陳能成，劉曉林，龔健雅

(1. 武漢大學(xué)測(cè)繪遙感信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430079； 2. 地球空間信息技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430079)

隨著“地球?qū)⑴弦粚与娮悠つw”愿景的提出，空間信息獲取正從單一傳感器模式發(fā)展為多傳感器協(xié)同觀測(cè)新模式[1]。衛(wèi)星傳感器由于其獲取信息速度快、范圍大、所受限制條件少等特點(diǎn)，已成為地球觀測(cè)的重要手段之一[2]。衛(wèi)星傳感器利用對(duì)地覆蓋能力這一基本空間特性完成其對(duì)地觀測(cè)任務(wù)[3]，不同的衛(wèi)星傳感器空間覆蓋特征和覆蓋能力也不相同，結(jié)合具體觀測(cè)任務(wù)的時(shí)空需求對(duì)衛(wèi)星傳感器的覆蓋能力進(jìn)行評(píng)估，選擇最優(yōu)的傳感器或傳感器組合完成觀測(cè)任務(wù)，是利用衛(wèi)星傳感器對(duì)地球表面進(jìn)行高效觀測(cè)的關(guān)鍵。

遙感衛(wèi)星對(duì)地覆蓋的現(xiàn)有研究主要集中在基于特殊覆蓋要求的衛(wèi)星軌道設(shè)計(jì)與衛(wèi)星調(diào)度[4-5]、衛(wèi)星傳感器對(duì)地覆蓋建模與可視化仿真[6-7]、衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)效能評(píng)估[8-10]3個(gè)方面。這些研究主要關(guān)注衛(wèi)星觀測(cè)系統(tǒng)的普遍觀測(cè)能力或?qū)δ骋活愑^測(cè)任務(wù)需求的滿足度，無法針對(duì)具體觀測(cè)任務(wù)完成衛(wèi)星傳感器覆蓋能力評(píng)估與傳感器優(yōu)選組合。在傳感器的觀測(cè)能力評(píng)估問題上，筆者先后提出了多種評(píng)估方法[11-13]，但還未提供可應(yīng)用的軟件系統(tǒng)。在軟件系統(tǒng)方面，美國(guó)AGI公司開發(fā)的衛(wèi)星工具包Satellite Tool Kit(簡(jiǎn)稱STK)是世界上占有主導(dǎo)地位的衛(wèi)星仿真軟件，功能非常強(qiáng)大。但針對(duì)性不強(qiáng)，無法實(shí)現(xiàn)特定觀測(cè)任務(wù)下的衛(wèi)星傳感器快速查詢和優(yōu)化組合，而且為美國(guó)軍方禁運(yùn)系統(tǒng)，無法滿足國(guó)內(nèi)用戶的應(yīng)用需求。其他的如NOAA的NDBC系統(tǒng)[14]、微軟公司的SensorMap系統(tǒng)、武漢大學(xué)開發(fā)的地理空間傳感網(wǎng)信息公共服務(wù)平臺(tái)GeoSensor[15]等都只支持傳感器的查詢檢索功能，不支持傳感器的覆蓋能力評(píng)估與優(yōu)選功能。

針對(duì)現(xiàn)有研究的不足，本文設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星傳感器時(shí)空覆蓋能力評(píng)估與優(yōu)選組合系統(tǒng)，旨在為特定觀測(cè)任務(wù)需求下衛(wèi)星傳感器的覆蓋能力評(píng)估與優(yōu)選組合提供可用的軟件系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用如圖1所示的自頂向下分層思想進(jìn)行設(shè)計(jì)，從上到下分為表現(xiàn)層、業(yè)務(wù)層和數(shù)據(jù)層。

圖1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

表現(xiàn)層是基于.NET Framework3.5開發(fā)的一系列Windows Form窗體，這些窗體除提供普通交互界面外，還提供傳感器建模向?qū)?、衛(wèi)星覆蓋仿真結(jié)果的可視化、評(píng)估及優(yōu)選報(bào)告的展示功能。

業(yè)務(wù)層是系統(tǒng)的核心部分，實(shí)現(xiàn)了傳感器評(píng)估與優(yōu)選組合算法。它負(fù)責(zé)接收用戶輸入，完成傳感器評(píng)估與優(yōu)選核心業(yè)務(wù)，返回響應(yīng)結(jié)果給用戶。

數(shù)據(jù)層提供各種類型的衛(wèi)星傳感器資源、觀測(cè)主題資源和衛(wèi)星傳感器對(duì)地覆蓋條帶中間數(shù)據(jù)資源。

1.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

根據(jù)衛(wèi)星傳感器覆蓋能力評(píng)估與優(yōu)選組合系統(tǒng)需求，系統(tǒng)主要分為4大功能模塊，其中每個(gè)功能模塊又分為若干個(gè)子模塊，共同完成衛(wèi)星傳感器對(duì)地覆蓋能力評(píng)估與優(yōu)選組合功能。

