CN114827137A - 基于对地观测空间云服务的遥感数据产品在轨分发方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了基于空间云服务的遥感数据产品在轨分发方法，属于在轨数据分发服务领域。该方法利用全域网格编码技术对星上数据产品进行高效组织管理，支持星上数据产品高效查询和网络切分；根据天基系统现有卫星资源、链路类型、工作频段、信道特性、传输能力、时效特性等限定条件，通过用户需求和现有天基条件多维权重评估，自动优选天基信息分发策略；设计高效的多任务调度算法，面对不同用户所提多种任务的情况，在时间约束、传输带宽约束、任务优先级约束等限定条件下，实现服务于各天基信息保障任务的生成、分发、传输作业的合理编排调度，根据天基环境计算和存储资源状况，合理控制系统并行处理的任务数量，保证了天基信息分发的速度和质量。

Description

基于对地观测空间云服务的遥感数据产品在轨分发方法
技术领域
本发明属于在轨数据分发服务领域，提出了基于对地观测空间云服务的遥感数据产品在轨分发方法，涉及空间云服务、在轨数据管理、分发体制的构建，适用于面向多类型终端的遥感数据产品在轨分发系统。
背景技术
我国现有遥感数据产品处理与分发主要由地面处理系统完成，存在分发路径长、环节多、实时性差、分发机制不灵活的缺点，无法满足高时效性的需求。随着在轨数据处理技术提高，在轨存储能力增强，多链路网络的应用，针对这一问题，提出空间云服务的遥感数据产品在轨分发服务技术，可以充分发挥空间云服务的在轨资源优势，进行各级各类遥感数据产品的快速按需分发，从而最大限度提高遥感数据产品应用的时效性。
发明内容
本发明针对上述需求，提出了一种基于对地观测空间云服务的遥感数据产品在轨分发方法，主要包括在轨数据组织、在轨分发策略制定、在轨分发任务调度以及在轨分发这几个流程，实现遥感数据产品在轨分发。
本发明采用的技术方案为：
一种基于对地观测空间云服务的遥感数据产品在轨分发方法，包括以下步骤：
(1)对接入的在轨遥感数据，根据数据属性利用全域网格编码对数据进行区位编码，并构建多源数据的统一索引大表；
(2)利用天基信息等级、分发数据类型、分发链路类型、分发工作频段和播发机制要素构建用户的分发策略；
(3)根据范围需求定位位置网格，通过空间云服务的协同，对存储分区中的在轨遥感数据进行查询检索和网格切分，并根据用户特性选择对应的分发策略和工作模式，若为单用户分发，则按照选择的分发策略和工作模式将轨遥感数据进行分发，若为多用户分发，则执行步骤(4)；
(4)利用高效的多任务调度算法，结合用户的分发策略，并综合考虑时间约束、传输带宽约束和任务优先级约束，进行服务于各天基信息保障任务的生成、分发和传输作业的合理编排调度，按照调度结果将轨遥感数据分发给对应的用户。
其中，步骤(1)具体包括以下过程：
(101)网格编码生成：进行GeoSOT区位编码，以定位角点所在的剖分层级的网格单元编码为主体，加上跨度码共同组成；GeoSOT区位编码采用度、分、秒及秒以下结构化编码，与经纬度坐标系统一致；
(102)利用遥感数据多尺度网格关联建立索引：在步骤(101)网格编码的基础上，对网格编码建立空间索引关系或空间关联，实现基于剖分网格的分布式和多源在轨遥感数据的全球一体化索引或关联，并构建多源数据的统一索引大表。
其中，步骤(2)中，天基信息等级、分发数据类型、分发链路类型、分发工作频段和播发机制要素具体如下：
天基信息等级，依据等级划分标准确立，按照紧急、重要和常规划分为三个等级；
分发数据类型，包含文本、图像、音频和视频；
分发链路类型，包含星地可视区域广播分发和星间通信链路分发两种模式；星地可视区域广播分发具体为：星上目标处理器完成在轨信息处理，输出的信息在卫星可见弧段内，向地面可视区域进行广域的信息分发；星间通信链路分发具体为：通过星间通信链路进行信息分发，包括两种，一种是在执行用户突发紧急任务时，卫星在地面指定区域的可视弧段外，通过星间通信链路实现中继通信，由其他卫星将信息推送到指定区域的地面终端，其中，其他卫星包括中继卫星和通信卫星；另一种是通过星间通信链路，将目标的各类信息产品推送至其他中继卫星，由中继卫星将信息推送到指定区域的地面终端；
分发工作频段，包含S频段、X频段和Ka频段；
播发机制，包含广播模式和点播模式。
其中，用户的分发策略为天基信息等级、分发数据类型、分发链路类型、分发工作频段和播发机制各要素中一项组合而成。
其中，步骤(4)具体过程为：
