CN113377506A - 一种应用后验气象信息的光学遥感卫星数传任务规划方法 - Google Patents

一种应用后验气象信息的光学遥感卫星数传任务规划方法 Download PDF

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Abstract

一种应用后验气象信息的光学遥感卫星数传任务规划方法，在卫星设计阶段，设定将遥感卫星所获取的观测数据存储在不同的文件块中；在地面控制端，根据所述文件块的存储容量，将成像区域划分为不同的子区域，每一子区域对应一个文件块；然后根据成像时刻，确定数传任务规划所使用的气象云图，由此确定文件块所对应区域的云量覆盖率，并在此基础上进行数传任务规划。本发明方法综合考虑任务需求，利用后验气象信息，在地面控制端进行数传任务规划，一方面提高了卫星系统的可靠性，降低了卫星系统的成本，另一方面，极大地提高传回数据的有效性，进一步提高了卫星的应用效率。

Description

一种应用后验气象信息的光学遥感卫星数传任务规划方法
技术领域
本发明涉及一种应用后验气象信息的光学遥感卫星数传任务规划方法，属于卫星控制技术领域。
背景技术
随着空间技术的发展，光学遥感卫星所获取的数据，在国计民生的各个领域发挥着越来越重要的作用。
对光学遥感卫星而言，云量是影响其成像的一个重要因素。若成像区域云量过多，会使得有效数据的利用率下降，造成卫星资源和星地通信资源的浪费，提高获取数据的成本。
现有的光学遥感卫星，采取了多种方式解决成像区域云量覆盖较多的问题，主要有：
(1)使用气象预报信息，进行成像任务规划。根据先验气象信息，确定成像区云量是否满足要求，并以此安排成像任务。由于先验预报会存在一定的误差，且与规划时间的提前程度以及先验预报信息的准确率高度相关(一般而言，任务规划时间距离成像时间越长，气象预报信息的准确度越低)，该方案存在一定的误差；
(2)在卫星上加装云判系统，对成像之后的数据进行分析。若判定成像区域有云，会将该区域的数据删除，或以高压缩比存储。该方式一定程度上提高了下传数据的有效性，但由于卫星额外增加了数据处理模块，增加了成本，也在一定程度上降低了卫星可靠性；
(3)在卫星上加装前视相机，在卫星主载荷相机成像前，对可能成像的区域提前进行成像，并进行云量分析。若云量高于设定阈值，则主载荷不对此区域成像。该方案的优点是提高了载荷获取数据的有效性，缺点与加装云判系统的方案类似，增加了卫星的成本，降低了系统可靠性。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出了一种应用后验气象信息的光学遥感卫星数传任务规划方法，该方法综合考虑卫星的成本和可靠性，利用后验气象云图信息，在地面控制端对成像区域的云量信息进行分析计算，进行数传任务规划，从而大幅提高卫星下传数据的利用率，在不降低卫星系统可靠性的情况下，降低了数据获取成本。
本发明的技术方案是：
一种应用后验气象信息的光学遥感卫星数传任务规划方法，包括如下步骤：
(1)在卫星设计阶段，设定将遥感卫星所获取的观测数据存储在不同的文件块中；
(2)在地面控制端，根据所述文件块的存储容量，将成像区域划分为不同的子区域，每一子区域对应一个文件块；
(3)在地面控制端，根据成像时刻，确定数传任务规划所使用的气象云图；
(4)在地面控制端，根据步骤(3)所确定的气象云图，确定步骤(2)得到的文件块所对应区域的云量覆盖率；
(5)在地面控制端，根据步骤(4)所确定的云量覆盖率信息，进行数传任务规划。
所述步骤(1)中，文件块的存储容量相同且为定值，每一文件块对应于一个正方形的成像区域，文件块的存储容量＝遥感相机的量化位数×文件块所对应区域的像元数。
文件块的存储容量m＝ps×bn，其中bn为像元的量化位数，ps＝pn×pn，
Figure BDA0003049606980000021
hc为成像时星下点位于赤道，地面目标点为星下点，且海拔高度为0，遥感相机成像中心与目标点的距离在相机光轴上的分量，f为遥感相机焦距，μ为像元尺寸，
