輔助數(shù)據(jù)系統(tǒng)SPICE解析方法與研究

趙正旭 張強 梅成芳

摘 要： 航天任務(wù)的執(zhí)行過程往往涉及到一系列的復(fù)雜操作，同時產(chǎn)生巨大的數(shù)據(jù)量。但目前航天領(lǐng)域缺少一套相應(yīng)的輔助數(shù)據(jù)系統(tǒng)，使得用戶在航天數(shù)據(jù)的分類管理和使用上有一定難度。針對這個問題，該論文研究了SPICE系統(tǒng)，包括系統(tǒng)的主要功能、環(huán)境和特點。概述了該系統(tǒng)的發(fā)展歷程，介紹了系統(tǒng)的輔助數(shù)據(jù)、內(nèi)核文件和應(yīng)用流程。SPICE系統(tǒng)可以參與制定航天任務(wù)計劃，在任務(wù)過程中觀察幾何數(shù)據(jù)和任務(wù)完成后分析數(shù)據(jù)，提高了對航天數(shù)據(jù)文件的重復(fù)利用率。

關(guān)鍵詞： SPICE； 輔助數(shù)據(jù)； 航天數(shù)據(jù)； 航天任務(wù)

中圖分類號：V19 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1006-8228（2018）10-15-04

Abstract： The execution of aerospace missions often involves a series of complex operations while generating huge amounts of data. However， at present， there is a lack of a corresponding auxiliary data system in the aerospace field， which makes it difficult for users to manage and use aerospace data. To address this issue， this paper studied the SPICE system， including the main functions， environment and features of the system. The development history of the system is outlined， and the system's auxiliary data， kernel files and application flow are introduced. The SPICE system can participate in the mission of space planning， observing geometric data during the mission and analyzing the data after the mission is completed. The system can increase the ability of reuse of aerospace data files.

Key words： SPICE； auxiliary data； aerospace data； aerospace mission

0 引言

大數(shù)據(jù)的迅速發(fā)展，使得傳統(tǒng)的航天數(shù)據(jù)分析使用的圖表[1]等數(shù)據(jù)可視化方法已經(jīng)無法滿足現(xiàn)如今航空航天發(fā)展對數(shù)據(jù)信息的處理能力[2]。在航天數(shù)據(jù)可視化不斷發(fā)展的背景下，如果擁有一個類似于SPICE所建立的航天領(lǐng)域?qū)ｉT的函數(shù)庫[3]，有助于提高我國航天能力的綜合水平，對整體有一個大的提升，也會進一步提高航天可視化在深空領(lǐng)域探索的能力[4]。

我國航天運輸系統(tǒng)的能力不斷發(fā)展，最終要達到天地往返的水平 [5]，并且未來的航天測控系統(tǒng)必將發(fā)展成為天地空一體化協(xié)調(diào)發(fā)展[6]，這對航天數(shù)據(jù)管理和幾何觀測水平有了更高的要求。我國航天發(fā)展的速度也在不斷加快，從航天大國發(fā)展為航天強國的道路上必然會對設(shè)備、技術(shù)等的要求也越來越高。如果沒有一個專門用于航天領(lǐng)域的函數(shù)庫，那么想從繁雜的數(shù)據(jù)中獲取操作人員想得到的信息則會顯得很困難[7]。在航天任務(wù)的實施過程中，得到航天器的信息并對下一步操作的判斷尤為重要[8]，因為在深空探測領(lǐng)域中，對航天器的一個微小的操作都有可能會引來無法挽救的損失。

SPICE的產(chǎn)生是航天領(lǐng)域的一個重大突破，它是人們對航天發(fā)展思考的結(jié)果，從1991年發(fā)展到現(xiàn)在，SPICE參與了多項重大航天工程的事實足以證明它是成功的[9]。航天領(lǐng)域不同于其他領(lǐng)域，探索是困難且高投入的，它的高投入體現(xiàn)在社會的很多方面，例如資金，資源需求等方面[10]。航空航天的成功更是有助于增強全國人民的民族自信心和民族凝聚力，航空航天工業(yè)是一個國家工業(yè)化水平的重要標(biāo)志，是一個國家創(chuàng)新能力的重要度量[11]。

