高分衛(wèi)星任務(wù)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馬萬權(quán)，徐小剛，霍國清，孔慶玲，張 棟，韓 續(xù)

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.中國電子科技集團(tuán)公司航天信息應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050081)

0 引言

長期以來，國內(nèi)遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取渠道單一，尤其是高分辨率遙感數(shù)據(jù)基本上被國外壟斷，造成了作為我國農(nóng)業(yè)、林業(yè)、土地、水利、城市規(guī)劃、環(huán)境保護(hù)、地質(zhì)礦產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境和自然災(zāi)害監(jiān)測應(yīng)對等領(lǐng)域的重要信息源的遙感數(shù)據(jù)長期依賴進(jìn)口，相關(guān)領(lǐng)域不能掌握核心關(guān)鍵技術(shù)的困境。為打破我國高分辨率對地觀測技術(shù)落后、遙感數(shù)據(jù)依賴國外進(jìn)口的局面，高分辨率對地觀測系統(tǒng)(China High-resolution Earth Observation System，CHEOS)重大專項(xiàng)(簡稱“高分專項(xiàng)”)經(jīng)國務(wù)院批復(fù)立項(xiàng)，是《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006—2020年)》確定的16個國家重大科技專項(xiàng)之一，由國防科工局聯(lián)合有關(guān)部門共同實(shí)施，旨在大幅度提高我國自主對地觀測信息獲取能力,對保障國家安全、推動國防現(xiàn)代化建設(shè)和促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展具有重大戰(zhàn)略意義。

CHEOS是國家重要的戰(zhàn)略性資源和空間基礎(chǔ)設(shè)施，包括衛(wèi)星系統(tǒng)、運(yùn)載系統(tǒng)等空間段，以及發(fā)射、測控和地面應(yīng)用系統(tǒng)等地面段。建立以CHEOS重大專項(xiàng)數(shù)據(jù)中心為核心的地面系統(tǒng)，是有效滿足國家有關(guān)重大戰(zhàn)略需求、推動國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會發(fā)展的保障，是銜接高分?jǐn)?shù)據(jù)獲取系統(tǒng)與應(yīng)用不可或缺的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，高效獲取利用高分?jǐn)?shù)據(jù)、為行業(yè)部委等用戶進(jìn)行社會治理提供有力支持，也是落實(shí)數(shù)據(jù)政策、積累戰(zhàn)略數(shù)據(jù)資源、加強(qiáng)信息安全監(jiān)管和進(jìn)行宏觀調(diào)控的重要支撐[1]。

高分專項(xiàng)按照衛(wèi)星型號工程立項(xiàng)研制，但是為了提高高分衛(wèi)星和地面資源的建設(shè)和運(yùn)行效率，對高分地面系統(tǒng)提出了統(tǒng)籌建設(shè)要求。明確要求，通過高分地面系統(tǒng)建設(shè)帶動我國現(xiàn)有衛(wèi)星地面設(shè)施和資源統(tǒng)籌利用和整合，全面提升空間數(shù)據(jù)資源共享共用水平。地面系統(tǒng)建設(shè)將統(tǒng)籌規(guī)劃并利用我國陸地、環(huán)境、氣象和海洋衛(wèi)星已有的地面設(shè)施和技術(shù)能力，創(chuàng)新管理和運(yùn)行模式，聯(lián)合相關(guān)部門組建高分民用數(shù)據(jù)中心，建立統(tǒng)一任務(wù)規(guī)劃、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、運(yùn)行平臺和服務(wù)模式的工作機(jī)制，建成國家級高分?jǐn)?shù)據(jù)服務(wù)平臺，滿足國家對專項(xiàng)的要求。

1 高分衛(wèi)星介紹

高分一號衛(wèi)星是CHEOS的首發(fā)星，裝載2臺全色多光譜高分辨率相機(jī)和4臺寬覆蓋多光譜相機(jī)，6臺相機(jī)相互配合，具有“高分辨率與大視場相結(jié)合、多載荷圖像拼接融合應(yīng)用”的特點(diǎn)。全色多光譜高分辨率相機(jī)采用同軸三反光學(xué)鏡頭與多譜段TDICCD相結(jié)合的技術(shù)路線，寬覆蓋多光譜相機(jī)具有4個多光譜譜段，采用4臺相機(jī)進(jìn)行拼接視場的方式，實(shí)現(xiàn)星下點(diǎn)地面分辨率優(yōu)于16 m、觀測帶寬達(dá)830 km的技術(shù)指標(biāo)，單星實(shí)現(xiàn)了4 d的重復(fù)觀測周期[2]。

