孫從容 刁寧輝 韓靜雨 劉金普 劉建強(qiáng)

(1 國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心,北京 100081;2 自然資源部空間海洋遙感與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100081)

0 引言

隨著全球氣候變暖,北冰洋海冰分布范圍呈減少趨勢,商船在北極區(qū)域的年通行時間變長。但由于北極地區(qū)氣象變化劇烈,海冰分布面積廣,且沿岸冰的產(chǎn)生和消融存在年際差異,對北極船舶航行安全產(chǎn)生重要影響[1-4]。衛(wèi)星遙感能夠?qū)Ρ睒O航線上的海冰進(jìn)行監(jiān)測,保障各類船舶的安全通行[1-2]。北極是極軌衛(wèi)星過境頻次很高的區(qū)域,每天14 軌,如何遴選衛(wèi)星載荷對極區(qū)的觀測圈次合理安排探測時間和優(yōu)化流程,以及提升衛(wèi)星應(yīng)用效能和服務(wù)水平,是極地遙感觀測中亟待解決的系統(tǒng)性技術(shù)問題?，F(xiàn)有的衛(wèi)星成像規(guī)劃算法側(cè)重于多星任務(wù)規(guī)劃和統(tǒng)籌[5-6],或者側(cè)重于應(yīng)急敏捷衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃[7],尚沒有針對衛(wèi)星載荷設(shè)計極地每天多次過境多個關(guān)注區(qū)域覆蓋效率最優(yōu)等專用需求的成像規(guī)劃算法。

本文針對北極地區(qū)近實(shí)時遙感觀測,以北極航線經(jīng)過的幾個重點(diǎn)海域,即靠近歐亞大陸和美洲大陸的島嶼密集區(qū)域?yàn)槔?結(jié)合衛(wèi)星軌道預(yù)測技術(shù)和衛(wèi)星載荷特點(diǎn),提出了一種多目標(biāo)快速匹配的衛(wèi)星探測任務(wù)規(guī)劃算法。該任務(wù)規(guī)劃算法采用簡化的軌道預(yù)報模型和規(guī)劃算法,自主設(shè)計獨(dú)立編程,脫離商用軟件的約束,并利用海洋一號C 衛(wèi)星海岸帶成像儀進(jìn)行了系統(tǒng)仿真,驗(yàn)證了算法的有效性,可滿足近實(shí)時觀測的需求,改變了以往無差別接收任務(wù)規(guī)劃的不合理局面,成果可應(yīng)用于全球海洋遙感觀測的業(yè)務(wù)化系統(tǒng)中,為我國海洋立體觀測網(wǎng)提供技術(shù)支撐,并在北極航線保障領(lǐng)域開展遙感應(yīng)用。

1 北極重點(diǎn)海域遙感觀測任務(wù)規(guī)劃算法

1.1 海洋一號衛(wèi)星和載荷特點(diǎn)

海洋一號衛(wèi)星(HY-1)是運(yùn)行在太陽同步軌道的海洋水色衛(wèi)星,目前在軌的HY-1CHY-1D衛(wèi)星已經(jīng)進(jìn)入了業(yè)務(wù)化組網(wǎng)運(yùn)行階段,主要用于全球海洋水色水溫海岸帶和海洋災(zāi)害與環(huán)境監(jiān)測,主要載荷有水色水溫掃描儀海岸帶成像儀(coastal zone imager,CZI)等(表1),在中國實(shí)時過境時連續(xù)開機(jī),在北極等境外區(qū)域觀測時需要安排合理載荷開關(guān)機(jī)時間。

表1 HY-1C/D 衛(wèi)星及載荷特點(diǎn)Table 1.HY-1C/D satellite and payloads

1.2 北極航線重點(diǎn)監(jiān)測海域分布情況

本文選擇北極航線經(jīng)過的幾個重點(diǎn)海域(表2),即靠近歐亞大陸和美洲大陸的島嶼密集區(qū)域,予以關(guān)注。地圖采用極坐標(biāo),區(qū)域2 跨越東西經(jīng)180°,具體分布見圖1。

