■ 張鵬 張烺 張迺強

空基遙感觀測系統(tǒng)仿真技術通過模擬無人機、浮空器或衛(wèi)星平臺的遙感探測過程，生成遙感觀測的科學數(shù)據(jù)，該技術既能夠為觀測平臺與載荷研制方提供衛(wèi)星設計指標的分析與驗證手段，也能夠為遙感數(shù)據(jù)應用提供模擬數(shù)據(jù)生產(chǎn)源。觀測系統(tǒng)仿真中該技術應用于對地觀測衛(wèi)星遙感系統(tǒng)正向設計與地面系統(tǒng)聯(lián)調(diào)聯(lián)試，極大提高了設計與聯(lián)調(diào)的效率與有效性。

隨著遙感觀測載荷光學與電子學技術的發(fā)展，近年來遙感觀測在空間分辨率和光譜分辨率上有了突飛猛進的進展。遙感產(chǎn)品的質(zhì)量不僅與遙感處理的算法有關，同時也與遙感觀測的數(shù)據(jù)質(zhì)量有密切關系。遙感觀測過程中的部件性能直接決定了遙感探測原始數(shù)據(jù)的質(zhì)量，因此有必要對這些部件進行建模和分析?？傮w上，遙感觀測系統(tǒng)可以分為觀測平臺、觀測載荷、數(shù)據(jù)鏈路等幾部分硬件，以及觀測背景和觀測目標等觀測對象。衛(wèi)星遙感觀測系統(tǒng)仿真需要對以上部件進行建模，并對遙感觀測過程進行仿真，進而能夠?qū)崿F(xiàn)在仿真過程中調(diào)整部件的性能指標，并在觀測數(shù)據(jù)上驗證修改后的指標對最終探測數(shù)據(jù)的影響。

本文利用針對空基遙感觀測仿真（SRSOS）系統(tǒng)，利用系統(tǒng)仿真技術建立一套對地觀測仿真系統(tǒng)服務于觀測系統(tǒng)研制、遙感數(shù)據(jù)處理支撐和地面處理系統(tǒng)研制等領域。例如衛(wèi)星平臺和載荷研制人員可以利用SRSOS系統(tǒng)調(diào)整部件的性能指標來驗證其指標是否滿足應用要求，觀測系統(tǒng)業(yè)主在可行性研究階段可以利用該仿真技術來選擇合適的光譜譜段，載荷搭載的選擇同樣也可以利用仿真技術來實現(xiàn)不同載荷觀測效果的預先呈現(xiàn)。在遙感應用方面，遙感觀測仿真生成的數(shù)據(jù)可用來作為反演處理的輸入數(shù)據(jù)來使用，使用觀測仿真生成數(shù)據(jù)支持遙感算法的改進、誤差評估和新算法的調(diào)試。在遙感衛(wèi)星地面應用系統(tǒng)研制過程中，遙感平臺發(fā)射前，地面系統(tǒng)的聯(lián)合調(diào)試需要提供載荷的觀測數(shù)據(jù)，特別是針對沒有在軌載荷的光譜譜段，只能依賴遙感觀測仿真的手段模擬生成數(shù)據(jù)。本文將對SRSOS的關鍵技術展開論述，并以衛(wèi)星遙感觀測為例，展示該技術的應用方法和效果。

1 SRSOS系統(tǒng)簡介

SRSOS框架由4部分組成，分別是仿真管理、遙感觀測背景仿真、遙感觀測平臺仿真和遙感觀測載荷仿真。在真實世界中遙感觀測數(shù)據(jù)的生成是觀測平臺搭載選定的載荷，在飛行狀態(tài)下對目標物進行遙感探測的過程，因此建立仿真系統(tǒng)也是針對探測過程中的各個相關環(huán)節(jié)建模后實現(xiàn)仿真的功能。

仿真管理是系統(tǒng)運行的中樞，負責完成仿真假定的配置、各分系統(tǒng)仿真的初始化設置、仿真過程的運行監(jiān)視和結果的查看等功能。遙感觀測背景仿真模擬遙感觀測系統(tǒng)觀測內(nèi)容的輻射特性，目前支持衛(wèi)星平臺和無人機平臺兩種通用平臺的對地球觀測背景模擬，綜合利用數(shù)值預報與快速輻射傳輸技術來實現(xiàn)不同光譜譜段的觀測輻射能量計算。輻射傳輸?shù)奶幚砼c平臺的飛行高度、關注光譜譜段和目標特征都有強關聯(lián)性，正文將就這方面的技術展開論述。遙感觀測平臺仿真是利用數(shù)字化建模的方法建立遙感觀測平臺的數(shù)字模型，生成觀測時刻的平臺運動學和動力學參數(shù)，為觀測數(shù)據(jù)的生產(chǎn)提供必要的輸入。目前常用的對地球遙感觀測平臺有無人機平臺、衛(wèi)星平臺，本文針對這兩種平臺進行關鍵技術介紹。最后是遙感觀測載荷仿真技術，遙感觀測載荷根據(jù)觀測任務不同其設計也有諸多變化，在掃描方式、光譜譜段、光學特性上都有獨特的特點，下文針對這些特點來闡述載荷建模的方法。

