航天器空間環(huán)境及效應監(jiān)測數(shù)據(jù)集成化管理與處理系統(tǒng)

向樹紅，沈自才*，馬 新，馬子良，姜利祥，王世金，王 月

（1. 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所； 2. 數(shù)字太空（北京）智能技術研究院有限公司：北京 100094）

0 引言

航天器運行過程中所處的空間環(huán)境非常復雜，包括各種粒子輻射、電磁輻射、原子氧、溫度交變等[1]。開展空間環(huán)境監(jiān)測，獲取有關空間環(huán)境及其效應數(shù)據(jù)，在工程上和科學上都具有重要意義：一方面，監(jiān)測空間環(huán)境是分析空間環(huán)境對航天器影響、建立空間環(huán)境效應地面模擬試驗方法，以滿足我國長壽命衛(wèi)星長期穩(wěn)定運行的前提和基礎；另一方面，所獲取的空間環(huán)境數(shù)據(jù)可以作為空間天氣預報和空間科學研究的重要數(shù)據(jù)補充，促進我國在空間環(huán)境監(jiān)測技術和數(shù)據(jù)方面的國際交流；在科學上，監(jiān)測空間環(huán)境也是研究天體物理、行星演化等的基礎。

國外航天大國和機構利用LDEF[2]、MISSE[3]等任務進行了大量的空間環(huán)境與效應的在軌監(jiān)測[4]，并建立了地面監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，典型代表有空間環(huán)境異常專家系統(tǒng)[5]、NASA 的空間環(huán)境和影響（Space Environment Effects(SEE)）[6]項目數(shù)據(jù)庫、ESA 的空間環(huán)境信息系統(tǒng)（SPENVIS）[7-8]等，但均不具備對空間環(huán)境與效應監(jiān)測數(shù)據(jù)的快速處理與管理能力。我國也以搭載或專星的方式開展了多次監(jiān)測[9-10]。但目前國內外主要是由空間環(huán)境與效應監(jiān)測載荷研制單位開展相關的數(shù)據(jù)處理，而關于空間環(huán)境與效應監(jiān)測數(shù)據(jù)的集成化管理與處理方面鮮有報道。

本文著眼于對空間環(huán)境與效應在軌監(jiān)測數(shù)據(jù)進行快速處理、管理和實時監(jiān)顯，給出了空間環(huán)境與效應監(jiān)測數(shù)據(jù)管理與處理系統(tǒng)的功能、軟件架構和處理流程。

1 功能要求

航天器空間環(huán)境與效應監(jiān)測數(shù)據(jù)管理與處理系統(tǒng)的主要功能要求如下：

1）具備空間監(jiān)測數(shù)據(jù)管理能力；2）具備空間監(jiān)測數(shù)據(jù)處理能力；3）具備對電子監(jiān)測器、質子監(jiān)測器、總劑量監(jiān)測器、原子氧監(jiān)測器、污染監(jiān)測器、溫度監(jiān)測器、表面電位傳感器等載荷的采集數(shù)據(jù)進行定量分析的能力；4）具備對地面標定數(shù)據(jù)的處理與分析能力；5）具備分析結果可視化的能力。

2 系統(tǒng)功能組成

監(jiān)測數(shù)據(jù)處理與管理系統(tǒng)分為5 個子系統(tǒng)：空間數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)、空間數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)、空間數(shù)據(jù)綜合分析子系統(tǒng)、地面標定數(shù)據(jù)處理分析子系統(tǒng)、分析結果可視化子系統(tǒng)。系統(tǒng)組成如圖1 所示。

圖1 空間環(huán)境與效應監(jiān)測數(shù)據(jù)處理與管理系統(tǒng)組成圖Fig. 1 Block diagram of the space environments and effects monitoring data management and processing system

1）空間監(jiān)測數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)

空間監(jiān)測數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)是對空間監(jiān)測的數(shù)據(jù)進行管理，主要包括文件的導入管理、各級數(shù)據(jù)的操作管理、權限管理等。

數(shù)據(jù)文件導入模塊：負責對數(shù)據(jù)文件導入的管理，包括對上傳目錄的管理、數(shù)據(jù)文件合法性的管理、數(shù)據(jù)入庫管理和原文件的刪除管理。

用戶管理模塊：主要對用戶的權限和用戶名、密碼的管理。

數(shù)據(jù)基本管理模塊：主要包括對數(shù)據(jù)的編輯、刪除和保存的管理。

2）空間監(jiān)測數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)

空間監(jiān)測數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)是將導入的數(shù)據(jù)文件經過解包、數(shù)據(jù)清洗、物理量轉換、業(yè)務處理等操作，完成對空間遙測數(shù)據(jù)的前期處理。

數(shù)據(jù)解包模塊：接收下傳的空間監(jiān)測數(shù)據(jù)包，按照定義格式進行譯碼、解密、解包，解包后按各儀器標識形成儀器源包L0 級數(shù)據(jù)，即各監(jiān)測器的原始分辨率數(shù)據(jù)文件。

數(shù)據(jù)清洗模塊：通過對L0 級數(shù)據(jù)去誤碼、數(shù)據(jù)平滑和格式轉換等處理后，結合定標定位等信息生成L1 級數(shù)據(jù)。

物理量轉換模塊：根據(jù)相應的科學算法，對L1 級數(shù)據(jù)進行處理，生成相關物理參數(shù)L2 級數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)業(yè)務處理模塊：根據(jù)用戶需求，對L2 級數(shù)據(jù)進行業(yè)務數(shù)據(jù)生成、時間平滑等相關處理，生成業(yè)務需要的L3 級數(shù)據(jù)。

