一种基于分布式计算的地表异常探测星群任务流程设计方法

技术领域

本发明涉及一种基于分布式计算的地表异常探测星群任务流程设计方法，属于遥感卫星总体设计领域。

背景技术

近年来各类地表异常事件种类繁多，驱动机制各异，所对应的遥感响应特征(光谱、散射、几何、纹理等)复杂，单一的遥感图像难以满足对异常的诊断需求，同时现有的星上处理能力有限，使用单颗卫星无法完成复杂异常的语义分割与诊断识别。分布式遥感技术是新兴的遥感技术之一，其以建立“分布式可重构”卫星遥感体系为目标，利用多颗物理上互不相连的、共同实现同一空间任务的卫星构成的空间系统。

董玉翠等提出利用分布式可重构系统进行分布式遥感和高分辨率的合成孔径成像(201910261676.9)；夏正欢等提出了一种低轨小卫星分布式GNSS-S雷达系统，利用分布式接收卫星对对海面舰船目标的GNSS-S回波信号进行接收与处理，对分布式GNSS-S雷达信息进行融合处理，实现了海面舰船遥感(202210314938.5)；任维佳等通过低轨遥感卫星采集高清的遥感图像，并能借助同步轨道卫星传输遥感数据给地面站(201811652589.8)。现有文献中主要利用分布式系统完成单目标获取或进行单功能实现，未有对泛在性地表异常探测的天基系统的工作模式和任务流程相关设计，提出以阈值查找表为分布式计算基础的星群架构，以异常探测任务为系统驱动，实现信息的高效流动，解决泛在性地表异常探测中工作模式确定、任务流程设计问题，为系统级任务分析和星座设计提供总体解决方案。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对现有天基系统难以实现对复杂地表异常的即时识别与诊断的问题，提出了一种基于分布式计算的地表异常探测星群任务流程设计方法，利用天基系统实现对地表异常的即时识别与诊断。

本发明的技术方案是：一种基于分布式计算的地表异常探测星群任务流程设计方法，步骤如下：

建立地表异常分类遥感要素的阈值查找表；

根据建立的阈值查找表中的地表异常探测需求要素，选择可获取相关探测要素的卫星有效载荷；

根据选择的有效载荷配置卫星种类，设计星座系统工作模式，确定系统信息流与任务流；

即时遥感星座对区域进行常态化搜索，获取遥感要素，通过阈值查找表对遥感图像判读，根据5类阈值相关程度，初步确定地表异常种类，根据相关阈值种类多少，判断异常复杂等级，根据复杂等级发起后续任务筹划；

根据任务复杂等级，发现星将筹划任务分发给后续卫星，接到任务后，后续星自主任务规划，对区域进行详细探测，根据阈值查找表，进一步详细识别异常；

进行异常信息接力传输。

所述建立地表异常遥感要素阈值查找表，包括：

将地表异常类型划分为5大类，若干小类；5大类异常包括水体异常、人工地表异常、裸土异常、植被覆盖区异常、近地表大气异常，在大类下划分若干小类；

建立地表异常遥感要素阈值查找表，地物的遥感要素包括：辐射特征、光谱特征、几何特征、纹理特征、散射特征；每种地物通过上述遥感要素进行定量化描述，分为4种相关等级，即强特征、中等特征、弱特征和可能无特征。

所述根据探测需求选择可获取相关探测要素的卫星有效载荷，包括：

根据中建立的阈值查找表，分解要素指标，确定探测要素的探测谱段、光谱分辨率、空间分辨率、光谱分辨率、信噪比需求，设计对应载荷方案，设置将星簇作为探测基本单位，星簇内建立普查+详查的工作机制，设置星簇内轨道位置在前的卫星作为普查卫星，轨道位置在后卫星作为详查卫星，普查卫星通过阈值查找表区分异常大类，详查卫星在接收普查卫星给出的异常大类信息的基础上，识别异常小类。

