用于矿产监测的遥感卫星应用体系效能仿真方法

殷建丰 张玥 黄丽霞 高阳特

(北京空间飞行器总体设计部，北京 100094)

用于矿产监测的遥感卫星应用体系效能仿真方法

殷建丰 张玥 黄丽霞 高阳特

(北京空间飞行器总体设计部，北京 100094)

卫星遥感应用技术在矿产资源勘探与监测任务中发挥的作用日益加深，为分析卫星系统执行矿产勘探与监测任务的现有能力与不足，需要对卫星系统效能进行量化与对比分析。文章建立了一套从需求分析到需求满足度评估的全流程一体化体系效能仿真方法，通过对综合效能指标计算模型、综合需求满足度评估计算模型的数学建模，实现了对卫星效能的量化分析。此方法的有效性通过STK手段进行了验证。

典型应用；遥感载荷；任务规划与调度；效能仿真

1 引 言

随着民用卫星遥感技术的快速发展，卫星遥感应用范围越来越广泛。矿产资源勘探与监测就是卫星遥感应用的一个重要方面。我国矿山分布区域大、类型多、地形复杂，目前对矿产开发利用与管理缺乏实时监控，在造成资源严重浪费的同时还引发了一系列环境问题[1-2]，这些现状使得对矿山环境监管采用实地调查、逐级上报的传统工作方法急需改变，对卫星遥感应用技术的需求日益迫切。

卫星遥感应用技术相对于航空遥感、实地调查等传统方法，具有传输快速、获取方便、周期性强、成本低等特点。目前，我国矿山遥感调查与监测主要依靠国外高分辨率遥感影像为数据源，随着我国卫星遥感技术的发展，将高分辨率国产卫星遥感数据应用于矿山遥感监测工作，既可以大幅度节约数据的购置成本，也可以提高年度监测的频次，为大规模开展多期次动态矿山遥感监测工作提供数据保障[4-6]。未来空间基础设施的建设将满足矿产勘探与监测任务对卫星遥感图像的需求，为现有在轨卫星体系与未来卫星体系建设方案的需求满足度进行分析，为建设方案的确定提供定量化依据，是效能仿真重点解决的问题。

目前针对卫星遥感技术在矿产勘探与监测方面的应用的研究，多集中在实际应用效果分析、遥感图像在该领域的应用处理方法等方面，对应用体系效能仿真方法的研究较少，且多集中在其中某一环节或某一方面算法的研究[7-8]，缺少能够覆盖从任务需求到拟选择的单星贡献度计算，再到所规划的卫星系统对任务需求的满足度评估的全流程一体化体系效能仿真方法。本文面向矿产勘探与监测任务进行需求分析，选择对满足需求的卫星进行仿真建模，并通过任务规划与调度算法来优化卫星系统的对地观测效能，对不同卫星系统的效能进行量化与对比，有针对性地提出卫星系统建设方案建议。

2 矿产监测任务需求分析

对矿产监测任务主要分为3个部分：①矿山开发状况监测，包括矿产资源开采点或开采面位置、开采方式范围以及矿山开采状态等；②矿业开采秩序监测，是否存在无证开采、越界开采、擅自改变开采方式以及开采矿种等行为；③矿山地质环境监测，包括各类矿山地物占地情况、矿山地质灾害分布情况及影响范围、矿山环境污染情况以及矿山地质环境恢复治理情况等。以上任务对卫星的固有性能有一定的要求[2]，重点需要考虑空间分辨率、幅宽、谱段、时间分辨率等效能指标。针对以上任务需求进行遥感监测，对卫星系统的具体需求如表1所示(该需求仅为本文算例设计)。

表1 矿山监测需求表

表1中，覆盖时间是观测区域全部覆盖所需时间，重访时间是同一观测区域网格两次被观测的最大时间间隔。谱段重要性排序按1、2、3……依次排序，重要性依次降低。其中，谱段的设置主要针对探测要素而定，卫星谱段设置基本采用3种配置：①全色和多光谱搭配；②仅有全色谱段；③仅有多光谱谱段。目前，各国的在轨卫星以及规划中的卫星绝大部分是采用全色和多光谱的经典配置。在谱段设置中，多光谱谱段基本上会含有蓝、绿、红、近红外谱段等4个经典谱段。

