虚拟星座构建方法与关键问题研究

林仁红 王琦 欧阳平超

（1中国航天工业科学技术咨询有限公司 2国家国防科工局重大专项工程中心）

随着各国遥感卫星能力的日益提升，逐步由中低分辨率向高分辨率、单颗卫星向星座组网发展，由单一规划的星座向更加复杂的、多元参与的虚拟星座组网发展，这对传统星座的构建方法和资源保障提出新的挑战。随着全球对地观测需求以及商业航天产业兴起，国际组织及航天企业提出了很多卫星组网计划。起初，国际对地观测卫星委员会（CEOS）提出了多个虚拟星座项目，并在空间与重大灾害国际宪章（CHARTER）机制下运行着一系列虚拟星座；金砖国家、上合组织等也提出了构建跨区域的虚拟星座实施规划，虚拟星座俨然已成为遥感卫星发挥其固有能力和潜力的重要发展趋势。

1 虚拟星座内涵及框架

虚拟星座内涵

2005年11月，CEOS全会上首次提出了“虚拟星座” (Virtual Constellation)的概念。意即通过各国空间机构间建立的合作伙伴关系，以一种协同方式，将一系列运行的、覆盖范围相重叠的、分属一个或多个机构的对地观测空间和地面系统集成起来，实现重要参数的日常持续观测，以满足综合对地观测需求。虚拟星座具有以下特点：其一，分属于不同的卫星中心，由多种不同性质和类型的卫星、有效载荷共同组成；其二，各卫星采取相互配合、功能互补、资源共享的协同方式；其三，满足多种复杂任务的需求，通过面向场景服务的标准接口提供原始的和处理后的观测数据。

虚拟星座相比多星数据共享和单一规划的实体星座，其最大优势就是利用现有卫星资源、低成本、快速投入使用，实现对复杂环境、全球或区域性、动态变化性、多要素多维度的观测能力。传统单一规划星座的卫星组网方式，大多由一个卫星中心单独调度控制在轨卫星，完成实现本卫星中心的多星任务规划。一般来说，单一规划的卫星组网需要较长时间的计划、发射、运行和维护，花费大量的财力和人力成本。当前，大部分的单一规划组网星座尚在研究计划阶段，仍无法满足实际需求。在此背景下，选取有目的的、以对地观测为主的联合行动技术——虚拟星座成为未来星座组网可持续发展的重要趋势。

虚拟星座构建框架

虚拟星座观测框架体系

目前，CHARTER机制是国际上唯一以实际运行方式、利用空间对地观测技术进行减灾活动的国际组织。而CEOS提出的虚拟星座是发挥多国卫星在CHARTER机制框架的综合协调下，通过各参与方的独立空间资源的协同运作，实现统一标准下的全球持续、系统性的观测，是应对全球对地观测需求、提升空间资源运作效率的新模式。

虚拟星座构建框架是由多国确定的观测任务计划、卫星运营商以及国际需求方，面向科学研究、卫星应用等目标而形成的对地协同观测体系。

实践中，虚拟星座构建也需要一些前提条件：①国际参与方愿意共享卫星资源和数据；②不存在实质上的共享技术瓶颈或技术壁垒，尤其是地面测运控站网的综合性能与部署设计，能够在满足其既定任务的情况下，接受参与方虚拟星座规划任务的调度安排；③需要建立一套科学机制或规划体系，获得星座组网后的数据共享或补偿权益；④多国在轨的卫星资源能力互补，地面系统同步处理，数据共享链路通畅等。

2 虚拟星座构建方法及应用领域

构建方法

多国参与的虚拟星座，涉及到根据场景需求对不同参与方的星地资源进行规划设计，星座构建方法显得非常重要。一般来说，主要方法包括多方参与的仿真分析法、卫星资源联盟、多元解析法等。

（1）仿真分析法

该方法能够对联合观测任务设计、可利用卫星类型与数量、卫星轨道与重访周期、覆盖范围与星下点轨迹、立体化成像体系、数据信息与共享应用等研究分析。仿真设计考虑星座覆盖范围等任务要求：全球覆盖星座与区域覆盖星座的区别主要来自任务的不同，不同的任务要求对星座设计的各项指标都有不同的影响。对地观测星座大多采用太阳同步回归轨道。采用仿真分析，需要设计轨道形式、轨道高度、轨道倾角、轨道升交点赤经、入轨位置及时间等。