Figure BDA0003049606980000022
表示大于等于其中数值的最小整数，sl＝wl/2，wl为所用云图的分辨率。
所述步骤(2)中，每一文件块所对应子区域的大小为pp＝ss×ss，ss＝pn×pbt，
Figure BDA0003049606980000031
ht为成像时刻遥感相机中心与目标点的距离在相机光轴上的分量。
所述步骤(3)中，根据成像时刻，确定数传任务规划所使用的气象云图，具体为：
设两连续的气象云图成图时间间隔为T，前一气象云图成图时刻为t1，后一气象云图成图时刻为t2，光学遥感卫星对某区域的成像时刻为t，
①若t∈[t1,t1+T/2)，使用t1时刻的气象云图，
②若t∈(t1+T/2,t2]，使用t2时刻的气象云图。
所述文件块所对应区域的云量覆盖率cloud为：
cloud＝cloud1×s1+cloud2×s2+……+cloudi×si+……+cloudn×sn
其中，
Figure BDA0003049606980000032
pt为文件块所对应地面区域的面积，其覆盖了n个云图网格，n个云图网格在成像区域中的面积分别为pc1、pc2……pcn，i＝1，2……n，每一云图网格的云量覆盖率为cloud1、cloud2、cloud3、……cloudn。
所述步骤(5)中，进行数传任务规划的具体方法为：
(51)确定可用的数传资源；
(52)确定下传的文件块；当可用的数传资源满足待下传文件块总量需求时，下传全部的文件块；当可用的数传资源不满足待下传文件块总量需求时，通过对文件块进行优先级排序，确定下传的文件块；
(53)确定文件块的传输顺序，下传根据步骤(52)确定的下传文件块。
所述步骤(51)中，确定可用的数传资源，具体为：设数传任务时间为t，数传速率为sv，得到下传数据量大小st＝t×sv，设总数传资源为st，已使用的数传资源为sr，则得到当前可应用的数传资源sm＝st-sr。
所述步骤(52)中，优先级包括三个属性，从高到低依次为需求优先级、云量信息优先级和默认数传顺序优先级；其中，需求优先级有三类，从低到高依次为优先需求、一般需求和附加需求；优先需求为最优先下传的数据，一般需求为卫星业务化运行时下传的数据，附加需求为在满足前两个需求的前提下，选择性进行下传的数据；云量信息优先级是指根据云量覆盖率的高低所确定的优先级，云量覆盖率越低，文件块的下传优先级越高；默认数传顺序优先级是指不进行干预时，根据卫星自身存储序列，进行数据传输的顺序；对文件块进行排序时，高优先级属性的排序优于低优先级，若同一优先级两文件块的排序相同，则按次优先级属性进行排序。
所述步骤(53)中，对于确定下传的文件块，根据默认数传优先级，从高到低下传数据。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
1、本发明方法大幅提高了卫星下传数据的利用率。由于使用后验气象信息，相较于预报信息，大幅提高了云量信息的准确性。在数传任务中，下传云量低于阈值要求的数据，极大地提高了数据的有效性和星地系统的利用效率；
2、本发明方法大幅降低了系统成本。相较于其他解决方案，本发明的工作主要在地面控制端进行，不需要额外增加卫星端的软、硬件模块，从而降低了系统成本；
3、本发明方法大幅提高了系统的可靠性。相较于其他方案，由于卫星端没有增加硬件设备和软件，所有的分析处理模块都是在地面运行控制端。在实际应用中，可随时根据应用需求和发现的系统缺陷，对系统进行改进升级，从而提高了系统的健壮性、可靠性。
附图说明
图1为数传任务规划应用示意图；
图2为成像时刻像元分辨率示意图；
图3为本发明文件块对应的成像子区域示意图；
图4为本发明云图网格与成像区域示意图；
图5为本发明文件块所对应区域的云量计算示意图；
图6为本发明一实施例中文件块的三个优先级属性图；
图7为本发明方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的描述。
