应用体系能力贡献率的新研高分辨率光学遥感卫星轨道择优方法

乔凯 金挺 黄石生 韩晓亚 倪辰

(1 北京跟踪与通信技术研究所，北京 100094)(2 北京空间飞行器总体设计部，北京 100094)

随着高分辨率对地观测系统的全面建设，目前我国已发射了多颗“高分”系列对地观测卫星，形成了由低轨、高轨卫星组成的高分辨率对地观测卫星系统，广泛应用于国土、测绘、海洋、环境等多个领域，满足国家经济建设、社会发展的应用需求。

卫星的轨道是影响高分辨率光学遥感卫星任务能力的关键因素之一，常用的卫星轨道设计思路是根据卫星的使命任务和用户需求，从轨道动力学理论入手，分析轨道摄动、成像能力、成像质量、运载能力、工作寿命等，选择合适的轨道参数，提出若干备选方案，再根据相关规则从中选取最佳轨道，使卫星入轨后能够最大化满足用户的要求[1-3]。对于新研高分辨光学率遥感卫星，在满足用户需求的基础上，分析其对当前已有“高分”系列卫星的体系能力贡献率[4](又称为“贡献度”)，是进行卫星轨道择优的重要依据之一。体系能力贡献率综合反映了单颗卫星对体系能力提升的促进作用。通过加强新研高分辨率光学遥感卫星与现有“高分”系列卫星体系的高度融合，实现体系内的“高分”系列卫星之间的能力互补，可以更好地发挥分布于不同轨道卫星的整体应用效能。

为了提高高分辨率光学遥感卫星的应用效能，本文针对卫星的任务需求，从体系能力贡献率的角度分析评估新研高分辨率光学遥感卫星在不同轨道条件下的综合应用效能，以及对现有“高分”系列卫星体系的新增贡献，作为对卫星轨道择优的依据，以促进新研卫星与现有体系的无缝融合与协调发展。

1 高分辨率光学遥感卫星成像能力指标体系构建

目前，光学遥感卫星主要采用太阳同步回归轨道，即综合太阳同步轨道和回归轨道特性的双重特性，定期、定时经过观测区域上空，利用单颗卫星便可获取全球观测数据[5]。轨道是影响光学遥感卫星成像性能及数据获取能力的重要因素，包括空间分辨率、重访时间、成像幅宽、几何精度、覆盖范围和多目标观测能力。

体系能力贡献率是对体系能力的度量，通过将能力转化为效能分析来实现其定量计算[6-9]。在进行高分辨率光学遥感卫星体系能力贡献率评估时，不能由某个或几个指标来确定卫星性能的优劣，而必须进行多种性能指标的综合评价，即由多种性能参数的指标值求出综合效能。因此，卫星成像能力指标体系的完整性、合理性决定着最终的评价结果，从而影响卫星的轨道择优。

根据国军标GJB451A-2005，系统效能是系统在规定的条件下和规定的时间内，满足一组特定任务要求的程度[10]。高分辨率光学遥感卫星的任务需求主要体现在全球覆盖观测、高空间分辨率、大幅宽、快速重访观测、成像光照条件、几何精度等实际应用。由于成像谱段的选取与应用相关，谱段不一样，应用及对应的评价也不一样。因此，从光学遥感卫星可见光对地观测任务需求出发，建立与轨道相关的高分辨率光学遥感卫星成像能力指标体系(如图1所示)，进行体系能力评估。

图1 与轨道相关的高分辨率光学遥感卫星成像能力指标体系Fig.1 Orbit-related high-resolution optical remote sensing satellite imaging capability index system

2 应用体系能力贡献率的轨道择优方法

应用体系能力贡献率进行轨道择优，主要针对高分辨率光学遥感卫星的应用需求，根据卫星成像能力指标体系，利用体系能力贡献率模型，对能力指标项进行聚合评估，定量化计算位于不同轨道下卫星对体系能力的提升幅度。通过不同轨道条件下卫星体系能力贡献率的对比分析，实现卫星轨道的择优。评估计算过程主要包括指标量化评估、卫星成像能力评估、体系能力贡献率计算等。

1)指标量化评估

指标量化评估采用的是逼近理想点解排序法(TOPSIS)，它是有效处理多方案排序和选择的经典方法[11]。其基本原理是：设定对象的正理想值和负理想值，在目标空间中求解方案的相对接近程度，以度量某个方案靠近理想值和远离理想值的程度；用相对接近程度的值决定方案的排序，相对接近程度越大，方案越优，反之，则越差。对卫星成像能力指标的原始值Xi，通过TOPSIS中的去量纲化处理，得到评估值Ci。

