CN116054925A - 基于北斗卫星星座的遥感卫星服务数据结构构建方法 - Google Patents

基于北斗卫星星座的遥感卫星服务数据结构构建方法 Download PDF

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CN116054925A CN202310330582.9A CN202310330582A CN116054925A CN 116054925 A CN116054925 A CN 116054925A CN 202310330582 A CN202310330582 A CN 202310330582A CN 116054925 A CN116054925 A CN 116054925A
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Abstract

本申请公开了基于北斗卫星星座的遥感卫星服务数据结构构建方法，所述方法采用稀疏测控条件下的全球化服务模式设计、融合BDS星链传输的业务卫星通信模块设计和指令及关键信息综合编码。具有以下优点：利用BDS全球化服务优势实现遥感业务卫星全球测控和服务的全球化服务模式；设计业务卫星星链传输模块，实现与BDS的星间交互，利用BDS和业务星星间、BDS‑地面、业务星‑地面间的交互能力实现业务指令上注和关键综合信息的下传，实现在轨处理的全球化、分钟级服务。

Description

基于北斗卫星星座的遥感卫星服务数据结构构建方法
技术领域
本发明涉及在轨卫星全球化测控及全球信息实时发布领域，特别是针对地面测控站布局区域化分布，未能形成全球测控的在轨遥感卫星全球实时应用服务。
背景技术
随着高时效响应对地观测需求的不断增强，在轨处理成为对地遥感观测的必然趋势；高时效对地观测受在轨处理速度和数据分发时效两个方面的影响，其中数据分发是保障高时效服务的最后关键环节。
现阶段，国内商业遥感卫星地面测控多基于国内的地面测控站和少数的境外测控站，业务卫星服务采用提前一天上注指令方式进行卫星测控，面对日趋频发的火灾、地震等全球自然灾害监测需求，针对境外观测需求存在较大的测控盲区，无法保障在轨商业卫星第一时间响应及在轨实时处理数据产品的第一时间全球范围发布，极大地降低了在轨处理的服务质量。
遥感卫星在轨处理的响应时效性不仅受限于星上有限资源条件下的在轨计算能力，也受指令和数据发布能力的影响；本发明针对在轨处理高时效响应设计初衷和国内商业对地观测遥感卫星地面测控不足的特点，提出了融合北斗卫星导航***（BDS）的全球中继测控服务体系，实现业务星与BDS的全时空要素交互，达到业务指令与数据产品的实时上传下达，提高卫星星座区域测控条件下的全球服务能力。
发明内容
本发明针对商业遥感卫星星座地面测控布局区域化分布的特点和在轨智能处理全球化服务的建设要求，提出了利用BDS全球化服务优势实现遥感业务卫星全球测控和服务的全球化服务模式；设计业务卫星星链传输模块，实现与BDS的星间交互，利用BDS和业务星星间、BDS-地面、业务星-地面间的交互能力实现业务指令上注和关键综合信息的下传，实现在轨处理的全球化、分钟级服务。
为解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案：
基于北斗卫星星座的遥感卫星服务数据结构构建方法，所述方法采用稀疏测控条件下的全球化服务模式设计、融合BDS星链传输的业务卫星通信模块设计和指令及关键信息综合编码。
进一步的，所述方法包括以下步骤：
步骤1：星座任务规划，实现任务目标的观测指令生成，包括卫星资源匹配、观测时间窗口计算、卫星业务指令生成三个步骤；
步骤2：上注指令设计因北斗第三代全球短报文单次通信服务最大支持560bit，需要对上注指令进行设计，保障发送设计需求；