一般而言，光学遥感卫星的主要工作流程如图1所示，具体包括：
(1)成像前，进行成像任务规划，确定成像区域及成像时间；
(2)成像时，根据前期规划，在指定时刻对指定区域进行成像；
(3)成像后，将成像数据下传到地面站。
本发明所涉及的工作主要是在成像完成后、数据下传前，进行数传任务规划，传输满足需求的数据。
如图7所示，为本发明方法的流程框图，主要步骤如下：
一、根据光学遥感卫星的基准分辨率和基准成像区域，确定文件块的存储容量
本步骤在卫星设计阶段进行，即卫星存储系统中，每一文件块的容量大小根据本步骤确定。
本发明中，为便于后续数传任务规划，将遥感卫星所获取的观测数据，存储为大小相等的文件块(以下简称文件块)。
设每一文件块对应于一个正方形的成像区域。定义文件块存储容量的大小为：文件块存储容量＝遥感相机的量化位数×文件块所对应区域的像元数。
为保证文件块的存储容量为定值，考虑到遥感器的量化位数在相机设计时已经确定(为定值)，本发明将文件块所对应区域的像元数设为定值。
本发明中，将确定文件块大小时的使用成像区域定义为基准区域(且将其定义为正方形)，将确定文件块大小时使用的分辨率定义为基准分辨率。根据基准分辨率和基准成像区域，确定文件块的大小。具体如下：
11、根据云图分辨率，确定基准成像区域的边长。
在本发明中，云图分辨率定义为，气象云图中所能确定云量覆盖信息的最小区域(此区域定义为正方形)的边长长度，且其为定值。
考虑到后续步骤中采用双线性插值法计算文件块的云量覆盖信息，为提高云图信息的利用率，将基准成像区域的边长设定为云图分辨率的1/2。
也即：设所用云图的分辨率为wl，则基准区域的边长sl为
sl＝wl/2
12、根据光学成像原理，确定基准分辨率。
本发明中，遥感卫星的分辨率是指像元的边长所对应地面的长度，基准分辨率是指确定文件块存储容量大小时所使用的分辨率。
如图2所示，设成像时刻，遥感相机中心与目标点的距离在相机光轴上的分量为h，遥感相机焦距为f，像元尺寸为μ。
得到成像时刻的分辨率pb为
Figure BDA0003049606980000061
在实际成像时，考虑到地球为非标准球体、遥感卫星倾斜成像等因素，h的值会发生变化，从而导致分辨率发生变化。
本发明中，基准分辨率定义为：设成像时的星下点位于赤道，地面目标点为星下点，海拔高度为0，且为像面中心所对应的点，遥感相机成像中心与目标点的距离在相机光轴上的分量为hc，此时的分辨率pbc为
Figure BDA0003049606980000062
上式中，hc为式(1)中对应的h值。
13、确定文件块所对应的像元数
根据步骤11所确定的基准成像区域边长sl，步骤12确定的基准分辨率pbc，得到基准成像区域边长所对应的像元数pn为
Figure BDA0003049606980000063
式中，
Figure BDA0003049606980000064
表示大于等于其中数值的最小整数。
考虑到基准区域为正方形，从而得到文件块所对应的像元数ps为
ps＝pn×pn (4)
14、根据步骤13确定的像元数，确定文件块的存储容量
设像元的量化位数为bn，根据步骤13确定的像元数ps，以及文件块存储容量的定义，得到每一文件块的容量大小m为
m＝ps×bn (5)
二、利用步骤一确定的文件块存储容量，将成像区域划分为不同的子区域
本步骤在地面控制端进行。
21、根据步骤12中的式(1)，设成像时刻遥感相机中心与目标点的距离在相机光轴上的分量为ht，得到成像时的分辨率pbt为
Figure BDA0003049606980000071
22、根据步骤21得到的pbt，以及步骤13得到的pn，求得文件块对应的地面成像区域的边长ss为
ss＝pn×pbt (7)
从而得到成像时，每一文件块所对应成像区域的大小pp为
pp＝ss×ss (8)
23、根据步骤22得到的ss，pp，将成像区域划分为不同的子区域，每一子区域对应一个文件块，如图3所示。
