低轨遥感卫星基于在轨云判引入的自主观测任务生成方法与流程

1.本发明属于低轨遥感卫星自主观测领域，具体涉及一种星上通过多源数据融合方式实现有云图像产品的自主识别，并在星上自主任务规划过程中引入云判结果的方法，适用于携带光学相机和激光载荷，对成像条件有云覆盖率要求的测绘和侦查等低轨光学遥感卫星。


背景技术：

2.低轨光学遥感卫星利用遥感技术和遥感设备，在地面或星上自主控制下，根据任务目标和卫星属性信息(目标位置、卫星轨道、有效载荷状态等)进行任务生成和执行，实现对地表覆盖和自然现象进行观测，服务于国土资源勘查、环境监测与防护、防灾减灾和空间科学试验等领域。
3.当前低轨光学遥感卫星的观测任务流程一般包括两种方式：1)由用户提出成像任务请求，地面根据任务和卫星属性信息(目标位置、卫星轨道、有效载荷状态等)进行任务规划，并将任务规划结果生成卫星任务指令，通过地面站发送至卫星执行；2)星上根据预先设定好的任务目标，实时计算卫星姿态和位置信息，合理分配卫星资源，排除任务间资源使用冲突，自主生成卫星观测任务并执行。
4.无论采用以上哪种方式，当前卫星任务模式都存在有效任务占比低、卫星使用效能低的问题，主要是由于光学遥感卫星图像产品中高达60％-70％的数据被不同程度的云层覆盖，有云图像与无云图像在经济价值上有很大的差别。一方面，星上没有识别有云图像与无云图像，而是无差别的将有云图像与无云图像采用统一的标准进行压缩、存储、回传至地面，造成星上计算资源和星地通道资源的浪费；另一方面，地面或星上生成任务时，无法预知任务执行时刻目标所在位置的天气状况，当有云层遮挡时会产生大量无效任务，大量无效任务的执行会直接影响到激光载荷的开机时长和出光次数，降低等设备在轨使用寿命。
5.如何有效提升卫星有效任务占比、延长载荷使用寿命、减少星上资源和星地通道资源浪费是当前光学遥感卫星在任务生成和执行中急需解决的问题，也是卫星总体设计工作模式时面临的难题。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明提供了一种低轨遥感卫星基于在轨云判引入的自主观测任务生成方法，包括：
7.步骤1，星上数据处理器接收大角度前视相机的图像数据，根据所述图像数据以第一固定时间周期向中央处理计算机发送第一云判结果p1；
8.步骤2，多角度偏振成像仪以第二固定时间周期发送第二云判请求，接收所述中央处理计算机反馈的成像点角度、经纬度信息、地表反射率信息以及对应的时间码信息后，结合时间码信息对应的图像数据计算并以所述第一固定时间周期向所述中央处理计算机发
送第二云判结果p2；
9.步骤3，所述中央处理计算机将所述第一固定时间周期内的所述第一云判结果和所述第二云判结果综合计算该第一固定时间周期内的云量；并确定第一固定时间周期内的云条件和该云条件的持续时长；
10.步骤4，gps接收机实时预报未来10分钟后的星下点地表属性，并通过卫星总线以所述第一固定时间周期发送给所述中央处理计算机；
11.步骤5，所述中央处理计算机根据观测任务工作条件自主生成星上观测任务。
12.特别地，所述步骤1具体包括：所述星上数据处理器接收大角度前视相机的图像数据，对原始图像数据进行分块；所述星上数据处理器对每个分块进行云特征计算识别，采用svm分类器实现云特征分类，得到云图像和非云图像，统计后得到所述第一云判结果。
13.特别地，所述步骤2具体包括：所述多角度偏振成像仪以所述第二固定周期提出所述第二云判计算请求，通过卫星总线通知所述控制计算机计算多角度偏振成像仪的8个成像点的观测点角度和经纬度信息；
14.所述控制计算机在一个第三固定周期时长内预报相对当前卫星时间未来某一时刻的成像点观测点角度和经纬度信息，并在所述第一固定周期时长内通过总线把预报结果通过卫星总线发送给中央处理计算机；
15.所述中央处理计算机收到多角度偏振成像仪提出的所述第二云判计算请求后，将当前最新接收的8个成像点的经纬度信息通过卫星总线发送给gps接收机，gps接收机收到经纬度信息后在2秒内完成经纬度对应地表反射率信息的查表计算，并将结果通过卫星总线发送给所述中央处理计算机；
16.在多角度偏振成像仪提出所述第二云判计算请求后的3秒内，中央处理计算机将收到的成像点的观测点角度、经纬度信息、地表反射率信息以及对应的时间码信息通过卫星总线发送给所述多角度偏振成像仪；
17.所述多角度偏振成像仪收到中央处理计算机发送的成像点的观测点角度、经纬度信息、地表反射率信息以及对应的时间码信息后，结合时间码信息对应的图像数据计算并以所述第一固定时间周期通过卫星总线向中央处理计算机发送所述第二云判结果p2。
18.特别地，所述成像点的观测点角度包括太阳天顶角、观测天顶角、观测相对方位角。
19.特别地，步骤3中中央处理计算机将同一个第一固定周期时长内的星上数据处理器和多角度偏振成像仪的云判结果p1和p2进行综合计算，按照公式p_0＝(k_1p_1 k_2p_2)/(k_1 k_2)计算该时刻内的云量，记为p0，其中k1和k2为权重系数值，可在轨修改；将计算结果与阈值p进行比较：