高分二號衛(wèi)星是中國首顆分辨率達(dá)到1 m的民用遙感衛(wèi)星，裝載2臺1 m全色/4 m多光譜相機(jī)，整星質(zhì)量為2 100 kg。衛(wèi)星運(yùn)行在632 km的太陽同步軌道上，可為用戶提供最高全色分辨率為0.8 m、多光譜分辨率為3.2 m、幅寬為45 km的圖像數(shù)據(jù)，是中國第一顆目標(biāo)定位精度要求達(dá)到 50 m、空間分辨率最高的民用低軌遙感衛(wèi)星[3]。

高分三號衛(wèi)星是我國首顆C頻段多極化高分辨率合成孔徑雷達(dá)(SAR)衛(wèi)星，具有聚束、條帶、掃描等12種成像模式，可以獲取分辨率 1～500 m、幅寬 10～500 km、從單極化至全極化的SAR圖像，單次成像最長可連續(xù)工作 50 min，具有高分辨率、大成像幅寬、高輻射精度、多成像模式和長時工作的特點(diǎn)，能夠全天候和全天時實(shí)現(xiàn)全球海洋和陸地信息的監(jiān)視監(jiān)測，并通過左右姿態(tài)機(jī)動擴(kuò)大對地觀測范圍和提升快速響應(yīng)能力，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到或超過國外同類衛(wèi)星水平[4-5]。

高分四號衛(wèi)星是我國首顆地球靜止軌道高分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星。衛(wèi)星有效載荷配置1臺可見光和中波紅外共口徑的光學(xué)相機(jī)，星下點(diǎn)像元分辨率達(dá)到可見光譜段50 m/中波紅外譜段400 m，可見光通道幅面大于500 km×500 km；共6個譜段，譜段范圍是0.45～0.9 μm和3.5～4.1 μm，無控制點(diǎn)目標(biāo)定位精度優(yōu)于4 km。衛(wèi)星具有全色、多光譜和中波紅外譜段成像能力，利用長期駐留固定區(qū)域上空和快速指向調(diào)整的優(yōu)勢，可快速對中國及周邊地區(qū)的觀測任務(wù)進(jìn)行響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了高時間分辨率和較高空間分辨率的結(jié)合。高分四號衛(wèi)星的研制填補(bǔ)了我國乃至世界高軌道高分辨率遙感衛(wèi)星的空白[6-7]。

高分五號衛(wèi)星是我國第一顆高光譜綜合觀測衛(wèi)星，裝載了6臺有效載荷，觀測譜段覆蓋范圍從紫外到長波紅外譜段(0.24～13.3 μm)，最高光譜分辨率達(dá)0.03 cm-1。衛(wèi)星具備高光譜與全譜段對地成像、大氣掩星與天底觀測、大氣多角度偏振探測和海洋耀斑觀測等觀測手段，具備在軌定標(biāo)功能，絕對輻射定標(biāo)精度優(yōu)于5%，光譜定標(biāo)精度最高可達(dá)0.008 cm-1。主要用于獲取從紫外到長波紅外譜段的高光譜分辨率遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品，是實(shí)現(xiàn)高分專項(xiàng)“形成高空間分辨率、高時間分辨率、高光譜分辨率和高精度觀測的時空協(xié)調(diào)，全天候、全天時的對地觀測系統(tǒng)”目標(biāo)的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)國家高分辨率對地觀測能力的重要標(biāo)志之一,可為我國大氣、水、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、自然資源調(diào)查和氣候變化研究等提供國產(chǎn)高光譜數(shù)據(jù)產(chǎn)品[8]。

高分六號衛(wèi)星是首顆采用國產(chǎn)CMOS成像器件的多光譜遙感衛(wèi)星，兼具高分辨率成像與超大幅寬成像能力，裝載1臺全色2 m/多光譜8 m分辨率95 km幅寬的高分辨率相機(jī)和1臺16 m分辨率860 km幅寬的超大視場寬覆蓋多光譜相機(jī)，8個譜段充分利用了可見光0.4～0.9 μm光譜范圍，量化位數(shù)達(dá)到12 bit，輻射分辨能力比高分一號提高了4倍，也是我國首顆具備紅邊譜段的遙感衛(wèi)星。和高分一號組網(wǎng)運(yùn)行，對我國陸地區(qū)域的重訪時間分辨率提高了一倍[9]。

高分七號衛(wèi)星是我國首顆1∶10 000比例尺立體測繪衛(wèi)星，裝載1臺雙線陣相機(jī)和1臺激光測高儀，其中前視相機(jī)地面像元分辨率0.8 m，后視相機(jī)地面像元分辨率0.65 m，多光譜地面像元分辨率2.6 m，實(shí)現(xiàn)了雙線陣相機(jī)與激光測高儀主被動復(fù)合測繪新體制，實(shí)現(xiàn)了少控制點(diǎn)或無控制點(diǎn)區(qū)域的大比例尺立體測繪能力。首次實(shí)現(xiàn)了低軌遙感衛(wèi)星X頻段自適應(yīng)高速率數(shù)據(jù)傳輸，雙通道最高傳輸速率可達(dá)2×1.2 Gb/s[10-11]。

