虛擬星座構建方法與關鍵問題研究

林仁紅 王琦 歐陽平超

（1中國航天工業科學技術咨詢有限公司 2國家國防科工局重大專項工程中心）

隨著各國遙感衛星能力的日益提升，逐步由中低分辨率向高分辨率、單顆衛星向星座組網發展，由單一規劃的星座向更加復雜的、多元參與的虛擬星座組網發展，這對傳統星座的構建方法和資源保障提出新的挑戰。隨著全球對地觀測需求以及商業航天產業興起，國際組織及航天企業提出了很多衛星組網計劃。起初，國際對地觀測衛星委員會（CEOS）提出了多個虛擬星座項目，并在空間與重大災害國際憲章（CHARTER）機制下運行著一系列虛擬星座；金磚國家、上合組織等也提出了構建跨區域的虛擬星座實施規劃，虛擬星座儼然已成為遙感衛星發揮其固有能力和潛力的重要發展趨勢。

1 虛擬星座內涵及框架

虛擬星座內涵

2005年11月，CEOS全會上首次提出了“虛擬星座” (Virtual Constellation)的概念。意即通過各國空間機構間建立的合作伙伴關系，以一種協同方式，將一系列運行的、覆蓋范圍相重疊的、分屬一個或多個機構的對地觀測空間和地面系統集成起來，實現重要參數的日常持續觀測，以滿足綜合對地觀測需求。虛擬星座具有以下特點：其一，分屬于不同的衛星中心，由多種不同性質和類型的衛星、有效載荷共同組成；其二，各衛星采取相互配合、功能互補、資源共享的協同方式；其三，滿足多種復雜任務的需求，通過面向場景服務的標準接口提供原始的和處理后的觀測數據。

虛擬星座相比多星數據共享和單一規劃的實體星座，其最大優勢就是利用現有衛星資源、低成本、快速投入使用，實現對復雜環境、全球或區域性、動態變化性、多要素多維度的觀測能力。傳統單一規劃星座的衛星組網方式，大多由一個衛星中心單獨調度控制在軌衛星，完成實現本衛星中心的多星任務規劃。一般來說，單一規劃的衛星組網需要較長時間的計劃、發射、運行和維護，花費大量的財力和人力成本。當前，大部分的單一規劃組網星座尚在研究計劃階段，仍無法滿足實際需求。在此背景下，選取有目的的、以對地觀測為主的聯合行動技術——虛擬星座成為未來星座組網可持續發展的重要趨勢。

虛擬星座構建框架

虛擬星座觀測框架體系

目前，CHARTER機制是國際上唯一以實際運行方式、利用空間對地觀測技術進行減災活動的國際組織。而CEOS提出的虛擬星座是發揮多國衛星在CHARTER機制框架的綜合協調下，通過各參與方的獨立空間資源的協同運作，實現統一標準下的全球持續、系統性的觀測，是應對全球對地觀測需求、提升空間資源運作效率的新模式。

虛擬星座構建框架是由多國確定的觀測任務計劃、衛星運營商以及國際需求方，面向科學研究、衛星應用等目標而形成的對地協同觀測體系。

實踐中，虛擬星座構建也需要一些前提條件：①國際參與方愿意共享衛星資源和數據；②不存在實質上的共享技術瓶頸或技術壁壘，尤其是地面測運控站網的綜合性能與部署設計，能夠在滿足其既定任務的情況下，接受參與方虛擬星座規劃任務的調度安排；③需要建立一套科學機制或規劃體系，獲得星座組網后的數據共享或補償權益；④多國在軌的衛星資源能力互補，地面系統同步處理，數據共享鏈路通暢等。

2 虛擬星座構建方法及應用領域

構建方法

多國參與的虛擬星座，涉及到根據場景需求對不同參與方的星地資源進行規劃設計，星座構建方法顯得非常重要。一般來說，主要方法包括多方參與的仿真分析法、衛星資源聯盟、多元解析法等。

（1）仿真分析法

該方法能夠對聯合觀測任務設計、可利用衛星類型與數量、衛星軌道與重訪周期、覆蓋范圍與星下點軌跡、立體化成像體系、數據信息與共享應用等研究分析。仿真設計考慮星座覆蓋范圍等任務要求：全球覆蓋星座與區域覆蓋星座的區別主要來自任務的不同，不同的任務要求對星座設計的各項指標都有不同的影響。對地觀測星座大多采用太陽同步回歸軌道。采用仿真分析，需要設計軌道形式、軌道高度、軌道傾角、軌道升交點赤經、入軌位置及時間等。

