对地观测卫星应用等效仿真系统研究

文|高轶 罗啸 马红梅 孙协昌 杨德运 于薇

1.海军装备部装备项目管理中心

2.中国空间技术研究院卫星应用总体部

一、前言

我国航空航天技术经过50 多年的迅速发展，已基本形成了以通信、导航、遥感为主体的国家空间设施骨干框架。卫星应用技术作为具有代表性的高新技术，可以将卫星及其开发的空间资源用于国防、国民经济建设等领域。特别是天地一体化卫星应用理念的提出，通过建设天基、空基、路基、海基等各类用户应用平台，为国家安全、国民经济、人民生活提供了不可或缺的保障，可以随时随地为各行各业的人们提供便捷的信息服务，使整个社会发生深刻变革。近年来，随着传感器、互联网、人工智能产品的不断成熟，星上载荷、卫星产品处理、星地间传输等能力都得到了显著提升，卫星应用技术受到各国广泛关注，如何构建高效、灵活的卫星应用体系已成为目前亟待解决的重大科研问题。

在卫星整体应用方面，受限于“一星一型号”的发展模式，目前我国的卫星应用尚处于“烟囱式”粗犷型发展阶段，功能单一、信息相互孤立等问题日益凸显。亟需针对星地测控、数据传输和存储、卫星应用分发服务等多样化需求进行分析，根据星历轨迹约束条件进行动态预估和任务规划修正、合理规划星上能源供给，通过精细化卫星应用流程，最大限度地发挥卫星使用效能，合理分发给卫星服务订阅用户。通过利用先进的技术手段，使卫星应用技术向精细化、智能化、协同化、规范化转型，因此需要合理统筹规划有限的星上、星间、星地资源，以满足我国国土安全、经济、民生等领域对于卫星应用服务的发展要求。

在对地观测卫星应用方面，我国已形成陆地、环境、气象、海洋等对地观测卫星系统，随着遥感卫星数量、卫星工作模式、观测载荷精度和质量的不断提升，如何提升对地观测卫星系统任务管控的综合能力，如何提升对地观测应用最终产品质量，是影响对地卫星应用效能各环节的瓶颈问题。迫切需要以应用为牵引，研究并建立一套集产学研用为一体能够覆盖对地观测全要素、全过程的集成化系统，以支撑卫星需求方与应用方的供需统筹分析、应用效能评估、关键影响因素识别等卫星应用效能提升工作。

综上所述，开展对地观测卫星应用技术研究对我国具有极其重要的战略意义。本文将分析对地观测卫星应用存在的问题，围绕对地观测卫星应用等效仿真系统的架构设计，针对系统需求介绍相关支撑技术的原理和运作方法，并通过实际工程应用案例证明等效仿真系统的实用性和可行性。

二、对地观测卫星应用存在的问题

对地观测指在地球表面之外，利用空间的位置优势对地球进行观测的活动。我国对地观测卫星发展迅速，已成功研制了资源系列、环境与灾害监测预报系列、风云气象系列、海洋系列、测绘系列等多用途的卫星种类。虽然不同类型卫星的观测原理和星上载荷参数不同，但相对于对地观测任务而言，这些卫星在应用过程中存在着以下共性问题：

1.较长的拍摄周期

由于受到星地一体系统的制约，对地观测卫星需要提前一天将用户的拍摄需求提报给资源卫星应用中心进行统一筹划，资源卫星应用中心将统筹处理用户的拍摄需求，通过地面测控站将详细的拍摄计划上注给卫星的星上任务管理系统，卫星次日按轨道运行至拍摄地点时执行拍摄任务，当其运行至地面数传站接收范围时将拍摄数据进行下传。由此可知，从用户提报拍摄需求到对地观测卫星数据传回地面，至少需要近两天的时间。

2.拍摄需求与卫星拍摄计划的冲突

受到卫星自身轨道、任务窗口和卫星能量等客观条件的限制，用户的拍摄需求尚未达到“指哪里拍哪里”的理想情况，并需要经卫星资源管理的相关部门进行统一筹划。因此，用户的拍摄需求要和统一筹划的卫星拍摄计划相一致，才能为用户执行拍摄任务。

