衛星傳感器時空覆蓋能力評估與優選組合系統設計與實現

陳能成，劉曉林，龔健雅

(1. 武漢大學測繪遙感信息工程國家重點實驗室，湖北 武漢 430079； 2. 地球空間信息技術協同創新中心，湖北 武漢 430079)

隨著“地球將披上一層電子皮膚”愿景的提出，空間信息獲取正從單一傳感器模式發展為多傳感器協同觀測新模式[1]。衛星傳感器由于其獲取信息速度快、范圍大、所受限制條件少等特點，已成為地球觀測的重要手段之一[2]。衛星傳感器利用對地覆蓋能力這一基本空間特性完成其對地觀測任務[3]，不同的衛星傳感器空間覆蓋特征和覆蓋能力也不相同，結合具體觀測任務的時空需求對衛星傳感器的覆蓋能力進行評估，選擇最優的傳感器或傳感器組合完成觀測任務，是利用衛星傳感器對地球表面進行高效觀測的關鍵。

遙感衛星對地覆蓋的現有研究主要集中在基于特殊覆蓋要求的衛星軌道設計與衛星調度[4-5]、衛星傳感器對地覆蓋建模與可視化仿真[6-7]、衛星對地觀測效能評估[8-10]3個方面。這些研究主要關注衛星觀測系統的普遍觀測能力或對某一類觀測任務需求的滿足度，無法針對具體觀測任務完成衛星傳感器覆蓋能力評估與傳感器優選組合。在傳感器的觀測能力評估問題上，筆者先后提出了多種評估方法[11-13]，但還未提供可應用的軟件系統。在軟件系統方面，美國AGI公司開發的衛星工具包Satellite Tool Kit(簡稱STK)是世界上占有主導地位的衛星仿真軟件，功能非常強大。但針對性不強，無法實現特定觀測任務下的衛星傳感器快速查詢和優化組合，而且為美國軍方禁運系統，無法滿足國內用戶的應用需求。其他的如NOAA的NDBC系統[14]、微軟公司的SensorMap系統、武漢大學開發的地理空間傳感網信息公共服務平臺GeoSensor[15]等都只支持傳感器的查詢檢索功能，不支持傳感器的覆蓋能力評估與優選功能。

針對現有研究的不足，本文設計和實現了衛星傳感器時空覆蓋能力評估與優選組合系統，旨在為特定觀測任務需求下衛星傳感器的覆蓋能力評估與優選組合提供可用的軟件系統。

1 系統設計

1.1 系統結構設計

系統采用如圖1所示的自頂向下分層思想進行設計，從上到下分為表現層、業務層和數據層。

圖1 系統體系結構

表現層是基于.NET Framework3.5開發的一系列Windows Form窗體，這些窗體除提供普通交互界面外，還提供傳感器建模向導、衛星覆蓋仿真結果的可視化、評估及優選報告的展示功能。

業務層是系統的核心部分，實現了傳感器評估與優選組合算法。它負責接收用戶輸入，完成傳感器評估與優選核心業務，返回響應結果給用戶。

數據層提供各種類型的衛星傳感器資源、觀測主題資源和衛星傳感器對地覆蓋條帶中間數據資源。

1.2 系統功能設計

根據衛星傳感器覆蓋能力評估與優選組合系統需求，系統主要分為4大功能模塊，其中每個功能模塊又分為若干個子模塊，共同完成衛星傳感器對地覆蓋能力評估與優選組合功能。

(1) 傳感器建模主要提供傳感器模型快速建立及TLE數據更新功能。以向導式的方式引導用戶快速構建衛星傳感器模型，并自動完成模型的合法性檢驗。

(2) 觀測主題定義提供定義觀測主題功能，包括觀測區域空間范圍及位置、觀測時間、觀測持續時間段、觀測周期及其他特殊觀測要求的定義。提供可視化的空間編輯功能和向導式的屬性編輯功能。此外，還支持已有觀測主題的導入功能。

(3) 可視化子模塊主要實現衛星星下點軌跡的可視化、衛星覆蓋條帶的可視化的相關功能。衛星覆蓋條帶可根據需要選擇基于幅寬或基于傳感器視場角生成，默認基于傳感器視場角。

(4) 評估與優選模塊完成衛星傳感器的覆蓋面積百分比、覆蓋重數、覆蓋持續時間等指標評價，并根據評價結果選擇各觀測時段最優傳感器進行組合，得到優選組合觀測方案。

2 關鍵技術

2.1 衛星傳感器對地覆蓋建模

雖然傳感器種類多樣，分類標準也不唯一，但在傳感器的時空覆蓋能力評估及傳感器的優選過程中，只需要關注傳感器對具體觀測任務的時空覆蓋范圍。由于衛星是沿軌道不斷運行的，因此不論衛星的實際視場如何，最終都將形成地球表面的覆蓋條帶，條帶的外沿邊界線為傳感器視場邊界在垂直于星下點軌跡方向的最外側點所形成的軌跡。

