适用于天基全球实时连续监视的星地双集群网络系统的制作方法

本发明涉及对地遥感成像系统，尤其涉及一种用于天基全球实时监视功能的网络系统，具体地说是一种适用于天基全球实时连续监视的星地双集群网络系统。

背景技术

近年来，随着卫星技术的进步和遥感应用需求的增加，未来高分遥感应用将与导航定位、移动互联网、物联网、智慧城市以及信息化战争深入融合，促使航天应用发挥更广泛的效能。未来高分辨率遥感卫星数据应用不仅需要高的分辨率，还要求是更及时、更高频次、更加有效的信息获取。为克服低轨高分辨率光学侦查卫星幅宽窄、目标重访周期较长等问题，目前的商业卫星市场上需要一种能够满足全球多点实时视频监视，具备高价值动目标跟踪的低成本卫星系统。现有类似解决方案包括：低轨小卫星网络系统、低轨高分辨率卫星、高轨高分辨率卫星、低轨快速响应卫星、无人机等。2016年6月15日，行星实验室搭载印度pslv运载火箭发射了88颗dove(鸽子)卫星。这些卫星大致均布在同一个太阳同步轨道面上，形成一个庞大的地球扫描仪。行星实验室计划布置共150颗卫星，在475公里高度形成对地球全覆盖的卫星网络，从而实现每天对扫描一次地球[1]。美国terrabella提出“小卫星、大数据”概念，计划发射24颗微卫星skysat，可进行视频成像，重访时间6～8小时。采取和劳拉空间系统公司合作研制的方式，由劳拉生产高分辨率的卫星。劳拉也因此建立了自己的小卫星产品线，可以向其他企业提供定制卫星服务[1]。中国四维商业遥感卫星公司将在2022年前后建成“16+4+4+x”商业遥感卫星，该系统包括16颗0.5米分辨率高分光学卫星、4颗高端光学卫星、4颗合成孔径雷达卫星和若干颗高光谱、视频小卫星组合的遥感卫星星座。16颗0.5米分辨率高分光学卫星中的首批4颗将在2017年中前完成建设并投入市场[2][3]。未来欧美静止轨道高分辨率光学成像系统可实现1～3米分辨率的区域持续监视。主要的技术途径包括大口径单体反射成像、空间分块可展开、光学合成孔径、薄膜衍射成像等技术[4]。可见现有的低轨卫星系统均不具备实时视频观测能力。而静止轨道高分辨率卫星技术不成熟，造价高昂，而且只能实现单点探测。

[1]石亚琼.逐鹿太空网络掘金卫星应用_卫星创业公司及其商业模式[j].卫星应用,2016(3).

[2]高景一号商业遥感卫星.百度百科,2017

[3]齐真.我国首批0.5米级商业高分辨率遥感卫星高景－1年底发射[j].国际太空,2016.12

[4]刘韬，周润松.国外地球静止轨道高分辨率光学成像系统发展综述[j].航天器工程，2017(4)

技术实现要素：

针对现有商业卫星市场上对全球多点实时视频定制观测的低成本卫星系统的需求，本发明提出了一种适用于天基全球实时连续监视的星地双集群网络系统，可对全球中低纬度多个地区进行无间断连续视频监视，并能根据用户需求进行目标跟踪；

本发明具体通过以下技术方案实现：

适用于天基全球实时连续监视的星地双集群网络系统，该星地双集群网络系统通过接力成像和星间链路实现持续监视，能够将遥感卫星“重访时间”缩短为秒级；包含小卫星集群和地面服务器集群，小卫星集群依靠接力成像实现对全球中低纬度多个地区的无间断连续视频监视；地面服务器集群是整个网络的计算处理核心，对小卫星集群进行全网在线实时远程控制，同时接收遥感数据，进行处理并实时分发到用户。

星地双集群网络系统中的卫星节点是网络的数据采集终端，单个卫星没有计算功能，地面服务器集群是整个网络的计算处理核心。小卫星集群采用星间链路的方式进行全网卫星节点在线数据交互：各卫星节点将相机、姿态、轨道、温度、能源、振动等工程参数信息通过星间链路传输至地面站测控范围内的卫星节点，再下传至地面服务器集群；地面服务器集群将各卫星节点的控制指令上注到地面站测控范围内的卫星节点，再通过星间链路发送给其他卫星，驱动相机、姿态控制、加热器等机构执行动作。

进一步地，所述小卫星集群包括四类卫星节点：(1)成像节点：执行对地遥感成像任务的卫星节点，包括正在成像的节点和准备接力的节点；(2)通讯节点：执行平台工程参数和遥感成像数据传输的卫星节点，包括星间通讯节点和星地通讯节点；(3)待机节点：准备执行成像或通讯任务的卫星节点；(4)离线节点：存在故障暂时不具备执行成像或通讯任务的节点。成像节点、通讯节点和待机节点均为在线节点。

优选的，小卫星集群中的小卫星运行在500～1500km的6～10个轨道面上，每个轨道面内均布15～25颗卫星，实现覆盖全球中低纬度80％以上地区连续视频成像。每颗卫星外形尺寸设计为500mm×500mm×1000mm左右，重量100kg左右；卫星装载分辨率1～3m的同轴反射光学成像系统，通过±0～45°的三维姿态机动进行执行成像和通讯任务。

通过批产卫星的方式降低卫星研制生产成本。初样星需要经过振动测试、电磁兼容性测试、热真空试验、整星测试等鉴定级测试，验证系统方案的合理性。定型后，正样批产卫星仅需要通过接口对接测试，验收级环境试验。

