陈金勇

(1．中国电子科技集团公司航天信息应用技术重点实验室，河北 石家庄 050081; 2．中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

航天对地观测运行机制与快速响应系统研究

陈金勇1，2

(1．中国电子科技集团公司航天信息应用技术重点实验室，河北 石家庄 050081; 2．中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

航天对地观测具有全球性，不受国界领空限制，快速响应机制对灾害救援和军事应用等具有重要意义。分析了航天对地观测系统组成、工作流程及其发展趋势，研究了快速响应空间概念和提高系统快速响应能力的相关环节，以任务规划控制快速响应为例，提出了基于平台/插件思想实现系统快速研发与流程再造的技术路线，试验验证了技术成果的可行性，给出了航天对地观测快速响应系统未来发展模型的构想。

航天对地观测;快速响应;运行机制;平台插件模型

0 引言

航天对地观测系统以地球为观测对象，依托卫星、飞船、空间站和航天飞机等天基平台，利用可见光、红外和微波等电磁波谱段，对地球上地物如陆地、海洋、大气等的资源、环境、生态和灾害等信息进行探测，通过传感器接收地物发射、辐射、反射和散射的电磁波信号，进行观测数据生成与处理，根据行业应用需求分析地物特性，生成相应专题成果。相关的承载平台、探测手段、信息处理和应用设备等共同构成对地观测系统。

按照航天器种类，航天对地观测主要包括军事成像侦察、电子侦察、预警探测、海洋监视、核爆探测、气象和地球资源等行业卫星系统及其地面应用系统［1－2］。

传统对地观测系统航天器轨道一般为几百千米高度的太阳同步轨道，与赤道面近乎垂直、过地球南北极飞行，每天十四五圈。随着地球自转的进动，通过轨道设计可以在一定时间周期内完成对地球表面的覆盖观测。

低轨航天对地观测具有全球性、周期性和间断连续性特点，航天器轨道特性决定其对同一地物的重访周期和单次观测时长，航天器数量的增加可以提高重复观测次数、缩短观测间隔时间，红外和微波手段可实现全天候成像，观测设备视场和轨道高度决定观测条带宽度，有效载荷空间分辨率影响观测清晰度和目标判识程度，卫星位置和姿态等测量精度影响目标定位精度。

航天对地观测快速响应表现在:航天控制系统快速生成指令，驱动航天器在目标区域执行观测动作并将观测数据进行处理或下传到地面系统，通过应用处理和分发服务提供最终用户使用。

本文梳理了航天对地观测系统基本组成要素和运行体系，分析了国内外发展趋势，认为需求牵引和技术推动大大促进了航天应用快速响应能力的形成。从业务流程上设计了各组成要素的快速响应方式，从技术路线上提出了平台/插件思想应用于信息系统研制开发，并以任务规划与管理控制系统快速响应能力的设计实现为例，给出了成果形态和运行场景。展望了我国未来航天对地观测事业的蓬勃发展与一体化快速响应系统理想模型。

1 航天对地观测运行机制

航天对地观测系统工程从研制建设的角度一般包括:航天器、运输系统、发射场、测控系统、运控系统和应用系统等六大部分。

航天器主要是人造地球卫星，还包括载人飞船和空间站等，发射后按照天体力学规律在轨运行。

运输系统可划分运载器和运输器2种，运载器主要指一次性使用的运载火箭，运输器主要特点是具备往返能力。

航天发射场用以装配、储存、检测和发射航天器，并实现测量控制和遥测处理。

测控系统对航天器状态跟踪测量，编制飞行器控制指令，实施工程测控和业务测控。

运控系统按照卫星应用行业需求，分析梳理工作任务，统筹优化并生成航天器有效载荷控制计划，通过测控系统上注指令执行，接收航天器观测数据，发送应用系统处理。运控系统是航天对地观测系统业务运行控制的中枢，是提高运行效率的重要环节。

应用系统接收航天器观测数据，进行数据管理、信息处理和分发服务。应用系统是航天对地观测系统应用效益发挥的核心。

运载火箭和发射场体现进入太空的能力，当航天器正常入轨后完成其历史使命;航天器进入在轨测试阶段，对地观测系统在轨测试时间较长，一般需要几个月;完成后进行系统交付进入业务化运行和长期管理阶段。航天器与地面系统协调运行，其基本工作流程如图1所示。