研究衛星傳感器的對地覆蓋，條帶外沿邊界點的確定至關重要，尤其是考慮傳感器側擺能力時，情況將更加復雜，對此本文提出了體現傳感器最大對地覆蓋能力的衛星傳感器對地覆蓋幾何模型，該模型綜合考慮了衛星傳感器的側擺能力，對于側視和非側視的衛星傳感器都適用。模型敘述如下。

如圖2(a)所示，S為傳感器焦點，X為衛星飛行方向，Z為衛星指向星下點方向，Y為Z和X的向量積，以S為原點，X、Y、Z為坐標軸構成右手坐標系，定義為衛星坐標系。假設傳感器可以自由轉動，形成一個轉動圓O，傳感器的所有可能的視線位于圓O內。設傳感器覆蓋范圍內所能達到距離星下點最遠距離的點所對應的視線為最大邊界視線，用向量l表示，因為傳感器可自由轉動，因此l一定經過圓O上一點N。當傳感器轉動時，l在地面上留下的軌跡所組成的封閉范圍為傳感器所能覆蓋的最大范圍。最大覆蓋范圍移動所形成的條帶，為最大覆蓋條帶。當l轉動到S-YZ平面時，所對應的覆蓋邊界點為最大覆蓋條帶的左右邊界，對應的觀測視線向量為lL和lR，稱為左右最大覆蓋觀測視線，分別過圓上點NL和NR，覆蓋條帶邊界為L和R。

對于固定式傳感器或只能在特定方向擺動的傳感器，只需將點N固定在圓O上相應角度位置上即可。對于側視觀測，則覆蓋條帶的左右邊界都在星下點軌跡的一側，此時左最大覆蓋觀測視線與圓O的交點NL位于圓內，如圖2(b)所示。

圖2 星傳感器對地覆蓋幾何模型

最大覆蓋觀測視線的向量表示為

l=[0sin(θ±α)cos(θ±α)]T

(1)

式中，θ為最大側擺角；α為半視場角。為了使最大覆蓋條帶最大化，傳感器的側擺應在S-YZ平面上進行。

2.2 衛星傳感器對地時空覆蓋能力綜合評價與優選

傳感器的綜合評價和優選分為靜態評價和動態評價兩個階段。如圖3所示，在靜態階段，只根據觀測主題的靜態需求即觀測主題類型、空間分辨率需求、時間分辨率需求對候選傳感器進行初步的評估和篩選，得到符合條件的傳感器作為動態階段的候選傳感器；在動態評價階段，完成傳感器對具體觀測任務的時空覆蓋能力評估，計算各傳感器對當前觀測任務時空覆蓋要求的滿足程度并以此評價傳感器的優劣；經靜態評價篩選和動態評價篩選之后，選取對觀測任務時空覆蓋范圍最大的傳感器作為最優傳感器進行組合，完成優選組合過程。

3 系統實現與驗證

3.1 系統實現

3.1.1 傳感器建模

傳感器模型一共用9項屬性來描述，分別為名稱、所在衛星名(平臺)、空間分辨率、幅寬、視場角、最大側擺角、是否側視雷達、初始側擺角、TLE數據。以向導式的方式引導建模和模型更新。

圖3 衛星傳感器綜合能力評價流程

3.1.2 觀測任務定義

通過加載在線地圖提供定義觀測主題的底圖。系統提供鼠標繪制和導入外來空間數據兩種方式定義觀測任務，以矢量數據形式保存。

3.1.3 衛星軌跡與覆蓋可視化

星下點可視化生成的為一個Polyline矢量要素類，要素類的名稱與傳感器的名稱一致。離散程度默認為一分鐘，即一分鐘計算一個衛星位置。

3.1.4 對地覆蓋能力評估與傳感器優選

評估與優選模塊計算傳感器對觀測任務的覆蓋總時長、總覆蓋次數、平均覆蓋時長和累計覆蓋面積百分比統計量，系統以此為基礎提供以最大時空覆蓋范圍為原則的衛星傳感器優選組合方案。如圖4所示。

圖4 衛星傳感器時空覆蓋能力評估與優選組合系統

3.2 應用實例

將本系統用于金沙江下游流域洪水應急場景下實施降雨觀測的衛星傳感器評估與優選組合，并將優選結果與實際觀測結果比對，驗證系統的可行性。觀測時間范圍為2014-06-29T00：00：00+08：00—2014-06-30T00：00：00+08：00，觀測空間范圍為24.461 725°N—29.581 736°N、99.572 968°E—104.946 251°E。部分傳感器評估結果見表1，傳感器優選組合方案及比對結果見表2。

表1 傳感器覆蓋評估結果

表2 傳感器優選結果

4 結 語

本系統實現了具體觀測任務需求下的衛星傳感器時空覆蓋能力評估，可快速查詢可用于觀測的衛星傳感器并生成優選組合觀測方案，為實現應急觀測場景下衛星傳感器的快速發現、覆蓋能力評估、觀測方案優化提供了有效支持。實例驗證結果顯示系統計算結果與實際觀測結果基本一致，驗證了本系統的實用性。