三、根据成像时刻，确定数传任务规划所使用的气象云图
本步骤在地面控制端进行。
设两连续的气象云图成图时间间隔为T(前一气象云图成图时刻为t1，后一气象云图成图时刻为t2)，则有
t2-t1＝T (9)
现有的气象云图，其更新频率一般优于30min。考虑到气象云图相对于云的运动而言更新频率较高，在此时间段内云的运动距离较短，本发明采用如下方式确定数传任务规划时所使用的气象云图：
设光学遥感卫星对某区域的成像时刻为t，
1、若t∈[t1,t1+T/2)，使用t1时刻的气象云图；
2、若t∈(t1+T/2,t2]，使用t2时刻的气象云图。
四、根据步骤三所确定的云图信息，确定步骤二得到的文件块所对应区域的云量覆盖率
本步骤在地面控制端进行。
在计算文件块的云量覆盖率时，需使用云图网格和云量覆盖率两个概念，具体定义如下：
云图网格：根据步骤11中所述的云图分辨率，将地面划分为若干子区域，每一子区域定义为一个云图网格。
云量覆盖率：云量覆盖率＝该区域的云量覆盖面积/该区域的面积。云量覆盖率为0～1之间的数值，0表示该区域无云覆盖，1表示该区域完全被云覆盖。
设根据步骤二，得到某一文件块所对应的成像区域面积为pt，覆盖了n个云图网格。设n个云图网格在成像区域中的面积分别为pc1、pc2……pcn，则有pc1+pc2+……+pcn＝pt，如图4所示。
图4中，虚线为气象云图网格所划分的区域，粗实线为成像区域，斜线填充区域为某一云图网格在成像区域中所对应的面积。
某一云图网格覆盖成像区域的面积为pci，得到该云图网格区域在成像区域的面积占比si为
Figure BDA0003049606980000081
上式中，sn为0～1之间的数值，且有s1+s2+……+sn＝1。
根据步骤三确定的气象云图(可以从云图中直接得到每一云图网格的云量覆盖率)，得到每一网格的云量覆盖率为cloud1、cloud2、cloud3、……cloudn(cloudn∈[0,1])，进而得到该成像区域(也即该文件块)的云量覆盖率cloud为：
cloud＝cloud1×s1+cloud2×s2+……+cloudi×si+……+cloudn×sn (11)
举例如下：
设某一文件块所对应成像区域，以及其所覆盖的云图网格如图5所示。
图5中，粗线框内为文件块对应的成像区域。AA1、AA2……表示不同的云图网格。
在该图中，设成像区域覆盖的某一云图网格面积比及云量覆盖信息如表1所示。
表1文件块所对应区域的云量覆盖信息
Figure BDA0003049606980000091
根据以上信息，得到该时刻成像区域的云量覆盖率为：
Figure BDA0003049606980000092
五、根据步骤四所确定的云量覆盖率信息，进行数传任务规划
本步骤在地面控制端进行。具体步骤如下：
51、确定可用的数传资源。
(1)根据数传任务时间和数传数据，确定下传数据量的大小。
设数传任务时间为t，数传速率为sv，得到下传数据量大小st为
st＝t×sv (13)
(2)根据前序的数传资源使用情况，确定当前可使用的数传资源。
设总数传资源为st，已使用的数传资源为sr，则得到当前可应用的数传资源sm为
sm＝st-sr (14)
52、根据步骤51得到的可用数传资源sm，确定下传的文件块。
设待下传的文件块总量为sw。
若sm>sw，即数传资源可以满足待下传文件块总量需求，则进行下传的文件块为所有的文件块。
若sm<sw，即数传资源不能满足待下传文件块总量需求，则需对文件块进行优先级排序，下传优先级较高的文件块(具体见步骤53)。
53、数传资源不能满足待下传文件块总量需求时，通过对文件块进行优先级排序，确定下传的文件块。
本发明中，设每一文件块均包含三个优先级属性，从高到低依次为需求优先级、云量信息优先级和默认数传顺序优先级，如图6所示。
其中，需求优先级有三类，从低到高依次为优先需求、一般需求和附加需求。优先需求为最优先下传的数据，一般需求为卫星业务化运行时下传的数据，附加需求为在满足前两个需求的前提下，可以选择性进行下传的数据。
