智能對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星初步設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)分析

張吉祥，郭建恩

(1.中國(guó)科學(xué)院 自動(dòng)化研究所，北京 100190;

2.北京市遙感信息研究所，北京 100192 )

?

智能對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星初步設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)分析

張吉祥1,2，郭建恩2

(1.中國(guó)科學(xué)院 自動(dòng)化研究所，北京 100190;

2.北京市遙感信息研究所，北京 100192 )

摘要自主性和智能化是未來(lái)對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星發(fā)展的必然趨勢(shì)，因?yàn)殡S著遙感衛(wèi)星資源的增加，傳統(tǒng)的對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星已經(jīng)不能滿足遙感應(yīng)用中日益增長(zhǎng)的高時(shí)效性、精確獲取以及多樣化的需求。結(jié)合對(duì)地觀測(cè)的實(shí)際需求和目前的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，提出了智能對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星載荷的初步設(shè)計(jì)，對(duì)其所具備的能力、工作原理以及其中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了闡述，提出了智能對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星載荷的發(fā)展建議。

關(guān)鍵詞智能對(duì)地觀測(cè)；在軌任務(wù)規(guī)劃；在軌數(shù)據(jù)處理

Preliminary Design on Intelligent Remote Sensing Satellite System and Analysis on Its Key Technologies

ZHANG Ji-xiang1,2,GUO Jian-en2

(1.InstituteofAutomation,ChineseAcademicofScience,Beijing100190,China;2.BeijingInstituteofRemoteSensingInformation,Beijing100192,China)

AbstractThe autonomy and intelligence are the inevitable development trend of future earth observation satellite,because the traditional earth observation satellite remote sensing application has been unable to meet the growing high timeliness,accurate acquisition and diversification demand with the increase of remote sensing satellite resources.Combining the actual demand for earth observation,the current status of the development of technology,this paper proposes a preliminary design of intelligent earth observation satellite payload.The capability,operating principle and key technologies are introduced.Finally the development proposals are put forward for intelligent earth observation satellite payload.

Key wordsintelligent remote sensing;orbit mission planning;onboard data processing

0引言

近年來(lái)，對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星快速發(fā)展，衛(wèi)星的數(shù)量和應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，在現(xiàn)代信息化戰(zhàn)爭(zhēng)中，對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星在軍事應(yīng)用和信息獲取等方面突顯出重要的作用，為部隊(duì)提供了重要的作戰(zhàn)保障；大量的觀測(cè)數(shù)據(jù)也廣泛應(yīng)用于社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的各個(gè)領(lǐng)域，發(fā)揮了不可替代的作用。

隨著衛(wèi)星資源的增加，觀測(cè)任務(wù)數(shù)量、時(shí)效性等任務(wù)需求的發(fā)展，對(duì)衛(wèi)星運(yùn)行的自主性和智能性提出了更高的要求。提升衛(wèi)星的自主性和智能性可以有效減輕地面測(cè)控負(fù)擔(dān)，降低衛(wèi)星運(yùn)行費(fèi)用，提高衛(wèi)星的生存能力，擴(kuò)展衛(wèi)星的應(yīng)用潛力，以及提高衛(wèi)星快速響應(yīng)能力。

針對(duì)以上需求，結(jié)合相關(guān)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，提出了具有高自主性的智能對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星的總體構(gòu)想，并對(duì)其中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了分析。

智能對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星系統(tǒng)，通過(guò)衛(wèi)星自主任務(wù)規(guī)劃、遙感數(shù)據(jù)在軌處理和多載荷協(xié)同控制技術(shù)，使衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)面向特定任務(wù)的多衛(wèi)星相互引導(dǎo)，多載荷相互協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)多類(lèi)型衛(wèi)星系統(tǒng)協(xié)同對(duì)地觀測(cè)，星上多源信息融合處理，信息產(chǎn)品直接分發(fā)，提高衛(wèi)星應(yīng)用能力。

