国产陆地观测卫星任务规划及应急成像概述

文 ∣ 车航宇 史小金 庄超然 王静巧 中国资源卫星应用中心

一、引言

陆地观测卫星一般分布在太阳同步回归轨道上，从太空直接获取地面目标的影像信息，具有大范围、全天时、全天候、周期性监测、不受国界限制等优点，在城市规划、资源调查、矿产监测、防灾减灾等领域都发挥了重要的作用。经过20年的发展，我国陆地观测卫星应用事业基本形成了从一颗星到多颗星，从一个卫星系列到多个卫星系列、从科研试验应用到业务化运行的格局。

中国资源卫星应用中心（以下简称中心）作为国家陆地观测卫星数据中心，承担着我国陆地观测卫星成像统筹规划、数据统一处理、存储和分发的任务。在2011年之前，卫星业务测控完全委托西安测控中心开展。从2011年以后，中心自主建设了卫星综合管控系统，实现了卫星业务独立自主测控，仅委托西安卫星测控中心进行指令上注。随着我国陆地观测卫星的迅速增加，中心负责运控的卫星数量逐年增加，卫星综合管控能力不断加强。目前在轨运行的卫星数量已达20余颗，最高分辨率可达0.5m，优于1m卫星5颗，优于2.5m卫星数量达到10颗。

二、卫星任务规划

卫星任务规划则根据用户采集申请，对用户需求进行分析，结合多方面因素进行规划方案设计，最终生成陆地观测卫星及地面系统工作计划。任务规划涉及多个方面，包括有效载荷控制计划、地面站跟踪接收计划、数据传输处理计划。任务规划方案的合理性、正确性直接关系到能否合理利用卫星资源，充分发挥卫星使用效率。

卫星任务规划方案的制定一般依据以下四个方面：

目标类型：用户观测需求一般为点目标或区域目标，按卫星传感器幅宽可分为单轨可覆盖点目标以及多轨覆盖区域目标。点目标区域通过卫星侧摆可以实现快速重访，区域目标分解为多轨多次观测覆盖。

传感器类型：遥感卫星搭载传感器分为可见光、高光谱和雷达类型的传感器，不同类型的传感器成像方式、空间分辨率以及成像幅宽不同。用户依据自己的需求，选择相应载荷进行成像采集申请。

天气因素：由于光学相机受天气影响较大，多云或者有雨时，影像质量较差。为了提高数据的有效性，避免卫星资源浪费，制定光学卫星成像计划时，需要结合天气情况生成卫星成像计划。

冲突消解：由于卫星资源及观测能力有限，对于不同用户观测较为集中的地区，卫星即使通过侧摆也不能满足对不同的需求同时进行拍摄，另外由于卫星成像约束的限制，导致不同用户的需求不能同时满足，这时就需要进行冲突消解。

遥感卫星任务规划的整体流程，具体步骤见图1。

图1 遥感卫星任务规划流程图

根据提交采集申请，对用户提交的点位或区域目标进行需求录入；根据卫星最新的轨道根数，对卫星经过需求目标时的成像时间以及侧摆信息进行动态推演；结合用户需求、天气因素、载荷使用约束、星上固存容量和地面站接收能力，消解成像冲突，综合制定卫星任务规划方案，并生成卫星载荷工作计划及对应的上注指令、地面跟踪接收及数据传输处理计划；上注指令发送测控部门上注卫星，地面跟踪接收计划发送地面接收部门进行数据接收，处理计划发送处理部门进行影像数据处理。

三、区域目标多星联合观测

卫星遥感器具有特定的视场角度，一次成像过程能够覆盖一定幅宽的条带区域。陆地观测卫星的观测目标一般可分为点目标和区域目标。卫星遥感器可以通过一次观测覆盖点目标，但对于区域目标而言，卫星遥感器单次拍摄无法完成覆盖观测，需要单颗卫星多次过境或多颗卫星协同联合观测。卫星对地观测计划制定过程中包含许多特定客观条件相关的约束。如地面目标与卫星之间的可见窗口、卫星连续两次观测之间的时间间隔、整星平台及各分系统能源、地面目标要求的特定遥感器及特定分辨率、星上存储空间、气象条件等。同时为了尽可能多地覆盖观测目标，还需要考虑载荷的侧摆情况。

