海洋卫星北极多区域遥感成像任务规划及应用评估

孙从容 刁宁辉 韩静雨 刘金普 刘建强

(1 国家卫星海洋应用中心,北京 100081;2 自然资源部空间海洋遥感与应用重点实验室,北京100081)

0 引言

随着全球气候变暖,北冰洋海冰分布范围呈减少趋势,商船在北极区域的年通行时间变长。但由于北极地区气象变化剧烈,海冰分布面积广,且沿岸冰的产生和消融存在年际差异,对北极船舶航行安全产生重要影响[1-4]。卫星遥感能够对北极航线上的海冰进行监测,保障各类船舶的安全通行[1-2]。北极是极轨卫星过境频次很高的区域,每天14 轨,如何遴选卫星载荷对极区的观测圈次合理安排探测时间和优化流程,以及提升卫星应用效能和服务水平,是极地遥感观测中亟待解决的系统性技术问题。现有的卫星成像规划算法侧重于多星任务规划和统筹[5-6],或者侧重于应急敏捷卫星任务规划[7],尚没有针对卫星载荷设计极地每天多次过境多个关注区域覆盖效率最优等专用需求的成像规划算法。

本文针对北极地区近实时遥感观测,以北极航线经过的几个重点海域,即靠近欧亚大陆和美洲大陆的岛屿密集区域为例,结合卫星轨道预测技术和卫星载荷特点,提出了一种多目标快速匹配的卫星探测任务规划算法。该任务规划算法采用简化的轨道预报模型和规划算法,自主设计独立编程,脱离商用软件的约束,并利用海洋一号C 卫星海岸带成像仪进行了系统仿真,验证了算法的有效性,可满足近实时观测的需求,改变了以往无差别接收任务规划的不合理局面,成果可应用于全球海洋遥感观测的业务化系统中,为我国海洋立体观测网提供技术支撑,并在北极航线保障领域开展遥感应用。

1 北极重点海域遥感观测任务规划算法

1.1 海洋一号卫星和载荷特点

海洋一号卫星(HY-1)是运行在太阳同步轨道的海洋水色卫星,目前在轨的HY-1CHY-1D卫星已经进入了业务化组网运行阶段,主要用于全球海洋水色水温海岸带和海洋灾害与环境监测,主要载荷有水色水温扫描仪海岸带成像仪(coastal zone imager,CZI)等(表1),在中国实时过境时连续开机,在北极等境外区域观测时需要安排合理载荷开关机时间。

表1 HY-1C/D 卫星及载荷特点Table 1.HY-1C/D satellite and payloads

1.2 北极航线重点监测海域分布情况

本文选择北极航线经过的几个重点海域(表2),即靠近欧亚大陆和美洲大陆的岛屿密集区域,予以关注。地图采用极坐标,区域2 跨越东西经180°,具体分布见图1。

表2 北极选择区域的地理范围Table 2.Selected areas at Arctic region

图1 北极选择区域分布图及一天的过境轨道Fig.1.All orbits passing Arctic region in one day and focus areas

1.3 CZI 在北极区域观测能力的分析

海洋一号C 卫星(HY-1C)在选择的5 个区域里,每天经过的轨道数为5～9 轨(表3),需要合理选择每个区域的过境轨道及载荷开关机时间,以达到观测覆盖最优。

表3 HY-1C 卫星在北极选择区域的过境轨道Table 3.HY-1C satellite passing orbits on the selected areas

1.4 CZI 北极任务规划需求

在北极所关注的区域内,每天过境轨道数量多,CZI 受到的约束包括:5 个区域内每天安排业务化观测连续开机不超过20 min规避在同一圈次对2 个以上重点区域进行探测规避在同一圈次对境内和北极进行探测多区域总探测范围最优国内站接收和国外站接收的选择跨日期变更线的区域2 的探测任务安排阳照区观测要求。

目前的任务规划一般是采用STK 等商用软件进行设计,针对性不强,业务化运行期间一般采取每个区域固定探测时长依次选择的策略,且现有任务规划算法主要针对中低纬度区域设计,对北极地区的适应性不足,例如未考虑跨日期变更线单一区域出现多次过境时如何选择轨道总成像区域最优化等特点。此外,频繁的人工操作易出错,为提高工作效率,合理安排探测,业务化运行的卫星一般采用专用软件,本文论述的算法,采用简化的轨道预报模型,针对北极探测任务规划进行设计,通过自主设计独立编程,自动实现北极多区域任务规划。