步骤3：关键信息设计是将在轨处理结果进行高精简提取和表达，满足全球化服务的设计要求；
步骤4： 全球化服务模式采用地面站和北斗通信双模服务模式，其中，为满足北斗通信需求，遥感卫星搭载星间通信模块和北斗终端模块实现信息流的传输；
步骤5：遥感卫星在地面站测控范围内，卫星成像指令和关键信息通过地面站进行上注和下传，可保障上行指令和完整数据及关键信息的传输要求；同时，关键信息也可通过北斗短报文进行终端发送，实现信息快速发布；
步骤6：地面站测控范围外，卫星成像指令和关键信息基于第三代北斗短报文通信服务进行上注和下行传输。
进一步的，所述步骤1包括步骤1.1，卫星资源匹配：
根据任务目标要求，进行任务卫星资源筛选匹配，采用分层次的筛选匹配方法进行任务执行资源匹配；
步骤1.1.1，基于任务目标传感器类型要求进行卫星筛选；
步骤1.1.2，基于任务目标分辨率要求进行卫星筛选。
进一步的，所述步骤1还包括步骤1.2，计算任务目标的观测时间窗口：
引接卫星轨道数据和云量信息，利用卫星和任务目标的可见关系，获取任务目标的观测时间窗口集合，每个观测时间窗口如下：
；
其中，Sat为卫星名称，为观测开始时间，为观测结束时间，为观测侧摆角，为观测时刻太阳高度角，为观测时刻云量；
对观测时间窗口集合去除不符合约束条件的观测时间窗口，约束条件如下：
侧摆约束：卫星具有一定的侧摆能力，即卫星最大侧摆角，同时任务为目标需求有时会指定最大侧摆角要求，观测侧摆角需要同时小于卫星侧摆能力以及任务目标侧摆角要求，即：
；
太阳高度角约束：对于光学卫星需要求太阳高度角达到一定角度如20°，才能有效进行光学观测，观测时刻太阳高度角需要大于成像要求最小太阳高度角，即
；
云量约束：对于光学卫星来说，无法穿过云雾等进行目标观测，会指定云量约束以提高观测有效率，观测时刻云量小于成像指定要求的最大云量，即
。
进一步的，所述步骤1还包括步骤1.3，指令生成：
将观测时间窗口集合按观测开始时刻升序排列，选择观测开始时刻最早的时间窗口作为执行窗口，完成执行卫星匹配并生成成像指令。
进一步的，所述步骤2中上注指令如下：
上注指令=版本号+卫星识别码+指令类型+开始成像时间+任务时长+成像位置经度+成像位置纬度+侧摆角+增益设置+积分级数设置+CRC校验；
版本号：包括指令版本标记、内部命令标签、明密状态等指令版本管理信息，设计为1字节；
卫星识别码：用以区分不同的执行卫星，设计为2字节；
指令类型：说明指令应用类型，设计为1字节；
开始成像时间：成像任务开始时间，设计为4字节；
任务时长：成像持续时间，为整数秒，设计为2字节；
成像位置经度：成像指向目标点位置经度，设计为4字节，保留小数点后四位有效数字；首字节最高位为1表示东经，为0表示西经；
成像位置纬度：成像指向目标点位置纬度，设计为4字节；首字节最高位为1表示北纬，为0表示南纬；
侧摆角：成像侧摆角设置，设计为4字节；首字节最高位为1表示左侧摆，为0表示右侧摆；
增益设置：设置成像增益，设计为2字节；
积分级数设置：设置卫星成像的积分级数参数，由4个积分级数组成，设计为4*4=16字节；
CRC校验：校验码，设计为2字节。
进一步的，所述步骤3中关键信息设计如下：
关键信息=目标位置经度+目标位置纬度+成像时间+像素面积+目标属性信息；
目标位置经度：在轨处理识别目标经度，设计为4字节，保留小数点后四位有效数字；首字节最高位为1表示东经，为0表示西经；
目标位置纬度：在轨处理识别目标纬度，设计为4字节，保留小数点后四位有效数字；首字节最高位为1表示北纬，为0表示南纬；
成像时间：成像时间采用UTC时间，用XXXX年XX月XX日XX时XX分XX秒表示，每一个独立数字X用4bit表示,设计为7个字节；
