我国陆地观测卫星综合运控浅析

文|王静巧 易维 陈卫荣 中国资源卫星应用中心

一、前言

卫星遥感技术自20世纪60年代以来发展迅速，随着遥感应用领域的深入，各国政府和民营资本都相继发射陆地观测卫星，当前国外较成熟的遥感卫星系统包括美国的Landsat陆地观测卫星、法国的SPOT、欧洲的ERS，加拿大的Radarsat等。自1999年10月第一颗中巴地球资源卫星成功发射以来，我国陆续发射了资源、减灾、测绘、高分、高景系列陆地观测卫星，卫星数据已广泛应用于国土资源调查与监测、防灾减灾、农林水利、生态环境、城市规划与建设、国家重大工程等领域[1]。

卫星综合运控是统筹不同载荷、不同空间分辨率、不同轨道高度的卫星为同一目标服务的活动。随着陆地观测卫星的发展，卫星运控也逐渐引起重视，国内外已经开展了很多陆地观测卫星运控的研究。比较著名的商业运控系统以美国AGI公司的STK（Satellite tool kit）软件[2]为代表，此类软件计算、统计、分析功能相对比较完备，可以对卫星的运行情况进行仿真，但在卫星成像规划中未加入约束条件，可扩展性较差，人工参与量较大，难以适应具体卫星运控系统。

针对STK无法适应具体型号卫星的现状，国内外卫星运控多采用定制系统。例如美国Veridian公司针对SPOT-5卫星日常规划开发的GREAS系统[3]，美国国家航空航天局（NASA）针对EO-1卫星的ASPEN系统和ASTER调度系统[4]，美国Orbit Logic公司针对OrbView-3卫星开发了OrbView Tasking System等[5]。国内定制系统主要有中国电子科技集团有限公司第五十四所和国防科技大学研制的卫星任务规划系统[6]，此类系统均考虑了载荷约束。

定制系统的优势在于加入了卫星载荷使用约束，例如卫星能源平衡、星上存储器容量等，相对于非定制系统在卫星调度时更加自动化，但是由于海量的用户需求和多元化的卫星工作模式，目前我国卫星运控还很难实现完全自动化，大多数情况下需要人机交互。随着后续卫星发射，未来卫星综合运控面临更艰巨的挑战。

二、陆地观测卫星综合运控的必要性

经过近30年的发展，我国陆地观测卫星发展呈现的趋势是：空间分辨率提高，目前在轨运行的卫星中有4颗卫星优于0.5m；工作模式向多元化发展，表现在卫星姿态调整和数传方式更加灵活；同一卫星搭载成像载荷增多，多台相机同时成像并通过无缝拼接技术形成宽视场；卫星寿命延长，国产陆地观测卫星设计寿命最初通常为2～3年，现在可达到5～8年。从目前卫星发展趋势来看，不同分辨率数据的需求、工作模式的灵活性增强和在轨卫星数量的增多对卫星运控较以往有更高的要求，综合运控是必然发展趋势，主要原因是：

1.避免地面系统重复建设

地面系统是保障卫星数据处理、归档、管理和分发的重要环节，也是负责卫星日常运行和有效载荷管理的关键系统之一。不同卫星搭载的成像载荷和工作模式不同，但常规运行模式、传输链路、处理算法和分发流程存在许多共性，针对每颗卫星建立一套独立的地面系统需要耗费大量的财力和人力资源，并且后期的系统运行和维护的成本也是随着卫星颗数的增加成倍增长。卫星综合运控有利于推进陆地卫星地面系统的集中建设，不至于导致成本随卫星数量增加呈线性增长甚至指数增长的趋势。

2.数据获取时效性提高

在轨运行的陆地观测卫星有不同的回归特性和观测能力[7]，通过卫星姿态调整，可侧摆成像提高卫星的重访能力。若卫星综合运控，则可在单星重访周期的基础上重访能力再次提高。例如，环境1A和环境1B卫星单颗卫星4天实现重访，以180°相位差构建环境1A、1B卫星星座可实现2天对任意点重访[8]。高景系列卫星由4颗0.5m高分辨率卫星组成卫星星座[9]，在侧摆25°条件下不同纬度重访时间如图1所示。卫星实际的重访情况由于成像区域位置的不同而有所不同，从赤道向两极方向，相邻轨道间的距离越小，越容易实现重访。