1.5 CZI 北极任务规划算法设计

任务规划算法首先通过卫星轨道根数,外推1 天或者若干天之后的卫星位置,并根据卫星载荷对地观测的几何关系,计算星下垂直扫描点和刈幅两侧扫描点的地理坐标,检查它们是否位于本文所述的北极关注区域;之后计算扫描点的太阳高度角国内和国外接收站所在的轨道,并考虑1.4 节所述的避让规则,确认该扫描点是否满足覆盖条件;最后统计不同轨道对重点关注区域的覆盖因子,比较后得到各个关注区域的优选轨道号和过境时间。

算法原理如下。

1.外推卫星轨道

利用卫星轨道根数,根据地球摄动理论修正生成精确的轨道根数,外推指定规划期间的卫星轨道。六个轨道根数是:轨道倾角i,升交点赤经Ω,轨道半长轴a,偏心率e,近地点幅角ω,卫星过近地点的时刻τ0。

由参考时刻t1的轨道根数求出任一其他时刻的惯性坐标位置的方法[3-4]:

其中,ω0为τ0时刻的近地点幅角,J2=0.00108264 为地球引力场二阶带谐调和项的系数,Re为地球的赤道半径,n为卫星的平均角速度。

其中,Ω0为τ0时刻的升交点赤经。

其中,ex为轨道偏心率,ex0为偏心率向量的x分量,ey0为偏心率向量的y分量,,T为轨道周期。

其中,r为卫星的位置矢量,为平均位置矢量,u为参考纬度。

其中,f为真近点角。

其中,xy和z为卫星坐标。

2.计算卫星星下点和刈幅两侧轨迹

根据CZI 扫描方式卫星和地球的球面几何关系(如图2所示),计算星下点和刈幅边缘扫描点的地理经纬度。在计算过程中,依次进行星体坐标系轨道坐标系地心惯性坐标系地固坐标系大地坐标系等多个坐标系的转换。逐点进行地理定位,计算出每个对应地面点的经纬度。

图2 CZI 探测几何示意图(左:平面几何;右:球面几何考虑地心和曲率)Fig.2.CZI detecting geometry(left:plane geometry;right:spherical geometry)

为卫星载荷的单位观测向量,p为载荷观测向量与星下点的夹角,星下点或者刈幅两侧轨迹点对应的位置矢量为,此刻卫星位置矢量为,用以下公式计算[5-6]。对北极地区的定位,根据选择区域特点,为了节省计算时间,设置为卫星在60°N 以上时每秒计算一次,卫星处于60°N 以下时每分钟计算一次。

即

其中,R对应卫星到星下点或者轨迹点的距离,d是卫星和扫描点的连线矢量,(dx,dy,dz)是卫星与扫描点连线的三个余弦分量。计算时,星下点对应的扫描角p=0,轨迹点对应的p=63°/2=31.5°。

由于扫描点位于地球表面,存在关系式:

其中,Ae为地球的长半轴,Be为地球短半轴。

求解方程可以得到地面扫描点在惯性坐标系中的坐标(Xr,Yr,Zr),经坐标转换得到地面扫描点在地心固连坐标系中的坐标(x,y,z)。经地固坐标系到直角大地坐标系的转换公式[7],可以得到地面扫描点的地理纬度:

地理经度:

其中:

3.轨道选择规则

对于每个区域,计算所有落在该区域轨道星下点和刈幅两侧轨迹,按照扫描轨迹进入和离开该区域的时间间隔t1和t2,比较扫描刈幅对该区域的覆盖情况。设置覆盖因子Fr作为覆盖率指标,对当天所有经过轨道进行计算后,按大小排序,并选择覆盖率最大的轨道。

Fr定义为扫描点位置(Lat,Lon)落在区域内:

注:在跨越东西经180°的区域,比较经度大小时需将-180°～180°转换为0°～360°范围。

经过比较,总覆盖因子的计算方式包括:计算星下点(FOV)轨迹上所有点的Fr;全部刈幅内的扫描点的Fr;用抽样方式取刈幅内的扫描点,计算这些扫描点的Fr。

总覆盖因子NF=多点Fr之和

其中第一种方式最简便,但只有星下点信息,不能真实反映刈幅对该区域覆盖率的差异。第二种方式最精确,但是如果逐点计算全部扫描点,当CZI 载荷分辨率为50 m 时,每行扫描点将超过2 万个点,由于每条轨道和每个区域都需进行计算,使得计算量过大,特别是当任务规划一次多天时,区域增大,数量增多,任务规划软件的计算量将呈几何级数增加,计算时间过长,效率较低。第三种方式在第二种方式上做了简化处理,计算量可控,便于实现,因此本文算法和软件实现时采用第三种方式,经过比较,选择每扫描行9 个点,逐行计算。