图1 航天对地观测系统基本工作流程

图1中，运控系统的管控中心响应并分析用户需求，根据星地资源能力，生成卫星观测、跟踪接收和数据处理等计划;测控系统将业务测控指令通过测控网或中继星上注卫星执行;任何地物都有辐射、反射和吸收电磁波的特点，这是遥感的原理基础，卫星将利用主动或被动遥感获得的探测信息，通过地面站接收，传送应用系统进行加工处理后，分发服务用户系统。

系统运行一般包括常规和应急2种模式，主要体现在操作控制和信息处理流程等环节。

传统航天对地观测系统一般是由国家投资的大型基础设施，其研制建设与运行维护成本高昂，而主要服务对象用户群体相对单一。常规工作模式面向日、周、月或季度、年为单位，以计划方式驱动系统进行指定地域的观测与信息处理;应急工作模式面向指定时段、指定地域，以事件方式驱动系统选择适合的观测资源进行快速响应。总体上应急方式发生概率不高，属于临时处置性质。

随着技术发展和政策开放，世界各国尤其以美国大力推行航天应用商业化运行模式，其服务对象的数量和需求的丰富性大大提高，对现有运行机制提出了挑战，应急响应机制常态化将成为一种趋势。

2 航天对地观测发展趋势

2．1 卫星数量将爆发性增长

传统大型对地观测卫星，重量达十几到几十吨，功耗大、成本高。近年来小卫星、星座化蓬勃发展，以互联网技术为依托，实现天地一体化信息网络，是航天对地观测系统尤其是卫星能力发展趋势的重要方向之一。

小卫星以其质量轻、成本低、发射周期短和应用快捷等特点，越来越受到航天应用领域的青睐。卫星数量的增加可极大地提高对地观测的时间覆盖密度，大、小卫星的协作是未来的发展方向。

小卫星技术及一箭多星等能力大大降低了卫星研制和发射成本，国外尤其以美国商业公司为代表，制定了一系列宏大的卫星发射计划［3］。

2014年，谷歌宣布将投资10亿美元建设180颗低轨道小型高性能卫星，提供卫星互联网业务;2014 年11月，特斯拉创始人埃隆·马斯克的SpaceX公司宣布计划发射700颗低轨道卫星提供互联网服务，今年9月进一步增加至4 000颗;2015年1月，One Web宣布启动建立全球最大的卫星网络，首先计划发射648颗卫星，下一步将发射2 400颗卫星。在对地观测卫星方面，Planet Labs公司构建的“鸽群”－1星座由一系列 3U立方体卫星组成，计划2016年度实现近 200颗卫星发射，新增 28个接收站，预计实现全球覆盖每年50次［4－5］……

2．2 卫星有效载荷及控制灵活性极大提高

卫星对地观测有效载荷能力不断提高。可以用分辨率笼统表征有效载荷的能力，诸如空间分辨率、光谱分辨率、灰度分辨率、温度分辨率和时间分辨率等。美国的军事侦察卫星最高的空间分辨率早已达到了0．1 m，光谱分辨率达到了nm级。遥感波谱域从最早的可见光向近红外、短波红外、热红外和微波方向发展，波谱域的扩展将进一步适应各种物质反射、辐射波谱的特征峰值波长的宽域分布。高光谱遥感的发展，使得遥感波段宽度从早期的0．4 μm(黑白摄影)、0．1 μm(多光谱扫描)到5 nm(成像光谱仪)，提高了地物光谱分辨力，有利于区别各类物质在不同波段的光谱响应特性。

视频卫星是一种新型遥感卫星，其最大特点是能够对某一地区进行“凝视”观测，以“视频录像”方式获得地面目标更多的动态信息，特别适合观测时敏目标，分析瞬间特征，为突发抢险救灾、广域场景动态监测和军事战术行动等时间敏感行为决策的天基观测支持提供了可能。美国天空盒子成像公司(Skybox Imaging)正在发展由24颗微小卫星组成的星座，将获取的海量数据提供基于互联网和云技术的商用数据分发服务，应用领域包括矿山、工厂、港口、商业、保险和政府等。2014年，谷歌公司(Google)以5亿美元收购了该公司［6－7］。

敏捷卫星与传统卫星相比具有俯仰、滚动和偏航等姿态动作，展现出更大的对地观测范围、更强的对地观测能力。作为一类新型对地观测卫星因成本低、研制周期短、姿态机动能力强及调整精度高，成为了各航天大国竞相研制的对象［8－9］。