（2）卫星资源联盟

卫星资源联盟是卫星组织的一种形式，是具有分布式、非层次、相互独立且互补协同完成复杂观测任务，该方法是构建虚拟星座的常用方法。通过研究不同卫星中心的轨道约束与载荷属性，包括载荷约束、轨道约束、数据约束、卫星及载荷相关约束、数传约束以及任务规划约束等，建立卫星资源联盟。从用途来看，卫星资源联盟确保完成特定的对地观测任务；从组织机制看，卫星资源联盟的卫星分属于不同卫星中心，由相应的卫星中心对资源进行管控。由于任务及任务环境的动态不确定性，因此面向各种任务的卫星资源联盟也是不断变化的。

（3）多元解析法

多元解析法是对构建虚拟星座过程中涉及定量化分析、精准计算等方法的重要补充。该方法主要是利用公式计算、函数分析、计算机处理等方法对星座覆盖、性能比较、数据处理等进行定量化分析。使用解析方法，以卫星载荷的工作范围为约束条件，以有效利用卫星覆盖区域为原则，给出设计区域覆盖卫星星座的具体步骤，得出卫星轨道根数和星座轨道参数。尤其是对比分析不同卫星的成像质量，需要根据图像质量推测卫星性能及分析传感器差异。按照卫星特征差异，将不同卫星及其数据进行对比分析。

这些构建方法中，仿真分析方法应用最为普遍，即为研究解决某一实际决策问题，先建立该场景应用的同态模型，并对模型进行动态、模拟的运行试验。

应用领域

虚拟星座应用领域主要包括公益性场景需求和商业化的场景需求。前者是以满足国际公益性、地区应急性、全球性可持续发展等问题为主，后者是面向海陆空等领域的商业性、精准化对地观测服务。

碳观测星座系统

船舶监测星座系统

其中，公益性及政府需求场景的应用服务，一般应在联合国或国际合作机制框架下进行，以国防军事（国际组织）、应急救援、实现可持续发展目标为重点，实现全球覆盖、高频次重访、多种观测载荷融合等综合观测系统。例如，气候变化和大气污染问题既是“世界性灾难”，也是虚拟星座构建的关注重点。从国别需求来看，“一带一路”沿线国家中，泰国、缅甸、老挝、孟加拉、巴基斯坦、土耳其等国家面向农林、海洋以及公共安全等领域，对高时间分辨率、高空间分辨率、多谱段等方面有需求；非洲及拉美国家还对水资源利用、自然生态保护、公共安全与应急救灾等领域有需求。

商业应用方面，虚拟星座一般以资本或市场为纽带，以资源能力为依托，为国际用户提供高品质的增值服务，实现对目标区域、特定任务的快速响应。例如，OneAtlas作为空客防务与航天公司（ADS）的数字情报平台，提供个性化的、共同设计的对地观测数据服务，以及图像处理和智能化的地理空间解决方案。

3 多国参与星座构建的关键问题分析

多国资源组合

多国参与的虚拟星座构建，首先考虑由参与方自身研制或交付的遥感卫星资源，以及与参与方联合研制的卫星资源，这类卫星资源具有很好的设计基础，并快速实现组网运行；其次，考虑在联合国或国际组织框架下形成的星座构建规划任务，例如CHARTER机制、上合组织、亚太空间合作组织（APSCO）、金砖国家、世界气象组织（WMO）等合作卫星资源；再次，考虑航天合作基础比较稳固的国家和地区，以及在多双边协议框架下的在轨卫星资源或规划卫星资源。

多国参与的星座顶层架构，应该借鉴国际CHARTER机制，为确保星座正常运行，需要构建相关运营机构并确保逐步形成日常运行和业务服务能力，成立具有运行能力的星座运营机构，分别指定各参与方的业务支撑单位，确保形成工作模式、工作流程、协调机制和运行服务方式（以公益服务为主）；积极探索形成商业化运行服务能力。原则上，虚拟星座不单纯考虑“数据对等”原则，而是从贡献率的角度进行定期评估，若出现问题由各参与方协商解决。

需求统筹与任务规划

虚拟星座构建中面临的关键问题和事项包括：需求统筹问题、仿真分析问题、技术会商问题、观测任务协调问题、数据分析处理与反馈等。

需求统筹主要是参与虚拟星座构建的各方有义务统一组织和协调本部用户，合理向虚拟星座运控中心提出数据需求（含应急需求）：建立星座技术专家组或值班的应急任务办公室（或应急任务响应工作组）；需求符合星座所含卫星的主要技术状态和正常工作能力，并尽可能减少本部用户需求冲突；优先满足涉及各方重大利益和达到国家一级和二级灾害标准的重大自然灾害或人为事故的公益性数据需求。