像素面积：像素面积采用传感器空间分辨率的平方表示，设计为1个字节；
目标属性信息：属性信息主要包含在轨处理识别目标的类别、面积和属性信息；其中，目标类别根据在轨智能处理模型定义数字查找表，类型设计为1个字节,支持255中类型；目标面积采用像素统计面积，设计为3个字节，满足千万级数据输出；目标属性信息可根据实际需求进行调整，保留45个字节的冗余设计。
进一步的，所述步骤6包括步骤6.1，上行指令通信，上行指令通信流程如下：
步骤6.1.1，依据步骤1和步骤2，根据任务需求进行任务规划，生成卫星测控指令，利用北斗指挥机将指令发送至北斗卫星；
步骤6.1.2，北斗卫星利用星座链路通信，根据业务卫星代号完成目标卫星追踪，进行指令中继发送；
步骤6.1.3，业务遥感卫星控制集成的北斗终端接收中继指令，并利用指令解析模块完成指令解码，指导业务卫星任务执行。
进一步的，所述步骤6还包括步骤6.2，关键信息通信，关键信息通信流程如下：
步骤6.2.1，业务卫星完成数据拍摄和在轨实时处理，完成关键信息提取，根据步骤3完成信息表达；
步骤6.2.2，业务遥感卫星控制集成的北斗终端将关键信息短报文信息向北斗卫星发送；
步骤6.2.3，基于北斗星座进行信息的全球发布。
本发明采用以上技术方案，与现有技术相比，具有如下技术效果：
提出了利用BDS全球化服务优势实现遥感业务卫星全球测控和服务的全球化服务模式；设计业务卫星星链传输模块，实现与BDS的星间交互，利用BDS和业务星星间、BDS-地面、业务星-地面间的交互能力实现业务指令上注和关键综合信息的下传，实现在轨处理的全球化、分钟级服务。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1基于BDS的全球服务示意图；
图2 稀疏测控全球化服务流程图。
具体实施方式
实施例1，如图1所示，基于北斗卫星星座的遥感卫星服务数据结构构建方法，采用稀疏测控条件下的全球化服务模式设计、融合BDS星链传输的业务卫星通信模块设计和指令及关键信息综合编码，以下将结合附图1和2进行详细描述。
稀疏测控条件下的全球化服务模式设计从地面测控站区域分布的现实出发，考虑BDS全球范围全天候、全天时的组网服务特点和短报文通信能力，结合业务卫星500km轨道布局的特点，以BDS作为太空中继,利用BDS的全球覆盖服务能力，弥补因地面测控站不足出现的测控盲区，实现业务卫星在全球任意轨道面指令与信息的上传下达。
所述方法包括以下步骤：
步骤1：星座任务规划，实现任务目标的观测指令生成，包括卫星资源匹配、观测时间窗口计算、卫星业务指令生成三个步骤；
步骤1.1，卫星资源匹配
根据任务目标要求（传感器类型、分辨率等），进行任务卫星资源筛选匹配，采用分层次的筛选匹配方法进行任务执行资源匹配；
步骤1.1.1，基于任务目标传感器类型要求进行卫星筛选；
步骤1.1.2，基于任务目标分辨率要求进行卫星筛选。
步骤1.2，计算任务目标的观测时间窗口
引接卫星轨道数据和云量信息，利用卫星和任务目标的可见关系，获取任务目标的观测时间窗口集合，每个观测时间窗口如下：
；
其中，Sat为卫星名称，为观测开始时间，为观测结束时间，为观测侧摆角，为观测时刻太阳高度角，为观测时刻云量。
对观测时间窗口集合去除不符合约束条件的观测时间窗口，约束条件如下：
侧摆约束：一般来说，卫星具有一定的侧摆能力，即卫星最大侧摆角，同时任务为目标需求有时会指定最大侧摆角要求。观测侧摆角需要同时小于卫星侧摆能力以及任务目标侧摆角要求，即：
。
太阳高度角约束：对于光学卫星来说，一般要求太阳高度角达到一定角度如20°，才能有效进行光学观测，观测时刻太阳高度角需要大于成像要求最小太阳高度角，即
；
云量约束：对于光学卫星来说，无法穿过云雾等进行目标观测，一般会指定云量约束以提高观测有效率。观测时刻云量小于成像指定要求的最大云量，即