(1) 傳感器建模主要提供傳感器模型快速建立及TLE數(shù)據(jù)更新功能。以向?qū)降姆绞揭龑?dǎo)用戶快速構(gòu)建衛(wèi)星傳感器模型，并自動(dòng)完成模型的合法性檢驗(yàn)。

(2) 觀測(cè)主題定義提供定義觀測(cè)主題功能，包括觀測(cè)區(qū)域空間范圍及位置、觀測(cè)時(shí)間、觀測(cè)持續(xù)時(shí)間段、觀測(cè)周期及其他特殊觀測(cè)要求的定義。提供可視化的空間編輯功能和向?qū)降膶傩跃庉嫻δ?。此外，還支持已有觀測(cè)主題的導(dǎo)入功能。

(3) 可視化子模塊主要實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星星下點(diǎn)軌跡的可視化、衛(wèi)星覆蓋條帶的可視化的相關(guān)功能。衛(wèi)星覆蓋條帶可根據(jù)需要選擇基于幅寬或基于傳感器視場(chǎng)角生成，默認(rèn)基于傳感器視場(chǎng)角。

(4) 評(píng)估與優(yōu)選模塊完成衛(wèi)星傳感器的覆蓋面積百分比、覆蓋重?cái)?shù)、覆蓋持續(xù)時(shí)間等指標(biāo)評(píng)價(jià)，并根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果選擇各觀測(cè)時(shí)段最優(yōu)傳感器進(jìn)行組合，得到優(yōu)選組合觀測(cè)方案。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 衛(wèi)星傳感器對(duì)地覆蓋建模

雖然傳感器種類多樣，分類標(biāo)準(zhǔn)也不唯一，但在傳感器的時(shí)空覆蓋能力評(píng)估及傳感器的優(yōu)選過程中，只需要關(guān)注傳感器對(duì)具體觀測(cè)任務(wù)的時(shí)空覆蓋范圍。由于衛(wèi)星是沿軌道不斷運(yùn)行的，因此不論衛(wèi)星的實(shí)際視場(chǎng)如何，最終都將形成地球表面的覆蓋條帶，條帶的外沿邊界線為傳感器視場(chǎng)邊界在垂直于星下點(diǎn)軌跡方向的最外側(cè)點(diǎn)所形成的軌跡。

研究衛(wèi)星傳感器的對(duì)地覆蓋，條帶外沿邊界點(diǎn)的確定至關(guān)重要，尤其是考慮傳感器側(cè)擺能力時(shí)，情況將更加復(fù)雜，對(duì)此本文提出了體現(xiàn)傳感器最大對(duì)地覆蓋能力的衛(wèi)星傳感器對(duì)地覆蓋幾何模型，該模型綜合考慮了衛(wèi)星傳感器的側(cè)擺能力，對(duì)于側(cè)視和非側(cè)視的衛(wèi)星傳感器都適用。模型敘述如下。

如圖2(a)所示，S為傳感器焦點(diǎn)，X為衛(wèi)星飛行方向，Z為衛(wèi)星指向星下點(diǎn)方向，Y為Z和X的向量積，以S為原點(diǎn)，X、Y、Z為坐標(biāo)軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系，定義為衛(wèi)星坐標(biāo)系。假設(shè)傳感器可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)，形成一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)圓O，傳感器的所有可能的視線位于圓O內(nèi)。設(shè)傳感器覆蓋范圍內(nèi)所能達(dá)到距離星下點(diǎn)最遠(yuǎn)距離的點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的視線為最大邊界視線，用向量l表示，因?yàn)閭鞲衅骺勺杂赊D(zhuǎn)動(dòng)，因此l一定經(jīng)過圓O上一點(diǎn)N。當(dāng)傳感器轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，l在地面上留下的軌跡所組成的封閉范圍為傳感器所能覆蓋的最大范圍。最大覆蓋范圍移動(dòng)所形成的條帶，為最大覆蓋條帶。當(dāng)l轉(zhuǎn)動(dòng)到S-YZ平面時(shí)，所對(duì)應(yīng)的覆蓋邊界點(diǎn)為最大覆蓋條帶的左右邊界，對(duì)應(yīng)的觀測(cè)視線向量為lL和lR，稱為左右最大覆蓋觀測(cè)視線，分別過圓上點(diǎn)NL和NR，覆蓋條帶邊界為L(zhǎng)和R。

對(duì)于固定式傳感器或只能在特定方向擺動(dòng)的傳感器，只需將點(diǎn)N固定在圓O上相應(yīng)角度位置上即可。對(duì)于側(cè)視觀測(cè)，則覆蓋條帶的左右邊界都在星下點(diǎn)軌跡的一側(cè)，此時(shí)左最大覆蓋觀測(cè)視線與圓O的交點(diǎn)NL位于圓內(nèi)，如圖2(b)所示。

圖2 星傳感器對(duì)地覆蓋幾何模型

最大覆蓋觀測(cè)視線的向量表示為

l=[0sin(θ±α)cos(θ±α)]T

(1)