3 矿产监测任务效能仿真方法

为实现对矿产监测任务效能仿真，本文提出了一种效能仿真方法，首先，需要确定仿真对象，根据任务需要选择相应的仿真观测区域与卫星系统，然后，对结果进行需求满足度分析，当结果不满足需求情况下，对各项指标进行计算，并对卫星系统进行任务规划，再次进行需求满足度分析，如果结果仍然不满足需求时，证明所选用的卫星系统能力有限，需要在此卫星系统的基础上进行卫星增量设计，或重新设计一套卫星系统。

因此为完成矿产监测任务，将效能仿真过程重点分为面向需求的卫星载荷优选、满足度分析、效能指标计算和卫星任务规划4个部分。

此方法的特点是涉及需求分析、需求满足度评估、效能指标计算、多星协同任务规划等多个方面的技术，因此，在方法实现上，需要将各个方面的技术有机结合，各个环节之间实现数据流转的无缝连接，形成一套覆盖从需求分析到需求满足度评估的全流程一体化体系效能仿真系统，如图1所示。

图1 矿产监测任务效能仿真流程Fig.1 Effectiveness simulation flow of mines monitoring

3.1面向需求的卫星筛选

通过对全球在轨卫星以及我国未来规划方案中涉及到的卫星轨道、平台、载荷等参数信息的收集和整理，建立了一套卫星信息管理系统，系统模块关系如图2所示。

图2 卫星数据管理库Fig.2 Satellites and loads database

卫星信息管理系统是以卫星和地面站为主要信息的内容管理系统，提供信息的查询、新增、编辑、删除和权限管理等功能，同时此系统提供了只读权限的发布，调用时序图如图3所示，其中，JSON或XML均为数据文件格式。

对于矿山勘探与监测任务，根据表1所示空间分辨率、幅宽等参数检索出可能执行任务的卫星，形成任务可参与卫星信息集合。

图3 接口调用时序图Fig.3 Interface call timing diagram

3.2单星综合贡献率计算

对地观测任务的效能指标一般包括对区域的重访时间、覆盖时间、单星覆盖百分比、单星观测次数、日均观测次数等。为评估卫星系统中各个卫星的综合效能，从而对体系中卫星的能力全面评价，需要利用这些效能指标计算值，对单星贡献率进行建模计算。

对某颗卫星的单个效能指标进行单星贡献率计算时，可以由该卫星的某个指标值与这个指标在所有卫星中的最大值之间的比值来表示，计算公式为

(1)

式中：cik为针对第i个指标的第k颗卫星的单星贡献率；dik为第k颗卫星所计算出的第i个指标值；dimax为第i个指标在所有卫星中的最大值。

任务需求不同，每个效能指标在卫星综合效能中的地位也不相同。因此，根据任务需求对不同指标设置权重，通过对各效能指标值进行加权综合，便能得到卫星的综合单星贡献率，计算为

(2)

式中：ck为第k颗卫星的综合单星贡献率；wi为第i个指标权重；m为指标个数。针对遥感卫星对矿山勘探与监测的任务需求，重点关注的效能指标为重访时间与覆盖时间。

3.3需求满足度分析

通过将效能指标需求值与仿真值进行对比，能够得到需求满足度。和3.2节的公式推导过程类似，综合需求满足度的计算通过对多个指标的需求满足度进行加权综合得到。通过需求满足度值可以评价卫星系统是否能够满足当前的任务需求，同时可以对比不同卫星系统对相同任务的实现能力。具体计算公式为

(3)

式中：S为需求满足度；dni为第i个指标的需求值；dsi为第i个指标的仿真值；wi为第i个指标的权重；m为指标个数。对于重访时间与覆盖时间指标，S越趋于1，卫星系统的满足度越高。其中，当针对单颗卫星计算需求满足度时，dni和dsi均为单星指标；当针对多星体系计算需求满足度时，dni和dsi均为体系指标。

