地面應(yīng)用系統(tǒng):“嫦娥”的數(shù)據(jù)處理中心

□ 本刊記者 陳 寧

地面應(yīng)用系統(tǒng)是探月工程的五大系統(tǒng)之一，實際上由三部分組成。第一部分為中國科學院國家天文臺，在此設(shè)有四個分系統(tǒng)，一是業(yè)務(wù)運行管理，二是數(shù)據(jù)預(yù)處理，三是數(shù)據(jù)管理，四是科學研究。中科院國家天文臺成立于2001年4月，系由中國科學院天文領(lǐng)域原四臺三站一中心撤并整合而成。國家天文臺包括總部及4個直屬單位，分別是：中國科學院國家天文臺云南天文臺、南京天文光學技術(shù)研究所、烏魯木齊天文站和長春人造衛(wèi)星觀測站。中國科學院探月工程總體部等均依托在國家天文臺總部。

近年來，國家天文臺建議和承擔了多項國家重大專項任務(wù)、大科學工程項目和國家戰(zhàn)略高技術(shù)項目。在我國首次繞月探測工程中，國家天文臺提出四大科學目標并圓滿完成了地面應(yīng)用系統(tǒng)研制、建設(shè)和運行以及VLBI測軌等任務(wù)，處理和制作了我國第一幅全月面圖像和全月球三維影像圖，為我國首次繞月探測工程做出了重要貢獻；在探月工程二期中國家天文臺繼續(xù)承擔地面應(yīng)用系統(tǒng)和VLBI測軌任務(wù)外，還負責牽頭月基光學望遠鏡等有效載荷的研制工作。

此外，地面系統(tǒng)還包括兩個地面接收站組成的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。一個位于北京密云，是由一個50米天線組成的數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)。另一個位于云南昆明，是由一個40米天線組成的數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)。雖然兩個地面接收站只是單純的數(shù)據(jù)接收，但實際上是地面應(yīng)用系統(tǒng)要求最嚴格，可靠性要求最好的系統(tǒng)，因為它是負責地球和衛(wèi)星之間的橋梁。一旦這里出了點問題，衛(wèi)星和地面聯(lián)絡(luò)就會中斷，會產(chǎn)生數(shù)據(jù)遺失的情況。

地面應(yīng)用系統(tǒng)就像是”嫦娥一號”和”二號”的數(shù)據(jù)處理中心，它負責指揮、控制天上的小精靈，在太空中順利遨游，且能夠進行拍月球的圖片等工作。

地面應(yīng)用系統(tǒng)的主要任務(wù)包括以下四個方面：一是實施衛(wèi)星有效載荷在軌業(yè)務(wù)運行管理；二是跟蹤衛(wèi)星、實時接收衛(wèi)星數(shù)傳下行數(shù)據(jù)；三是負責進行數(shù)據(jù)預(yù)處理與數(shù)據(jù)管理；四是組織開展科學應(yīng)用與研究。

依據(jù)任務(wù)的要求，地面應(yīng)用系統(tǒng)必須能夠具備制定衛(wèi)星有效載荷的短期、中長期工作模式和科學探測計劃；實施有效載荷及地面應(yīng)用系統(tǒng)的業(yè)務(wù)運行的調(diào)度和管理；監(jiān)視衛(wèi)星有效載荷的運行狀況，向測控系統(tǒng)提出調(diào)整衛(wèi)星有效載荷工作狀態(tài)的控制要求；接收衛(wèi)星數(shù)傳信道下行數(shù)據(jù)，并傳送到地面應(yīng)用系統(tǒng)總部；處理、解譯、應(yīng)用和研究科學探測數(shù)據(jù)；管理并向特定的用戶和單位發(fā)布數(shù)據(jù)這六項能力。

從時間上進行評價，地面應(yīng)用系統(tǒng)可以說是陪伴嫦娥時間最長的“長工”，其任務(wù)構(gòu)成主要分成三個階段。

第一階段是任務(wù)執(zhí)行前，在首席科學家的領(lǐng)導下制訂一個科學目標，作為工程總體的一個方案設(shè)計。這包括對有效載荷的類型、技術(shù)指標和配置進行確定。簡而言之就是根據(jù)衛(wèi)星的實際情況制定一個科學探測計劃。同時，根據(jù)衛(wèi)星搭載的科學儀器和有效載荷的任務(wù)指令和配置參數(shù)，生成地面站的接收計劃與運行計劃。根據(jù)以上計劃的具體內(nèi)容，還要對載荷的運行狀態(tài)以及地面應(yīng)用系統(tǒng)進行監(jiān)視。

