高分多模卫星星地一体化快速响应系统设计与在轨验证

汪精华 王跃 于龙江 范立佳 姜洋

(中国空间技术研究院遥感卫星总体部，北京 100094)

遥感卫星智能化处理技术发展迅速，用户对于遥感信息的快速响应需求也日益强烈[1-2]，结合民用减灾用户灾区遥感图像快速获取需求，高分多模卫星采用星地一体化快速响应系统，该系统能够完成热点区域的目标快速提取及2级图像产品的快速生成，结合低码速率星地下传通道，支持图像产品的快速应用，数据可快速直传到灾区一线的指挥车，满足用户“所见即所得”的快速获取需求。它将事件响应时间由小时级提升至分钟级，同时能为用户提供高定位精度的2级图像产品，支持定量化应用。

本文主要介绍了高分多模卫星支持快速响应的星地一体化系统设计(简称“快速响应系统”)，以及系统在轨试验验证结果，可为后续遥感卫星快速响应的应用模式提供参考。

1 快速响应系统组成

高分多模卫星快速响应系统星上部分由区域提取与处理单元单机，以及数传分系统的相关单机组成，数据流程跨越区域提取与处理单元、一体化数据处理器、X频段调制器及数传天线等十余台单机，数据流设计见图1。高分辨率相机数据发送到一体化数据处理器进行分路，一路数据在一体化处理器中进行压缩处理，压缩后的数据进如固态存储器；一路数据经分路后进入区域提取与处理单元进行处理，处理后的图像产品经过一体化处理器进行数据复接与格式编排，再通过调制器及数传天线下传至地面，此时数传的通道部分将采用低码速率模式。

图1 星上处理及快速分发数据流Fig.1 Data stream of onboard processing and fast delivery

高分多模卫星快速响应系统的地面及处理部分由地面便携站或者机动站组成，站内配置接收、处理、显示及评估软件，可满足分钟级的遥感2级图像快速响应，星地采用的低码速率模式降低了地面接收系统的规模，优化了快速响应系统设计。从表1星地链路分析结果可知：地面站性能指数(G/T)为15.5 dB/K(对应于1.5 m天线)的接收系统还有3 dB以上的链路余量[3-4]。

表1 星地链路分析Table 1 Ground-to-satellite link analysis

2 星地一体化设计

针对在轨处理所涉及的区域提取及2级图像生成需求，星上处理涉及到目标提取、辐射校正、图像拼接及系统几何校正等。考虑星地指标体系的一致性，高分多模卫星星上处理采用星地一体化设计，具体包括：①星上处理算法采用地面简化算法，保证算法的可用性及测试结果的可信度；②模型参数由地面标定获取后上注星上处理软件使用，并定期更新，保持星上处理指标的高精度。

在轨相对辐射校正、拼接、系统级几何校正产品星地一体化处理过程，如图2所示。

图2 星地一体化处理过程Fig.2 Ground-to-satellite integrated processing flowchart

2.1 辐射校正星地一体化设计

地面的辐射校正一般包括查找表法及系数法[5-6]，它们均是目前地面站的常用处理方法。查找表法需要对每一个像素在查找表中进行二维搜索，并用表中的值对原值进行替换；系数法则是将每个像素直接进行乘加运算，对于星上处理系统来说，处理器对存储器存取是比较耗时的，尤其是跨行读写效率是连续读写效率的1/100，考虑到辐射校正实时性要求及星上处理系统规模的限制，高分多模卫星辐射校正采用系数法。

2.2 几何校正星地一体化设计

本文基于严格几何模型进行多片CCD拼接和系统级几何校正[7]，产品几何校正处理依赖于几何模型的建立[8]。考虑星上处理能力的限制，为提高几何校正处理的效率，采用分块校正的思路，以少部分的精度损失换取校正过程的高效率。其原理如图3所示：左侧为一幅原始图像(四边形abcd)，定义在图像坐标系a-xy中；右侧C-XY是地图坐标系及校正后的图像(四边形a′b′c′d′)，四边形ABCD表示在计算机中为校正后图像开出的存储范围及相应的地面位置。具体操作为：①对输出图像按地面范围划分格网；②求出每个格网的4个角点对应的原始图像坐标，如图3中a，b，c，d；③求单个格网块对应的原始图像坐标的范围，得到图3中的A，B，C，D；④对格网内的每个点P，用简单内插的办法求出原始图像坐标P′及点的输出灰度；⑤判断格网内所有像素是否都已处理完毕，若未处理完毕，转到第④步，若已处理完毕，将该格网内的象素灰度写入文件中；⑥判断是否所有格网块已处理完毕，若未处理完毕，转到第③步继续处理下一个格网块，若已处理完毕，结束操作。