（2）衛星資源聯盟

衛星資源聯盟是衛星組織的一種形式，是具有分布式、非層次、相互獨立且互補協同完成復雜觀測任務，該方法是構建虛擬星座的常用方法。通過研究不同衛星中心的軌道約束與載荷屬性，包括載荷約束、軌道約束、數據約束、衛星及載荷相關約束、數傳約束以及任務規劃約束等，建立衛星資源聯盟。從用途來看，衛星資源聯盟確保完成特定的對地觀測任務；從組織機制看，衛星資源聯盟的衛星分屬于不同衛星中心，由相應的衛星中心對資源進行管控。由于任務及任務環境的動態不確定性，因此面向各種任務的衛星資源聯盟也是不斷變化的。

（3）多元解析法

多元解析法是對構建虛擬星座過程中涉及定量化分析、精準計算等方法的重要補充。該方法主要是利用公式計算、函數分析、計算機處理等方法對星座覆蓋、性能比較、數據處理等進行定量化分析。使用解析方法，以衛星載荷的工作范圍為約束條件，以有效利用衛星覆蓋區域為原則，給出設計區域覆蓋衛星星座的具體步驟，得出衛星軌道根數和星座軌道參數。尤其是對比分析不同衛星的成像質量，需要根據圖像質量推測衛星性能及分析傳感器差異。按照衛星特征差異，將不同衛星及其數據進行對比分析。

這些構建方法中，仿真分析方法應用最為普遍，即為研究解決某一實際決策問題，先建立該場景應用的同態模型，并對模型進行動態、模擬的運行試驗。

應用領域

虛擬星座應用領域主要包括公益性場景需求和商業化的場景需求。前者是以滿足國際公益性、地區應急性、全球性可持續發展等問題為主，后者是面向海陸空等領域的商業性、精準化對地觀測服務。

碳觀測星座系統

船舶監測星座系統

其中，公益性及政府需求場景的應用服務，一般應在聯合國或國際合作機制框架下進行，以國防軍事（國際組織）、應急救援、實現可持續發展目標為重點，實現全球覆蓋、高頻次重訪、多種觀測載荷融合等綜合觀測系統。例如，氣候變化和大氣污染問題既是“世界性災難”，也是虛擬星座構建的關注重點。從國別需求來看，“一帶一路”沿線國家中，泰國、緬甸、老撾、孟加拉、巴基斯坦、土耳其等國家面向農林、海洋以及公共安全等領域，對高時間分辨率、高空間分辨率、多譜段等方面有需求；非洲及拉美國家還對水資源利用、自然生態保護、公共安全與應急救災等領域有需求。

商業應用方面，虛擬星座一般以資本或市場為紐帶，以資源能力為依托，為國際用戶提供高品質的增值服務，實現對目標區域、特定任務的快速響應。例如，OneAtlas作為空客防務與航天公司（ADS）的數字情報平臺，提供個性化的、共同設計的對地觀測數據服務，以及圖像處理和智能化的地理空間解決方案。

3 多國參與星座構建的關鍵問題分析

多國資源組合

多國參與的虛擬星座構建，首先考慮由參與方自身研制或交付的遙感衛星資源，以及與參與方聯合研制的衛星資源，這類衛星資源具有很好的設計基礎，并快速實現組網運行；其次，考慮在聯合國或國際組織框架下形成的星座構建規劃任務，例如CHARTER機制、上合組織、亞太空間合作組織（APSCO）、金磚國家、世界氣象組織（WMO）等合作衛星資源；再次，考慮航天合作基礎比較穩固的國家和地區，以及在多雙邊協議框架下的在軌衛星資源或規劃衛星資源。

多國參與的星座頂層架構，應該借鑒國際CHARTER機制，為確保星座正常運行，需要構建相關運營機構并確保逐步形成日常運行和業務服務能力，成立具有運行能力的星座運營機構，分別指定各參與方的業務支撐單位，確保形成工作模式、工作流程、協調機制和運行服務方式（以公益服務為主）；積極探索形成商業化運行服務能力。原則上，虛擬星座不單純考慮“數據對等”原則，而是從貢獻率的角度進行定期評估，若出現問題由各參與方協商解決。

需求統籌與任務規劃

虛擬星座構建中面臨的關鍵問題和事項包括：需求統籌問題、仿真分析問題、技術會商問題、觀測任務協調問題、數據分析處理與反饋等。

需求統籌主要是參與虛擬星座構建的各方有義務統一組織和協調本部用戶，合理向虛擬星座運控中心提出數據需求（含應急需求）：建立星座技術專家組或值班的應急任務辦公室（或應急任務響應工作組）；需求符合星座所含衛星的主要技術狀態和正常工作能力，并盡可能減少本部用戶需求沖突；優先滿足涉及各方重大利益和達到國家一級和二級災害標準的重大自然災害或人為事故的公益性數據需求。