进一步地，所述的地面服务器集群包括：

卫星运控节点，用于实时接收全网卫星节点的状态参数遥测数据，对各卫星节点工作状态进行实时评估；根据各类卫星节点工作状态、空间环境和规划的任务路径发送卫星控制指令，使卫星在轨稳定运行，并执行成像和通信任务；进行节点级和网络级的故障诊断和系统重构；

任务调度节点，用于根据用户的观测需求和网络工作状态，在短时间内规划成像任务，对接力成像和数据传输路径进行规划寻优，并生成相应卫星参数的目标曲线；

图像处理节点，用于实时分析各成像节点传回的遥感数据，完成目标特性分析，图像畸变校正、图像定位配准、移动目标跟踪路径计算，并根据遥感图像实时计算成像节点卫星当前精确姿态等处理任务；

产品分发节点，用于根据图像处理结果生成产品，即刻通过互联网分发至用户，将信息获取的时间延迟降低至秒级；

虚拟卫星节点，用于仿真模拟全网卫星在轨运行情况，与其他地面服务器集群的节点对接，对小卫星集群的工作状态进行实时或超实时仿真模拟，用于状态监视、故障分析和控制方案验证。。

本发明由于重新根据工作特点配置了星地任务分工，可在大幅拓展系统效能和时效性的同时有效提升研制生产效率并降低成本。

本发明能够用于建设一种全球多点实时视频监视和高价值动目标跟踪的低成本卫星网络系统。

本发明可实现对敏感区域实现持续的监视、将高分辨率视频实时下传地面，跟踪动态目标移动路径，以及实时灾害评估等；可实时获取商业情报信息、获取小区域精准天气预报，进行灾害评估，应急救援、探险辅助等

附图说明

图1为小卫星网络轨道构型示意图。

图3为本发明实施例适用于天基全球实时连续监视的星地双集群网络系统信息传输示意图。

图2为本发明实施例适用于天基全球实时连续监视的星地双集群网络系统工作原理示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的适用于天基全球实时连续监视的星地双集群网络系统作进一步详细说明。

本发明实施例提供了一种适用于天基全球实时连续监视的星地双集群网络系统包含小卫星集群和地面服务器集群；小卫星集群依靠接力成像实现对全球中低纬度多个地区的无间断连续视频监视；地面服务器集群是整个网络的计算处理核心，对小卫星集群进行全网在线实时远程控制，同时接收遥感数据，进行处理并实时分发到用户。

小卫星集群的卫星运行在1200km的8条倾角为43°、相位相差45°的walker星座轨道上(图1)，每个轨道面内均布20颗卫星，共160颗卫星。每颗卫星外形尺寸设计为500mm×500mm×1000mm左右，重量100kg左右；卫星装载分辨率2m的同轴反射光学成像系统，使用1024×1024元6.5μm商用cmos探测器。通过±0～40°的三维姿态机动进行执行成像和通讯任务。对应的地面可视幅宽2180km，可实现同轨前后两颗星可视范围的拼接。可实现±52°纬度范围内覆盖时间比例平均值达到89％，南纬34°到南纬48°、北纬34°到北纬48°区域覆盖时间比例达到97％以上。

如图2所示，星地双集群网络系统采用星间链路的方式进行全网在线数据交互：小卫星集群的各卫星节点将相机、姿态、轨道、温度、能源、振动等工程参数信息通过星间链路传输至地面站测控范围内的卫星节点，再下传至地面服务器集群；地面服务器集群的卫星运控节点实时接收全网卫星节点的状态参数遥测数据，对各卫星节点工作状态进行实时评估。根据各类卫星节点工作状态、空间环境和规划的任务路径发送卫星控制指令，使卫星在轨稳定运行，并执行成像和通信任务。进行节点级和网络级的故障诊断和系统重构。

小卫星集群网络架构如图3所示，全网卫星节点包括四类：1，2为成像节点，执行成像任务；3，4，5为通讯节点，执行遥感数据传输；6和其他空白节点为待机节点，准备执行成像或通讯任务；7为离线节点，存在故障暂时不具备执行成像或通讯任务。成像节点、通讯节点和待机节点均为在线节点。

当用户发起观测任务时(图2)，地面服务器集群中的任务调度节点根据用户的观测需求和网络工作状态，对执行遥感观测任务的卫星节点进行任务分配调度，对传输遥感数据的星间链路进行规划寻优，通过卫星运控节点和地面站向测控范围内的卫星节点发送成像工作指令。

待机节点卫星接收到成像工作指令后准备执行成像任务。如图3所示，当节点1卫星对目标区域成像时，节点2预先指向该区域，准备与节点1进行接力成像。遥感成像数据依次通过节点3、4传输到地面站通讯范围内的卫星节点5，将数据实时下传地面。离线节点7由于存在故障，暂时不能参与成像或通讯任务，通讯时数据传输需要绕过或跳过该节点。

地面站接收成像数据后，由图像处理节点实时分析各成像节点传回的遥感数据，完成目标特性分析，图像畸变校正、图像定位配准、移动目标跟踪路径计算，并根据遥感图像实时计算成像节点卫星当前精确姿态等处理任务。产品分发节点根据图像处理结果生成产品，即刻通过互联网分发至用户，将信息获取的时间延迟降低至秒级。

当系统出现故障，需要更新网络系统算法或架构时，可将指令发送至实时仿真节点，对小卫星集群的工作状态进行实时或超实时仿真模拟，用于状态监视、故障分析和控制方案验证。

本具体实施用户在门户网站或手机app注册帐户，采用充值购买成像时间的方式直接采购全球实时成像监视产品。系统为国内外军事政府分配30～40％固定观测通道，为大型企业和商业投资人等频繁用户分配30～40％动态观测通道；其余观测通道分配给全球其他企业、政府和个人作为临时用户。

以上所述的具体实施例，对本发明的解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。