2 地面系統(tǒng)研制建設(shè)任務(wù)

2.1 地面系統(tǒng)研制建設(shè)目標(biāo)

地面系統(tǒng)建設(shè)主要包括數(shù)據(jù)接收、定標(biāo)檢校和公共平臺3類基礎(chǔ)保障設(shè)施，以及數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)處理和任務(wù)管理三大運(yùn)行系統(tǒng)。

3類基礎(chǔ)保障設(shè)施是指：數(shù)據(jù)接收設(shè)施，即衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收站網(wǎng)；定標(biāo)檢校設(shè)施，即對大氣、陸地、海洋等定標(biāo)和檢驗(yàn)設(shè)施；公共平臺設(shè)施，即數(shù)據(jù)服務(wù)網(wǎng)格和通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施等。

三大運(yùn)行系統(tǒng)主要任務(wù)：數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)通過地面接收站網(wǎng)完成海量數(shù)據(jù)接收和快速傳輸；數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)負(fù)責(zé)生產(chǎn)0～2級標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品；任務(wù)管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)星地任務(wù)規(guī)劃、設(shè)施運(yùn)行調(diào)度、數(shù)據(jù)分發(fā)管理和系統(tǒng)運(yùn)行評價。

2.2 地面系統(tǒng)運(yùn)行架構(gòu)設(shè)計(jì)

高分地面系統(tǒng)不僅需要根據(jù)用戶應(yīng)用需求來進(jìn)行系統(tǒng)建設(shè)，同時還要考慮天基系統(tǒng)對地面系統(tǒng)的研制功能和指標(biāo)要求進(jìn)行配套建設(shè)任務(wù)管理管控能力、地面接收能力和數(shù)據(jù)處理能力，地面系統(tǒng)是一個大型復(fù)雜的信息系統(tǒng),整個系統(tǒng)建設(shè)周期為10年，同時考慮到天基系統(tǒng)是逐步完成立項(xiàng)和研制工作，因此地面系統(tǒng)采用增量式的研發(fā)過程，必然要研究解決系統(tǒng)的基礎(chǔ)架構(gòu)和工作流程的柔性重組與擴(kuò)展問題。為了保障地面系統(tǒng)建設(shè)順利開展以及建成的地面系統(tǒng)運(yùn)行可靠，進(jìn)行了地面系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)和綜合集成。

為了實(shí)現(xiàn)高分專項(xiàng)工程研制建設(shè)目標(biāo)，引領(lǐng)對地觀測系統(tǒng)技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展，在實(shí)施方案中，針對高分專項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新內(nèi)容多、行業(yè)部委專用戶需求多、研制建設(shè)周期跨度大、參與建設(shè)實(shí)施與運(yùn)行的單位多等特點(diǎn)，地面系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)提出了“五統(tǒng)一”頂層設(shè)計(jì)原則，即：“任務(wù)規(guī)劃統(tǒng)一、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、運(yùn)行平臺統(tǒng)一、服務(wù)模式統(tǒng)一和信息網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一”。

根據(jù)“五統(tǒng)一”設(shè)計(jì)原則，從我國對地觀測系統(tǒng)地面應(yīng)用體系需求出發(fā)，提出了覆蓋高分衛(wèi)星陸地、氣象、海洋遙感領(lǐng)域的高分專項(xiàng)地面系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)，整合地面接收站網(wǎng)、定標(biāo)與數(shù)據(jù)處理、衛(wèi)星任務(wù)管控、數(shù)據(jù)共享分發(fā)網(wǎng)絡(luò)資源，設(shè)計(jì)了高分地面系統(tǒng)運(yùn)行架構(gòu)(如圖1所示)和統(tǒng)一的控制流程和信息流程，支撐了高分專項(xiàng)運(yùn)行機(jī)制的建立。

圖1 高分專項(xiàng)地面系統(tǒng)運(yùn)行架構(gòu)Fig.1 Operating architecture of CHEOS ground system

2.3 任務(wù)管理系統(tǒng)的地位作用

民用高分衛(wèi)星地面任務(wù)管理系統(tǒng)作為高分專項(xiàng)地面系統(tǒng)的三大組成系統(tǒng)之一，是任務(wù)優(yōu)化決策和衛(wèi)星控制的中樞神經(jīng)系統(tǒng)，是地面系統(tǒng)高效有序運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其職能定位如圖2所示。從用戶提出對地觀測需求開始，統(tǒng)籌規(guī)劃衛(wèi)星和地面系統(tǒng)的任務(wù)，編排任務(wù)計(jì)劃，管控衛(wèi)星相機(jī)、固存、數(shù)傳等有效載荷動作，安排地面數(shù)據(jù)站網(wǎng)接收、地面處理和分發(fā),并分析評價系統(tǒng)運(yùn)行效能。

