一、數據標準統一、運行平臺統一、服務模式統一和信息網絡統一”。

根據“五統一”設計原則，從我國對地觀測系統地面應用體系需求出發，提出了覆蓋高分衛星陸地、氣象、海洋遙感領域的高分專項地面系統頂層設計，整合地面接收站網、定標與數據處理、衛星任務管控、數據共享分發網絡資源，設計了高分地面系統運行架構(如圖1所示)和統一的控制流程和信息流程，支撐了高分專項運行機制的建立。

圖1 高分專項地面系統運行架構Fig.1 Operating architecture of CHEOS ground system

2.3 任務管理系統的地位作用

民用高分衛星地面任務管理系統作為高分專項地面系統的三大組成系統之一，是任務優化決策和衛星控制的中樞神經系統，是地面系統高效有序運行的關鍵環節，其職能定位如圖2所示。從用戶提出對地觀測需求開始，統籌規劃衛星和地面系統的任務，編排任務計劃，管控衛星相機、固存、數傳等有效載荷動作，安排地面數據站網接收、地面處理和分發,并分析評價系統運行效能。

圖2 高分地面任務管理系統地位作用Fig.2 Position and role of CHEOS mission management system

任務管理系統是高分衛星應用效益能否發揮的重要基礎，且通過系統建設可有效帶動我國現有衛星地面設施和資源統籌利用和整合，全面提升對地觀測資源共享共用水平，對推動我國民用遙感行業技術發展具有重要作用。

2.4 任務管理系統功能與指標

任務管理系統的建設目標是：研制高分地面任務管理平臺，具備高分系列衛星觀測任務規劃、地面系統任務流程的運行管理能力和星地資源管理與狀態監視能力，實現地面系統控制流與信息流的綜合集成，支持對衛星數據產品質量管理、地面系統運行統計分析和運行監管評價。

主要功能指標如下：

① 處理用戶需求，對用戶需求進行分析，形成天基任務規劃預案，進行會商協調；

② 對觀測計劃、載荷計劃、接收計劃、定標檢校計劃的執行過程實施制定、跟蹤與閉環管理；

③ 根據對地觀測任務進行任務規劃，形成一種或多種載荷組合的對地觀測任務單，按照衛星工作模式和多傳感器使用方式制定衛星觀測計劃；

④ 根據數據接收資源、衛星預報軌道制定衛星數據接收計劃；

⑤ 處理衛星遙測數據，根據遙測參數監視衛星及有效載荷工作狀態；

⑥ 監視地面系統的運行狀況以及任務執行情況；

⑦ 綜合顯示地面系統設備運行狀態、任務進程、衛星運行狀態；

⑧ 管理調度高分地面系統業務運行，實現地面任務管理系統、接收系統和處理系統之間的業務協調，并完成任務閉環管理；

⑨ 模擬仿真高分地面系統接收系統、處理系統、任務管理系統的接口和業務流程，并驗證其正確性和完整性；

⑩ 采集系統運行數據，進行系統運行效能分析與評價。

主要技術指標如下：

① 管理陸地、大氣、海洋觀測等7顆高分衛星；

② 控制可見光、紅外、多光譜、高光譜、微波成像和大氣觀測等衛星有效載荷；

③ 常規模式下任務規劃用時≤15 min，應急模式下任務規劃用時≤3 min;

④ 工作模式：常規模式，應急模式；

⑤ 模擬地面各系統接口，覆蓋率不低于99%；模擬接口文件和測試用例正確率不低于98%。

3 任務管理系統研制建設進展

3.1 任務管理系統總體設計

與衛星研制進度相適應，任務管理系統分3階段統籌建設。第1階段工程開展頂層設計，針對高分一號、二號和三號衛星完成研制建設任務；第2階段工程針對高分四號、五號衛星完成研制建設任務；第3階段工程針對高分六號、七號衛星完成研制建設任務。

在立項與可研論證及總體技術方案設計中，運用系統工程理論開展了領域分析與工程建模，設計了支持增量式開發與集成的技術體系架構，梳理了系統工程中的關鍵技術，分解了系統功能與性能指標，將任務管理系統的研制建設任務分解為3個部分：星地任務統籌規劃與調度管理平臺、地面系統仿真與綜合集成平臺和系統運行數據采集與運行評價平臺。

