汪精華 王躍 于龍江 范立佳 姜洋

(中國(guó)空間技術(shù)研究院遙感衛(wèi)星總體部，北京 100094)

遙感衛(wèi)星智能化處理技術(shù)發(fā)展迅速，用戶對(duì)于遙感信息的快速響應(yīng)需求也日益強(qiáng)烈[1-2]，結(jié)合民用減災(zāi)用戶災(zāi)區(qū)遙感圖像快速獲取需求，高分多模衛(wèi)星采用星地一體化快速響應(yīng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠完成熱點(diǎn)區(qū)域的目標(biāo)快速提取及2級(jí)圖像產(chǎn)品的快速生成，結(jié)合低碼速率星地下傳通道，支持圖像產(chǎn)品的快速應(yīng)用，數(shù)據(jù)可快速直傳到災(zāi)區(qū)一線的指揮車，滿足用戶“所見(jiàn)即所得”的快速獲取需求。它將事件響應(yīng)時(shí)間由小時(shí)級(jí)提升至分鐘級(jí)，同時(shí)能為用戶提供高定位精度的2級(jí)圖像產(chǎn)品，支持定量化應(yīng)用。

本文主要介紹了高分多模衛(wèi)星支持快速響應(yīng)的星地一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)(簡(jiǎn)稱“快速響應(yīng)系統(tǒng)”)，以及系統(tǒng)在軌試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果，可為后續(xù)遙感衛(wèi)星快速響應(yīng)的應(yīng)用模式提供參考。

1 快速響應(yīng)系統(tǒng)組成

高分多模衛(wèi)星快速響應(yīng)系統(tǒng)星上部分由區(qū)域提取與處理單元單機(jī)，以及數(shù)傳分系統(tǒng)的相關(guān)單機(jī)組成，數(shù)據(jù)流程跨越區(qū)域提取與處理單元、一體化數(shù)據(jù)處理器、X頻段調(diào)制器及數(shù)傳天線等十余臺(tái)單機(jī)，數(shù)據(jù)流設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1。高分辨率相機(jī)數(shù)據(jù)發(fā)送到一體化數(shù)據(jù)處理器進(jìn)行分路，一路數(shù)據(jù)在一體化處理器中進(jìn)行壓縮處理，壓縮后的數(shù)據(jù)進(jìn)如固態(tài)存儲(chǔ)器；一路數(shù)據(jù)經(jīng)分路后進(jìn)入?yún)^(qū)域提取與處理單元進(jìn)行處理，處理后的圖像產(chǎn)品經(jīng)過(guò)一體化處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)復(fù)接與格式編排，再通過(guò)調(diào)制器及數(shù)傳天線下傳至地面，此時(shí)數(shù)傳的通道部分將采用低碼速率模式。

圖1 星上處理及快速分發(fā)數(shù)據(jù)流Fig.1 Data stream of onboard processing and fast delivery

高分多模衛(wèi)星快速響應(yīng)系統(tǒng)的地面及處理部分由地面便攜站或者機(jī)動(dòng)站組成，站內(nèi)配置接收、處理、顯示及評(píng)估軟件，可滿足分鐘級(jí)的遙感2級(jí)圖像快速響應(yīng)，星地采用的低碼速率模式降低了地面接收系統(tǒng)的規(guī)模，優(yōu)化了快速響應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。從表1星地鏈路分析結(jié)果可知：地面站性能指數(shù)(G/T)為15.5 dB/K(對(duì)應(yīng)于1.5 m天線)的接收系統(tǒng)還有3 dB以上的鏈路余量[3-4]。

表1 星地鏈路分析Table 1 Ground-to-satellite link analysis

2 星地一體化設(shè)計(jì)

針對(duì)在軌處理所涉及的區(qū)域提取及2級(jí)圖像生成需求，星上處理涉及到目標(biāo)提取、輻射校正、圖像拼接及系統(tǒng)幾何校正等?？紤]星地指標(biāo)體系的一致性，高分多模衛(wèi)星星上處理采用星地一體化設(shè)計(jì)，具體包括：①星上處理算法采用地面簡(jiǎn)化算法，保證算法的可用性及測(cè)試結(jié)果的可信度；②模型參數(shù)由地面標(biāo)定獲取后上注星上處理軟件使用，并定期更新，保持星上處理指標(biāo)的高精度。

在軌相對(duì)輻射校正、拼接、系統(tǒng)級(jí)幾何校正產(chǎn)品星地一體化處理過(guò)程，如圖2所示。

圖2 星地一體化處理過(guò)程Fig.2 Ground-to-satellite integrated processing flowchart

2.1 輻射校正星地一體化設(shè)計(jì)

地面的輻射校正一般包括查找表法及系數(shù)法[5-6]，它們均是目前地面站的常用處理方法。查找表法需要對(duì)每一個(gè)像素在查找表中進(jìn)行二維搜索，并用表中的值對(duì)原值進(jìn)行替換；系數(shù)法則是將每個(gè)像素直接進(jìn)行乘加運(yùn)算，對(duì)于星上處理系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，處理器對(duì)存儲(chǔ)器存取是比較耗時(shí)的，尤其是跨行讀寫(xiě)效率是連續(xù)讀寫(xiě)效率的1/100，考慮到輻射校正實(shí)時(shí)性要求及星上處理系統(tǒng)規(guī)模的限制，高分多模衛(wèi)星輻射校正采用系數(shù)法。

