智能对地观测卫星初步设计与关键技术分析

张吉祥，郭建恩

(1.中国科学院 自动化研究所，北京 100190;

2.北京市遥感信息研究所，北京 100192 )



智能对地观测卫星初步设计与关键技术分析

张吉祥1,2，郭建恩2

(1.中国科学院 自动化研究所，北京 100190;

2.北京市遥感信息研究所，北京 100192 )

摘要自主性和智能化是未来对地观测卫星发展的必然趋势，因为随着遥感卫星资源的增加，传统的对地观测卫星已经不能满足遥感应用中日益增长的高时效性、精确获取以及多样化的需求。结合对地观测的实际需求和目前的技术发展现状，提出了智能对地观测卫星载荷的初步设计，对其所具备的能力、工作原理以及其中的关键技术问题进行了阐述，提出了智能对地观测卫星载荷的发展建议。

关键词智能对地观测；在轨任务规划；在轨数据处理

Preliminary Design on Intelligent Remote Sensing Satellite System and Analysis on Its Key Technologies

ZHANG Ji-xiang1,2,GUO Jian-en2

(1.InstituteofAutomation,ChineseAcademicofScience,Beijing100190,China;2.BeijingInstituteofRemoteSensingInformation,Beijing100192,China)

AbstractThe autonomy and intelligence are the inevitable development trend of future earth observation satellite,because the traditional earth observation satellite remote sensing application has been unable to meet the growing high timeliness,accurate acquisition and diversification demand with the increase of remote sensing satellite resources.Combining the actual demand for earth observation,the current status of the development of technology,this paper proposes a preliminary design of intelligent earth observation satellite payload.The capability,operating principle and key technologies are introduced.Finally the development proposals are put forward for intelligent earth observation satellite payload.

Key wordsintelligent remote sensing;orbit mission planning;onboard data processing

0引言

近年来，对地观测卫星快速发展，卫星的数量和应用领域不断扩大，在现代信息化战争中，对地观测卫星在军事应用和信息获取等方面突显出重要的作用，为部队提供了重要的作战保障；大量的观测数据也广泛应用于社会经济发展的各个领域，发挥了不可替代的作用。

随着卫星资源的增加，观测任务数量、时效性等任务需求的发展，对卫星运行的自主性和智能性提出了更高的要求。提升卫星的自主性和智能性可以有效减轻地面测控负担，降低卫星运行费用，提高卫星的生存能力，扩展卫星的应用潜力，以及提高卫星快速响应能力。

针对以上需求，结合相关技术发展现状，提出了具有高自主性的智能对地观测卫星的总体构想，并对其中的关键技术问题进行了分析。

智能对地观测卫星系统，通过卫星自主任务规划、遥感数据在轨处理和多载荷协同控制技术，使卫星实现面向特定任务的多卫星相互引导，多载荷相互协同工作，实现多类型卫星系统协同对地观测，星上多源信息融合处理，信息产品直接分发，提高卫星应用能力。

1需求分析与研究现状

1.1需求分析

随着成像卫星数量的增加和分辨率的提高，对地观测的应用需求不断发展，对成像遥感卫星的自主性有了更高的要求，主要体现在以下几个方面：

1.1.1对地观测的快速响应需求

传统的天基遥感从提出需求开始，经过任务规划和指令上注、遥感器获取目标图像、数据下传、图像生产到最终分发，延迟时间在小时级，难以满足作战应用、减灾救灾等高时效任务需求;

智能对地观测卫星通过自主任务规划和星上智能处理，在星上完成对时效性要求较高的处理任务，将海量遥感数据处理为可直接使用的产品，并将处理成果快速传送给处于不同位置的最终用户，实现快速响应，提高天基对地观测的时效性。

1.1.2对地观测数据的针对性需求

遥感卫星数目和类型越来越多，获取数据能力越来越强，越来越大的数据量给下行数传和后续处理都带来巨大压力，而真正使用的仅占很小比例，遥感数据缺乏针对性导致数据使用率极低；

