虛擬星座構(gòu)建方法與關(guān)鍵問題研究

林仁紅 王琦 歐陽平超

（1中國航天工業(yè)科學(xué)技術(shù)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(wèi)星能力的日益提升，逐步由中低分辨率向高分辨率、單顆衛(wèi)星向星座組網(wǎng)發(fā)展，由單一規(guī)劃的星座向更加復(fù)雜的、多元參與的虛擬星座組網(wǎng)發(fā)展，這對傳統(tǒng)星座的構(gòu)建方法和資源保障提出新的挑戰(zhàn)。隨著全球?qū)Φ赜^測需求以及商業(yè)航天產(chǎn)業(yè)興起，國際組織及航天企業(yè)提出了很多衛(wèi)星組網(wǎng)計劃。起初，國際對地觀測衛(wèi)星委員會（CEOS）提出了多個虛擬星座項目，并在空間與重大災(zāi)害國際憲章（CHARTER）機(jī)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(gòu)建跨區(qū)域的虛擬星座實施規(guī)劃，虛擬星座儼然已成為遙感衛(wèi)星發(fā)揮其固有能力和潛力的重要發(fā)展趨勢。

1 虛擬星座內(nèi)涵及框架

虛擬星座內(nèi)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(jī)構(gòu)間建立的合作伙伴關(guān)系，以一種協(xié)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(jī)構(gòu)的對地觀測空間和地面系統(tǒng)集成起來，實現(xiàn)重要參數(shù)的日常持續(xù)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(wèi)星中心，由多種不同性質(zhì)和類型的衛(wèi)星、有效載荷共同組成；其二，各衛(wèi)星采取相互配合、功能互補(bǔ)、資源共享的協(xié)同方式；其三，滿足多種復(fù)雜任務(wù)的需求，通過面向場景服務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)接口提供原始的和處理后的觀測數(shù)據(jù)。

虛擬星座相比多星數(shù)據(jù)共享和單一規(guī)劃的實體星座，其最大優(yōu)勢就是利用現(xiàn)有衛(wèi)星資源、低成本、快速投入使用，實現(xiàn)對復(fù)雜環(huán)境、全球或區(qū)域性、動態(tài)變化性、多要素多維度的觀測能力。傳統(tǒng)單一規(guī)劃星座的衛(wèi)星組網(wǎng)方式，大多由一個衛(wèi)星中心單獨調(diào)度控制在軌衛(wèi)星，完成實現(xiàn)本衛(wèi)星中心的多星任務(wù)規(guī)劃。一般來說，單一規(guī)劃的衛(wèi)星組網(wǎng)需要較長時間的計劃、發(fā)射、運行和維護(hù)，花費大量的財力和人力成本。當(dāng)前，大部分的單一規(guī)劃組網(wǎng)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(lián)合行動技術(shù)——虛擬星座成為未來星座組網(wǎng)可持續(xù)發(fā)展的重要趨勢。

虛擬星座構(gòu)建框架

虛擬星座觀測框架體系

目前，CHARTER機(jī)制是國際上唯一以實際運行方式、利用空間對地觀測技術(shù)進(jìn)行減災(zāi)活動的國際組織。而CEOS提出的虛擬星座是發(fā)揮多國衛(wèi)星在CHARTER機(jī)制框架的綜合協(xié)調(diào)下，通過各參與方的獨立空間資源的協(xié)同運作，實現(xiàn)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)下的全球持續(xù)、系統(tǒng)性的觀測，是應(yīng)對全球?qū)Φ赜^測需求、提升空間資源運作效率的新模式。

虛擬星座構(gòu)建框架是由多國確定的觀測任務(wù)計劃、衛(wèi)星運營商以及國際需求方，面向科學(xué)研究、衛(wèi)星應(yīng)用等目標(biāo)而形成的對地協(xié)同觀測體系。

實踐中，虛擬星座構(gòu)建也需要一些前提條件：①國際參與方愿意共享衛(wèi)星資源和數(shù)據(jù)；②不存在實質(zhì)上的共享技術(shù)瓶頸或技術(shù)壁壘，尤其是地面測運控站網(wǎng)的綜合性能與部署設(shè)計，能夠在滿足其既定任務(wù)的情況下，接受參與方虛擬星座規(guī)劃任務(wù)的調(diào)度安排；③需要建立一套科學(xué)機(jī)制或規(guī)劃體系，獲得星座組網(wǎng)后的數(shù)據(jù)共享或補(bǔ)償權(quán)益；④多國在軌的衛(wèi)星資源能力互補(bǔ)，地面系統(tǒng)同步處理，數(shù)據(jù)共享鏈路通暢等。

