林仁紅 王琦 歐陽平超

（1中國航天工業(yè)科學技術咨詢有限公司 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，并在空間與重大災害國際憲章（CHARTER）機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構(gòu)間建立的合作伙伴關系，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、資源共享的協(xié)同方式；其三，滿足多種復雜任務的需求，通過面向場景服務的標準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，花費大量的財力和人力成本。當前，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——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機制是國際上唯一以實際運行方式、利用空間對地觀測技術進行減災活動的國際組織。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)一標準下的全球持續(xù)、系統(tǒng)性的觀測，是應對全球?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計劃、衛(wèi)星運營商以及國際需求方，面向科學研究、衛(wèi)星應用等目標而形成的對地協(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)上的共享技術瓶頸或技術壁壘，尤其是地面測運控站網(wǎng)的綜合性能與部署設計，能夠在滿足其既定任務的情況下，接受參與方虛擬星座規(guī)劃任務的調(diào)度安排；③需要建立一套科學機制或規(guī)劃體系，獲得星座組網(wǎng)后的數(shù)據(jù)共享或補償權(quán)益；④多國在軌的衛(wèi)星資源能力互補，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)建方法及應用領域

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行規(guī)劃設計，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)合觀測任務設計、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)信息與共享應用等研究分析。仿真設計考慮星座覆蓋范圍等任務要求：全球覆蓋星座與區(qū)域覆蓋星座的區(qū)別主要來自任務的不同，不同的任務要求對星座設計的各項指標都有不同的影響。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、相互獨立且互補協(xié)同完成復雜觀測任務，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)星及載荷相關約束、數(shù)傳約束以及任務規(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；從組織機制看，衛(wèi)星資源聯(lián)盟的衛(wèi)星分屬于不同衛(wèi)星中心，由相應的衛(wèi)星中心對資源進行管控。由于任務及任務環(huán)境的動態(tài)不確定性，因此面向各種任務的衛(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、精準計算等方法的重要補充。該方法主要是利用公式計算、函數(shù)分析、計算機處理等方法對星座覆蓋、性能比較、數(shù)據(jù)處理等進行定量化分析。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)進行對比分析。

這些構(gòu)建方法中，仿真分析方法應用最為普遍，即為研究解決某一實際決策問題，先建立該場景應用的同態(tài)模型，并對模型進行動態(tài)、模擬的運行試驗。

應用領域

虛擬星座應用領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域的商業(yè)性、精準化對地觀測服務。

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用服務，一般應在聯(lián)合國或國際合作機制框架下進行，以國防軍事（國際組織）、應急救援、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標為重點，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“世界性災難”，也是虛擬星座構(gòu)建的關注重點。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、公共安全與應急救災等領域有需求。

商業(yè)應用方面，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，實現(xiàn)對目標區(qū)域、特定任務的快速響應。例如，OneAtlas作為空客防務與航天公司（ADS）的數(shù)字情報平臺，提供個性化的、共同設計的對地觀測數(shù)據(jù)服務，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計基礎，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，例如CHARTER機制、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)，應該借鑒國際CHARTER機制，為確保星座正常運行，需要構(gòu)建相關運營機構(gòu)并確保逐步形成日常運行和業(yè)務服務能力，成立具有運行能力的星座運營機構(gòu)，分別指定各參與方的業(yè)務支撐單位，確保形成工作模式、工作流程、協(xié)調(diào)機制和運行服務方式（以公益服務為主）；積極探索形成商業(yè)化運行服務能力。原則上，虛擬星座不單純考慮“數(shù)據(jù)對等”原則，而是從貢獻率的角度進行定期評估，若出現(xiàn)問題由各參與方協(xié)商解決。

需求統(tǒng)籌與任務規(guī)劃

虛擬星座構(gòu)建中面臨的關鍵問題和事項包括：需求統(tǒng)籌問題、仿真分析問題、技術會商問題、觀測任務協(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（含應急需求）：建立星座技術專家組或值班的應急任務辦公室（或應急任務響應工作組）；需求符合星座所含衛(wèi)星的主要技術狀態(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到國家一級和二級災害標準的重大自然災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)機構(gòu)承擔虛擬星座仿真分析的值班任務。結(jié)合各方用戶數(shù)據(jù)需求，對星座各衛(wèi)星進行軌道運行和執(zhí)行任務仿真分析，盡可能降低任務沖突，滿足用戶需求；形成仿真結(jié)果后，交由星座技術專家組組織會商。

技術會商是星座技術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)任務需求，需求方須提前向星座技術專家組提出申請，由星座技術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)建各方應參照CHARTER機制，在各方相關部門設立應急任務辦公室（或應急任務響應工作組，輪值運行），并在星座技術專家組的組織下開展工作。

數(shù)據(jù)處理與共享機制

虛擬星座構(gòu)建的最終目標是形成滿足任務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)星的基礎上，各方提供所屬的相關地面系統(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“總體設計，分別實施，同步形成，聯(lián)網(wǎng)運行”的方式進行改造。尤其是對各方提供的地面系統(tǒng)進行綜合評測和總體設計（包括數(shù)據(jù)格式、接口標準、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用服務共享平臺”，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)、任務規(guī)劃、數(shù)據(jù)分發(fā)等，并基于該平臺開展相關應用服務。

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，一是天基設施建設，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；二是地面設施建設，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東地區(qū)和中方東部地區(qū)，以及對南非和巴西相關地區(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能力，提供應急觀測與特定任務的空間信息消費服務。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、觀測任務管理、數(shù)據(jù)接收分發(fā)服務監(jiān)管；地面中心站承擔衛(wèi)星星座系統(tǒng)的運行調(diào)度管理和接收分發(fā)服務監(jiān)管；網(wǎng)關站負責在中心站調(diào)度下，對過境衛(wèi)星進行業(yè)務測控；地面數(shù)據(jù)接收與處理系統(tǒng)負責數(shù)據(jù)的接收、存儲、處理及分發(fā)；增值服務系統(tǒng)可由第三方委托機構(gòu)負責管理，面向區(qū)域開展星座數(shù)據(jù)服務的開發(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)應用、傳輸?shù)刃枨?，由星座技術專家組組織核對各國采用的相關標準規(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準規(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、服務與標準規(guī)范，并逐步具備云服務、計算、網(wǎng)上交易、互操作、協(xié)同工作等功能。