就本文所述矿山监测任务，需求见表1。观测区域的探测要素类型决定了卫星系统的选取，即谱段需求、空间分辨率和幅宽需求等。选取的卫星系统对观测区域仿真计算后，需分析结果是否满足任务需求，就该任务而言，用户最关心的是覆盖时间和重访时间。

3.4任务规划

在轨卫星可以通过轨道机动、姿态机动来扩大对地观测范围，但轨道机动相对于姿态机动所耗费的燃料较大，选择轨道机动方式来完成一次任务会大大降低卫星在轨寿命，因此在效能仿真过程中仅采用姿态机动方式进行任务规划。通过建立以最短覆盖时间为优化目标，以姿态机动能力、载荷成像能力、能源平衡与数据平衡为约束的规划模型，对所选择的观测区域进行仿真计算，并给出卫星运控策略。

4 效能仿真算例

4.1卫星系统与观测区域选择

根据中国的矿产区域分布，选择东北部的3个矿区与西北部的1个矿区进行效能仿真，如图4所示。

传统光学卫星只在滚动方向进行单自由度姿态机动，而敏捷卫星由于可以在滚动与俯仰两个方向上进行姿态机动，在观测视场范围上优于传统光学卫星而日益受到关注。该算例在卫星数据库中选择3颗传统光学卫星与2颗敏捷卫星组成两套卫星系统，分别对这4个矿区进行多目标观测的效能仿真，计算覆盖时间与重访时间指标以及单星贡献率，通过对这两组卫星系统进行效能仿真，分析两套系统对需求的满足度，并可以对两组系统进行量化比较，两组卫星系统的参数如表2所示。

图4 4个矿产区域图像Fig.4 Mines areas selected in simulation

表2 卫星观测谱段

方案一采用3颗分辨率为1 m、幅宽为45 km的传统光学卫星(无俯仰方向姿态机动能力)，方案二采用2颗分辨率为1 m、幅宽为35 km的敏捷光学卫星(滚动、俯仰均能进行姿态机动能力)，两套方案中的卫星载荷观测谱段均包含全色谱段和多光谱段。

4.2效能指标计算

4.2.1 星下点成像效能指标计算

在不考虑天气对卫星系统成像的条件下，两套方案分别在星下点成像进行仿真，结果如表3所示。

表3 对矿产区域的覆盖时间

由表3可得，两方案的星下点覆盖时间都远远超过1天，因此，不再进一步对不考虑姿态机动的重访效能进行分析。

对星下点成像情况下的单星贡献率进行计算，如表4所示。利用式(2)进行单星贡献率计算时，选取日均观测次数、日均观测时长、覆盖百分比等3个指标进行计算。其中，日均观测次数和日均观测时长分别为该卫星对该区域每天平均观测次数和每日平均观测时间，覆盖百分比为仿真时间内对区域覆盖面积占总面积的百分比。

这3个指标的重要性不相上下，其中日均观测次数的重要性略低于其他两个指标，因此，设置日均观测次数的权重为0.3，日均观测时长与覆盖百分比的权重为0.35。从计算结果可以看出，方案一中光学卫星2号对系统的贡献度远大于其他两颗星，方案二中两颗卫星贡献率相似，1号卫星略大于2号卫星。