3）空間監(jiān)測數(shù)據(jù)綜合分析子系統(tǒng)

空間監(jiān)測數(shù)據(jù)綜合分析子系統(tǒng)對處理后的數(shù)據(jù)進行綜合定量分析，從而得到分析結果。如可以給出電子和質子的通量及注量、污染沉積量的變化、表面電位及其變化等。

4）地面標定數(shù)據(jù)分析處理子系統(tǒng)

地面標定數(shù)據(jù)分析處理子系統(tǒng)對地面標定數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)擬合分析、繪圖顯示、數(shù)據(jù)驗證。

5）分析結果可視化子系統(tǒng)

分析結果可視化子系統(tǒng)主要對分析處理完的數(shù)據(jù)進行二維和三維顯示。

3 系統(tǒng)軟件架構

空間環(huán)境與效應監(jiān)測數(shù)據(jù)管理與處理系統(tǒng)由界面層、應用層、適配層、存儲層、算法層、硬件資源層和外部數(shù)據(jù)組成，系統(tǒng)軟件架構如圖2 所示。

圖2 監(jiān)測數(shù)據(jù)管理與處理系統(tǒng)架構Fig. 2 Architecture of the monitoring data management and process system

4 處理流程

外部監(jiān)測數(shù)據(jù)經處理放入數(shù)據(jù)庫，然后進行綜合分析、管理和可視化展示。處理系統(tǒng)的信息流程如圖3 所示。

圖3 監(jiān)測數(shù)據(jù)管理與處理系統(tǒng)信息流程Fig. 3 Information flow of the space environments and effects monitoring data management and processing system

5 功能實現(xiàn)

5.1 數(shù)據(jù)管理

數(shù)據(jù)管理主要包括數(shù)據(jù)統(tǒng)計、更新文件統(tǒng)計以及精細查找3 個功能。其中：數(shù)據(jù)統(tǒng)計可對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計管理，提供顯示各類數(shù)據(jù)的總量，如圖4 所示；更新文件統(tǒng)計提供顯示上傳文件記錄；精細查找提供對各級數(shù)據(jù)的查找，并繪圖顯示。

圖4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計界面Fig. 4 Data statistics interface

5.2 數(shù)據(jù)處理

打開軟件后，數(shù)據(jù)常規(guī)處理界面如圖5 所示，可通過這個界面對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行上傳處理和重新生成。

圖5 數(shù)據(jù)常規(guī)處理界面Fig. 5 Interface of normal processing of data

5.3 綜合分析

綜合分析界面可對各類監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，包括對比分析、事件分析和空間分布3 個功能。其中：對比分析可對不同種類數(shù)據(jù)進行對比分析；事件分析界面提供用戶存儲空間環(huán)境事件數(shù)據(jù)的調取和查看；空間分布界面提供顯示數(shù)據(jù)的空間分布顯示，如圖6 所示。

圖6 空間分布界面Fig. 6 Spatial distribution interface

5.4 參數(shù)標定

參數(shù)標定主要對地面定標數(shù)據(jù)進行展示，并對標定數(shù)據(jù)進行分析驗證，包括參數(shù)列表展示、地面標定分析以及參數(shù)分析驗證等。其中：參數(shù)列表展示界面主要對用戶配置的參數(shù)進行展示，如圖7 所示；地面標定分析主要對地面標定數(shù)據(jù)進行繪圖，并對數(shù)據(jù)進行擬合；參數(shù)分析驗證主要對標定數(shù)據(jù)進行分析驗證。

圖7 參數(shù)列表展示界面Fig. 7 Parameter list display

5.5 環(huán)境監(jiān)顯

環(huán)境監(jiān)顯提供空間環(huán)境及效應監(jiān)測二維展示（如圖8 所示）、空間環(huán)境及效應監(jiān)測三維展示（如圖9 所示）和實體場景監(jiān)控顯示。

圖8 數(shù)據(jù)監(jiān)控界面Fig. 8 Data monitoring interface

圖9 三維空間分布監(jiān)測界面Fig. 9 Monitoring interface of 3D spatial distributions

6 結束語

本文從空間監(jiān)測數(shù)據(jù)管理、空間監(jiān)測數(shù)據(jù)處理、空間監(jiān)測數(shù)據(jù)綜合分析、地面標定數(shù)據(jù)分析處理、分析結果可視化5 個方面構建了空間環(huán)境與效應監(jiān)測數(shù)據(jù)的管理與處理系統(tǒng)，其主要架構和功能包括：

1）軟件接收的外部監(jiān)測數(shù)據(jù)，經過空間監(jiān)測數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)導入并分配后，由空間監(jiān)測數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理，處理完的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫；空間監(jiān)測數(shù)據(jù)綜合分析子系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行綜合分析，并由地面標定數(shù)據(jù)分析處理子系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行擬合分析與驗證，經可視化子系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行展示。

2）從界面層、應用層、適配層、存儲層、算法層、硬件資源層和外部數(shù)據(jù)層面實現(xiàn)了系統(tǒng)的架構。

3）能夠實現(xiàn)電子、質子、原子氧的通量和注量，溫度及其變化率，表面電位及其變化率，輻照劑量率及電離總劑量，污染變化率及總污染等環(huán)境與效應等的實時監(jiān)測和顯示。

空間環(huán)境與效應監(jiān)測數(shù)據(jù)管理與處理系統(tǒng)不但可以用于航天器在軌空間環(huán)境與效應的監(jiān)測，也可以用作航天器在軌故障分析的依據(jù)。其能夠實現(xiàn)對監(jiān)測數(shù)據(jù)的快速處理和分發(fā)，具有較好的兼容性和可拓展性。