CN110161533B - 无人值守的卫星光学载荷智能化辐射定标系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了无人值守的卫星光学载荷智能化辐射定标系统，该系统包括：星地同步预报系统获取卫星的卫星轨道报文，计算无人机启动观测时间；大气自动观测系统获取场地观测区域的气象数据和大气数据；无人机上还设有观测设备；无人机自动对地观测系统根据所述无人机启动观测时间、所述气象数据操控所述无人机及其观测设备在场地观测区域内执行观测任务；地面控制与数据处理系统用于对观测数据进行处理；卫星数据获取与处理系统获取所述观测任务执行过程中，场地观测区域内的卫星数据；卫星辐射定标系统用于以所述观测数据、卫星数据和大气数据作为输入，完成辐射定标过程。该系统实现卫星辐射定标与检验的无人化和自动化。

Description

无人值守的卫星光学载荷智能化辐射定标系统
技术领域
本发明属于气象卫星辐射定标技术领域，具体涉及无人值守的卫星光学载荷智能化辐射定标系统。
背景技术
对于没有星上定标装置的国产卫星遥感器，其反射太阳波段辐射定标系数的更新，最常用最有效的方法之一是基于敦煌辐射校正场的反射率基法。由于我国光学载荷遥感卫星辐射校正场地处偏远，完成一次试验依赖人工观测，不仅耗时耗力，还会受到天气的严重制约。并且对于辐射响应衰变较快的通道，目前基于一年一次的辐射校正场同步观测试验的反射率基法辐射定标已不能及时校正上述通道的衰变，难以满足产品定量化的需求。
制约辐射定标现场观测频次的关键因素在于对于辐射校正场地特性参数的测量仍然依靠人工化。目前，随着我国多旋翼无人机为代表的自动化观测设备的实现，加上卫星星地同步的预报，将这二者科学的结合，在无人值守、异地的状态下，实现远程操控即时下达观测任务和定时观测任务，自动完成辐射定标的需求应运而生。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种无人值守的卫星光学载荷智能化辐射定标系统，实现卫星辐射定标检验的无人化和自动化。
一种无人值守的卫星光学载荷智能化辐射定标系统，包括：
星地同步预报系统：用于获取卫星的卫星轨道报文，预报卫星的星下点轨迹和辐射定标场地中目标区域的空间位置，根据所述空间位置计算无人机启动观测时间；
大气自动观测系统：用于获取场地观测区域的气象数据和大气数据；
无人机；
观测设备：搭载于所述无人机上；
无人机自动对地观测系统：用于根据所述无人机启动观测时间、所述气象数据操控所述无人机及其观测设备在场地观测区域内执行观测任务；
地面控制与数据处理系统：用于监控所述观测任务的执行过程，并对执行过程中得到的观测数据进行处理；
卫星数据获取与处理系统：用于获取所述观测任务执行过程中，场地观测区域内的卫星数据；
卫星辐射定标系统：用于以所述观测数据、卫星数据和大气数据作为输入，完成辐射定标过程。
优选地，所述星地同步预报系统具体用于：
预报卫星的星下点轨迹和辐射定标场地中目标区域的空间位置；
根据星下点轨迹和目标区域的空间位置筛选出卫星过境时间，以获得所述无人机启动观测时间；所述卫星过境时间为所述星下点轨迹和目标区域的空间位置对应的卫星观测角度小于30°时的卫星过境时间。
优选地，所述观测设备包括光谱仪；
所述观测设备通过支架固定在所述无人机上；所述支架用于接收所述无人机自动对地观测系统的角度调节指令，根据所述角度调节指令调整所述观测设备的观测角度。
优选地，所述无人机上还设有电源接口、触发接口、UHF接口和/或RTK接口；所述电源接口用于连接0～48V的外部电源；所述触发接口用于连接外部相机；所述UHF接口和RTK接口用于与地面站连接。
优选地，所述无人机上还设有无人机处理器；所述无人机处理器用于：
当检测到无人机的供电电压低于设定值时，进行报警；
当检测到无人机在观测过程中发生失控或出现断桨时，执行应急措施自动返航。
优选地，所述无人机自动对地观测系统包括无人机机房和设置在所述无人机机房内的工作平台；
所述无人机机房内还设置有监控设备及传感器设备；
