陳金勇

(1．中國(guó)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; 2．中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

航天對(duì)地觀測(cè)運(yùn)行機(jī)制與快速響應(yīng)系統(tǒng)研究

陳金勇1，2

(1．中國(guó)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; 2．中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

航天對(duì)地觀測(cè)具有全球性，不受國(guó)界領(lǐng)空限制，快速響應(yīng)機(jī)制對(duì)災(zāi)害救援和軍事應(yīng)用等具有重要意義。分析了航天對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)組成、工作流程及其發(fā)展趨勢(shì)，研究了快速響應(yīng)空間概念和提高系統(tǒng)快速響應(yīng)能力的相關(guān)環(huán)節(jié)，以任務(wù)規(guī)劃控制快速響應(yīng)為例，提出了基于平臺(tái)/插件思想實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)快速研發(fā)與流程再造的技術(shù)路線，試驗(yàn)驗(yàn)證了技術(shù)成果的可行性，給出了航天對(duì)地觀測(cè)快速響應(yīng)系統(tǒng)未來發(fā)展模型的構(gòu)想。

航天對(duì)地觀測(cè);快速響應(yīng);運(yùn)行機(jī)制;平臺(tái)插件模型

0 引言

航天對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)以地球?yàn)橛^測(cè)對(duì)象，依托衛(wèi)星、飛船、空間站和航天飛機(jī)等天基平臺(tái)，利用可見光、紅外和微波等電磁波譜段，對(duì)地球上地物如陸地、海洋、大氣等的資源、環(huán)境、生態(tài)和災(zāi)害等信息進(jìn)行探測(cè)，通過傳感器接收地物發(fā)射、輻射、反射和散射的電磁波信號(hào)，進(jìn)行觀測(cè)數(shù)據(jù)生成與處理，根據(jù)行業(yè)應(yīng)用需求分析地物特性，生成相應(yīng)專題成果。相關(guān)的承載平臺(tái)、探測(cè)手段、信息處理和應(yīng)用設(shè)備等共同構(gòu)成對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)。

按照航天器種類，航天對(duì)地觀測(cè)主要包括軍事成像偵察、電子偵察、預(yù)警探測(cè)、海洋監(jiān)視、核爆探測(cè)、氣象和地球資源等行業(yè)衛(wèi)星系統(tǒng)及其地面應(yīng)用系統(tǒng)［1－2］。

傳統(tǒng)對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)航天器軌道一般為幾百千米高度的太陽同步軌道，與赤道面近乎垂直、過地球南北極飛行，每天十四五圈。隨著地球自轉(zhuǎn)的進(jìn)動(dòng)，通過軌道設(shè)計(jì)可以在一定時(shí)間周期內(nèi)完成對(duì)地球表面的覆蓋觀測(cè)。

低軌航天對(duì)地觀測(cè)具有全球性、周期性和間斷連續(xù)性特點(diǎn)，航天器軌道特性決定其對(duì)同一地物的重訪周期和單次觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)，航天器數(shù)量的增加可以提高重復(fù)觀測(cè)次數(shù)、縮短觀測(cè)間隔時(shí)間，紅外和微波手段可實(shí)現(xiàn)全天候成像，觀測(cè)設(shè)備視場(chǎng)和軌道高度決定觀測(cè)條帶寬度，有效載荷空間分辨率影響觀測(cè)清晰度和目標(biāo)判識(shí)程度，衛(wèi)星位置和姿態(tài)等測(cè)量精度影響目標(biāo)定位精度。

航天對(duì)地觀測(cè)快速響應(yīng)表現(xiàn)在:航天控制系統(tǒng)快速生成指令，驅(qū)動(dòng)航天器在目標(biāo)區(qū)域執(zhí)行觀測(cè)動(dòng)作并將觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理或下傳到地面系統(tǒng)，通過應(yīng)用處理和分發(fā)服務(wù)提供最終用戶使用。

本文梳理了航天對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)基本組成要素和運(yùn)行體系，分析了國(guó)內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì)，認(rèn)為需求牽引和技術(shù)推動(dòng)大大促進(jìn)了航天應(yīng)用快速響應(yīng)能力的形成。從業(yè)務(wù)流程上設(shè)計(jì)了各組成要素的快速響應(yīng)方式，從技術(shù)路線上提出了平臺(tái)/插件思想應(yīng)用于信息系統(tǒng)研制開發(fā)，并以任務(wù)規(guī)劃與管理控制系統(tǒng)快速響應(yīng)能力的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)為例，給出了成果形態(tài)和運(yùn)行場(chǎng)景。展望了我國(guó)未來航天對(duì)地觀測(cè)事業(yè)的蓬勃發(fā)展與一體化快速響應(yīng)系統(tǒng)理想模型。