当前在轨卫星计划制定时，计划制定的工作人员需要采用区域目标预先仿真的方式获取卫星过境窗口，根据各卫星的过境窗口对区域目标进行拆分，并根据算法对拆分的区域进行优化规划，在规划过程中迭代计算目标覆盖率，进行实时效能评估同时对拆分方式进行反馈调整，保证区域目标覆盖结果最优。针对多星对地联合任务规划问题，需要根据实际情况制定优化策略，合理安排卫星资源，最大限度发挥卫星效能。

以2米级卫星为例，针对2米级卫星覆盖区域目标，若指定特定卫星对该区域进行观测，以高分一号（GF-1）卫星为例，GF-1卫星侧摆25°不同纬度地区重访时间如图2所示。目前2米级卫星资源较多，若多颗2米级卫星联合对该区域进行观测，侧摆25°不同纬度地区重访时间如图3所示，侧摆25°不同纬度地区每天过境次数如图4所示。多颗卫星联合拍摄时需要考虑资源的合理分配，以及相邻轨之间的数据搭接。

图2 GF-1卫星侧摆25°不同纬度地区重访时间

图3 2米级卫星侧摆25°不同纬度地区重访时间

图4 2米级卫星侧摆25°不同纬度地区每天过境次数

以GF-1B/C/D三颗星联合拍摄广西为例。三颗卫星在不侧摆时过境广西的情况如图5所示，三颗卫星在侧摆搭接时过境广西的情况如图6所示。可以看出通过多星协同联合拍摄，制定优化策略，可合理使用卫星资源，最大限度发挥卫星效能。

图5 三颗卫星在不侧摆时的幅宽及过境广西情况

图6 三颗卫星在侧摆搭接时的幅宽及过境广西情况

四、遥感卫星应急观测

在发生突发事件或者执行紧急任务时，第一时间调动遥感卫星资源，调整遥感卫星姿态、成像时间和下传数据时间等，获取遥感卫星观测数据，并提供观测成果。涉及的主要环节包括应急需求提出、应急任务安排、应急指令上注、应急数据接收、应急数据处理、应急数据提供六项内容（图7）。

图7 遥感卫星应急观测流程图

应急需求提出是指突发事件或者紧急任务发生时，用户提出遥感卫星观测时间、地理位置和卫星图像分辨率等要求。

应急任务安排是指通过卫星任务规划系统紧急协调卫星资源、安排应急成像任务，并生成卫星应急成像指令及应急数据接收、处理计划的环节。

应急指令上注是指通过地面测控站将卫星成像指令紧急上注到卫星的环节。若应急成像指令与卫星已获取的指令有冲突，需要上注删除指令及卫星应急成像指令，确保星上指令无冲突。

应急数据接收是指地面接收站重点接收（一般采用备份接收的方式）遥感卫星下传的应急卫星数据原始码流，并传输给应急处理地面系统的环节。

应急数据处理是指地面处理系统处理地面接收站接收到的应急卫星数据原始码流，将原始数据处理为可视化影像数据的环节。

应急数据提供是指将处理好的应急遥感卫星数据通过应急共享通道提供给提出需求的用户的环节。

五、结束语

“十三五”规划对我国陆地观测卫星高分辨率系统提出了新的要求，我国将陆续研制发射“高分多模”、高分七号等5颗卫星，全面完成高分辨率对地观测系统建设，实现由单一光学传感器向光学、雷达、高光谱等多传感器, 由单系列向多系列卫星，由低分辨率向高中低分辨率结合的全方位、全天时、立体化的对地观测体系转变。随着卫星数量的增多，卫星综合运控能力应随之增强，中国资源卫星应用中心将进一步加强我国陆地观测卫星综合管控系统建设，实现卫星的高效、稳定运行。