军民两用商业遥感数据应用系统的设计研究

■ 李 栋 董正宏 刘晓昂 龚 婕

（1.航天工程大学；2.中国人民解放军32142部队；3.清华大学）

部队传统的信息保障模式受到技术及体制限制，无法实现情报信息的实时或近实时大范围获取，侦察行动多为独立活动且手段方式比较单一；此外，受到层级关系、跨军兵种等因素影响，军用天基信息的获取在时效性、可用性等方面存在严重缺陷。因此，研究商业遥感卫星在部队的应用情况，能够进一步丰富战场态势感知手段，拓展战场态势感知范围，增强部队在战场空间的情报信息获取能力。目前，国内尚没有类似的军民两用遥感卫星应用系统，本文从分析我国商业遥感卫星保障能力出发，借鉴通用遥感数据应用模式，构建了商业遥感卫星应用系统的业务流程和组成框架，打通了商业遥感数据应用于部队单元的信息链路。

一、国内外商业遥感卫星在军用、民用领域的应用现状

军民融合是世界主要国家发展军事实力的必然选择，美国、俄罗斯、欧洲等主要国家和地区在长期发展中探索出一条适合本国国情的军民融合发展道路。随着当代科技进步和军事变革的发展，军民两用技术在卫星领域深度融合，不断创新发展，推动了军民“一体化”卫星产业的快速发展。

（一 ）国外“民参军”现状

与满足未来军事行动需求的需要相比，目前的空间侦察保障能力尚存在较大差距，而商业遥感卫星的性能指标、快速反应能力及客户服务水平不断提升，为满足不断发展的军事需求提供了更佳选择，其根本原因是空间遥感技术具有军民两用性。

美国在遥感卫星领域的发展模式是军民一体化发展，基本方式主要包括买断优先使用权、租赁部分使用权、以民掩军等，创新方式则包括鼓励探索在非军用载荷领域部署更多的军用载荷，以增强美军太空侦察体系的抗毁性等。美国政府制定了符合本国国情的航天军民两用技术体制发展政策，推动了其商业遥感卫星产业的快速发展，弥补了美军在空间侦察体系建设上的短板。

日本的遥感卫星产业发展采取“先民后军、寓军于民”的发展模式，其民用企业在国防领域的研究开发能力、技术水平及经费投入等方面都具有强大优势，例如，日本三菱重工、大金工业、东芝等公司，在提供优质商业产品和服务的同时也是日本防务力量的重要支柱。

印度的遥感卫星技术先从民用遥感侦察卫星技术起步，随后借鉴民用遥感成像侦察卫星的技术及经验，逐渐发展军用成像侦察卫星。其军民两用遥感卫星主要有“制图卫星”系列、“资源卫星”系列、“海洋卫星”系列等，主要应用于军事侦察、军事制图、海洋船舰监控、旱情警告和评估、洪水控制和损毁评估、矿产勘探、土地管理等方面。

综上，从国外“民参军”的情况来看，军方主要依靠民用商用卫星所具有的成本低、技术水平高、实践经验丰富等优势来快速发展本国的军事遥感卫星体系或弥补军事遥感卫星能力短板，同时在非军事任务中，也积极将民用商用遥感卫星作为补充手段来完成相关的任务，民用和军用的界限并非泾渭分明。

（二 ）国外“军转民”现状

美国国家航空航天局（NASA）致力于推进“军民一体化”发展模式，在满足航天技术建设需求的同时，也着眼于有效提升国家经济竞争力。NASA不断发布军民两用通用技术、创新成果、需求指南等信息，通过政策和资金支持、商业合作计划、预付采购费或买断等方式催生了众多的商业化遥感卫星公司，例如，美国数字地球公司、美国行星实验室公司等世界知名的商业遥感卫星运营商。

欧洲空中客车集团下属的Astrium公司负责法国军民两用卫星SPOT、Pleiades的商业化运行，该公司能够提供多种分辨率的遥感影像资料和多种地理信息服务，以不断满足制图、农业、林业、土地利用、水利、国防、环保地质勘探等多个应用领域的需求。