1 航天對(duì)地觀測(cè)運(yùn)行機(jī)制

航天對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)工程從研制建設(shè)的角度一般包括:航天器、運(yùn)輸系統(tǒng)、發(fā)射場(chǎng)、測(cè)控系統(tǒng)、運(yùn)控系統(tǒng)和應(yīng)用系統(tǒng)等六大部分。

航天器主要是人造地球衛(wèi)星，還包括載人飛船和空間站等，發(fā)射后按照天體力學(xué)規(guī)律在軌運(yùn)行。

運(yùn)輸系統(tǒng)可劃分運(yùn)載器和運(yùn)輸器2種，運(yùn)載器主要指一次性使用的運(yùn)載火箭，運(yùn)輸器主要特點(diǎn)是具備往返能力。

航天發(fā)射場(chǎng)用以裝配、儲(chǔ)存、檢測(cè)和發(fā)射航天器，并實(shí)現(xiàn)測(cè)量控制和遙測(cè)處理。

測(cè)控系統(tǒng)對(duì)航天器狀態(tài)跟蹤測(cè)量，編制飛行器控制指令，實(shí)施工程測(cè)控和業(yè)務(wù)測(cè)控。

運(yùn)控系統(tǒng)按照衛(wèi)星應(yīng)用行業(yè)需求，分析梳理工作任務(wù)，統(tǒng)籌優(yōu)化并生成航天器有效載荷控制計(jì)劃，通過測(cè)控系統(tǒng)上注指令執(zhí)行，接收航天器觀測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)送應(yīng)用系統(tǒng)處理。運(yùn)控系統(tǒng)是航天對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)業(yè)務(wù)運(yùn)行控制的中樞，是提高運(yùn)行效率的重要環(huán)節(jié)。

應(yīng)用系統(tǒng)接收航天器觀測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)管理、信息處理和分發(fā)服務(wù)。應(yīng)用系統(tǒng)是航天對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用效益發(fā)揮的核心。

運(yùn)載火箭和發(fā)射場(chǎng)體現(xiàn)進(jìn)入太空的能力，當(dāng)航天器正常入軌后完成其歷史使命;航天器進(jìn)入在軌測(cè)試階段，對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)在軌測(cè)試時(shí)間較長(zhǎng)，一般需要幾個(gè)月;完成后進(jìn)行系統(tǒng)交付進(jìn)入業(yè)務(wù)化運(yùn)行和長(zhǎng)期管理階段。航天器與地面系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)行，其基本工作流程如圖1所示。

圖1 航天對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)基本工作流程

圖1中，運(yùn)控系統(tǒng)的管控中心響應(yīng)并分析用戶需求，根據(jù)星地資源能力，生成衛(wèi)星觀測(cè)、跟蹤接收和數(shù)據(jù)處理等計(jì)劃;測(cè)控系統(tǒng)將業(yè)務(wù)測(cè)控指令通過測(cè)控網(wǎng)或中繼星上注衛(wèi)星執(zhí)行;任何地物都有輻射、反射和吸收電磁波的特點(diǎn)，這是遙感的原理基礎(chǔ)，衛(wèi)星將利用主動(dòng)或被動(dòng)遙感獲得的探測(cè)信息，通過地面站接收，傳送應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行加工處理后，分發(fā)服務(wù)用戶系統(tǒng)。

系統(tǒng)運(yùn)行一般包括常規(guī)和應(yīng)急2種模式，主要體現(xiàn)在操作控制和信息處理流程等環(huán)節(jié)。

傳統(tǒng)航天對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)一般是由國(guó)家投資的大型基礎(chǔ)設(shè)施，其研制建設(shè)與運(yùn)行維護(hù)成本高昂，而主要服務(wù)對(duì)象用戶群體相對(duì)單一。常規(guī)工作模式面向日、周、月或季度、年為單位，以計(jì)劃方式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行指定地域的觀測(cè)與信息處理;應(yīng)急工作模式面向指定時(shí)段、指定地域，以事件方式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)選擇適合的觀測(cè)資源進(jìn)行快速響應(yīng)?？傮w上應(yīng)急方式發(fā)生概率不高，屬于臨時(shí)處置性質(zhì)。

隨著技術(shù)發(fā)展和政策開放，世界各國(guó)尤其以美國(guó)大力推行航天應(yīng)用商業(yè)化運(yùn)行模式，其服務(wù)對(duì)象的數(shù)量和需求的豐富性大大提高，對(duì)現(xiàn)有運(yùn)行機(jī)制提出了挑戰(zhàn)，應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制常態(tài)化將成為一種趨勢(shì)。

