■ 張鵬 張烺 張迺強(qiáng)

空基遙感觀測系統(tǒng)仿真技術(shù)通過模擬無人機(jī)、浮空器或衛(wèi)星平臺(tái)的遙感探測過程，生成遙感觀測的科學(xué)數(shù)據(jù)，該技術(shù)既能夠?yàn)橛^測平臺(tái)與載荷研制方提供衛(wèi)星設(shè)計(jì)指標(biāo)的分析與驗(yàn)證手段，也能夠?yàn)檫b感數(shù)據(jù)應(yīng)用提供模擬數(shù)據(jù)生產(chǎn)源。觀測系統(tǒng)仿真中該技術(shù)應(yīng)用于對(duì)地觀測衛(wèi)星遙感系統(tǒng)正向設(shè)計(jì)與地面系統(tǒng)聯(lián)調(diào)聯(lián)試，極大提高了設(shè)計(jì)與聯(lián)調(diào)的效率與有效性。

隨著遙感觀測載荷光學(xué)與電子學(xué)技術(shù)的發(fā)展，近年來遙感觀測在空間分辨率和光譜分辨率上有了突飛猛進(jìn)的進(jìn)展。遙感產(chǎn)品的質(zhì)量不僅與遙感處理的算法有關(guān)，同時(shí)也與遙感觀測的數(shù)據(jù)質(zhì)量有密切關(guān)系。遙感觀測過程中的部件性能直接決定了遙感探測原始數(shù)據(jù)的質(zhì)量，因此有必要對(duì)這些部件進(jìn)行建模和分析?？傮w上，遙感觀測系統(tǒng)可以分為觀測平臺(tái)、觀測載荷、數(shù)據(jù)鏈路等幾部分硬件，以及觀測背景和觀測目標(biāo)等觀測對(duì)象。衛(wèi)星遙感觀測系統(tǒng)仿真需要對(duì)以上部件進(jìn)行建模，并對(duì)遙感觀測過程進(jìn)行仿真，進(jìn)而能夠?qū)崿F(xiàn)在仿真過程中調(diào)整部件的性能指標(biāo)，并在觀測數(shù)據(jù)上驗(yàn)證修改后的指標(biāo)對(duì)最終探測數(shù)據(jù)的影響。

本文利用針對(duì)空基遙感觀測仿真（SRSOS）系統(tǒng)，利用系統(tǒng)仿真技術(shù)建立一套對(duì)地觀測仿真系統(tǒng)服務(wù)于觀測系統(tǒng)研制、遙感數(shù)據(jù)處理支撐和地面處理系統(tǒng)研制等領(lǐng)域。例如衛(wèi)星平臺(tái)和載荷研制人員可以利用SRSOS系統(tǒng)調(diào)整部件的性能指標(biāo)來驗(yàn)證其指標(biāo)是否滿足應(yīng)用要求，觀測系統(tǒng)業(yè)主在可行性研究階段可以利用該仿真技術(shù)來選擇合適的光譜譜段，載荷搭載的選擇同樣也可以利用仿真技術(shù)來實(shí)現(xiàn)不同載荷觀測效果的預(yù)先呈現(xiàn)。在遙感應(yīng)用方面，遙感觀測仿真生成的數(shù)據(jù)可用來作為反演處理的輸入數(shù)據(jù)來使用，使用觀測仿真生成數(shù)據(jù)支持遙感算法的改進(jìn)、誤差評(píng)估和新算法的調(diào)試。在遙感衛(wèi)星地面應(yīng)用系統(tǒng)研制過程中，遙感平臺(tái)發(fā)射前，地面系統(tǒng)的聯(lián)合調(diào)試需要提供載荷的觀測數(shù)據(jù)，特別是針對(duì)沒有在軌載荷的光譜譜段，只能依賴遙感觀測仿真的手段模擬生成數(shù)據(jù)。本文將對(duì)SRSOS的關(guān)鍵技術(shù)展開論述，并以衛(wèi)星遙感觀測為例，展示該技術(shù)的應(yīng)用方法和效果。

1 SRSOS系統(tǒng)簡介

SRSOS框架由4部分組成，分別是仿真管理、遙感觀測背景仿真、遙感觀測平臺(tái)仿真和遙感觀測載荷仿真。在真實(shí)世界中遙感觀測數(shù)據(jù)的生成是觀測平臺(tái)搭載選定的載荷，在飛行狀態(tài)下對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行遙感探測的過程，因此建立仿真系統(tǒng)也是針對(duì)探測過程中的各個(gè)相關(guān)環(huán)節(jié)建模后實(shí)現(xiàn)仿真的功能。