智能对地观测卫星面向任务需求有针对性的规划任务、获取目标、实时处理并分发到不同用户，可以为用户提供更符合特定需求，更能满足专业应用的数据。

1.1.3多样性的任务保障需求

不同目标的遥感特性也随着时间而改变，不同的传感器类型关注目标不同方面的特性，尤其是多合一载荷的出现，更是丰富了观测需求的多样性，目前的遥感卫星还无法根据观测目标、观测任务和遥感载荷的不同，对观测任务进行自主优化；

智能对地观测卫星通过星上的目标信息库，可以结合目标特征与载荷特点，设计更加合理和精细的观测动作，提高多样性观测任务的质量。

1.1.4提高卫星生存能力的需求

在不确定或不确知环境下能保证卫星高精度、高可靠性并平稳自主运行，目前主要通过地面测控站通过注入指令的方式实现卫星轨道和姿态的控制；

智能对地观测卫星在在轨环境或航天器内部发生变化或出现故障时，能根据变化特征自主地修改控制器以适应其变化；当航天器运行过程中遇到某些事先未预料的情况时，能有临场决策的能力。

1.2国内外研究现状

国外智能对地观测卫星方面的进展，近年来已经取得长足的进步。美国的一些在轨处理卫星及其星上处理功能如表1所示。

德国航空航天中心于2001年发射的火情监测小卫星BIRD[1]、欧空局的PROBA项目[2]和法国研制的下一代Pleiades卫星[3]等也都在一定程度上对遥感数据的在轨处理进行了探索，在任务规划、数据压缩、特征提取和数据分析等方面取得了一定的成果。欧洲的在轨处理卫星及其功能如表2所示。

表1　美国在轨处理概况

表2　欧洲在轨处理概况

智能对地观测卫星的研究已经受到国内研究者越来越多的关注，武汉大学[6]、中科院对地观测与数字地球中心[7]、北京理工大学[8]和中科院自动化所都已经在智能对地观测、在轨图像处理等方面展开研究，并取得了一定的成果。

2智能对地观测卫星设计思路

为满足以上需求，智能对地观测卫星的自主能力主要体现在以下几个方面，如表3所示。

卫星任务规划系统是卫星系统的核心模块，其性能直接影响到卫星系统的应用效益。卫星造价昂贵、研制周期长，卫星资源显得尤为宝贵且稀缺，且随着在轨卫星数量的增多、卫星种类的增加，可供调度的卫星资源在不断扩大，特别是随着卫星技术的发展，任务需求与卫星资源都在增多，任务时效性和空间覆盖等多约束限制也使卫星任务规划问题变得越来越复杂，手工操作任务规划模式已完全不能满足现有需求，近年来，各国都在深入研究卫星自主任务规划系统，更进一步，星上自主任务规划是未来的发展趋势，已经受到越来越多的重视。

表3　智能对地观测卫星的能力定义

精确获取观测目标的准确空间信息一直是对地观测卫星的主要指标，提升遥感卫星的精确目标获取能力不仅需要高精度载荷设备，结合目标特性和卫星机动性能，自主规划卫星遥感器开关机时间、侧视角度等对于快速精确获取目标同样至关重要;另外,由于遥感器拍摄的图像质量受到待观测目标周围地物、拍摄时间等因素的影响，遥感器获取最佳观测图像效果时的参数往往不同。因此，根据拍摄条件自适应地选择遥感器类型、调整遥感器参数、提高遥感器自主参数选择能力可以极大提高获取目标精确信息的能力。

在轨遥感数据处理通过在星上完成对原始图像数据的分析、筛选和处理工作，既可以生产出具有更高附加值的产品，尽量减少回传的数据量，又能够极大地提高应用的时效性。遥感图像地面处理系统已经具有很多成熟的应用，例如：海面目标检测、重点区域变化检测、典型目标检测和移动目标检测等等，在考虑星上计算资源约束的条件下，将地面系统中的成熟应用迁移到星上，将会进一步提高对地观测的效率，提高其应用效益。

智能数据分发是自主任务规划、在轨遥感数据处理的必然需求，只有将星上获取的高价值数据快速、准确地发送到对应的用户，智能对地观测卫星才真正实现快速响应的目标。为此，必须进行更好的星地一体化设计，研制高性能的高速数据传输系统，提高对地观测卫星的运行效率，同时，也要面向应用，对用户进行不同粒度的分组和分级，从而提高数据分发的针对性和有效性。