2.2 幾何校正星地一體化設(shè)計(jì)

本文基于嚴(yán)格幾何模型進(jìn)行多片CCD拼接和系統(tǒng)級(jí)幾何校正[7]，產(chǎn)品幾何校正處理依賴于幾何模型的建立[8]?？紤]星上處理能力的限制，為提高幾何校正處理的效率，采用分塊校正的思路，以少部分的精度損失換取校正過(guò)程的高效率。其原理如圖3所示：左側(cè)為一幅原始圖像(四邊形abcd)，定義在圖像坐標(biāo)系a-xy中；右側(cè)C-XY是地圖坐標(biāo)系及校正后的圖像(四邊形a′b′c′d′)，四邊形ABCD表示在計(jì)算機(jī)中為校正后圖像開(kāi)出的存儲(chǔ)范圍及相應(yīng)的地面位置。具體操作為：①對(duì)輸出圖像按地面范圍劃分格網(wǎng)；②求出每個(gè)格網(wǎng)的4個(gè)角點(diǎn)對(duì)應(yīng)的原始圖像坐標(biāo)，如圖3中a，b，c，d；③求單個(gè)格網(wǎng)塊對(duì)應(yīng)的原始圖像坐標(biāo)的范圍，得到圖3中的A，B，C，D；④對(duì)格網(wǎng)內(nèi)的每個(gè)點(diǎn)P，用簡(jiǎn)單內(nèi)插的辦法求出原始圖像坐標(biāo)P′及點(diǎn)的輸出灰度；⑤判斷格網(wǎng)內(nèi)所有像素是否都已處理完畢，若未處理完畢，轉(zhuǎn)到第④步，若已處理完畢，將該格網(wǎng)內(nèi)的象素灰度寫(xiě)入文件中；⑥判斷是否所有格網(wǎng)塊已處理完畢，若未處理完畢，轉(zhuǎn)到第③步繼續(xù)處理下一個(gè)格網(wǎng)塊，若已處理完畢，結(jié)束操作。

圖3 分塊采樣原理Fig.3 Principle of block sampling

2.3 星地處理算法差異分析

在軌實(shí)時(shí)處理時(shí)的算法流程與地面的算法流程相同，存在差異如下。

(1)在幾何校正處理中，需要對(duì)圖像進(jìn)行劃分格網(wǎng)分塊校正，較逐點(diǎn)計(jì)算提高運(yùn)算效率，格網(wǎng)劃分越稀疏處理速度越快，同時(shí)精度損失越高；星上環(huán)境下，依據(jù)處理模塊的運(yùn)算能力和處理時(shí)間需求，與地面相比更注重處理的實(shí)時(shí)高效，則配置格網(wǎng)劃分更偏向效率，較地面系統(tǒng)處理稀疏。目前，地面分塊大小為256×256，星上每塊大小為2000×2000(1 km×1 km)。通過(guò)準(zhǔn)確的相機(jī)內(nèi)定標(biāo)后，唯一差別是小區(qū)域采用相同的高程計(jì)算，即高程誤差帶來(lái)的影響，對(duì)于平坦區(qū)域，該影響可以忽略[9]。

(2)在拼接和幾何校正過(guò)程中必需的DEM數(shù)據(jù)，理論上一定是精度越高，引入誤差越小，但考慮到星上存儲(chǔ)環(huán)境限制，地面系統(tǒng)所采用的較精細(xì)的DEM數(shù)據(jù)不適用于星上處理，因此采用格網(wǎng)較粗、存儲(chǔ)需求較低的DEM數(shù)據(jù)。目前，地面使用30 m分辨率的DEM數(shù)據(jù)，星上使用180 m分辨率的DEM數(shù)據(jù)，帶來(lái)的誤差也是高程誤差，在平坦地區(qū)可以忽略。

3 關(guān)鍵指標(biāo)分析

快速響應(yīng)系統(tǒng)性能關(guān)鍵指標(biāo)包括快速響應(yīng)延遲時(shí)間及圖像定位精度，下面分別對(duì)其進(jìn)行分析。

3.1 快速響應(yīng)延遲時(shí)間

快速響應(yīng)延遲時(shí)間包括區(qū)域提取單元處理時(shí)間、2級(jí)圖像產(chǎn)品在星上數(shù)傳分系統(tǒng)流轉(zhuǎn)時(shí)間及圖像星地傳輸時(shí)間，由于星上已經(jīng)處理成圖像產(chǎn)品，因此地面可不再進(jìn)行處理，接收后直接顯示即可。對(duì)于不同大小的區(qū)域，響應(yīng)時(shí)間見(jiàn)表2。根據(jù)分析可知：最大區(qū)域15 km×15 km的星地快速響應(yīng)時(shí)間可達(dá)114 s，小于2 min；而最小區(qū)域5 km×5 km，星地快速響應(yīng)時(shí)間僅為27 s。