圖2 高分地面任務(wù)管理系統(tǒng)地位作用Fig.2 Position and role of CHEOS mission management system

任務(wù)管理系統(tǒng)是高分衛(wèi)星應(yīng)用效益能否發(fā)揮的重要基礎(chǔ)，且通過系統(tǒng)建設(shè)可有效帶動我國現(xiàn)有衛(wèi)星地面設(shè)施和資源統(tǒng)籌利用和整合，全面提升對地觀測資源共享共用水平，對推動我國民用遙感行業(yè)技術(shù)發(fā)展具有重要作用。

2.4 任務(wù)管理系統(tǒng)功能與指標(biāo)

任務(wù)管理系統(tǒng)的建設(shè)目標(biāo)是：研制高分地面任務(wù)管理平臺，具備高分系列衛(wèi)星觀測任務(wù)規(guī)劃、地面系統(tǒng)任務(wù)流程的運(yùn)行管理能力和星地資源管理與狀態(tài)監(jiān)視能力，實(shí)現(xiàn)地面系統(tǒng)控制流與信息流的綜合集成，支持對衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量管理、地面系統(tǒng)運(yùn)行統(tǒng)計(jì)分析和運(yùn)行監(jiān)管評價。

主要功能指標(biāo)如下：

① 處理用戶需求，對用戶需求進(jìn)行分析，形成天基任務(wù)規(guī)劃預(yù)案，進(jìn)行會商協(xié)調(diào)；

② 對觀測計(jì)劃、載荷計(jì)劃、接收計(jì)劃、定標(biāo)檢校計(jì)劃的執(zhí)行過程實(shí)施制定、跟蹤與閉環(huán)管理；

③ 根據(jù)對地觀測任務(wù)進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃，形成一種或多種載荷組合的對地觀測任務(wù)單，按照衛(wèi)星工作模式和多傳感器使用方式制定衛(wèi)星觀測計(jì)劃；

④ 根據(jù)數(shù)據(jù)接收資源、衛(wèi)星預(yù)報(bào)軌道制定衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收計(jì)劃；

⑤ 處理衛(wèi)星遙測數(shù)據(jù)，根據(jù)遙測參數(shù)監(jiān)視衛(wèi)星及有效載荷工作狀態(tài)；

⑥ 監(jiān)視地面系統(tǒng)的運(yùn)行狀況以及任務(wù)執(zhí)行情況；

⑦ 綜合顯示地面系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、任務(wù)進(jìn)程、衛(wèi)星運(yùn)行狀態(tài)；

⑧ 管理調(diào)度高分地面系統(tǒng)業(yè)務(wù)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)地面任務(wù)管理系統(tǒng)、接收系統(tǒng)和處理系統(tǒng)之間的業(yè)務(wù)協(xié)調(diào)，并完成任務(wù)閉環(huán)管理；

⑨ 模擬仿真高分地面系統(tǒng)接收系統(tǒng)、處理系統(tǒng)、任務(wù)管理系統(tǒng)的接口和業(yè)務(wù)流程，并驗(yàn)證其正確性和完整性；

⑩ 采集系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)行效能分析與評價。

主要技術(shù)指標(biāo)如下：

① 管理陸地、大氣、海洋觀測等7顆高分衛(wèi)星；

② 控制可見光、紅外、多光譜、高光譜、微波成像和大氣觀測等衛(wèi)星有效載荷；

③ 常規(guī)模式下任務(wù)規(guī)劃用時≤15 min，應(yīng)急模式下任務(wù)規(guī)劃用時≤3 min;

④ 工作模式：常規(guī)模式，應(yīng)急模式；

⑤ 模擬地面各系統(tǒng)接口，覆蓋率不低于99%；模擬接口文件和測試用例正確率不低于98%。

3 任務(wù)管理系統(tǒng)研制建設(shè)進(jìn)展

3.1 任務(wù)管理系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

與衛(wèi)星研制進(jìn)度相適應(yīng)，任務(wù)管理系統(tǒng)分3階段統(tǒng)籌建設(shè)。第1階段工程開展頂層設(shè)計(jì)，針對高分一號、二號和三號衛(wèi)星完成研制建設(shè)任務(wù)；第2階段工程針對高分四號、五號衛(wèi)星完成研制建設(shè)任務(wù)；第3階段工程針對高分六號、七號衛(wèi)星完成研制建設(shè)任務(wù)。

在立項(xiàng)與可研論證及總體技術(shù)方案設(shè)計(jì)中，運(yùn)用系統(tǒng)工程理論開展了領(lǐng)域分析與工程建模，設(shè)計(jì)了支持增量式開發(fā)與集成的技術(shù)體系架構(gòu)，梳理了系統(tǒng)工程中的關(guān)鍵技術(shù)，分解了系統(tǒng)功能與性能指標(biāo)，將任務(wù)管理系統(tǒng)的研制建設(shè)任務(wù)分解為3個部分：星地任務(wù)統(tǒng)籌規(guī)劃與調(diào)度管理平臺、地面系統(tǒng)仿真與綜合集成平臺和系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)采集與運(yùn)行評價平臺。