1需求分析與研究現(xiàn)狀

1.1需求分析

隨著成像衛(wèi)星數(shù)量的增加和分辨率的提高，對(duì)地觀測(cè)的應(yīng)用需求不斷發(fā)展，對(duì)成像遙感衛(wèi)星的自主性有了更高的要求，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1.1.1對(duì)地觀測(cè)的快速響應(yīng)需求

傳統(tǒng)的天基遙感從提出需求開(kāi)始，經(jīng)過(guò)任務(wù)規(guī)劃和指令上注、遙感器獲取目標(biāo)圖像、數(shù)據(jù)下傳、圖像生產(chǎn)到最終分發(fā)，延遲時(shí)間在小時(shí)級(jí)，難以滿足作戰(zhàn)應(yīng)用、減災(zāi)救災(zāi)等高時(shí)效任務(wù)需求;

智能對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星通過(guò)自主任務(wù)規(guī)劃和星上智能處理，在星上完成對(duì)時(shí)效性要求較高的處理任務(wù)，將海量遙感數(shù)據(jù)處理為可直接使用的產(chǎn)品，并將處理成果快速傳送給處于不同位置的最終用戶，實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)，提高天基對(duì)地觀測(cè)的時(shí)效性。

1.1.2對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)的針對(duì)性需求

遙感衛(wèi)星數(shù)目和類(lèi)型越來(lái)越多，獲取數(shù)據(jù)能力越來(lái)越強(qiáng)，越來(lái)越大的數(shù)據(jù)量給下行數(shù)傳和后續(xù)處理都帶來(lái)巨大壓力，而真正使用的僅占很小比例，遙感數(shù)據(jù)缺乏針對(duì)性導(dǎo)致數(shù)據(jù)使用率極低；

智能對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星面向任務(wù)需求有針對(duì)性的規(guī)劃任務(wù)、獲取目標(biāo)、實(shí)時(shí)處理并分發(fā)到不同用戶，可以為用戶提供更符合特定需求，更能滿足專業(yè)應(yīng)用的數(shù)據(jù)。

1.1.3多樣性的任務(wù)保障需求

不同目標(biāo)的遙感特性也隨著時(shí)間而改變，不同的傳感器類(lèi)型關(guān)注目標(biāo)不同方面的特性，尤其是多合一載荷的出現(xiàn)，更是豐富了觀測(cè)需求的多樣性，目前的遙感衛(wèi)星還無(wú)法根據(jù)觀測(cè)目標(biāo)、觀測(cè)任務(wù)和遙感載荷的不同，對(duì)觀測(cè)任務(wù)進(jìn)行自主優(yōu)化；

智能對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星通過(guò)星上的目標(biāo)信息庫(kù)，可以結(jié)合目標(biāo)特征與載荷特點(diǎn)，設(shè)計(jì)更加合理和精細(xì)的觀測(cè)動(dòng)作，提高多樣性觀測(cè)任務(wù)的質(zhì)量。

1.1.4提高衛(wèi)星生存能力的需求

在不確定或不確知環(huán)境下能保證衛(wèi)星高精度、高可靠性并平穩(wěn)自主運(yùn)行，目前主要通過(guò)地面測(cè)控站通過(guò)注入指令的方式實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星軌道和姿態(tài)的控制；

智能對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星在在軌環(huán)境或航天器內(nèi)部發(fā)生變化或出現(xiàn)故障時(shí)，能根據(jù)變化特征自主地修改控制器以適應(yīng)其變化；當(dāng)航天器運(yùn)行過(guò)程中遇到某些事先未預(yù)料的情況時(shí)，能有臨場(chǎng)決策的能力。

1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外智能對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星方面的進(jìn)展，近年來(lái)已經(jīng)取得長(zhǎng)足的進(jìn)步。美國(guó)的一些在軌處理衛(wèi)星及其星上處理功能如表1所示。