表4 星下点成像情况下的单星贡献率

通过单星贡献度计算，为更大程度发挥贡献率较低的卫星的应用效能，在后续的多星协同任务规划中，可重点调度贡献率较低的卫星，提升卫星系统的整体效能。

4.2.2 姿态机动成像效能指标计算

按照优先调度单星贡献率低的卫星的原则，进行任务规划，姿态机动成像策略下的覆盖时间和重访时间如表5所示。

表5 对矿产区域的覆盖与重访时间

从表5中可知，方案一和方案二在考虑姿态机动情况下的重访效能均在1天以内，均满足任务需求，但方案一优于方案二。

从成像覆盖时间指标上看，两套方案的姿态机动成像策略相对星下点成像策略，其覆盖时间效能均有明显提升。采用3颗传统光学遥感卫星的方案一，姿态机动成像的覆盖时间效能相比星下点成像覆盖时间提升了80%，从26天提升到127 h，但仍不满足1天以内的任务需求；采用2颗敏捷光学遥感卫星的方案二情况下，姿态机动成像的覆盖时间效能相比星下点成像覆盖时间提升了99.8%，从34天提升到1 h 38 min，满足覆盖时间在1天以内的任务需求。因此，从成像覆盖时间的指标看，采用方案二可实现矿产监测任务能够满足任务需求。

4.3姿态机动成像的综合需求满足度分析

利用式(3)对所选用的两个卫星系统计算需求满足度，其中重访指标与覆盖指标的权重都为0.5，方案二的需求满足度S2为0.534，方案一的需求满足度S1为2.980，根据S值越趋于1卫星系统的满足度越高，可以看出方案二的需求满足度高于方案一。通过需求满足度分析可知，采用方案二可以更好地实现矿产监测任务。

通过仿真结果可以看出，相同的遥感卫星系统方案采用不同的任务规划策略对时、空覆盖效能影响显著；传统光学卫星在平台机动能力相对敏捷卫星能力有一定差距，未来应重点投入到敏捷卫星的研究方向。

4.4仿真验证

图5 姿态机动成像1天内对4个区域的覆盖范围Fig.5 Coverage areas in four mines area with task scheduling

为验证本文所设计的体系效能仿真的可信性，建立相应的两个方案的STK场景，依据任务规划结果进行场景复现姿态机动成像，1天内对4个矿山区域的覆盖效能如图5所示，可以看出方案二在1天内对4个区域的覆盖百分比达到100%，而方案一的覆盖百分比仅有13.6%，不满足1天内覆盖所有区域的任务需求。结果表明，两个卫星系统的覆盖指标需求满足度比较结果与本文方法给出的结果一致，表明该方法有效可行。

5 结论

本文针对矿产监测任务的遥感卫星应用效能仿真方法进行研究，在充分调研与分析矿产监测任务需求的基础上，建立了一套覆盖从需求分析到需求满足度评估的全流程一体化体系效能仿真方法，并将该方法应用于矿产监测应用体系效能仿真，通过需求满足度的综合评估分析，识别出卫星系统短板，可为卫星体系与有效载荷建设提供参考；通过将对重点观测区域的重访时间、覆盖时间等反映卫星效能的指标进行加权综合，建立单星体系贡献度计算模型，从而实现对卫星效能的量化分析，并有针对性地提出使卫星系统效能最大化的建议。

本文建立的体系效能仿真方法同样适用于遥感卫星对其他各领域应用的体系效能的分析，所开发的软件包含卫星任务规划、单星体系贡献度计算等功能模块，以及配套卫星信息数据库，为支持未来卫星系统的建设提供了分析计算的工具软件。

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A System Effectiveness Simulation Method of Mines Exploration and Monitoring with Remote Sense Satellites

YIN Jianfeng ZHANG Yue HUANG Lixia GAO Yangte

(Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China)

Mines exploration and monitoring application is a typical application of satellite remote sense. Recently, the satellite remote sense technology is becoming more and more important in this area. For analyzing the ability and exploring the deficiency of the satellites system in mines exploration and monitoring task, a quantitative and comparative analysis is needed. A full process integration system effectiveness simulation method for satellites system is established, with a comprehensive efficiency index calculation model and a comprehensive demand satisfaction evaluation model. The validity and effectiveness of this method is demonstrated by a simulation case of STK.

typical application; remote sense load; task planning and scheduling; effectiveness simulation

V474.2；TD15

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.04.020

2017-05-01；

2017-08-04

殷建丰，男，博士，高级工程师，从事航天器系统仿真，航天器动力学与控制等研究工作。Email:jianfengabc@gmail.com。

(编辑：张小琳)