星地任務(wù)統(tǒng)籌規(guī)劃與調(diào)度管理平臺受理分析各類用戶觀測需求，實(shí)施任務(wù)去重合并預(yù)規(guī)劃，通過人機(jī)交互式會商確定預(yù)案，優(yōu)化星地協(xié)同任務(wù)方案，編排高分衛(wèi)星載荷工作計(jì)劃、業(yè)務(wù)測控計(jì)劃、地面數(shù)據(jù)接收計(jì)劃，調(diào)度任務(wù)計(jì)劃有序?qū)嵤ＴO(shè)計(jì)了用戶需求統(tǒng)籌分析、天地一體化綜合任務(wù)規(guī)劃、中長期任務(wù)規(guī)劃、低軌衛(wèi)星計(jì)劃編制、高分四號任務(wù)編排、運(yùn)行調(diào)度會商和技術(shù)支持服務(wù)等7個子系統(tǒng)。

地面系統(tǒng)仿真與綜合集成平臺利用二維/三維可視化方式展示任務(wù)規(guī)劃與管理的全過程，進(jìn)行衛(wèi)星地面系統(tǒng)接口模擬仿真，為地面任務(wù)管理系統(tǒng)接口對接、平面聯(lián)試、系統(tǒng)集成提供聯(lián)調(diào)測試環(huán)境，為地面系統(tǒng)的增量式開發(fā)集成過程的平穩(wěn)升級提供支撐。設(shè)計(jì)了任務(wù)仿真與展現(xiàn)、接口數(shù)據(jù)模擬和測試用例管理等3個子系統(tǒng)。

系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)采集與運(yùn)行評價平臺通過采集地面系統(tǒng)采集星地系統(tǒng)運(yùn)行過程數(shù)據(jù)，進(jìn)行任務(wù)閉環(huán)管理和數(shù)據(jù)與產(chǎn)品質(zhì)量信息管理，統(tǒng)計(jì)分析業(yè)務(wù)運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)地面系統(tǒng)運(yùn)行評價，輸出日報(bào)、月報(bào)和年報(bào)等系統(tǒng)能力分析和效能評估結(jié)果。設(shè)計(jì)了等地面系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)管、衛(wèi)星運(yùn)行評價、用戶服務(wù)評價和運(yùn)行監(jiān)管服務(wù)網(wǎng)站等4個子系統(tǒng)。

3.2 任務(wù)管理系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

從我國對地觀測系統(tǒng)地面應(yīng)用體系需求出發(fā)，基于“五統(tǒng)一”原則，統(tǒng)一體系構(gòu)架、技術(shù)體制和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，秉承“服務(wù)、敏捷、智慧、高效”的設(shè)計(jì)理念，在構(gòu)建星地資源一體化、自動化、智能化的規(guī)劃調(diào)度體系基礎(chǔ)上，基于插件軟件平臺[12]，建立了基于服務(wù)的開放式架構(gòu)，如圖3所示。按照業(yè)務(wù)應(yīng)用層、業(yè)務(wù)服務(wù)層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用軟件支撐平臺層、軟件基礎(chǔ)支撐平臺層和系統(tǒng)硬件支撐平臺層的多層可重組重構(gòu)的柔性系統(tǒng)結(jié)構(gòu)理念，建立可擴(kuò)展的用戶需求統(tǒng)籌服務(wù)、任務(wù)管理調(diào)度服務(wù)、星地資源智能規(guī)劃服務(wù)、星地可視化仿真平臺和系統(tǒng)運(yùn)行效果評估平臺，實(shí)現(xiàn)用戶、衛(wèi)星、地面站、處理各環(huán)節(jié)的有序高效運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖3 高分地面任務(wù)管理系統(tǒng)技術(shù)體系架構(gòu)Fig.3 System architecture of CHEOS mission management system

3.3 關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)

重點(diǎn)針對高分專項(xiàng)的高時間分辨率、高空間分辨率、高光譜分辨率的科技創(chuàng)新要求，結(jié)合高分衛(wèi)星的多載荷工作模式(可見光、紅外、多光譜、微波條帶、微波寬幅掃描、微波聚束、微波全極化條帶、微波模式成像、高光譜、大氣痕量氣體差分吸收光譜儀、立體成像和激光等)、多用戶(國土、減災(zāi)、氣象、海洋和環(huán)境等行業(yè)用戶；京津冀、長三角、珠三角、省級區(qū)域用戶、科研院所和大眾用戶)、多任務(wù)(調(diào)查、監(jiān)測和應(yīng)急)、高低軌衛(wèi)星協(xié)同觀測等應(yīng)用特點(diǎn)，開展技術(shù)體系研究和工程實(shí)施應(yīng)用，突破開放式多用戶對地觀測需求統(tǒng)籌處理、靜止軌道衛(wèi)星應(yīng)急任務(wù)編排、天地一體化多星任務(wù)規(guī)劃和啟發(fā)式快速應(yīng)急任務(wù)調(diào)度方法等多個關(guān)鍵技術(shù)。