2 遙感觀測背景建模與仿真

無論對于平流層飛行器還是地球遙感衛(wèi)星而言，其觀測的主體都是地球上的對象，但觀測位置過高（例如地球同步軌道衛(wèi)星或者大橢圓軌道衛(wèi)星）時，遙感觀測系統(tǒng)的觀測視場內(nèi)就會出現(xiàn)冷空間、臨邊空間、恒星、月球等地球以外的對象。對于在大氣層內(nèi)飛行器而言，其視場范圍內(nèi)一定是地球上的某一區(qū)域。遙感觀測背景仿真就是要對遙感觀測范圍內(nèi)的對象的輻射能量特性進行仿真模擬，所以觀測背景的仿真以地球為核心再加上臨近空間和視場中出現(xiàn)的冷空間和恒星。

2.1 地表與動態(tài)大氣環(huán)境仿真

對地球進行遙感探測產(chǎn)生科學數(shù)據(jù)是遙感載荷對地球大氣、地表、海洋等環(huán)境的變化的特定感知形式。因此，對地表、海洋和大氣環(huán)境進行模擬，是計算其輻射能量分布的必要步驟。

地表和海洋的能量在不同光譜譜段來自于自身的溫度輻射和對太陽能量的反射，因此，對地球表面輻射能量進行仿真的關鍵問題可以歸結為兩個方面，首先，獲取地球不同表面類型的發(fā)射率和反射率是建模的核心問題，其次是能量到觀測載荷路徑上的輻射傳輸問題。地球不同表面類型的發(fā)射率和反射率可以使用已有地表反射率的產(chǎn)品，海洋表面反射和輻射率在行星尺度上是均一的，可根據(jù)海水的反射和發(fā)射特性來確定。除了地球表面外，地球上瞬息萬變的大氣環(huán)境也是行星視角觀測范圍內(nèi)的重要內(nèi)容。動態(tài)大氣環(huán)境的建?？梢岳脙煞N手段來實現(xiàn)，一種是利用氣象觀測站點和設備的探測數(shù)據(jù)，另外一種是利用數(shù)值預報模式演算未來時刻的大氣環(huán)境狀態(tài)。利用氣象觀測站點和設備，可以綜合世界上各個國家的氣象探測和環(huán)境探測站點，例如全球自動觀測網(wǎng)（AERONET）。該網(wǎng)絡現(xiàn)已經(jīng)覆蓋了全球主要的區(qū)域，目前全球共有500多個站點，利用CIMEL 自動太陽光度計（SPAM）作為基本觀測儀器，網(wǎng)絡站點分布圖如圖1所示，其站點部署只覆蓋陸地，密度較低，并且站點覆蓋不均勻，其數(shù)據(jù)分布不利于正演處理使用。

圖1 AERONET站點分布圖

另外一種方法是利用數(shù)值天氣預報（NWP）系統(tǒng)構建動態(tài)大氣環(huán)境仿真系統(tǒng)。NWP計算模式是根據(jù)大氣的初始狀態(tài)以及模擬區(qū)域的邊值狀態(tài)和下墊面狀態(tài)，通過時間積分迭代計算求解未來時刻的大氣狀態(tài)。以WRF模式為例，WRF是中尺度的數(shù)值預報模式，其輸出數(shù)據(jù)集可調(diào)整大氣分層最多至101氣壓層，水平網(wǎng)格空間分辨率理論上精確到米級（實際運用中范圍為3～100 km），大氣環(huán)境要素包括風矢量、溫度、濕度等常規(guī)參數(shù)和云微物理特性，這些數(shù)據(jù)集的特性都很好地支撐了輻射傳輸計算。WRF模式運行與計算過程中需要解決運算時效問題。運行時效依賴于大規(guī)模計算集群或大型計算機作為硬件基礎，運行并行化模式開展解算。其具體的運行時效也與計算任務中網(wǎng)格的規(guī)模和分辨率與迭代周期有關。以中分辨率遙感觀測為例，星下點觀測分辨率為100 m，那么數(shù)值天氣預報輸出數(shù)據(jù)場網(wǎng)格分辨率要高于100 m，其觀測區(qū)域取決于平臺運行軌道和載荷觀測視角。