表2 北極選擇區(qū)域的地理范圍Table 2.Selected areas at Arctic region

圖1 北極選擇區(qū)域分布圖及一天的過境軌道Fig.1.All orbits passing Arctic region in one day and focus areas

1.3 CZI 在北極區(qū)域觀測能力的分析

海洋一號C 衛(wèi)星(HY-1C)在選擇的5 個區(qū)域里,每天經(jīng)過的軌道數(shù)為5～9 軌(表3),需要合理選擇每個區(qū)域的過境軌道及載荷開關(guān)機(jī)時間,以達(dá)到觀測覆蓋最優(yōu)。

表3 HY-1C 衛(wèi)星在北極選擇區(qū)域的過境軌道Table 3.HY-1C satellite passing orbits on the selected areas

1.4 CZI 北極任務(wù)規(guī)劃需求

在北極所關(guān)注的區(qū)域內(nèi),每天過境軌道數(shù)量多,CZI 受到的約束包括:5 個區(qū)域內(nèi)每天安排業(yè)務(wù)化觀測連續(xù)開機(jī)不超過20 min規(guī)避在同一圈次對2 個以上重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行探測規(guī)避在同一圈次對境內(nèi)和北極進(jìn)行探測多區(qū)域總探測范圍最優(yōu)國內(nèi)站接收和國外站接收的選擇跨日期變更線的區(qū)域2 的探測任務(wù)安排陽照區(qū)觀測要求。

目前的任務(wù)規(guī)劃一般是采用STK 等商用軟件進(jìn)行設(shè)計,針對性不強(qiáng),業(yè)務(wù)化運(yùn)行期間一般采取每個區(qū)域固定探測時長依次選擇的策略,且現(xiàn)有任務(wù)規(guī)劃算法主要針對中低緯度區(qū)域設(shè)計,對北極地區(qū)的適應(yīng)性不足,例如未考慮跨日期變更線單一區(qū)域出現(xiàn)多次過境時如何選擇軌道總成像區(qū)域最優(yōu)化等特點(diǎn)。此外,頻繁的人工操作易出錯,為提高工作效率,合理安排探測,業(yè)務(wù)化運(yùn)行的衛(wèi)星一般采用專用軟件,本文論述的算法,采用簡化的軌道預(yù)報模型,針對北極探測任務(wù)規(guī)劃進(jìn)行設(shè)計,通過自主設(shè)計獨(dú)立編程,自動實(shí)現(xiàn)北極多區(qū)域任務(wù)規(guī)劃。

1.5 CZI 北極任務(wù)規(guī)劃算法設(shè)計

任務(wù)規(guī)劃算法首先通過衛(wèi)星軌道根數(shù),外推1 天或者若干天之后的衛(wèi)星位置,并根據(jù)衛(wèi)星載荷對地觀測的幾何關(guān)系,計算星下垂直掃描點(diǎn)和刈幅兩側(cè)掃描點(diǎn)的地理坐標(biāo),檢查它們是否位于本文所述的北極關(guān)注區(qū)域;之后計算掃描點(diǎn)的太陽高度角國內(nèi)和國外接收站所在的軌道,并考慮1.4 節(jié)所述的避讓規(guī)則,確認(rèn)該掃描點(diǎn)是否滿足覆蓋條件;最后統(tǒng)計不同軌道對重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域的覆蓋因子,比較后得到各個關(guān)注區(qū)域的優(yōu)選軌道號和過境時間。

算法原理如下。

1.外推衛(wèi)星軌道

利用衛(wèi)星軌道根數(shù),根據(jù)地球攝動理論修正生成精確的軌道根數(shù),外推指定規(guī)劃期間的衛(wèi)星軌道。六個軌道根數(shù)是:軌道傾角i,升交點(diǎn)赤經(jīng)Ω,軌道半長軸a,偏心率e,近地點(diǎn)幅角ω,衛(wèi)星過近地點(diǎn)的時刻τ0。