仿真管理是系統(tǒng)運(yùn)行的中樞，負(fù)責(zé)完成仿真假定的配置、各分系統(tǒng)仿真的初始化設(shè)置、仿真過程的運(yùn)行監(jiān)視和結(jié)果的查看等功能。遙感觀測背景仿真模擬遙感觀測系統(tǒng)觀測內(nèi)容的輻射特性，目前支持衛(wèi)星平臺(tái)和無人機(jī)平臺(tái)兩種通用平臺(tái)的對(duì)地球觀測背景模擬，綜合利用數(shù)值預(yù)報(bào)與快速輻射傳輸技術(shù)來實(shí)現(xiàn)不同光譜譜段的觀測輻射能量計(jì)算。輻射傳輸?shù)奶幚砼c平臺(tái)的飛行高度、關(guān)注光譜譜段和目標(biāo)特征都有強(qiáng)關(guān)聯(lián)性，正文將就這方面的技術(shù)展開論述。遙感觀測平臺(tái)仿真是利用數(shù)字化建模的方法建立遙感觀測平臺(tái)的數(shù)字模型，生成觀測時(shí)刻的平臺(tái)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)，為觀測數(shù)據(jù)的生產(chǎn)提供必要的輸入。目前常用的對(duì)地球遙感觀測平臺(tái)有無人機(jī)平臺(tái)、衛(wèi)星平臺(tái)，本文針對(duì)這兩種平臺(tái)進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)介紹。最后是遙感觀測載荷仿真技術(shù)，遙感觀測載荷根據(jù)觀測任務(wù)不同其設(shè)計(jì)也有諸多變化，在掃描方式、光譜譜段、光學(xué)特性上都有獨(dú)特的特點(diǎn)，下文針對(duì)這些特點(diǎn)來闡述載荷建模的方法。

2 遙感觀測背景建模與仿真

無論對(duì)于平流層飛行器還是地球遙感衛(wèi)星而言，其觀測的主體都是地球上的對(duì)象，但觀測位置過高（例如地球同步軌道衛(wèi)星或者大橢圓軌道衛(wèi)星）時(shí)，遙感觀測系統(tǒng)的觀測視場內(nèi)就會(huì)出現(xiàn)冷空間、臨邊空間、恒星、月球等地球以外的對(duì)象。對(duì)于在大氣層內(nèi)飛行器而言，其視場范圍內(nèi)一定是地球上的某一區(qū)域。遙感觀測背景仿真就是要對(duì)遙感觀測范圍內(nèi)的對(duì)象的輻射能量特性進(jìn)行仿真模擬，所以觀測背景的仿真以地球?yàn)楹诵脑偌由吓R近空間和視場中出現(xiàn)的冷空間和恒星。

2.1 地表與動(dòng)態(tài)大氣環(huán)境仿真

對(duì)地球進(jìn)行遙感探測產(chǎn)生科學(xué)數(shù)據(jù)是遙感載荷對(duì)地球大氣、地表、海洋等環(huán)境的變化的特定感知形式。因此，對(duì)地表、海洋和大氣環(huán)境進(jìn)行模擬，是計(jì)算其輻射能量分布的必要步驟。

地表和海洋的能量在不同光譜譜段來自于自身的溫度輻射和對(duì)太陽能量的反射，因此，對(duì)地球表面輻射能量進(jìn)行仿真的關(guān)鍵問題可以歸結(jié)為兩個(gè)方面，首先，獲取地球不同表面類型的發(fā)射率和反射率是建模的核心問題，其次是能量到觀測載荷路徑上的輻射傳輸問題。地球不同表面類型的發(fā)射率和反射率可以使用已有地表反射率的產(chǎn)品，海洋表面反射和輻射率在行星尺度上是均一的，可根據(jù)海水的反射和發(fā)射特性來確定。除了地球表面外，地球上瞬息萬變的大氣環(huán)境也是行星視角觀測范圍內(nèi)的重要內(nèi)容。動(dòng)態(tài)大氣環(huán)境的建模可以利用兩種手段來實(shí)現(xiàn)，一種是利用氣象觀測站點(diǎn)和設(shè)備的探測數(shù)據(jù)，另外一種是利用數(shù)值預(yù)報(bào)模式演算未來時(shí)刻的大氣環(huán)境狀態(tài)。利用氣象觀測站點(diǎn)和設(shè)備，可以綜合世界上各個(gè)國家的氣象探測和環(huán)境探測站點(diǎn)，例如全球自動(dòng)觀測網(wǎng)（AERONET）。該網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)已經(jīng)覆蓋了全球主要的區(qū)域，目前全球共有500多個(gè)站點(diǎn)，利用CIMEL 自動(dòng)太陽光度計(jì)（SPAM）作為基本觀測儀器，網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)分布圖如圖1所示，其站點(diǎn)部署只覆蓋陸地，密度較低，并且站點(diǎn)覆蓋不均勻，其數(shù)據(jù)分布不利于正演處理使用。

