面向突发事件的遥感卫星动态管控模式

王鹏，刘晓东，郭建恩，何川东，赵玉春，周述雄

（北京市遥感信息研究所，北京 100192）

面向突发事件的遥感卫星动态管控模式

王鹏，刘晓东，郭建恩，何川东，赵玉春，周述雄

（北京市遥感信息研究所，北京 100192）

遥感卫星具有覆盖范围广、成像速度快、不受国土、领海和领空限制等独特优势，在国防和经济建设领域中发挥了重要作用，然而，现有的遥感卫星系统运控环节多、重访周期长，很难把空间观测信息直接送达用户，不能满足突发事件中应急保障的需要，有必要设计更为灵活的管控模式以提高整个卫星系统的响应能力。通过对遥感卫星现有管控模式进行分析，提出了基于快速满足用户需求的敏捷管控模式，可以将卫星系统的响应时间大大缩短，基本达到支持突发事件应急观测的实时和近实时要求。

突发事件；动态环境；遥感卫星；管理控制；在线调度

0 引言

遥感卫星具有覆盖范围广、运行时间长、不受国界和空域限制等独特优势，为对地观测开辟了新领域，一直为各国政府所重视。随着全球气候变暖，各种极端自然灾害日益频发，局部和地区性恐怖主义的威胁不断涌现，应急观测需求日益增多，用户对观测时效性提出了更高的要求，这给遥感卫星的管理控制带来了极大挑战。

经历抗震救灾、反恐维稳和保交护航等非战争军事行动的实际应用，遥感卫星暴露出了许多不足或与突发事件应急保障不相适应之处，现有的卫星存在不能及时响应现场变化［1］、不能由现场决策人员控制，以及不能满足时效性要求等问题，而且现有的太空能力不能有效地提供信息，特别是很难把现场空间感知信息直接送达救援队伍，因此需要研制相应功能的卫星，开发更加灵活的系统结构，提供更快速响应的能力［2］。

遥感卫星的响应能力取决于卫星数量、遥感器性能、轨道选择、地面系统结构以及管控模式等因素，前几个属于硬的因素，而管控模式属于软的因素，在硬件条件一定的情况下，采用更为合理的管控模式能够极大提高整个卫星系统的响应能力。因此，研究动态环境下特别是面向突发事件的遥感卫星管控模式具有重要的社会和经济意义。

1 动态环境的描述

空间分辨率是指在像元的可分辨极限条件下，像元所对应的地面空间尺度通常称之为地面分辨率。空间分辨率是评价遥感器性能和遥感信息的重要指标之一，也是识别地物形状大小的重要依据。

时间分辨率是指遥感卫星对同一地面目标相邻2次观测的最小时间间隔，通常称之为重访周期。时间间隔大，则时间分辨率低，反之则时间分辨率高。时间分辨率是评价对地观测系统动态监测能力的重要指标。多星组网能够提高时间分辨率，对面向突发事件的应急观测具有非常主要的作用。

时效性是指观测需求或任务从提出到完成所允许的最大时间间隔。时间间隔大，则时效性低，反之则时效性高。时效性是观察需求或任务的固有属性，反映了该需求或任务的紧迫程度。

响应时间是指对地观测系统从获取用户需求到将图像产品交付给用户之间的时间间隔。响应时间是衡量对地观测系统响应能力的关键参数。

动态环境是指对地观测系统所处环境在一定时间内发生急剧变化，造成用户需求在提交时间和数量上具有极大的不确定性，用户对观测需求的时间分辨率和时效性往往提出非常严格的要求，另外，环境变化也可能导致卫星数量和轨道特征动态变化。突发事件所处地点就是一个典型的动态环境，周围环境瞬息万变，不确定因素众多，决策人员要求能够实时或近实时获取目标位置、损毁效果评估等信息，卫星为了躲避反卫星武器的攻击或者阻止敌方预测过顶时间，需要进行机动变轨，在卫星出现故障或被击毁的情况下，为了提高整个卫星系统的响应能力，需要快速增补卫星［3］。

相对于动态环境，地观测系统所处的日常工作环境即为静态环境。用户需求在提交时间和数量上具有一定规律性，对观测的时间分辨率和时效性并没有严格要求，卫星数量和轨道特征基本保持不变。

2 遥感卫星日常管控模式

遥感卫星运行管控主要根据遥感卫星应用任务需求，对空间和地面资源进行分配，对信息获取、处理与传输活动进行调度，制定出满足卫星应用任务需求的卫星对地观测计划、数传计划、测控计划、数据中继计划、地面站接收计划和地面数据传输与处理计划［4］。根据所管理卫星的数量，遥感卫星管控可分为各星单独管控和多星集中管控。根据所处环境，遥感卫星管控可分为静态环境下遥感卫星管控和动态环境下遥感卫星管控，显然，遥感卫星日常管控对应静态环境下的遥感卫星管控。

