輔助數據系統SPICE解析方法與研究

趙正旭 張強 梅成芳

摘 要： 航天任務的執行過程往往涉及到一系列的復雜操作，同時產生巨大的數據量。但目前航天領域缺少一套相應的輔助數據系統，使得用戶在航天數據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，包括系統的主要功能、環境和特點。概述了該系統的發展歷程，介紹了系統的輔助數據、內核文件和應用流程。SPICE系統可以參與制定航天任務計劃，在任務過程中觀察幾何數據和任務完成后分析數據，提高了對航天數據文件的重復利用率。

關鍵詞： SPICE； 輔助數據； 航天數據； 航天任務

中圖分類號：V19 文獻標志碼：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

大數據的迅速發展，使得傳統的航天數據分析使用的圖表[1]等數據可視化方法已經無法滿足現如今航空航天發展對數據信息的處理能力[2]。在航天數據可視化不斷發展的背景下，如果擁有一個類似于SPICE所建立的航天領域專門的函數庫[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域探索的能力[4]。

我國航天運輸系統的能力不斷發展，最終要達到天地往返的水平 [5]，并且未來的航天測控系統必將發展成為天地空一體化協調發展[6]，這對航天數據管理和幾何觀測水平有了更高的要求。我國航天發展的速度也在不斷加快，從航天大國發展為航天強國的道路上必然會對設備、技術等的要求也越來越高。如果沒有一個專門用于航天領域的函數庫，那么想從繁雜的數據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的產生是航天領域的一個重大突破，它是人們對航天發展思考的結果，從1991年發展到現在，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]。航天領域不同于其他領域，探索是困難且高投入的，它的高投入體現在社會的很多方面，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，航空航天工業是一個國家工業化水平的重要標志，是一個國家創新能力的重要度量[11]。

1 SPICE的發展歷程

1.1 SEDR系統

在SPICE創立之前，美國國家航天局（NASA）擁有一個系統名為SEDR（Supplemental Experiment Data Record）的系統。該系統是由JPL（Jet Propulsion Laboratory）負責建立和管理。對于SEDR系統，用戶必須要將事先準備好的數據提供給該系統，一旦該系統開始運行，用戶再想更改數據就變得困難，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，當用戶獲取了更準確、更重要的數據時，再想將這些數據輸入到SEDR系統中將變得復雜，這樣一來所得的結果就無法保證其精準度。通常情況下，每段時間只能產生一個SEDR文件。對于SEDR而言，用戶和實際操作系統的人是分開的，所以操作系統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果，而且SEDR還無法移植到其他系統，SEDR系統操作流程如圖1所示。

1.2 創建SPICE系統

由于SEDR有以上所述的缺點，使得科學家有了創建SPICE的概念，他們想要建立一個更為高效的系統，能夠在星際任務開始前做出科學數據分析，制定任務工作和目標。圖2為SPICE系統最初操作流程。進行科學檔案的準備，將數據進行歸檔。在任務完成以后，對整個任務周期的數據整理分析。這些就是最初的行星科學家建立SPICE系統的目的，即擁有SPICE內核文件和對該任務所收集的信息都放在任務操作中心，再由用戶遠程操控，在他們的軟件模型中選擇出所需的SPICE數據模型等信息，最終得到用戶所想得到的結果。

SPICE建立的任務開始于1984年，該任務是在NASA所有分支中改進空間科學數據歸檔和分類的重大舉措任務的一部分，如今的SPICE系統可以追溯到1991年左右。SPICE是太空飛船（Spacecraft）星系（Planet）設備（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）部門負責開發并管理的用于星際探索任務的輔助數據系統。SPICE在NASA和其他許多美國和國際機構中用于組織，分類和獲取與空間科學任務相關的輔助數據。用戶可以從SPICE中獲取星歷文件，然后讀取數據來得到深空探測領域中的行星、航天器等物體的數據，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，分別是Fortran、C、IDL和MATLAB，這四種語言都可以調用SPICE的內核文件。SPICE系統的主要組成部分是SPICE 工具包（Toolkit）軟件和SPICE數據文件-通常稱為“內核”。目前N066版本共有21個工具包軟件，SPICE內核是其專門為航天領域所建立的數據文件。

SPICE能夠在選定的時間內計算多種觀察到的幾何參數數據，它的觀察數據都是在為了完成任務的基礎上。選擇需要觀察的“幾何事件”發生的時間，或者是發生該事件所需的“幾何條件”產生的時間。用戶可以觀察到行星、人造衛星、彗星、小行星和宇宙飛船等物體的位置和速度，行星、衛星、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相比的優劣勢

優勢：在SPICE中，用戶的操作具有了更多的靈活性。在任務實施過程中，用戶能夠計算幾何觀測系統得到的幾何參數，然后決定在何時用何種頻率去計算這些參數。同時還可以計算這些參數的時間跨度，那么就可以將該數據用到SPICE中，這樣將得到更精確的數據。有了這些精準的數據就可以對任務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使用，提高了軟件的重復利用率，節省了資源。另外，用戶還可以全面了解在幾何計算中使用的算法和數據。飛行控制中心可以專注于生產更好的可用于SPICE內核的文件，而不用生產大量的SEDR文件并且還需隨時更新它們。