由參考時刻t1的軌道根數(shù)求出任一其他時刻的慣性坐標(biāo)位置的方法[3-4]:

其中,ω0為τ0時刻的近地點(diǎn)幅角,J2=0.00108264 為地球引力場二階帶諧調(diào)和項(xiàng)的系數(shù),Re為地球的赤道半徑,n為衛(wèi)星的平均角速度。

其中,Ω0為τ0時刻的升交點(diǎn)赤經(jīng)。

其中,ex為軌道偏心率,ex0為偏心率向量的x分量,ey0為偏心率向量的y分量,,T為軌道周期。

其中,r為衛(wèi)星的位置矢量,為平均位置矢量,u為參考緯度。

其中,f為真近點(diǎn)角。

其中,xy和z為衛(wèi)星坐標(biāo)。

2.計算衛(wèi)星星下點(diǎn)和刈幅兩側(cè)軌跡

根據(jù)CZI 掃描方式衛(wèi)星和地球的球面幾何關(guān)系(如圖2所示),計算星下點(diǎn)和刈幅邊緣掃描點(diǎn)的地理經(jīng)緯度。在計算過程中,依次進(jìn)行星體坐標(biāo)系軌道坐標(biāo)系地心慣性坐標(biāo)系地固坐標(biāo)系大地坐標(biāo)系等多個坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。逐點(diǎn)進(jìn)行地理定位,計算出每個對應(yīng)地面點(diǎn)的經(jīng)緯度。

圖2 CZI 探測幾何示意圖(左:平面幾何;右:球面幾何考慮地心和曲率)Fig.2.CZI detecting geometry(left:plane geometry;right:spherical geometry)

為衛(wèi)星載荷的單位觀測向量,p為載荷觀測向量與星下點(diǎn)的夾角,星下點(diǎn)或者刈幅兩側(cè)軌跡點(diǎn)對應(yīng)的位置矢量為,此刻衛(wèi)星位置矢量為,用以下公式計算[5-6]。對北極地區(qū)的定位,根據(jù)選擇區(qū)域特點(diǎn),為了節(jié)省計算時間,設(shè)置為衛(wèi)星在60°N 以上時每秒計算一次,衛(wèi)星處于60°N 以下時每分鐘計算一次。

即

其中,R對應(yīng)衛(wèi)星到星下點(diǎn)或者軌跡點(diǎn)的距離,d是衛(wèi)星和掃描點(diǎn)的連線矢量,(dx,dy,dz)是衛(wèi)星與掃描點(diǎn)連線的三個余弦分量。計算時,星下點(diǎn)對應(yīng)的掃描角p=0,軌跡點(diǎn)對應(yīng)的p=63°/2=31.5°。

由于掃描點(diǎn)位于地球表面,存在關(guān)系式:

其中,Ae為地球的長半軸,Be為地球短半軸。

求解方程可以得到地面掃描點(diǎn)在慣性坐標(biāo)系中的坐標(biāo)(Xr,Yr,Zr),經(jīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到地面掃描點(diǎn)在地心固連坐標(biāo)系中的坐標(biāo)(x,y,z)。經(jīng)地固坐標(biāo)系到直角大地坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換公式[7],可以得到地面掃描點(diǎn)的地理緯度:

地理經(jīng)度:

其中:

3.軌道選擇規(guī)則

對于每個區(qū)域,計算所有落在該區(qū)域軌道星下點(diǎn)和刈幅兩側(cè)軌跡,按照掃描軌跡進(jìn)入和離開該區(qū)域的時間間隔t1和t2,比較掃描刈幅對該區(qū)域的覆蓋情況。設(shè)置覆蓋因子Fr作為覆蓋率指標(biāo),對當(dāng)天所有經(jīng)過軌道進(jìn)行計算后,按大小排序,并選擇覆蓋率最大的軌道。

Fr定義為掃描點(diǎn)位置(Lat,Lon)落在區(qū)域內(nèi):