20.a、若p0≥p，认为该时刻云条件为有云，中央处理计算机记录并统计有云时刻及持续时长；
21.b、若p0＜p，认为该时刻云条件为无云，中央处理计算机记录并统计无云时刻及持续时长。
22.特别地，所述步骤5中根据预报的星下点地表属性、所述云条件、观测任务类型和单次任务工作时长生成星上自主观测任务。
23.特别地，当统计得到的有云时刻的持续时长大于阈值时，打开星上载荷设备；或者
当统计得到的无云时刻的持续时长大于阈值时，关闭星上载荷设备。
24.特别地，星上还可根据所述云条件，对通过地面上注任务生成的其他载荷图像产品进行在轨云图剔除。
25.相比现有技术，本项发明取得技术效果优势表现在：
26.1)星上自主任务引入了云判结果，根据未来星下点云覆盖的计算结果生成任务，有效减少了星上无效任务的产生，大幅提升卫星有效任务占比，减少载荷在轨无效开机时间，延长载荷使用寿命；
27.2)星上可根据云判结果，对通过地面上注任务生成的其他载荷图像产品进行在轨云图剔除，节省星上资源和星地通道资源，将更多高质量遥感图像数据传回地面，提高遥感卫星使用效能；
28.3)云判引入条件灵活、可设置，大角度前视相机和多角度偏振成像仪云判结果在云判计算中的权重值可在轨设置，有云和无云持续时间阈值可根据载荷工作条件在轨设置；
29.4)多角度偏振成像仪与控制计算机、中央处理计算机、gps接收机联动，可在短时间内完成云判，提高了遥感卫星运行效率；
30.5)多角度偏振成像仪的成像点具有包括太阳天顶角、观测天顶角、观测相对方位角等多个观测角度，可全面实现准确实现云判；
31.6)实现无云区域载荷开机成像、多云区域载荷关机的目标，同时采取载荷安全保护机制，避免出现短时间内载荷设备连续多次重复开、关机操作。
附图说明
32.图1为本发明中星上数据处理器进行云判的流程示意图；
33.图2为本发明中多角度偏振成像仪云判流程示意图；
34.图3为本发明中中央处理计算机云概率计算流程示意图；
35.图4为本发明中基于在轨云判引入的自主任务生成系统结构图。
具体实施方式
36.下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
37.本发明提供了一种针对光学遥感卫星有效任务占比低、卫星使用效能低的现状，本发明设计实现了低轨光学遥感卫星基于在轨云判引入的自主任务生成方法。技术途径是利用星上装载的大角度前视相机的图像数据进行在轨云图识别，根据云判结果统计未来一段时间卫星星下点有云无云状态，根据星上预报的未来一段时间星下点地表属性，结合载荷设备工作条件，选取无云区域生成观测任务，实现无云区域载荷开机成像、多云区域载荷关机的目标，同时采取载荷安全保护机制，避免出现短时间内载荷设备连续多次重复开、关机操作。
38.本发明的技术解决方案，硬件设备包括中央处理计算机、大角度前视相机、星上数据处理器、多角度偏振成像仪、卫星控制计算机、gps接收机和一套卫星总线电缆，各设备之间通过卫星总线连接，由中央处理计算机控制卫星总线上的信息交互。该方案主要的工作步骤包括：
39.1)星上数据处理器生成第一云判结果p1
40.如图1所示，星上数据处理器第一云判结果p1的生成步骤如下：
41.a、星上数据处理器接收大角度前视相机的图像数据，对原始图像数据进行分块，分块大小为512*512；
42.b、星上数据处理器对每个分块进行云特征(纹理统计特征、灰度差分特征等)计算识别，采用svm分类器实现云特征分类，完成云图像和非云图像的检测；
43.c、每个分块云判结果用1bit表示，“1”表示云，“0”表示无云。星上数据处理器以字(16bit)为单位统计云判结果，高12bit为云判结果，低4bit固定填充0，每bit云判结果对应一个512*512分块。星上数据处理器在生成云判结果的同时，在每字云判结果前填加4字节卫星整秒时刻时间；
44.d、星上数据处理器以固定周期每1秒通过卫星总线向中央处理计算机发送一次云判结果，每次发送数据长度为24字节，包括16字节卫星整秒时刻时间数据和4字云判结果数据。
45.2)多角度偏振成像仪生成第二云判结果p2
46.如图2所示，多角度偏振成像仪使用目标像元实时的太阳天顶角、观测天顶角、观测相对方位角和地表反射率，得到各个点云光学厚度。随后使用图像实测的云光学厚度，最后使用阈值得出第二云判结果p2。云判结果生成步骤如下：
47.a、多角度偏振成像仪以固定周期(5.04秒)提出云判计算请求，通过卫星总线通知控制计算机计算多角度偏振成像仪8个成像点的观测点角度(太阳天顶角、观测天顶角、观测相对方位角)和经纬度信息；
48.b、控制计算机以固定周期(1秒)预报相对当前卫星时间未来3701.334毫秒时刻的成像点观测点角度和经纬度信息，并在同一秒内通过总线把预报结果通过卫星总线发送给中央处理计算机。每个成像点的观测点角度和经纬度用2字节表示，共10字节。预报结果长度84字节，包括4字节观测点角度信息对应时间码、80字节成像点观测点角度和经纬度信息；