1 SPICE的發(fā)展歷程

1.1 SEDR系統(tǒng)

在SPICE創(chuàng)立之前，美國國家航天局（NASA）擁有一個系統(tǒng)名為SEDR（Supplemental Experiment Data Record）的系統(tǒng)。該系統(tǒng)是由JPL（Jet Propulsion Laboratory）負責(zé)建立和管理。對于SEDR系統(tǒng)，用戶必須要將事先準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)提供給該系統(tǒng)，一旦該系統(tǒng)開始運行，用戶再想更改數(shù)據(jù)就變得困難，而且用戶也很難更改項目工程的時間。這就使得如果在項目工程的實施過程中，當(dāng)用戶獲取了更準(zhǔn)確、更重要的數(shù)據(jù)時，再想將這些數(shù)據(jù)輸入到SEDR系統(tǒng)中將變得復(fù)雜，這樣一來所得的結(jié)果就無法保證其精準(zhǔn)度。通常情況下，每段時間只能產(chǎn)生一個SEDR文件。對于SEDR而言，用戶和實際操作系統(tǒng)的人是分開的，所以操作系統(tǒng)的人員有可能并不熟悉項目實施方案的流程，也不了解用戶想得到的結(jié)果，而且SEDR還無法移植到其他系統(tǒng)，SEDR系統(tǒng)操作流程如圖1所示。

1.2 創(chuàng)建SPICE系統(tǒng)

由于SEDR有以上所述的缺點，使得科學(xué)家有了創(chuàng)建SPICE的概念，他們想要建立一個更為高效的系統(tǒng)，能夠在星際任務(wù)開始前做出科學(xué)數(shù)據(jù)分析，制定任務(wù)工作和目標(biāo)。圖2為SPICE系統(tǒng)最初操作流程。進行科學(xué)檔案的準(zhǔn)備，將數(shù)據(jù)進行歸檔。在任務(wù)完成以后，對整個任務(wù)周期的數(shù)據(jù)整理分析。這些就是最初的行星科學(xué)家建立SPICE系統(tǒng)的目的，即擁有SPICE內(nèi)核文件和對該任務(wù)所收集的信息都放在任務(wù)操作中心，再由用戶遠程操控，在他們的軟件模型中選擇出所需的SPICE數(shù)據(jù)模型等信息，最終得到用戶所想得到的結(jié)果。

SPICE建立的任務(wù)開始于1984年，該任務(wù)是在NASA所有分支中改進空間科學(xué)數(shù)據(jù)歸檔和分類的重大舉措任務(wù)的一部分，如今的SPICE系統(tǒng)可以追溯到1991年左右。SPICE是太空飛船（Spacecraft）星系（Planet）設(shè)備（Instrument）相機矩陣（camera-matrix）事件（Events）這五個詞語的英文首字母的縮寫。它是NASA的NAIF（Navigation Ancillary Information Facility）部門負責(zé)開發(fā)并管理的用于星際探索任務(wù)的輔助數(shù)據(jù)系統(tǒng)。SPICE在NASA和其他許多美國和國際機構(gòu)中用于組織，分類和獲取與空間科學(xué)任務(wù)相關(guān)的輔助數(shù)據(jù)。用戶可以從SPICE中獲取星歷文件，然后讀取數(shù)據(jù)來得到深空探測領(lǐng)域中的行星、航天器等物體的數(shù)據(jù)，比如它們的位置，運行方向和速度。SPICE目前共有四種語言的系統(tǒng)，分別是Fortran、C、IDL和MATLAB，這四種語言都可以調(diào)用SPICE的內(nèi)核文件。SPICE系統(tǒng)的主要組成部分是SPICE 工具包（Toolkit）軟件和SPICE數(shù)據(jù)文件-通常稱為“內(nèi)核”。目前N066版本共有21個工具包軟件，SPICE內(nèi)核是其專門為航天領(lǐng)域所建立的數(shù)據(jù)文件。

