陳強(qiáng) 陳曉杰 汪自軍 張立國(guó) 范穎婷 王皓

(上海衛(wèi)星工程研究所，上海 201109)

氣象災(zāi)害往往具有突發(fā)性強(qiáng)、發(fā)展迅速、影響范圍廣、造成損失大等特點(diǎn)，傳統(tǒng)觀測(cè)手段無(wú)法了解氣象災(zāi)害發(fā)生發(fā)展的全貌。氣象衛(wèi)星能大范圍地對(duì)災(zāi)害進(jìn)行宏觀監(jiān)測(cè)研究，特別是對(duì)于大范圍、突發(fā)性的環(huán)境災(zāi)害及動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)十分有利，而在臺(tái)風(fēng)、暴雨、閃電、沙塵、霧霾等突發(fā)氣象災(zāi)害的預(yù)警和監(jiān)測(cè)中，實(shí)現(xiàn)自主任務(wù)規(guī)劃的智慧觀測(cè)是應(yīng)對(duì)氣象業(yè)務(wù)高時(shí)效性和災(zāi)害短臨預(yù)警需求的必要手段，也是多源載荷協(xié)同觀測(cè)，更好的發(fā)揮衛(wèi)星觀測(cè)效能的必要措施。

實(shí)現(xiàn)自主任務(wù)規(guī)劃的智慧觀測(cè)是應(yīng)用遙感衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)更高應(yīng)用效能、更好應(yīng)用體驗(yàn)的有效手段。衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃問(wèn)題與衛(wèi)星實(shí)際應(yīng)用結(jié)合緊密，是隨著衛(wèi)星技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)的新而復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃作為一門(mén)新興起的研究領(lǐng)域，已經(jīng)得到了世界各國(guó)研究人員的廣泛關(guān)注。衛(wèi)星本身具有長(zhǎng)時(shí)間、遠(yuǎn)距離、無(wú)人干預(yù)等特點(diǎn)，其天然地與人工智能技術(shù)緊密相連。NASA借助人工智能(AI)機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，在星系探索，目標(biāo)識(shí)別等領(lǐng)域都取得了一定的應(yīng)用成果。歐洲第一顆配備人工智能對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星φ-Sat，借助AI技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高光譜儀器無(wú)云區(qū)的識(shí)別，進(jìn)而只下傳可使用的觀測(cè)數(shù)據(jù)，提升應(yīng)用效能。國(guó)內(nèi)學(xué)者也提出了多項(xiàng)智能遙感衛(wèi)星的概念，旨在通過(guò)人工智能技術(shù)，賦予衛(wèi)星更多的自主智慧觀測(cè)能力，提升使用效能[1-2]。

氣象衛(wèi)星的智慧觀測(cè)旨在提升衛(wèi)星應(yīng)對(duì)突發(fā)災(zāi)害快速響應(yīng)、自主觀測(cè)和智能處理的能力，不是簡(jiǎn)單的任務(wù)重復(fù)和循環(huán)，而是更靈活更快速的任務(wù)響應(yīng)和自主管理能力。結(jié)合氣象衛(wèi)星的觀測(cè)特點(diǎn)和主要業(yè)務(wù)需求，通過(guò)智慧觀測(cè)發(fā)揮其更高的應(yīng)用效益，提供更佳的用戶(hù)體驗(yàn)。本文從氣象衛(wèi)星特點(diǎn)和需求出發(fā)，在分析現(xiàn)有衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃現(xiàn)狀和不足的基礎(chǔ)上，開(kāi)展了氣象衛(wèi)星基于智能識(shí)別處理的智慧觀測(cè)技術(shù)的研究。

