應急管理星座總體設想與體系效能仿真

安萌 翟筱羿 李帥 申志強 李素菊

(1 北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)(2 錢學森空間技術實驗室，北京 100094)(3 應急管理部國家減災中心，北京 100124)

應急管理能力關乎國家戰略和國計民生，迫切需要衛星和空間技術加快發展促進應急管理能力提升?！笆奈濉逼陂g，我國將充分發揮衛星領域優勢，圍繞應急救災、防災減災和安全生產三大任務需求，規劃論證應急管理星座，合理配置軌道衛星資源，充分利用可見光、紅外、高光譜、SAR、激光等技術手段，強化復雜環境的綜合觀測能力，在防災減災、風險檢測、災害評估方面發揮重要作用。

本文從應急管理對衛星服務需求出發，對我國在軌、在研、規劃的應急管理衛星的效能、需求滿足度等進行了計算分析，找出存在的問題與差距。結合中軌高時空分辨率對地觀測衛星和光學微波等多種手段的兼顧，實現甚高空間分辨率、高時效多要素的兼顧。星座通過不同軌道、不同平臺衛星組網設計，通過效能仿真表明，該方案可顯著提高星座應急響應和協同應用能力。

1 應急行業需求分析與星座建設思路

根據應急管理行業未來發展的要求[1]，“十四五”期間，應急管理業務對于衛星的任務需求貫穿于其業務的始終，主要體現在對災害和突發事件的預警、響應以及損失評估和重建方面的需求。具體應用需求及對衛星能力需求如表1所示。需求主要包括災害與突發事件風險監測及預警，災害與突發事件快速響應及決策和災害與突發事件損失評估及重建3個方面[2-5]。

表1 應急管理行業應用需求和對衛星的能力需求Table 1 Application requirement and its correspondent satellite capability for emergent management

通過“十二五”、“十三五”時期的建設，我國已經形成了包括環境減災星座和高分系列兩類衛星在內的應急管理衛星系統。其中，環境減災星座已發展形成多個系列的業務衛星，星座采用光學和SAR相結合的觀測手段，具有大范圍、全天候、全天時、動態災害監測能力。高分系列衛星主要包括高分一號衛星、三號、四號和六號衛星。此外，高景一號衛星、長光一號系列衛星作為我國商業衛星的代表，其數據產品也已廣泛應用于應急管理業務，為應急減災業務提供亞米級的數據。從目前應用情況來看，國內應急管理衛星星座存在的不足主要是以下3個方面：一是衛星集中過境，工作時長和觀測時效性受限；二是全天時全天候觀測能力、組網協同能力有待提升；三是觀測要素覆蓋性和定量化觀測能力也亟待完善。

在“十四五”期間應急衛星星座需要重點提升3個方面的能力，即觀測時效性，全天時、全天候協同觀測能力和觀測要素的定量化觀測能力，同時提升這3項能力最有效的方法是多星組成星座進行聯合觀測。根據應急觀測事件，建立了如圖1所示的應急管理觀測任務模型。應急觀測事件驅動是基于目標優先級排序和時空約束的多星協同觀測策略，在有限時間和空間范圍內，綜合考慮了觀測類型及等級、要素時空分布、用戶需求、空間分辨率、重訪周期、成像模式、過境時間、軌道覆蓋、衛星最長連續工作時間、星上存儲容量、時間窗口和觀測擺角、星地資源狀況、天氣條件、已獲取數據狀況等，根據觀測任務的重要性和任務完成期限，合理安排多個衛星資源和時間窗口，對一系列待觀測任務進行選取、排序及確定觀測時間，實現時空最大化觀測目標。

圖1 多星協同觀測任務分析模型Fig.1 Cooperative multiple satellite observation mission analysis model

根據應急觀測業務管理的需求[6]，既需要高空間分辨率的數據獲取，又需要高時間分辨率和較長的觀測窗口。綜合不同軌道衛星特點，需要采用中、低軌觀測和高軌相結合的衛星協同觀測手段。建立“高、中、低”軌協同應急監測系統，需大力發展中軌、亞米級高分辨率可見、紅外、SAR及視頻等監測手段，實現全天時全天候連續應急監測。充分發揮3種軌道各自獨特的優勢，通過“軌道協同、要素綜合、數據融合”逐漸形成“全國凝視、區域長時、全球高精”立體、高效、應急監測能力，按照不同軌道特性，建設“高軌低分國土凝視，中分區域連續；中分全球區域連續；低軌高分全球高重訪”的協同觀測策略，互相配合，數據融合，實現對應急區域的最大效能觀測。應急管理行業在“十四五”重點應構建多衛星協同，多要素高定量化，高時間、高空間分辨率的衛星體系。主要建議如下。