德國(guó)航空航天中心于2001年發(fā)射的火情監(jiān)測(cè)小衛(wèi)星BIRD[1]、歐空局的PROBA項(xiàng)目[2]和法國(guó)研制的下一代Pleiades衛(wèi)星[3]等也都在一定程度上對(duì)遙感數(shù)據(jù)的在軌處理進(jìn)行了探索，在任務(wù)規(guī)劃、數(shù)據(jù)壓縮、特征提取和數(shù)據(jù)分析等方面取得了一定的成果。歐洲的在軌處理衛(wèi)星及其功能如表2所示。

表1　美國(guó)在軌處理概況

表2　歐洲在軌處理概況

智能對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星的研究已經(jīng)受到國(guó)內(nèi)研究者越來(lái)越多的關(guān)注，武漢大學(xué)[6]、中科院對(duì)地觀測(cè)與數(shù)字地球中心[7]、北京理工大學(xué)[8]和中科院自動(dòng)化所都已經(jīng)在智能對(duì)地觀測(cè)、在軌圖像處理等方面展開(kāi)研究，并取得了一定的成果。

2智能對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星設(shè)計(jì)思路

為滿足以上需求，智能對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星的自主能力主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面，如表3所示。

衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)是衛(wèi)星系統(tǒng)的核心模塊，其性能直接影響到衛(wèi)星系統(tǒng)的應(yīng)用效益。衛(wèi)星造價(jià)昂貴、研制周期長(zhǎng)，衛(wèi)星資源顯得尤為寶貴且稀缺，且隨著在軌衛(wèi)星數(shù)量的增多、衛(wèi)星種類(lèi)的增加，可供調(diào)度的衛(wèi)星資源在不斷擴(kuò)大，特別是隨著衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，任務(wù)需求與衛(wèi)星資源都在增多，任務(wù)時(shí)效性和空間覆蓋等多約束限制也使衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃問(wèn)題變得越來(lái)越復(fù)雜，手工操作任務(wù)規(guī)劃模式已完全不能滿足現(xiàn)有需求，近年來(lái)，各國(guó)都在深入研究衛(wèi)星自主任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)，更進(jìn)一步，星上自主任務(wù)規(guī)劃是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，已經(jīng)受到越來(lái)越多的重視。

表3　智能對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星的能力定義

精確獲取觀測(cè)目標(biāo)的準(zhǔn)確空間信息一直是對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星的主要指標(biāo)，提升遙感衛(wèi)星的精確目標(biāo)獲取能力不僅需要高精度載荷設(shè)備，結(jié)合目標(biāo)特性和衛(wèi)星機(jī)動(dòng)性能，自主規(guī)劃衛(wèi)星遙感器開(kāi)關(guān)機(jī)時(shí)間、側(cè)視角度等對(duì)于快速精確獲取目標(biāo)同樣至關(guān)重要;另外,由于遙感器拍攝的圖像質(zhì)量受到待觀測(cè)目標(biāo)周?chē)匚?、拍攝時(shí)間等因素的影響，遙感器獲取最佳觀測(cè)圖像效果時(shí)的參數(shù)往往不同。因此，根據(jù)拍攝條件自適應(yīng)地選擇遙感器類(lèi)型、調(diào)整遙感器參數(shù)、提高遙感器自主參數(shù)選擇能力可以極大提高獲取目標(biāo)精確信息的能力。

在軌遙感數(shù)據(jù)處理通過(guò)在星上完成對(duì)原始圖像數(shù)據(jù)的分析、篩選和處理工作，既可以生產(chǎn)出具有更高附加值的產(chǎn)品，盡量減少回傳的數(shù)據(jù)量，又能夠極大地提高應(yīng)用的時(shí)效性。遙感圖像地面處理系統(tǒng)已經(jīng)具有很多成熟的應(yīng)用，例如：海面目標(biāo)檢測(cè)、重點(diǎn)區(qū)域變化檢測(cè)、典型目標(biāo)檢測(cè)和移動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)等等，在考慮星上計(jì)算資源約束的條件下，將地面系統(tǒng)中的成熟應(yīng)用遷移到星上，將會(huì)進(jìn)一步提高對(duì)地觀測(cè)的效率，提高其應(yīng)用效益。