劣勢：SPICE比SEDR在技術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數據，并且通過讀取到的這些數據計算出用戶自身所想得到的結果。飛行控制中心需要了解輔助數據內核文件才可以生產內核文件。

2 SPICE組成部分和環境特點及其應用流程

2.1 輔助數據

輔助數據，是輔助深空探測任務的制定、實施和分析等方面相對而言的數據。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。任務完成后，利用該任務的所有輔助數據，在SPICE中進行數據分析，為以后的深空探測任務提供經驗。

輔助數據主要有六部分。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換，主要是協調世界時和世界時的轉換。

輔助數據獲取的途徑很廣，既可以是太空飛行器在深空探測的任務中傳回的數據，也有來自飛行控制中心產生的，還有航天器和儀器生產部門提供的數據，再有就是從一些的科學協會與組織處獲取數據。得到的這些數據后SPICE把數據整理形成穩定的文件數據類型，就是上面提到的SPICE內核。

2.2 SPICE數據文件

SPICE數據文件（內核）共有九類，每類文件都有其對應的內容。SPICE中的S（Spacecraft）對應的為SPK文件，它的主要內容有航天飛行器星歷數據文件，行星、衛星、彗星和小行星星歷數據和自定義的其他天體與以上天體相對位置數據。P（Planet）對應的是SPK和PcK文件，PcK文件的內容有行星、衛星、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，環模型等參數。I（Instrument）對應的是IK文件，它的內容有儀器的視場、指向、形狀和大小等信息，儀器的一些其他附加信息，如儀器內部時間。C（Camera-matrix）對應的是CK文件，它的內容有儀器所在平臺（航天器等）的飛行姿態信息，一些其他相對框架信息。E（Events）對應的是EK，它的內容主要為三個“事件”：ESP：衛星和科學儀器指令事件，ESQ：航天器和儀器命令，ENB：實驗記錄和地面數據系統日志。還有其他的四類文件，FK的內容為框架信息，參考框架（坐標系）之間關系的定義和規范（“固定”和“動態”框架均可用）。LSK為閏秒制表，作用為將UTC與ET時間相互轉換。SCLK內容是航天器時鐘系數，用于SCLK和TDB（ET）時間轉換。DSK是形狀模型文件，圖3為SPICE內核文件類型。

2.3 SPICE系統所需環境

SPICE支持的環境：

⑴ C、Fortran、MATLAB、IDL中的任意一種編譯環境；

⑵ 硬件平臺支持；

⑶ Linux和Windows還有Mac操作系統均可；

⑷ 32位或64位機均可。

2.4 SPICE系統特點

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過專業測試，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，應用程序使用的教程等。工具包軟件內部還有異常處理，它是用來捕獲大部分無效輸入的。為了確保精確度，SPICE的數據計算全部采用雙精度數值。

SPICE免費為個人用戶開放。作為SPICE系統的重要組成部分，內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，數據之間可以相互聯系，也可以相互獨立，這些都由用戶自己決定，其關鍵在于所用的應用程序的要求。內核文件的可擴展性較高，用戶可以在已有的內核文件中添加新的數據類型。

3 結論

SPICE從創立發展至今，已經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據系統，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不斷發展，傳統的航天數據分類和分析的計算機技術將會得到挑戰，這為航天技術人員提出了更高的要求，未來我國的航天發展到了更高的水平，也必將要有一個類似于SPICE的系統為航天任務保駕護航。所以，我國可以借鑒SPICE航天輔助數據系統中的優點，建立一個符合我國國情的類似于SPICE的系統將會有助于我國航天技術發展。

參考文獻（References）：

[1] 蘇麗，張博為，諶明等.大數據技術在航天領域發展與應用[J].遙測遙控，2015.36（2）.

[2] 劉竹生，孫伶俐.航天運輸系統發展及展望[J].中國科學：技術科學，2012.42（5）：493-504

[3] SPICE[EB/OL].https：//naif.jpl.nasa.gov/naif/index.html.

[4] W. Wang， W. B. Zhao， Z. X. Zhao. Research on an Adaptive Terrain Reconstruction of Sequence Images in Deep Space Exploration[J].Advanced Science and Technology Letters，2014.52（7）：33-41

[5] 張曉清，潘清，龔波.歐洲航天地面軟件系統發展研究[J].裝備學院學報，2015.26（2）.

[6] C. Acton， N. Bachman， L. Elson， et al. Extending NASA's SPICE Ancillary Information System to Meet Future Mission Needs[EB/OL]. https：//arc.aiaa.org/doi/pdf/10.2514/6.2002-T5-31，2002.

[7] Ed Wright. CSPICE-A C Version of JPL's SPICELIB Toolkit[EB/OL].https：//trs.jpl.nasa.gov/bitstream/handle/2014/17390/99-0838.pdf？sequence=1&isAllowed;=y.

[8] Charles Acton， Nathaniel Bachman， Boris Semenov， et al. A look towards the future in the handling of space science mission geometry[EB/OL]. https：//www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0032063316303129，2016.

[9] Q. Xu， Z. X. Zhao， W. Wang. Volume-Based Data Representation of Big Data Analysis[J]， Advanced Materials Research，2013.798-799：680-684

[10] 張卓，任盈盈，朱會保.世界航空航天工業發展趨勢及啟示[J].航空科學技術，2012.4.

[11] 于志堅.我國航天測控系統的現狀與發展[J].中國工程科學，2006.8（10）.