49.c、中央处理计算机收到多角度偏振成像仪提出的云判计算请求后，将当前最新接收的8个成像点经纬度信息通过卫星总线发送给gps接收机，gps接收机收到经纬度信息后在2秒内完成经纬度对应地表反射率信息的查表计算，并将结果通过卫星总线发送给中央处理计算机，每个地表反射率信息用2字节表示。输出地表反射率信息包括4字节地表反射率信息对应时间码、16字节地表反射率信息；
50.d、在多角度偏振成像仪提出云判计算请求后的3秒内，中央处理计算机将收到的成像点角度、经纬度信息、地表反射率信息以及对应的时间码信息通过卫星总线发送给多角度偏振成像仪；
51.e、多角度偏振成像仪收到中央处理计算机发送的成像点角度、经纬度信息、地表反射率信息以及对应的时间码信息后，结合时间码信息对应的图像数据计算并通过卫星总线向中央处理计算机发送云判结果。多角度偏振成像仪云判结果包括32行，第1行时标对应最大前视角观测到的成像时刻，每行16比特，每2比特表示一组云判结果，“00”表示晴空，“01”表示疑似晴空，“10”表示疑似有云，“11”表示确定有云。多角度偏振成像仪从提出云判计算请求，到完成一次计算并输出云判结果持续时间不超过5.04秒。
52.3)中央处理器全自主观测任务生成
53.如图3和图4所示，中央处理计算机以固定周期(1秒)通过卫星总线持续接收星上数据处理器和多角度偏振成像仪生成的第一云判结果p1和第二云判结果p2，并缓存接收到的云判结果并实时计算云概率，通过云概率自主生成观测任务。计算过程如下：
54.1)中央处理计算机将同一整秒时间内的星上数据处理器和多角度偏振成像仪云判结果进行综合，按照公式(1)计算该秒内的云量，计为p0，其中k1和k2为权重系数值，可在轨修改，默认取值20。当k1和k2取同时0值时，p0取0值；
[0055][0056]
2)将计算结果与阈值p(默认取值90)进行比较：
[0057]
a、若p0≥p，认为该秒时刻有云，中央处理计算机记录并统计有云时刻及持续时长；
[0058]
b、若p0＜p，认为该秒时刻无云，中央处理计算机记录并统计无云时刻及持续时长。
[0059]
3)gps接收机实时预报未来10分钟后的星下点地表属性，并通过卫星总线以固定周期(1秒)发送给中央处理计算机。预报的星下点地表属性长度为6字节，包括4字节地表属性预报结果对应的卫星整秒时刻、2字节预报的星下点地表属性。2字节地表属性用b0-b15表示，b0-b3表示陆地和海洋属性(0x5表示陆地，0xa表示海洋)，b4-b7表示阳照和阴影属性(0x5表示阳照，0xa表示阴影)，b8-b11表示境内和境外属性(0x5表示境内，0xa表示境外)，b12-b15固定填充0xf；
[0060]
4)中央处理计算机根据预报的星下点地表属性和计算的云覆盖率，结合观测任务工作条件要求，自主生成观测任务。典型卫星观测任务工作条件要求如下表所示：
[0061][0062][0063]
可见，根据预报的星下点地表属性、所述云条件、观测任务类型和单次任务工作时长生成星上自主观测任务。
[0064]
同时，对于星上还可根据云判结果，对通过地面上注任务生成的其他载荷图像产品进行在轨云图剔除，节省星上资源和星地通道资源，将更多高质量遥感图像数据传回地面，提高遥感卫星使用效能。
[0065]
并且当统计得到的有云时刻的持续时长大于阈值时，例如可设置为2分钟或更久，打开星上载荷设备；或者当统计得到的无云时刻的持续时长大于阈值时，关闭星上载荷设备。采用上述方法，星上实现无云区域载荷开机成像、多云区域载荷关机的目标，同时采取载荷安全保护机制，避免出现短时间内载荷设备连续多次重复开、关机操作。
[0066]
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
[0067]
对于本领域技术人员而言，显然本发明实施例不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明实施例的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明实施例。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明实施例的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本发明实施例内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。系统、装置或终端权利要求中陈述的多个单元、模块或装置也可以由同一个单元、模块或装置通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。
[0068]
最后应说明的是，以上实施方式仅用以说明本发明实施例的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明实施例的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本发明实施例的技术方案的精神和范围。