仿真分析涉及到各方委托專業機構承擔虛擬星座仿真分析的值班任務。結合各方用戶數據需求，對星座各衛星進行軌道運行和執行任務仿真分析，盡可能降低任務沖突，滿足用戶需求；形成仿真結果后，交由星座技術專家組組織會商。

技術會商是星座技術專家組通過定期和不定期、現場會議和電視電話會議、雙邊和多邊等方式組織開展會商。其中，年度會商審議各方用戶年度需求和星座年度觀測規劃；季度會商原則上通過電視電話會議進行。若出現重大協調問題，可不定期組織會商等。常規情況下，虛擬星座月度計劃形成后原則上不做較大調整，若有重大常規任務需求，需求方須提前向星座技術專家組提出申請，由星座技術專家組會商確定是否安排和調整星座工作計劃。總之，虛擬星座構建各方應參照CHARTER機制，在各方相關部門設立應急任務辦公室（或應急任務響應工作組，輪值運行），并在星座技術專家組的組織下開展工作。

數據處理與共享機制

虛擬星座構建的最終目標是形成滿足任務需求的有效對地觀測體系，發揮多國參與構建星座的共贏效果。各參與方在提供適用衛星的基礎上，各方提供所屬的相關地面系統資源（包括地面衛星數據接收站、數據處理資源、定標場、真實性檢驗場等），作為虛擬星座數據在各方落地的支撐，各地面站采用“總體設計，分別實施，同步形成，聯網運行”的方式進行改造。尤其是對各方提供的地面系統進行綜合評測和總體設計（包括數據格式、接口標準、產品規格等協調）；分別形成改造方案，提交各國航天主管部門組織實施。

積極構建多國參與的“虛擬星座空間信息應用服務共享平臺”，有效集成和展示各參與方的衛星星座數據、應用成果、軟件工具等，提供統一的數據查詢、需求協調、任務規劃、數據分發等，并基于該平臺開展相關應用服務。

4 典型案例分析

2016年3月，金磚國家遙感衛星星座工作組會議在維也納召開，標志著多國參與的虛擬星座合作已經啟動。星座計劃分為兩步：第一步是在各參與方已有合作框架下，通過仿真分析、解析法等提出參與方的衛星、地面系統的組網要求與設施升級計劃，建立地球遙感衛星的虛擬軌道星座。第二步即為真實星座。

多國資源組合方面，一是天基設施建設，該星座由委內瑞拉遙感衛星、巴基斯坦遙感衛星、埃及二號遙感衛星，以及中巴資源衛星、中法海洋衛星等組成；二是地面設施建設，各方需提供的地面衛星數據接收站，按照站址地域合理分布，確保國土有效覆蓋、衛星數據順暢接力接收和減少任務沖突等。各方若分別提供1個地面站，其優勢是各方的投入量大致對等，需要改造和協調運行的地面站數量少；但存在中、俄地面站的任務過重，難以有效接收虛擬星座數據、覆蓋中俄等問題。但若各方分別提供若干地面站，必然會增加地面站改造成本和運行協調難度，優勢是相對有效地覆蓋俄遠東地區和中方東部地區，以及對南非和巴西相關地區的有效覆蓋（主要考慮天氣影響）。

虛擬星座系統組成

任務規劃方面，金磚國家的虛擬星座旨在發揮全覆蓋和快速響應能力，提供應急觀測與特定任務的空間信息消費服務。虛擬星座系統分為空間系統、地面系統、數據處理與增值服務等。

空間系統采用虛擬星座構型，各參與方衛星配置高分辨率、高光譜或視頻載荷，實現全天候、不受天氣影響的觀測體系；地面運控系統包括衛星星座管控、衛星狀態監測、觀測任務管理、數據接收分發服務監管；地面中心站承擔衛星星座系統的運行調度管理和接收分發服務監管；網關站負責在中心站調度下，對過境衛星進行業務測控；地面數據接收與處理系統負責數據的接收、存儲、處理及分發；增值服務系統可由第三方委托機構負責管理，面向區域開展星座數據服務的開發和推廣。

數據共享方面，針對各參與方的衛星性能、運行調度和數據應用、傳輸等需求，由星座技術專家組組織核對各國采用的相關標準規范，尤其是數據質量評價、數據產品規格、數據需求文件格式、衛星運行模式、工作流程等方面的標準規范，確保統籌銜接。其次，由專家組統籌形成該虛擬星座平臺方案，確保能夠有效匯集和展示基于該星座數據所形成的各種產品、服務與標準規范，并逐步具備云服務、計算、網上交易、互操作、協同工作等功能。