气象信息辅助巴遥一号遥感卫星任务规划

文 | 宁定远 方舟 齐昕浒 陈元伟 李媛博

航天恒星科技有限公司

一、引言

遥感卫星按照相对固定的高度飞行，而且卫星的观测视场角范围也相对固定，通常，可用的高分辨率观测宽度为50～100km。为了扩大观测范围，遥感卫星一般都具有侧摆能力，能够观测到偏离星下线的目标[1]。当卫星侧摆后，可以观测到一个以星下点轨迹为中心线的带状区域，在这个带状区域内的地面目标理论上都有机会被卫星观测到。但由于同一时刻卫星只能观测有限的地面目标，不能同时完成多个目标的观测，所以需要设计与卫星特点相匹配的任务规划，对采集单进行综合评估和取舍后，最终安排满足卫星和地面资源要求的调度方案，满足用户的观测要求。

光学成像卫星因其分辨率高、成像质量好，被广泛应用于环境监测、灾害防治和军事侦察等活动中，但由于气象因素，光学卫星在对地观测成像过程中，图像中经常有成片的云层覆盖区域，它们几乎不具备任何地面信息[2]。光学卫星受云层气象环境的影响较大，据统计，60%左右的观测数据存在云层遮蔽情况，这些无效数据占用了大量的数据传输和处理资源[3]。这个问题几乎伴随着遥感技术发展的每个阶段，是可见光卫星遥感所面临的一个重要课题[4-5]。面对该问题，学者们主要从两个维度进行研究。一是对遥感影像处理达到去云的效果；二是从卫星拍摄阶段考虑减少气象因素的影响。

本文则是在卫星遥感影像数据获取阶段进行处理，减少气象因素的影响，增大有效成像区域的覆盖率，从而获得高质量的成像图像。研究根据卫星成像任务规划的流程，建设气象信息辅助任务规划流程，并通过巴遥一号地面应用系统的实例，分析气象信息辅助任务规划的效果。考虑气象信息辅助进行任务规划，能够通过提前预测出的云量信息，提高目标拍摄的成功率，获得高质量遥感卫星影像，同时也提高了卫星和地面资源的使用效率。

二、气象信息辅助遥感卫星任务规划

气象信息辅助任务规划主要需要考虑完成气象信息任务规划的关键技术攻关、核心算法设计等工作。需要在任务规划功能的基础上，考虑气象信息，进行任务规划算法及相关核心技术的研究，设计并实现其中的核心的任务规划算法，完成原型系统研制，对核心模块进行验证。

1. 气象信息相关流程

气象信息辅助任务规划主要考虑将从外部气象服务接收到的云预报数据和气候统计数据作为任务规划的参考依据。其采集单处理过程如图1所示。考虑气象信息任务规划主要处理流程如图2所示。

图1 考虑气象信息的采集单处理过程图

图2 考虑气象信息任务规划处理流程图

考虑气象信息任务规划流程需要根据接收到的云覆盖预报数据和气象统计预报文件，在预规划以及计划的确认和调整阶段，对任务规划方案进行相应调整。气象信息作为这两个阶段的输入参数，影响任务规划的结果。

2. 气象数据的格式和管理设计

在气象信息辅助任务规划中，将对国内外气象数据的格式、内容、日接收数据量进行调研，并设计专门用于辅助任务规划的气象数据格式。系统将设计数据的存储机构、更新机制、检索方式，以满足存储、检索全球网格气象预报数据功能；并确定各类气象数据的存储时间。

3. 气象数据存储方式设计

在气象信息辅助任务规划系统中，将对云预报数据、气象预报数据和气候统计数据三种预报数据的存储方式进行设计，分析气象数据的种类、更新方式和具体的存储方法。

4. 气象数据的判读和使用方式设计

在气象信息辅助规划中，将对气象数据的整合、自动判读技术进行研究，设计一种判断成像区域的天气情况是否满足卫星成像要求的评价体系，以满足气象信息辅助任务规划的需求。判读算法根据配置参数和读取的气象数据值进行判读计算，最后得到判读结果。