(1)

式中：i为不同的能力指标。

2)卫星成像能力评估

采用线性加权法对卫星成像能力A进行评估，评估结果由所有指标值的权重和决定。

(2)

式中：Wi为指标权重。

各指标权重反映了该指标的重要性，权重越大，则该指标对评估结果的贡献越大。由于指标权重对卫星成像能力评估的影响较大，因此其选取要与用户的具体应用需求紧密结合。通常应根据典型的应用场景，结合在轨卫星的实际应用情况，综合进行各指标权重的分配。

3)体系能力贡献率计算

体系能力贡献率G主要由当前评估卫星成像综合能力AK和当前在轨卫星成像综合能力AF决定，其计算公式如下。

(3)

通过计算不同轨道条件下的卫星体系能力贡献率，选取体系能力贡献率最大的轨道作为卫星的最佳轨道。

3 仿真结果及分析

目前，我国已发射低轨太阳同步轨道光学遥感卫星高分一号、二号、五号、六号等“高分”系列卫星，组成了天基高分辨率光学对地观测体系。本文将“高分”系列卫星作为参考，以新研高分辨率光学遥感卫星为仿真分析对象，针对初步设计的2种太阳同步轨道，基于体系能力贡献率评估分析不同轨道条件下的卫星应用能力，进行卫星轨道优选，即定量化计算位于不同轨道下单颗卫星对于当前体系能力的提升幅度，将卫星体系能力贡献率作为卫星轨道择优的依据，以提升高分辨率光学遥感卫星的应用效能。

新研高分辨率光学遥感卫星拟采用500 km和650 km的太阳同步轨道，降交点地方时为10:30，以实现全球覆盖，并满足成像光照条件的地区最广、一年中可成像天数最多的应用需求。仿真过程中，卫星载荷、敏捷机动能力等基本参数设置如表1所示。

根据表1中选定卫星基本参数，仿真计算同一相机参数约束下不同轨道高度对应的卫星成像能力的一组典型值。对于“高分”系列卫星，选取体系内卫星成像指标上限作为当前体系的最大能力，2种轨道卫星成像能力指标如表2所示。采用式(1)对表2中的卫星成像能力指标去量纲得到指标量化值，如表3所示。

对各能力属性进行规范化处理。根据用户对指标关注程度的不同，指标权重可以调整，以反映该项指标在应用中的重要性。本文采用的各指标权重由用户根据应用需求提出，用户较为关注卫星的空间分辨率，对“空间分辨率”指标的权重取为0.2，其余指标权重取为0.1，所有指标权重之和为1，如表4所示。

根据卫星成像能力指标体系，通过体系能力贡献率评估方法，对2种轨道卫星的成像能力进行综合评估。根据表4定义各指标权重，采用简单加权法的运算步骤，计算获得卫星体系能力综合评价及体系能力贡献率分析结果，如表5所示。

表1 卫星基本参数设置

表2 2种轨道下卫星成像能力指标

表3 2种轨道下卫星成像能力指标量化表

表4 指标权重

表5 体系能力评估结果

根据仿真结果，相比于当前体系能力，新研高分辨率光学遥感卫星若采用500 km太阳同步轨道，在空间分辨率、回归周期、平面定位精度等方面有提升；若采用650 km太阳同步轨道，在同轨合成幅宽、同轨多目标成像个数、同轨凝视成像次数等方面有提升。2种轨道均基本满足用户的应用需求，并且各有各的优势，难以通过指标直接对比的方式进行最佳轨道的选取。采用基于体系能力贡献率的评估方法，将多个成像能力指标进行聚合分析，得出采用500 km太阳同步轨道，其体系能力贡献率为31.06%，优于650 km太阳同步轨道，对当前体系能力的提升幅度更大，入轨后可以使整个体系获得更优的综合应用效能，由此实现对2种轨道的择优。

4 结束语

面向高分辨率光学遥感卫星的应用效能，本文以我国在轨“高分”系列卫星组成的天基高分辨率对地观测体系作为参考，采用应用体系能力贡献率的轨道择优方法，对新研高分辨率遥感卫星在不同轨道条件下的应用能力进行综合评估。仿真结果表明：相比于当前高分辨率对地观测体系，新研高分辨率光学遥感卫星采用500 km太阳同步轨道，可以实现更好的综合成像能力。本文所提出的方法采用多属性决策方式，融合多个卫量成像指标，将能力转化为效能分析来实现体系能力贡献率定量计算，综合反映了不同轨道下卫星的应用效能，可以作为对卫星轨道最优选取的依据。