智能數(shù)據(jù)分發(fā)是自主任務(wù)規(guī)劃、在軌遙感數(shù)據(jù)處理的必然需求，只有將星上獲取的高價(jià)值數(shù)據(jù)快速、準(zhǔn)確地發(fā)送到對(duì)應(yīng)的用戶，智能對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星才真正實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)的目標(biāo)。為此，必須進(jìn)行更好的星地一體化設(shè)計(jì)，研制高性能的高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，提高對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星的運(yùn)行效率，同時(shí)，也要面向應(yīng)用，對(duì)用戶進(jìn)行不同粒度的分組和分級(jí)，從而提高數(shù)據(jù)分發(fā)的針對(duì)性和有效性。

衛(wèi)星的自主軌道控制能力是在不依賴地面設(shè)施的條件下，在軌完成衛(wèi)星軌道的維持。地面工作人員只需定期檢查航天器的工作狀態(tài)，從而大大地降低對(duì)人力和地面設(shè)施的要求，也降低了航天計(jì)劃的成本，而且還直接有助于提高衛(wèi)星的生存能力，即在地面站發(fā)生阻塞甚至被破壞、航天器與地面通信聯(lián)絡(luò)完全中斷的條件下，能夠完成系統(tǒng)軌道確定、軌道保持以及完成觀測(cè)任務(wù)等。

對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的作用，是結(jié)合衛(wèi)星上的各種位姿傳感器的信息，通過(guò)智能控制決策系統(tǒng)，把衛(wèi)星的方位控制到規(guī)定方向，以滿足目標(biāo)觀測(cè)等相關(guān)系統(tǒng)對(duì)衛(wèi)星的姿態(tài)要求。

3總體技術(shù)方案初步設(shè)計(jì)

技術(shù)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　技術(shù)體系結(jié)構(gòu)

智能對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星的實(shí)現(xiàn)需要增加嵌入式星上智能處理與控制系統(tǒng)，包括底層的嵌入式處理硬件設(shè)備、星上協(xié)同調(diào)度軟件以及實(shí)現(xiàn)具體應(yīng)用的智能處理軟件，嵌入式星上智能處理與控制系統(tǒng)接收到星務(wù)計(jì)算機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的觀測(cè)任務(wù)后，首先進(jìn)行自主任務(wù)規(guī)劃；到達(dá)目標(biāo)上空后，通過(guò)調(diào)整衛(wèi)星姿態(tài)精確獲取目標(biāo)，并根據(jù)背景信息自動(dòng)調(diào)節(jié)成像參數(shù)，從而獲得目標(biāo)高質(zhì)量的圖像；針對(duì)海面目標(biāo)，融合電磁環(huán)境探測(cè)與觀測(cè)衛(wèi)星的優(yōu)勢(shì)，電磁環(huán)境探測(cè)快速發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，觀測(cè)衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)目標(biāo)精確定位，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行分析和確認(rèn)后對(duì)其進(jìn)行跟蹤監(jiān)視；針對(duì)陸地目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的區(qū)域搜索和重點(diǎn)目標(biāo)的觀測(cè)；隨后同平臺(tái)的各個(gè)載荷之間，通過(guò)相互協(xié)同，完成觀測(cè)任務(wù)，再進(jìn)一步，多種不同載荷的衛(wèi)星通過(guò)星間協(xié)同，多源融合，共同完成觀測(cè)任務(wù)；最后衛(wèi)星將觀測(cè)數(shù)據(jù)與信息直接發(fā)送給用戶。

4需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

4.1總體論證與頂層設(shè)計(jì)

智能對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星與傳統(tǒng)的對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星具有很大的差別，是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)，它涉及到衛(wèi)星平臺(tái)的測(cè)控、姿軌控、推進(jìn)、天線、太陽(yáng)電池陣和數(shù)據(jù)管理等各個(gè)分系統(tǒng)，還涉及到多種類(lèi)型遙感器，還包括新增的智能對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星載荷，這些系統(tǒng)之間并不是獨(dú)立的模塊，而是需要進(jìn)行協(xié)同與分工，共同組成一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，因此需要進(jìn)行良好的總體論證與頂層設(shè)計(jì)。

