面向应急事件的卫星任务规划技术

王静巧 杨磊 庄超然 史小金

面向应急事件的卫星任务规划技术

王静巧1,2杨磊1,2庄超然1,2史小金1,2

（1 中国四维测绘技术有限公司，北京 100094）（2 中国资源卫星应用中心，北京 100094）

陆地观测卫星在轨运控中，面向用户成像需求的任务规划通常分为常规和应急两种类型。常规任务规划即根据需求的类型及空间位置，结合卫星轨道信息进行需求过境计算及常规任务安排，以获取卫星影像数据；应急任务规划即通过技术手段实现卫星快速应急成像。文章通过分析卫星常规及应急运控模式，提出了卫星应急成像任务规划模式下需求统筹、卫星资源综合调度、应急可行性分析、测控和接收资源调度、应急计划快速调整等关键技术，总结了中国陆地观测卫星应急成像能力，对应急任务规划系统设计提出可行性建议，有效地提高了卫星应急时效性。

任务规划 应急成像 智能匹配 动态任务规划 陆地观测卫星

0 引言

目前我国民用陆地观测卫星在轨运行20余颗，传感器类型涵盖光学、雷达等，轨道分为高轨和低轨。应急灾害响应一般指针对无预兆的突发的自然灾害或人为的事故灾难，如地震，洪涝，火灾等进行及时响应和处理方案的制定与实施，以最大程度减少损失。遥感作为应急观测的重要手段，当应急灾害发生时，快速利用遥感卫星资源实现监测，为灾害预警、决策、评估提供重要的数据支撑。

目前，常规任务规划模式可以满足各遥感用户日常数据应用。在应急调度中，国内外针对应急卫星资源和测控资源以及协同观测研究较多，例如面向地质灾害应急的国产卫星观测能力分析、面向自然灾害应急的卫星协同观测策略研究[1-13]，也有考虑了卫星全流程提出了系统构建设想，但都侧重于应急需求分析，卫星资源、测控资源和地面站资源调度[14-19]，对于基于任务规划系统应急全流程研究较少。

本文结合实际运行的多星任务规划系统[20-21]和常规应急任务规划流程，提出了需求统筹、卫星资源综合调度、应急可行性分析、测控和接收资源调度、应急计划快速调整，以及应急任务规划关键技术和系统设计，实现应急数据快速获取。

1 常规任务规划分析

1.1 常规任务规划模式

遥感卫星常规成像任务制定，需要根据用户日常采集需求，在满足传感器使用约束条件下，结合天气预报信息、任务优先级、冲突消解情况等，对卫星和地面站接收资源进行规划和调度，结合历史数据获取情况，制定遥感卫星任务规划方案，使得需求覆盖和星地资源利用率最大化。并生成传感器工作计划指令、地面站接收计划和数据处理计划，分别发送至测控、接收和数据处理部门。

1.2 常规任务规划简介

常规任务规划涉及用户需求、卫星运控、卫星测控和数据接收等部分。

用户需求主要为各遥感用户根据具体的国土覆盖、科研、实验等观测任务提出的常规观测需求，以及国防、减灾等应急观测需求。需求类型为多轨覆盖区域目标或单轨覆盖点位（小区域）目标，需求获取周期分为一次有效观测或多次重复观测。

卫星运控指统筹所有用户观测需求，根据优先级、气象预报信息、紧迫程度消解卫星资源冲突，调整最优侧摆角度，制定成像计划；针对多星协同卫星观测任务，统筹卫星资源，规划侧摆角度，达到连片覆盖，避免重复拍摄。卫星有剩余拍摄资源时，结合气象信息选择无云区域，并结合历史全球漏缝区域，将卫星和地面站资源利用率达到最大化，充分发挥星地效能，实现全国、全球遥感数据周期性有效覆盖。

卫星测控中测控资源主要用于遥测参数下传和遥控指令上传。常规情况下，太阳同步卫星每天运行14～15圈，测控圈次提前一周每天分配2～4圈，白天和晚上均匀分布。卫星计划制定周期一般为一天，选择晚上的测控圈次上注次日卫星成像指令。测控资源可以满足卫星常规任务上注频次。