所述工作平台用于放置所述无人机；
所述工作平台上设有接触式自动充电系统；所述无人机的脚架上设有与所述接触式自动充电系统相适配的接触式充电电极；所述接触式自动充电系统利用与其接触的接触式充电电极对无人机进行充电。
优选地，所述无人机自动对地观测系统具体用于：
设置准备时间；
如果当前时间与所述无人机启动观测时间的间隔达到准备时间时，生成准备起飞指令，发送给无人机，控制无人机进入准备状态；
接收所述大气自动观测系统的气象数据；
如果所述气象数据符合预设的起飞条件时，操控所述无人机及其观测设备在场地观测区域内执行观测任务；
如果所述气象数据不符合预设的起飞条件时，生成取消起飞指令，发送给所述无人机，控制无人机进入返舱状态。
优选地，所述卫星数据包括场地观测区域内观测计数值、观测时间、观测角度、载荷基础信息。
优选地，所述大气数据包括大气中的气溶胶光学厚度和水汽含量。
优选地，所述卫星辐射定标系统具体用于：
根据辐射传输模式，构建适用于卫星辐射传输的计算模型；
以所述观测数据、卫星数据和大气数据作为输入，进行辐射传输计算；
依据待定标卫星载荷的AD对应关系，建立方向性修正的表观辐射量与载荷观测计数值间的映射模型，生成定标系数或定标查找表，完成辐射定标过程。
由上述技术方案可知，本发明提供的无人值守的卫星光学载荷智能化辐射定标系统，利用无人机搭载可见光至长波红外光谱仪等观测设备，在现场无人值守的情况下，远程或按设定航线操控无人机在一个相对固定的范围内执行观测任务，实现超视距远程操控无人机完成辐射场地对地观测任务，结合观测场地的大气自动化观测设备，实现卫星辐射定标检验的无人化、自动化。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为本申请实施例一提供的无人值守的卫星光学载荷智能化辐射定标系统的模块框图。
图2为本申请实施例一提供的星地同步预报的流程图。
图3为本申请实施例三提供的无人机机房的框图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
实施例一：
一种无人值守的卫星光学载荷智能化辐射定标系统，参见图1，包括：
星地同步预报系统：用于获取卫星的卫星轨道报文，预报卫星的星下点轨迹和辐射定标场地中目标区域的空间位置和观测时间，根据所述空间位置计算无人机启动观测时间；
具体地，以风云气象卫星为例，星地同步预报系统获取风云气象卫星的两行报文数据(即卫星轨道报文)。每个卫星每天有一个轨道报文和一个轨迹文件，通过轨迹文件进行位置预报。参见图2，根据时间自动启动卫星轨道报文下载，进行卫星过境时间与过境观测角度计算(即轨迹计算)，若卫星过境时间与角度满足需求，则推送计算结果，用于判断是否进行无人机观测作业，并自动进行卫星观测数据下载，进行辐射定标，生成预报文件。
大气自动观测系统：用于获取场地观测区域的气象数据和大气数据；
具体地，大气自动观测系统包含自动气象站、太阳光度计观测两个部分。自动气象站实现了地面温压湿风的常规自动观测，为无人机能否正常起飞和起飞观测的过程中提供气象保障。太阳光度计能够获取大气的气溶胶光学厚度数据和水汽含量数据，是卫星辐射定标不可或缺的大气参数。
无人机；
观测设备：搭载于所述无人机上；
无人机自动对地观测系统：用于根据所述无人机启动观测时间、所述气象数据操控所述无人机及其观测设备在场地观测区域内执行观测任务；
具体地，无人机启动观测时间即无人机开始执行观测的时间。无人机自动对地观测系统可以远程或按照设定航线操控无人机，当观测任务完成后控制无人机自动返回。
无人机自动对地观测系统实时超范围掌控无人机起飞现场状况，无人机的飞行参数实时传给无人机自动对地观测系统，同时无人机自动对地观测系统拥有大气自动观测系统数据，当侦测到气象数据或大气数据不利于飞行时，发出观测中断信号，无人机停止观测，即刻返回。
地面控制与数据处理系统：用于监控所述观测任务的执行过程，并对执行过程中得到的观测数据进行处理；