2.2 快速輻射傳輸建模與計算

輻射傳輸是對地觀測能量定量計算的關鍵環(huán)節(jié)。輻射傳輸?shù)挠嬎氵^程要考慮載荷的光譜譜段、云粒子的相態(tài)和大小、大氣中氣體含量。太陽反射波段對輻射傳輸?shù)呢暙I可以認為是基本由地球表面和云頂以及氣體吸收三部分組成，熱紅外發(fā)射波段解算則還需要考慮在光譜范圍內(nèi)實體自身發(fā)射的能量貢獻。

輻射傳輸計算以地球空間環(huán)境參數(shù)、觀測幾何參數(shù)、光譜響應函數(shù)作為輸入量，開展解算。傳統(tǒng)基于LBL的輻射傳輸計算運算效率較低，難以在工程實施中使用，因此我們采用基于FTRM方法的快速輻射傳輸模型來實現(xiàn)輻射傳輸解算。

輻射傳輸?shù)奶幚砹鞒?，其主要操作步驟為：

1）大氣環(huán)境參數(shù)獲??；

2）地球表面特征參數(shù)獲取；

3）觀測幾何參數(shù)獲取；

4）光譜響應函數(shù)及大氣透過率參數(shù)獲??；

5）氣溶膠大氣透過率計算；

6）可見光紅外寬通道輻射傳輸模擬。

前4個參數(shù)為靜態(tài)輸入或前置步驟計算得出，后邊兩個步驟為實際輻射傳輸處理步驟。FTRM模式針對太陽反射波段能夠計算輸出大氣層頂?shù)谋碛^反射率，針對熱紅外發(fā)射波段能夠計算出輻射亮度。為節(jié)省計算時間在模擬之前基于離散縱坐標法的輻射傳輸模型DISORT處理，得到不同光學厚度條件下和粒子有效半徑條件下云粒子的徑向反射比和透過率的分布狀態(tài)并建立查找表，在實際快速模式計算中通過查找表來完成計算，大大提高計算效率。對于沒有云和氣溶膠的區(qū)域，只考慮氣體吸收作用，采用CKD方法計算分層透過率最終得到觀測區(qū)域的大氣總透過率。用光譜范圍內(nèi)吸收系數(shù)k(v)的概率分布函數(shù)來表示透過率，可以寫為

式中，f(k)為吸收系數(shù)的歸一化概率分布函數(shù)?？紤]通道的光譜響應，式（1）可變?yōu)?/p>

式中，S為歸一化因子， 是相應載荷的光譜響應函數(shù)。累積概率函數(shù)分別可以由下式表示

式中，W為吸收系數(shù)分組的權重系數(shù)。由式（5）可以計算得到不同高度上對應的a，b及c的值

將CKD模型高度上的a，b，c插值到輸入的數(shù)值預報數(shù)據(jù)高度場后可以計算得到大氣各氣壓層在該譜段的吸收系數(shù)并最終得到大氣透過率。

3 遙感觀測平臺建模與仿真

遙感觀測平臺仿真可分解為平臺姿態(tài)軌道仿真和載荷仿真兩部分。兩部分在物理上是連接在一起的，例如無人機及其搭載的相機、衛(wèi)星平臺及其有效載荷、平流層飛艇與其吊艙內(nèi)的載荷等。兩部分共同完成遙感成像的任務。

3.1 平臺姿態(tài)軌道建模與仿真

對平臺的位置和姿態(tài)等對遙感成像有影響的運動特性進行仿真，以遙感觀測衛(wèi)星為例，需要對衛(wèi)星平臺位置、速度、姿態(tài)變化以及控制過程進行模擬。遙感觀測平臺的參數(shù)為相機仿真提供真實的位置、姿態(tài)，并為平臺上預處理仿真、地面系統(tǒng)仿真等提供模擬的衛(wèi)星位置、姿態(tài)測量數(shù)據(jù)。

平臺姿態(tài)軌道控制又可劃分為動力學仿真、軌道仿真、平臺姿控等幾部分。動力學仿真模擬衛(wèi)星姿態(tài)動力學和運動學，仿真衛(wèi)星所受的各種空間環(huán)境干擾力矩的影響；仿真載荷運動與星體的耦合動力學；仿真太陽帆板步進以及撓性附件振動與星體的耦合動力學；仿真遙感觀測平臺姿態(tài)變化；實時仿真衛(wèi)星軌道位置、速度變化并計算含測軌誤差的軌道數(shù)據(jù)；仿真軌道遞推、軌道保持和軌道機動等，并給出太陽在慣性系下的位置及坐標系轉(zhuǎn)換矩陣。

3.2 遙感載荷建模與仿真

載荷觀測仿真反映相機視場、成像周期、光學分辨等參數(shù)變化?？傮w上載荷仿真可以分為光學和電子學兩部分。值得注意的是，載荷工作在衛(wèi)星平臺上，衛(wèi)星平臺的位置和姿態(tài)也對成像過程有影響，關于衛(wèi)星平臺的仿真有諸多的論述成果，這里不再展開。下面從光學仿真和電子學仿真兩部分展開論述。