圖1 AERONET站點(diǎn)分布圖

另外一種方法是利用數(shù)值天氣預(yù)報(bào)（NWP）系統(tǒng)構(gòu)建動(dòng)態(tài)大氣環(huán)境仿真系統(tǒng)。NWP計(jì)算模式是根據(jù)大氣的初始狀態(tài)以及模擬區(qū)域的邊值狀態(tài)和下墊面狀態(tài)，通過時(shí)間積分迭代計(jì)算求解未來時(shí)刻的大氣狀態(tài)。以WRF模式為例，WRF是中尺度的數(shù)值預(yù)報(bào)模式，其輸出數(shù)據(jù)集可調(diào)整大氣分層最多至101氣壓層，水平網(wǎng)格空間分辨率理論上精確到米級(jí)（實(shí)際運(yùn)用中范圍為3～100 km），大氣環(huán)境要素包括風(fēng)矢量、溫度、濕度等常規(guī)參數(shù)和云微物理特性，這些數(shù)據(jù)集的特性都很好地支撐了輻射傳輸計(jì)算。WRF模式運(yùn)行與計(jì)算過程中需要解決運(yùn)算時(shí)效問題。運(yùn)行時(shí)效依賴于大規(guī)模計(jì)算集群或大型計(jì)算機(jī)作為硬件基礎(chǔ)，運(yùn)行并行化模式開展解算。其具體的運(yùn)行時(shí)效也與計(jì)算任務(wù)中網(wǎng)格的規(guī)模和分辨率與迭代周期有關(guān)。以中分辨率遙感觀測為例，星下點(diǎn)觀測分辨率為100 m，那么數(shù)值天氣預(yù)報(bào)輸出數(shù)據(jù)場網(wǎng)格分辨率要高于100 m，其觀測區(qū)域取決于平臺(tái)運(yùn)行軌道和載荷觀測視角。

2.2 快速輻射傳輸建模與計(jì)算

輻射傳輸是對(duì)地觀測能量定量計(jì)算的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。輻射傳輸?shù)挠?jì)算過程要考慮載荷的光譜譜段、云粒子的相態(tài)和大小、大氣中氣體含量。太陽反射波段對(duì)輻射傳輸?shù)呢暙I(xiàn)可以認(rèn)為是基本由地球表面和云頂以及氣體吸收三部分組成，熱紅外發(fā)射波段解算則還需要考慮在光譜范圍內(nèi)實(shí)體自身發(fā)射的能量貢獻(xiàn)。

輻射傳輸計(jì)算以地球空間環(huán)境參數(shù)、觀測幾何參數(shù)、光譜響應(yīng)函數(shù)作為輸入量，開展解算。傳統(tǒng)基于LBL的輻射傳輸計(jì)算運(yùn)算效率較低，難以在工程實(shí)施中使用，因此我們采用基于FTRM方法的快速輻射傳輸模型來實(shí)現(xiàn)輻射傳輸解算。