星地任務統籌規劃與調度管理平臺受理分析各類用戶觀測需求，實施任務去重合并預規劃，通過人機交互式會商確定預案，優化星地協同任務方案，編排高分衛星載荷工作計劃、業務測控計劃、地面數據接收計劃，調度任務計劃有序實施。設計了用戶需求統籌分析、天地一體化綜合任務規劃、中長期任務規劃、低軌衛星計劃編制、高分四號任務編排、運行調度會商和技術支持服務等7個子系統。

地面系統仿真與綜合集成平臺利用二維/三維可視化方式展示任務規劃與管理的全過程，進行衛星地面系統接口模擬仿真，為地面任務管理系統接口對接、平面聯試、系統集成提供聯調測試環境，為地面系統的增量式開發集成過程的平穩升級提供支撐。設計了任務仿真與展現、接口數據模擬和測試用例管理等3個子系統。

系統運行數據采集與運行評價平臺通過采集地面系統采集星地系統運行過程數據，進行任務閉環管理和數據與產品質量信息管理，統計分析業務運行數據實現地面系統運行評價，輸出日報、月報和年報等系統能力分析和效能評估結果。設計了等地面系統運行監管、衛星運行評價、用戶服務評價和運行監管服務網站等4個子系統。

3.2 任務管理系統架構設計

從我國對地觀測系統地面應用體系需求出發，基于“五統一”原則，統一體系構架、技術體制和標準規范，秉承“服務、敏捷、智慧、高效”的設計理念，在構建星地資源一體化、自動化、智能化的規劃調度體系基礎上，基于插件軟件平臺[12]，建立了基于服務的開放式架構，如圖3所示。按照業務應用層、業務服務層、數據層、應用軟件支撐平臺層、軟件基礎支撐平臺層和系統硬件支撐平臺層的多層可重組重構的柔性系統結構理念，建立可擴展的用戶需求統籌服務、任務管理調度服務、星地資源智能規劃服務、星地可視化仿真平臺和系統運行效果評估平臺，實現用戶、衛星、地面站、處理各環節的有序高效運轉。

圖3 高分地面任務管理系統技術體系架構Fig.3 System architecture of CHEOS mission management system

3.3 關鍵技術攻關

重點針對高分專項的高時間分辨率、高空間分辨率、高光譜分辨率的科技創新要求，結合高分衛星的多載荷工作模式(可見光、紅外、多光譜、微波條帶、微波寬幅掃描、微波聚束、微波全極化條帶、微波模式成像、高光譜、大氣痕量氣體差分吸收光譜儀、立體成像和激光等)、多用戶(國土、減災、氣象、海洋和環境等行業用戶；京津冀、長三角、珠三角、省級區域用戶、科研院所和大眾用戶)、多任務(調查、監測和應急)、高低軌衛星協同觀測等應用特點，開展技術體系研究和工程實施應用，突破開放式多用戶對地觀測需求統籌處理、靜止軌道衛星應急任務編排、天地一體化多星任務規劃和啟發式快速應急任務調度方法等多個關鍵技術。

(1) 開放式多用戶對地觀測需求統籌服務平臺設計

高分用戶對地觀測需求數量持續激增，針對行業、區域用戶多、觀測需求各異的特點，設計了開放式的用戶需求受理平臺，面向各類調查、監測等常規觀測任務和應急觀測任務，提供衛星過頂軌道預報、目標訪問計算、用戶目標批量導入與管理、觀測任務執行進展反饋等功能，提高用戶需求提交的方便性和準確性。采用基于層級任務網絡(HTN)技術建立多用戶對地觀測需求預處理模型[13]，分析各用戶對觀測目標區域、觀測時限、傳感器空間分辨率及光譜要求，將復合任務分解成元任務，便于發揮人機交互決策優勢，同時提高用戶需求的滿足度。