2．3 技术发展和政策开放推进航天遥感应用

宽带通信、移动互联、云计算和大数据等新型技术手段的发展，进一步推动了遥感技术及其应用的发展。各种新型高效遥感图像处理方法和算法将被用来解决海量遥感数据的处理、校正、融合和遥感信息可视化，大量遥感分析活动从“定性”向“定量”转变，定量遥感成为遥感应用发展的热点［10－11］。

美国航天遥感领域发展的基本策略是将中低分辨率数据服务活动国家经营、公益化;将中高分辨率数据服务活动公司经营、商业化;当然，将甚高分辨率遥感数据应用于军事目的进行保密限制。

美国在克林顿政府时期解禁了1 m分辨率遥感图像资源，放开到0．5 m分辨率遥感图像商业化经营许可，在奥巴马政府时期进一步放开到0．25 m分辨率遥感图像的商业化经营许可，极大地刺激和推动了美国商业遥感市场的迅猛发展，也为其快速占领国际市场提供了政策支持，诸如IKONOS、Quick-Bird、WorldView和 SkyBox等遥感卫星公司获得了巨大的商业利益。

航天对地精细化的观测分析能力、高密度的时间连续覆盖，极大地拓展了应用领域。航天对地观测应用这种带有“贵族”色彩的国家级战略设施，正在走下神坛，走进千家万户。

3 航天对地观测快速响应系统

3．1 快速响应空间

进入21世纪，世界各国竞相发展空间力量，争先进入空间、利用空间和控制空间，成为各军事大国国家安全和发展战略的重要内容。

美军提出了快速 响应空间 (Operationally Responsive Space)的概念，意在满足战场战役和战术需求，应对突发事件和适应未来空间攻防对抗需要，快速组织和补充精干有效的航天力量。ORS典型特点除经济性、灵活性、有限需求、协同操作性和短期可靠性等方面外，重点是快速响应性［12－21］。

美军将快速响应空间定义为3个等级:第1级是数分钟到数小时，主要依托在轨航天器即时响应能力;第2级是数天或数周，基于储备发射部署，将3～12月缩短为数天;第3级是数周到数月，从需求分析设计研发到部署，将2～10年缩短为6～9个月。

3．2 快速响应要素

空间快速响应的发展是一项复杂的系统工程，涉及到包括卫星、运载、测控、在轨运行和应用系统在内的设计、生产、部署和应用等多个环节［22－23］。

3．2．1 即插即用卫星

采用即插即用技术缩短卫星研制时间，可以降低成本、提高市场响应速度。经过数年研究，美军已经取得显著进展，完成了演示验证卫星的研制。

即插即用技术通过采用开放式标准以及机械、电和软件标准接口，能够自动识别接入组件，进行动态监测和配置，简化组装、集成和测试工作。美军ORS的目标是6天内研制出一颗卫星［24］。

3．2．2 快速响应空间运载器

快速响应空间要求时间快、易操作、功能简单、成本低和效费比高，对运载器提出了特殊的要求，主要表现在:适当的运载能力，一般100 kg左右;良好的快速响应能力，一般要求48 h内发射;良好的机动发射能力。

我国863研究成果“快舟”小型固体运载火箭，首创星箭一体化，国内首次采用栅格舵控制技术，是我国首个具有快速集成、快速测试和快速入轨能力的小型固体运载火箭。

3．2．3 发射场与测控网

1982年历时69天的马岛战争，苏联成功发射了22颗军用卫星;海湾战争中，俄罗斯成功发射了7颗军用卫星。快速响应空间强调机动发射，主要包括地面、水面、水下和空中等机动发射形式。

测控系统的发展经历了从地面建网到建立天基测控网的过程，与全球卫星定位系统和中继卫星系统相结合的天基测控网，更有利于快速响应系统的测控。

3．2．4 快速任务规划控制

快速响应系统需要改变传统以日或周进行的周期性常态化任务保障的作业模式，实现滚动式动态任务规划控制，通过技术手段降低任务动态调整复杂度，规避星上任务频繁调整的风险。