(401)对分发策略的合法性进行检查，并确定在轨遥感数据的等级；
(402)进一步解析分发策略，生成细化的各类原子级任务列表，各类原子级任务列表包括用户列表、数据覆盖区域、分发链路和数据大小；
(403)根据可用链路资源情况，对各类原子级任务列表中的分发策略进行可行性分析，删除各类原子级任务列表中不满足执行条件的分发策略；
(404)根据在轨遥感数据的等级对各类原子级任务列表中可行的分发策略进行任务筹划，消除对链路资源和数据资源的使用冲突，并确定相关分发任务的具体执行起止时间、传输链路工作模式、工作参数以及天基情报下传给用户的执行起止时间；
(405)根据分发任务筹划结果进行数据分发，并监督任务执行。
本发明相比现有技术具有如下优点：
本发明可以实现服务于各天基信息保障任务的生成、分发、传输作业的合理编排调度，根据天基环境计算和存储资源状况，合理控制系统处理的任务数量，能够保证天基信息分发的速度和质量。
附图说明
图1是本发明在轨分发流程图。
图2是本发明基于用户特性的分发策略模型。
图3是本发明天基信息处理分发一体化调度流程图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
本实施例提供基于对地观测空间云服务的遥感数据产品在轨分发方法，该方法包括在轨数据组织、在轨分发体制构建、在轨分发任务调度以及在轨分发等环节，如附图1所示。
1、利用剖分网格进行在轨高效数据组织
对接入的在轨数据，首先根据数据属性利用全域网格编码生成服务获得该数据的网格编码，以网格编码作为主键，将数据存储在存储分区中。
1)网格编码生成：进行GeoSOT区位编码，以定位角点所在的剖分层级的网格单元编码为主体，加上跨度码共同组成。GeoSOT剖分编码具有坐标继承性，GeoSOT网格剖分框架是以国家大地坐标系CGCS2000为地理空间基准，在经纬度坐标空间进行等经纬度网格划分，其网格的GeoSOT剖分编码本身就具有代表地理区位的功能；GeoSOT剖分编码采用度、分、秒及秒以下结构化编码，与经纬度坐标系统一致。
2)利用遥感数据多尺度网格关联建立索引。在数据一体化组织的基础上，各类遥感数据都基于统一的网格编码体系，以此为基础建立空间索引关系或空间关联，从而实现基于剖分网格的分布式(多个数据中心)、多源(资源、测绘等)遥感信息的全球一体化索引或关联，形成遥感数据的空间网格索引模型。在此基础上，构建多元数据的统一索引大表。将传统数据组织模型中利用坐标或元数据建立的数据与操作两层关联的模式，转变为以剖分网格对应的区位为基础，以区位编码(全球统一且唯一)为纽带的“数据-编码-操作”三层关联模式，根据区域编码可实现全球任意位置的遥感影像的近实时检索。
2、制定在轨分发策略
不同用户在信息分发时的内容特性、通信特性各不相同，其中内容特性包括时空特征、数据类型及天基信息等级等；通信特性包括分发链路、分发工作频段、播发机制等。通过建立基于用户特性的分发模型，确定用户信息需求与空间云天基信息资源、通信资源的分配关系，最终建立基于用户特性的在轨信息分发策略。
1)基于用户特性的分发策略构建
分析用户分发需求和星地通信链路的传输条件，从天基信息等级、分发数据类型、分发链路类型、分发工作频段、播发机制等方面构建多维用户特性分发模型，入图2所示，其具体形式化定义如下。
U＝(Ttype，Dtype，Ltype，Mtype，Btype)
U表示用户特性分发模型；Ttype表示天基信息等级，依据等级划分标准确立；Dtype表示分发数据类型，包含文本、图像、音频、视频等；Ltype表示分发链路类型，包含星地可视区域广播分发、星间通信链路分发等，Mtype表示分发工作频段，包含S频段、X频段、Ka频段等，Btype表示播发机制，包含广播模式和点播模式，用户可以利用该模型进行多维特征的描述和定义对模型进一步细分和扩展。在面向作业单元的分发任务执行过程中，基于用户特性的分发模型，灵活动态的调配分发传输资源，制定分发模式。同时支持紧急应急任务的优先插入，提高信息分发的灵活性和机动性，并能依据用户的反馈行为，进一步调整分发策略，提高分发效率和分发质量。
2)分发的工作模式与分发体制设计
目前，星上在轨分发的信息数据类型包括可见光图像切片、红外图像切片和典型目标信息文本等，待传输数据速率从5kbps至10Mbps以上不等。对于预定计划的任务，通过地面专业部门制定成像任务，利用地面运控系统上注任务由卫星执行，地面应用系统接收信息数据。对于突发的任务执行，需要快速建立星地通信链路，除了可视区域内的星地分发外，必要时还需要借助其他中继手段，解决星地通信链路连续性问题。基于上述分析同时考虑用户特性，根据链路类型划分，可将信息分发的工作模式分为：
