衛星地面應用系統時間表檢驗技術研究

屈興之+張媛媛+賈樹澤+程朝暉

摘 要：只有時間表正常，地面應用系統才能正常運行，衛星資料也能被完整接收和處理。為保證及時發現時間表異常，研究相應的檢驗技術，分別從邏輯性和準確性兩個方面對時間表進行檢驗，該項技術可以保證當時間表內容出現異常時可及時發現、及時處理，從而保證地面應用系統的運行成功率。

關鍵詞：衛星地面應用系統；系統運行；時間表；邏輯性檢驗；準確性檢驗

DOIDOI：10.11907/rjdk.171196

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2017）007-0119-03

0 引言

地面應用系統作為風云氣象衛星工程大系統的重要組成部分，對衛星應用效益的發揮起著重要作用[1]。它的主要任務是接收、處理、存儲、分發和應用服務，由數據接收系統、運行控制系統、數據預處理系統等10個技術系統組成[2]，其中數據接收系統分布在地面站，應用示范系統分布在全國，其它8個系統全部布局在北京國家衛星氣象中心[3]。運行控制系統根據衛星的軌道參數編制應用系統運行時間表（簡稱時間表），作為各系統業務運行的依據[3]，因此只有時間表正確，地面應用系統才能準確及時地進行衛星資料的接收和處理。當軌道參數等出現異常時，會造成時間表錯誤，需及時發現并處理異常。本文以現有風云三號氣象衛星地面應用系統和風云三號氣象衛星為對象，根據其運行原理和長期積累的運行經驗，研究了可行的檢驗技術，以實現對錯誤時間表的自動檢驗和告警，從而提高對時間表異常發現的自動化程度和時效性。

1 風三星地工作原理

風云三號衛星每天繞地球飛行約14圈，衛星飛行過程中遙感儀器不間斷地對地觀測，實現全球數據觀測。衛星在對地觀測的同時，把觀測的資料通過無線電播發，當衛星飛行在地面站接收圈外上空時，儀器觀測到的資料將被全部記錄在星載大容量存儲器上。衛星在經過地面站接收圈上空的有限時間內，把星上儀器數據全部發送到地面，采用3路傳輸信道：第一路通過L波段（HRPT信道）傳輸小數據量的儀器觀測數據；第二路通過X波段（MPT信道）傳輸大數據量的中分辨率光譜成像儀觀測數據；第三路通過X波段（DPT信道）傳輸所有儀器在接收圈外觀測并記錄存儲在衛星上的數據[4]。

風云三號衛星MPT信道在地面站天線跟蹤進入仰角5°的接收圈時，開機廣播中分辨率光譜成像儀的數據，當地面站天線跟蹤離開仰角5°的接收圈時，關機停止廣播數據。HRPT信道的數據全球廣播。DPT信道分別在4個地面站（廣州、烏魯木齊、佳木斯和基律納站）7°接收圈內下發數據，故當衛星飛過地面站時，地面站在5°接收圈接收直接廣播的衛星資料，同時在7°接收圈接收從衛星存儲器上回放的延時資料，這樣每天可以獲得晝夜兩次的全球資料[4]。

為了完整接收極軌氣象衛星觀測的全球資料，運控系統負責提出衛星對地觀測和下傳數據的時間要求，同時負責制訂與之相匹配的地面站接收方案（即時間表），完成星地同步傳輸控制[4]。

以風云三B（簡稱FY-3B）為例，各地面站對其軌道的接收圈范圍如圖1所示，當衛星進入指定的地面站接收圈時，地面站根據時間表接收衛星數據，時間表名字中的日期則表示該時間表詳細描述該日期當天各地面站接收衛星數據所需的各類參數，以及從地面站傳輸衛星數據到處理服務中心所需的各類參數，用于協調和指導應用系統各實時業務。時間表的主要內容為各地面站接收天線軌道接收的開始、結束時間等信息。

2 時間表生成原理

地面站對衛星的接收范圍由衛星相對于地面站的仰角來確定。因此，在相對地面站不小于5°、7°仰角范圍內分別是實時數據（為MPT信道和HRPT信道的數據）和延時數據的接收時間。基于此在對軌道進行外推的基礎上可計算得出時間表，其中常見的軌道外推算法有二體運動外推、J2攝動外推、J4攝動外推、高精度軌道外推等[5]。

運行控制系統每日根據西安衛星中心提供的衛星精軌根數對各顆衛星經過各地面站時的軌道進行計算和預報，并結合星上遙感儀器特點，生成各顆衛星的過境時間表、星下點軌跡、遙感儀器觀測覆蓋區等文件，根據地面站的經、緯度計算出各地面站未來三天接收時間，生成未來三天的時間表[4]。如圖2所示，基律納站在2017年2月13日的時間表內容，該時間表包括要接收的衛星的星標、地面站的站標、接收的開始和結束時間、升降軌標識、軌道號和數據類型等信息。

3 時間表檢驗技術

3.1 時間表異常原因分析

常見的造成時間表異常的原因有衛星精軌根數異常和軌道外推等程序運行異常。衛星精軌根數異常在西安衛星中心每日測軌時可能發生，而軌道外推等程序運行異常則在程序的運行參數發生變化時可能發生，無論哪種異常，均會造成時間表異常，若時間表無法正常生成，則地面應用系統會及時報警，但這些異常經常會造成時間表內容的異常，而這種異常嚴重影響系統正常運行，故系統還需要對時間表內容進行檢驗，保證該異常發生時能及時發現。