2 航天對(duì)地觀測(cè)發(fā)展趨勢(shì)

2．1 衛(wèi)星數(shù)量將爆發(fā)性增長(zhǎng)

傳統(tǒng)大型對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星，重量達(dá)十幾到幾十噸，功耗大、成本高。近年來小衛(wèi)星、星座化蓬勃發(fā)展，以互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為依托，實(shí)現(xiàn)天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)，是航天對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)尤其是衛(wèi)星能力發(fā)展趨勢(shì)的重要方向之一。

小衛(wèi)星以其質(zhì)量輕、成本低、發(fā)射周期短和應(yīng)用快捷等特點(diǎn)，越來越受到航天應(yīng)用領(lǐng)域的青睞。衛(wèi)星數(shù)量的增加可極大地提高對(duì)地觀測(cè)的時(shí)間覆蓋密度，大、小衛(wèi)星的協(xié)作是未來的發(fā)展方向。

小衛(wèi)星技術(shù)及一箭多星等能力大大降低了衛(wèi)星研制和發(fā)射成本，國(guó)外尤其以美國(guó)商業(yè)公司為代表，制定了一系列宏大的衛(wèi)星發(fā)射計(jì)劃［3］。

2014年，谷歌宣布將投資10億美元建設(shè)180顆低軌道小型高性能衛(wèi)星，提供衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù);2014 年11月，特斯拉創(chuàng)始人埃隆·馬斯克的SpaceX公司宣布計(jì)劃發(fā)射700顆低軌道衛(wèi)星提供互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，今年9月進(jìn)一步增加至4 000顆;2015年1月，One Web宣布啟動(dòng)建立全球最大的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，首先計(jì)劃發(fā)射648顆衛(wèi)星，下一步將發(fā)射2 400顆衛(wèi)星。在對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星方面，Planet Labs公司構(gòu)建的“鴿群”－1星座由一系列 3U立方體衛(wèi)星組成，計(jì)劃2016年度實(shí)現(xiàn)近 200顆衛(wèi)星發(fā)射，新增 28個(gè)接收站，預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)全球覆蓋每年50次［4－5］……

2．2 衛(wèi)星有效載荷及控制靈活性極大提高

衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)有效載荷能力不斷提高?？梢杂梅直媛驶\統(tǒng)表征有效載荷的能力，諸如空間分辨率、光譜分辨率、灰度分辨率、溫度分辨率和時(shí)間分辨率等。美國(guó)的軍事偵察衛(wèi)星最高的空間分辨率早已達(dá)到了0．1 m，光譜分辨率達(dá)到了nm級(jí)。遙感波譜域從最早的可見光向近紅外、短波紅外、熱紅外和微波方向發(fā)展，波譜域的擴(kuò)展將進(jìn)一步適應(yīng)各種物質(zhì)反射、輻射波譜的特征峰值波長(zhǎng)的寬域分布。高光譜遙感的發(fā)展，使得遙感波段寬度從早期的0．4 μm(黑白攝影)、0．1 μm(多光譜掃描)到5 nm(成像光譜儀)，提高了地物光譜分辨力，有利于區(qū)別各類物質(zhì)在不同波段的光譜響應(yīng)特性。

視頻衛(wèi)星是一種新型遙感衛(wèi)星，其最大特點(diǎn)是能夠?qū)δ骋坏貐^(qū)進(jìn)行“凝視”觀測(cè)，以“視頻錄像”方式獲得地面目標(biāo)更多的動(dòng)態(tài)信息，特別適合觀測(cè)時(shí)敏目標(biāo)，分析瞬間特征，為突發(fā)搶險(xiǎn)救災(zāi)、廣域場(chǎng)景動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和軍事戰(zhàn)術(shù)行動(dòng)等時(shí)間敏感行為決策的天基觀測(cè)支持提供了可能。美國(guó)天空盒子成像公司(Skybox Imaging)正在發(fā)展由24顆微小衛(wèi)星組成的星座，將獲取的海量數(shù)據(jù)提供基于互聯(lián)網(wǎng)和云技術(shù)的商用數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)，應(yīng)用領(lǐng)域包括礦山、工廠、港口、商業(yè)、保險(xiǎn)和政府等。2014年，谷歌公司(Google)以5億美元收購(gòu)了該公司［6－7］。

敏捷衛(wèi)星與傳統(tǒng)衛(wèi)星相比具有俯仰、滾動(dòng)和偏航等姿態(tài)動(dòng)作，展現(xiàn)出更大的對(duì)地觀測(cè)范圍、更強(qiáng)的對(duì)地觀測(cè)能力。作為一類新型對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星因成本低、研制周期短、姿態(tài)機(jī)動(dòng)能力強(qiáng)及調(diào)整精度高，成為了各航天大國(guó)競(jìng)相研制的對(duì)象［8－9］。