光學仿真模擬光路傳導過程，光線的軌跡模擬分為正向和逆向。正向光線追跡是解算觀測對象在探測器上的實際位置，如圖2所示，圖中target為觀測對象，SW為焦平面。

圖2 正向光線追跡示意圖

逆向光線追跡（圖3）通過一系列坐標系間的轉(zhuǎn)換，建立背景與像點之間的對應關系，根據(jù)共線方程可以建立幾何關系進而計算出目標L的地理坐標。

圖3 逆向光線追跡示意圖

電子學仿真模擬入瞳輻射能量轉(zhuǎn)化為探測器電子信號的過程。按照相機工作原理可以將該過程分為光學系統(tǒng)響應、探測器響應和信息獲取電路系統(tǒng)響應。光學系統(tǒng)響應包括光學系統(tǒng)的光學MTF和離焦MTF引起的空間退化。其中，光學MTF可由光學設計軟件計算輸出得到，而離焦MTF根據(jù)光學系統(tǒng)參數(shù)計算得到。

4 仿真應用

基于本文對SRSOS系統(tǒng)各個組成模塊的建模與仿真，以衛(wèi)星遙感觀測仿真的應用為例，建立一套通用的衛(wèi)星遙感觀測仿真系統(tǒng)框架（圖4）。

衛(wèi)星平臺、相機仿真和鏈路仿真可根據(jù)衛(wèi)星設計參數(shù)調(diào)整系統(tǒng)配置完成對衛(wèi)星的建模和修訂，觀測背景需要根據(jù)載荷的特征參數(shù)進行離線或在線數(shù)據(jù)模擬（根據(jù)系統(tǒng)運行時效和觀測區(qū)域范圍決定），二目標特性仿真與星上預處理則可根據(jù)衛(wèi)星的組成特點進行裁剪。

圖4 衛(wèi)星遙感觀測系統(tǒng)通用框架示意圖

圖5 風云二號E星紅外與水汽通道模擬與觀測中國域云圖

在實際的應用中，衛(wèi)星遙感觀測系統(tǒng)仿真技術已經(jīng)應用到我國多個型號遙感衛(wèi)星的研制過程，為衛(wèi)星指標論證與設計提供必要的仿真支撐，并為新一代靜止軌道氣象衛(wèi)星風云四號A星的地面系統(tǒng)的建設提供了模擬數(shù)據(jù)支持。特別是在風云四號A星地面系統(tǒng)建設過程中，在發(fā)行前地面應用系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試時，地面沒有可以參考的的數(shù)據(jù)可以使用，無論從分系統(tǒng)間接口調(diào)試還是從遙感應用調(diào)試角度，都無法完成有實際物理意義的數(shù)據(jù)處理。引入遙感觀測仿真技術后，針對導航與配準和產(chǎn)品生成系統(tǒng)的需求，按照實際地球大氣環(huán)境模擬生成全天24 h的104.5°E位置中國區(qū)域的多通道成像儀模擬數(shù)據(jù)，為聯(lián)調(diào)聯(lián)試的順利進行提供了數(shù)據(jù)保障。

同時，利用風云二號模擬云圖與觀測云圖對比分析仿真有效性。以2015年11月30日03時數(shù)據(jù)為例，分別利用對地觀測模擬技術和風云二號E星業(yè)務系統(tǒng)處理生成中國區(qū)域IR1通道和水汽通道的云圖，圖5為模擬云圖與實際觀測云圖。經(jīng)過數(shù)據(jù)統(tǒng)計可以發(fā)現(xiàn)，觀測與模擬云圖的數(shù)據(jù)動態(tài)范圍一致，在大片云系中，模擬云圖的云量偏少，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)是數(shù)值預報模式輸出數(shù)據(jù)的柵格化數(shù)據(jù)不連續(xù)導致。經(jīng)過靜態(tài)圖像相關性分析，在均勻云區(qū)模擬與觀測數(shù)據(jù)的相關性高于75%。

深入閱讀

Liu X, Smith W L, Zhou D K, et al., 2006. Principal componentbased radiative transfer model for hyperspectral sensors. Appl Opt, 45:201-209

Liu Y, Wu W, Jensen M P, et al., 2011. Relationship between cloud radiative forcing, cloud fraction and cloud albedo, and new surface-based approach for determining cloud albedo.Atmospheric Chemistry and Physics, 11: 7155-7170.

崔偉光, 楊海峰, 楊晶, 等, 2015. 衛(wèi)星分系統(tǒng)仿真測試平臺設計與實現(xiàn). 計算機測量與控制, 23(10): 3264-3266.

婁樹理, 周曉東, 2011. 基于光學厚度的云紅外輻射計算. 應用光學, 32(2): 343-347.