李素菊 范一大 楊思全 王興玲 吳瑋 劉龍飛 張超 崔燕

（1 民政部國家減災中心 2 民政部信息中心）

1 引言

環(huán)境減災衛(wèi)星星座業(yè)務運行管理的主要任務是收集用戶的觀測需求、有效載荷成像申請，合理規(guī)劃安排衛(wèi)星和地面資源，制定衛(wèi)星運行工作計劃、有效載荷成像計劃、地面接收計劃、業(yè)務測控計劃等，監(jiān)視衛(wèi)星及其有效載荷的工作狀態(tài)，處理業(yè)務運控指令，并向用戶提供衛(wèi)星軌道、姿態(tài)等輔助數(shù)據(jù)服務。國家減災中心具體承擔了環(huán)境減災衛(wèi)星系統(tǒng)的三星四載荷的業(yè)務運行管理任務，盡管衛(wèi)星在軌設計壽命僅3年，但通過科學、有效的衛(wèi)星運行管理，實現(xiàn)了環(huán)境減災衛(wèi)星星座多星協(xié)調管控，最大限度地發(fā)揮了應用需求牽引、天地協(xié)同服務的能力，保障了星座的超期服役和長期穩(wěn)定運行。通過多年的探索和實踐，國家減災中心建立了專業(yè)化的人才隊伍，形成了環(huán)境減災衛(wèi)星星座業(yè)務運行管理機制，積累了衛(wèi)星運行管理的豐富經(jīng)驗，實現(xiàn)了運行管理系統(tǒng)的安全可靠運行，并在全球災害事件監(jiān)測、地表環(huán)境綜合觀測以及我國自然災害的風險監(jiān)測與應急響應中發(fā)揮了重要作用。

2 運行管理系統(tǒng)的設計與建設

運行管理系統(tǒng)是面向環(huán)境減災衛(wèi)星星座并服務于應用系統(tǒng)和地面系統(tǒng)的業(yè)務支撐系統(tǒng)。該系統(tǒng)的建設與運行一方面能夠支持環(huán)境減災衛(wèi)星星座常規(guī)的業(yè)務運行管理任務，另一方面還要具備應對突發(fā)性災害事件的應急運行管理能力。因此，研制功能完善、性能高效、運行可靠的運行管理系統(tǒng)可有效管理環(huán)境減災衛(wèi)星星座，保證衛(wèi)星在軌穩(wěn)定運行，對于防災減災救災的實際應用非常重要。

運行管理系統(tǒng)按照統(tǒng)一規(guī)劃、急用先行的思路進行設計與建設。2008年5月底，在環(huán)境減災一號A、B（HJ－1A/B）衛(wèi)星發(fā)射之前，先期完成運行管理系統(tǒng)應急系統(tǒng)的研制，主要是針對HJ－1A/B衛(wèi)星業(yè)務運行管理功能進行開發(fā)。衛(wèi)星發(fā)射后，由應急系統(tǒng)承擔衛(wèi)星運行管理任務。2011年3月，在環(huán)境減災一號C（HJ－1C）衛(wèi)星發(fā)射前，對應急系統(tǒng)進行改進和擴充，充實了HJ－1C衛(wèi)星業(yè)務運行管理功能。2012年10月，進一步完善運行管理系統(tǒng)，全面實現(xiàn)了對環(huán)境減災衛(wèi)星星座3顆衛(wèi)星的業(yè)務管控。