仿真分析涉及到各方委托专业机构承担虚拟星座仿真分析的值班任务。结合各方用户数据需求，对星座各卫星进行轨道运行和执行任务仿真分析，尽可能降低任务冲突，满足用户需求；形成仿真结果后，交由星座技术专家组组织会商。

技术会商是星座技术专家组通过定期和不定期、现场会议和电视电话会议、双边和多边等方式组织开展会商。其中，年度会商审议各方用户年度需求和星座年度观测规划；季度会商原则上通过电视电话会议进行。若出现重大协调问题，可不定期组织会商等。常规情况下，虚拟星座月度计划形成后原则上不做较大调整，若有重大常规任务需求，需求方须提前向星座技术专家组提出申请，由星座技术专家组会商确定是否安排和调整星座工作计划。总之，虚拟星座构建各方应参照CHARTER机制，在各方相关部门设立应急任务办公室（或应急任务响应工作组，轮值运行），并在星座技术专家组的组织下开展工作。

数据处理与共享机制

虚拟星座构建的最终目标是形成满足任务需求的有效对地观测体系，发挥多国参与构建星座的共赢效果。各参与方在提供适用卫星的基础上，各方提供所属的相关地面系统资源（包括地面卫星数据接收站、数据处理资源、定标场、真实性检验场等），作为虚拟星座数据在各方落地的支撑，各地面站采用“总体设计，分别实施，同步形成，联网运行”的方式进行改造。尤其是对各方提供的地面系统进行综合评测和总体设计（包括数据格式、接口标准、产品规格等协调）；分别形成改造方案，提交各国航天主管部门组织实施。

积极构建多国参与的“虚拟星座空间信息应用服务共享平台”，有效集成和展示各参与方的卫星星座数据、应用成果、软件工具等，提供统一的数据查询、需求协调、任务规划、数据分发等，并基于该平台开展相关应用服务。

4 典型案例分析

2016年3月，金砖国家遥感卫星星座工作组会议在维也纳召开，标志着多国参与的虚拟星座合作已经启动。星座计划分为两步：第一步是在各参与方已有合作框架下，通过仿真分析、解析法等提出参与方的卫星、地面系统的组网要求与设施升级计划，建立地球遥感卫星的虚拟轨道星座。第二步即为真实星座。

多国资源组合方面，一是天基设施建设，该星座由委内瑞拉遥感卫星、巴基斯坦遥感卫星、埃及二号遥感卫星，以及中巴资源卫星、中法海洋卫星等组成；二是地面设施建设，各方需提供的地面卫星数据接收站，按照站址地域合理分布，确保国土有效覆盖、卫星数据顺畅接力接收和减少任务冲突等。各方若分别提供1个地面站，其优势是各方的投入量大致对等，需要改造和协调运行的地面站数量少；但存在中、俄地面站的任务过重，难以有效接收虚拟星座数据、覆盖中俄等问题。但若各方分别提供若干地面站，必然会增加地面站改造成本和运行协调难度，优势是相对有效地覆盖俄远东地区和中方东部地区，以及对南非和巴西相关地区的有效覆盖（主要考虑天气影响）。

虚拟星座系统组成

任务规划方面，金砖国家的虚拟星座旨在发挥全覆盖和快速响应能力，提供应急观测与特定任务的空间信息消费服务。虚拟星座系统分为空间系统、地面系统、数据处理与增值服务等。

空间系统采用虚拟星座构型，各参与方卫星配置高分辨率、高光谱或视频载荷，实现全天候、不受天气影响的观测体系；地面运控系统包括卫星星座管控、卫星状态监测、观测任务管理、数据接收分发服务监管；地面中心站承担卫星星座系统的运行调度管理和接收分发服务监管；网关站负责在中心站调度下，对过境卫星进行业务测控；地面数据接收与处理系统负责数据的接收、存储、处理及分发；增值服务系统可由第三方委托机构负责管理，面向区域开展星座数据服务的开发和推广。

数据共享方面，针对各参与方的卫星性能、运行调度和数据应用、传输等需求，由星座技术专家组组织核对各国采用的相关标准规范，尤其是数据质量评价、数据产品规格、数据需求文件格式、卫星运行模式、工作流程等方面的标准规范，确保统筹衔接。其次，由专家组统筹形成该虚拟星座平台方案，确保能够有效汇集和展示基于该星座数据所形成的各种产品、服务与标准规范，并逐步具备云服务、计算、网上交易、互操作、协同工作等功能。