2．3 技術(shù)發(fā)展和政策開放推進(jìn)航天遙感應(yīng)用

寬帶通信、移動(dòng)互聯(lián)、云計(jì)算和大數(shù)據(jù)等新型技術(shù)手段的發(fā)展，進(jìn)一步推動(dòng)了遙感技術(shù)及其應(yīng)用的發(fā)展。各種新型高效遙感圖像處理方法和算法將被用來解決海量遙感數(shù)據(jù)的處理、校正、融合和遙感信息可視化，大量遙感分析活動(dòng)從“定性”向“定量”轉(zhuǎn)變，定量遙感成為遙感應(yīng)用發(fā)展的熱點(diǎn)［10－11］。

美國(guó)航天遙感領(lǐng)域發(fā)展的基本策略是將中低分辨率數(shù)據(jù)服務(wù)活動(dòng)國(guó)家經(jīng)營(yíng)、公益化;將中高分辨率數(shù)據(jù)服務(wù)活動(dòng)公司經(jīng)營(yíng)、商業(yè)化;當(dāng)然，將甚高分辨率遙感數(shù)據(jù)應(yīng)用于軍事目的進(jìn)行保密限制。

美國(guó)在克林頓政府時(shí)期解禁了1 m分辨率遙感圖像資源，放開到0．5 m分辨率遙感圖像商業(yè)化經(jīng)營(yíng)許可，在奧巴馬政府時(shí)期進(jìn)一步放開到0．25 m分辨率遙感圖像的商業(yè)化經(jīng)營(yíng)許可，極大地刺激和推動(dòng)了美國(guó)商業(yè)遙感市場(chǎng)的迅猛發(fā)展，也為其快速占領(lǐng)國(guó)際市場(chǎng)提供了政策支持，諸如IKONOS、Quick-Bird、WorldView和 SkyBox等遙感衛(wèi)星公司獲得了巨大的商業(yè)利益。

航天對(duì)地精細(xì)化的觀測(cè)分析能力、高密度的時(shí)間連續(xù)覆蓋，極大地拓展了應(yīng)用領(lǐng)域。航天對(duì)地觀測(cè)應(yīng)用這種帶有“貴族”色彩的國(guó)家級(jí)戰(zhàn)略設(shè)施，正在走下神壇，走進(jìn)千家萬戶。

3 航天對(duì)地觀測(cè)快速響應(yīng)系統(tǒng)

3．1 快速響應(yīng)空間

進(jìn)入21世紀(jì)，世界各國(guó)競(jìng)相發(fā)展空間力量，爭(zhēng)先進(jìn)入空間、利用空間和控制空間，成為各軍事大國(guó)國(guó)家安全和發(fā)展戰(zhàn)略的重要內(nèi)容。

美軍提出了快速 響應(yīng)空間 (Operationally Responsive Space)的概念，意在滿足戰(zhàn)場(chǎng)戰(zhàn)役和戰(zhàn)術(shù)需求，應(yīng)對(duì)突發(fā)事件和適應(yīng)未來空間攻防對(duì)抗需要，快速組織和補(bǔ)充精干有效的航天力量。ORS典型特點(diǎn)除經(jīng)濟(jì)性、靈活性、有限需求、協(xié)同操作性和短期可靠性等方面外，重點(diǎn)是快速響應(yīng)性［12－21］。

美軍將快速響應(yīng)空間定義為3個(gè)等級(jí):第1級(jí)是數(shù)分鐘到數(shù)小時(shí)，主要依托在軌航天器即時(shí)響應(yīng)能力;第2級(jí)是數(shù)天或數(shù)周，基于儲(chǔ)備發(fā)射部署，將3～12月縮短為數(shù)天;第3級(jí)是數(shù)周到數(shù)月，從需求分析設(shè)計(jì)研發(fā)到部署，將2～10年縮短為6～9個(gè)月。

3．2 快速響應(yīng)要素

空間快速響應(yīng)的發(fā)展是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及到包括衛(wèi)星、運(yùn)載、測(cè)控、在軌運(yùn)行和應(yīng)用系統(tǒng)在內(nèi)的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、部署和應(yīng)用等多個(gè)環(huán)節(jié)［22－23］。

3．2．1 即插即用衛(wèi)星

采用即插即用技術(shù)縮短衛(wèi)星研制時(shí)間，可以降低成本、提高市場(chǎng)響應(yīng)速度。經(jīng)過數(shù)年研究，美軍已經(jīng)取得顯著進(jìn)展，完成了演示驗(yàn)證衛(wèi)星的研制。