具体地，地面控制与数据处理中心是监控观测过程和对观测数据进行处理的中心。星地同步的预报、自动观测系统任务启动、观测数据回传、观测数据处理通过该系统进行自动管理。该系统还能够实现全天候远程监控自动观测场地内外的动态；无人机任务航线规划管理；无人机起飞管理；无人机起飞观测过程中的飞行信息(姿态、导航、电量)等信息显示；无人机遇险信号返航；无人机数据自动传输存档；无人机数据自动处理；大气自动观测数据自动传输存档；大气自动观测数据处理等一系列与地面控制和地面数据处理相关的功能。
卫星数据获取与处理系统：用于获取所述观测任务执行过程中，场地观测区域内的卫星数据；
卫星辐射定标系统：用于以所述观测数据、卫星数据和大气数据作为输入，完成辐射定标过程。
该系统利用无人机搭载可见光至长波红外光谱仪等观测设备，在现场无人值守的情况下，远程或按设定航线操控无人机在一个相对固定的范围内执行观测任务，实现超视距远程操控无人机完成辐射场地对地观测任务，结合观测场地的大气自动化观测设备，实现卫星辐射定标检验的无人化、自动化。
实施例二：
实施例二在实施例一的基础上，增加了以下内容：
所述星地同步预报系统具体用于：
预报卫星的星下点轨迹和辐射定标场地中目标区域的空间位置；
根据星下点轨迹和目标区域的空间位置筛选出卫星过境时间，以获得所述无人机启动观测时间；所述卫星过境时间为所述星下点轨迹和目标区域的空间位置对应的卫星观测角度小于30°时的卫星过境时间。
即，本实施例提供了上述无人机启动观测时间的计算方法。
除此以外，本实施例还提供了无人机如下的配套硬件结构。
所述观测设备包括光谱仪；
具体地，光谱仪为可见光至长波红外光谱仪。光谱仪还可以设有AUX口、USB口、串口、蓝牙、显示等接口，用于集成其他设备扩展使用。
所述观测设备通过支架固定在所述无人机上；所述支架用于接收所述无人机自动对地观测系统的角度调节指令，根据所述角度调节指令调整所述观测设备的观测角度。
具体地，观测设备还可以通过稳定云台固定在无人机上，这样实现观测角度不随无人机的俯仰翻滚而变化。同时设置一个可通过远程控制调整观测角度的支架，将观测设备光纤与支架固定，从而实现对地观测角度的可控调整。这样搭载光谱仪的无人机是一个一体化的无人机对地观测系统，实现了对地面的无人操作测量能力。
优选地，所述无人机上还设有电源接口、触发接口、UHF接口和/或RTK接口；所述电源接口用于连接0～48V的外部电源；所述触发接口用于连接外部相机；所述UHF接口和RTK接口用于与地面站连接。
具体地，无人机可根据载荷配套调整电源接口的电压值。触发接口连接外部相机，这样无人机通过该接口可实现载荷的触发效果，例如投放、相机快门、摄像机变焦等等的触发效果。UHF接口可以为4GUHF接口，通过该接口可实现远程飞行数据传输到地面站和接收地面站发出的命令的功能。地面站RTK接口与地面站连接，地面站通过连接线与RTK定位基站进行数据连接，可实现厘米级的定位方案。
该无人机还具有IP45以上优秀的防水性能，确认无人机在遇到紧急气候条件下安全返回。该无人机具有遇险自动逃生等功能，净载荷8-10公斤，飞行时间40分钟以上，飞行距离10km以上。
除此以外，本实施例还提供了无人机如下的软件功能。
所述无人机上还设有无人机处理器；所述无人机处理器用于：
当检测到无人机的供电电压低于设定值时，进行报警；
当检测到无人机在观测过程中发生失控或出现断桨时，执行应急措施自动返航。
具体地，无人机系统具有低电压保护功能，例如可以根据电压可以给出三级低电压保护进行相应的报警：三级报警地面控制站给出报警，二级报警无人机自动执行返航，一级报警无人机自动执行原地降落。
无人机还具有失控保护功能，能够在控制中断情况下自动平稳降回原起落点。无人机还具备断桨保护功能，发生意外情况无人机执行应急措施自动返航，可以避免发生坠机事故。无人机还具备黑匣子记录功能，自动记录飞行数据。在无人机飞行过程中出现一支或对角两支螺旋桨停转时，飞控系统会自动运算飞行姿态给电调发出动力输出调整，保证飞行平稳，通过计算电量来决定继续飞行工作或返回降落。