1 氣象衛(wèi)星特點(diǎn)與任務(wù)規(guī)劃需求

氣象衛(wèi)星分為極軌和靜止軌道兩個(gè)運(yùn)行軌道，主要應(yīng)用于天氣預(yù)報(bào)，災(zāi)害預(yù)警和氣候監(jiān)測(cè)，是目前應(yīng)用效益最好的業(yè)務(wù)衛(wèi)星之一。我國(guó)的氣象衛(wèi)星事業(yè)起步于20世紀(jì)70年代，“風(fēng)云”系列氣象衛(wèi)星歷經(jīng)了40年的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了兩代四型高低軌兩個(gè)系列共17顆衛(wèi)星的研制和發(fā)射，我國(guó)的氣象衛(wèi)星研制和應(yīng)用已經(jīng)達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平[3]。下一代氣象衛(wèi)星將朝著更智能、更高效、更及時(shí)、更精準(zhǔn)的目標(biāo)發(fā)展，而實(shí)現(xiàn)氣象衛(wèi)星智慧觀測(cè)的自主任務(wù)規(guī)劃技術(shù)是提升衛(wèi)星效率和效益的手段，其必要性和技術(shù)優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾方面。

(1)自主任務(wù)規(guī)劃是應(yīng)對(duì)氣象業(yè)務(wù)高時(shí)效性和災(zāi)害短臨預(yù)警需求的必要手段。氣象預(yù)報(bào)和災(zāi)害預(yù)警要求作為其數(shù)據(jù)支撐的衛(wèi)星資料數(shù)據(jù)必須及時(shí)，可以及時(shí)對(duì)重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行觀測(cè)，并能將數(shù)據(jù)及時(shí)的下傳。這種快速響應(yīng)，需要衛(wèi)星必須具備自主任務(wù)規(guī)劃的能力，減少地面計(jì)算區(qū)域、上注指令生成、審批發(fā)送、延時(shí)執(zhí)行等帶來(lái)的時(shí)間滯后。

(2)自主任務(wù)規(guī)劃是多載荷協(xié)同觀測(cè)，更好的發(fā)揮衛(wèi)星觀測(cè)效能的必要措施。氣象衛(wèi)星的有效載荷類(lèi)型越來(lái)越豐富，觀測(cè)手段和能力均大幅提升。但是，每個(gè)載荷觀測(cè)能力不是孤立存在和彼此無(wú)關(guān)的，而是需要多載荷數(shù)據(jù)協(xié)同觀測(cè)，實(shí)現(xiàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)獲取種類(lèi)和精度的提升，而不同載荷的協(xié)同觀測(cè)和統(tǒng)一調(diào)度，依靠地面人工實(shí)現(xiàn)容易增加環(huán)節(jié)和風(fēng)險(xiǎn)。

(3)自主任務(wù)規(guī)劃是適應(yīng)氣象衛(wèi)星綜合應(yīng)用需求，提供更多源更高質(zhì)量業(yè)務(wù)產(chǎn)品的必要途徑。當(dāng)今氣象衛(wèi)星探測(cè)的手段和數(shù)據(jù)越來(lái)越多源化，而數(shù)值天氣預(yù)報(bào)、氣象災(zāi)害防控等應(yīng)用需求也迫切需要更多數(shù)據(jù)源的綜合應(yīng)用和分析，而不再是過(guò)去單一數(shù)據(jù)、單一產(chǎn)品的應(yīng)用。數(shù)據(jù)和應(yīng)用的綜合化必然要求數(shù)據(jù)相關(guān)性和同源性，實(shí)現(xiàn)氣象衛(wèi)星自主任務(wù)規(guī)劃，可以將多個(gè)載荷觀測(cè)任務(wù)有機(jī)統(tǒng)一并靈活快速響應(yīng)，提升綜合應(yīng)用能力。

(4)自主任務(wù)規(guī)劃是實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星智慧觀測(cè)，降低應(yīng)用門(mén)檻提高用戶(hù)體驗(yàn)的必要方式。隨著航天和氣象遙感事業(yè)的蓬勃發(fā)展，衛(wèi)星數(shù)量和種類(lèi)越來(lái)越豐富，但同時(shí)也給地面應(yīng)用系統(tǒng)帶來(lái)衛(wèi)星運(yùn)行管理、工作模式設(shè)計(jì)等任務(wù)量不斷累加的負(fù)擔(dān)。發(fā)展自主任務(wù)規(guī)劃，可以解放用戶(hù)在衛(wèi)星常規(guī)運(yùn)行維護(hù)上的壓力，在應(yīng)急任務(wù)中提供更友好的用戶(hù)介入接口，提升用戶(hù)體驗(yàn)和應(yīng)用效果。