2 虛擬星座構(gòu)建方法及應(yīng)用領(lǐng)域

構(gòu)建方法

多國參與的虛擬星座，涉及到根據(jù)場景需求對不同參與方的星地資源進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計，星座構(gòu)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(wèi)星資源聯(lián)盟、多元解析法等。

（1）仿真分析法

該方法能夠?qū)β?lián)合觀測任務(wù)設(shè)計、可利用衛(wèi)星類型與數(shù)量、衛(wèi)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(shù)據(jù)信息與共享應(yīng)用等研究分析。仿真設(shè)計考慮星座覆蓋范圍等任務(wù)要求：全球覆蓋星座與區(qū)域覆蓋星座的區(qū)別主要來自任務(wù)的不同，不同的任務(wù)要求對星座設(shè)計的各項指標(biāo)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(shè)計軌道形式、軌道高度、軌道傾角、軌道升交點赤經(jīng)、入軌位置及時間等。

（2）衛(wèi)星資源聯(lián)盟

衛(wèi)星資源聯(lián)盟是衛(wèi)星組織的一種形式，是具有分布式、非層次、相互獨立且互補(bǔ)協(xié)同完成復(fù)雜觀測任務(wù)，該方法是構(gòu)建虛擬星座的常用方法。通過研究不同衛(wèi)星中心的軌道約束與載荷屬性，包括載荷約束、軌道約束、數(shù)據(jù)約束、衛(wèi)星及載荷相關(guān)約束、數(shù)傳約束以及任務(wù)規(guī)劃約束等，建立衛(wèi)星資源聯(lián)盟。從用途來看，衛(wèi)星資源聯(lián)盟確保完成特定的對地觀測任務(wù)；從組織機(jī)制看，衛(wèi)星資源聯(lián)盟的衛(wèi)星分屬于不同衛(wèi)星中心，由相應(yīng)的衛(wèi)星中心對資源進(jìn)行管控。由于任務(wù)及任務(wù)環(huán)境的動態(tài)不確定性，因此面向各種任務(wù)的衛(wèi)星資源聯(lián)盟也是不斷變化的。

（3）多元解析法

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

這些構(gòu)建方法中，仿真分析方法應(yīng)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(yīng)用的同態(tài)模型，并對模型進(jìn)行動態(tài)、模擬的運行試驗。

應(yīng)用領(lǐng)域

虛擬星座應(yīng)用領(lǐng)域主要包括公益性場景需求和商業(yè)化的場景需求。前者是以滿足國際公益性、地區(qū)應(yīng)急性、全球性可持續(xù)發(fā)展等問題為主，后者是面向海陸空等領(lǐng)域的商業(yè)性、精準(zhǔn)化對地觀測服務(wù)。

碳觀測星座系統(tǒng)

船舶監(jiān)測星座系統(tǒng)

其中，公益性及政府需求場景的應(yīng)用服務(wù)，一般應(yīng)在聯(lián)合國或國際合作機(jī)制框架下進(jìn)行，以國防軍事（國際組織）、應(yīng)急救援、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)為重點，實現(xiàn)全球覆蓋、高頻次重訪、多種觀測載荷融合等綜合觀測系統(tǒng)。例如，氣候變化和大氣污染問題既是“世界性災(zāi)難”，也是虛擬星座構(gòu)建的關(guān)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(nóng)林、海洋以及公共安全等領(lǐng)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(tài)保護(hù)、公共安全與應(yīng)急救災(zāi)等領(lǐng)域有需求。

商業(yè)應(yīng)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(zhì)的增值服務(wù)，實現(xiàn)對目標(biāo)區(qū)域、特定任務(wù)的快速響應(yīng)。例如，OneAtlas作為空客防務(wù)與航天公司（ADS）的數(shù)字情報平臺，提供個性化的、共同設(shè)計的對地觀測數(shù)據(jù)服務(wù)，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(gòu)建的關(guān)鍵問題分析