所述配置卫星种类，设计星座系统工作模式，确定信息流与任务流，包括：

根据选择可获取相关探测要素的卫星有效载荷，配置不同种类的卫星，根据探测要素的顺序和要素关联程度，对星座系统进行布局，选择观测模式和工作方式，并确定用于获取异常要素的观测工作的任务流，任务来源为普查星发起的自主任务筹划，详查星具备星上自主任务规划能力，卫星获取的观测要素以信息流方式在系统内传递，最终到达用户。

所述即时遥感星座对区域进行常态化搜索，获取遥感要素，包括：

对于已知的林草覆盖区域，着重获取林草相关的植物冠层数据，可能预防或判定林草火势的多波段红外数据；对于已知的水覆盖区域，着重获取后向散射数据及多/高光谱数据，对于已知人工地表区域，着重获取高分辨率数据，对于已知裸土区域，着重获取多光谱及红外数据，对近地表大气区域着重获取高光谱、红外和散射数据。

所述异常的复杂等级分为：

当具备一种观测响应特性的异常，有强特征，认定为简单异常；

当具备两种响应特征的异常，认定为一般复杂异常；

当具备三种及以上响应特征的异常，认定为复杂异常。

所述异常信息接力的传输方式具体如下：

普查星初步发现异常，并将切片和位置信息传递给后续卫星，同时发起任务；

普查星和详查星接识别出的地表异常信息均可通过普查星间的实时链路向地面传输；

普查星与详查星均具备现有天基信息网接入能力，包括数传、中继、北斗短报文和即将建成的星网低轨通信系统。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明提供的一种基于分布式计算的地表异常探测星群任务流程设计方法，基于该方法建立了泛在性地表异常探测的天基系统架构，通过分布式系统解决了地表异常探测中复杂要素难以即时检测的问题；

(2)本发明提出了以地表异常分类遥感要素的阈值查找表作为分布式计算基础选择有效载荷，确定星座系统工作模式，信息流动方式，实现了任务驱动的星座系统总体设计；

(3)本发明对地表异常进行了分级与分类，并与主要遥感特征建立联系，根据异常探测任务特点设计了星座系统任务流程，采用本发明的设计能够实现星座系统对地表异常的高效探测。

附图说明

图1为本发明流程图；

图2为本发明提供的地表异常分类图；

图3为本发明提供的地表异常探测星座系统信息流示意图；

图4为本发明提供的地表异常探测星座工作模式图；

图5为本发明提供的地表异常探测星群任务信息流示意图；

图6为本发明提供的地表异常探测星群信息接力传输方式示意图。

具体实施方式

一种基于分布式计算的地表异常探测星群任务流程设计方法，流程图如图1所示，步骤如下：

(1)建立地表异常分类遥感要素的阈值查找表；

(2)根据地表异常探测需求，选择可获取相关探测要素的卫星有效载荷；

(3)配置卫星种类，设计星座系统工作模式，确定信息流与任务流；(节点星实时通信能力)

(4)即时遥感星座常态化搜索区域，获取遥感要素后，通过阈值查找表对遥感图像判读，初步确定地表异常种类，判断异常复杂等级，发起后续任务筹划；

(5)发现星将筹划任务分发给后续卫星，接到任务后，后续星自主任务规划，对区域进行详细探测，根据阈值查找表，进一步详细识别异常；

(6)异常信息接力传输。

所述步骤(1)中，建立地表异常遥感要素阈值查找表，具体方式为：

将主要地表异常类型划分为5大类，若干小类，5大类异常包括水体异常、人工地表(人类生活区)异常、裸土(无人居住区)异常、植被覆盖区异常、近地表大气异常，在大类下划分若干小类，如图2所示。

建立地表异常遥感要素阈值查找表，地物的遥感要素包括但不限于：辐射特征、光谱特征、几何特征、纹理特征、散射特征等，每种地物可以通过上述遥感要素进行定量化描述，分为4种相关等级，即强特征、中等特征、弱特征和可能无特征，如图2所示。建立对应的遥感要素阈值查找表，可以确定地物正常遥感特征范围，而在遥感要素阈值超过正常后，可以判定为出现异常。