即插即用技術(shù)通過采用開放式標(biāo)準(zhǔn)以及機(jī)械、電和軟件標(biāo)準(zhǔn)接口，能夠自動(dòng)識(shí)別接入組件，進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和配置，簡(jiǎn)化組裝、集成和測(cè)試工作。美軍ORS的目標(biāo)是6天內(nèi)研制出一顆衛(wèi)星［24］。

3．2．2 快速響應(yīng)空間運(yùn)載器

快速響應(yīng)空間要求時(shí)間快、易操作、功能簡(jiǎn)單、成本低和效費(fèi)比高，對(duì)運(yùn)載器提出了特殊的要求，主要表現(xiàn)在:適當(dāng)?shù)倪\(yùn)載能力，一般100 kg左右;良好的快速響應(yīng)能力，一般要求48 h內(nèi)發(fā)射;良好的機(jī)動(dòng)發(fā)射能力。

我國(guó)863研究成果“快舟”小型固體運(yùn)載火箭，首創(chuàng)星箭一體化，國(guó)內(nèi)首次采用柵格舵控制技術(shù)，是我國(guó)首個(gè)具有快速集成、快速測(cè)試和快速入軌能力的小型固體運(yùn)載火箭。

3．2．3 發(fā)射場(chǎng)與測(cè)控網(wǎng)

1982年歷時(shí)69天的馬島戰(zhàn)爭(zhēng)，蘇聯(lián)成功發(fā)射了22顆軍用衛(wèi)星;海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中，俄羅斯成功發(fā)射了7顆軍用衛(wèi)星?？焖夙憫?yīng)空間強(qiáng)調(diào)機(jī)動(dòng)發(fā)射，主要包括地面、水面、水下和空中等機(jī)動(dòng)發(fā)射形式。

測(cè)控系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了從地面建網(wǎng)到建立天基測(cè)控網(wǎng)的過程，與全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)和中繼衛(wèi)星系統(tǒng)相結(jié)合的天基測(cè)控網(wǎng)，更有利于快速響應(yīng)系統(tǒng)的測(cè)控。

3．2．4 快速任務(wù)規(guī)劃控制

快速響應(yīng)系統(tǒng)需要改變傳統(tǒng)以日或周進(jìn)行的周期性常態(tài)化任務(wù)保障的作業(yè)模式，實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)式動(dòng)態(tài)任務(wù)規(guī)劃控制，通過技術(shù)手段降低任務(wù)動(dòng)態(tài)調(diào)整復(fù)雜度，規(guī)避星上任務(wù)頻繁調(diào)整的風(fēng)險(xiǎn)。

采用SOA理念，平臺(tái)/插件開發(fā)技術(shù)，基于模板套餐式思想梳理快速響應(yīng)能力需求，設(shè)計(jì)研發(fā)任務(wù)規(guī)劃控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)抽取共性基礎(chǔ)、模塊快速組裝和流程定制再造等靈活能力。

3．2．5 快速應(yīng)用處理系統(tǒng)

在對(duì)地觀測(cè)目標(biāo)變化監(jiān)測(cè)和動(dòng)態(tài)信息獲取處理方面，可通過任務(wù)規(guī)劃事先計(jì)算、面向原分辨率快視數(shù)據(jù)在線處理等方式，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)快速處理和專題信息快速生成。利用云計(jì)算、大數(shù)據(jù)和并行處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)海量遙感數(shù)據(jù)的快速處理和分發(fā)服務(wù)是應(yīng)對(duì)用戶需求多樣化的有效途徑。

3．2．6 航天器在軌自主控制與信息處理

航天器在軌自主任務(wù)規(guī)劃控制實(shí)現(xiàn)在星載計(jì)算機(jī)上處理任務(wù)信息，根據(jù)自身能力和軌道姿態(tài)，規(guī)劃傳感器資源使用并控制航天器姿態(tài)調(diào)整。

航天器在軌信息處理可在星上對(duì)探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的預(yù)處理、應(yīng)用處理和綜合處理，如對(duì)電子偵察輻射源的分析與識(shí)別處理，對(duì)成像數(shù)據(jù)的目標(biāo)檢測(cè)處理。結(jié)合AIS和ADS-B等信息進(jìn)行的融合處理等，通過廣播分發(fā)授權(quán)服務(wù)指定用戶群體，可大大提高系統(tǒng)快速響應(yīng)能力。