星地可视区域广播分发：星地可视区域广播分发为常规分发工作模式，卫星根据地面上注的任务计划执行成像任务，星上目标处理器完成在轨信息处理，输出的信息在卫星可见弧段内，向地面可视区域进行广域的信息分发。
星间通信链路分发：通过星间通信链路进行信息分发，其用途有两种，一是在执行用户突发紧急任务时，卫星在地面指定区域的可视弧段外，通过星间通信链路实现中继通信，由其他卫星(中继卫星、通信卫星等)将信息推送到指定区域的地面终端；另一种是通过星间通信链路，将目标的各类信息产品推送至其他中继卫星，由中继卫星将信息推送到指定区域的地面终端。
两种工作模式可以各自独立工作，也可以同时工作。
从星上目标处理后形成信息产品的信息量分析，文本与图像切片对传输速率的要求不同，文本信息适用于低速(～5Kbps)传输，图像切片适用于中高速(1.2Mbps～12Mbps)传输。
针对低速率信息分发，考虑采用抗多普勒和抗干扰强的BPSK/QPSK+CDMA扩频调制体制，纠错编码选择RS+卷积或LDPC编码。
针对中高速率信息分发，直接采用QPSK调制方式，纠错编码选择RS+卷积或LDPC编码，多址方式选择FDMA。
3)工作频段及分发链路设计
①工作频段设计
工作频段的选择既要考虑当前星地、星间链路的频段占用情况，又要考虑星上设备、地面设备的设计约束，设计结果见下表。
工作频段设定
Figure BDA0003568067940000081
②分发链路设计
针对天基信息网络的高/中/低轨多类卫星，在制定了分发体制之后，对各类卫星以及地面接收设备之间的传输链路进行设计。
(a)星地低速链路
星地低速链路考虑采用S频段低轨遥感卫星广播分发系统设计，以现有地面Ⅲ型终端接收，接收仰角15°，G/T值不小于-9dB/K。
经过链路计算，下行传输速率不超过32kbps，可以满足典型目标的文本信息传输要求，若传输图像切片，则单个目标可见光切片(压缩后)需要的传输时间为2.4Mb/32kbps＝75s。
(b)星地中高速链路
星地中高速链路采用X频段数传体制，地面采用口径1.5m天线接收，接收仰角15°。采用增益10dBi的喇叭天线，波束宽度约为45°，可覆盖地面半径为500km的区域。
(c)中继卫星低速链路
利用现有卫星的S频段中继测控链路进行星间中继传输，将星上目标处理输出的典型目标文本信息由中继返向遥测链路传输至地面终端站，由地面终端站接收，并由中继卫星运控中心分发至用户。
(d)中继卫星高速链路
利用现有卫星的Ka频段中继数传链路进行中高速的星间中继传输，将星上目标处理输出的可见光、红外图像切片等由中继返向链路传输至地面终端站，由地面终端站接收，并由中继卫星运控中心分发至用户。现有Ka频段中继数传链路可支持10Mbps～600Mbps的返向数据传输，对于12Mbps可见光切片和1.2Mbps红外切片，链路余量充足。
(e)Ka频段星间链路
利用卫星现有的Ka频段中继系统和对地数传系统，两星通过各自的Ka频段天线指向对方，建立星间链路。
其中一颗高轨道卫星使用Ka对地数传天线作为星间发射天线，另一颗低轨道卫星使用Ka中继天线作为星间接收天线，发射机输出功率1W，从链路计算结果看，可以支持星间距离40000km下32kbps传输速率，能够满足5kbps的典型目标文本信息传输。
(f)X频段星间链路
采用X频段固定波束天线作为收发天线，波束角10°，发射功率输出10W，可以支持视距约13000km的5kbps星间通信。以0.1m光学星500km～700km轨道高度计算，可支持与轨道高度8000km的目标星进行星间通信。
3、根据范围需求定位位置网格，通过空间云服务的协同，对存储分区中的在轨遥感数据进行查询检索和网格切分，并根据用户特性选择对应的分发策略和工作模式，若为单用户分发，则按照选择的分发策略和工作模式将轨遥感数据进行分发，若为多用户分发，则执行步骤4；
4、利用高效的多任务调度算法，结合用户的分发策略，并综合考虑时间约束、传输带宽约束和任务优先级约束，进行服务于各天基信息保障任务的生成、分发和传输作业的合理编排调度，按照调度结果将数据分发给对应的用户，如图3所示，具体步骤如下：
(401)对分发策略的合法性进行检查，并确定在轨遥感数据的等级；