SPICE能夠在選定的時間內(nèi)計算多種觀察到的幾何參數(shù)數(shù)據(jù)，它的觀察數(shù)據(jù)都是在為了完成任務(wù)的基礎(chǔ)上。選擇需要觀察的“幾何事件”發(fā)生的時間，或者是發(fā)生該事件所需的“幾何條件”產(chǎn)生的時間。用戶可以觀察到行星、人造衛(wèi)星、彗星、小行星和宇宙飛船等物體的位置和速度，行星、衛(wèi)星、彗星和小行星的大小，形狀和方向，航天器及其本身的各種可移動部件（如人造衛(wèi)星的太陽能電池板）的方向，還有航天器在行星表面或太空中的相對位置。

1.3 SPICE與SEDR相比的優(yōu)劣勢

優(yōu)勢：在SPICE中，用戶的操作具有了更多的靈活性。在任務(wù)實施過程中，用戶能夠計算幾何觀測系統(tǒng)得到的幾何參數(shù)，然后決定在何時用何種頻率去計算這些參數(shù)。同時還可以計算這些參數(shù)的時間跨度，那么就可以將該數(shù)據(jù)用到SPICE中，這樣將得到更精確的數(shù)據(jù)。有了這些精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)就可以對任務(wù)之后的操作有了明確的方向。用戶還可以將這些使用過的工具在別的項目工程上重復(fù)使用，提高了軟件的重復(fù)利用率，節(jié)省了資源。另外，用戶還可以全面了解在幾何計算中使用的算法和數(shù)據(jù)。飛行控制中心可以專注于生產(chǎn)更好的可用于SPICE內(nèi)核的文件，而不用生產(chǎn)大量的SEDR文件并且還需隨時更新它們。

劣勢：SPICE比SEDR在技術(shù)層面上對用戶有了更高的要求，使用它的用戶必須要有很高的編程水平才能夠讀取SPICE數(shù)據(jù)，并且通過讀取到的這些數(shù)據(jù)計算出用戶自身所想得到的結(jié)果。飛行控制中心需要了解輔助數(shù)據(jù)內(nèi)核文件才可以生產(chǎn)內(nèi)核文件。

2 SPICE組成部分和環(huán)境特點及其應(yīng)用流程

2.1 輔助數(shù)據(jù)

輔助數(shù)據(jù)，是輔助深空探測任務(wù)的制定、實施和分析等方面相對而言的數(shù)據(jù)。用戶掌握它們能夠幫助用戶制定精確的深空探測計劃，在項目開始到結(jié)束期間，可以觀察它們（比如飛行器）的運行軌跡，速度大小，位置等信息，從而做出合理的操作。任務(wù)完成后，利用該任務(wù)的所有輔助數(shù)據(jù)，在SPICE中進行數(shù)據(jù)分析，為以后的深空探測任務(wù)提供經(jīng)驗。

輔助數(shù)據(jù)主要有六部分。一是指在觀測行星和飛行器們相互之間采用何種相對框架，框架主要分為慣性框架和非慣性框架。二是航天器和太陽系各個物體之間的相對位置。三是在物體上建立空間直角坐標(biāo)系；從而分析他們的運行方向。四是航天器和行星的大小和形狀。五是航天器的視場及其指向。六是在時間方面進行轉(zhuǎn)換，主要是協(xié)調(diào)世界時和世界時的轉(zhuǎn)換。

輔助數(shù)據(jù)獲取的途徑很廣，既可以是太空飛行器在深空探測的任務(wù)中傳回的數(shù)據(jù)，也有來自飛行控制中心產(chǎn)生的，還有航天器和儀器生產(chǎn)部門提供的數(shù)據(jù)，再有就是從一些的科學(xué)協(xié)會與組織處獲取數(shù)據(jù)。得到的這些數(shù)據(jù)后SPICE把數(shù)據(jù)整理形成穩(wěn)定的文件數(shù)據(jù)類型，就是上面提到的SPICE內(nèi)核。