4 滾動(dòng)式任務(wù)規(guī)劃控制

航天任務(wù)管控系統(tǒng)面向多用戶和多類型個(gè)性化需求，具有常規(guī)與應(yīng)急任務(wù)交織的工作模式與使用特點(diǎn)，隨著衛(wèi)星數(shù)量和能力的不斷提高，任務(wù)量急劇增加，基于通用任務(wù)管控平臺(tái)進(jìn)行增量開發(fā)與系統(tǒng)重構(gòu)，適應(yīng)后續(xù)航天地面應(yīng)用項(xiàng)目快速搭建，建立滾動(dòng)式任務(wù)規(guī)劃控制系統(tǒng)，具有重要意義。

4．1 平臺(tái)/插件技術(shù)思想

平臺(tái)/插件模型架構(gòu)是一種比較成熟的基礎(chǔ)技術(shù)，其核心思想意在針對(duì)業(yè)務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行需求分析、梳理功能模塊的基礎(chǔ)上，建立通用的底層支撐環(huán)境、規(guī)范化的插件開發(fā)及接口關(guān)系，結(jié)合個(gè)性化的插件模塊靈活構(gòu)造定制化的應(yīng)用系統(tǒng)。

這種模型體系結(jié)構(gòu)可分為兩大部分:① 軟件平臺(tái)，提供軟件的核心和基礎(chǔ)功能，這些功能既可以為用戶所用也可以為插件所用。平臺(tái)的內(nèi)核功能是整個(gè)軟件的基礎(chǔ)，軟件的大部分功能都應(yīng)該由它來處理;② 插件，平臺(tái)的插件處理功能主要用于管理插件和擴(kuò)展功能，并為插件操縱平臺(tái)和平臺(tái)與插件之間通信提供標(biāo)準(zhǔn)接口，插件是對(duì)平臺(tái)功能的擴(kuò)展與補(bǔ)充，根據(jù)職能設(shè)計(jì)開發(fā)對(duì)應(yīng)具體的業(yè)務(wù)功能［25－26］。

4．2 任務(wù)管控系統(tǒng)平臺(tái)插件成果

選擇基于OSGi(Open Service Gateway Initiative)規(guī)范的平臺(tái)+插件體系架構(gòu)，OSGi標(biāo)準(zhǔn)插件提供了松耦合、易擴(kuò)展的組件開發(fā)能力，對(duì)航天任務(wù)管控系統(tǒng)進(jìn)行插件化的組織方式開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的軟件復(fù)用、團(tuán)隊(duì)協(xié)作和遠(yuǎn)程維護(hù)，在應(yīng)用效果上操作親善、重構(gòu)靈活。

開發(fā)了一站式的業(yè)務(wù)插件“應(yīng)用商店”，將插件開發(fā)與應(yīng)用商店無縫連接，通過版本管理、自動(dòng)遠(yuǎn)程更新等，可降低前端業(yè)務(wù)集成門檻，突出用戶參與感及交互體驗(yàn)。

具體將基礎(chǔ)設(shè)施、支撐環(huán)境和通用服務(wù)等歸納設(shè)計(jì)為“通用管控平臺(tái)”，將各種業(yè)務(wù)應(yīng)用進(jìn)行分析剝離，分別設(shè)計(jì)為通用插件和專用插件。由此構(gòu)成的管控原型系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)觀測(cè)任務(wù)的輸入，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行，到觀測(cè)計(jì)劃、動(dòng)作指令和跟蹤接收計(jì)劃等的輸出。基本原理如圖2所示。

圖2 航天對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)任務(wù)管控平臺(tái)/插件示意

4．3 基于套餐模板的定制響應(yīng)服務(wù)

針對(duì)快速響應(yīng)空間任務(wù)，美軍提出虛擬任務(wù)作戰(zhàn)中心(Virtual Mission Operations Center)的概念并進(jìn)行研究實(shí)現(xiàn)，提供了將遠(yuǎn)程操作人員直接鏈接至航天器有效載荷的框架，進(jìn)而使用IP獲取衛(wèi)星的遙測(cè)數(shù)據(jù)和觀測(cè)圖像，動(dòng)態(tài)地給衛(wèi)星有效載荷分派任務(wù)，實(shí)現(xiàn)在軌衛(wèi)星設(shè)備的遙測(cè)、跟蹤和指揮［2 7］。

美國(guó)Digital Globe公司在全球各地設(shè)置 Direct Access Partner，用戶可以在當(dāng)?shù)貙?duì)衛(wèi)星進(jìn)行控制和直接數(shù)據(jù)分發(fā)，公司根據(jù)合同約束各用戶的分發(fā)地區(qū)，并積極接觸用戶以通過建造衛(wèi)星星座和開發(fā)新型算法幫助用戶改變傳統(tǒng)數(shù)據(jù)服務(wù)體驗(yàn)。

