高分多模卫星应急任务规划流程设计

刘明亮 王小燕 邱虎 李紫未

(中国资源卫星应用中心，北京 100094)

自1999年10月我国第一颗民用陆地观测卫星资源一号01星发射以来，我国陆地观测卫星开始为我国乃至世界的重大自然灾害和突发事件提供应急服务。

利用遥感卫星获取应急任务数据，需要能够快速拍摄应急区域，快速将应急观测数据数传至地面，并进行快速数据处理，从而最快的将应急区域的观测数据送达至应急管理部门或相关用户。

高分多模卫星2020年7月发射，是我国首颗分辨率达到0.5 m同时具有多种工作模式的光学敏捷遥感卫星，同时高分多模卫星还是我国第一颗具有中继数传功能的民用卫星，该卫星将在应急任务中发挥积极的作用，其特点如下。

(1)高分多模卫星遥控指令中有一个控制参数为任务的优先级，卫星具有星上任务规划的能力，高优先级的任务能够替换低优先级的任务，利用这一特点，常规任务的优先级默认为中优先级，当需要应急观测时应急任务的优先级设置为高优先级，确保应急任务能够优先执行。

(2)高分多模卫星的敏捷成像特性，采用多角度或立体成像模式，能够对同一位置采用不同姿态进行观测，获取不同姿态视角下的观测数据，能够很大程度的规避云的影响，同时采用多角度成像模式还能在几分钟之内持续对同一目标进行观测，获取短时间内的动态变化情况。

(3)高分多模卫星所具有区域提取功能，即以特定位置为中心，提取一定大小的范围(5 km×5 km/10 km×10 km/15 km×15 km)的观测数据在星上进行一定的辐射及几何校正处理，数据传回地面后仅需进行解帧格式，从单独虚拟信道提取出数据就能够对相关应急用户提供数据服务。

(4)高分多模卫星是我国第一颗具有中继数传功能的民用卫星[1]，卫星的数传机会有非常大的提升，几乎每圈都能通过中继卫星进行数传，因而在突发应急任务而地面接收系统无法安排任务时同样也能够将数据尽快传回地面，极大的提高了数据传输效率。

本文结合上述高分多模卫星的特点，进行了应急任务的流程设计，研究其在应急任务观测时的应用，然后针对卫星的相关特性进行了试验及分析。

1 应急任务规划流程设计及模式选择

针对应急任务突发性强、时效性要求高[2]的特点，采用滚动优化策略[3-4]，以测控窗口时间和数传窗口时间切分不同的规划周期，以测控窗口的切分为主体，同时考虑原有任务对数传窗口的依赖。在设计应急调度流程时考虑原有方案中的观测需求，以最小化影响原有任务方案[5]，使系统在动态[6]应对应急任务时尽量实现任务总体收益的最大化。结合高分多模卫星任务优先级设置、多角度成像模式、星上进行数据快速处理的区域提取模式以及中继数传模式，进行应急任务规划流程设计。

应急任务安排流程如图1，具体步骤如下。

图1 应急任务规划流程图Fig.1 Emergency task schedule flow chart

(1)接收应急观测任务需求。

(2)根据确定是否选择区域提取模式或多角度观测模式，进行初步分析，确定卫星对其的拍摄时刻。

(3)读取测控计划，应急任务之前当前时刻之后须有测控窗口[7]保证指令能够及时上注，若没有测控窗口弧段弹出提示，进行协调，提供输入测控时间窗口。

(4)依据上注圈时刻判断是否需要任务重置(按照约束，指令完成上注时刻早于应急任务所在任务圈的开始时刻200 s以上的不需要任务重置)；考虑预留应急任务规划、计划发送及指令编制发送所需要的时间，当应急需求分析结束时判断任务圈开始时刻与指令上注完成时刻之间时长大于600 s时不采用当圈任务重置进行处理，否则采用当圈任务重置进行处理；由于任务重置对一个任务圈的所有任务进行安全关机、删除原任务以及重新上注新任务的相关处理，要求在优先满足应急任务的要求下，尽量同时包含其他非应急任务。

(5)对新增应急任务进行任务规划，上注圈开始时刻之前的任务不能调整，上注圈开始时刻之后、应急任务之前的可不调整，也可根据需要调整。

(6)根据应急任务的时间特性(是否需要尽快下传)确定数传窗口[8]。

(7)若不需要尽快下传，应急成像任务和已有成像任务不冲突(可调整俯仰角规避冲突)，直接新增高优先级新任务号的应急成像任务及对应数传任务(优先使用新任务号的空闲数传窗口或使用高优先级新任务号的每次预留一定时间的数传窗口)。

(8)若不需要尽快下传，应急成像任务和已有成像任务冲突，上注高优先级新任务号的应急成像任务(高优先级的应急任务会将原中低优先级的任务替换掉)及原相冲突成像任务对应的数传任务(将回放中冲突的原成像任务号替换为应急成像任务的新任务号，数传任务调整为高优先级新任务号)。