第二階段是利用兩個數(shù)據(jù)接收天線，把數(shù)據(jù)接受下來存儲并進行分發(fā)和數(shù)據(jù)處理。在這個過程中，兩個地面站首先要利用天線跟蹤衛(wèi)星，捕獲衛(wèi)星，將無線電信號進行收集，相關(guān)設(shè)備對信號進行放大、傳送、接收、調(diào)解等處理，就可進行落地存儲。存儲的數(shù)據(jù)將及時傳回總部——國家天文臺，繼續(xù)進行數(shù)據(jù)的生產(chǎn)。

第三階段是對處理后數(shù)據(jù)的利用，”嫦娥一號”的相關(guān)論文、圖像、地圖等均屬于第三階段的成果。

“嫦娥二號”和”嫦娥一號”主要的區(qū)別是應(yīng)該說是有兩個方面。一個是軌道，要降到100公里，原來”嫦娥一號”的軌道是200公里，“嫦娥二號”的軌道要降到100公里。還有一個變化是相機的分辨率要提高。原來我們”嫦娥一號”的目標是進行全球整體的探測，所以它的分辨率是120米?！辨隙鸲枴笔嵌诘南葘?。所以，它瞄準的目標是對著陸點進行重點探測，進行詳測。另外是速傳碼速率的提高，在”嫦娥一號”的時候，數(shù)據(jù)量相對比”嫦娥二號”要小。當時”嫦娥一號”是用3兆碼速率傳的，那么”嫦娥二號”要達到6兆，同時要試驗12兆碼速率，能夠保證獲得的高分辨率的數(shù)據(jù)能夠盡快的傳到地面。

根據(jù)這些變化和要求，地面應(yīng)用系統(tǒng)在已有基礎(chǔ)上進行了新增和適應(yīng)性改造，以滿足工程任務(wù)需求。

為了保證探測數(shù)據(jù)接收的可靠性和完整性，地面應(yīng)用系統(tǒng)依托現(xiàn)有兩個數(shù)據(jù)接收地面站進行新增和升級改造，完成探測數(shù)據(jù)的接收任務(wù)。兩個地面站分別擁有50米和40米口徑天線的數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)，天線接收能力能夠滿足數(shù)傳要求。兩個地面站共視同時工作，互為備份。地面站配備數(shù)據(jù)落地存儲設(shè)備，以保證探測數(shù)據(jù)的可靠記錄。地面站采用光纖接入網(wǎng)的方式，與地面應(yīng)用系統(tǒng)總部間建立可靠、安全的數(shù)據(jù)傳輸通信鏈路，將探測數(shù)據(jù)及時傳輸?shù)娇偛俊?/p>

業(yè)務(wù)運行管理、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)管理和科學研究等工作在地面應(yīng)用系統(tǒng)總部進行。目前，這里建立了網(wǎng)絡(luò)、通信、存儲、計算、顯示、試驗等基本支撐系統(tǒng)與運行平臺，完成地面設(shè)備和有效載荷的監(jiān)視顯示、業(yè)務(wù)作業(yè)調(diào)度、探測計劃制定、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲備份與管理、產(chǎn)品分發(fā)，以及數(shù)據(jù)分析解譯和科學目標研究工作。

地面應(yīng)用系統(tǒng)采用多種體系結(jié)構(gòu)模式。計算機、網(wǎng)絡(luò)、存儲等核心硬件采用基于高性能網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換和存儲設(shè)備、高可用計算機組成的功能分布式多層網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)；計算密集型的數(shù)據(jù)處理軟件，采用MPI等高性能并行計算體系結(jié)構(gòu)。實時性要求比較高的業(yè)務(wù)應(yīng)用軟件，采用C/S體系結(jié)構(gòu)；實時性要求不高的數(shù)據(jù)庫應(yīng)用軟件，采用B/S體系結(jié)構(gòu)。

“嫦娥二號”衛(wèi)星是一個承前啟后的任務(wù)，一方面將對”嫦娥一號”衛(wèi)星的探測成果進行補充和完善，另一方面將進行多項的技術(shù)試驗，特別地，將獲取預(yù)選著陸區(qū)1米分辨率的圖像，這些成果的取得都將為”嫦娥三號”安全軟著陸提供條件和保障。