图1 高景卫星星座侧摆25°条件下不同纬度重访时间

3.资源合理利用

受地面站天线资源限制，卫星同时过地面站数量超过可用天线数量时，接收将发生冲突。若制定卫星成像计划未考虑接收冲突，卫星接收计划直接汇总至地面接收站，地面站发现冲突后，再通知用户，此种方式增加了人工成本，还造成了卫星资源浪费。若增加一颗卫星，地面站即增加一幅天线，加大了设备的投入，也造成了资源浪费。卫星综合运控有利于在制定各卫星成像计划时充分考虑卫星和地面站天线资源，对多个地面站多颗卫星接收调度，在有限接收资源条件下，制定最优调整方案，避免接收冲突和卫星资源浪费，确保重要数据接收。

三、陆地观测卫星综合运控的关键技术

1.区域的合并和分解技术

随着遥感数据的不断推广，用户需求呈现出需求量大、区域分布广等特点。用户观测需求一般为点目标和区域目标，按卫星传感器幅宽可分为一轨可覆盖点目标和小区域目标以及多轨覆盖区域目标。观测需求具有一定时效性，按照时间长短可分为长期和短期任务规划需求，按照观测频度可分为约定时间范围内观测一次，按照一定的周期多次观测。

对单个点或区域，在约定时间范围内成像一次比较容易预测，但面对海量的区域和不同时间段的需求，在空间上和时间上往往存在交叠的区间，对每个区域和时间段都完成一次计算需要占据大量的计算资源，这种方式显然不可行，因此，综合运控的首要任务是将来自多用户、多卫星、多区域、多时段的区域按照空间分布和时间分布特征进行合并，减少综合运控的冗余计算。

区域根据空间和时间合并后再分解到每一颗卫星的条带上是个更复杂的问题，目前我国陆地观测卫星都具备较强的侧摆能力，在海量的区域之下，卫星在任意时间任意侧摆角度对应的条带都可能覆盖用户区域，并且不同侧摆角对应的地面轨迹和幅宽都不一致，因此对应同一卫星的不同侧视角度即可得到不同的解决方案。当多星综合运控时，卫星轨道倾角的差异导致卫星的星下点并不平行，不同的卫星又分解出相互交叉的不同条带，因此，很难确定哪种分解方案是最恰当的。目前相对合理的解决方案是，以卫星的星下点经过条带为初始分解条带，剔除初始分解条带后以角度最优为原则再分解剩余区域，但最优角度的确定主观性较强。

2.有效载荷约束定量化技术

不同卫星运控模式的共性是陆地观测卫星综合运控的优势之一，但每颗卫星搭载的有效载荷并不一致，卫星成像能力也有区别，为保证资源有效利用和避免人为原因造成卫星的不恰当管理，对每颗卫星独有的特性在运行时都需要提前考虑，因此，在综合运控中对单颗卫星进行定量化约束是必不可少的。

根据卫星的轨道高度、能源平衡和存储容量，有以下几条需要定量化约束：

1）单圈能量约束。卫星运行过程中消耗能源的操作有成像、数传和侧摆，由于卫星上的能源是由太阳能帆板供电，电量使用和恢复都有时间上的限制，为了保证卫星在设计寿命内安全稳定地运行，侧视操作次数、成像时间和数传时间需要有所限制。此外，由于不同卫星轨道高度经过地面站都有最长时间弧段，在地面站可视范围内实传时间应限制在此时间内。

2）连续侧摆约束。侧摆是卫星机动能力最直接的体现，卫星的侧摆并不是瞬间完成的，在两次连续侧摆时间应该保证前一次侧摆卫星稳定后再进行下一次的侧摆，为保证卫星的成像精度，从卫星的侧摆加电开始到侧摆后卫星的稳定这段时期内相机是不能开机工作的，因此，两次连续侧摆之间的时间需要具体的约束。