数据下传采用地面接收站内实传，地面站外星上记录数据顺序回放。地面站按照接收计划接收卫星下传数据，发送至地面数据处理系统，数据传输处理可满足常规时效性要求。

用户常规成像需求一般提前提出，数据在一定周期内有效覆盖即可，计划制定时间充裕，卫星常规任务规划时效性可满足用户常规需求。应急任务具有突发性，常规任务规划周期、测控资源和数据接收传输可能无法满足应急观测要求。

2 应急任务规划分析

2.1 应急任务规划模式

自然灾害或者其他应急观测任务，需要快速响应，及时调动卫星资源获取影像数据。首要任务是根据用户提供的应急经纬度信息，计算卫星过境时间。若应急发生时，卫星当天均已过境应急区域，不具备观测窗口，则次日进行任务安排，该过程不涉及修改或者删除星上已有指令，符合卫星常规制定周期，容易实现。若当日还未过境应急区域，则可安排当日成像，若星上已有指令相冲突，需要申请应急测控资源，制定应急观测计划，生成应急指令上注卫星，以及应急接收计划发送至地面接收站。

针对突发应急观测任务，当天获取数据对任务规划要求较高。后续持续的观测，全链路仍为应急快速获取数据，但任务规划为常规的应急安排。如图1所示主要针对当天应急任务规划进行分析。

图1 应急任务规划链路

2.2 应急任务规划分析

（1）应急需求分析

灾害类型：应急灾害主要有爆炸、火灾、地震、滑坡、泥石流、堰塞湖、火山、溢油、雪灾、洪涝、龙卷风、台风等，不同的应急观测任务对卫星、传感器和分辨率要求有所不同，不同灾害需要匹配相应的卫星资源。

目标大小：应急观测任务根据灾害区域大小，分为点目标、多点目标、区域等。针对点目标多星同时过境，可多次进行观测；多点、区域目标一颗卫星不能完整覆盖时，需多星联合观测。

卫星分类：雷达卫星主要拍摄洪涝灾害，光学卫星用于拍摄其他应急灾害事件。

分辨率：高分辨率优于2m的卫星资源常用于拍摄爆炸、火灾、地震等应急灾害事件；分辨率2m以下的中低分辨率卫星常用于拍摄火山、溢油、洪涝等较大范围的灾害事件。

轨道类型：太阳同步轨道卫星以其较高的分辨率及多星联合快速重访能力，可用于各种类型的灾害监测及应急事件响应；地球同步轨道卫星由于其具有较大的观测范围，以及一天内多次机动能力，常用于森林火灾巡查，火山爆发监测等。

观测周期：一次观测、一次有效（无云）和多次观测。

（2）应急可行性分析

针对应急类型，匹配卫星资源，计算卫星过境时间、侧摆角度等信息。单颗光学卫星平均3～5天重访一次，4颗卫星平均每天重访一次。目前在轨运行陆地观测卫星20余颗，每天平均重访3～4次。光学卫星降交点地方时一般设置为10:30，该观测时段成像的光照条件最好，因太阳高度角近似相同，有利用农、林、国土等行业卫星数据拼接使用。随着卫星长时间的运行，降交点地方时发生一定变化，但也基本集中在9:00—11:00之间。由于卫星过境时间相对集中[22-24]，对突发应急观测任务的完成有一定弊端。卫星侧摆使得对目标能够实现的观测时间范围扩大，表1展示了不同纬度，不同经度的点目标太阳同步卫星星下点及侧摆后时间范围。例如：对于点目标（东经120°，北纬40°）而言，东部地区点目标在卫星侧摆的情况下，观测时间范围集中在9:05—11:42；而在卫星不侧摆的情况下，其观测时间范围会有所缩短。不同经纬度地区在卫星侧摆及不侧摆情况下可观测的时间范围如表1所示。

表1 不同经纬度点位观测时间范围

Tab.1 Observation time range in different degrees of longitude and latitude points

当天应急成像需要满足一定条件：应急需求提出在成像前，具备测控资源。如图2所示为应急任务的执行时刻，假设为应急需求提出时间，1为测控站开始时间，2为卫星指令开始执行时间，3为卫星过境时间。＜3，即需求提出时间在成像前，但涉及删除星上指令或者做指令替换，则一般需要提前一个测控圈执行删除或者替换，即3－2一般大于卫星运行一圈时间，当然若可使用中继测控资源则该时段响应可缩减。1－，为应急任务规划时间。3－2是指令开始执行与卫星成像时间间隔，为卫星固有的时间，该时长一般为分钟级。通常情况下，应急发生在卫星成像前2h，即3－大于2h，应急任务可执行性较高。