運行管理系統(tǒng)的運行流程是根據(jù)用戶觀測申請，生成可以實施的載荷工作計劃并通過地面測控系統(tǒng)上注到衛(wèi)星，并將生成的地面站接收計劃發(fā)送到地面系統(tǒng)，由其負責衛(wèi)星成像數(shù)據(jù)的接收。同時，運行管理系統(tǒng)接收地面測控系統(tǒng)傳來的遙測數(shù)據(jù)，進行實時數(shù)據(jù)處理，監(jiān)視計劃執(zhí)行情況和有效載荷狀態(tài)，并為應用系統(tǒng)提供軌道數(shù)據(jù)服務。運行管理系統(tǒng)結合應用特點分為常規(guī)和應急兩種工作模式。在常規(guī)模式下，運行管理系統(tǒng)按照測控計劃接收地面測控系統(tǒng)發(fā)送的遙測數(shù)據(jù)，對衛(wèi)星及其有效載荷的工作狀態(tài)進行監(jiān)視；負責接收地面測控系統(tǒng)發(fā)送的軌道根數(shù)數(shù)據(jù)，進行衛(wèi)星軌道預報并發(fā)送至應用系統(tǒng)和地面系統(tǒng)；按照觀測申請，通過地面測控系統(tǒng)實施觀測計劃；調度地面系統(tǒng)，按照數(shù)據(jù)接收計劃接收衛(wèi)星下行的數(shù)傳數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)接收計劃發(fā)送至應用系統(tǒng)和地面系統(tǒng)。應急工作模式是指在突發(fā)事件情況下，由應用系統(tǒng)提出應急觀測申請，運行管理系統(tǒng)對常規(guī)運控計劃進行重排，生成同時滿足應急申請和部分常規(guī)申請的運控計劃，并將應急計劃發(fā)送到地面測控系統(tǒng)，同時將應急接收計劃發(fā)送到地面系統(tǒng)。

運行管理系統(tǒng)是一個全天候、不間斷、實時性強的業(yè)務運行系統(tǒng)，主要任務就是對衛(wèi)星及其有效載荷進行運行控制和實時監(jiān)視，對數(shù)據(jù)交換的實時性、響應速度、業(yè)務運行的可控性和可監(jiān)視性等要求很高。在系統(tǒng)構架設計中，采用多層的體系結構，有利于提高系統(tǒng)的靈活性和可擴展性。運行管理系統(tǒng)主要包括衛(wèi)星遙測遙控數(shù)據(jù)處理顯示、計劃管理與任務調度、運控信息管理等3個分系統(tǒng)和1個運行管理業(yè)務支撐平臺，共12個子系統(tǒng)以及34個功能模塊。其中，衛(wèi)星遙測遙控數(shù)據(jù)處理顯示分系統(tǒng)負責接收、處理、顯示遙測數(shù)據(jù)，實時監(jiān)視衛(wèi)星及其有效載荷工作狀態(tài)，根據(jù)有效載荷工作計劃，進行衛(wèi)星數(shù)據(jù)注入編碼處理。計劃管理與任務調度分系統(tǒng)負責根據(jù)衛(wèi)星軌道根數(shù)進行星歷計算和軌道預報，制定衛(wèi)星載荷工作計劃和數(shù)據(jù)接收計劃。運控信息管理分系統(tǒng)負責對運行管理系統(tǒng)運行過程中的信息進行記錄、分析、檢索，對接收、處理、生成的數(shù)據(jù)提供信息歸檔入庫、信息分發(fā)和檢索查詢等。運行管理業(yè)務支撐平臺是運行管理系統(tǒng)的計算機網(wǎng)絡與安全控制的軟硬件平臺，提供時統(tǒng)、語音調度等技術支撐。

3 運行管理應用服務成效

環(huán)境減災衛(wèi)星星座的運行管理系統(tǒng)是一個面對多星、多載荷、多用戶的衛(wèi)星觀測管理系統(tǒng)。截至2018年7月，運行管理系統(tǒng)共安排HJ－1A/B衛(wèi)星工作計劃545期，安排衛(wèi)星成像16620軌，實際有效成像率達94%。通過合理調度、管理衛(wèi)星及其有效載荷資源，運行管理應用服務工作主要取得了以下4個方面的成效。

實現(xiàn)環(huán)境減災衛(wèi)星星座的長期穩(wěn)定運行管理

建立了常規(guī)和應急兩種運行管理工作模式，形成24小時動態(tài)監(jiān)控管理能力，能夠進行有效載荷工作狀態(tài)的實時監(jiān)控，實現(xiàn)既能在常規(guī)條件下安排衛(wèi)星觀測，又能根據(jù)國內外突發(fā)重大事件的需求，隨時安排應急觀測計劃，并及時上注觀測指令。環(huán)境減災衛(wèi)星星座在軌運行期間，完成了軌道調整、固存自檢、衛(wèi)星健康狀況分析等工作，為衛(wèi)星穩(wěn)定運行提供了保障。