采用SOA理念，平台/插件开发技术，基于模板套餐式思想梳理快速响应能力需求，设计研发任务规划控制系统，可实现抽取共性基础、模块快速组装和流程定制再造等灵活能力。

3．2．5 快速应用处理系统

在对地观测目标变化监测和动态信息获取处理方面，可通过任务规划事先计算、面向原分辨率快视数据在线处理等方式，实现数据快速处理和专题信息快速生成。利用云计算、大数据和并行处理技术，实现海量遥感数据的快速处理和分发服务是应对用户需求多样化的有效途径。

3．2．6 航天器在轨自主控制与信息处理

航天器在轨自主任务规划控制实现在星载计算机上处理任务信息，根据自身能力和轨道姿态，规划传感器资源使用并控制航天器姿态调整。

航天器在轨信息处理可在星上对探测数据进行必要的预处理、应用处理和综合处理，如对电子侦察辐射源的分析与识别处理，对成像数据的目标检测处理。结合AIS和ADS-B等信息进行的融合处理等，通过广播分发授权服务指定用户群体，可大大提高系统快速响应能力。

4 滚动式任务规划控制

航天任务管控系统面向多用户和多类型个性化需求，具有常规与应急任务交织的工作模式与使用特点，随着卫星数量和能力的不断提高，任务量急剧增加，基于通用任务管控平台进行增量开发与系统重构，适应后续航天地面应用项目快速搭建，建立滚动式任务规划控制系统，具有重要意义。

4．1 平台/插件技术思想

平台/插件模型架构是一种比较成熟的基础技术，其核心思想意在针对业务系统进行需求分析、梳理功能模块的基础上，建立通用的底层支撑环境、规范化的插件开发及接口关系，结合个性化的插件模块灵活构造定制化的应用系统。

这种模型体系结构可分为两大部分:① 软件平台，提供软件的核心和基础功能，这些功能既可以为用户所用也可以为插件所用。平台的内核功能是整个软件的基础，软件的大部分功能都应该由它来处理;② 插件，平台的插件处理功能主要用于管理插件和扩展功能，并为插件操纵平台和平台与插件之间通信提供标准接口，插件是对平台功能的扩展与补充，根据职能设计开发对应具体的业务功能［25－26］。

4．2 任务管控系统平台插件成果

选择基于OSGi(Open Service Gateway Initiative)规范的平台+插件体系架构，OSGi标准插件提供了松耦合、易扩展的组件开发能力，对航天任务管控系统进行插件化的组织方式开发，实现了系统的软件复用、团队协作和远程维护，在应用效果上操作亲善、重构灵活。

开发了一站式的业务插件“应用商店”，将插件开发与应用商店无缝连接，通过版本管理、自动远程更新等，可降低前端业务集成门槛，突出用户参与感及交互体验。

具体将基础设施、支撑环境和通用服务等归纳设计为“通用管控平台”，将各种业务应用进行分析剥离，分别设计为通用插件和专用插件。由此构成的管控原型系统，可实现观测任务的输入，驱动系统运行，到观测计划、动作指令和跟踪接收计划等的输出。基本原理如图2所示。

图2 航天对地观测系统任务管控平台/插件示意

4．3 基于套餐模板的定制响应服务

针对快速响应空间任务，美军提出虚拟任务作战中心(Virtual Mission Operations Center)的概念并进行研究实现，提供了将远程操作人员直接链接至航天器有效载荷的框架，进而使用IP获取卫星的遥测数据和观测图像，动态地给卫星有效载荷分派任务，实现在轨卫星设备的遥测、跟踪和指挥［2 7］。

美国Digital Globe公司在全球各地设置 Direct Access Partner，用户可以在当地对卫星进行控制和直接数据分发，公司根据合同约束各用户的分发地区，并积极接触用户以通过建造卫星星座和开发新型算法帮助用户改变传统数据服务体验。

利用平台/插件技术构建了航天对地观测任务管控平台框架，将卫星轨道预报计算、指向访问计算等能力进行了服务化封装，采用数据驱动运转的模式进行后台计算。

研究建立动态任务规划流程，梳理应急响应需求的主要模式并枚举分析、归类处理为不同的“套餐”组合，在综合分析卫星资源能力和数据接收处理等约束条件后，可根据任务模式，快速生成规划结果，并对结果进行必要的分析，如图3所示。