2 衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃現(xiàn)狀與不足

國(guó)外在衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃領(lǐng)域的研究持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，技術(shù)比較成熟，且相關(guān)技術(shù)已應(yīng)用到一些實(shí)際的航天任務(wù)中，如美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)人工智能研究組所開(kāi)發(fā)的規(guī)劃系統(tǒng)“調(diào)度和執(zhí)行程序框架”(Continuous Activity Scheduling Planning Execution and Replanning，CASPER)已成功應(yīng)用到對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星(EO-1)等任務(wù)中。國(guó)內(nèi)在任務(wù)規(guī)劃領(lǐng)域的研究也取得了一定的成果，其中，中國(guó)科學(xué)院和國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)的研究側(cè)重于衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃，哈爾濱工業(yè)大學(xué)研究的應(yīng)用平臺(tái)以深空探測(cè)器為主，但據(jù)目前的公開(kāi)資料顯示，這些研究成果還沒(méi)有在一些具體的任務(wù)上在軌實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)化應(yīng)用[4-7]。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外任務(wù)規(guī)劃研究主要不足體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

(1)多以低軌任務(wù)規(guī)劃為主，少見(jiàn)高軌任務(wù)規(guī)劃相關(guān)研究。衛(wèi)星的任務(wù)規(guī)劃都是以太陽(yáng)同步軌道衛(wèi)星為研究目標(biāo)，主要針對(duì)低軌衛(wèi)星測(cè)控和數(shù)據(jù)傳輸弧度非全天時(shí)可見(jiàn)的特點(diǎn)，進(jìn)行設(shè)計(jì)和規(guī)劃。對(duì)高軌衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃缺乏系統(tǒng)的需求分析、建模和算法研究、在軌應(yīng)用等內(nèi)容。

(2)多以地面規(guī)劃任務(wù)為主，較少在軌自主規(guī)劃。國(guó)內(nèi)外的衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃研究主要集中在地面站驅(qū)動(dòng)的工作任務(wù)設(shè)計(jì)，或者只針對(duì)非測(cè)控弧度的觀測(cè)任務(wù)設(shè)計(jì)，或者主要是使用地基數(shù)據(jù)源或應(yīng)用需求作為任務(wù)規(guī)劃的輸入，而較少涉及星上自主數(shù)據(jù)源和自主任務(wù)驅(qū)動(dòng)和智慧觀測(cè)。

(3)多集中研究模型算法和原理，較少在軌成功應(yīng)用案例。國(guó)內(nèi)的衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃研究主要集中在數(shù)學(xué)建模仿真和求解最優(yōu)解，更多的停留在理論和算法研究[8]，雖然也有應(yīng)用案例，但幾乎沒(méi)有在軌投入連續(xù)業(yè)務(wù)應(yīng)用，解決實(shí)際問(wèn)題提升衛(wèi)星應(yīng)用效能的典范。

(4)多針對(duì)常規(guī)觀測(cè)任務(wù)規(guī)劃，少針對(duì)突發(fā)事件快速響應(yīng)規(guī)劃。國(guó)內(nèi)外衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃更多的都是針對(duì)常規(guī)觀測(cè)任務(wù)，即相對(duì)固化的工作模式，而較少針對(duì)突發(fā)事件快速響應(yīng)的任務(wù)規(guī)劃設(shè)計(jì)[9]，對(duì)具體應(yīng)用需求的滿足度不夠。

(5)多單星任務(wù)規(guī)劃，少多星聯(lián)動(dòng)規(guī)劃，尤其是不同軌位聯(lián)合任務(wù)規(guī)劃[10-11]。國(guó)內(nèi)外衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃以單星自身觀測(cè)任務(wù)的規(guī)劃為主，較少針對(duì)多星聯(lián)合觀測(cè)的規(guī)劃和應(yīng)用，對(duì)衛(wèi)星體系的觀測(cè)效能提升不足。