式中，θ為最大側(cè)擺角；α為半視場(chǎng)角。為了使最大覆蓋條帶最大化，傳感器的側(cè)擺應(yīng)在S-YZ平面上進(jìn)行。

2.2 衛(wèi)星傳感器對(duì)地時(shí)空覆蓋能力綜合評(píng)價(jià)與優(yōu)選

傳感器的綜合評(píng)價(jià)和優(yōu)選分為靜態(tài)評(píng)價(jià)和動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)兩個(gè)階段。如圖3所示，在靜態(tài)階段，只根據(jù)觀測(cè)主題的靜態(tài)需求即觀測(cè)主題類型、空間分辨率需求、時(shí)間分辨率需求對(duì)候選傳感器進(jìn)行初步的評(píng)估和篩選，得到符合條件的傳感器作為動(dòng)態(tài)階段的候選傳感器；在動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)階段，完成傳感器對(duì)具體觀測(cè)任務(wù)的時(shí)空覆蓋能力評(píng)估，計(jì)算各傳感器對(duì)當(dāng)前觀測(cè)任務(wù)時(shí)空覆蓋要求的滿足程度并以此評(píng)價(jià)傳感器的優(yōu)劣；經(jīng)靜態(tài)評(píng)價(jià)篩選和動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)篩選之后，選取對(duì)觀測(cè)任務(wù)時(shí)空覆蓋范圍最大的傳感器作為最優(yōu)傳感器進(jìn)行組合，完成優(yōu)選組合過程。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證

3.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1.1 傳感器建模

傳感器模型一共用9項(xiàng)屬性來描述，分別為名稱、所在衛(wèi)星名(平臺(tái))、空間分辨率、幅寬、視場(chǎng)角、最大側(cè)擺角、是否側(cè)視雷達(dá)、初始側(cè)擺角、TLE數(shù)據(jù)。以向?qū)降姆绞揭龑?dǎo)建模和模型更新。

圖3 衛(wèi)星傳感器綜合能力評(píng)價(jià)流程

3.1.2 觀測(cè)任務(wù)定義

通過加載在線地圖提供定義觀測(cè)主題的底圖。系統(tǒng)提供鼠標(biāo)繪制和導(dǎo)入外來空間數(shù)據(jù)兩種方式定義觀測(cè)任務(wù)，以矢量數(shù)據(jù)形式保存。

3.1.3 衛(wèi)星軌跡與覆蓋可視化

星下點(diǎn)可視化生成的為一個(gè)Polyline矢量要素類，要素類的名稱與傳感器的名稱一致。離散程度默認(rèn)為一分鐘，即一分鐘計(jì)算一個(gè)衛(wèi)星位置。

3.1.4 對(duì)地覆蓋能力評(píng)估與傳感器優(yōu)選

評(píng)估與優(yōu)選模塊計(jì)算傳感器對(duì)觀測(cè)任務(wù)的覆蓋總時(shí)長(zhǎng)、總覆蓋次數(shù)、平均覆蓋時(shí)長(zhǎng)和累計(jì)覆蓋面積百分比統(tǒng)計(jì)量，系統(tǒng)以此為基礎(chǔ)提供以最大時(shí)空覆蓋范圍為原則的衛(wèi)星傳感器優(yōu)選組合方案。如圖4所示。

圖4 衛(wèi)星傳感器時(shí)空覆蓋能力評(píng)估與優(yōu)選組合系統(tǒng)

3.2 應(yīng)用實(shí)例

將本系統(tǒng)用于金沙江下游流域洪水應(yīng)急場(chǎng)景下實(shí)施降雨觀測(cè)的衛(wèi)星傳感器評(píng)估與優(yōu)選組合，并將優(yōu)選結(jié)果與實(shí)際觀測(cè)結(jié)果比對(duì)，驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性。觀測(cè)時(shí)間范圍為2014-06-29T00：00：00+08：00—2014-06-30T00：00：00+08：00，觀測(cè)空間范圍為24.461 725°N—29.581 736°N、99.572 968°E—104.946 251°E。部分傳感器評(píng)估結(jié)果見表1，傳感器優(yōu)選組合方案及比對(duì)結(jié)果見表2。

表1 傳感器覆蓋評(píng)估結(jié)果

表2 傳感器優(yōu)選結(jié)果

4 結(jié) 語(yǔ)

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了具體觀測(cè)任務(wù)需求下的衛(wèi)星傳感器時(shí)空覆蓋能力評(píng)估，可快速查詢可用于觀測(cè)的衛(wèi)星傳感器并生成優(yōu)選組合觀測(cè)方案，為實(shí)現(xiàn)應(yīng)急觀測(cè)場(chǎng)景下衛(wèi)星傳感器的快速發(fā)現(xiàn)、覆蓋能力評(píng)估、觀測(cè)方案優(yōu)化提供了有效支持。實(shí)例驗(yàn)證結(jié)果顯示系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果與實(shí)際觀測(cè)結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了本系統(tǒng)的實(shí)用性。