利用平臺(tái)/插件技術(shù)構(gòu)建了航天對(duì)地觀測(cè)任務(wù)管控平臺(tái)框架，將衛(wèi)星軌道預(yù)報(bào)計(jì)算、指向訪問計(jì)算等能力進(jìn)行了服務(wù)化封裝，采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)的模式進(jìn)行后臺(tái)計(jì)算。

研究建立動(dòng)態(tài)任務(wù)規(guī)劃流程，梳理應(yīng)急響應(yīng)需求的主要模式并枚舉分析、歸類處理為不同的“套餐”組合，在綜合分析衛(wèi)星資源能力和數(shù)據(jù)接收處理等約束條件后，可根據(jù)任務(wù)模式，快速生成規(guī)劃結(jié)果，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行必要的分析，如圖3所示。

結(jié)合探測(cè)數(shù)據(jù)處理成果的可視化顯示，對(duì)跟蹤時(shí)間敏感目標(biāo)或區(qū)域的狀態(tài)變化，能夠?qū)崿F(xiàn)人機(jī)交互點(diǎn)擊鼠標(biāo)→訪問計(jì)算→規(guī)劃優(yōu)化→生成計(jì)劃和編制指令→上注衛(wèi)星提交執(zhí)行的效果。

該系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于具體工程項(xiàng)目實(shí)踐，系統(tǒng)可以進(jìn)行模塊化組裝，采用 B/S架構(gòu)，結(jié)合測(cè)控系統(tǒng)的快速上注指令執(zhí)行能力，可基本實(shí)現(xiàn)類似VMOC的操控效果。

圖3 快速任務(wù)規(guī)劃結(jié)果可視化分析

5 未來展望

當(dāng)前，我國(guó)正在進(jìn)行大規(guī)模航天資源的整合，目的之一就是要提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率和使用效益，減少重復(fù)投資、擴(kuò)大共享共用、提高系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)效性，更好地服務(wù)于應(yīng)急突發(fā)事件處置等需求。

同時(shí)，國(guó)內(nèi)商業(yè)遙感衛(wèi)星及其應(yīng)用發(fā)展如火如荼。2015年7月11日北京二號(hào)遙感衛(wèi)星星座成功發(fā)射，設(shè)計(jì)壽命7年，由3顆1 m全色、4 m多光譜光學(xué)遙感衛(wèi)星組成;2015年10月7日“一箭四星”成功發(fā)射了“吉林一號(hào)”衛(wèi)星，其中包括2顆視頻衛(wèi)星，預(yù)計(jì)2030年前實(shí)現(xiàn)在軌138顆衛(wèi)星，形成全天時(shí)、全天候、全譜段獲取全球任意地點(diǎn)10 min以內(nèi)重訪能力;珠海一號(hào)遙感微納衛(wèi)星星座項(xiàng)目，2016年將搭載“一箭四星”發(fā)射 2顆視頻試驗(yàn)微納衛(wèi)星，后續(xù)3年將陸續(xù)完成34顆衛(wèi)星發(fā)射，包括視頻、高光譜、SAR三種類型的微納衛(wèi)星;航天科技集團(tuán)公司 2015年啟動(dòng)商業(yè)遙感衛(wèi)星業(yè)務(wù)，計(jì)劃在2020年左右建成一個(gè)“16+4+4+X”的商業(yè)遙感衛(wèi)星系統(tǒng)，包括16顆0．5 m分辨率光學(xué)衛(wèi)星、4顆高端光學(xué)衛(wèi)星、4顆微波成像衛(wèi)星以及若干視頻、高光譜衛(wèi)星……

當(dāng)前，我國(guó)的測(cè)控站網(wǎng)體系比較完備，遙感接收系統(tǒng)相對(duì)分散，通過地面資源的不斷優(yōu)化組合，可以實(shí)現(xiàn)兼有測(cè)控能力和遙感接收能力的地面綜合收發(fā)站網(wǎng)系統(tǒng)。

衛(wèi)星觀測(cè)任務(wù)的分析規(guī)劃與有效載荷控制可以統(tǒng)稱為“控制系統(tǒng)”，觀測(cè)數(shù)據(jù)的組織管理、信息處理與共享分發(fā)可以統(tǒng)稱為“服務(wù)系統(tǒng)”，其面向用戶的一體化快速響應(yīng)模型可以簡(jiǎn)化為如圖4所示。其中的收發(fā)站網(wǎng)設(shè)施包括固定和機(jī)動(dòng)系統(tǒng)，機(jī)動(dòng)的收發(fā)站可以更好地滿足快速響應(yīng)需求。