3 風(fēng)云四號(hào)自主任務(wù)規(guī)劃需求與設(shè)想

3.1 自主任務(wù)規(guī)劃需求分析

風(fēng)云四號(hào)(FY-4)是我國(guó)第二代靜止軌道氣象衛(wèi)星的首發(fā)星，衛(wèi)星采用SAST5000三軸姿態(tài)穩(wěn)定平臺(tái)，相比于風(fēng)云二號(hào)(FY-2)系列自旋穩(wěn)定姿態(tài)控制方式，大幅提升了衛(wèi)星應(yīng)用效率。靜止軌道氣象衛(wèi)星主要特點(diǎn)是時(shí)間分辨率高，對(duì)關(guān)注區(qū)域可實(shí)現(xiàn)連續(xù)跟蹤觀測(cè)，因此在天氣預(yù)報(bào)尤其是短臨災(zāi)害性天氣監(jiān)測(cè)和應(yīng)急觀測(cè)中有著突出的作用；同時(shí)也對(duì)衛(wèi)星業(yè)務(wù)觀測(cè)連續(xù)性、穩(wěn)定性和觀測(cè)效率有著較高的要求。

(1)要求衛(wèi)星工作模式設(shè)計(jì)要合理，確保觀測(cè)數(shù)據(jù)有效。如成像輻射計(jì)要根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用需求，進(jìn)行全圓盤(pán)、中國(guó)區(qū)域和小區(qū)域模式觀測(cè)；同時(shí)還要進(jìn)行必要的定標(biāo)、定位觀測(cè)任務(wù)，確保數(shù)據(jù)的有效性和可用性。

(2)要求各觀測(cè)任務(wù)盡可能的無(wú)縫銜接，提升衛(wèi)星使用效率；要盡可能的讓衛(wèi)星的觀測(cè)任務(wù)連續(xù)，最大化的發(fā)揮衛(wèi)星應(yīng)用時(shí)間；各個(gè)任務(wù)之間時(shí)間縫隙接近于0。

(3)為了應(yīng)急觀測(cè)和臨時(shí)突發(fā)任務(wù)，要求衛(wèi)星具有更好的靈活性。氣象災(zāi)害具有時(shí)間突發(fā)性和地點(diǎn)隨機(jī)性，而災(zāi)害的提前預(yù)警和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，都對(duì)衛(wèi)星數(shù)據(jù)服務(wù)要求非常高。要求衛(wèi)星機(jī)動(dòng)靈活，工作任務(wù)可隨時(shí)應(yīng)急響應(yīng)，可隨時(shí)對(duì)某個(gè)特定區(qū)域進(jìn)行加密觀測(cè)。

(4)氣象衛(wèi)星的應(yīng)用具有綜合性的特點(diǎn)，既包括應(yīng)用領(lǐng)域的綜合，也包括數(shù)據(jù)源的綜合；同一衛(wèi)星不同觀測(cè)數(shù)據(jù)，甚至不同時(shí)刻、不同定點(diǎn)位置、不同軌道的衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)都需要綜合應(yīng)用，才能發(fā)揮更好的效能，其發(fā)揮的是1+1>2的應(yīng)用效果。

3.2 自主任務(wù)規(guī)劃技術(shù)路線與設(shè)想

3.2.1 星上強(qiáng)對(duì)流區(qū)智能識(shí)別觀測(cè)

1)需求分析

FY-4同時(shí)裝載了多通道掃描成像輻射計(jì)和閃電成像儀兩臺(tái)光學(xué)成像類(lèi)有效載荷。按照A星在軌運(yùn)行模式，輻射計(jì)以每15 min為一個(gè)周期，主要進(jìn)行全圓盤(pán)成像和中國(guó)區(qū)域成像，成像范圍相對(duì)固定，還根據(jù)地面需求增加小區(qū)域連續(xù)觀測(cè)任務(wù)。同時(shí)以15 min為周期進(jìn)行用于定位的恒星敏感任務(wù)和定標(biāo)任務(wù)。

多光譜成像獲得的云圖、水汽、亮溫等綜合定量遙感信息與閃電信息有機(jī)融合在強(qiáng)對(duì)流等短臨災(zāi)害性天氣預(yù)報(bào)中具有很高的綜合應(yīng)用價(jià)值。閃電往往是強(qiáng)對(duì)流發(fā)生的指示劑，星載閃電成像儀獲取的云頂閃電信息，一般提前于云-地間的閃電發(fā)生10～20 min，因此閃電監(jiān)測(cè)結(jié)果可以作為強(qiáng)對(duì)流發(fā)生區(qū)域的識(shí)別標(biāo)志，在輻射計(jì)的任務(wù)規(guī)劃中，特別是區(qū)域加密任務(wù)規(guī)劃中，可以將閃電發(fā)生密集區(qū)，作為區(qū)域觀測(cè)任務(wù)規(guī)劃的依據(jù)。