2012年3月，在發(fā)現(xiàn)HJ－1A/B衛(wèi)星因軌道漂移，相位差大大超出設計要求后，通過運行管理系統(tǒng)仿真顯示南北緯33.8°之間會出現(xiàn)漏縫，相應區(qū)域的衛(wèi)星任務規(guī)劃將受到影響。國家減災中心組織相關單位，通過5次點火將衛(wèi)星軌道提升。通過高精度的軌控工作，達到預期指標要求。同期，針對HJ－1A/B衛(wèi)星記錄回放影像噪聲逐漸加重的情況，國家減災中心安排針對性的試驗，通過一次記錄多次回放、一次回放多站接收的措施，對星地鏈路中可能產(chǎn)生噪聲的各個環(huán)節(jié)進行分析，確定噪聲來源。經(jīng)過自檢操作，消除了噪聲影響，使圖像質量得到提高。同時，優(yōu)化了指令序列，防止噪聲再次出現(xiàn)。此外，衛(wèi)星運行期間，通過運行管理系統(tǒng)遙測參數(shù)的分析，判斷HJ－1A/B衛(wèi)星運行狀況，為星座的延壽運行提供技術支撐。

有效支撐環(huán)境減災衛(wèi)星災害風險監(jiān)測與應急響應工作

環(huán)境減災衛(wèi)星具有大幅寬、多載荷、多譜段等特點，能在災害風險監(jiān)測和應急中發(fā)揮重要作用。自衛(wèi)星發(fā)射以來，通過定期安排衛(wèi)星觀測計劃，有力支持了全國陸域本底影像制作、災害特征參數(shù)反演、積雪覆蓋監(jiān)測、水域范圍監(jiān)測等日常災害遙感業(yè)務。應急情況下，目前已針對青海玉樹地震、甘肅舟曲泥石流、南方暴雨洪澇等100余次國內重特大自然災害和澳大利亞森林大火、非洲之角干旱、孟加拉洪澇、緬甸洪澇等20余次國際災害事件，通過精確計算衛(wèi)星軌道，快速進行任務規(guī)劃，使得在第一時間內能夠緊急安排衛(wèi)星觀測任務，保障了衛(wèi)星減災應用服務及時有效。

針對突發(fā)性自然災害應急響應時效性要求高的特點，根據(jù)災害特征和災區(qū)形勢，緊密結合災害監(jiān)測評估業(yè)務需求，國家減災中心及時、快速安排衛(wèi)星觀測任務，其中玉樹地震后僅4個半小時就進行了首次觀測，并且實時下傳了遙感影像。在國際災害事件的應對上，2009年應澳大利亞政府請求，安排澳大利亞東南部森林草原大火監(jiān)測，相關服務工作得到了澳大利亞政府的高度贊揚；針對2010年智利8.8級地震，國家減災中心啟動應急觀測，HJ－1A/B衛(wèi)星于2月27日完成地震災區(qū)第一次觀測，獲取了震后8小時的CCD影像15景，基本覆蓋智利全境，應空間與重大災害國際憲章（CHARTER）機制要求，繼續(xù)對智利地震區(qū)域進行了2次觀測，共獲取CCD影像50余景；針對2010年危地馬拉火山噴發(fā)，應聯(lián)合國災害管理與應急反應天基信息平臺（UN-SPIDER）要求，及時安排應急觀測，于6月3日對火山區(qū)域進行了首次觀測，并進行4次連續(xù)觀測，累計獲得遙感影像20余景；針對2015年緬甸洪澇災害，通過持續(xù)安排衛(wèi)星觀測任務，獲取災區(qū)衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)，完成了對洪澇災區(qū)范圍和影響情況分析，為我國對外援助工作提供了有用的空間信息服務。以上應用實例充分體現(xiàn)了環(huán)境減災衛(wèi)星運行管理工作服務于全球應急觀測和快速響應的能力。