在綜合任務規劃過程中，根據用戶提交的年度觀測需求預先進行中長期任務規劃分析，可以在較長一段時間充分有效地利用現有衛星資源，從而最大限度滿足用戶的需求。

針對各類用戶的短期、中期、長期觀測需求，根據觀測需求對時間、空間和頻度的要求，建立多用戶對地觀測需求統籌處理模型，從需求時空分布、覆蓋率預估和優先級等多個方面統籌分析觀測需求，考慮高分系列各衛星軌道特性、回訪周期，利用一個基準回歸周期內的星歷數據推算任意時間的衛星運行位置，從而最大限度提高訪問覆蓋分析的效率和準確性，實現了開放式觀測需求統籌平臺，幫助用戶提出精準的觀測任務，滿足了服務用戶范圍廣、用戶需求復雜多樣、對需求受理與分析反饋要求高的需求，有效提高了觀測需求滿足率。

(2) 天地一體化綜合任務規劃技術

觀測任務規劃過程就是面向任務的規劃與優化控制過程，是組合優化問題，問題可行解數量巨大，具有組合爆炸特征。采用天地一體化綜合任務規劃技術，既考慮用戶需求滿足情況又考慮星地資源優化利用，即結合氣象信息、數據預處理結果信息，在規劃時間范圍內對多顆高分衛星進行綜合任務優化，在滿足衛星成像約束條件的前提下，消解多衛星之間的任務沖突、單星任務沖突、地面站數據接收任務沖突。

其中，任務規劃算法是實現星地系統任務編排和資源優化分配的關鍵，采用智能啟發式算法，根據問題規模和時效性要求，選擇不同算法模型解決工程實際問題。特別是針對應急任務快速響應需求，考慮衛星側擺能力、空間分辨率要求、地面接收資源約束等，基于相鄰觀測任務姿態轉換時間約束和待觀測目標優先級，實現可變滑動窗口的任務分配方法，并基于對任務規劃調度基本規則庫、精確算法、啟發式算法以及智能算法組成的底層算法集合進行管理與調度，快速進行任務分配，從而實現了啟發式快速應急任務調度，該方法具有時序控制邏輯簡單、時間復雜度低、任務安排效率高等特點，有效提高了多星應急觀測時效性。

(3) 靜止軌道衛星應急任務動態編排技術

高分四號衛星為我國首顆高分辨率的地球靜止軌道衛星，具備對指定目標實施持續和近實時觀測，且應急響應快、時效性要求特別高。為此，提出了一種基于最佳觀測時間和衛星最佳成像路線要素的地球靜止軌道衛星快速任務規劃技術[14],根據衛星工作時間、機動次數、星上存儲、陽光規避、接收站使用約束、觀測時間要求和機動時間最短等約束，建立規劃模型。通過分析遺傳算法、模擬退火算法、蟻群算法、禁忌搜索算法和貪婪算法等多種算法的尋優特點和對不同觀測任務的適應性基礎上，遺傳算法在任務規模不大的情況下具有較好的尋優能力，可以快速得到或逼近最優解，并且有針對性地設計了優化目標函數，實現了衛星按照既定最佳成像路線進行衛星成像時，能夠觀測最多優先級高的任務，且總側擺時間最少，成像質量最高，根據衛星掃描步進方式及區域大小，實現了精準計算點目標的俯仰和滾動指向角度，針對突發應急任務，設計了任務直接插入、任務迭代插入和任務替代插入方法調度分配應急任務，提高了地球靜止軌道衛星觀測資源利用率和快速反應能力[15]。

(4) 系統運行效果評價技術

研究高分系統控制流程和信息流程的實際運行過程，從衛星觀測、數據接收、產品生產、產品推送和服務時間等角度對數據進行關聯分析，設計了衛星成像時間、數傳時間、載荷工作時間和利用率等衛星利用情況進行評價指標，設計了接收時長、接收數據量、利用率等地面站運行情況評價指標，設計了傳輸時間、產品生產時間、產品推送時間等任務時效性評價指標。