所述步骤(2)中，根据探测需求选择卫星有效载荷，具体操作为：

根据步骤(1)中地表异常探测要素的特点，分解要素指标，确定探测要素的探测谱段、光谱分辨率、空间分辨率、光谱分辨率、信噪比等需求，设计对应载荷方案，设置星簇作为探测基本单位，星簇内建立普查+详查工作机制，即设置星簇内前卫星作为普查卫星，后卫星作为详查卫星。

所述步骤(3)中，配置卫星种类，设计星座系统工作模式，确定信息流与任务流的具体操作为：

根据步骤(2)中设计的载荷方案，配置不同种类的卫星，根据探测要素的顺序和要素关联程度，对星座系统布局，选定观测模式和工作方式，并确定用于获取异常要素的观测工作的任务流，任务来源为普查星发起的自主任务筹划，详查星具备星上自主任务规划能力，卫星获取的观测要素以信息流方式在系统内传递，最终到达用户，对应的时间点如图3所示，星座系统通过任务流与信息流驱动进行工作。

所述步骤(4)中，即时遥感星座对区域进行常态化搜索具体为：卫星具备自主任务规划能力，可以对地表区域进行常态化监测，通过先验知识对不同地块进行针对性观测任务，具体为，对于已知的林草覆盖区域，着重获取林草相关的植物冠层数据，可能预防或判定林草火势的多波段红外数据；对于已知的水覆盖区域，着重获取后向散射数据及多/高光谱数据，对于已知人工地表区域，着重获取高分辨率数据，对于已知裸土区域，着重获取多光谱及红外数据，对近地表大气区域主要获取高光谱、红外和散射数据。

所述步骤(4)中，异常的复杂等级分为：

1、当具备一种观测响应特性的异常，有强特征，认定为简单异常；

2、当具备两种响应特征的异常，认定为一般复杂异常；

3、当具备三种及以上响应特征的异常，认定为复杂异常。

所述步骤(6)中，信息接力传输方式具体如下：

将普查星作为通信节点星，建立星间通信网络，普查星之间具备实时通信能力，普查星与详查星间具备数据互传能力，普查星支持详查星进行随遇接入，系统本身具备对现有天地通信系统的接入能力，星间通信具备3个能力特征，1、普查星初步发现异常，并将切片和位置等信息传递给后续卫星，同时发起任务；2、普查星和详查星接识别出的地表异常信息均可通过普查星间的实时链路向地面传输；3、普查星与详查星均具备现有天基信息网接入能力，包括数传、中继、北斗短报文和即将建成的星网低轨通信系统。

以地表异常探测为目标，建立地表异常遥感分类图，相关性关系如图2所示。针对探测需求，选择3类卫星组成星簇实现功能，卫星1为宽幅光学卫星，卫星2为高分光学卫星，卫星3为多模式SAR卫星，星座系统工作模式如图4所示，设定目标场景，2023年2月6日，土耳其发生严重地震，地震发生后，出现崩塌、地面塌陷、地裂缝和地面沉降，地表异常即时遥感星座进行常规地表异常识别工作，此时星座飞临土耳其上空，首先，宽幅星通过地表几何与纹理信息，识别土耳其地区发生地表异常现象，初步判定为建成地异常和裸土异常，主要为建成地异常，此时宽幅星1将异常区域切片和位置信息传递给高分光学星1和多模SAR1，并将异常切片和位置信息传递给后续星簇中的宽幅光学星2，由宽幅光学星2继续引导高分光学星2和多模SAR2对地表异常区域进行追踪观测，而高分光学星和多模SAR卫星确认的地表异常信息有三种方式传输到地面用户手中，分别是通过中继、北斗下传，进入地面站接收范围时直接对地数传和通过宽幅光学星接力传输至地面，信息流如图5所示，其中主要使用方式为第三种，通过宽幅光学星作为通信节点接力下传至地面，如图6所示。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。