实施例二提供的无人机具有丰富的接口，同时具有低电压保护、失控保护等功能，提高了无人机的安全性。
本发明实施例所提供的系统，为简要描述，实施例部分未提及之处，可参考前述系统实施例中相应内容。
实施例三：
实施例三在其他实施例的基础上，增加了以下内容：
所述无人机自动对地观测系统包括无人机机房和设置在所述无人机机房内的工作平台；
参见图3，所述无人机机房内还设置有监控设备及传感器设备；
具体地，无人机机房可实现室内监控和室外监控。所述传感器设备包括温湿度传感器和烟感传感器等，能够实现火警报警、断电报警、非法进入报警等安全功能。无人机机房还设有丰富接口，例如RS485接口、RG45、I/O等接口，这样可以与室内设备交互并扩展，实现与无人机之间的交互。无人机机房还具有逃生设备，确保无人机遇到险情时在90秒中内自主逃生。
所述工作平台用于放置所述无人机；
所述工作平台上设有接触式自动充电系统；所述无人机的脚架上设有与所述接触式自动充电系统相适配的接触式充电电极；所述接触式自动充电系统利用与其接触的接触式充电电极对无人机进行充电。
具体地，无人机放置于工作平台上，工作平台上有接触式自动充电系统。当无人机不工作时处于机房内部进行充电或者待机状态，当无人机接到可以起飞时，利用滑轨系统自动滑出无人机机房，无人机处于待飞状态。当无人机执行任务返回后，根据导航指引自动落在工作平台上，无人机脚架上携带有接触式充电电极，与接触式自动充电系统接触后即可进行自动充电。接触式自动充电系统还具有智能保护功能，确保无人机及附属设备充电的安全。
优选地，所述无人机自动对地观测系统具体用于：
设置准备时间；
具体地，准备时间可设置为无人机启动观测时间前10分钟。
如果当前时间与所述无人机启动观测时间的间隔达到准备时间时，生成准备起飞指令，发送给无人机，控制无人机进入准备状态；
具体地，无人机进入准备状态时，可利用滑轨系统自动滑出无人机机房，处于待飞状态。
接收所述大气自动观测系统的气象数据；
如果所述气象数据符合预设的起飞条件时，操控所述无人机及其观测设备在场地观测区域内执行观测任务；
如果所述气象数据不符合预设的起飞条件时，生成取消起飞指令，发送给所述无人机，控制无人机进入返舱状态。
具体地，无人机每次执行观测任务的飞行时间40分钟左右、飞行距离10公里左右。任务完成后，无人机返回工作平台，同时通过无线网络将观测数据上传。工作平台收回观测舱，进行下一次观测准备。
本实施例的无人机实现无线充电的功能，使用方便。
本发明实施例所提供的系统，为简要描述，实施例部分未提及之处，可参考前述系统实施例中相应内容。
实施例四：
实施例四在其他实施例的基础上，增加了以下内容：
所述卫星数据包括场地观测区域内观测计数值、观测时间、观测角度、载荷基础信息。
具体地，卫星数据获取与处理系统包括相关卫星数据的下载、获取与处理功能。卫星数据的下载为星地同步预报系统提供的定标时机，自动下载卫星一级数据。卫星数据的获取实现针对场地观测区域相关数据(观测计数值、观测时间、观测角度等)的读取功能及载荷基础信息(响应函数等)的获取功能；卫星数据的处理实现云检测、质量控制、异常点剔除、统计计算、投影图生成等功能。
优选地，所述卫星辐射定标系统具体用于：
根据辐射传输模式，构建适用于卫星辐射传输的计算模型；
以所述观测数据、卫星数据和大气数据作为输入，进行辐射传输计算；
依据待定标卫星载荷的AD对应关系，建立方向性修正的表观辐射量与载荷观测计数值间的映射模型，生成定标系数或定标查找表，完成辐射定标过程。
具体地，根据辐射传输模式，通过模块优化组合、参数接口配置等，构建精度高、接口方便、适用于卫星辐射传输的计算模型。基于该高精度优化模型，以无人机自动观测获取的地面反射率数据和自动大气观测系统获取的大气数据作为输入，开展辐射传输计算。
本实施例结合观测场地的大气自动化观测设备，实现卫星辐射定标检验的无人化、自动化。
本发明实施例所提供的系统，为简要描述，实施例部分未提及之处，可参考前述系统实施例中相应内容。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (9)