随着航天事业的发展，遥感卫星的数量及种类逐步增多，成像任务的需求量也飞速增加，成像任务类型更加复杂多样，用户对成像任务的时效性、准确性要求更加严格，任务管理的复杂度大大增加，原有的各星单独管控模式已经无法满足实际需要，有必要采用多星集中管控模式［5－7］。多星集中管控能够充分发挥卫星资源的最大效益，减少地面设施重复建设，降低卫星运行管理成本，缩短对地观测的重访周期。

目前，在遥感卫星日常管理中基本采用多星集中管控模式［8］，日常管控模式的特点主要体现在以下几个方面：

①任务规划以周期规划为主，最大化资源的使用效益。卫星管控部门在收到用户提出的观测需求后，并没有立即进行处理，而是等到当前周期快结束时统一进行规划，一般采用日规划的形式，优化目标为最大化多颗卫星的总收益，虽然考虑了用户需求的优先级，但并没有体现用户最为关心的响应时间。

②自动化程度不高，人工干预较多。遥感卫星地面系统在一些关键环节存在较多的人工干预，降低了系统的执行效率，由于地面系统结构复杂，加上涉及利益分配，导致系统内部各个分系统之间存在冗余设计，影响了整个卫星系统的响应能力。

③管控环节过多，需求响应时间长。从用户提出观测需求，到将图像产品交付给用户，构成一个闭环，如图1所示。其中，影响产品交付时间的主要环节包括任务调度、卫星测控、数据获取、数据接收、数据处理、产品生产和数据分发。

图1 遥感卫星业务流程

任务调度所需时间取决于采用哪种调度方式和调度算法，目前一般采用周期调度方式，如图2所示。第i－1个决策点ti－1与第i个决策点ti之间为一个周期，当t＝ti－1时，需要对任务集Ni－1进行调度，由于要考虑决策时间，因此，实际的规划周期为［ti－1＋τi－1，ti＋τi］，在下一个决策点ti，需要调度的任务集Ni由前一阶段未完成的任务集和新到达任务集构成，如果某个新任务刚好在决策点ti－1之后提出，则该任务必须等到至少ti时才能被安排，而其观测时间在ti＋τi之后，因此，对于该任务来说，任务调度环节所需时间至少为ti＋τi－ti－1，大于一个周期。决策时间τi与调度算法有关［9］，然而，求解质量与求解时间是一对矛盾，选择哪种调度算法需要权衡考虑。由于卫星管控部门较为关心资源的使用效益，因此，一般选择求解质量较好的智能优化算法。

图2 周期调度示意

卫星测控所需时间与测控手段有关，对于由若干个测控站构成的地基测控网，测控时间取决于卫星与地面测控站的可见时间窗口，对于由中继卫星和导航卫星构成的天基测控网，基本上可以做到实时测控［10］。

数据获取所需时间取决于卫星与目标的可见时间窗口，如果多星对该目标的时间分辨率高，则所需时间较短，反之，则所需时间较长。

数据接收所需时间与数传方式有关［11］，如果卫星观测目标时刚好在地面接收站可见范围内或中继卫星系统可用，则可以采取实时数传方式，否则，所需时间取决于卫星与地面接收站的可见时间窗口。

数据处理所需时间取决于处理能力，如果卫星具有星上自主处理能力，则可以将数据处理活动安排在数据下传之前的空闲时间进行，因而所需时间不会影响产品交付时间；如果将遥感数据安排在地面接收站进行处理，则所需时间不能忽略。

产品生产所需时间与用户对产品的加工要求有关，对于粗加工产品，所需时间较短，而对于精加工产品，所需时间较长，此外，如果加工设备能力允许的话，可以采取并行加工方式，以缩短所需时间。

数据分发所需时间取决于通信网络容量和数据传输速率，由于卫星观测数据的数据量一般较大，特别是对于高分辨率遥感数据，需要大容量的数据传输网络，如果数据传输速率较高，则所需时间较短，反之，所需时间较长。

从上述分析可以看出，卫星系统对用户需求的响应时间较长，一般需要数天，甚至长达半个月，显然，这远远不能满足突发事件中应急观测对实时性的要求。

3 遥感卫星动态管控模式

由于动态环境下用户需求的提出具有很大的不确定性，并且用户对观测需求的时效性作了严格限制，特别是对于突发事件，用户往往要求卫星能够实时提供所需观测信息，因此，动态环境下遥感卫星运行管控不能采用日常管控模式，必须以用户为中心，立足于快速满足用户需求，为决策人员提供持久的环境态势感知能力［12］。