卫星的自主轨道控制能力是在不依赖地面设施的条件下，在轨完成卫星轨道的维持。地面工作人员只需定期检查航天器的工作状态，从而大大地降低对人力和地面设施的要求，也降低了航天计划的成本，而且还直接有助于提高卫星的生存能力，即在地面站发生阻塞甚至被破坏、航天器与地面通信联络完全中断的条件下，能够完成系统轨道确定、轨道保持以及完成观测任务等。

对地观测卫星姿态控制系统的作用，是结合卫星上的各种位姿传感器的信息，通过智能控制决策系统，把卫星的方位控制到规定方向，以满足目标观测等相关系统对卫星的姿态要求。

3总体技术方案初步设计

技术体系结构如图1所示。

图1　技术体系结构

智能对地观测卫星的实现需要增加嵌入式星上智能处理与控制系统，包括底层的嵌入式处理硬件设备、星上协同调度软件以及实现具体应用的智能处理软件，嵌入式星上智能处理与控制系统接收到星务计算机发送过来的观测任务后，首先进行自主任务规划；到达目标上空后，通过调整卫星姿态精确获取目标，并根据背景信息自动调节成像参数，从而获得目标高质量的图像；针对海面目标，融合电磁环境探测与观测卫星的优势，电磁环境探测快速发现目标，观测卫星实现目标精确定位，对目标进行分析和确认后对其进行跟踪监视；针对陆地目标，实现目标的区域搜索和重点目标的观测；随后同平台的各个载荷之间，通过相互协同，完成观测任务，再进一步，多种不同载荷的卫星通过星间协同，多源融合，共同完成观测任务；最后卫星将观测数据与信息直接发送给用户。

4需要解决的关键技术问题

4.1总体论证与顶层设计

智能对地观测卫星与传统的对地观测卫星具有很大的差别，是一个非常复杂的系统，它涉及到卫星平台的测控、姿轨控、推进、天线、太阳电池阵和数据管理等各个分系统，还涉及到多种类型遥感器，还包括新增的智能对地观测卫星载荷，这些系统之间并不是独立的模块，而是需要进行协同与分工，共同组成一个复杂的系统，因此需要进行良好的总体论证与顶层设计。

4.2高性能低功耗遥感数据在轨处理设备

每个智能对地观测卫星载荷的实现都需要硬件设备的支持，实现不同的功能对存储容量、计算复杂度的要求不同，有的功能逻辑运算较多，而有的功能代数运算较多。因此，需要根据所实现功能对硬件的需求，研制满足处理要求的在轨处理设备。除了满足存储、计算复杂度以及功率的要求，在轨处理设备还要考虑空间环境中的抗辐照因素。

4.3适应星上处理环境的在轨处理算法

星上处理设备的存储、计算效率与地面处理系统差别巨大，因此，在轨处理算法并不是地面成熟技术的简单移植。在星上计算资源和存储资源非常有限的条件下，充分考虑应用的特点以及卫星平台和相机载荷的各种数据，研制满足性能要求的在轨处理算法是非常有挑战的工作。

4.4面向任务的知识服务专家系统

智能化的对地观测卫星需要专家系统的支持，在轨任务规划、目标精确获取、星上实时处理以及姿轨控等各个智能载荷都需要大量的专家知识，如何将这些知识更好地形式化，形成面向各种任务的专家知识库，并设计高效的推理系统，是实现智能对地观测卫星各个智能载荷的关键支撑技术。

5典型在轨处理功能需求

5.1对地观测卫星在轨自主任务规划技术

针对观测任务的分布特性，综合考虑数据传输和观测任务规划的相互影响，形成卫星载荷约束和星地数据传输约束下的星地一体化任务规划机制。针对全球目标观测任务，考虑卫星载荷、地面站和在轨处理设备的约束，建立满足目标核查任务需求的数学模型库，并基于这些模型构建相应的优化算法库，解决对地观测在轨任务规划中观测计划和数据传输计划的优化问题。