1.一种无人值守的卫星光学载荷智能化辐射定标系统，其特征在于，包括：
星地同步预报系统：用于获取卫星的卫星轨道报文，预报卫星的星下点轨迹和辐射定标场地中目标区域的空间位置，根据所述空间位置计算无人机启动观测时间；
大气自动观测系统：用于获取场地观测区域的气象数据和大气数据；
无人机；
观测设备：搭载于所述无人机上；
无人机自动对地观测系统：用于根据所述无人机启动观测时间、所述气象数据操控所述无人机及其观测设备在场地观测区域内执行观测任务；
地面控制与数据处理系统：用于监控所述观测任务的执行过程，并对执行过程中得到的观测数据进行处理；
卫星数据获取与处理系统：用于获取所述观测任务执行过程中，场地观测区域内的卫星数据；
卫星辐射定标系统：用于以所述观测数据、卫星数据和大气数据作为输入，完成辐射定标过程；
所述星地同步预报系统具体用于：
预报卫星的星下点轨迹和辐射定标场地中目标区域的空间位置；
根据星下点轨迹和目标区域的空间位置筛选出卫星过境时间，以获得所述无人机启动观测时间；所述卫星过境时间为所述星下点轨迹和目标区域的空间位置对应的卫星观测角度小于30°时的卫星过境时间。
2.根据权利要求1所述无人值守的卫星光学载荷智能化辐射定标系统，其特征在于，
所述观测设备包括光谱仪；
所述观测设备通过支架固定在所述无人机上；所述支架用于接收所述无人机自动对地观测系统的角度调节指令，根据所述角度调节指令调整所述观测设备的观测角度。
3.根据权利要求2所述无人值守的卫星光学载荷智能化辐射定标系统，其特征在于，
所述无人机上还设有电源接口、触发接口、UHF接口和/或RTK接口；所述电源接口用于连接0～48V的外部电源；所述触发接口用于连接外部相机；所述UHF接口和RTK接口用于与地面站连接。
4.根据权利要求3所述无人值守的卫星光学载荷智能化辐射定标系统，其特征在于，所述无人机上还设有无人机处理器；所述无人机处理器用于：
当检测到无人机的供电电压低于设定值时，进行报警；
当检测到无人机在观测过程中发生失控或出现断桨时，执行应急措施自动返航。
5.根据权利要求1所述无人值守的卫星光学载荷智能化辐射定标系统，其特征在于，所述无人机自动对地观测系统包括无人机机房和设置在所述无人机机房内的工作平台；
所述无人机机房内还设置有监控设备及传感器设备；
所述工作平台用于放置所述无人机；
所述工作平台上设有接触式自动充电系统；所述无人机的脚架上设有与所述接触式自动充电系统相适配的接触式充电电极；所述接触式自动充电系统利用与其接触的接触式充电电极对无人机进行充电。
6.根据权利要求5所述无人值守的卫星光学载荷智能化辐射定标系统，其特征在于，所述无人机自动对地观测系统具体用于：
设置准备时间；
如果当前时间与所述无人机启动观测时间的间隔达到准备时间时，生成准备起飞指令，发送给无人机，控制无人机进入准备状态；
接收所述大气自动观测系统的气象数据；
如果所述气象数据符合预设的起飞条件时，操控所述无人机及其观测设备在场地观测区域内执行观测任务；
如果所述气象数据不符合预设的起飞条件时，生成取消起飞指令，发送给所述无人机，控制无人机进入返舱状态。
7.根据权利要求1所述无人值守的卫星光学载荷智能化辐射定标系统，其特征在于，
所述卫星数据包括场地观测区域内观测计数值、观测时间、观测角度、载荷基础信息。
8.根据权利要求1所述无人值守的卫星光学载荷智能化辐射定标系统，其特征在于，
所述大气数据包括大气中的气溶胶光学厚度和水汽含量。
9.根据权利要求8所述无人值守的卫星光学载荷智能化辐射定标系统，其特征在于，所述卫星辐射定标系统具体用于：
根据辐射传输模式，构建适用于卫星辐射传输的计算模型；
以所述观测数据、卫星数据和大气数据作为输入，进行辐射传输计算；
依据待定标卫星载荷的AD对应关系，建立方向性修正的表观辐射量与载荷观测计数值间的映射模型，生成定标系数或定标查找表，完成辐射定标过程。
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