由于动态环境下用户需求的紧迫程度高，用户非常关注需求的执行状态，因此，要改革原有的业务流程，建立以用户为中心的遥感卫星业务流程，如图3所示，考虑到用户和地面系统分布在不同的地理位置，采用网络化能够将各个部分有机地联系起来［13］，用户通过卫星综合信息网可以随时提出需求和查看已有需求的完成情况，有利于及时进行下一步决策。基于网络的虚拟任务操作中心（Virtual Mission Operations Center，VMOC）执行任务分配、数据分发以及相互协作［3］。

图3 以用户为中心的业务流程

任务规划与调度是遥感卫星管控中的一个重要环节，以周期为特征的调度方式本质上是一种离线调度，为了快速响应用户需求，必须采用在线调度方式，实现从基于时间驱动的任务规划向基于事件驱动的任务规划转变，从而更好地满足用户需求。

充分利用中继卫星系统，实现实时测控和数传。要求卫星具有星上处理能力。地面数据处理中心采取并行处理技术，提高数据产品的生产效率。

临时指挥所通过通用数据链／多频带集成卫星终端（CDL／MIST）直接控制卫星［14］，采用虚拟任务操作中心上注指令给卫星，并通过CDL／MIST下传数据或通过中继卫星转发。

周期调度关注的是时间，即如何使一个周期内安排的任务最多，从而使收益最大，而在线调度关注的任务本身，即如何确定任务的观测开始时间，从而使该任务尽可能早完成。周期调度人为地将时间轴划分为若干个周期，而在线调度依据事件（新任务到达、卫星故障、卫星变轨和增补卫星）发生时刻进行及时处理。

图4 在线调度示意

由于卫星系统的响应时间与时间分辨率有关，为了提高快速响应能力，要求时间分辨率尽可能高，这就要求在轨卫星尽可能多，而经费预算有限的情况下，只能通过降低单颗卫星的成本来实现，采用小卫星技术可以缩短卫星的研制周期，降低卫星的制造成本，采用快速发射技术可以迅速补充在轨卫星数量。如果在轨卫星的数量足够多，整个卫星系统对任意目标的重访周期能够小于10 min。例如美国曾经构想的Starlite计划采用48颗卫星可将反应时间进一步缩短为5 min。

卫星测控和数据接收通过中继卫星系统基本可以实现实时操作，采用星上处理技术可以缩短地面系统的数据处理时间。

通过以上几个方面的改进，可以将卫星系统的响应时间缩短至10 min以内［15］，基本达到支持突发事件应急观测的实时和近实时要求。

4 结束语

基于快速满足用户需求的敏捷管控模式体现了以用户为中心的管控思想，通过针对核心管控环节进行优化，能够大大缩短遥感卫星系统的响应时间，满足突发事件对时效性的要求。然而，本文只是提出了增强遥感卫星系统快速响应能力的基本思路，未来将针对其中的关键技术进行研究。

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Dynamic Control Mode of Remote Sensing Satellites for Emergencies

WANG Peng，LIU Xiao-dong，GUO Jian-en，HE Chuan-dong，ZHAO Yu-chun，ZHOU Shu-xiong
（Beijing Remote Sensing Information Institute，Beijing 100192，China）

Remote sensing satellites have unique advantages of wide-range coverage，fast imaging，and less restriction of land，territorial waters and airspace，and play an important role in national defense and economic development.However，the existing remote sensing satellite system has a lot of operation phases and a long revisited period.It is difficult to send space observation information directly to user，which can’t meet the needs of emergency support.It is necessary to design more flexible control modes to improve the response capacity of the entire satellite system.Through analyzing the existing management and control mode of remote sensing satellites，an agile management and control mode is proposed based on meeting the needs of user quickly.This mode can shorten the response time of the satellite system to less than 10 minutes，and support real-time and near real-time observation requirements in emer-gencies

emergencies；dynamic environment；remote sensing satellites；management control；online scheduling

TP751

A

1003－3106（2015）11－0060－04

10.3969／j.issn.1003－3106.2015.11.16

王 鹏，刘晓东，郭建恩，等.面向突发事件的遥感卫星动态管控模式［J］.无线电工程，2015，45（11）：60－63.

王 鹏男，（1977—），硕士，高级工程师。主要研究方向：遥感卫星地面系统建设。

2015-07-08

国家高技术研究发展计划（“863”计划）资助项目（2013AA7013035）；装备技术基础资助课题（12EB018）。

郭建恩男，（1958—），博士，研究员。主要研究方向：遥感卫星地面系统发展规划与总体论证。