3.多源观测卫星数据格式的差异

由于目前对地观测的民商卫星种类繁多，而不同系列的卫星由于通信协议不同，即使是同一系列不同批次发射的卫星，其数据格式通常也存在差异，为此需要将种类多源、协议各异的卫星数据进行规范化处理。

4.卫星难以协同观测

源自不同观测手段产生的遥感图像可以对同一被观测目标多模态特性的研究起到相互印证、相互补充的作用。对于特定目标的识别，则需要结合多源载荷的综合信息进行识别鉴定。然而，我国民商对地观测卫星还不具备星上协同观测的能力，只能在地面处理系统中对不同手段拍摄的影像进行融合处理。

5.专题产品缺乏用户的反馈机制

目前，对地观测卫星的拍摄数据可以在地面处理系统中进行加工并反馈给用户。然而，在专题产品加工过程中缺少用户的参与和反馈，容易使用户最终得到的产品不符合其预期效果，从而影响用户的使用体验和对系统的认可度。

三、对地观测卫星应用等效仿真系统架构设计

针对上述对地观测卫星应用中存在的问题，笔者团队构建了对地观测卫星应用等效仿真系统，尝试通过虚实结合的方式解决或缓解上述问题。

对地观测卫星应用等效仿真系统是一个集研发、实验、运营于一体的卫星应用集成系统。系统在工程研制过程中灵活运用了平行系统、数字孪生理念，采用运营、仿真模式同步运作的机制，在系统实际运营的同时开展协同仿真，以提升产品研发和迭代效率。系统在仿真模式下，可以进行详细的代码版本控制，运用蒙特卡洛方法模拟真实数据进行仿真实验。子系统间采用松耦合的配置模式，可同步开展相关子功能的代码调试、运行单元测试、实验性能分析等研发工作；系统在运营模式下具备卫星数据准实时接入、卫星产品处理、用户拍摄需求筹划，以及卫星产品服务分发等能力。通过将系统各项功能的仿真模型和真实模型进行迭代重用，从而提升系统的整体研发效率。

等效仿真系统的软硬件基于云计算服务器集群搭建而成，采用Browser/Server结构的网络应用模式，支持系统功能的动态扩展。在构建等效仿真系统架构基础上，可支持研发与运营模式的协同运行、卫星下行数据的自动引接、用户需求和卫星拍摄计划的自动分发、业务处理流程的自动化处理等功能，为工程项目的进一步建设和组件快速迭代升级奠定良好的基础。等效仿真系统架构包括设备层、数据层、工作模式切换层、平台层、应用层和发布层6层结构，等效仿真系统架构如图1 所示。

图1 等效仿真系统架构图

1.设备层

设备层主要包括用于支撑等效仿真系统的用于计算存储、分析处理的高性能云计算设备、网络通信设备、跨网通信设备、用于消防安全/电气安全/信息安全的综合保障设备以及接收卫星观测数据传输的接收设备。

2.数据层

数据层用于存储等效仿真系统所需的各种类型数据，主要包括卫星原始观测数据、处理前后的影像数据、专题产品数据、用户拍摄需求数据、卫星拍摄计划数据、业务管理流程数据以及系统效能评估数据等。各类数据按照数据标准化存储规范，分别存放在关系型和非关系型数据库中，以方便其他层对数据的调用和处理。

3.工作模式切换层

工作模式切换层为系统进行运营/仿真模式切换提供必要的组件支撑，包括软件版本控制、数据在不同模式的防护与隔离、数据和链路仿真程序以及单元级的性能评估和系统级的效能评估分析程序。

4.平台层

平台层为等效仿真系统的核心部分，提供组件级的应用服务程序，包括基础组件、业务组件、业务管理和数据管理四部分。其中，基础组件用于支撑系统的运维，包括用户权限管理、系统状态和设备状态监控、异常处理、日志管理、模型管理、数据批处理和业务批处理等。业务组件用于支撑系统主要业务的运行，包括数据接入、影像分析、影像融合和专题产品分发的相关子应用程序。业务管理用于支撑系统业务流程的自动流转，包括流程定制、业务编排、业务管理调度、调度负载均衡、业务批处理和业务校验等应用程序。数据管理用于支撑系统数据流的运维管理，包括数据归档、数据分发、数据查询、数据校验、数据推送、数据提取等应用程序。