2)技術(shù)路線和實(shí)施方案

星上處理器根據(jù)閃電事件在軌實(shí)時(shí)檢測(cè)閃電事件(EVENT)數(shù)據(jù)，進(jìn)行虛警濾除、事件聚類(lèi)處理工作，根據(jù)多時(shí)間疊加處理結(jié)果，提供給輻射計(jì)強(qiáng)對(duì)流閃電發(fā)生區(qū)域，實(shí)現(xiàn)輻射計(jì)區(qū)域成像的自主任務(wù)規(guī)劃(見(jiàn)圖1)。具體步驟如下：

(1)數(shù)據(jù)緩存和解包，根據(jù)科學(xué)源包解出發(fā)生閃電強(qiáng)度和位置數(shù)據(jù)。

(2)虛警濾除算法，包括重復(fù)閃電事件合并、雜光虛假事件濾除、飽和溢出或信號(hào)暫留造成虛假事件濾除、擊穿軌跡濾除、太陽(yáng)反射噪聲濾除、散粒噪聲濾除、探測(cè)器噪聲和雜光虛警濾除等。

(3)閃電聚類(lèi)算法，利用多包信息進(jìn)行位置聚類(lèi)和時(shí)間聚類(lèi)分析，識(shí)別出強(qiáng)對(duì)流發(fā)生區(qū)域。

(4)經(jīng)篩選后，將閃電發(fā)生區(qū)域位置角度信息，作為下一周期輻射計(jì)區(qū)域觀測(cè)的選擇依據(jù)。

圖1 強(qiáng)對(duì)流區(qū)智能識(shí)別流程Fig.1 Intelligent identification processing of strong convection zone

3.2.2 無(wú)云區(qū)智能觀測(cè)

1)需求分析

大氣垂直探測(cè)儀主要進(jìn)行大氣溫濕度廓線探測(cè)，根據(jù)在軌應(yīng)用情況，其在有云區(qū)的探測(cè)數(shù)據(jù)沒(méi)有太大的應(yīng)用價(jià)值。中國(guó)氣象局地面應(yīng)用系統(tǒng)在進(jìn)行FY-4(01)星的任務(wù)規(guī)劃時(shí)，利用自主研發(fā)的全球/區(qū)域同化數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)(Global/Regional Assimilation PrEdiction System，GRAPES)預(yù)報(bào)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)云區(qū)識(shí)別，地面規(guī)劃并上注指令，使大氣垂直探測(cè)儀在軌進(jìn)行無(wú)云區(qū)的區(qū)域觀測(cè)任務(wù)。該類(lèi)嘗試可有效提升儀器應(yīng)用效率，發(fā)揮更高的應(yīng)用效能。

FY-4后續(xù)星將依據(jù)此思路，利用每15 min一幅的輻射計(jì)全圓盤(pán)觀測(cè)多光譜數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)星上云識(shí)別，并將識(shí)別結(jié)果提供數(shù)管作為探測(cè)儀任務(wù)規(guī)劃的依據(jù)。即可自主進(jìn)行探測(cè)儀區(qū)域探測(cè)任務(wù)規(guī)劃，提升效能。

2)技術(shù)路線和實(shí)施方案

星上處理器根據(jù)輻射計(jì)多光譜云圖數(shù)據(jù)，進(jìn)行云區(qū)的粗判，并將非云區(qū)結(jié)果提供給數(shù)管，作為探測(cè)儀區(qū)域探測(cè)的依據(jù)(見(jiàn)圖2)。具體步驟如下：

(1)觀測(cè)數(shù)據(jù)提取，提取出固定區(qū)域(全圓盤(pán)或中國(guó)區(qū))單通道或多通道圖像數(shù)據(jù)。

(2)根據(jù)單通道或多通道數(shù)據(jù)，進(jìn)行閾值分割，計(jì)算出云區(qū)和非云區(qū)。

(3)對(duì)非云區(qū)進(jìn)行聚類(lèi)和篩選，按照固定大小區(qū)域輸出。

(4)經(jīng)篩選后，將符合條件的非云區(qū)，作為下一觀測(cè)周期探測(cè)儀區(qū)域觀測(cè)的選擇依據(jù)。

圖2 無(wú)云區(qū)智能觀測(cè)流程Fig.2 Intelligent observation processing for clear zone

3.2.3 智能管理與規(guī)避觀測(cè)