图3 分块采样原理Fig.3 Principle of block sampling

2.3 星地处理算法差异分析

在轨实时处理时的算法流程与地面的算法流程相同，存在差异如下。

(1)在几何校正处理中，需要对图像进行划分格网分块校正，较逐点计算提高运算效率，格网划分越稀疏处理速度越快，同时精度损失越高；星上环境下，依据处理模块的运算能力和处理时间需求，与地面相比更注重处理的实时高效，则配置格网划分更偏向效率，较地面系统处理稀疏。目前，地面分块大小为256×256，星上每块大小为2000×2000(1 km×1 km)。通过准确的相机内定标后，唯一差别是小区域采用相同的高程计算，即高程误差带来的影响，对于平坦区域，该影响可以忽略[9]。

(2)在拼接和几何校正过程中必需的DEM数据，理论上一定是精度越高，引入误差越小，但考虑到星上存储环境限制，地面系统所采用的较精细的DEM数据不适用于星上处理，因此采用格网较粗、存储需求较低的DEM数据。目前，地面使用30 m分辨率的DEM数据，星上使用180 m分辨率的DEM数据，带来的误差也是高程误差，在平坦地区可以忽略。

3 关键指标分析

快速响应系统性能关键指标包括快速响应延迟时间及图像定位精度，下面分别对其进行分析。

3.1 快速响应延迟时间

快速响应延迟时间包括区域提取单元处理时间、2级图像产品在星上数传分系统流转时间及图像星地传输时间，由于星上已经处理成图像产品，因此地面可不再进行处理，接收后直接显示即可。对于不同大小的区域，响应时间见表2。根据分析可知：最大区域15 km×15 km的星地快速响应时间可达114 s，小于2 min；而最小区域5 km×5 km，星地快速响应时间仅为27 s。

表2 响应时间分析Table 2 Response time analysis

3.2 图像定位精度

根据严格几何模型，推导各个误差项对定位精度影响的公式，并对高分多模卫星平台存在的各种误差源大小进行估算。结合卫星的相关参数，对星下点的定位精度进行分析，结果如表3所示。对于有侧摆角的情况，单轴误差会加大。

表3 图像定位精度分析Table 3 Image positioning accuracy analysis

4 在轨验证

4.1 响应时间在轨验证

2020年12月31日，高分多模卫星在北京首次完成了特定区域快速获取模式应用演示验证试验，模拟应急抢险救灾前沿指挥部“实时”接收受灾区域2级遥感图像产品，并进行判读应用的场景。图4是北京密云水库目标测试现场及提取结果。根据试验安排，高分多模卫星当天上午飞越北京，卫星对前沿指挥部所在的受灾区域(密云水库附近)快速指向，并于10：54：24开始成像，成像后立即进行星上实时处理，生成15 km×15 km的2级图像产品；10：56：30通过指挥部配置的地面移动接收站完成图像数据的接收、解调，并进行图像产品的显示和判读。

图4 北京密云水库目标测试现场及提取结果Fig.4 Test-site and target extraction results of Miyun reservoir in Beijing

卫星成像至用户接收到可直接应用的图像，获取全链路时间缩短至2 min左右，“第一时间”将受灾区域的遥感卫星图像产品传送到前沿应急指挥部，以便指挥部及时掌握灾害发生地点、涉及范围、发展趋势等信息。

4.2 定位精度在轨评估

在轨测试期间，高分多模卫星对4个目标区域进行了提取及处理，侧摆角度为20°～30°。为保证图像定位精度测试的可靠性，试验选用0.3 m分辨率的谷歌图像作为参考图像。具体测试结果如表4所示。

表4 在轨定位精度测试结果Table 4 On-orbit positioning accuracy test results

通过对高分多模卫星多幅区域提取图像进行几何定位精度测试，结果表明经度方向(横向)上的定位精度为-50.36 m，纬度方向(纵向)上的定位精度为29.18 m，考虑到测试图像均为侧摆角20°～30°范围内，因此表4在轨测试结果与表3的指标分析结果一致。这表明：高分多模卫星快速响应系统，可在2 min以内完成星上2级图像采集与生成，并传输至用户显示，大大降低了系统响应时间，增强了系统应用效能；同时，2级图像的两轴定位精度与指标分析结果一致，满足技术要求。

5 结束语

高分多模卫星配置了星地一体化快速响应系统，完成特定区域图像的提取、辐射校正及几何校正，生成用户可直接应用的2级图像产品；并利用数传分系统的低速传输模式，支持配置更为灵活的机动站或微型便携接收站来完成图像数据的快速实时接收与显示，能有效解决如何“第一时间”将受灾区域的遥感卫星图像产品传送到前沿应急指挥部的问题。该卫星将获取时效性由数小时提高至分钟级，且图像定位精度较高，可提供及时、有效、准确的信息，有效服务于重大灾害等应急需求。