加拿大的Radarsat-1卫星是世界上第一颗投入商业运行的军民两用雷达遥感卫星，由加拿大MDA公司负责完成商业化运营，主要用于海上监视、国家安全和资源管理领域。

以色列重视军民结合，“以军带民”的政策带动了一批与国防相关的高技术产业快速发展，以色列国际影像卫星公司是由以色列和美国共同投资组建的国际商业遥感公司，其最大的用户则是以色列政府。

总之，国外军民两用遥感卫星产业发展势头迅猛且各具特色。随着科技产业化发展速度加快，军工企业发展更倾向于向市场化靠拢，同时随着军用需求的不断开放，民营企业有望发展成为拥有军民两用技术的新型产业化集群。

（三 ）我国商业遥感卫星能力现状

近几年来，我国商业遥感卫星公司市场表现活跃，多家公司都成功发射了遥感星座或试验卫星，同时也在不断寻找新的产品应用场景，为我国商业遥感应用市场的繁荣贡献了重要力量。我国主要民用/商业遥感卫星基本情况见表1，主要从运营商及卫星名称、分辨率、幅宽、侧摆能力、重访周期等方面进行了对比。

表1 我国主要民用/商业遥感卫星情况

由表1可以看出，在空间分辨率方面，有且只有“高景一号”星座能够达到0.5m的空间分辨率，其次有“高分二号”“北京二号”“吉林一号”“珠海一号”可获得0.8m左右的空间分辨率。但总的来说，我国民用/商业遥感卫星的空间分辨率还比较低；在幅宽方面，最高达到800km，最低是11.6km；在重访周期方面，最快重访周期为1天，与国外先进卫星系统的高重访率、低延迟相比仍有较大差距。

通过STK仿真和市场调研，可得到现有商业遥感卫星对我国范围内典型位置的时效性情况。

（1）初始条件。初始条件见表2。

表2 初始条件

注：暂不考虑卫星产品分发所消耗的时间。

（2）分析结果。表3列出了商业遥感卫星在运营商正常业务处理模式下的时效性情况；表4列出了商业遥感卫星在运营商最快业务处理模式下的时效性情况；表5列出了获取最高精度（0.5m）图像的时效性情况。

表3中需求处理、任务规划和指令上行的合计处理时间是51min；卫星遥感时间因拍照位置不同而不同；数据下传时间一般为15min；遥感数据基本处理时间一般为30min。正常模式时效性是指考虑非本系统内遥感任务影响情况下的时效性。

表4中，需求处理、任务规划和指令上行的合计处理时间是15min；卫星遥感时间因拍照位置不同而不同；数据下传时间一般为15min；遥感数据基本处理时间一般为15min。最快模式时效性是指运营商仅完成本系统内遥感任务情况下的时效性。

表5中，需求处理、任务规划和指令上行的合计处理时间是51min；卫星遥感时间因拍照位置不同而不同；数据下传时间一般为15min；遥感数据基本处理时间一般为30min。

表3 我国商业遥感卫星正常模式时效性分析 （min)

表4 我国商业遥感卫星最快模式时效性分析 （min)

表5 最高精度图像获取时效性分析 （min)

从表3—表5中数据可得到以下结论：

（1）最高分辨率遥感影像获取时间与正常模式或最快模式相比，时效性大大降低。

（2）以丹东地区为例，在不要求分辨率的情况下，获取遥感影像最快仍需79min，若要求0.5m分辨率，则耗时长达429min，加之外界不可抗拒因素，耗时可能更长。因此，如何缩短部队获取数据的时间，是系统应重点考虑的问题之一。