完成全球陸地中分辨率光學數(shù)據(jù)的獲取

為獲取全球陸地光學遙感影像，研究全球地表覆蓋和土地利用狀況，2010年起，國家減災中心開始利用HJ－1A/B衛(wèi)星CCD相機進行全球陸地光學影像獲取。光學遙感影像的獲取既要考慮地面光照條件、云量、季節(jié)、地物特性等因素，又要考慮衛(wèi)星觀測能力、地面接收能力、全球陸地分布等因素。依托環(huán)境減災衛(wèi)星運行管理系統(tǒng)，通過合理規(guī)劃衛(wèi)星成像任務，完成了基于HJ－1A/B衛(wèi)星的全球陸地光學遙感影像獲取工作。該數(shù)據(jù)是我國首個中高分辨率全球覆蓋的遙感光學影像集，已成為我國開展全球變化研究和全球30m分辨率土地覆蓋產(chǎn)品重要的中高分辨率光學影像數(shù)據(jù)源。

促進相關行業(yè)的衛(wèi)星遙感應用

環(huán)境減災衛(wèi)星搭載有可見光、紅外、高光譜、微波等多種遙感器，具有廣闊的應用領域和前景。自衛(wèi)星發(fā)射以來，環(huán)境減災衛(wèi)星數(shù)據(jù)已被廣泛用于農業(yè)農村、水利、自然資源、交通運輸、統(tǒng)計等多個相關行業(yè)領域，為中國氣象局、中國地質調查局等行業(yè)部門以及高校、科研院所、地方、企業(yè)等相關單位提供衛(wèi)星觀測和數(shù)據(jù)服務。在農業(yè)領域，利用運行管理系統(tǒng)安排農業(yè)旱災等衛(wèi)星觀測任務，制作農業(yè)干旱等專題圖，為農業(yè)災害的早期預警和糧食安全提供服務。在水利行業(yè)，通過制定洪水和干旱觀測計劃，為農業(yè)干旱和洪水監(jiān)測提供服務。在自然資源行業(yè)，通過合理安排多光譜、高光譜等載荷成像任務，開展海上溢油、海冰、地質環(huán)境、重大工程用地、城市規(guī)模擴張、土地覆蓋等監(jiān)測，為海洋科考、國土資源調查等提供應用服務。在交通運輸行業(yè)，結合衛(wèi)星觀測區(qū)域數(shù)據(jù)，開展道路災害損毀應急監(jiān)測與評估工作。在統(tǒng)計行業(yè)，衛(wèi)星運行管理工作為開展糧食主產(chǎn)區(qū)作物種植面積遙感測量和估產(chǎn)提供了保障。通過運行管理系統(tǒng)的合理規(guī)劃和調度，使得環(huán)境減災衛(wèi)星不僅能夠有效服務于防災減災、生態(tài)環(huán)境等主要行業(yè)用戶，還能兼顧服務于其他相關的行業(yè)領域，從而推動了環(huán)境減災衛(wèi)星在各領域應用水平和能力的提升。

4 結語

環(huán)境減災衛(wèi)星的運行管理業(yè)務已持續(xù)10年。10年來，為加強環(huán)境減災衛(wèi)星運行管理工作，國家減災中心成立了運行管理中心，培養(yǎng)和配備了專業(yè)化的運行管理業(yè)務人員，建立了衛(wèi)星運行管理制度，形成了多部門協(xié)作的衛(wèi)星運行管理與服務機制，研制的衛(wèi)星運行管理系統(tǒng)能夠長期穩(wěn)定運行，為環(huán)境減災衛(wèi)星星座在軌運行和最大限度發(fā)揮衛(wèi)星應用效能提供了有力保障。環(huán)境減災衛(wèi)星星座運行管理的一大特色和寶貴經(jīng)驗在于衛(wèi)星的業(yè)務管控是由用戶部門負責，這就保證了衛(wèi)星觀測能夠更為緊密地結合國家防災減災和應急處置應用需求，能夠實現(xiàn)定期觀測和靈活安排編程計劃相結合，使衛(wèi)星的應用效益得到更為充分的發(fā)揮。因此，這種成功的運行管理機制將在“環(huán)境減災”衛(wèi)星運行管理的后續(xù)發(fā)展中得到延續(xù)，現(xiàn)有運行管理系統(tǒng)將會進一步完善功能、提升性能，最大限度地實現(xiàn)需求牽引、天地協(xié)同的衛(wèi)星應用服務。