(402)进一步解析分发策略，生成细化的各类原子级任务列表，各类原子级任务列表包括用户列表、数据覆盖区域、分发链路和数据大小；
(403)根据可用链路资源情况，对各类原子级任务列表中的分发策略进行可行性分析，删除各类原子级任务列表中不满足执行条件的分发策略；
(404)根据在轨遥感数据的等级对各类原子级任务列表中可行的分发策略进行任务筹划，消除对链路资源和数据资源的使用冲突，并确定相关分发任务的具体执行起止时间、传输链路工作模式、工作参数以及天基情报下传给用户的执行起止时间；
(405)根据分发任务筹划结果进行数据分发，并监督任务执行。

Claims (5)

1.一种基于对地观测空间云服务的遥感数据产品在轨分发方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)对接入的在轨遥感数据，根据数据属性利用全域网格编码对数据进行区位编码，并构建多源数据的统一索引大表；
(2)利用天基信息等级、分发数据类型、分发链路类型、分发工作频段和播发机制要素构建用户的分发策略；
(3)根据范围需求定位位置网格，通过空间云服务的协同，对存储分区中的在轨遥感数据进行查询检索和网格切分，并根据用户特性选择对应的分发策略和工作模式，若为单用户分发，则按照选择的分发策略和工作模式将轨遥感数据进行分发，若为多用户分发，则执行步骤(4)；
(4)利用高效的多任务调度算法，结合用户的分发策略，并综合考虑时间约束、传输带宽约束和任务优先级约束，进行服务于各天基信息保障任务的生成、分发和传输作业的合理编排调度，按照调度结果将轨遥感数据分发给对应的用户。
2.根据权利要求1所述的基于对地观测空间云服务的遥感数据产品在轨分发方法，其特征在于，步骤(1)具体包括以下过程：
(101)网格编码生成：进行GeoSOT区位编码，以定位角点所在的剖分层级的网格单元编码为主体，加上跨度码共同组成；GeoSOT区位编码采用度、分、秒及秒以下结构化编码，与经纬度坐标系统一致；
(102)利用遥感数据多尺度网格关联建立索引：在步骤(101)网格编码的基础上，对网格编码建立空间索引关系或空间关联，实现基于剖分网格的分布式和多源在轨遥感数据的全球一体化索引或关联，并构建多源数据的统一索引大表。
3.根据权利要求1所述的基于对地观测空间云服务的遥感数据产品在轨分发方法，其特征在于，步骤(2)中，天基信息等级、分发数据类型、分发链路类型、分发工作频段和播发机制要素具体如下：
天基信息等级，依据等级划分标准确立，按照紧急、重要和常规划分为三个等级；
分发数据类型，包含文本、图像、音频和视频；
分发链路类型，包含星地可视区域广播分发和星间通信链路分发两种模式；星地可视区域广播分发具体为：星上目标处理器完成在轨信息处理，输出的信息在卫星可见弧段内，向地面可视区域进行广域的信息分发；星间通信链路分发具体为：通过星间通信链路进行信息分发，包括两种，一种是在执行用户突发紧急任务时，卫星在地面指定区域的可视弧段外，通过星间通信链路实现中继通信，由其他卫星将信息推送到指定区域的地面终端，其中，其他卫星包括中继卫星和通信卫星；另一种是通过星间通信链路，将目标的各类信息产品推送至其他中继卫星，由中继卫星将信息推送到指定区域的地面终端；
分发工作频段，包含S频段、X频段和Ka频段；
播发机制，包含广播模式和点播模式。
4.根据权利要求3所述的基于对地观测空间云服务的遥感数据产品在轨分发方法，其特征在于，用户的分发策略为天基信息等级、分发数据类型、分发链路类型、分发工作频段和播发机制各要素中一项组合而成。
5.根据权利要求1所述的基于对地观测空间云服务的遥感数据产品在轨分发方法，其特征在于，步骤(4)具体包括以下过程：
(401)对分发策略的合法性进行检查，并确定在轨遥感数据的等级；
(402)进一步解析分发策略，生成细化的各类原子级任务列表，各类原子级任务列表包括用户列表、数据覆盖区域、分发链路和数据大小；
(403)根据可用链路资源情况，对各类原子级任务列表中的分发策略进行可行性分析，删除各类原子级任务列表中不满足执行条件的分发策略；
(404)根据在轨遥感数据的等级对各类原子级任务列表中可行的分发策略进行任务筹划，消除对链路资源和数据资源的使用冲突，并确定相关分发任务的具体执行起止时间、传输链路工作模式、工作参数以及天基情报下传给用户的执行起止时间；
(405)根据分发任务筹划结果进行数据分发，并监督任务执行。
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