（3）完成需求处理、任务规划和指令上行的过程耗时较长，应在机制协调、需求统筹、任务规划和优化算法等方面加大研究力度。

图1 遥感数据获取通用业务流程图

图2 业务流程设计

二、我国商业遥感卫星应用系统构建

根据上述对我国主要民用/商业遥感卫星能力现状的研究可知，目前我国民用/商业遥感卫星在完成支援部队军事任务的能力方面还存在综合协调机制缺乏、获取数据耗时较长等问题。为了解决该问题，本文提出构建我国民用/商业遥感应用系统，其特色之处在于“1中心+N终端”模式，“1中心”即商业遥感综合服务中心，其作为协调枢纽，主要负责部队遥感需求统筹、任务规划、联合调度、数据处理和传输，以及协调国内民用/商业卫星运营商等工作；“N终端”即为客户端，直接配置于部队末端，负责与商业遥感综合服务中心进行沟通联络，以及数据接收等工作。该构建工作基本能够保障部队的遥感影像需求，天基侦察系统在辅助部队军事行动决策中得到了很好的应用，对部队获取超远程侦察情报能力起到了重要作用。

（一 ）业务流程设计

遥感数据获取通用业务流程如图1所示。

该流程具体描述为：

（1）客户提出具体拍照需求，提交遥感卫星运营商（以下简称运营商）进行需求处理；

（2）运营商完成任务规划，生成拍照载荷指令和数据接收计划；

（3）测控站（网）接收测控指令，卫星按照计划进行拍照，生成遥感数据；

（4）地面站按照接收计划，接收遥感数据；

（5）运营商将接收到的遥感数据进行一系列的解密、预处理等操作，生成标准遥感产品；

（6）运营商按照客户要求进行综合处理，生成最终产品，分发到客户终端。

借鉴上述通用遥感卫星业务流程，结合本系统构建模式，可设计得到本系统的具体业务流程，如图2所示。

具体描述为：

（1）终端统筹本级拍照需求并发送至商业遥感服务中心（以下简称服务中心）；

（2）服务中心统筹来自各个终端的需求，提交各商业测运控中心进行需求分析；

（3）各商业测运控中心通过分析，得出执行任务需求的可满足情况；

（4） 服务中心综合可满足情况，提出任务规划方案；

（5）服务中心执行任务规划方案，方案提交至各卫星测运控中心；

（6）各测运控中心接收方案，执行拍摄计划，接收遥感数据并处理，生成遥感数据产品；

（7）服务中心汇总遥感数据并推送产品；

（8）用户接收遥感产品。

图3 系统组成框架图

（二 ）系统组成设计

在充分论证军事需求的基础上，以整合我国商业遥感资源为出发点，借鉴软件工程的思想，从系统业务流程设计中，分析得出该系统包括7个子系统，分别是前端通信子系统、卫星通信子系统、用户接口管理子系统、规划与数据处理子系统、终端处理子系统、商业卫星网络、商业测运控网络。系统组成框架如图3所示。

（1）前端通信子系统：负责系统与商业卫星测运控网络间的卫星轨道数据、任务规划及遥感数据传输；负责系统内部用户接口管理子系统与终端设备间的用户需求（含反馈确认）信息和数据产品等卫通数据的交互传输。

（2）卫星通信子系统：负责服务中心和用户之间信息的高效传输。

（3）用户接口管理子系统：负责用户需求提交、确认、需求统筹等过程管理；根据需求确认结果向用户推送相关数据产品。

（4）规划与数据处理子系统：根据用户需求完成卫星资源统筹，进行卫星任务规划，并推送至商业卫星测运控网络，接收商业遥感卫星网络的产品，以及各级产品的数据管理。

（5）终端处理子系统：负责需求提出、数据接收、数据应用、应急规划等。

（6）商业卫星网络：指可纳入该系统统一使用的在轨商业遥感卫星资源。

（7）商业测运控网络：由商业测运控中心和商业测运控网站组成，负责根据商业遥感综合服务中心传来的卫星任务规划，生成遥控指令，综合统筹地面可用测控资源，择机上注卫星。统筹实时可用接收资源，向其下达卫星跟踪接收计划和任务，以接收卫星下传数据；完成原始数据接收与处理，并可根据需求基于原始数据生成产品，最终将产品推送至规划与数据处理子系统。