考虑气象信息的任务规划，将规划前的气象预报数据作为参考依据，结合其他条件：数据库加载卫星和接收站参数、数据采集单、卫星星下点数据以及特殊的天文事件，共同决定拍摄任务和数据接收任务的规划结果。

三、应用案例

巴基斯坦遥感卫星一号（简称巴遥一号）地面应用系统包括跟踪与数据接收分系统、运行管理分系统、图像处理分系统、数据管理分系统、公共服务分系统、网络分系统六个分系统。

运行管理分系统是地面应用系统的重要组成部分，负责接收公共服务分系统的卫星观测请求，进行任务规划，生成计划文件，下发给跟踪与数据接收分系统和测控系统；测控系统上注至卫星，从而执行计划；跟踪与数据接收分系统接收卫星下传的数据，并将状态报给运行管理分系统，从而达到监控计划执行状态的目的。该项目在卫星任务规划中引入了气象因素，使用气象信息辅助遥感卫星进行任务规划。

1.气象历史信息辅助任务规划

用户在下采集单前，提前对该区域历史气象信息进行统计，例如，用户的拍摄区域为巴基斯坦首都伊斯兰堡，近10年伊斯兰堡各月的平均云量统计结果可以看出，伊斯兰堡一年中二月份的平均云量最多，覆盖率达到了45%，六月份的云量最少，云量覆盖率为11%左右。在六月份用户得到高质量卫星遥感影像数据的概率最大；在二月份卫星拍摄伊斯兰堡，云量对目标的覆盖较大，卫星获取高质量卫星遥感影像的成功率较低。气候统计数据的作用是使用户对长时间的天气情况有一个总体的把控。

2.最新气象信息辅助任务规划

在该系统任务预规划过程中，调用气象评定算法，即利用最新气象数据计算出该拍摄条带在卫星预计拍摄时间的平均云量值，如果该值小于用户采集要求，则评定成功，反之，评定失败。例如，用户下北京地区的区域订单，订单中要求的云量值为小于30%，在没有气象信息辅助的情况下，该订单任务规划成功（available）（图3），如果加入了气象信息评定，该订单在任务规划过程中判定由于云量高于用户要求，任务规划失败（unavailable），如图4所示。

图3 无气象信息辅助任务规划成功

图4 考虑气象信息辅助任务规划失败

从图4中可以看出，该地区的云量值约72%，远远大于用户要求的云量覆盖率30%的条件，因此任务规划结果判定为失败。常规任务规划只考虑了卫星载荷及接收资源使用约束，以该订单为例，在常规任务规划中，该订单能够任务规划成功，在指定时间拍摄北京，但是实际拍摄的数据中有约72%为云量覆盖区域，无法满足遥感影像的使用要求，实际上浪费了卫星的拍摄资源和地面站的接收资源。

四、结论

文章根据卫星成像任务规划的流程，建设气象信息辅助的任务规划方案，并通过巴遥一号地面应用系统的实例，分析气象信息辅助任务规划的效果。考虑气象信息辅助任务规划能够通过提前预测出的云量信息，提高目标拍摄的成功率，获得高质量遥感卫星影像，大大提高了卫星和地面资源的使用效率。

考虑气象信息的任务规划在一定程度上可以提高遥感卫星的成像质量，提高接收站接收数据的成功率，但是这并不意味着考虑气象因素后就不会出现低质量图像或者不会出现数据接收成功率低的情况。因为天气预报数据存在一定的不确定性，预报准确率会影响到卫星成像质量。

同时，地面站范围内的大风、大雨、大雪等恶劣天气，会影响数据的接收，降低数据接收的成功率。后续研究中，应在接收资源规划中增加气象信息的分析。接收资源规划中除加载卫星和接收站参数、接收资源使用需求、卫星过站时间窗口以及特殊的天文事件外，还应考虑接收站相应时间的气象信息，从而提高数据接收的成功率。