注:在跨越東西經(jīng)180°的區(qū)域,比較經(jīng)度大小時需將-180°～180°轉(zhuǎn)換為0°～360°范圍。

經(jīng)過比較,總覆蓋因子的計算方式包括:計算星下點(diǎn)(FOV)軌跡上所有點(diǎn)的Fr;全部刈幅內(nèi)的掃描點(diǎn)的Fr;用抽樣方式取刈幅內(nèi)的掃描點(diǎn),計算這些掃描點(diǎn)的Fr。

總覆蓋因子NF=多點(diǎn)Fr之和

其中第一種方式最簡便,但只有星下點(diǎn)信息,不能真實(shí)反映刈幅對該區(qū)域覆蓋率的差異。第二種方式最精確,但是如果逐點(diǎn)計算全部掃描點(diǎn),當(dāng)CZI 載荷分辨率為50 m 時,每行掃描點(diǎn)將超過2 萬個點(diǎn),由于每條軌道和每個區(qū)域都需進(jìn)行計算,使得計算量過大,特別是當(dāng)任務(wù)規(guī)劃一次多天時,區(qū)域增大,數(shù)量增多,任務(wù)規(guī)劃軟件的計算量將呈幾何級數(shù)增加,計算時間過長,效率較低。第三種方式在第二種方式上做了簡化處理,計算量可控,便于實(shí)現(xiàn),因此本文算法和軟件實(shí)現(xiàn)時采用第三種方式,經(jīng)過比較,選擇每掃描行9 個點(diǎn),逐行計算。

4.沖突和優(yōu)先級

本文按照區(qū)域編號排列優(yōu)先級,區(qū)域1 優(yōu)先級最高區(qū)域5 最低,在遇到兩個區(qū)域擬選擇的軌道出現(xiàn)沖突時,優(yōu)先級高的區(qū)域先選擇軌道,并在該軌道打上標(biāo)記,使其他區(qū)域選擇時避開沖突軌道,按照第3 點(diǎn)中的規(guī)則選擇總覆蓋因子最大的軌道。

5.其他限定條件

在國內(nèi)站和國外站的接收選擇方面,國內(nèi)站的境內(nèi)直傳國內(nèi)回放優(yōu)先,國外站次之,此外CZI 固定開機(jī)區(qū)域需要規(guī)避相同的軌道。在可見光載荷開機(jī)探測方面,需選擇太陽光可照射的區(qū)域。由于北極區(qū)域冬季是極夜,而感興趣區(qū)域大多位于北極圈內(nèi),因此需要計算太陽高度角,并在任務(wù)規(guī)劃時選擇陽照區(qū)。在針對跨日期變更線的區(qū)域方面,算法里考慮了東經(jīng)和西經(jīng)之間的轉(zhuǎn)換和過渡。

2 任務(wù)規(guī)劃算法的實(shí)現(xiàn)和評估

2.1 北極重點(diǎn)區(qū)域探測仿真及應(yīng)用成效

2020年5月,隨著北極地區(qū)進(jìn)入夏季,太陽光照適合被動光學(xué)遙感觀測,利用本文的北極區(qū)域多目標(biāo)成像規(guī)劃算法和軟件,開展了探測任務(wù)規(guī)劃。為提高載荷有效數(shù)據(jù)量,加入了CZI 最短開機(jī)時間限制(2 min)。算法利用ANSI C 語言編程,采用的HY-1C 軌道參數(shù)如下:

經(jīng)過軌道外推掃描點(diǎn)軌跡計算總覆蓋因子計算等步驟,軟件輸出探測時間表(表4) 關(guān)注區(qū)域的各條軌道覆蓋因子(表5),并根據(jù)時間表安排了HY-1C 衛(wèi)星CZI 探測。覆蓋圖利用ArcGIS軟件繪制,所獲投影后實(shí)際探測影像見圖3,其中各觀測區(qū)域?yàn)榧t色扇形區(qū)域,任務(wù)規(guī)劃算法定制的各區(qū)域CZI 探測覆蓋范圍(刈幅)用條帶表示,中間線條是星下點(diǎn),兩側(cè)線條是刈幅兩端,各覆蓋范圍驗(yàn)證了任務(wù)規(guī)劃算法的正確性,且本算法可適用于跨越東西經(jīng)180 度分界線的觀測區(qū)域(如區(qū)域2)。延時數(shù)據(jù)14 分15 秒,符合回放要求。