5.2观测目标的精确获取与载荷参数的精确控制

根据不同类型遥感卫星的成像特点，结合观测任务需求，一方面，根据卫星的机动能力与在轨任务规划的结果，对相机的开关机时间、卫星的侧摆动作进行精细规划与控制；另一方面，结合不同类型传感器的特点，研究不同类型的目标的成像特性与周边地物的关系模型、与相机成像参数的关系模型，对相机的成像过程和成像参数进行动态调整，提高成像质量。

5.2.1推扫相机在轨自动调焦技术

空间遥感相机在发射和在轨运行过程中，飞行过程中的振动、环境的变化和成像距离的变化等因素，会导致空间遥感相机的机械结构和光学系统参数发生微小变化，从而引起空间遥感相机的离焦，导致成像质量下降。推扫式遥感相机由于无法获取同一场景的多次成像，设计适合的检焦算法具有很大难度。在轨自动调焦需要解决类似场景快速提取技术、基于不同场景的图像质量评价技术以及推扫相机在轨自动调焦策略，从而实现基于在轨图像处理的推扫式相机自动调焦，提高相机的成像质量。

5.2.2SAR成像增益自动控制技术

SAR成像的增益控制就是对来自地面不同反射区域的回波加以不同的增益，以保证成像质量，由于不同的地物需要采用不同的增益参数，因此需要通过对场景进行预成像，并通过在轨处理实时计算增益参数。

5.2.3电磁环境探测精细扫描技术

电磁环境探测中，实时准确检测对方的雷达信号，对目标发现和识别至关重要，在轨处理可以根据实时计算结果，设计更加复杂的扫描策略，从而既能够通过快速扫描迅速的发现目标，又能够通过精细扫描确定目标的准确电磁特征。

5.3面向典型应用的遥感数据在轨处理技术研究

遥感数据在轨处理是实现快速响应能力的必然途径。目前我国的卫星应用主要依赖地面系统的处理,对于遥感数据的在轨处理还处于初步的探索中。针对典型的对地观测任务，研究其目标特性和任务特点，考虑在轨处理设备的约束条件，建立相应的模型库和算法库，结合图像判读人员的先验知识，形成多个核心应用的遥感图像在轨处理解决方法。

5.3.1云量判别与图像过滤

云量判别是遥感数据在轨处理过程中需首要解决的问题之一，对于缓解遥感数据传输带宽压力，提高在轨目标检测与识别的精度具有重要意义。针对全色图像和高光谱图像中的云覆盖问题，对云在不同载荷图像中的纹理特征、光谱特征进行分析，构建云的判别模型，结合光谱特征与空间分布特征对图像中的云覆盖区域进行检测，形成对地观测相机中云量判别技术。

5.3.2遥感图像在轨精校正技术

定位精度是遥感图像处理系统的重要指标。针对由于卫星平台定位和姿态误差所带来的图像定位精度偏低的问题，解决在轨精校正中的高精度控制点获取、管理与应用技术，高性能的图像配准技术，形成对地观测卫星在轨几何精校正技术，提高图像中目标的定位精度。

5.3.3重点区域动态监控技术

机场与港口是对地观测的重点关注区域，针对这些重点监控区域和其中的重要目标，研究其目标特性、场景特点、建立场景与目标的知识库、动态变化模型库以及特征提取和图像分析的算法库，结合在轨处理设备的计算与存储约束，形成重点关注区域的动态变化检测技术。

5.3.4综合电磁环境探测与相机载荷的海面目标检测

电磁环境探测载荷能够快速获取有源移动目标的定位数据，但是定位偏差较大，对地观测卫星能够获取目标的详细信息和准确位置，但是图像的在轨处理计算量较大，难以实现实时处理。通过电磁环境探测载荷快速发现目标并及时引导宽幅或者其他对地观测卫星完成目标观测，在轨处理能够在电磁环境探测载荷的误差范围内，对图像进行分析和处理，从而实现海面目标的高效、精确定位，以及目标类型和位置信息的精确判别。

5.3.5凝视模式下的动目标检测技术

通过研究典型移动目标的特点、成像特征以及运动特性等，分析对地观测卫星的凝视成像模式下实现动目标进行检测对卫星平台和相机的要求，研究凝视模式下连续景卫星影像之间表征目标运动的变化信息，结合目标形状、尺寸等特征，形成陆地与海上动目标的实时检测技术。