1)加強衛星軌道資源和觀測手段的合理配置

選擇不同的軌道特性協同工作對應急管理的全方位服務十分重要,應加強不同軌道類型衛星的組網建設，如靜止軌道與低軌相搭配、太陽同步軌道與傾斜軌道相搭配，實現高時間、高空間的立體觀測網絡觀測體系。同時，請加強不同觀測手段衛星星座的協同建設，在光譜維、激光、微波測距等方面加強建設，形成多種要素并舉的觀測能力。

2)加強多尺度觀測互補，支撐應急減災業務的政令暢通、指揮有效

自然災害和突發事件成因復雜、過程多變、要素多樣，需要對災前、災中和災后全方位的觀測，在衛星和載荷成像能力一定的條件下，衛星數據空間分辨率、時間分辨率、光譜分辨率和輻射分辨率指標參數間往往不能兼顧[7]。災害監測衛星星座的建設應綜合考慮災害目標多層次觀測需求，實現高中低分辨率數據優勢互補，提升星座系統化全方位觀測和多星共用能力。努力構建構成“天-地-現場”一體化的國家應急管理體系中的重要一環。

3)積極響應防災減災救災“兩個堅持、三個轉變，不同衛星系列融合入網，提升跨領域綜合化應用

綜合國家民用空間基礎設施所有衛星資源，通過氣象、海洋和陸地跨系列衛星的融合應用，組成災害監測應急觀測虛擬衛星星座，既能提高自然災害監測評估業務應用水平，又能滿足其他行業領域綜合應用需求。根據應急管理星座建設的總體設想，建議在已有環境減災星座和高分衛星系列的基礎上，在“十四五”期間按照用戶應用領域需求及基礎能力劃分為低軌星座、中軌星座和高軌衛星等3部分發展，并將不同功能衛星合并入網，構成星群，提升跨領域綜合化應用水平。

按照2020、2025和2030年3個階段進行建設，通過3個階段的建設，應急衛星的能力發展路線圖如圖2所示。

圖2 應急觀測衛星能力發展路線圖Fig.2 Satellite capabilities development milestone for emergency management

2 應急衛星星座效能評估體系和方法

2.1 指標體系

根據應急管理建立了主要參數指標體系，涉及覆蓋率、總重訪次數等6項體系要素，本文將它們分解到衛星的空間分辨率、幅寬、軌道參數和主要約束因素等7項指標上。指標體系如圖3所示。

圖3 效能分析指標體系Fig.3 Index system for efficiency analysis

1)覆蓋率

覆蓋率指衛星星座從仿真起始時間開始，不同時間所覆蓋的目標區域面積與目標區域總面積的比值，其計算方法為[8]

(1)

式中：η為覆蓋率；SF為已覆蓋的目標區域面積；ST為目標區域總面積。

2)全覆蓋所需時間

全覆蓋所需時間指衛星星座從仿真起始時間開始，將目標區域全部覆蓋時所需的時間，其計算方法為

T=t-ts

(2)

式中：T為全覆蓋所需時間；t為目標區域總面積全覆蓋時的時刻；ts為第一次觀測到目標區域時的起始時刻。

3)總重訪次數

總重訪次數指一段時間內(一般為1個月時間)所有可用衛星對目標能夠觀測的次數總和[9]

(3)

式中：N為總重訪次數；n為所有可用衛星數量；Ni為第i顆衛星對目標能夠觀測的次數。

4)平均重訪間隔

平均重訪間隔指上一次衛星對目標觀測后，平均過多久能夠對目標進行下一次觀測，該指標表征了應急衛星星座在災害發生時平均多久能夠獲得第一幅圖像，對應急減災應用有非常重要的意義。該指標的分析方法是：對一段時間內(一般為1個月時間)所有可用衛星的重訪數據按照時間進行排序，前一次衛星觀測結束后時間到下一次衛星觀測開始時的時間為一次重訪間隔。將所有的重訪間隔進行統計排序，剔除1 h以內的重訪間隔數據(1 h以內的重訪說明了衛星的數據扎堆，很多次的觀測都集中在1 h以內，對于應急減災意義不大)，再對剩下的重訪間隔數據進行統計求期望，得到平均重訪間隔的數據。