。
步骤1.3，指令生成
将观测时间窗口集合按观测开始时刻升序排列，选择观测开始时刻最早的时间窗口作为执行窗口，完成执行卫星匹配并生成成像指令。
步骤2：上注指令设计因北斗第三代全球短报文单次通信服务最大支持560bit，需要对上注指令进行设计，保障发送设计需求；
上注指令=版本号+卫星识别码+指令类型+开始成像时间+任务时长+成像位置经度+成像位置纬度+侧摆角+增益设置+积分级数设置+CRC校验。
（1）版本号：包括指令版本标记、内部命令标签、明密状态等指令版本管理信息，设计为1字节；
（2）卫星识别码：用以区分不同的执行卫星，设计为2字节；
（3）指令类型：说明指令应用类型，如业务指令，设计为1字节；
（4）开始成像时间：成像任务开始时间，设计为4字节；
（5）任务时长：成像持续时间，一般为整数秒，设计为2字节；
（6）成像位置经度：成像指向目标点位置经度，设计为4字节，保留小数点后四位有效数字；首字节最高位为1表示东经，为0表示西经；
（7）成像位置纬度：成像指向目标点位置纬度，设计为4字节；首字节最高位为1表示北纬，为0表示南纬；
（8）侧摆角：成像侧摆角设置，设计为4字节；首字节最高位为1表示左侧摆，为0表示右侧摆；
（9）增益设置：设置成像增益，设计为2字节；
（10）积分级数设置：设置卫星成像的积分级数参数，一般由4个积分级数组成，设计为4*4=16字节；
（11）CRC校验：校验码，设计为2字节；
以上共计42个字节，完全满足北斗短报文全球化服务设计要求。
以在轨业务卫星仿真模拟，结果如表1所示；
 表1 上注指令数据结构仿真表
卫星拍摄任务在全球范围内的实时发布是保证在轨处理实时性的重要前提；采用本发明上注指令数据结构构建方法生成的业务指令不仅能满足业务卫星在轨任务的精准执行，还能满足BDS全球化服务的短报文通信能力，为地面站稀疏分布状态下卫星星座的全球化任务实时发布提供可能，实现卫星星座在轨实时服务的全球化服务能力。
步骤3：关键信息设计是将在轨处理结果进行高精简提取和表达，满足全球化服务的设计要求，信息设计如下：
关键信息=目标位置经度+目标位置纬度+成像时间+像素面积+目标属性信息；
（1）目标位置经度：在轨处理识别目标经度，设计为4字节，保留小数点后四位有效数字；首字节最高位为1表示东经，为0表示西经；
（2）目标位置纬度：在轨处理识别目标纬度，设计为4字节，保留小数点后四位有效数字；首字节最高位为1表示东经，为0表示西经；
（3）成像时间：成像时间采用UTC时间，用XXXX年XX月XX日XX时XX分XX秒表示，每一个独立数字X用4bit表示,设计为7个字节；
（4）像素面积：像素面积采用传感器空间分辨率的平方表示，设计为1个字节；
（5）目标属性信息：属性信息主要包含在轨处理识别目标的类别，面积等；其中，目标类别根据在轨智能处理模型定义数字查找表，类型设计为1个字节,支持255中类型；目标面积采用像素统计面积，设计为3个字节，满足千万级数据输出；目标属性信息可根据实际需求进行调整，保留45个字节的冗余设计；
以上共计20个字节，完全满足北斗短报文全球化服务设计要求。
以舰船识别为例，仿真结果如表2所示；
表2 关键信息数据结构仿真表
采用本发明构建的数据结构进行关键信息综合，既能清晰表述在轨处理提取到的关键信息，又能满足BDS全球化短报文发布的字节长度要求，打通了在轨处理数据流全球实时发布的最后一道障碍。
步骤4： 全球化服务模式采用地面站和北斗通信双模服务模式；其中，为满足北斗通信需求，遥感卫星搭载星间通信模块和北斗终端模块实现信息流的传输；
步骤5：遥感卫星在地面站测控范围内，卫星成像指令和关键信息通过地面站进行上注和下传，可保障上行指令和完整数据及关键信息的传输要求；同时，关键信息也可通过北斗短报文进行终端发送，实现信息快速发布；