4.冲突和优先级

本文按照区域编号排列优先级,区域1 优先级最高区域5 最低,在遇到两个区域拟选择的轨道出现冲突时,优先级高的区域先选择轨道,并在该轨道打上标记,使其他区域选择时避开冲突轨道,按照第3 点中的规则选择总覆盖因子最大的轨道。

5.其他限定条件

在国内站和国外站的接收选择方面,国内站的境内直传国内回放优先,国外站次之,此外CZI 固定开机区域需要规避相同的轨道。在可见光载荷开机探测方面,需选择太阳光可照射的区域。由于北极区域冬季是极夜,而感兴趣区域大多位于北极圈内,因此需要计算太阳高度角,并在任务规划时选择阳照区。在针对跨日期变更线的区域方面,算法里考虑了东经和西经之间的转换和过渡。

2 任务规划算法的实现和评估

2.1 北极重点区域探测仿真及应用成效

2020年5月,随着北极地区进入夏季,太阳光照适合被动光学遥感观测,利用本文的北极区域多目标成像规划算法和软件,开展了探测任务规划。为提高载荷有效数据量,加入了CZI 最短开机时间限制(2 min)。算法利用ANSI C 语言编程,采用的HY-1C 轨道参数如下:

经过轨道外推扫描点轨迹计算总覆盖因子计算等步骤,软件输出探测时间表(表4) 关注区域的各条轨道覆盖因子(表5),并根据时间表安排了HY-1C 卫星CZI 探测。覆盖图利用ArcGIS软件绘制,所获投影后实际探测影像见图3,其中各观测区域为红色扇形区域,任务规划算法定制的各区域CZI 探测覆盖范围(刈幅)用条带表示,中间线条是星下点,两侧线条是刈幅两端,各覆盖范围验证了任务规划算法的正确性,且本算法可适用于跨越东西经180 度分界线的观测区域(如区域2)。延时数据14 分15 秒,符合回放要求。

表4 CZI 北极多区域探测时间Table 4.The CZI multi-area detecting schedule of the Arctic region

表5 关注区域的各条轨道覆盖因子Table 5.Coverage factor of each orbit on focus areas

图3 关注区域在一天中选择的HY-1C 卫星CZI 轨道Fig.3.Selected HY-1C CZI orbits on focus areas in one day

2.2 北极重点区域探测应用评估

根据北极多目标成像规划算法,2020年5月安排HY-1C CZI 在北极区域进行实际成像观测,验证了规划算法的正确性和有效性,经计算,相较于顺序选取轨道的方式,使用任务规划算法后,各区域的覆盖率提高了11%～38%,区域1～5 的覆盖率分别达到53%80%90%94%74%。由于区域1 的面积较大,受到载荷刈幅限制,因此单次最大覆盖率较其它区域略低。

通过任务规划,能够实现在一天内对多区域的观测,将业务化监测的覆盖范围最大化。在重点区域观测图像(图4)中可见加拿大北部群岛和兰开斯特海峡白令海-弗兰格尔岛新西伯利亚群岛北地群岛喀拉海和新地岛等多个近岸区域的海冰已经开始融化,海冰分布面积减少,五个区域均出现明显的冰间水道。

图4 北极各区域HY-1C CZI 观测结果。其中区域1 包括加拿大北部岛屿区域2 包括弗兰格尔岛区域3 包括新西伯利亚群岛区域4 包括北地群岛区域5 包括新地岛Fig.4.HY-1C CZI detecting image in Arctic focus areas.Region 1 includes northern islands of Canada,region 2 includes Wrangel Island,region 3 includes New Siberian Islands,region 4 includes Severnaya Zemlya,and region 5 includes Novaya Zemlya

3 结论

北极多区域成像任务规划算法,改变了以往无差别接收任务规划的不合理局面,可通过一台高分辨率遥感载荷每天探测北极地区多个关注区域,通过精细化特异化的载荷探测任务规划,实现对北极关注区域的最优覆盖,软件自主可控,有效发挥HY-1 系列卫星CZI 境外观测的效能,体现了星地联合一体化设计的应用成效,为我国在北极地区的业务化遥感监测奠定基础。在海洋卫星组网后,通过极地海洋科技创新,可为北极航线的商船航行提供更多更精准的卫星观测资料,为“冰上丝绸之路”服务。该算法可同样适用于南极及其他区域的观测任务规划,应用于1m C-SAR 卫星和即将发射的新一代海洋水色卫星等的南北极多区域观测任务规划,还可以推广到极地多星遥感业务化监测的任务规划。