6分阶段研制计划

智能对地观测卫星的研制是一个长期的过程，需要结合关键技术的重要性、紧迫性以及相关技术的成熟度分阶段开展工作，智能对地观测卫星的研制可以分为以下3个阶段开展：

第1阶段：核心技术研制阶段。对在轨图像预处理、图像处理等相关核心算法开展研发工作，例如：云量判别、噪声抑制和辐射校正等基础功能。

第2阶段：典型应用阶段。为了验证智能对地观测卫星的应用效益，面向最迫切的应用需求，突破相关关键技术，实现最小应用系统。具体的研制工作包括：以具体的应用为牵引，例如：面向战术目标核查的智能分析载荷，研制适应在轨运行环境的嵌入式计算设备，实现在轨任务规划，重点区域的动态监控和在轨几何精校正。

第3阶段：深入应用阶段。结合第2阶段工作的研究成果，丰富智能对地观测卫星载荷的功能，拓展其应用范围，更大程度上提高对地观测卫星的智能化程度。更进一步对智能对地观测卫星载荷的应用效益与载荷性能进行大量的测试与分析，将性能优异、应用效果好的在轨分析功能扩展到多个型号，多个类型的对地观测卫星，实现智能分析载荷的模块化与标准化。

7结束语

智能对地观测卫星载荷具有重要的经济效益，通过智能对地观测卫星载荷的自主任务规划和星上智能处理，能够简化卫星管理控制流程，减少卫星工程测控、任务管控、地面接收与处理系统等庞大设施的投入，提高天基对地观测效率；通过高效的任务规划和星上高价值信息提取，大大提高现有卫星资源的利用率。

高自主性智能对地观测卫星载荷是未来的发展趋势，仍存在许多亟需解决的关键技术问题，需要结合卫星平台、载荷和用户等多方面共同努力，以用户需求为引导，协调好卫星平台与载荷的关系，突破在轨处理硬件和软件关键技术，最终实现对地观测卫星的智能化。

参考文献

[1]WINFRIED H.Thematic Data Processing on Board the Satellite BIRD[C]∥Proceeding of SPIE,2001:412-419.

[2]TESTON F,VUILLEUMIER P,HARDY D.The PROBA-1 Microsatellite[C]∥Proceedings of SPIE,2004.

[3]ARNAUD M，BOISSIN B，PERRET L，et al.The Pleiades Optical High Resolution Program[C]∥Proceeding of the 57th IAC/IAF/IAA,2006.

[4]CHIEN S,SHERWOOD R.Onboard Autonomy on the Earth Observing One Mission[J].AIAA，2004.

[5]DAVIS C O.The Hyperspectral Remote Sensing Technology(HRST) Program[C]∥Proceedings of the ASPRS Meeting：Land Satellite Information in the Next Decade，1997:2-5.

[6]李德仁，沈欣.论智能化对地观测系统[J].测绘科学,2005,30(4)：9-12.

[7]张兵.智能遥感卫星系统[J].遥感学报，2011，15(3)：423-427.

[8]高立宁，龙腾.空间机动飞行与空间机动平台实时信息处理技术[C]∥第一届嵌入式技术联合学术会议论文集，2006(174)：101-102.

张吉祥男，(1983—)，毕业于中国科学院自动化研究所，模式识别与智能系统专业，现在中国科学院自动化研究所工作，高级工程师。主要研究方向：遥感图像处理与机器视觉，主持完成SAR图像精校正、红外图像目标检测与识别等多个项目。

郭建恩男，(1958—)，1992年毕业于北京邮电大学电磁场与微波专业，工学博士，现为北京遥感信息技术研究所研究员。主要研究方向：卫星遥感技术与应用，获国家科技进步特等奖一项，一等奖两顼，二等奖一项。

作者简介

中图分类号TP752

文献标识码A

文章编号1003-3106(2016)02-0001-05

收稿日期：2015-11-13

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.02.01

引用格式：张吉祥，郭建恩.智能对地观测卫星初步设计与关键技术分析[J].无线电工程,2016,46(2):1-5,22.