结合探测数据处理成果的可视化显示，对跟踪时间敏感目标或区域的状态变化，能够实现人机交互点击鼠标→访问计算→规划优化→生成计划和编制指令→上注卫星提交执行的效果。

该系统已经成功应用于具体工程项目实践，系统可以进行模块化组装，采用 B/S架构，结合测控系统的快速上注指令执行能力，可基本实现类似VMOC的操控效果。

图3 快速任务规划结果可视化分析

5 未来展望

当前，我国正在进行大规模航天资源的整合，目的之一就是要提高系统的运行效率和使用效益，减少重复投资、扩大共享共用、提高系统的响应时效性，更好地服务于应急突发事件处置等需求。

同时，国内商业遥感卫星及其应用发展如火如荼。2015年7月11日北京二号遥感卫星星座成功发射，设计寿命7年，由3颗1 m全色、4 m多光谱光学遥感卫星组成;2015年10月7日“一箭四星”成功发射了“吉林一号”卫星，其中包括2颗视频卫星，预计2030年前实现在轨138颗卫星，形成全天时、全天候、全谱段获取全球任意地点10 min以内重访能力;珠海一号遥感微纳卫星星座项目，2016年将搭载“一箭四星”发射 2颗视频试验微纳卫星，后续3年将陆续完成34颗卫星发射，包括视频、高光谱、SAR三种类型的微纳卫星;航天科技集团公司 2015年启动商业遥感卫星业务，计划在2020年左右建成一个“16+4+4+X”的商业遥感卫星系统，包括16颗0．5 m分辨率光学卫星、4颗高端光学卫星、4颗微波成像卫星以及若干视频、高光谱卫星……

当前，我国的测控站网体系比较完备，遥感接收系统相对分散，通过地面资源的不断优化组合，可以实现兼有测控能力和遥感接收能力的地面综合收发站网系统。

卫星观测任务的分析规划与有效载荷控制可以统称为“控制系统”，观测数据的组织管理、信息处理与共享分发可以统称为“服务系统”，其面向用户的一体化快速响应模型可以简化为如图4所示。其中的收发站网设施包括固定和机动系统，机动的收发站可以更好地满足快速响应需求。

图4 未来一体化快速响应系统模型示意

随着航天技术的不断发展和管理体制的进一步优化，可利用高轨凝视和敏捷卫星提高时间分辨率，引导中低轨道卫星进行针对性观测;利用普查卫星引导详查卫星，通过光学、红外、SAR、多光谱和高光谱等多谱段信息融合，实现从搜索发现到识别确认等快速反应;增加卫星数量可进一步提高时效性;增强卫星的智能化程度，实现星上任务规划、信息处理、对外通联和空间组网等自主能力，可减少人工干预，提高系统的自动化程度。需求牵引和技术进步可极大地提高航天对地观测信息获取能力和加工处理、分发服务的快速响应能力。

6 结束语

快速的技术研发和便捷的流程重构是信息系统弹性可扩展的重要条件。平台插件技术路线实现的基本前提是对业务系统的深入分析分解，其最大优点是维持了系统技术功能中共性能力的基本稳定性，实现增量开发。

基于同样的技术思想，目前已经完成了航天对地观测通用信息处理平台的研发工作，在此平台基础上，可以不断增加或改进专用插件集合，以提高专业处理能力，满足技术发展和针对新型卫星载荷能力的应用。

当前，星地资源实力和技术开发能力具备支持航天对地观测系统向高效快速响应方向发展;军民资源深度融合、遥感数据共享共用的政策催生了广阔的用户空间和新型的服务模式。航天对地观测向即时响应、虚拟操控的方向发展，将给人们生活带来更加丰富多彩的变化。

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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

陈金勇．航天对地观测运行机制与快速响应系统研究［J］．无线电工程，2017，47(2):1－6，10．

2016-11-02

海洋公益性行业科研专项基金资助项目(2015002);中国电子科技集团公司航天信息应用技术重点实验室开放基金资助项目。

陈金勇男，(1970—)，工学硕士毕业于通信测控技术研究所通信与电子系统专业。现任中国电子科技集团公司航天信息应用重点实验室副主任，中国电子科技集团公司第五十四研究所首席专家、副总工程师、专业部副主任。

主要研究方向:航天对地观测地面系统任务优化调度、观测信息处理、系统总体设计与集成等技术。主持研制了多个型号卫星地面任务管理控制系统、航天信息综合应用系统。曾获军队、部级科技进步奖多项，发表技术论文30多篇。