4.2高性能低功耗遙感數(shù)據(jù)在軌處理設(shè)備

每個(gè)智能對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星載荷的實(shí)現(xiàn)都需要硬件設(shè)備的支持，實(shí)現(xiàn)不同的功能對(duì)存儲(chǔ)容量、計(jì)算復(fù)雜度的要求不同，有的功能邏輯運(yùn)算較多，而有的功能代數(shù)運(yùn)算較多。因此，需要根據(jù)所實(shí)現(xiàn)功能對(duì)硬件的需求，研制滿足處理要求的在軌處理設(shè)備。除了滿足存儲(chǔ)、計(jì)算復(fù)雜度以及功率的要求，在軌處理設(shè)備還要考慮空間環(huán)境中的抗輻照因素。

4.3適應(yīng)星上處理環(huán)境的在軌處理算法

星上處理設(shè)備的存儲(chǔ)、計(jì)算效率與地面處理系統(tǒng)差別巨大，因此，在軌處理算法并不是地面成熟技術(shù)的簡(jiǎn)單移植。在星上計(jì)算資源和存儲(chǔ)資源非常有限的條件下，充分考慮應(yīng)用的特點(diǎn)以及衛(wèi)星平臺(tái)和相機(jī)載荷的各種數(shù)據(jù)，研制滿足性能要求的在軌處理算法是非常有挑戰(zhàn)的工作。

4.4面向任務(wù)的知識(shí)服務(wù)專家系統(tǒng)

智能化的對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星需要專家系統(tǒng)的支持，在軌任務(wù)規(guī)劃、目標(biāo)精確獲取、星上實(shí)時(shí)處理以及姿軌控等各個(gè)智能載荷都需要大量的專家知識(shí)，如何將這些知識(shí)更好地形式化，形成面向各種任務(wù)的專家知識(shí)庫(kù)，并設(shè)計(jì)高效的推理系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)智能對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星各個(gè)智能載荷的關(guān)鍵支撐技術(shù)。

5典型在軌處理功能需求

5.1對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星在軌自主任務(wù)規(guī)劃技術(shù)

針對(duì)觀測(cè)任務(wù)的分布特性，綜合考慮數(shù)據(jù)傳輸和觀測(cè)任務(wù)規(guī)劃的相互影響，形成衛(wèi)星載荷約束和星地?cái)?shù)據(jù)傳輸約束下的星地一體化任務(wù)規(guī)劃?rùn)C(jī)制。針對(duì)全球目標(biāo)觀測(cè)任務(wù)，考慮衛(wèi)星載荷、地面站和在軌處理設(shè)備的約束，建立滿足目標(biāo)核查任務(wù)需求的數(shù)學(xué)模型庫(kù)，并基于這些模型構(gòu)建相應(yīng)的優(yōu)化算法庫(kù)，解決對(duì)地觀測(cè)在軌任務(wù)規(guī)劃中觀測(cè)計(jì)劃和數(shù)據(jù)傳輸計(jì)劃的優(yōu)化問(wèn)題。

5.2觀測(cè)目標(biāo)的精確獲取與載荷參數(shù)的精確控制

根據(jù)不同類(lèi)型遙感衛(wèi)星的成像特點(diǎn)，結(jié)合觀測(cè)任務(wù)需求，一方面，根據(jù)衛(wèi)星的機(jī)動(dòng)能力與在軌任務(wù)規(guī)劃的結(jié)果，對(duì)相機(jī)的開(kāi)關(guān)機(jī)時(shí)間、衛(wèi)星的側(cè)擺動(dòng)作進(jìn)行精細(xì)規(guī)劃與控制；另一方面，結(jié)合不同類(lèi)型傳感器的特點(diǎn)，研究不同類(lèi)型的目標(biāo)的成像特性與周邊地物的關(guān)系模型、與相機(jī)成像參數(shù)的關(guān)系模型，對(duì)相機(jī)的成像過(guò)程和成像參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，提高成像質(zhì)量。