多國資源組合

多國參與的虛擬星座構(gòu)建，首先考慮由參與方自身研制或交付的遙感衛(wèi)星資源，以及與參與方聯(lián)合研制的衛(wèi)星資源，這類衛(wèi)星資源具有很好的設(shè)計基礎(chǔ)，并快速實現(xiàn)組網(wǎng)運行；其次，考慮在聯(lián)合國或國際組織框架下形成的星座構(gòu)建規(guī)劃任務(wù)，例如CHARTER機(jī)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(wèi)星資源；再次，考慮航天合作基礎(chǔ)比較穩(wěn)固的國家和地區(qū)，以及在多雙邊協(xié)議框架下的在軌衛(wèi)星資源或規(guī)劃衛(wèi)星資源。

多國參與的星座頂層架構(gòu)，應(yīng)該借鑒國際CHARTER機(jī)制，為確保星座正常運行，需要構(gòu)建相關(guān)運營機(jī)構(gòu)并確保逐步形成日常運行和業(yè)務(wù)服務(wù)能力，成立具有運行能力的星座運營機(jī)構(gòu)，分別指定各參與方的業(yè)務(wù)支撐單位，確保形成工作模式、工作流程、協(xié)調(diào)機(jī)制和運行服務(wù)方式（以公益服務(wù)為主）；積極探索形成商業(yè)化運行服務(wù)能力。原則上，虛擬星座不單純考慮“數(shù)據(jù)對等”原則，而是從貢獻(xiàn)率的角度進(jìn)行定期評估，若出現(xiàn)問題由各參與方協(xié)商解決。

需求統(tǒng)籌與任務(wù)規(guī)劃

虛擬星座構(gòu)建中面臨的關(guān)鍵問題和事項包括：需求統(tǒng)籌問題、仿真分析問題、技術(shù)會商問題、觀測任務(wù)協(xié)調(diào)問題、數(shù)據(jù)分析處理與反饋等。

需求統(tǒng)籌主要是參與虛擬星座構(gòu)建的各方有義務(wù)統(tǒng)一組織和協(xié)調(diào)本部用戶，合理向虛擬星座運控中心提出數(shù)據(jù)需求（含應(yīng)急需求）：建立星座技術(shù)專家組或值班的應(yīng)急任務(wù)辦公室（或應(yīng)急任務(wù)響應(yīng)工作組）；需求符合星座所含衛(wèi)星的主要技術(shù)狀態(tài)和正常工作能力，并盡可能減少本部用戶需求沖突；優(yōu)先滿足涉及各方重大利益和達(dá)到國家一級和二級災(zāi)害標(biāo)準(zhǔn)的重大自然災(zāi)害或人為事故的公益性數(shù)據(jù)需求。

仿真分析涉及到各方委托專業(yè)機(jī)構(gòu)承擔(dān)虛擬星座仿真分析的值班任務(wù)。結(jié)合各方用戶數(shù)據(jù)需求，對星座各衛(wèi)星進(jìn)行軌道運行和執(zhí)行任務(wù)仿真分析，盡可能降低任務(wù)沖突，滿足用戶需求；形成仿真結(jié)果后，交由星座技術(shù)專家組組織會商。

技術(shù)會商是星座技術(shù)專家組通過定期和不定期、現(xiàn)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(guī)劃；季度會商原則上通過電視電話會議進(jìn)行。若出現(xiàn)重大協(xié)調(diào)問題，可不定期組織會商等。常規(guī)情況下，虛擬星座月度計劃形成后原則上不做較大調(diào)整，若有重大常規(guī)任務(wù)需求，需求方須提前向星座技術(shù)專家組提出申請，由星座技術(shù)專家組會商確定是否安排和調(diào)整星座工作計劃?？傊?，虛擬星座構(gòu)建各方應(yīng)參照CHARTER機(jī)制，在各方相關(guān)部門設(shè)立應(yīng)急任務(wù)辦公室（或應(yīng)急任務(wù)響應(yīng)工作組，輪值運行），并在星座技術(shù)專家組的組織下開展工作。