1)需求分析

第二代地球靜止軌道氣象衛(wèi)星FY-4首次采用三軸姿態(tài)穩(wěn)定平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)地觀測(cè)；相比于自旋穩(wěn)定平臺(tái)，該平臺(tái)下對(duì)地成像存在午夜前后太陽(yáng)光直射視場(chǎng)造成成像干擾問(wèn)題，衛(wèi)星和載荷工作模式設(shè)計(jì)要考慮日蝕時(shí)刻(可能包含春秋分附近日期以及常規(guī)午夜時(shí)刻)太陽(yáng)規(guī)避策略。常規(guī)的太陽(yáng)規(guī)避策略可以通過(guò)地面的任務(wù)規(guī)劃來(lái)實(shí)現(xiàn)，但該方法的問(wèn)題主要是針對(duì)午夜太陽(yáng)入侵可能造成的損傷風(fēng)險(xiǎn)防范不足，萬(wàn)一地面參數(shù)臨時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤等，可能造成無(wú)法挽回的損失。另外，星上自主任務(wù)規(guī)劃后，也需要星上自主考慮太陽(yáng)規(guī)避的問(wèn)題。

2)技術(shù)路線和實(shí)施方案

(1)在軌任務(wù)規(guī)劃時(shí)的自主角度規(guī)避。在進(jìn)行光學(xué)遙感儀器掃描或指向角度的任務(wù)規(guī)劃時(shí)，需要對(duì)該角度范圍內(nèi)是否會(huì)引起太陽(yáng)入侵儀器現(xiàn)象進(jìn)行判斷。如果達(dá)到引起太陽(yáng)規(guī)避的條件，則需要對(duì)任務(wù)中的觀測(cè)角度進(jìn)行縮小范圍或指令任務(wù)拆分，如輻射計(jì)全圓盤(pán)成像時(shí)某些角度判斷應(yīng)進(jìn)行規(guī)避，則需要縮小該區(qū)域的掃描范圍。采用縮小范圍而不是取消該條指令的好處是可以最大限度的進(jìn)行有用區(qū)域的觀測(cè)，也避免儀器非必要的損傷。

(2)雙重在軌太陽(yáng)防護(hù)策略。除了任務(wù)規(guī)劃時(shí)的自主規(guī)避設(shè)計(jì)外，為了防止算法誤差、儀器執(zhí)行錯(cuò)誤等風(fēng)險(xiǎn)，還需要進(jìn)行雙重的在軌太陽(yáng)保護(hù)策略，防止意外發(fā)生。具體如下：①成像輻射計(jì)在軌成像期間，為保證儀器內(nèi)部光路、探測(cè)器等關(guān)鍵部位的使用安全，當(dāng)太陽(yáng)中心與儀器視軸夾角小于某個(gè)指定角度時(shí)進(jìn)行太陽(yáng)規(guī)避。判斷掃描鏡的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)角，當(dāng)轉(zhuǎn)角范圍滿足規(guī)避條件后，即停止當(dāng)前進(jìn)行的掃描成像，規(guī)避到固定安全位置；②太陽(yáng)入侵期間成像，根據(jù)儀器各波段的能量值，確定參考波段(可以為單一波段，也可為多波段)，當(dāng)參考波段的能量達(dá)到飽和時(shí)，認(rèn)為該時(shí)刻太陽(yáng)入射角為成像影響角度。角度的確定可以通過(guò)使用二維掃描鏡做小區(qū)域掃描逐漸逼近太陽(yáng)的方式確定(見(jiàn)圖3)。

圖3 智能管理與規(guī)避觀測(cè)流程Fig.3 Processing of intelligent management and sun-avoid observation