5.2.1推掃相機(jī)在軌自動(dòng)調(diào)焦技術(shù)

空間遙感相機(jī)在發(fā)射和在軌運(yùn)行過(guò)程中，飛行過(guò)程中的振動(dòng)、環(huán)境的變化和成像距離的變化等因素，會(huì)導(dǎo)致空間遙感相機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生微小變化，從而引起空間遙感相機(jī)的離焦，導(dǎo)致成像質(zhì)量下降。推掃式遙感相機(jī)由于無(wú)法獲取同一場(chǎng)景的多次成像，設(shè)計(jì)適合的檢焦算法具有很大難度。在軌自動(dòng)調(diào)焦需要解決類(lèi)似場(chǎng)景快速提取技術(shù)、基于不同場(chǎng)景的圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)以及推掃相機(jī)在軌自動(dòng)調(diào)焦策略，從而實(shí)現(xiàn)基于在軌圖像處理的推掃式相機(jī)自動(dòng)調(diào)焦，提高相機(jī)的成像質(zhì)量。

5.2.2SAR成像增益自動(dòng)控制技術(shù)

SAR成像的增益控制就是對(duì)來(lái)自地面不同反射區(qū)域的回波加以不同的增益，以保證成像質(zhì)量，由于不同的地物需要采用不同的增益參數(shù)，因此需要通過(guò)對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行預(yù)成像，并通過(guò)在軌處理實(shí)時(shí)計(jì)算增益參數(shù)。

5.2.3電磁環(huán)境探測(cè)精細(xì)掃描技術(shù)

電磁環(huán)境探測(cè)中，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確檢測(cè)對(duì)方的雷達(dá)信號(hào)，對(duì)目標(biāo)發(fā)現(xiàn)和識(shí)別至關(guān)重要，在軌處理可以根據(jù)實(shí)時(shí)計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)更加復(fù)雜的掃描策略，從而既能夠通過(guò)快速掃描迅速的發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，又能夠通過(guò)精細(xì)掃描確定目標(biāo)的準(zhǔn)確電磁特征。

5.3面向典型應(yīng)用的遙感數(shù)據(jù)在軌處理技術(shù)研究

遙感數(shù)據(jù)在軌處理是實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)能力的必然途徑。目前我國(guó)的衛(wèi)星應(yīng)用主要依賴地面系統(tǒng)的處理,對(duì)于遙感數(shù)據(jù)的在軌處理還處于初步的探索中。針對(duì)典型的對(duì)地觀測(cè)任務(wù)，研究其目標(biāo)特性和任務(wù)特點(diǎn)，考慮在軌處理設(shè)備的約束條件，建立相應(yīng)的模型庫(kù)和算法庫(kù)，結(jié)合圖像判讀人員的先驗(yàn)知識(shí)，形成多個(gè)核心應(yīng)用的遙感圖像在軌處理解決方法。

5.3.1云量判別與圖像過(guò)濾

云量判別是遙感數(shù)據(jù)在軌處理過(guò)程中需首要解決的問(wèn)題之一，對(duì)于緩解遙感數(shù)據(jù)傳輸帶寬壓力，提高在軌目標(biāo)檢測(cè)與識(shí)別的精度具有重要意義。針對(duì)全色圖像和高光譜圖像中的云覆蓋問(wèn)題，對(duì)云在不同載荷圖像中的紋理特征、光譜特征進(jìn)行分析，構(gòu)建云的判別模型，結(jié)合光譜特征與空間分布特征對(duì)圖像中的云覆蓋區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)，形成對(duì)地觀測(cè)相機(jī)中云量判別技術(shù)。

5.3.2遙感圖像在軌精校正技術(shù)