5.应用层

应用层通过B/S 结构的网络应用模式，可以为分布式的开发者和用户提供风格统一的系统应用界面，不同级别的用户通过浏览器输入账号即可访问系统应用界面，可以实时查看数据接入、影像分析、影像融合、产品分发、业务管理和数据管理的系统业务状态，并根据自身的权限对相关界面组件进行访问和操作。

6.发布层

发布层为行业用户提供需求提报和产品查询的专属页面，用户可以登录系统应用主界面的用户定制栏进行需求提报操作，提报的需求经过系统需求筹划组件可以反馈给用户需求是否被受理。当需求被系统受理后，根据卫星拍摄计划和系统产品处理时间综合计算，向用户反馈产品接收的大致时间，并在专题产品生成并分发后，向用户提示产品已生成。用户可以查看产品效果并反馈产品效果是否符合预期期望，系统可以根据用户的反馈对系统的相关组件功能进行迭代优化。

四、等效仿真系统关键支撑技术

通过上述对等效仿真系统架构的描述，可以看出数据接入、影像分析、影像融合和专题产品分发是贯穿整个系统信息流程的关键业务。在系统研制过程中，围绕这四类关键业务攻克了一系列的科学和工程技术问题，构建了四个分系统及相关业务组件以支撑系统的运行。以下将介绍相关支撑技术的原理和运作方法。

1.数据接入

数据接入分系统包括报文协议解析和传输格式转换组件，可实现对各类卫星数据的规范化存储和管理。采用物理隔离加逻辑隔离的方式解决民商卫星传输链路的信息安全问题。通过引入“卫星数据仿真传输”机制，卫星数据仿真链路可通过仿真数据注入的方式模拟民商数据接入的处理效果，从而检验该分系统组件的综合性能以及整个接入链路的数据传输时效性。

2.影像分析

影像分析分系统包括影像识别、影像校正、影像标注和影像质量评测四个组件。其中，影像识别组件可实现对全色、多光谱、高光谱、热红外、合成孔径雷达卫星拍摄影像的智能化自动识别分类。影像校正组件采用基于模型驱动的方式通过提取卫星成像特性、卫星观测特性和观测当地水文气候特性参数，从算法库中合理选用相应影像校正算法对影像进行剪裁、滤波、图色渲染等校正处理。影像标注组件可对用户需求进行量化分析，并按需对影像开展规范化标注从而生成专题影像产品。影像质量评测组件通过专家在线评测和基于知识库的智能算法对影像产品修正，实现对专题产品的质量把控。

3.影像融合

影像融合分系统包括多源影像信息提取、影像信息融合、融合效果评测三个组件。其中，多源影像信息提取组件可将带有标注的影像产品根据影像特征集（包括影像时间特征、空间特征、光谱特征等）进行自动挑选和分类，针对不同特征参数自主选用合适的人工智能算法，通过特征反演的方式提取影像中的关键信息。影像信息融合组件通过图片拼接融合、关键特征融合以及决策信息融合的分层融合方式生成基于融合影像的专题产品。融合效果评测组件可根据用户需求开展对观测目标决策信息融合效果的评测和质量把控。

4.专题产品分发

专题产品分发分系统由于需要将系统生成的专题产品准确、安全、按时分发给不同级别的用户，需要利用系统接口频繁调用其他分系统以及系统平台层的基础组件。专题产品分发分系统包括拍摄需求反馈组件和专题产品分发组件。拍摄需求反馈组件可以结合用户级别以及卫星拍摄计划将专题产品的预计生成时间反馈给用户。专题产品分发组件将持续监测系统业务的执行进度，当检测到影像融合分系统的影像融合功能成功完成后，自动提取相应的专题产品并分发给用户。

五、测试效果

为综合检验对地观测卫星应用等效仿真系统整体架构的合理性、各分系统组件的功能、性能以及系统的综合效能，分别针对民商用户在不同领域的需求构建了卫星应用想定场景，并拟定了详细的实验大纲，根据相关测试用例采用仿真模型和真实数据虚实结合的方式开展实验验证。通过下述具有代表性的测试用例及测试结果，证明对地观测卫星应用等效仿真系统的实用性和可行性。