（三 ）系统功能设计

系统总体功能设计的主要思想是为整合我国目前各类商业测运控资源、商业遥感卫星资源、地面数据接收和处理资源，为用户提供从需求提出到最终产品生产和推送的高时效性商业遥感卫星的数据信息服务。该系统的主要功能包括数据传输、需求处理、资源分析、数据接收处理等。

（1）数据传输。主要包括如下功能：通过商业卫星通信系统实现系统与用户间需求信息及数据产品的实时高效传输；通过互联网实现系统与商业卫星测运控中心间卫星在轨运行状态、卫星拍摄规划、数据接收规划、各级产品数据等信息的实时高效传输。

（2）需求处理。主要包括如下功能：支持基于地理信息辅助的图形化、交互式需求提出手段；支持对需求的综合管理，包括需求的增加/删除/查询/修改、需求的审核/审批；支持对需求的可行性分析，给出初步规划方案。

（3）资源分析。主要包括如下功能：接收并处理来自商业遥感卫星测运控中心提供的卫星轨道根数等在轨状态信息；支持不同星座、不同载荷可用拍摄窗口综合分析；支持不同约束条件下的测站跟踪预报；支持相关在轨卫星资源的图形化展示。

（4）任务规划。主要包括如下功能：基于人工预分配结果，能够进行多星联合规划调度，生成多星的观测方案、数据接收方案，得到多套任务规划预案；根据协同任务分配结果，生成任务规划方案。

（5）数据接收处理。主要包括如下功能：实现对原始数据的预处理，并将0级数据永久归档；支持快视图像；具备生产1级到2级产品能力，1级产品和2级产品为自动化批量生产，其他产品按用户需求生产；对生成的0级数据和产品数据，都生成相应的编目信息，提交给数据库更新目录信息，供用户对数据和产品进行查询使用。

三、军民两用遥感卫星应用系统的关键技术

（一 ）基于任务的系统结构设计

基于美国DoDAF体系思想，商业遥感应用的系统体系结构设计就是从任务的视角来看待系统结构问题。通过系统结构设计，以确定用户需求和系统功能需求。常见的体系结构描述方法有结构化体系设计、面向对象体系设计和形式化体系设计。面向对象体系设计方法的开发效率比较低，形式化体系设计方法的可读性和可理解性差，且要求设计人员具有较高的数学素养。鉴于结构化描述方法具有过程简单、描述直观、可读性好等优点，故采用结构化的描述方法对本应用的任务体系结构进行描述。

结构化设计方法是一种比较成熟的过程驱动系统工程方法，其出发点是基于系统需要执行的功能或活动，以及功能的不断分解得到系统层次结构图。其代表工具有DFD、IDEF0。结构化体系结构设计的主要过程如图4所示。

图4 结构化体系设计主要过程

结构化体系设计的主要过程包括：依据需求信息确定作战概念，作战概念是对如何达到军事目的的简要阐述；在分析作战概念的基础上进行功能分解，建立功能体系结构；在功能体系结构和作战概念的基础上，建立物理体系结构，同时还需要技术体系结构指导。

IDEF0与 DFD方法相比，模型结构更加清晰，更便于理解和沟通，因此本文选择了IDEF0方法。IDEF0方法采用图形化和结构化的系统建模方法，用来表达系统功能及功能彼此之间的限制、关系、相关信息等。

（1）IDEF0基本组件。IDEF0模型的基本图形是盒子，每个盒子代表系统的某项功能活动，用与盒子相联的箭头表示与功能活动关联的各种事物，基本模型如图5所示。四周箭头分别是输入、输出、控制、机制和调用。

图5 IDEF0基本模型

系统的功能模型用一组递阶分解的活动图来表示，其递阶关系也可以表示成树状结构。每一层表示相同级别的各种功能活动，每一张图或盒子被赋予一个结点号来标志该图或盒子在层次中的位置。递阶分解图如图6所示。