(1) 開放式多用戶對地觀測需求統(tǒng)籌服務(wù)平臺設(shè)計(jì)

高分用戶對地觀測需求數(shù)量持續(xù)激增，針對行業(yè)、區(qū)域用戶多、觀測需求各異的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了開放式的用戶需求受理平臺，面向各類調(diào)查、監(jiān)測等常規(guī)觀測任務(wù)和應(yīng)急觀測任務(wù)，提供衛(wèi)星過頂軌道預(yù)報(bào)、目標(biāo)訪問計(jì)算、用戶目標(biāo)批量導(dǎo)入與管理、觀測任務(wù)執(zhí)行進(jìn)展反饋等功能，提高用戶需求提交的方便性和準(zhǔn)確性。采用基于層級任務(wù)網(wǎng)絡(luò)(HTN)技術(shù)建立多用戶對地觀測需求預(yù)處理模型[13]，分析各用戶對觀測目標(biāo)區(qū)域、觀測時限、傳感器空間分辨率及光譜要求，將復(fù)合任務(wù)分解成元任務(wù)，便于發(fā)揮人機(jī)交互決策優(yōu)勢，同時提高用戶需求的滿足度。

在綜合任務(wù)規(guī)劃過程中，根據(jù)用戶提交的年度觀測需求預(yù)先進(jìn)行中長期任務(wù)規(guī)劃分析，可以在較長一段時間充分有效地利用現(xiàn)有衛(wèi)星資源，從而最大限度滿足用戶的需求。

針對各類用戶的短期、中期、長期觀測需求，根據(jù)觀測需求對時間、空間和頻度的要求，建立多用戶對地觀測需求統(tǒng)籌處理模型，從需求時空分布、覆蓋率預(yù)估和優(yōu)先級等多個方面統(tǒng)籌分析觀測需求，考慮高分系列各衛(wèi)星軌道特性、回訪周期，利用一個基準(zhǔn)回歸周期內(nèi)的星歷數(shù)據(jù)推算任意時間的衛(wèi)星運(yùn)行位置，從而最大限度提高訪問覆蓋分析的效率和準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)了開放式觀測需求統(tǒng)籌平臺，幫助用戶提出精準(zhǔn)的觀測任務(wù)，滿足了服務(wù)用戶范圍廣、用戶需求復(fù)雜多樣、對需求受理與分析反饋要求高的需求，有效提高了觀測需求滿足率。

(2) 天地一體化綜合任務(wù)規(guī)劃技術(shù)

觀測任務(wù)規(guī)劃過程就是面向任務(wù)的規(guī)劃與優(yōu)化控制過程，是組合優(yōu)化問題，問題可行解數(shù)量巨大，具有組合爆炸特征。采用天地一體化綜合任務(wù)規(guī)劃技術(shù)，既考慮用戶需求滿足情況又考慮星地資源優(yōu)化利用，即結(jié)合氣象信息、數(shù)據(jù)預(yù)處理結(jié)果信息，在規(guī)劃時間范圍內(nèi)對多顆高分衛(wèi)星進(jìn)行綜合任務(wù)優(yōu)化，在滿足衛(wèi)星成像約束條件的前提下，消解多衛(wèi)星之間的任務(wù)沖突、單星任務(wù)沖突、地面站數(shù)據(jù)接收任務(wù)沖突。

其中，任務(wù)規(guī)劃算法是實(shí)現(xiàn)星地系統(tǒng)任務(wù)編排和資源優(yōu)化分配的關(guān)鍵，采用智能啟發(fā)式算法，根據(jù)問題規(guī)模和時效性要求，選擇不同算法模型解決工程實(shí)際問題。特別是針對應(yīng)急任務(wù)快速響應(yīng)需求，考慮衛(wèi)星側(cè)擺能力、空間分辨率要求、地面接收資源約束等，基于相鄰觀測任務(wù)姿態(tài)轉(zhuǎn)換時間約束和待觀測目標(biāo)優(yōu)先級，實(shí)現(xiàn)可變滑動窗口的任務(wù)分配方法，并基于對任務(wù)規(guī)劃調(diào)度基本規(guī)則庫、精確算法、啟發(fā)式算法以及智能算法組成的底層算法集合進(jìn)行管理與調(diào)度，快速進(jìn)行任務(wù)分配，從而實(shí)現(xiàn)了啟發(fā)式快速應(yīng)急任務(wù)調(diào)度，該方法具有時序控制邏輯簡單、時間復(fù)雜度低、任務(wù)安排效率高等特點(diǎn)，有效提高了多星應(yīng)急觀測時效性。