1.拍摄需求响应测试

当用户提报的拍摄需求和卫星数据中心定时提交的卫星拍摄计划相符合时，才能给予用户相应的反馈，并告知系统是否开展后续的产品生产流程。在实际应用中，由于卫星拍摄计划以天为单位定时发送，为提升用户需求的反馈效率，构建了卫星拍摄筹划组件。该组件采用STK 卫星轨迹仿真软件，基于历史数据仿真的方式计算拍摄需求的可行性。实验结果表明，系统能够对用户产品定制需求进行解析，根据实际情况进行逻辑判断并将结果反馈给用户，当拍摄需求可执行时，可自动通知业务管理分系统执行后续产品生产流程。对于卫星拍摄筹划组件，除卫星数据中心人为取消某次拍摄计划或基于特殊任务更改拍摄计划的特殊情况，拍摄需求筹划软件的仿真效果基本全部符合实际的拍摄计划。

2.全链路时效性测试

针对移动目标辨别时效的想定场景，当用户提报对于特定地区的拍摄需求后，系统能够在规定的时间内接入该地区的卫星拍摄影像，通过影像分析和影像融合功能对拍摄地区的目标进行分析、识别、轨迹标识、生成专题产品，并通过分发分系统将专题产品反馈给用户。最终判断整个流程的信息传输链路是否符合用户对于移动目标辨别的时效性要求。在仿真模式下，可以通过历史数据模拟卫星数据接入后的所有业务流程，从而可以对全链路时效性进行有效把控。实验结果表明，通过业务组件间的协同运行，该系统可以对移动目标进行有效辨别，同时业务流转过程中的信息链路传输符合用户的时效性要求。

3.影像融合性能测试

为实现民商用户对于产品的定制化需求，需要验证影像融合分系统对于影像关键信息提取的能力、影像信息逐层融合的能力、融合信息效果评定的能力。分别针对民商用户对于移动目标辨别、固定目标辨别、固定目标标识的想定应用场景，基于定量的实时卫星影像进行影像融合性能测试。实验结果表明，影像融合分系统能够有效运用先进的人工智能算法对用户的定制需求进行量化分析，通过影像特征反演手段提取影像的关键信息，利用信息融合算法逐层进行信息融合标注，为用户提供关键的决策信息并生成相关专题产品。系统可根据专家的融合评定信息对相关算法指标进行校正，从而迭代优化该系统相关组件的性能。

4.用户体验

该系统基于“边研边用”的迭代开发模式，充分借鉴基于模型的系统工程理念，让用户全程参与项目研发、测试、验收等全生命周期，使系统在各级测试、验收阶段能够充分暴露问题，并使系统更加符合用户的操作习惯。在问题迭代修正的过程中，通过运用智能算法为用户拍摄需求提报、专题产品评定等给予了规范化的智能导正，使用户提出的拍摄需求、专题产品需求更加符合对地观测卫星的客观应用条件。项目验收阶段用户对系统“边研边用”的迭代开发模式和用户全程参与的项目组织模式给予了高度认可，用户在项目研制期间便可试用和熟悉系统功能，显著增强了用户体验以及对项目的认可度。

六、总结与展望

对地观测卫星应用等效仿真系统是为适应我国现有对地观测空间设施骨干框架而构建的一套集仿真、实验、运营为一体的集成系统，实现了我国民商卫星协同对地观测应用技术从以实验为主向用户需求为驱动的服务型应用转变。本文介绍了系统的框架以及相关分系统的运作原理，通过实际工程应用测试效果证明了等效仿真系统的实用性和可行性，为后续卫星应用技术的发展奠定了良好的基础。然而，该系统仅初步实现了对地观测卫星“用好”的目标，离实现“好用”的战略目标还有很大的差距，等效仿真系统虽然使用了很多先进的人工智能技术，一定程度上减少了人工判图的工作量，并运用数字孪生理念提升了系统的研制效率。但在用户需求处理、影像分析/影像融合效果评测以及系统全流程运维方面还需要投入大量的人力。

综上所述，我国卫星应用技术的发展任重道远，距离“如何充分贯彻天地一体化卫星应用的发展理念，利用现有通信、导航、遥感的空间设施服务于国防、国民经济建设等领域。如何构建高效、灵活的卫星应用体系为国家安全、国民经济、人民生活提供保障”的远大目标尚有很大的差距。在后续工作中，将进一步改善在系统综合效能验证过程中发现的问题，充分吸收、运用先进的技术提升系统的智能化水平，针对用户需求进行细粒度的元模型构建以提升对用户需求的综合响应能力。