表2 響應(yīng)時(shí)間分析Table 2 Response time analysis

3.2 圖像定位精度

根據(jù)嚴(yán)格幾何模型，推導(dǎo)各個(gè)誤差項(xiàng)對(duì)定位精度影響的公式，并對(duì)高分多模衛(wèi)星平臺(tái)存在的各種誤差源大小進(jìn)行估算。結(jié)合衛(wèi)星的相關(guān)參數(shù)，對(duì)星下點(diǎn)的定位精度進(jìn)行分析，結(jié)果如表3所示。對(duì)于有側(cè)擺角的情況，單軸誤差會(huì)加大。

表3 圖像定位精度分析Table 3 Image positioning accuracy analysis

4 在軌驗(yàn)證

4.1 響應(yīng)時(shí)間在軌驗(yàn)證

2020年12月31日，高分多模衛(wèi)星在北京首次完成了特定區(qū)域快速獲取模式應(yīng)用演示驗(yàn)證試驗(yàn)，模擬應(yīng)急搶險(xiǎn)救災(zāi)前沿指揮部“實(shí)時(shí)”接收受災(zāi)區(qū)域2級(jí)遙感圖像產(chǎn)品，并進(jìn)行判讀應(yīng)用的場(chǎng)景。圖4是北京密云水庫(kù)目標(biāo)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)及提取結(jié)果。根據(jù)試驗(yàn)安排，高分多模衛(wèi)星當(dāng)天上午飛越北京，衛(wèi)星對(duì)前沿指揮部所在的受災(zāi)區(qū)域(密云水庫(kù)附近)快速指向，并于10：54：24開(kāi)始成像，成像后立即進(jìn)行星上實(shí)時(shí)處理，生成15 km×15 km的2級(jí)圖像產(chǎn)品；10：56：30通過(guò)指揮部配置的地面移動(dòng)接收站完成圖像數(shù)據(jù)的接收、解調(diào)，并進(jìn)行圖像產(chǎn)品的顯示和判讀。

圖4 北京密云水庫(kù)目標(biāo)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)及提取結(jié)果Fig.4 Test-site and target extraction results of Miyun reservoir in Beijing

衛(wèi)星成像至用戶接收到可直接應(yīng)用的圖像，獲取全鏈路時(shí)間縮短至2 min左右，“第一時(shí)間”將受災(zāi)區(qū)域的遙感衛(wèi)星圖像產(chǎn)品傳送到前沿應(yīng)急指揮部，以便指揮部及時(shí)掌握災(zāi)害發(fā)生地點(diǎn)、涉及范圍、發(fā)展趨勢(shì)等信息。

4.2 定位精度在軌評(píng)估

在軌測(cè)試期間，高分多模衛(wèi)星對(duì)4個(gè)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行了提取及處理，側(cè)擺角度為20°～30°。為保證圖像定位精度測(cè)試的可靠性，試驗(yàn)選用0.3 m分辨率的谷歌圖像作為參考圖像。具體測(cè)試結(jié)果如表4所示。

表4 在軌定位精度測(cè)試結(jié)果Table 4 On-orbit positioning accuracy test results

通過(guò)對(duì)高分多模衛(wèi)星多幅區(qū)域提取圖像進(jìn)行幾何定位精度測(cè)試，結(jié)果表明經(jīng)度方向(橫向)上的定位精度為-50.36 m，緯度方向(縱向)上的定位精度為29.18 m，考慮到測(cè)試圖像均為側(cè)擺角20°～30°范圍內(nèi)，因此表4在軌測(cè)試結(jié)果與表3的指標(biāo)分析結(jié)果一致。這表明：高分多模衛(wèi)星快速響應(yīng)系統(tǒng)，可在2 min以內(nèi)完成星上2級(jí)圖像采集與生成，并傳輸至用戶顯示，大大降低了系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，增強(qiáng)了系統(tǒng)應(yīng)用效能；同時(shí)，2級(jí)圖像的兩軸定位精度與指標(biāo)分析結(jié)果一致，滿足技術(shù)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

高分多模衛(wèi)星配置了星地一體化快速響應(yīng)系統(tǒng)，完成特定區(qū)域圖像的提取、輻射校正及幾何校正，生成用戶可直接應(yīng)用的2級(jí)圖像產(chǎn)品；并利用數(shù)傳分系統(tǒng)的低速傳輸模式，支持配置更為靈活的機(jī)動(dòng)站或微型便攜接收站來(lái)完成圖像數(shù)據(jù)的快速實(shí)時(shí)接收與顯示，能有效解決如何“第一時(shí)間”將受災(zāi)區(qū)域的遙感衛(wèi)星圖像產(chǎn)品傳送到前沿應(yīng)急指揮部的問(wèn)題。該衛(wèi)星將獲取時(shí)效性由數(shù)小時(shí)提高至分鐘級(jí)，且圖像定位精度較高，可提供及時(shí)、有效、準(zhǔn)確的信息，有效服務(wù)于重大災(zāi)害等應(yīng)急需求。