(4)

式中：ΔT為平均重訪間隔，Mi為72 h內的時間間隔統計。

5)最大重訪間隔

最大重訪間隔指上一次衛星對目標觀測后，最大要過多久能夠對目標進行下一次觀測，該指標表征了應急衛星星座在災害發生時最差情況下多久能夠獲得第一幅圖像，反映了應急衛星星座能力的下限，對應急減災應用有非常重要的意義。計算分析方法是對上文中計算的兩次觀測的間隔時間ΔTj求最大值得到[8]

ΔTmax=max(ΔTj)

(5)

6)平均觀測時間

平均觀測時間指各衛星對目標觀測起始到終止的平均持續時間，該指標表征了應急衛星星座在對目標的一次觀測中，有多長的觀測窗口可以使用，能夠反映衛星對目標連續觀測及跟蹤的能力。其計算方法是假設第i顆衛星在一段時間內第k次觀測的起始時間為TSi,k，結束時間為Tpi,k，其觀測時間Δti,k為

Δti,k=Tpi,k-Tsi,k

(6)

則平均觀測時間Δtave為

(7)

2.2 分析方法

在開展效能分析前，對效能分析的定義進行了約束[10], 包括數據接收(接收弧段)、天氣影響(云雨影響)和姿態機動(姿態機動角度和時間)3個方面。重點針對應急管理天級、小時級觀測需求開展星座的效能仿真。同時針對星座優化調整不同狀態下的效能進行了仿真比較，作為星座配置建議的支撐。主要針對3個階段衛星開展效能仿真：第一階段，2025年原國家空間基礎設施[2]規劃的7顆衛星；第二階段，2025年，7星優化后及其他外圍資源；第三階段，2030年，新增衛星及外圍資源。每一階段主要針對星座間協同的綜合能力進行仿真。仿真區域范圍主要針對全球、全國和重點城市進行了效能仿真。

根據效能評估體系，并充分借鑒以往各行業用戶需求滿足度評估方法。分析的主要輸入如下：

(1)時間段選擇為2025年、2025年和2030年；

(2)仿真區域為哈爾濱、北京、武漢、廣州、唐山等代表性城市；

(3)地面站為北京、喀什、三亞、北極等。

針對應急觀測任務，分析滿足要求的衛星，評估遙感應急觀測能力。整體的評估流程如圖4所示。

圖4 星座整體的評估流程Fig.4 Index system for efficiency analysis

2.3 分析過程和結果

1)2025年底原國家空間基礎設施規劃效能結果

優化調整后規劃立項7顆衛星[2]綜合效能為：①6顆低軌星對全國重點城市平均重訪時間間隔2.88～6.60 h、平均重訪次數4～8次/天；②6顆低軌星對全球平均重訪時間間隔約7 h、平均重訪次數3次/天；③高軌20 m光學衛星在每天1:30—22:30(21 h)內可響應成像需求(考慮中長波紅外)。6顆低軌衛星的重訪結果見表2和表3。

表2 一個月內6顆低軌衛星對全國地區的重訪Table 2 Six low orbit satellites revisit time for China territory during one month

表3 一個月內6顆低軌衛星對全球的重訪Table 3 Six low orbit satellites revisit time for globalization during one month