圖4 未來一體化快速響應(yīng)系統(tǒng)模型示意

隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展和管理體制的進(jìn)一步優(yōu)化，可利用高軌凝視和敏捷衛(wèi)星提高時(shí)間分辨率，引導(dǎo)中低軌道衛(wèi)星進(jìn)行針對(duì)性觀測(cè);利用普查衛(wèi)星引導(dǎo)詳查衛(wèi)星，通過光學(xué)、紅外、SAR、多光譜和高光譜等多譜段信息融合，實(shí)現(xiàn)從搜索發(fā)現(xiàn)到識(shí)別確認(rèn)等快速反應(yīng);增加衛(wèi)星數(shù)量可進(jìn)一步提高時(shí)效性;增強(qiáng)衛(wèi)星的智能化程度，實(shí)現(xiàn)星上任務(wù)規(guī)劃、信息處理、對(duì)外通聯(lián)和空間組網(wǎng)等自主能力，可減少人工干預(yù)，提高系統(tǒng)的自動(dòng)化程度。需求牽引和技術(shù)進(jìn)步可極大地提高航天對(duì)地觀測(cè)信息獲取能力和加工處理、分發(fā)服務(wù)的快速響應(yīng)能力。

6 結(jié)束語

快速的技術(shù)研發(fā)和便捷的流程重構(gòu)是信息系統(tǒng)彈性可擴(kuò)展的重要條件。平臺(tái)插件技術(shù)路線實(shí)現(xiàn)的基本前提是對(duì)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的深入分析分解，其最大優(yōu)點(diǎn)是維持了系統(tǒng)技術(shù)功能中共性能力的基本穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)增量開發(fā)。

基于同樣的技術(shù)思想，目前已經(jīng)完成了航天對(duì)地觀測(cè)通用信息處理平臺(tái)的研發(fā)工作，在此平臺(tái)基礎(chǔ)上，可以不斷增加或改進(jìn)專用插件集合，以提高專業(yè)處理能力，滿足技術(shù)發(fā)展和針對(duì)新型衛(wèi)星載荷能力的應(yīng)用。

當(dāng)前，星地資源實(shí)力和技術(shù)開發(fā)能力具備支持航天對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)向高效快速響應(yīng)方向發(fā)展;軍民資源深度融合、遙感數(shù)據(jù)共享共用的政策催生了廣闊的用戶空間和新型的服務(wù)模式。航天對(duì)地觀測(cè)向即時(shí)響應(yīng)、虛擬操控的方向發(fā)展，將給人們生活帶來更加豐富多彩的變化。

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Research on Operating Mechanism and Fast Response System of Space Earth Observation System

CHEN Jin-yong

(1．Key Laboratory of Aerospace Information Applications of CETC，Shijiazhuang Hebei 050081，China; 2．The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang Hebei 050081，China)

The global earth observation systems have such advantages as wide area coverage，unrestricted airspace and national boundaries．A fast response mechanism has important significance in disaster rescue and military applications．This paper analyzes the system composition and working process of space observation system，and studies the fast response space concept and the related link of improving the fast response capability of system．Taking the fast response mission planning control as an example，this paper proposes the technological route about rapid development of system and process reengineering based on platform/plug-in idea．The experiment results show that the technological achievement is feasible．The idea of the future development model on fast response system of space earth observation is given．

space earth observation;fast response;operating mechanism;platform/plug-in model

V557.2

A

1003－3106(2017)02－0001－06

10．3969/j．issn．1003－3106．2017．02．01

陳金勇．航天對(duì)地觀測(cè)運(yùn)行機(jī)制與快速響應(yīng)系統(tǒng)研究［J］．無線電工程，2017，47(2):1－6，10．

2016-11-02

海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(2015002);中國(guó)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)室開放基金資助項(xiàng)目。

陳金勇男，(1970—)，工學(xué)碩士畢業(yè)于通信測(cè)控技術(shù)研究所通信與電子系統(tǒng)專業(yè)。現(xiàn)任中國(guó)電子科技集團(tuán)公司航天信息應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任，中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所首席專家、副總工程師、專業(yè)部副主任。

主要研究方向:航天對(duì)地觀測(cè)地面系統(tǒng)任務(wù)優(yōu)化調(diào)度、觀測(cè)信息處理、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)與集成等技術(shù)。主持研制了多個(gè)型號(hào)衛(wèi)星地面任務(wù)管理控制系統(tǒng)、航天信息綜合應(yīng)用系統(tǒng)。曾獲軍隊(duì)、部級(jí)科技進(jìn)步獎(jiǎng)多項(xiàng)，發(fā)表技術(shù)論文30多篇。