步骤6：地面站测控范围外，卫星成像指令和关键信息基于第三代北斗短报文通信服务进行上注和下行传输。
步骤6.1，上行指令通信流程如下：
步骤6.1.1，依据步骤1和步骤2，根据任务需求进行任务规划，生成卫星测控指令，利用北斗指挥机将指令发送至北斗卫星；
步骤6.1.2，北斗卫星利用星座链路通信，根据业务卫星代号完成目标卫星追踪，进行指令中继发送；
步骤6.1.3，业务遥感卫星控制集成的北斗终端接收中继指令，并利用指令解析模块完成指令解码，指导业务卫星任务执行；
步骤6.2，关键信息通信流程如下：
步骤6.2.1，业务卫星完成数据拍摄和在轨实时处理，完成关键信息提取，根据步骤3完成信息表达；
步骤6.2.2，业务遥感卫星控制集成的北斗终端将关键信息短报文信息向北斗卫星发送；
步骤6.2.3，基于北斗星座进行信息的全球发布。
本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好的说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (9)

1.基于北斗卫星星座的遥感卫星服务数据结构构建方法，其特征在于：所述方法采用稀疏测控条件下的全球化服务模式设计、融合BDS星链传输的业务卫星通信模块设计和指令及关键信息综合编码。
2.如权利要求1所述的基于北斗卫星星座的遥感卫星服务数据结构构建方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
步骤1：星座任务规划，实现任务目标的观测指令生成，包括卫星资源匹配、观测时间窗口计算、卫星业务指令生成三个步骤；
步骤2：上注指令设计因北斗第三代全球短报文单次通信服务最大支持560bit，需要对上注指令进行设计，保障发送设计需求；
步骤3：关键信息设计是将在轨处理结果进行高精简提取和表达，满足全球化服务的设计要求；
步骤4： 全球化服务模式采用地面站和北斗通信双模服务模式，其中，为满足北斗通信需求，遥感卫星搭载星间通信模块和北斗终端模块实现信息流的传输；
步骤5：遥感卫星在地面站测控范围内，卫星成像指令和关键信息通过地面站进行上注和下传，可保障上行指令和完整数据及关键信息的传输要求；同时，关键信息也可通过北斗短报文进行终端发送，实现信息快速发布；
步骤6：地面站测控范围外，卫星成像指令和关键信息基于第三代北斗短报文通信服务进行上注和下行传输。
3.如权利要求2所述的基于北斗卫星星座的遥感卫星服务数据结构构建方法，其特征在于：所述步骤1包括步骤1.1，卫星资源匹配：
根据任务目标要求，进行任务卫星资源筛选匹配，采用分层次的筛选匹配方法进行任务执行资源匹配；
步骤1.1.1，基于任务目标传感器类型要求进行卫星筛选；
步骤1.1.2，基于任务目标分辨率要求进行卫星筛选。
4.如权利要求2所述的基于北斗卫星星座的遥感卫星服务数据结构构建方法，其特征在于：所述步骤1还包括步骤1.2，计算任务目标的观测时间窗口：
引接卫星轨道数据和云量信息，利用卫星和任务目标的可见关系，获取任务目标的观测时间窗口集合，每个观测时间窗口如下：
；
其中，Sat为卫星名称，为观测开始时间，为观测结束时间，为观测侧摆角，为观测时刻太阳高度角，为观测时刻云量；
对观测时间窗口集合去除不符合约束条件的观测时间窗口，约束条件如下：
侧摆约束：卫星具有一定的侧摆能力，即卫星最大侧摆角，同时任务为目标需求有时会指定最大侧摆角要求，观测侧摆角需要同时小于卫星侧摆能力以及任务目标侧摆角要求，即：
；
太阳高度角约束：对于光学卫星需要求太阳高度角达到一定角度如20°，才能有效进行光学观测，观测时刻太阳高度角需要大于成像要求最小太阳高度角，即
；