云量覆盖率优先级是指根据云量覆盖率的高低所确定的优先级。云量覆盖率越低，文件块的下传优先级越高。本发明根据步骤四得到的文件块云量覆盖率，确定云量覆盖率优先级。
默认数传顺序优先级是指不进行干预时，根据卫星自身存储序列，进行数据传输的顺序。
对文件块进行排序时，高优先级属性的排序优于低优先级，若同一优先级两文件块的排序相同，则按次优先级属性进行排序。
将待下传的文件块进行排序后，根据步骤51得到的可用数传资源，选择高优先级的数据进行下传。
54、确定文件块的传输顺序。
本发明中，为降低数传难度，根据步骤53确定下传的文件块后，确定这些文件块的数传顺序时，考虑的唯一因素为默认数传优先级，即根据默认数传优先级从高到低的顺序下传数据。
根据以上步骤得到的文件块传输顺序编制成指令，发送到卫星端，卫星根据步骤52和53确定的下传数据，按步骤54确定的顺序下传。
举例如下：
设某一数传任务中，数传速率sv＝0.1文件块/单位时间，数传任务时间t＝30单位时间，已使用的数传资源ss＝0，待下传的文件块总量sw＝5个文件块，名称和优先级参数如表2所示。
表2文件块的优先级参数
Figure BDA0003049606980000111
则其数传规划如下：
551、确定可用的数传资源
(1)根据数传任务时间和数传数据，确定数传资源st：
st＝t×sv＝30单位时间×0.1个文件块/单位时间＝3个文件块 (14)
(2)根据前序规划的数传资源使用情况，确定可使用的数传资源sm：
sm＝st-ss＝3个文件块-0＝3个文件块 (15)
552、根据数传资源确定需要下传的文件块。
本例中，可用的数传资源为sm＝3个文件块，待下传的文件块总量为sw＝5个文件块，sm<sw，需对文件块按优先级排序，下传优先级较高的文件块(具体见553)。
553、通过对文件块进行优先级排序，确定进行下传的文件块。
(1)根据需求优先级，确定文件块数传优先级由高到低的顺序为：
B→A＝C→D→E
由于A＝C，所以需要使用云量覆盖率信息进行排序。
(2)在该任务中，由于A和C的需求优先级相同，使用云量覆盖率优先级确定这两个文件块的优先级，得到A＝C，需进一步使用默认数传顺序优先级；
(3)在该任务中，默认数传顺序优先级为A→C，因此得到A的数传优先级高于C。
综上，得到五个文件块的数传优先级由高到低的顺序为
B→A→C→D→E
考虑到数传资源可满足3个文件块下传，根据上一步骤的文件块传输优先级顺序，得到下传的文件块为：B、A、C。
554、确定文件块的数传顺序。
由前述分析得到，所需下传的文件块为B、A、C。
在确定数传顺序时，考虑到其默认数传顺序由先到后为A→B→C，得到最终的数据下传顺序为：
A→B→C
根据以上步骤得到的文件块传输顺序编制成指令，发送到卫星端，将数据块按A→B→C的顺序下传。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种应用后验气象信息的光学遥感卫星数传任务规划方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)在卫星设计阶段，设定将遥感卫星所获取的观测数据存储在不同的文件块中；
(2)在地面控制端，根据所述文件块的存储容量，将成像区域划分为不同的子区域，每一子区域对应一个文件块；
(3)在地面控制端，根据成像时刻，确定数传任务规划所使用的气象云图；
(4)在地面控制端，根据步骤(3)所确定的气象云图，确定步骤(2)得到的文件块所对应区域的云量覆盖率；
(5)在地面控制端，根据步骤(4)所确定的云量覆盖率信息，进行数传任务规划。
2.根据权利要求1所述的一种应用后验气象信息的光学遥感卫星数传任务规划方法，其特征在于：所述步骤(1)中，文件块的存储容量相同且为定值，每一文件块对应于一个正方形的成像区域，文件块的存储容量＝遥感相机的量化位数×文件块所对应区域的像元数。