3.2 時間表檢驗技術原理

由于運行控制系統是一次生成未來3天的，即若當前日期為N，運行控制系統會根據當日收到的最新精軌根數生成N+1、N+2、N+3日的時間表，將這3個時間表簡稱為TN，N+1、TN，N+2、TN，N+3，則第二天即N+1日時運行控制系統會根據當日收到的最新精軌根數生成N+2、N+3、N+4日的時間表，簡稱為TN+1，N+2、TN+1，N+3、TN+1，N+4。系統實際運行時將使用TN+1，N+2，而不是TN，N+2，故此檢驗技術的核心是對TN+1，N+2進行檢驗，該檢驗包括邏輯性檢驗和準確性檢驗。

其中邏輯性檢驗是對TN+1，N+2中數據接收的開始和結束時間及軌道號進行檢驗，若檢查數據接收的開始時間小于結束時間，且在一天內同一顆星的最后一軌的軌道號與第一軌的軌道號差值不超過15，則邏輯性檢驗通過，其中15的設置是由于風三氣象衛星每天的軌道數在13至15軌之間，平均每天14軌，故同一天最后一軌的軌道號與第一軌的軌道號的差值不會超過15。endprint

由于TN+1，N+2是根據N+1日收到的精軌根數計算出的，TN，N+2是根據N日收到的精軌根數計算出的，考慮到預報誤差，兩者的內容不會完全一樣，但具有一定的一致性，故準確性檢驗是將TN+1，N+2與TN，N+2的內容按照本文中的一致性定義進行比較，若一致，該檢驗通過。當邏輯性檢驗和準確性檢驗均通過時，則表明時間表正確。準確性的具體檢驗方法如下：

將時間表TN+1，N+2中要檢驗的七項內容記為：

其中，SatN+1為星標，表示地面站接收的是哪顆衛星的資料，如圖2時間表中包含的星標有風云三B和風云三C，StaN+1為地面站的站標；圖2中SW為基律納的站標，[tRs，N+1，tRe，N+1]為星上實時數據接收的開始和結束時間；[tDs，N+1，tDe，N+1]為星上延時數據接收的開始和結束時間；ADN+1為升降軌標識，升軌為A，降軌為D，OrbN+1表示要接收的該軌數據對應的軌道號，隨著衛星每運行一圈軌道號加1，TpN+1表示接收的數據類型，實時數據為HRPT_MPT，延時數據為DPT。

比較TN，N+2和TN+1，N+2的內容是否一致，則是比較上述七項內容是否一致，由于利用不同日期的精軌根數進行軌道外推時，根數越新軌道外推越準確，故TN，N+2和TN+1，N+2中的接收開始和結束時間不會完全一樣，故判斷TN，N+2和TN+1，N+2的內容一致性的標準定義如下。

一致性定義：當TN，N+2和TN+1，N+2中星標、站標、升降軌標識、軌道號、接收的數據類型完全一樣，且實時數據和延時數據接收開始和結束時間誤差分別均在σ內時，則表示TN+1，N+2和TN，N+2的內容是一致的。

其中對實時數據和延時數據接收的開始和結束時間誤差分析見式（1）～（4），若均滿足時，表示N，N+2和TN+1，N+2的實時數據和延時數據接收的開始和結束時間是一致的。其中σ可根據系統實際運行中積累的經驗進行設置。

3.3 時間表檢驗技術實現

將檢驗時間表的當前日期記為N+1，該日地面應用系統生成時間表的時刻記為T，將T時刻前的某一時刻記為T1，將T時刻后的某一時刻記為T2，則此項檢驗技術的具體實現步驟如圖3所示。

步驟1：在T1時刻從相關服務器目錄中下載TN，N+2時間表到文件夾T_1中；

步驟2：在T2時刻從相關服務器目錄中下載TN+1，N+2時間表到文件夾T_2中；

步驟3：下載完TN+1，N+2時間表后對文件夾T_2中的TN+1，N+2時間表進行邏輯性檢驗，若檢驗通過，則進行步驟4，否則表示時間表檢驗不通過，則檢驗結束，并在客戶端顯示邏輯性檢驗不通過；

步驟4：將文件夾T_2中的TN+1，N+2時間表與文件夾T_1中的TN，N+2時間表進行比較，進行準確性檢驗，若檢驗通過，則在客戶端顯示檢驗通過，否則顯示準確性檢驗不通過。

4 結語

為了提高時間表異常發現的時效，保證地面應用系統正常運行，針對時間表異常這種情況研究了相關的檢驗技術，該檢驗技術分別從邏輯性和準確性兩方面對時間表的內容進行檢驗，能準確檢驗出異常的時間表。本文技術檢驗的內容為時間表中的一部分內容，但可以隨著地面應用系統需求的增加而增添檢驗內容，該技術具有良好的可擴展性。

參考文獻：

[1]許健民，鈕寅生，董超華，等.風云氣象衛星的地面應用系統[J].中國工程科學，2007，8（11）：13-18.

[2]盧乃錳，董超華，楊忠東，等.我國新一代極軌氣象衛星（風云三號）工程地面應用系統[J].中國工程科學，2012，14（9）：10-19.

[3]楊軍，董超華.新一代風云極軌氣象衛星業務產品及應用[M].北京：科學出版社，2011：23-24.

[4]楊軍.氣象衛星及其應用[M].北京：氣象出版社，2012：141-178.

[5]丁溯泉，張波，劉世勇.STK在航天任務仿真分析中的應用[M].北京：國防工業出版社，2011.endprint