云量约束：对于光学卫星来说，无法穿过云雾等进行目标观测，会指定云量约束以提高观测有效率，观测时刻云量小于成像指定要求的最大云量，即
。
5.如权利要求2所述的基于北斗卫星星座的遥感卫星服务数据结构构建方法，其特征在于：所述步骤1还包括步骤1.3，指令生成：
将观测时间窗口集合按观测开始时刻升序排列，选择观测开始时刻最早的时间窗口作为执行窗口，完成执行卫星匹配并生成成像指令。
6.如权利要求2所述的基于北斗卫星星座的遥感卫星服务数据结构构建方法，其特征在于：所述步骤2中上注指令如下：
上注指令=版本号+卫星识别码+指令类型+开始成像时间+任务时长+成像位置经度+成像位置纬度+侧摆角+增益设置+积分级数设置+CRC校验；
版本号：包括指令版本标记、内部命令标签、明密状态等指令版本管理信息，设计为1字节；
卫星识别码：用以区分不同的执行卫星，设计为2字节；
指令类型：说明指令应用类型，设计为1字节；
开始成像时间：成像任务开始时间，设计为4字节；
任务时长：成像持续时间，为整数秒，设计为2字节；
成像位置经度：成像指向目标点位置经度，设计为4字节，保留小数点后四位有效数字；首字节最高位为1表示东经，为0表示西经；
成像位置纬度：成像指向目标点位置纬度，设计为4字节；首字节最高位为1表示北纬，为0表示南纬；
侧摆角：成像侧摆角设置，设计为4字节；首字节最高位为1表示左侧摆，为0表示右侧摆；
增益设置：设置成像增益，设计为2字节；
积分级数设置：设置卫星成像的积分级数参数，由4个积分级数组成，设计为4*4=16字节；
CRC校验：校验码，设计为2字节。
7.如权利要求2所述的基于北斗卫星星座的遥感卫星服务数据结构构建方法，其特征在于：所述步骤3中关键信息设计如下：
关键信息=目标位置经度+目标位置纬度+成像时间+像素面积+目标属性信息；
目标位置经度：在轨处理识别目标经度，设计为4字节，保留小数点后四位有效数字；首字节最高位为1表示东经，为0表示西经；
目标位置纬度：在轨处理识别目标纬度，设计为4字节，保留小数点后四位有效数字；首字节最高位为1表示北纬，为0表示南纬；
成像时间：成像时间采用UTC时间，用XXXX年XX月XX日XX时XX分XX秒表示，每一个独立数字X用4bit表示,设计为7个字节；
像素面积：像素面积采用传感器空间分辨率的平方表示，设计为1个字节；
目标属性信息：属性信息主要包含在轨处理识别目标的类别、面积和属性信息；其中，目标类别根据在轨智能处理模型定义数字查找表，类型设计为1个字节,支持255中类型；目标面积采用像素统计面积，设计为3个字节，满足千万级数据输出；目标属性信息可根据实际需求进行调整，保留45个字节的冗余设计。
8.如权利要求2所述的基于北斗卫星星座的遥感卫星服务数据结构构建方法，其特征在于：所述步骤6包括步骤6.1，上行指令通信，上行指令通信流程如下：
步骤6.1.1，依据步骤1和步骤2，根据任务需求进行任务规划，生成卫星测控指令，利用北斗指挥机将指令发送至北斗卫星；
步骤6.1.2，北斗卫星利用星座链路通信，根据业务卫星代号完成目标卫星追踪，进行指令中继发送；
步骤6.1.3，业务遥感卫星控制集成的北斗终端接收中继指令，并利用指令解析模块完成指令解码，指导业务卫星任务执行。
9.如权利要求2所述的基于北斗卫星星座的遥感卫星服务数据结构构建方法，其特征在于：所述步骤6还包括步骤6.2，关键信息通信，关键信息通信流程如下：
步骤6.2.1，业务卫星完成数据拍摄和在轨实时处理，完成关键信息提取，根据步骤3完成信息表达；
步骤6.2.2，业务遥感卫星控制集成的北斗终端将关键信息短报文信息向北斗卫星发送；
步骤6.2.3，基于北斗星座进行信息的全球发布。
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