3）星上数据存储约束。当卫星不在地面站可视范围内时，卫星的成像数据只能先记录在星上存储器内，等到卫星经过地面站可视范围内时再择机将数据下传，受星上存储容量的限制，在卫星数据下传之前数据不能无限制地记录。同时，由于星上数据压缩算法一致，而成像地物的丰富程度不一致，相同时间的数据也对应不同大小的存储空间，所以星上数据存储在约束的前提下还需要优化。

3.多星一体化技术

多星一体化后可以提供多种策略以备选择，满足不同用户的观测需求，如角度最小、角度最优、最快成像、连片覆盖等。策略的选择与需求观测时间跨度和区域大小关联。对于应急观测小区域需求，根据多星计算生成的观测窗口，选取最快成像的卫星；对于大区域需求，选取最快连片覆盖策略，设置搭接距离，保证多星最短周期完成无缝覆盖。若在有限时间内观测小区域目标，可以选取角度最优策略；对于大区域，可以使用最优观测角度最快连片覆盖策略；对于观测时间跨度长的需求，先期可以使用角度最小策略，即使用卫星星下点成像（不侧摆），完成一段时间拍摄后，使用角度最优策略对缺失区域进行补充。

由于光学相机受天气影响较大，多云或者有雨时，数据一般为云图，影响应用效果。为了更合理利用卫星资源获取有效数据，避免卫星资源浪费，制定光学卫星成像计划时，需要结合天气情况，同时考虑卫星载荷和地面站接收范围等约束条件生成卫星成像计划。在卫星实际任务安排中，用户需求分解至单星时，结合天气情况优先选择侧摆度数小，无其他观测冲突，且一轨能覆盖多个观测需求的卫星成像。单颗卫星拍摄任务发生冲突时，优先考虑需求重要性和时间紧迫程度。

四、陆地观测卫星综合运控的现状

陆地观测卫星的运控模式经历了两个主要阶段：第一个阶段是在中巴地球资源卫星01星（CBERS-01）发射之初至CBERS-02B星运行，由卫星用户部门负责业务测控，提出长期管理阶段的成像要求，委托西安卫星测控中心编制载荷工作和地面接收任务。第二个阶段是中国资源卫星应用中心统一用户需求、优化卫星成像计划，并生成卫星上注指令，由西安卫星测控中心统一执行上注。当前卫星综合运控主要体现在：

1）多个系列卫星综合运控。我国自从1999年发射第一颗陆地观测卫星CBERS-01以来，已形成多个系列的卫星，包括资源系列、环境减灾系列、高分系列、实践系列、高景系列等，后续系列卫星运控系统可以充分利用已有卫星系列的经验。

2）多个分辨率卫星综合运控。目前中国卫星遥感图像高空间分辨率为亚米级、中空间分辨率为数十米、低空间分辨率上百米，多种分辨率的结合可以进行“高分辨率详查、中低分辨率普查”。

3）多种谱段卫星综合运控。现有陆地观测卫星除了人们熟知的可见光、多光谱图像外，还包括丰富的红外图像和雷达图像，应用范围更加广泛，例如中波红外图像可以应用于火灾监测，热红外图像可以应用于城市热岛效应，雷达图像可以实现有云有雨天气的观测。

由于历史原因，现有遥感卫星运控体系是不同时间、不同承研单位研制建设的相对独立的运行体系，尚没有有效的技术手段支持不同系统间卫星资源的统筹应用，不能实现多星多载荷任务协同规划，不能充分发挥多个卫星系统的整体应用效益。如何整合所有可用的对地观测资源，实现对这些资源的统筹管理和任务协同规划成为亟待解决的问题。在当前阶段综合运控面临的挑战主要有：

1）冲突决策。一方面，在实际运行过程中，卫星在一轨内只能允许有限的侧摆次数，而海量的用户需求往往超出侧摆次数的限制，即便在充分考虑天气原因、用户需求等级和卫星资源可用等多方面约束条件下，有时也无法确定卫星侧摆角度的最优方案，需要与用户反复沟通，人工成本投入大。另一方面，地面接收资源有限，卫星经过地面站可视范围内时数传具有独占性特点，多颗卫星同时经过时需要有所取舍。综合运控相对于单星运控，在星地资源决策上，人工参与的比例较大，自动化程度还显不足。