定位精度是遙感圖像處理系統(tǒng)的重要指標(biāo)。針對(duì)由于衛(wèi)星平臺(tái)定位和姿態(tài)誤差所帶來(lái)的圖像定位精度偏低的問(wèn)題，解決在軌精校正中的高精度控制點(diǎn)獲取、管理與應(yīng)用技術(shù)，高性能的圖像配準(zhǔn)技術(shù)，形成對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星在軌幾何精校正技術(shù)，提高圖像中目標(biāo)的定位精度。

5.3.3重點(diǎn)區(qū)域動(dòng)態(tài)監(jiān)控技術(shù)

機(jī)場(chǎng)與港口是對(duì)地觀測(cè)的重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域，針對(duì)這些重點(diǎn)監(jiān)控區(qū)域和其中的重要目標(biāo)，研究其目標(biāo)特性、場(chǎng)景特點(diǎn)、建立場(chǎng)景與目標(biāo)的知識(shí)庫(kù)、動(dòng)態(tài)變化模型庫(kù)以及特征提取和圖像分析的算法庫(kù)，結(jié)合在軌處理設(shè)備的計(jì)算與存儲(chǔ)約束，形成重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域的動(dòng)態(tài)變化檢測(cè)技術(shù)。

5.3.4綜合電磁環(huán)境探測(cè)與相機(jī)載荷的海面目標(biāo)檢測(cè)

電磁環(huán)境探測(cè)載荷能夠快速獲取有源移動(dòng)目標(biāo)的定位數(shù)據(jù)，但是定位偏差較大，對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星能夠獲取目標(biāo)的詳細(xì)信息和準(zhǔn)確位置，但是圖像的在軌處理計(jì)算量較大，難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)處理。通過(guò)電磁環(huán)境探測(cè)載荷快速發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并及時(shí)引導(dǎo)寬幅或者其他對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星完成目標(biāo)觀測(cè)，在軌處理能夠在電磁環(huán)境探測(cè)載荷的誤差范圍內(nèi)，對(duì)圖像進(jìn)行分析和處理，從而實(shí)現(xiàn)海面目標(biāo)的高效、精確定位，以及目標(biāo)類(lèi)型和位置信息的精確判別。

5.3.5凝視模式下的動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)

通過(guò)研究典型移動(dòng)目標(biāo)的特點(diǎn)、成像特征以及運(yùn)動(dòng)特性等，分析對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星的凝視成像模式下實(shí)現(xiàn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)和相機(jī)的要求，研究凝視模式下連續(xù)景衛(wèi)星影像之間表征目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的變化信息，結(jié)合目標(biāo)形狀、尺寸等特征，形成陸地與海上動(dòng)目標(biāo)的實(shí)時(shí)檢測(cè)技術(shù)。

6分階段研制計(jì)劃

智能對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星的研制是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，需要結(jié)合關(guān)鍵技術(shù)的重要性、緊迫性以及相關(guān)技術(shù)的成熟度分階段開(kāi)展工作，智能對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星的研制可以分為以下3個(gè)階段開(kāi)展：

第1階段：核心技術(shù)研制階段。對(duì)在軌圖像預(yù)處理、圖像處理等相關(guān)核心算法開(kāi)展研發(fā)工作，例如：云量判別、噪聲抑制和輻射校正等基礎(chǔ)功能。

第2階段：典型應(yīng)用階段。為了驗(yàn)證智能對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星的應(yīng)用效益，面向最迫切的應(yīng)用需求，突破相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)最小應(yīng)用系統(tǒng)。具體的研制工作包括：以具體的應(yīng)用為牽引，例如：面向戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)核查的智能分析載荷，研制適應(yīng)在軌運(yùn)行環(huán)境的嵌入式計(jì)算設(shè)備，實(shí)現(xiàn)在軌任務(wù)規(guī)劃，重點(diǎn)區(qū)域的動(dòng)態(tài)監(jiān)控和在軌幾何精校正。