表4 CZI 北極多區(qū)域探測時間Table 4.The CZI multi-area detecting schedule of the Arctic region

表5 關(guān)注區(qū)域的各條軌道覆蓋因子Table 5.Coverage factor of each orbit on focus areas

圖3 關(guān)注區(qū)域在一天中選擇的HY-1C 衛(wèi)星CZI 軌道Fig.3.Selected HY-1C CZI orbits on focus areas in one day

2.2 北極重點(diǎn)區(qū)域探測應(yīng)用評估

根據(jù)北極多目標(biāo)成像規(guī)劃算法,2020年5月安排HY-1C CZI 在北極區(qū)域進(jìn)行實(shí)際成像觀測,驗(yàn)證了規(guī)劃算法的正確性和有效性,經(jīng)計算,相較于順序選取軌道的方式,使用任務(wù)規(guī)劃算法后,各區(qū)域的覆蓋率提高了11%～38%,區(qū)域1～5 的覆蓋率分別達(dá)到53%80%90%94%74%。由于區(qū)域1 的面積較大,受到載荷刈幅限制,因此單次最大覆蓋率較其它區(qū)域略低。

通過任務(wù)規(guī)劃,能夠?qū)崿F(xiàn)在一天內(nèi)對多區(qū)域的觀測,將業(yè)務(wù)化監(jiān)測的覆蓋范圍最大化。在重點(diǎn)區(qū)域觀測圖像(圖4)中可見加拿大北部群島和蘭開斯特海峽白令海-弗蘭格爾島新西伯利亞群島北地群島喀拉海和新地島等多個近岸區(qū)域的海冰已經(jīng)開始融化,海冰分布面積減少,五個區(qū)域均出現(xiàn)明顯的冰間水道。

圖4 北極各區(qū)域HY-1C CZI 觀測結(jié)果。其中區(qū)域1 包括加拿大北部島嶼區(qū)域2 包括弗蘭格爾島區(qū)域3 包括新西伯利亞群島區(qū)域4 包括北地群島區(qū)域5 包括新地島Fig.4.HY-1C CZI detecting image in Arctic focus areas.Region 1 includes northern islands of Canada,region 2 includes Wrangel Island,region 3 includes New Siberian Islands,region 4 includes Severnaya Zemlya,and region 5 includes Novaya Zemlya

3 結(jié)論

北極多區(qū)域成像任務(wù)規(guī)劃算法,改變了以往無差別接收任務(wù)規(guī)劃的不合理局面,可通過一臺高分辨率遙感載荷每天探測北極地區(qū)多個關(guān)注區(qū)域,通過精細(xì)化特異化的載荷探測任務(wù)規(guī)劃,實(shí)現(xiàn)對北極關(guān)注區(qū)域的最優(yōu)覆蓋,軟件自主可控,有效發(fā)揮HY-1 系列衛(wèi)星CZI 境外觀測的效能,體現(xiàn)了星地聯(lián)合一體化設(shè)計的應(yīng)用成效,為我國在北極地區(qū)的業(yè)務(wù)化遙感監(jiān)測奠定基礎(chǔ)。在海洋衛(wèi)星組網(wǎng)后,通過極地海洋科技創(chuàng)新,可為北極航線的商船航行提供更多更精準(zhǔn)的衛(wèi)星觀測資料,為“冰上絲綢之路”服務(wù)。該算法可同樣適用于南極及其他區(qū)域的觀測任務(wù)規(guī)劃,應(yīng)用于1m C-SAR 衛(wèi)星和即將發(fā)射的新一代海洋水色衛(wèi)星等的南北極多區(qū)域觀測任務(wù)規(guī)劃,還可以推廣到極地多星遙感業(yè)務(wù)化監(jiān)測的任務(wù)規(guī)劃。