(3) 靜止軌道衛(wèi)星應(yīng)急任務(wù)動態(tài)編排技術(shù)

高分四號衛(wèi)星為我國首顆高分辨率的地球靜止軌道衛(wèi)星，具備對指定目標(biāo)實(shí)施持續(xù)和近實(shí)時觀測，且應(yīng)急響應(yīng)快、時效性要求特別高。為此，提出了一種基于最佳觀測時間和衛(wèi)星最佳成像路線要素的地球靜止軌道衛(wèi)星快速任務(wù)規(guī)劃技術(shù)[14],根據(jù)衛(wèi)星工作時間、機(jī)動次數(shù)、星上存儲、陽光規(guī)避、接收站使用約束、觀測時間要求和機(jī)動時間最短等約束，建立規(guī)劃模型。通過分析遺傳算法、模擬退火算法、蟻群算法、禁忌搜索算法和貪婪算法等多種算法的尋優(yōu)特點(diǎn)和對不同觀測任務(wù)的適應(yīng)性基礎(chǔ)上，遺傳算法在任務(wù)規(guī)模不大的情況下具有較好的尋優(yōu)能力，可以快速得到或逼近最優(yōu)解，并且有針對性地設(shè)計(jì)了優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星按照既定最佳成像路線進(jìn)行衛(wèi)星成像時，能夠觀測最多優(yōu)先級高的任務(wù)，且總側(cè)擺時間最少，成像質(zhì)量最高，根據(jù)衛(wèi)星掃描步進(jìn)方式及區(qū)域大小，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)計(jì)算點(diǎn)目標(biāo)的俯仰和滾動指向角度，針對突發(fā)應(yīng)急任務(wù)，設(shè)計(jì)了任務(wù)直接插入、任務(wù)迭代插入和任務(wù)替代插入方法調(diào)度分配應(yīng)急任務(wù)，提高了地球靜止軌道衛(wèi)星觀測資源利用率和快速反應(yīng)能力[15]。

(4) 系統(tǒng)運(yùn)行效果評價技術(shù)

研究高分系統(tǒng)控制流程和信息流程的實(shí)際運(yùn)行過程，從衛(wèi)星觀測、數(shù)據(jù)接收、產(chǎn)品生產(chǎn)、產(chǎn)品推送和服務(wù)時間等角度對數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，設(shè)計(jì)了衛(wèi)星成像時間、數(shù)傳時間、載荷工作時間和利用率等衛(wèi)星利用情況進(jìn)行評價指標(biāo)，設(shè)計(jì)了接收時長、接收數(shù)據(jù)量、利用率等地面站運(yùn)行情況評價指標(biāo)，設(shè)計(jì)了傳輸時間、產(chǎn)品生產(chǎn)時間、產(chǎn)品推送時間等任務(wù)時效性評價指標(biāo)。

通過采集高分專項(xiàng)用戶需求受理、星地任務(wù)規(guī)劃與計(jì)劃編排、業(yè)務(wù)測控調(diào)度、衛(wèi)星觀測與數(shù)傳實(shí)施、地面接收與處理等環(huán)節(jié)的系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，建立了任務(wù)規(guī)模、時效性、執(zhí)行成功率、產(chǎn)品質(zhì)量和用戶滿意度等指標(biāo)評價模型，開發(fā)了基于模板的數(shù)據(jù)挖掘分析技術(shù)，可生成關(guān)于高分遙感系統(tǒng)的包括衛(wèi)星和地面一體化的運(yùn)行評價周報(bào)、月報(bào)、年報(bào)，為國防科工局及各部委主管機(jī)構(gòu)對高分專項(xiàng)運(yùn)行效能監(jiān)管提供了支撐。

3.4 工程實(shí)施與試驗(yàn)驗(yàn)證

任務(wù)管理系統(tǒng)是隨著衛(wèi)星的逐步發(fā)射而研制實(shí)施的，必然是一個增量式開發(fā)和集成試驗(yàn)的過程。通過研制建設(shè)地面系統(tǒng)仿真與綜合集成平臺，建立聯(lián)調(diào)與集成測試環(huán)境，在每一顆衛(wèi)星發(fā)射前，開展分步驟的集成、聯(lián)試與測試，達(dá)到系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù)需要的技術(shù)狀態(tài)。在完成單個軟件配置項(xiàng)的研制后，在統(tǒng)一設(shè)計(jì)的任務(wù)管理一體化體系架構(gòu)基礎(chǔ)上，綜合集成試驗(yàn)過程中采取的具體方法包括：

