数据驱动的多卫星轨道选择优化夜间野火遥感监测

《IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing》：Data-Driven Multisatellite Orbit Selection for Nighttime Wildfire Remote Sensing

本文推荐了一项针对日益频发的危险野火进行夜间遥感监测的研究。为解决传统观测在夜间探测早期小火方面的不足，研究人员开展了低地球轨道(LEO)下1-3颗卫星的最优配置参数化研究。他们创新性地利用历史燃烧面积(BA)和云层遮蔽数据，模拟了约50万种架构，发现针对不同夜间定义（太阳高度角阈值EL0），太阳同步轨道(SSO)和倾斜轨道(INC)的组合策略各异。该研究为未来低成本、高效率的分布式航天器任务(DSM)星座设计提供了关键见解，摒弃了传统的Walker星座结构约束，直接以科学目标为导向。

　　

野火，这一自然与人为因素交织的灾害，近年来其发生的频率和破坏力在全球范围内呈现出令人担忧的增长趋势。传统的灭火手段往往在火势蔓延后介入，事倍功半。因此，如何在野火发生的早期，尤其是夜间，及时、准确地发现并监测其动态，成为了防灾减灾的关键。夜间观测具有独特的优势：当太阳高度角（Solar Elevation Angle）降至0°以下，大地陷入黑暗，火点与背景环境形成极其鲜明的对比。这使得传感器能够在较低的信噪比（Signal-to-Noise Ratio, SNR）下工作，从而更容易探测到温度较低、处于 ignition 早期阶段的小火。然而，如何利用有限的航天资源实现高效、持续的夜间监测，是一个复杂的轨道设计难题。

为了解决这一问题，并探索低成本、高效率的监测方案，研究人员将目光投向了占据低地球轨道（Low Earth Orbit, LEO）的分布式航天器任务（Distributed Spacecraft Missions, DSM）。这类由多颗小卫星组成的系统，有望提供监测活跃火（Active Fire, AF）所需的高空间和时间分辨率。发表在《IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing》上的这项研究，旨在通过数据驱动的方法，系统地寻找用于夜间野火遥感的最佳多卫星轨道配置。

为了回答核心问题，研究人员开展了一项大规模的参数化仿真研究。他们构建了一个复杂的评估框架，核心在于量化不同卫星架构对夜间野火观测的效能。研究的关键技术方法包括：首先，基于历史数据建立地球物理模型，特别是创新性地提出了一个“野火发生率”模型，该模型通过对Copernicus Climate Change Service (C3S)提供的2017-2022年月度燃烧面积（Burn Area, BA）数据进行处理，利用燃烧频率来区分受控燃烧和可能的失控野火，从而得到更能代表危险野火空间可能性的“野火值”（Wildfire Value, WF）。同时，研究整合了来自同一来源的月平均夜间总云量（Total Cloud Cover, TCC）数据以模拟观测遮蔽。其次，在轨道仿真方面，研究考虑了圆形低地球轨道，并重点分析了两种轨道类型：太阳同步轨道（Sun-Synchronous Orbit, SSO）和倾斜轨道（Inclined Orbit, INC）。研究引入了“年周期数”（Number of Cycles per year, NC）的概念来约束INC轨道的进动，使其终止符周期（即卫星轨道面与太阳方向垂直，导致大部分观测处于晨昏时段）与任务寿命（如1或2年）同步，以最小化对科学产出的影响。覆盖度分析通过模拟卫星轨迹和仪器视场（Field of View, FOV）对地球表面的覆盖进行，评估指标包括在夜间透过云层观测到的总野火值、最差情况下的日观测值、最大重访间隔及其标准差。最后，研究采用多目标优化和基于帕累托前沿（Pareto Front）的两两竞赛投票机制，从海量模拟架构中选出最优配置，并考虑了不同的星座构型（如单平面、等间距平面、正交平面等）。