輻射傳輸?shù)奶幚砹鞒?，其主要操作步驟為：

1）大氣環(huán)境參數(shù)獲?。?/p>

2）地球表面特征參數(shù)獲??；

3）觀測幾何參數(shù)獲??；

4）光譜響應(yīng)函數(shù)及大氣透過率參數(shù)獲?。?/p>

5）氣溶膠大氣透過率計(jì)算；

6）可見光紅外寬通道輻射傳輸模擬。

前4個(gè)參數(shù)為靜態(tài)輸入或前置步驟計(jì)算得出，后邊兩個(gè)步驟為實(shí)際輻射傳輸處理步驟。FTRM模式針對(duì)太陽反射波段能夠計(jì)算輸出大氣層頂?shù)谋碛^反射率，針對(duì)熱紅外發(fā)射波段能夠計(jì)算出輻射亮度。為節(jié)省計(jì)算時(shí)間在模擬之前基于離散縱坐標(biāo)法的輻射傳輸模型DISORT處理，得到不同光學(xué)厚度條件下和粒子有效半徑條件下云粒子的徑向反射比和透過率的分布狀態(tài)并建立查找表，在實(shí)際快速模式計(jì)算中通過查找表來完成計(jì)算，大大提高計(jì)算效率。對(duì)于沒有云和氣溶膠的區(qū)域，只考慮氣體吸收作用，采用CKD方法計(jì)算分層透過率最終得到觀測區(qū)域的大氣總透過率。用光譜范圍內(nèi)吸收系數(shù)k(v)的概率分布函數(shù)來表示透過率，可以寫為

式中，f(k)為吸收系數(shù)的歸一化概率分布函數(shù)?？紤]通道的光譜響應(yīng)，式（1）可變?yōu)?/p>

式中，S為歸一化因子， 是相應(yīng)載荷的光譜響應(yīng)函數(shù)。累積概率函數(shù)分別可以由下式表示

式中，W為吸收系數(shù)分組的權(quán)重系數(shù)。由式（5）可以計(jì)算得到不同高度上對(duì)應(yīng)的a，b及c的值

將CKD模型高度上的a，b，c插值到輸入的數(shù)值預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)高度場后可以計(jì)算得到大氣各氣壓層在該譜段的吸收系數(shù)并最終得到大氣透過率。

3 遙感觀測平臺(tái)建模與仿真

遙感觀測平臺(tái)仿真可分解為平臺(tái)姿態(tài)軌道仿真和載荷仿真兩部分。兩部分在物理上是連接在一起的，例如無人機(jī)及其搭載的相機(jī)、衛(wèi)星平臺(tái)及其有效載荷、平流層飛艇與其吊艙內(nèi)的載荷等。兩部分共同完成遙感成像的任務(wù)。

3.1 平臺(tái)姿態(tài)軌道建模與仿真

對(duì)平臺(tái)的位置和姿態(tài)等對(duì)遙感成像有影響的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行仿真，以遙感觀測衛(wèi)星為例，需要對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)位置、速度、姿態(tài)變化以及控制過程進(jìn)行模擬。遙感觀測平臺(tái)的參數(shù)為相機(jī)仿真提供真實(shí)的位置、姿態(tài)，并為平臺(tái)上預(yù)處理仿真、地面系統(tǒng)仿真等提供模擬的衛(wèi)星位置、姿態(tài)測量數(shù)據(jù)。

平臺(tái)姿態(tài)軌道控制又可劃分為動(dòng)力學(xué)仿真、軌道仿真、平臺(tái)姿控等幾部分。動(dòng)力學(xué)仿真模擬衛(wèi)星姿態(tài)動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)，仿真衛(wèi)星所受的各種空間環(huán)境干擾力矩的影響；仿真載荷運(yùn)動(dòng)與星體的耦合動(dòng)力學(xué)；仿真太陽帆板步進(jìn)以及撓性附件振動(dòng)與星體的耦合動(dòng)力學(xué)；仿真遙感觀測平臺(tái)姿態(tài)變化；實(shí)時(shí)仿真衛(wèi)星軌道位置、速度變化并計(jì)算含測軌誤差的軌道數(shù)據(jù)；仿真軌道遞推、軌道保持和軌道機(jī)動(dòng)等，并給出太陽在慣性系下的位置及坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換矩陣。

3.2 遙感載荷建模與仿真

載荷觀測仿真反映相機(jī)視場、成像周期、光學(xué)分辨等參數(shù)變化?？傮w上載荷仿真可以分為光學(xué)和電子學(xué)兩部分。值得注意的是，載荷工作在衛(wèi)星平臺(tái)上，衛(wèi)星平臺(tái)的位置和姿態(tài)也對(duì)成像過程有影響，關(guān)于衛(wèi)星平臺(tái)的仿真有諸多的論述成果，這里不再展開。下面從光學(xué)仿真和電子學(xué)仿真兩部分展開論述。

光學(xué)仿真模擬光路傳導(dǎo)過程，光線的軌跡模擬分為正向和逆向。正向光線追跡是解算觀測對(duì)象在探測器上的實(shí)際位置，如圖2所示，圖中target為觀測對(duì)象，SW為焦平面。