(9)若需要尽快下传(即首先尽量与应急成像任务组成边记边放或其次应急成像任务之后再尽快回传)，应急成像任务和已有任务不冲突，判断应急任务之后是否还能新增最近的数传(数传最小1 min)，即判断回放应急成像任务的数传是否有冲突。①若数传不冲突，直接新增高优先级新任务号的应急成像任务及对应数传任务。②若数传冲突，使用当圈任务重置(应急任务所在任务圈与指令上注时刻所在任务圈是同一圈)，并重发新的应急成像任务及数传任务或者上注高优先级新任务号的应急成像任务及高优先级新任务号的数传任务(当数传与成像任务冲突时利用边记边放规则使用高优先级数传任务替换掉其他非应急成像任务或当数传与数传任务冲突时使用高优先级数传替换掉其他数传任务)。

(10)若需要尽快下传，应急成像任务和已有任务冲突，判断应急任务之后是否还能新增最近的数传(数传最小1 min)，即判断回放应急成像任务的数传是否冲突。①若数传不冲突，上注高优先级新任务号的应急成像任务及对应数传任务。②若数传冲突按照第(9)②步进行。

(11)此过程中，更新接收计划及处理计划。

2 试验结果及分析

结合第1节中的应急任务规划流程以及相关特有模式，高分多模卫星在轨业务运行期间分别进行了高优先级成像任务替换低优先级成像任务、边记边放模式时的数传任务替换多个成像任务、采用多角度成像规避云对拍摄区域的影响、星上区域提取数据处理、通过中继卫星进行数传等试验，以下逐一说明。

1)高优先级成像任务替换低优先级成像任务

按照前述应急任务规划流程进行了应急拍摄任务，任务中只有成像任务相冲突，采用高优先级任务指令替换相冲突的低优先级任务指令的功能，图2为原成像任务指令的拍摄区域示意图；调整成像位置及任务优先级(高优先级)重新上注指令，实际拍摄区域如图3所示，可见高优先级任务成功将低优先级任务替换。由于回放中包含的成像文件号为新的文件号，对应的回放任务的调整也使用高优先级的新任务替换原有任务来更新。另外，图4中左侧绿色数传弧段和红色高优先级的成像条带组成边记边放模式为后上注的应急任务，右侧4个点目标为提前上注的常规任务；该轨数据回传处理后的覆盖图如图5所示，表明：边记边放模式的数传任务成功替换了其他几个常规成像任务。通过这种方式，当在安排与原有任务有冲突的应急任务时可以很方便地替换操作，而不是传统的必须要先全部删除指令再重新发送指令的方式，显著地提高了执行任务的时效性。

图2 原成像任务拍摄区域示意图Fig.2 Original task imaging area sketch

图3 更新后实际的拍摄区域覆盖图 Fig.3 New task imaging area sketch

2)多角度成像规避云覆盖的影响

高分多模卫星通过多角度成像模式可以对同一目标进行不同卫星姿态角度的成像，如图6～图9所示，从不同角度拍摄获取的数据中云量是不一样的，在应急任务的拍摄中可以充分利用这一特点以规避云的影响，最大程度的获取有效数据。

图9 从东方明珠的北侧拍摄Fig.9 Image from OPR&T Tower north

另一方面，多角度成像模式允许卫星从俯仰角+45°～-45°之间，在3 min左右时间内对目标成像多达12次，可以对目标进行多角度观测以尽量获取目标的全貌，而且也在一定时间内达到了凝视效果，可以获取应急目标的动态变化情况。

图7 从广州塔的南侧拍摄Fig.7 Image from Canton Tower south

图8 从东方明珠的南侧拍摄Fig.8 Image from OPR&T Tower south

3)区域提取星上进行数据处理加快数据交付用户

区域提取模式是卫星在轨从已获取观测数据中以某一位置为中心点，提取一定大小的区域在星上直接进行一定的处理。如图10所示，数据已经过了辐射及几何处理，可以提供应急相关用户使用。

图10 区域提取星上处理的数据Fig.10 Extracted data from on-orbit data processing

这为应急中的卫星遥感数据提供给出了一种新思路，即星上区域提取处理的数据先期给用户提供，以进行应急区域初步的判断。在此过程中，地面数据处理系统进行更高级的辐射校正处理及几何校正处理，随后提供用户，进行更进一步的分析判断。

4)高分多模卫星对中继卫星数据传输

高分多模卫星是我国第一颗具有中继数传功能的民用卫星，在降轨南半球及升轨北半球时可以进行数传，数据从高分多模卫星传输至中继卫星后实时转发至中继地面接收站如图11所示，再同步转发至地面处理系统进行处理。可以想见，当在国境范围内有应急任务时，应急成像结束后即可进行中继数传将数据传回地面，由于国境内成完像才进行中继数传，这样也不会干扰与应急任务同轨的其他任务，相对同轨境内地面接收站也有优势。

图11 高分多模卫星对中继数传示意图Fig.11 GFDM-1 satellite data transmission to relay satellite sketch

3 结束语

本文结合高分多模卫星的特点及相关特有工作模式，设计了切实可行的应急任务规划流程，并对流程及相关工作模式进行了试验。通过高分多模卫星在轨业务运行，实际检验了指令高优先级替换低优先级的方式，显著地简化了卫星执行应急任务的操作步骤，进而增加了应急任务的执行成功率；采用多角度成像模式在一定程度上成功地规避了云对观测区域的遮挡影响，提高了有效数据的获取率；区域提取星上数据处理模式显著地缩短了对用户提供应急观测数据所需的时间；使用中继卫星进行数据传输在不影响同任务圈其他成像任务的情况下显著地缩短了从应急任务成像到数据回传所需的时间。