研究结果

一、 单卫星架构：SSO占据主导地位

研究表明，当只使用一颗卫星时，太阳同步轨道（SSO）在最大化夜间观测野火总量（Z₁）和保证观测一致性（Z₂, Z₃, Z₄）方面几乎总是最优选择。其根本原因在于SSO能提供全年的、稳定的本地时间观测，完全避免了倾斜轨道（INC）因进动而产生的终止符周期，后者会导致在几天甚至几周内无法进行有效的夜间观测。只有当夜间定义非常宽松，即太阳高度角阈值（EL₀）设定在接近晨昏的6°时，特定NC值（如-2.0，对应约74°的倾角）的INC轨道才能与SSO竞争。此外，为了实现赤道地区的每日重访，单卫星所需的刈幅（Swath）宽度需接近基本间隔（Fundamental Interval），约2700公里。

二、 双卫星架构：约束放松下INC优势显现

当卫星数量增至两颗时，选择变得更为丰富。研究发现，若考虑所有观测目标（即总观测量、日最小观测量、重访间隔等），不约束卫星轨道平面相对关系的“通用型”（G-type）构型通常最优，因为这提供了最大的设计自由度。然而，当专注于最大化总野火观测量（Z₁）时，两颗卫星处于同一轨道平面（S-type）的构型表现更佳。总体而言，在严格的夜间观测要求下（EL₀ ≤ -6°），双SSO组合或一颗SSO与一颗INC组合是常见的最优解。INC的作用类似于“总量提升”，因为它可以针对野火高发纬度区（主要集中在±72°以内）优化覆盖；而SSO则确保了“观测一致性”。随着刈幅增大或夜间约束放宽，INC的竞争优势增强。

三、 三卫星架构：通用构型与灵活性优势明显

三颗卫星的引入提供了更大的设计灵活性。模拟结果显示，在严格的夜间观测要求下，三颗卫星均为SSO的构型是绝对主导的最优解。这表明当对观测规律性要求极高时，SSO的稳定性无可替代。然而，当观测目标更侧重于最大化总野火观测量，或者夜间定义放宽时，混合构型展现出优势。特别是一种常见的模式是：两颗卫星采用相同的INC（如NC = -4.0，对应较低的倾角），专注于覆盖野火高发的较低纬度区；第三颗卫星则采用SSO，负责保证全球覆盖范围和改善重访间隔。这种配置允许前两颗卫星更自由地选择有利于观测特定区域的轨道倾角，而第三颗卫星则弥补了它们在覆盖范围和观测一致性上可能存在的不足。研究还发现，传统的Walker星座结构（如等间距平面E-type）通常不如不受约束的通用构型（G-type）或部分约束的构型（如S2-type，即两颗卫星同平面，第三颗卫星自由）。

结论与意义

本研究通过大规模仿真和严谨的多目标优化，系统地评估了1-3颗卫星用于夜间野火遥感的低地球轨道配置。其主要结论是：最优的星座设计高度依赖于具体的科学目标和要求，特别是对“夜间”的定义、所需的观测一致性以及卫星数量。SSO在提供稳定、可靠的夜间观测方面具有天然优势，尤其适用于单星或强调规律监测的任务。而INC轨道在瞄准特定纬度野火高发区、提升总观测潜力方面潜力巨大，特别是在多卫星构架和观测约束放宽的条件下。一个重要的发现是，最优解往往存在于不受传统Walker星座结构（如单平面或等间距平面）约束的“通用”星座中，这强调了基于科学目标而非简化设计规则进行星座设计的重要性。

这项研究的意义在于为未来针对野火监测的分布式航天器任务提供了详实、数据驱动的设计依据。它展示了一种方法论，即将复杂的地球物理环境模型与轨道动力学、覆盖分析相结合，以优化航天系统架构。对于任务规划者而言，该研究的参数化结果（随卫星数量、刈幅、高度、夜间阈值变化）可以直接作为参考，根据其特定的任务优先级和约束条件（如仪器性能、成本）进行取舍。随着低成本小卫星技术的发展，这种针对特定科学目标优化的小型卫星星座，有望在全球野火早期预警、动态监测和灾害评估中发挥越来越重要的作用。