3.根据权利要求2所述的一种应用后验气象信息的光学遥感卫星数传任务规划方法，其特征在于：文件块的存储容量m＝ps×bn，其中bn为像元的量化位数，ps为像元数，ps＝pn×pn，
Figure FDA0003049606970000011
hc为成像时星下点位于赤道，地面目标点为星下点，且海拔高度为0，遥感相机成像中心与目标点的距离在相机光轴上的分量，f为遥感相机焦距，μ为像元尺寸，
Figure FDA0003049606970000012
表示大于等于其中数值的最小整数，sl＝wl/2，wl为所用云图的分辨率。
4.根据权利要求3所述的一种应用后验气象信息的光学遥感卫星数传任务规划方法，其特征在于：所述步骤(2)中，每一文件块所对应子区域的大小为pp＝ss×ss，ss＝pn×pbt，
Figure FDA0003049606970000013
ht为成像时刻遥感相机中心与目标点的距离在相机光轴上的分量。
5.根据权利要求1所述的一种应用后验气象信息的光学遥感卫星数传任务规划方法，其特征在于：所述步骤(3)中，根据成像时刻，确定数传任务规划所使用的气象云图，具体为：
设两连续的气象云图成图时间间隔为T，前一气象云图成图时刻为t1，后一气象云图成图时刻为t2，光学遥感卫星对某区域的成像时刻为t，
①若t∈[t1,t1+T/2)，使用t1时刻的气象云图，
②若t∈(t1+T/2,t2]，使用t2时刻的气象云图。
6.根据权利要求1所述的一种应用后验气象信息的光学遥感卫星数传任务规划方法，其特征在于：所述文件块所对应区域的云量覆盖率cloud为：
cloud＝cloud1×s1+cloud2×s2+……+cloudi×si+……+cloudn×sn
其中，
Figure FDA0003049606970000021
pt为文件块所对应地面区域的面积，其覆盖了n个云图网格，n个云图网格在成像区域中的面积分别为pc1、pc2……pcn，i＝1，2……n，每一云图网格的云量覆盖率为cloud1、cloud2、cloud3、……cloudn。
7.根据权利要求1所述的一种应用后验气象信息的光学遥感卫星数传任务规划方法，其特征在于：所述步骤(5)中，进行数传任务规划的具体方法为：
(51)确定可用的数传资源；
(52)确定下传的文件块；当可用的数传资源满足待下传文件块总量需求时，下传全部的文件块；当可用的数传资源不满足待下传文件块总量需求时，通过对文件块进行优先级排序，确定下传的文件块；
(53)确定文件块的传输顺序，下传根据步骤(52)确定的下传文件块。
8.根据权利要求1所述的一种应用后验气象信息的光学遥感卫星数传任务规划方法，其特征在于：所述步骤(51)中，确定可用的数传资源，具体为：设数传任务时间为t，数传速率为sv，得到下传数据量大小st＝t×sv，设总数传资源为st，已使用的数传资源为sr，则得到当前可应用的数传资源sm＝st-sr。
9.根据权利要求8所述的一种应用后验气象信息的光学遥感卫星数传任务规划方法，其特征在于：所述步骤(52)中，优先级包括三个属性，从高到低依次为需求优先级、云量信息优先级和默认数传顺序优先级；其中，需求优先级有三类，从低到高依次为优先需求、一般需求和附加需求；优先需求为最优先下传的数据，一般需求为卫星业务化运行时下传的数据，附加需求为在满足前两个需求的前提下，选择性进行下传的数据；云量信息优先级是指根据云量覆盖率的高低所确定的优先级，云量覆盖率越低，文件块的下传优先级越高；默认数传顺序优先级是指不进行干预时，根据卫星自身存储序列，进行数据传输的顺序；对文件块进行排序时，高优先级属性的排序优于低优先级，若同一优先级两文件块的排序相同，则按次优先级属性进行排序。
10.根据权利要求9所述的一种应用后验气象信息的光学遥感卫星数传任务规划方法，其特征在于：所述步骤(53)中，对于确定下传的文件块，根据默认数传优先级，从高到低下传数据。
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