2.2 SPICE數(shù)據(jù)文件

SPICE數(shù)據(jù)文件（內(nèi)核）共有九類，每類文件都有其對應(yīng)的內(nèi)容。SPICE中的S（Spacecraft）對應(yīng)的為SPK文件，它的主要內(nèi)容有航天飛行器星歷數(shù)據(jù)文件，行星、衛(wèi)星、彗星和小行星星歷數(shù)據(jù)和自定義的其他天體與以上天體相對位置數(shù)據(jù)。P（Planet）對應(yīng)的是SPK和PcK文件，PcK文件的內(nèi)容有行星、衛(wèi)星、彗星和小行星的空間指向，大小和形狀信息，還有這些天體的一些物理模型，如重力模型，環(huán)模型等參數(shù)。I（Instrument）對應(yīng)的是IK文件，它的內(nèi)容有儀器的視場、指向、形狀和大小等信息，儀器的一些其他附加信息，如儀器內(nèi)部時間。C（Camera-matrix）對應(yīng)的是CK文件，它的內(nèi)容有儀器所在平臺（航天器等）的飛行姿態(tài)信息，一些其他相對框架信息。E（Events）對應(yīng)的是EK，它的內(nèi)容主要為三個“事件”：ESP：衛(wèi)星和科學(xué)儀器指令事件，ESQ：航天器和儀器命令，ENB：實驗記錄和地面數(shù)據(jù)系統(tǒng)日志。還有其他的四類文件，F(xiàn)K的內(nèi)容為框架信息，參考框架（坐標(biāo)系）之間關(guān)系的定義和規(guī)范（“固定”和“動態(tài)”框架均可用）。LSK為閏秒制表，作用為將UTC與ET時間相互轉(zhuǎn)換。SCLK內(nèi)容是航天器時鐘系數(shù)，用于SCLK和TDB（ET）時間轉(zhuǎn)換。DSK是形狀模型文件，圖3為SPICE內(nèi)核文件類型。

2.3 SPICE系統(tǒng)所需環(huán)境

SPICE支持的環(huán)境：

⑴ C、Fortran、MATLAB、IDL中的任意一種編譯環(huán)境；

⑵ 硬件平臺支持；

⑶ Linux和Windows還有Mac操作系統(tǒng)均可；

⑷ 32位或64位機均可。

2.4 SPICE系統(tǒng)特點

SPICE的可移植性較高，這使得它可以在不同的計算機之間相互移植。SPICE的工具包軟件會不斷更新，至今已是N066版本。SPICE提供給用戶使用的代碼全部經(jīng)過專業(yè)測試，用戶可以放心使用。

SPICE的向后兼容性良好，這使得舊版本的工具包軟件向后百分百兼容。SPICE提供完整的源代碼，并有詳細的文檔記錄。提供廣泛的面向用戶的文檔，比如文件使用的教程，應(yīng)用程序使用的教程等。工具包軟件內(nèi)部還有異常處理，它是用來捕獲大部分無效輸入的。為了確保精確度，SPICE的數(shù)據(jù)計算全部采用雙精度數(shù)值。

SPICE免費為個人用戶開放。作為SPICE系統(tǒng)的重要組成部分，內(nèi)核文件同樣具有較高的可移植性，它們可以在計算機之間互相移植，并且它們是相互分離的，數(shù)據(jù)之間可以相互聯(lián)系，也可以相互獨立，這些都由用戶自己決定，其關(guān)鍵在于所用的應(yīng)用程序的要求。內(nèi)核文件的可擴展性較高，用戶可以在已有的內(nèi)核文件中添加新的數(shù)據(jù)類型。

3 結(jié)論

SPICE從創(chuàng)立發(fā)展至今，已經(jīng)成功參與多項重大航天工程，是一個實用的分類明確和高效的航天輔助數(shù)據(jù)系統(tǒng)，并且在多項重大工程中起到無法被替代的作用。隨著我國的航天技術(shù)不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的航天數(shù)據(jù)分類和分析的計算機技術(shù)將會得到挑戰(zhàn)，這為航天技術(shù)人員提出了更高的要求，未來我國的航天發(fā)展到了更高的水平，也必將要有一個類似于SPICE的系統(tǒng)為航天任務(wù)保駕護航。所以，我國可以借鑒SPICE航天輔助數(shù)據(jù)系統(tǒng)中的優(yōu)點，建立一個符合我國國情的類似于SPICE的系統(tǒng)將會有助于我國航天技術(shù)發(fā)展。

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