接口聯(lián)試：語法、語義檢查驗(yàn)證，接口流程中協(xié)議的動態(tài)驗(yàn)證；

軟件集成調(diào)試：驗(yàn)證各系統(tǒng)有關(guān)接口、語法、流程的正確性，檢查各系統(tǒng)軟件功能，保證各系統(tǒng)具備執(zhí)行任務(wù)條件；

星地對接試驗(yàn)：通過初樣星星地對接試驗(yàn)和正樣星星地對接試驗(yàn)，確認(rèn)業(yè)務(wù)測控指令，為衛(wèi)星在軌測試提供基礎(chǔ)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)；

集成聯(lián)試試驗(yàn)：打通地面系統(tǒng)信息接口和業(yè)務(wù)流程，對系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證地面系統(tǒng)業(yè)務(wù)測控、數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理和系統(tǒng)監(jiān)控工作流程的正確性和匹配性；

在軌測試：保障衛(wèi)星關(guān)鍵技術(shù)狀態(tài)的調(diào)試，配合衛(wèi)星及載荷進(jìn)行功能性能測試、星地一體化指標(biāo)測試、地面及應(yīng)用示范系統(tǒng)測試；

系統(tǒng)驗(yàn)收：驗(yàn)證系統(tǒng)功能、性能是否滿足要求，接口、流程是否正確，文檔資料是否齊全并符合標(biāo)準(zhǔn)化要求，設(shè)備是否齊套，判定是否滿足批復(fù)的設(shè)計(jì)要求具備驗(yàn)收條件。

4 任務(wù)管理系統(tǒng)技術(shù)創(chuàng)新成果

2013年4月高分一號衛(wèi)星發(fā)射，任務(wù)管理系統(tǒng)同步上線運(yùn)行，隨著衛(wèi)星發(fā)射逐步擴(kuò)展優(yōu)化，完成了高分7顆衛(wèi)星相關(guān)的任務(wù)管理系統(tǒng)研制建設(shè)和在軌測試試驗(yàn)任務(wù)，取得了一系列具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)創(chuàng)新成果：

① 遵循“五統(tǒng)一”頂層設(shè)計(jì)原則，采用面向服務(wù)的思想進(jìn)行了高分衛(wèi)星一體化管控設(shè)計(jì)，涵蓋高分所有衛(wèi)星任務(wù)管理模式，設(shè)計(jì)了平臺加插件可擴(kuò)展軟件架構(gòu)，支持各型號衛(wèi)星任務(wù)管控模塊的增量式集成，滿足了衛(wèi)星發(fā)射時間跨度大、系統(tǒng)邊建設(shè)邊使用的高要求。

② 研制了系統(tǒng)接口試驗(yàn)?zāi)M仿真平臺，利用該平臺自動模擬生成各類測試用例和接口，實(shí)現(xiàn)了增量式研制與綜合集成的完美結(jié)合，系統(tǒng)工程實(shí)踐效益明顯。

③ 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了任務(wù)管理服務(wù)總線和可重構(gòu)的任務(wù)管理流程，既可以把衛(wèi)星的資源實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理，又解決了需要在不同時機(jī)進(jìn)行并行與串行相結(jié)合的任務(wù)規(guī)劃和串行計(jì)劃編排的矛盾，適應(yīng)了衛(wèi)星載荷類型多、使用模式和約束復(fù)雜、對任務(wù)規(guī)劃和計(jì)劃編制要求高的需求。

④ 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了面向調(diào)查、監(jiān)測等常規(guī)觀測任務(wù)和應(yīng)急觀測任務(wù)的開放式任務(wù)統(tǒng)籌平臺，滿足了服務(wù)用戶范圍廣、用戶需求復(fù)雜多樣、對需求受理與分析反饋要求高的需求。

⑤ 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)運(yùn)行評價平臺，滿足了系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)龐大、關(guān)聯(lián)關(guān)系復(fù)雜、對系統(tǒng)監(jiān)管與評價要求高的需求。

5 結(jié)束語

高分衛(wèi)星任務(wù)管理系統(tǒng)是銜接用戶和衛(wèi)星的橋梁，上線以來持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，滿足了國家安全、行業(yè)部委、應(yīng)用示范、企事業(yè)單位等各類用戶的遙感觀測需求，保障了甘肅迭部森林大火、青海門源地震災(zāi)害、四川九寨溝7.0級地震災(zāi)害、G20峰會氣象保障等多次重大任務(wù)[16]，成效顯著。

隨著我國民用空間基礎(chǔ)設(shè)施的研制建設(shè)，需要進(jìn)一步研究新的衛(wèi)星載荷及其工作模式的管控、天地一體化智能化管控、虛擬星座分布式管控[17-18]、應(yīng)急任務(wù)管控、大眾化用戶智能終端需求受理服務(wù)技術(shù)，以適應(yīng)技術(shù)不斷創(chuàng)新要求，不斷提高更大規(guī)模、不同用戶的對地觀測任務(wù)需求的滿足度。