图2 应急任务执行时刻

应急测控：针对当日应急指令上注，需要具备成像前测控资源，且需判断已有的测控资源是否满足应急测控条件，若测控资源不能满足应急指令上注，需协调增加测控资源。

应急任务规划：应急观测需求提出当天可调度卫星进行应急观测，但由于当天的卫星指令已上注，且与应急任务相冲突，因此需要调整卫星成像计划或者制定优先级高的指令进行替换。

成像计划调整：通过设置应急时刻，选择测控时间至应急成像时间之间某一时刻作为应急方案开始时刻，调整这一时刻后的成像计划；保持当天已执行计划无变化，进行应急任务及后续任务的重新编排，如果应急区域在地面站接收范围内，使用实传模式，若应急区域在接收站范围外，使用记录模式，选择最近地面站下传；重新编排的应急成像方案生成对应计划及指令，分别更新至地面站、数据接收系统，应急指令通过应急测控圈次上注卫星。

指令替换：制定应急成像计划，设置为高优先级，上注应急指令替换星上已有成像指令。

应急接收：地面站备份接收应急数据，优先传输至处理系统，数据处理采用截取应急区域快速处理技术，实现数据快速处理。

2.3 应急任务规划关键技术

（1）需求与卫星资源智能匹配

根据灾害类型分类使用不同的卫星、不同的传感器和不同的分辨率进行观测，例如洪涝灾害主要以雷达卫星为主观测，森林火灾可白天使用可见光载荷，晚上使用红外相机观测。通过统筹陆地观测卫星资源，构建应急需求与卫星传感器匹配模型，突发应急灾害发生时，依据灾害类型即可快速智能匹配对应的资源进行应急筹划。

（2）自动化应急分析及规划

结合需求，统筹卫星、测控和接收资源，建立全链路闭环自动化分析和管理系统，从需求分析、任务规划、测控资源申请、接收、传输和处理进行全局统筹，实现全链路状态跟踪。主要为应急任务自动匹配卫星资源，快速计算卫星过境时间信息；测控资源匹配，判断是否需要申请应急测控资源；星上指令分析，根据卫星能力和成像计划分析进行指令替换或者删除重注，实现应急响应。若需要删除星上指令，根据星上已有成像计划和测控资源窗口，卫星使用约束，快速定位卫星指令删除时间点，自动反馈测控部门，执行星上指令删除。若替换星上指令，制定应急计划生成指令，测控部门应急上注。

（3）应急动态规划

常规情况下，测控资源由测控部门按照测控天线数量，统筹所有测运控卫星统一分配。成像计划制定周期常规每天制定一天任务，为了实现快速应急，按照测控资源每天制定多批计划执行上注，应急任务发生后可以动态调整成像计划，随时插入[25]。测控资源按照成像需求和卫星任务周期合理预分配，既有利于满足用户常规需求拍摄，又满足应急任务拍摄。

3 应急任务规划系统设计

3.1 应急任务规划系统

统筹应急需求、卫星资源、测控资源和接收资源，实现快速应急数据获取。应急观测系统主要分为三个模块（如图3所示），应急需求模块、应急筹划分析模块和应急计划调整模块。

图3 多星应急联合调度基本框架

应急需求模块：应急任务与卫星资源智能匹配中，针对点目标计算相对简单，计算卫星过境侧摆角度和成像时间，按照最小角度、最高分辨率、计划调整便捷、任务冲突少原则选择成像资源。针对一轨不能覆盖的大区域目标，多星联合覆盖，多星不能完整覆盖时，确定拍摄区域优先级。

应急筹划分析模块：该模块通过接口方式，获取各卫星成像计划。针对删除指令重注应急指令卫星，判断删除时段（当前时间至应急成像前），获取此时间段测控窗口，测控窗口不满足，向测控部门以接口方式申请，并直接进入现有规划系统，根据卫星成像计划定位删除时机，自动推送至测控部门执行删除。针对指令替换卫星，定位指令上注时机，是否具备测控资源。