第3階段：深入應(yīng)用階段。結(jié)合第2階段工作的研究成果，豐富智能對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星載荷的功能，拓展其應(yīng)用范圍，更大程度上提高對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星的智能化程度。更進(jìn)一步對(duì)智能對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星載荷的應(yīng)用效益與載荷性能進(jìn)行大量的測(cè)試與分析，將性能優(yōu)異、應(yīng)用效果好的在軌分析功能擴(kuò)展到多個(gè)型號(hào)，多個(gè)類(lèi)型的對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)智能分析載荷的模塊化與標(biāo)準(zhǔn)化。

7結(jié)束語(yǔ)

智能對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星載荷具有重要的經(jīng)濟(jì)效益，通過(guò)智能對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星載荷的自主任務(wù)規(guī)劃和星上智能處理，能夠簡(jiǎn)化衛(wèi)星管理控制流程，減少衛(wèi)星工程測(cè)控、任務(wù)管控、地面接收與處理系統(tǒng)等龐大設(shè)施的投入，提高天基對(duì)地觀測(cè)效率；通過(guò)高效的任務(wù)規(guī)劃和星上高價(jià)值信息提取，大大提高現(xiàn)有衛(wèi)星資源的利用率。

高自主性智能對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星載荷是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，仍存在許多亟需解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，需要結(jié)合衛(wèi)星平臺(tái)、載荷和用戶等多方面共同努力，以用戶需求為引導(dǎo)，協(xié)調(diào)好衛(wèi)星平臺(tái)與載荷的關(guān)系，突破在軌處理硬件和軟件關(guān)鍵技術(shù)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星的智能化。

參考文獻(xiàn)

[1]WINFRIED H.Thematic Data Processing on Board the Satellite BIRD[C]∥Proceeding of SPIE,2001:412-419.

[2]TESTON F,VUILLEUMIER P,HARDY D.The PROBA-1 Microsatellite[C]∥Proceedings of SPIE,2004.

[3]ARNAUD M，BOISSIN B，PERRET L，et al.The Pleiades Optical High Resolution Program[C]∥Proceeding of the 57th IAC/IAF/IAA,2006.

[4]CHIEN S,SHERWOOD R.Onboard Autonomy on the Earth Observing One Mission[J].AIAA，2004.

[5]DAVIS C O.The Hyperspectral Remote Sensing Technology(HRST) Program[C]∥Proceedings of the ASPRS Meeting：Land Satellite Information in the Next Decade，1997:2-5.

[6]李德仁，沈欣.論智能化對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)[J].測(cè)繪科學(xué),2005,30(4)：9-12.

[7]張兵.智能遙感衛(wèi)星系統(tǒng)[J].遙感學(xué)報(bào)，2011，15(3)：423-427.

[8]高立寧，龍騰.空間機(jī)動(dòng)飛行與空間機(jī)動(dòng)平臺(tái)實(shí)時(shí)信息處理技術(shù)[C]∥第一屆嵌入式技術(shù)聯(lián)合學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，2006(174)：101-102.

張吉祥男，(1983—)，畢業(yè)于中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所，模式識(shí)別與智能系統(tǒng)專業(yè)，現(xiàn)在中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所工作，高級(jí)工程師。主要研究方向：遙感圖像處理與機(jī)器視覺(jué)，主持完成SAR圖像精校正、紅外圖像目標(biāo)檢測(cè)與識(shí)別等多個(gè)項(xiàng)目。

郭建恩男，(1958—)，1992年畢業(yè)于北京郵電大學(xué)電磁場(chǎng)與微波專業(yè)，工學(xué)博士，現(xiàn)為北京遙感信息技術(shù)研究所研究員。主要研究方向：衛(wèi)星遙感技術(shù)與應(yīng)用，獲國(guó)家科技進(jìn)步特等獎(jiǎng)一項(xiàng)，一等獎(jiǎng)兩頊，二等獎(jiǎng)一項(xiàng)。

作者簡(jiǎn)介

中圖分類(lèi)號(hào)TP752

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)1003-3106(2016)02-0001-05

收稿日期：2015-11-13

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.02.01

引用格式：張吉祥，郭建恩.智能對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星初步設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)分析[J].無(wú)線電工程,2016,46(2):1-5,22.