圖2 正向光線追跡示意圖

逆向光線追跡（圖3）通過一系列坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換，建立背景與像點(diǎn)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，根據(jù)共線方程可以建立幾何關(guān)系進(jìn)而計(jì)算出目標(biāo)L的地理坐標(biāo)。

圖3 逆向光線追跡示意圖

電子學(xué)仿真模擬入瞳輻射能量轉(zhuǎn)化為探測器電子信號(hào)的過程。按照相機(jī)工作原理可以將該過程分為光學(xué)系統(tǒng)響應(yīng)、探測器響應(yīng)和信息獲取電路系統(tǒng)響應(yīng)。光學(xué)系統(tǒng)響應(yīng)包括光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)MTF和離焦MTF引起的空間退化。其中，光學(xué)MTF可由光學(xué)設(shè)計(jì)軟件計(jì)算輸出得到，而離焦MTF根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算得到。

4 仿真應(yīng)用

基于本文對(duì)SRSOS系統(tǒng)各個(gè)組成模塊的建模與仿真，以衛(wèi)星遙感觀測仿真的應(yīng)用為例，建立一套通用的衛(wèi)星遙感觀測仿真系統(tǒng)框架（圖4）。

衛(wèi)星平臺(tái)、相機(jī)仿真和鏈路仿真可根據(jù)衛(wèi)星設(shè)計(jì)參數(shù)調(diào)整系統(tǒng)配置完成對(duì)衛(wèi)星的建模和修訂，觀測背景需要根據(jù)載荷的特征參數(shù)進(jìn)行離線或在線數(shù)據(jù)模擬（根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)效和觀測區(qū)域范圍決定），二目標(biāo)特性仿真與星上預(yù)處理則可根據(jù)衛(wèi)星的組成特點(diǎn)進(jìn)行裁剪。

圖4 衛(wèi)星遙感觀測系統(tǒng)通用框架示意圖

圖5 風(fēng)云二號(hào)E星紅外與水汽通道模擬與觀測中國域云圖

在實(shí)際的應(yīng)用中，衛(wèi)星遙感觀測系統(tǒng)仿真技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到我國多個(gè)型號(hào)遙感衛(wèi)星的研制過程，為衛(wèi)星指標(biāo)論證與設(shè)計(jì)提供必要的仿真支撐，并為新一代靜止軌道氣象衛(wèi)星風(fēng)云四號(hào)A星的地面系統(tǒng)的建設(shè)提供了模擬數(shù)據(jù)支持。特別是在風(fēng)云四號(hào)A星地面系統(tǒng)建設(shè)過程中，在發(fā)行前地面應(yīng)用系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試時(shí)，地面沒有可以參考的的數(shù)據(jù)可以使用，無論從分系統(tǒng)間接口調(diào)試還是從遙感應(yīng)用調(diào)試角度，都無法完成有實(shí)際物理意義的數(shù)據(jù)處理。引入遙感觀測仿真技術(shù)后，針對(duì)導(dǎo)航與配準(zhǔn)和產(chǎn)品生成系統(tǒng)的需求，按照實(shí)際地球大氣環(huán)境模擬生成全天24 h的104.5°E位置中國區(qū)域的多通道成像儀模擬數(shù)據(jù)，為聯(lián)調(diào)聯(lián)試的順利進(jìn)行提供了數(shù)據(jù)保障。

同時(shí)，利用風(fēng)云二號(hào)模擬云圖與觀測云圖對(duì)比分析仿真有效性。以2015年11月30日03時(shí)數(shù)據(jù)為例，分別利用對(duì)地觀測模擬技術(shù)和風(fēng)云二號(hào)E星業(yè)務(wù)系統(tǒng)處理生成中國區(qū)域IR1通道和水汽通道的云圖，圖5為模擬云圖與實(shí)際觀測云圖。經(jīng)過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可以發(fā)現(xiàn)，觀測與模擬云圖的數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)范圍一致，在大片云系中，模擬云圖的云量偏少，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)是數(shù)值預(yù)報(bào)模式輸出數(shù)據(jù)的柵格化數(shù)據(jù)不連續(xù)導(dǎo)致。經(jīng)過靜態(tài)圖像相關(guān)性分析，在均勻云區(qū)模擬與觀測數(shù)據(jù)的相關(guān)性高于75%。

深入閱讀

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