图6 IDEF0功能模型图

（2）建模基本过程。具体包括如下几个步骤：

1）选择范围、观点及目的。建立模型之前，首先应确定建模对象的立足点。

2）建立内外关系。即画A-0图，该图不包含任务内部功能需求，仅仅表达系统与外部的关系，概要表述系统的总体需求，此时，系统边界也被确定。

3）画出顶层图。把A-0图分解成3～6个主要功能，得到A0图，该图是系统功能需求分析的顶层模型，它之下的每个图都是对A0图某项功能的细化

分解。

4）建立一系列图形。将高层的需求逐步分解展开，直到分解至足够细的粒度。

5）写出文字说明。每张图应该附有描述性的文字说明。

本系统构建应用IDEF0的结构化设计方法，就是从用户的需求出发，以需求作为任务体系结构设计的输入资源和牵引源动力，以实现特定军事任务为目的，最终将用户需求转化为本系统必须要实现的功能要求，充分解释了“本系统是什么”的问题。

（二 ）基于多星座多任务的任务规划技术

本应用主要研究的是面向多星座、多任务的任务规划模型，主要解决面向多项任务需求时的任务规划问题，包括时效性、图像精度等问题，通过建立高效的任务规划模型及算法，才能合理且充分地发挥商业遥感卫星的使用效益，以及最大程度地满足应用需求。常见的多星座、多任务的任务规划模型有：CSP模型、Petri网模型、基于图论的模型及基于Agent模型等。本文采用基于CSP模型的任务规划模型，该模型表达能力强，是解决该类问题的一个普遍而有效的方法。

CSP模型的基本思想是给定变量集合与其相应的域，以及建立在相容的变量值上的约束集，问题的求解是对每一个变量在其域中找到一个值，使其满足约束条件。其基本定义如下：

一个CSP实例P定义为一个三元组P= ，其中：

V={x1,…,xn}，是P中所有变量的集合；

D={D1,…,Dn}，是V中各变量的值域的集合，Di表示xi的值域；

C={c(xi1,…,xik)}，是V上的约束集合。

一个复合赋值V可行的条件是它满足C中的每一个约束。一个可行复合赋值称为P 的一个局部解，一个可行完全赋值称作P的一个解，定义F（P）为所有的可行完全赋值集合。CSP求解的目标就是找到一个解s∈F（P）或证明P无解。

针对CSP 模型，采用遗传算法求解，该方法通用性强，搜索效率高，具有内在的并行搜索能力，适用于大规模求解问题。而一般搜索算法搜索效率低，容易陷入局部最优。遗传算法的操作包含3 个遗传算子：选择、交叉和变异。遗传算法的操作效果与3 个遗传算子所取的操作概率、编码方法、群体大小、初始群体及适应度函数的设定均密切相关。

采用基于CSP 模型的任务规划模型和遗传算法，能够满足不同时效性要求和精度要求下的复杂任务的需求，适用性强；遗传算法是智能算法中搜索效率较高的算法之一，适用于解决大规模需求问题

图7 发布/订阅基本模型

（三 ）基于发布/ 订阅的产品分发技术

基于典型的应用场景，着眼打通商业遥感数据的信息链路，实现高效的遥感影像数据分发，是解决遥感影像支援作战时效性的关键环节，因此，遥感影像的分发技术尤为重要。发布/ 订阅的动态、松耦合性、异步等特点能够满足Internet 大型应用系统松散通信的需要，该模式常用于构建大规模分布式数据分发系统，因此，本系统采用基于发布订阅模型的产品分发技术。

发布/ 订阅是一种基于中间件的数据按需分发模式，其基本模型如图7 所示，各个参与者能以发布/ 订阅的方式进行交互，数据的产生者与消费者之间所传输的数据称为事件。订阅者通过发出订阅事件来声明自己对数据的兴趣，通过取消订阅事件来声明不再感兴趣的数据；发布者根据之前的订阅条件将其产生的事件（数据）经由一些中间节点发给相应的订阅者。

本系统采用基于发布/ 订阅的产品分发技术，以满足不同用户对遥感影像的不同需求，可实现需求定制的功能，确保所收到的数据就是切实需要的数据；同时，节约了通信链路带宽，有效提高了系统应用效率。