2）长期轨道预报。卫星在地面的万有引力作用下运行轨道是个椭圆，理论轨道是确定的，但陆地观测卫星在近地环境下还受到包括地球的非理想球体形状和大气阻力等影响，使得卫星偏离理想轨道运行。对短期单星区域观测，使用轨道根数可精确推算卫星覆盖时间点，对长期观测区域，使用轨道根数外推误差较大。目前陆地观测卫星大多采用太阳同步回归轨道，若定期对轨道维持，可保证长期轨道预报的相对准确，若不进行轨道维持，目前条件下区域覆盖条带将不可预测。

3）评价体系。评价体系是当前综合运控的薄弱环节，现在最受关注的是区域满足度评价和星地资源利用评价。用户需求的载体复杂，表现形式有地名、经纬度、图片、带地理信息的矢量图等，评价前首先需要将这些载体转换为统一的格式，并且每个需求时间跨度和云盖量都不一致，满足度评价必须逐一计算，若无评价系统海量数据将无法统计。星地资源利用的评价则更加复杂，单独考虑星上资源和地面站资源是相对简单的方式，但是星地资源是相互约束的，此种方式导致过高估计可用资源。若同时考虑星地资源，受多星约束繁杂和用户区域分布不规律等特点制约，并不能得到最优解，无法保证评价的准确性。因此，在评价体系算法研究上还需要更加深入。

五、陆地观测卫星综合运控的愿景

陆地观测卫星综合运控未来应该向完全自动化、高速化发展。面对海量的用户需求和多元化的工作模式，卫星综合运控应具有较高时效性和灵活性，这就需要在卫星运行控制过程中不断优化计算机的操作，减少人机交互的过程。

1.“一键式”运控

“一键式”运控是指根据卫星的使用载荷约束、多元化的工作模式和大量的任务需求，卫星调度人员只需要按下一个按键或者进行极为简单的操作，系统就可以合理分配卫星资源、调整成像策略，形成一套最优的成像计划，并自动完成指令生成、发送等一系列过程。同时系统可以快速、准确记录和统计成像过程中的相关数据。“一键式”运控要求计算机可以最大程度简化卫星运控过程中人机交互的部分，增加计算机的处理工作，依靠计算机的高速运算功能，代替操作人员快速、自动地完成卫星运控方面的相关工作，并且可以根据一定查询条件，快速查询和统计卫星运控相关的数据信息。这样就可以提高任务安排过程中的自动化程度，减少因人为因素产生的错误，并且在减少操作人员工作量的同时增加卫星综合运控的效率和准确性。

2.动态任务规划

动态任务规划是指在一个合理的规划方案形成之后，仍然可以随时增加一个或多个应急需求，并且在新需求加入后，计算机重新分析和计算所有的用户需求，适当调整原来的成像方案，优化卫星成像资源，自动形成一个新的最为合理的任务规划方案。在实际的运控过程中，新的需求往往需要调度人员手动录入，分析决策后对原来的方案进行调整，以达到资源的合理分配。动态任务规划则要求在新的需求加入之后，系统可以自动重新分析任务的优先级，形成多种规划方案，通过分析对比，最终生成一套最为合理的成像计划。动态任务规划的实现可减少在成像方案更改过程中操作人员主观的调整过程，增加任务规划系统的自动化程度，提高综合运控工作中的效率和灵活性。

六、结束语

从第一颗陆地观测卫星发射升空，截至目前我国已完成多个系列卫星的处理系统综合建设，并通过业务化运行，为全国各行业用户提供综合服务，取得了巨大的社会效益。尤其是逐步实现陆地观测卫星的综合运控，多颗卫星集成在同一运控系统内，方便综合用户需求，通过对卫星统一管理、协调，有利于地面站资源合理利用及综合协调，同时减少与测控中心链路的重复建设，也有利于在常规观测任务和应急观测任务中，结合不同分辨率及雷达、光学、红外相机不同成像方式的特点，发挥每颗卫星优势，以更短周期获取有效数据，更好更快满足各行业用户的需求，为各应用领域提供服务。要减少人工参与并处理更大量的用户需求，自动化水平提高是综合运控的必然发展趋势。与此同时，未来应急事件和自然灾害会更加依赖卫星监测，提高卫星运控的灵活性也是综合运控的必经之路。