通過采集高分專項用戶需求受理、星地任務規劃與計劃編排、業務測控調度、衛星觀測與數傳實施、地面接收與處理等環節的系統運行數據，建立了任務規模、時效性、執行成功率、產品質量和用戶滿意度等指標評價模型，開發了基于模板的數據挖掘分析技術，可生成關于高分遙感系統的包括衛星和地面一體化的運行評價周報、月報、年報，為國防科工局及各部委主管機構對高分專項運行效能監管提供了支撐。

3.4 工程實施與試驗驗證

任務管理系統是隨著衛星的逐步發射而研制實施的，必然是一個增量式開發和集成試驗的過程。通過研制建設地面系統仿真與綜合集成平臺，建立聯調與集成測試環境，在每一顆衛星發射前，開展分步驟的集成、聯試與測試，達到系統執行任務需要的技術狀態。在完成單個軟件配置項的研制后，在統一設計的任務管理一體化體系架構基礎上，綜合集成試驗過程中采取的具體方法包括：

接口聯試：語法、語義檢查驗證，接口流程中協議的動態驗證；

軟件集成調試：驗證各系統有關接口、語法、流程的正確性，檢查各系統軟件功能，保證各系統具備執行任務條件；

星地對接試驗：通過初樣星星地對接試驗和正樣星星地對接試驗，確認業務測控指令，為衛星在軌測試提供基礎和試驗數據；

集成聯試試驗：打通地面系統信息接口和業務流程，對系統流程設計以及系統接口設計進行驗證，驗證地面系統業務測控、數據接收、數據傳輸、數據處理和系統監控工作流程的正確性和匹配性；

在軌測試：保障衛星關鍵技術狀態的調試，配合衛星及載荷進行功能性能測試、星地一體化指標測試、地面及應用示范系統測試；

系統驗收：驗證系統功能、性能是否滿足要求，接口、流程是否正確，文檔資料是否齊全并符合標準化要求，設備是否齊套，判定是否滿足批復的設計要求具備驗收條件。

4 任務管理系統技術創新成果

2013年4月高分一號衛星發射，任務管理系統同步上線運行，隨著衛星發射逐步擴展優化，完成了高分7顆衛星相關的任務管理系統研制建設和在軌測試試驗任務，取得了一系列具有完全自主知識產權的技術創新成果：

① 遵循“五統一”頂層設計原則，采用面向服務的思想進行了高分衛星一體化管控設計，涵蓋高分所有衛星任務管理模式，設計了平臺加插件可擴展軟件架構，支持各型號衛星任務管控模塊的增量式集成，滿足了衛星發射時間跨度大、系統邊建設邊使用的高要求。

② 研制了系統接口試驗模擬仿真平臺，利用該平臺自動模擬生成各類測試用例和接口，實現了增量式研制與綜合集成的完美結合，系統工程實踐效益明顯。

③ 設計實現了任務管理服務總線和可重構的任務管理流程，既可以把衛星的資源實現統一管理，又解決了需要在不同時機進行并行與串行相結合的任務規劃和串行計劃編排的矛盾，適應了衛星載荷類型多、使用模式和約束復雜、對任務規劃和計劃編制要求高的需求。

④ 設計實現了面向調查、監測等常規觀測任務和應急觀測任務的開放式任務統籌平臺，滿足了服務用戶范圍廣、用戶需求復雜多樣、對需求受理與分析反饋要求高的需求。

⑤ 設計實現了系統運行評價平臺，滿足了系統運行數據龐大、關聯關系復雜、對系統監管與評價要求高的需求。

5 結束語

高分衛星任務管理系統是銜接用戶和衛星的橋梁，上線以來持續穩定運行，滿足了國家安全、行業部委、應用示范、企事業單位等各類用戶的遙感觀測需求，保障了甘肅迭部森林大火、青海門源地震災害、四川九寨溝7.0級地震災害、G20峰會氣象保障等多次重大任務[16]，成效顯著。

隨著我國民用空間基礎設施的研制建設，需要進一步研究新的衛星載荷及其工作模式的管控、天地一體化智能化管控、虛擬星座分布式管控[17-18]、應急任務管控、大眾化用戶智能終端需求受理服務技術，以適應技術不斷創新要求，不斷提高更大規模、不同用戶的對地觀測任務需求的滿足度。