數(shù)據(jù)處理與共享機(jī)制

虛擬星座構(gòu)建的最終目標(biāo)是形成滿足任務(wù)需求的有效對地觀測體系，發(fā)揮多國參與構(gòu)建星座的共贏效果。各參與方在提供適用衛(wèi)星的基礎(chǔ)上，各方提供所屬的相關(guān)地面系統(tǒng)資源（包括地面衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收站、數(shù)據(jù)處理資源、定標(biāo)場、真實性檢驗場等），作為虛擬星座數(shù)據(jù)在各方落地的支撐，各地面站采用“總體設(shè)計，分別實施，同步形成，聯(lián)網(wǎng)運行”的方式進(jìn)行改造。尤其是對各方提供的地面系統(tǒng)進(jìn)行綜合評測和總體設(shè)計（包括數(shù)據(jù)格式、接口標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品規(guī)格等協(xié)調(diào)）；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(gòu)建多國參與的“虛擬星座空間信息應(yīng)用服務(wù)共享平臺”，有效集成和展示各參與方的衛(wèi)星星座數(shù)據(jù)、應(yīng)用成果、軟件工具等，提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)查詢、需求協(xié)調(diào)、任務(wù)規(guī)劃、數(shù)據(jù)分發(fā)等，并基于該平臺開展相關(guān)應(yīng)用服務(wù)。

4 典型案例分析

2016年3月，金磚國家遙感衛(wèi)星星座工作組會議在維也納召開，標(biāo)志著多國參與的虛擬星座合作已經(jīng)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(wèi)星、地面系統(tǒng)的組網(wǎng)要求與設(shè)施升級計劃，建立地球遙感衛(wèi)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(shè)施建設(shè)，該星座由委內(nèi)瑞拉遙感衛(wèi)星、巴基斯坦遙感衛(wèi)星、埃及二號遙感衛(wèi)星，以及中巴資源衛(wèi)星、中法海洋衛(wèi)星等組成；二是地面設(shè)施建設(shè)，各方需提供的地面衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收站，按照站址地域合理分布，確保國土有效覆蓋、衛(wèi)星數(shù)據(jù)順暢接力接收和減少任務(wù)沖突等。各方若分別提供1個地面站，其優(yōu)勢是各方的投入量大致對等，需要改造和協(xié)調(diào)運行的地面站數(shù)量少；但存在中、俄地面站的任務(wù)過重，難以有效接收虛擬星座數(shù)據(jù)、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(xié)調(diào)難度，優(yōu)勢是相對有效地覆蓋俄遠(yuǎn)東地區(qū)和中方東部地區(qū)，以及對南非和巴西相關(guān)地區(qū)的有效覆蓋（主要考慮天氣影響）。

虛擬星座系統(tǒng)組成

任務(wù)規(guī)劃方面，金磚國家的虛擬星座旨在發(fā)揮全覆蓋和快速響應(yīng)能力，提供應(yīng)急觀測與特定任務(wù)的空間信息消費服務(wù)。虛擬星座系統(tǒng)分為空間系統(tǒng)、地面系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與增值服務(wù)等。

空間系統(tǒng)采用虛擬星座構(gòu)型，各參與方衛(wèi)星配置高分辨率、高光譜或視頻載荷，實現(xiàn)全天候、不受天氣影響的觀測體系；地面運控系統(tǒng)包括衛(wèi)星星座管控、衛(wèi)星狀態(tài)監(jiān)測、觀測任務(wù)管理、數(shù)據(jù)接收分發(fā)服務(wù)監(jiān)管；地面中心站承擔(dān)衛(wèi)星星座系統(tǒng)的運行調(diào)度管理和接收分發(fā)服務(wù)監(jiān)管；網(wǎng)關(guān)站負(fù)責(zé)在中心站調(diào)度下，對過境衛(wèi)星進(jìn)行業(yè)務(wù)測控；地面數(shù)據(jù)接收與處理系統(tǒng)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收、存儲、處理及分發(fā)；增值服務(wù)系統(tǒng)可由第三方委托機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)管理，面向區(qū)域開展星座數(shù)據(jù)服務(wù)的開發(fā)和推廣。

數(shù)據(jù)共享方面，針對各參與方的衛(wèi)星性能、運行調(diào)度和數(shù)據(jù)應(yīng)用、傳輸?shù)刃枨?，由星座技術(shù)專家組組織核對各國采用的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，尤其是數(shù)據(jù)質(zhì)量評價、數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)格、數(shù)據(jù)需求文件格式、衛(wèi)星運行模式、工作流程等方面的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，確保統(tǒng)籌銜接。其次，由專家組統(tǒng)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(shù)據(jù)所形成的各種產(chǎn)品、服務(wù)與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，并逐步具備云服務(wù)、計算、網(wǎng)上交易、互操作、協(xié)同工作等功能。