图4 应急任务规划执行过程

应急计划调整模块：针对删除指令重注卫星，加载应急需求，对应急筹划分析模块定位的删除点后的计划重新规划，生成应急计划。对于指令替换卫星，根据应急点位，替换应急前一轨的成像任务编号，并生成优先级高的应急指令。

指令发送：应急指令和接收处理计划分别发送测控部门、接收系统和处理系统。

应急任务规划具体执行过程见图4。

3.2 应用仿真

2021年3月21日8时火灾应急观测，点位东经109.2°，北纬28°，任务规划系统智能匹配陆地观测卫星资源，包括“资源一号”02C/02D/04/04A星（ZY-1 02C/02D/04/04A）、“资源三号”01/02/03星（ZY-3 01/02/03）、“高分一号/二号/六号/七号”卫星（GF-1/2/6/7）、“高分一号”B、C、D星（GF-1B/C/D）等。经过轨道快速计算，得出卫星当天过境窗口（见表2），由表2可知当天过境卫星共计4颗。由于火灾区域面积较小，可进行单点位拍摄，一颗卫星成像即可。对卫星已上注成像计划进行可行性分析，GF-1D卫星满足3–2＞2h，同时该卫星可在成像期间删除指令，且在成像前一圈具备测控窗口，因此确定使用该星执行应急任务。指令上注窗口时间弧段为10:01—10:12，根据该圈指令执行时间，定位指令删除时机，执行星上已有指令删除，同时制定应急成像计划，生成卫星应急成像指令，由该测控圈随后及时上注卫星。

表2 卫星应急点位过境时刻

4 结论及展望

本文从应急任务卫星快速成像出发，分析了常规任务规划和应急任务规划模式，提出了应急可行性分析和任务规划模式，并对涉及关键技术进行分析。本文提出的应急任务规划系统设计思路，能够解决应急任务资源综合统筹快速规划问题，通过多星应急统筹规划，有效提升陆地观测卫星应急成像的时效性。

遥感观测在应急救灾中发挥着越来越重要的作用，为了实现卫星快速应急成像，建议卫星降交点地方时离散分布，设置13:00、15:00轨道面卫星，且每个轨道面设置卫星星座，每天可有离散分布观测窗口。合理测控站点空间位置及数量，确保地面测控资源充裕，同时卫星具备中继测控、快速替换指令功能，有效提升陆地观测卫星应急成像的时效性。

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Emergency-oriented Satellite Mission Planning

WANG Jingqiao1,2YANG Lei1,2ZHUANG Chaoran1,2SHI Xiaojin1,2

（1 China Siwei Surveying and Mapping Technology Co. Ltd., Beijing 100094, China）（2 China Centre for Resources Satellite Data and Application, Beijing 100094, China）

In the on-orbit operation and control of land observation satellites, the task planning for user imaging requirements can be divided into two types: conventional and emergency. Conventional mission planning refers to demand transit calculation and routine mission arrangement according to demand type and space location combined with satellite orbit information to obtain satellite image data. Emergency mission planning is to realize satellite rapid emergency imaging by technical means. By analyzing the conventional and emergency operation and control modes of satellites, this paper proposes key technologies such as demand overall planning, satellite resource comprehensive scheduling, emergency feasibility analysis, monitoring and control and receiving resource scheduling, and rapid adjustment of emergency plans under the satellite emergency imaging mission planning mode, and summarizes China's land observation satellite emergency imaging capabilities, and puts forward feasible suggestions on the design of emergency mission planning system, which effectively improves the timeliness of satellite emergency.

mission planning; emergency imaging; intelligent matching; dynamic mission planning; land observation satellite

V445

A

1009-8518(2022)03-0105-08

10.3969/j.issn.1009-8518.2022.03.012

2022-03-15

王静巧, 杨磊, 庄超然, 等. 面向应急事件的卫星任务规划技术[J]. 航天返回与遥感, 2022, 43(3): 105-112.

WANG Jingqiao, YANG Lei, ZHUANG Chaoran, et al. Emergency-oriented Satellite Mission Planning[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2022, 43(3): 105-112. (in Chinese)

王静巧，女，1980年生，毕业于北京邮电大学通信工程专业，研究员。主要研究方向为卫星运控技术。E-mail：wjqyiyi@163.com。

（编辑：庞冰）