對北京地區2020年9月8日—9月9日內7顆衛星成像時段進行仿真，6顆低軌衛星可觀測北京地區10次，1顆高軌衛星可連續觀測北京地區。

2)2025年底星座優化后結合其他資源配置效能結果

空間基礎設施規劃17星的總體仿真情況如下，包括7顆待立項衛星(2顆環境二號C、D星(HJ-2 C/D)、2顆環境二號E、F星(HJ-2 E/F)、2顆X頻段敏捷SAR、1顆高軌20 m光學衛星)、6顆應急管理部牽頭的在研和在軌衛星(2顆環境二號C、D星、2顆環境二號E、F星、1顆高軌20 mSAR、1顆高分四號)、4顆高分專項在軌衛星(高分一號、高分二號、高分三號、高分六號)。寬幅光學衛星(HJ-2 A/B/C/D、高分一號及高分六號)對我國可實現1天對全國范圍進行覆蓋(考慮光照因素)。寬幅SAR衛星(HJ-2 E/F/G/H、高分三號)對我國可實現4天對全國99%范圍進行覆蓋(不考慮衛星供電能力限制)。14顆低軌衛星對全國重點城市平均重訪時間2～3.51 h。14顆低軌衛星對全球平均重訪時間約7 h。綜合效能分析結果如表4和表5所示。

表4 一個月內14顆低軌衛星對全國地區的重訪Table 4 14 low orbit satellites revisit time for China territory during one month

北京地區2020年9月8日—9月9日內7顆衛星成像時段仿真情況，6顆低軌衛星可觀測北京地區10次，1顆高軌衛星可連續觀測北京地區：①高軌光學星、高軌SAR星，其中2顆高軌光學星在1:30—22:30(21 h)內可響應對北京地區的成像需求(考慮中長波紅外)，1顆高軌SAR星在20:00—7:00(9 h)內可響應對北京地區的成像需求；②低軌SAR衛星，6星可觀測8次北京地區；③低軌衛星可見相機，2星可觀測2次北京地區；④低軌衛星紅外及微光相機，1星可觀測2次北京地區。

3)2030年底37星配置效能結果

優化調整后待立項7顆衛星與空間基礎設施規劃可用天基資源(共37顆)的綜合效能為可見光優于2 m、SAR優于5 m、紅外優于30 m的成像衛星協同觀測。如圖5所示(橫坐標為每顆衛星的地方時，縱坐標為各衛星的空間分辨率)。按照目前星座的配置方式，從9：00—24:00的時間段中，均有當班高軌和低軌的衛星監測，做到了應急管理業務連續性的同時，實現了不同尺度觀測的協同工作。在6：00—18：00間，同一時間段均有多顆衛星過境，滿足了觀測時間分辨率的要求，災害發生后，最快響應時間為高軌1 h以內、低軌在2 h(白天)、3 h(夜晚)以內獲取首圖。平均觀測間隔不超過4 h。衛星配置了可見光/近紅外、紅外SAR、高光譜、激光雷達等多種載荷進行配合，可實現應急管理觀測需求觀測要素的全覆蓋。

4)2030年底應急管理星座配置情況及效能分析結果

根據目前規劃方案，到2030年前后，應急管理部為主要用戶的衛星將達到13顆，其中低軌衛星10顆，高軌衛星3顆，這些衛星將成為應急管理部主要的骨干衛星，與空間基礎設施規劃的其它衛星協同工作后衛星總數將達到37顆。其效能將在“十三五”、“十四五”的基礎上得到大大提升。

各階段星座最大仿真時間比較如圖6所示(橫坐標為各空間分辨率下的衛星產品，縱坐標為最大重訪間隔)。通過分析仿真，高分辨率數據獲取最大重訪間隔明顯降低，從2020年的1～3天降低到10 h級；可見光、紅外、微光、SAR等多種手段結合后最大重訪間隔從原來的1天降低到2 h以內。

圖6 各階段星座最大重訪間隔比較Fig.6 Maximum revisit time for constellation in different stages

3 結束語

本文針對應急管理行業“十四五”規劃對于衛星星座發展的應用需求，根據目前應急管理衛星在過境實時間短[8]，觀測要素覆蓋性不足和全天時、全天候觀測方面發展的不足，按照不同階段，給出了“十四五”期間應急衛星星座發展建議?；谒岢龅男苡^測指標體系和效能仿真方法，論述了未來應急管理衛星星座的發展重點，形成高中低軌結合的衛星星座，提高觀測時效性和對重點區域的連續觀測時間，對于全天時、全天候觀測的需求，應加速發展與目前光學手段相匹配的SAR觀測能力，同時在軌道上與光學星形成較好的協同搭配。在提升觀測要素全面性方面，應重點發展大氣定量觀測手段和內陸水體徑流水質方面的觀測手段，提升應急管理綜合觀測的完備性。