3.2.4 智能識(shí)星定位

1)需求分析

有效載荷除了正常的對(duì)地成像任務(wù)和定標(biāo)任務(wù)外，為了實(shí)現(xiàn)高精度定位，解算載荷光軸指向與姿態(tài)基準(zhǔn)的關(guān)系，推算熱變形參數(shù)等，還需要進(jìn)行載荷恒星敏感任務(wù)的規(guī)劃。地面規(guī)劃主要依據(jù)衛(wèi)星姿態(tài)和軌道以及已知的星圖信息，進(jìn)行恒星預(yù)報(bào)并上注位置信息，實(shí)現(xiàn)載荷任務(wù)規(guī)劃。而用于恒星預(yù)報(bào)的各類(lèi)信息，包括軌道、姿態(tài)等，均從星上獲取，只需輔助已知的星圖信息，即可實(shí)現(xiàn)自主恒星預(yù)報(bào)和任務(wù)規(guī)劃。通過(guò)自主恒星敏感任務(wù)規(guī)劃，可以減少地面指令上注量，縮短星圖預(yù)報(bào)周期，提高用戶(hù)使用體驗(yàn)。

2)技術(shù)路線和實(shí)施方案

星上計(jì)算機(jī)根據(jù)當(dāng)前實(shí)測(cè)的軌道、姿態(tài)信息，結(jié)合已知星圖信息，綜合計(jì)算預(yù)報(bào)六等星以上星點(diǎn)位置，并將該位置作為下一時(shí)刻輻射計(jì)、探測(cè)儀恒星敏感任務(wù)規(guī)劃的指向角度(見(jiàn)圖4)。具體步驟如下：

(1)計(jì)算機(jī)根據(jù)軌道根數(shù)、姿控信息包中的姿態(tài)信息，搜尋并預(yù)報(bào)一定時(shí)間范圍內(nèi)(15 min)衛(wèi)星視場(chǎng)范圍內(nèi)的六等星以上的恒星信息。

(2)根據(jù)搜尋和計(jì)算結(jié)果輸出可用于下一周期恒星敏感任務(wù)的角度。

(3)根據(jù)星等級(jí)別、太陽(yáng)規(guī)避判斷等進(jìn)行篩選和排序，輸出最優(yōu)的3顆星作為觀測(cè)目標(biāo)。

(4)將符合條件的恒星，作為下一觀測(cè)周期輻射計(jì)、探測(cè)儀恒星敏感任務(wù)的選擇依據(jù)。

圖4 智能識(shí)星定位流程Fig.4 Processing of intelligent star positioning

4 結(jié)束語(yǔ)

為了更好地發(fā)揮氣象衛(wèi)星在軌應(yīng)用效能，提升對(duì)災(zāi)害性天氣監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)和預(yù)警能力，后續(xù)氣象衛(wèi)星需實(shí)現(xiàn)自主任務(wù)規(guī)劃的智慧觀測(cè)，即要求實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)觀測(cè)和數(shù)據(jù)及時(shí)的下傳。衛(wèi)星具備智慧觀測(cè)的能力后，將大幅減少地面區(qū)域計(jì)算、上注指令生成、審批發(fā)送、延時(shí)執(zhí)行等帶來(lái)的時(shí)間滯后，提升衛(wèi)星效率和效益。本文結(jié)合數(shù)值天氣預(yù)報(bào)和短臨天氣預(yù)報(bào)等業(yè)務(wù)服務(wù)需求，提出了包括強(qiáng)對(duì)流區(qū)智能識(shí)別、無(wú)云區(qū)智能觀測(cè)、智能識(shí)星定位、智能管理與規(guī)避防護(hù)等智慧觀測(cè)技術(shù)的設(shè)想和技術(shù)途徑。通過(guò)氣象衛(wèi)星智慧觀測(cè)可有效提升衛(wèi)星應(yīng)用效能，更好地發(fā)揮氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)服務(wù)能力和質(zhì)量。開(kāi)展氣象衛(wèi)星智慧觀測(cè)需求和智能決策與任務(wù)規(guī)劃技術(shù)研究，強(qiáng)化在軌衛(wèi)星不依賴(lài)于地面運(yùn)控干預(yù)即可實(shí)現(xiàn)任務(wù)閉合的能力，逐步實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星系統(tǒng)在軌智慧響應(yīng)、自主運(yùn)行、自主觀測(cè)，具有較高應(yīng)用價(jià)值。