靜止軌道風云四號氣象衛星模擬器研究

郭 強, 韓 琦, 謝利子

(1.國家衛星氣象中心 運行控制室,北京 100081;2.中國氣象局中國遙感衛星輻射測量和定標重點開放實驗室,北京 100081)

氣象衛星廣泛應用于氣象業務、環境監測、海洋監測、防災減災和軍事等領域。靜止軌道氣象衛星定點于赤道上空的地球同步軌道(Geostationary Orbit,GSO),可對覆蓋范圍內的地球表面、大氣、海洋等進行連續觀測,具有高時效、高頻次和全天候觀測的特點。我國已發展了風云二號(FY-2)系列和風云四號(FY-4)系列兩代靜止軌道氣象衛星[1]。新一代FY-4氣象衛星的主要任務是接替FY-2氣象衛星,以確保我國靜止軌道氣象衛星觀測業務的連續、穩定,實現靜止氣象衛星更新換代,為天氣分析和預報、環境和災害監測等提供服務[2-3]。FY-4 A星和B星分別于2016年12月和2021年6月發射并投入應用,與美國、歐洲等的國際同類衛星相比,技術指標達到國際先進水平。

根據氣象衛星系統研制要求,在衛星發射前地面系統調試和聯試過程中,需要利用衛星模擬器對衛星系統功能進行模擬并輸出仿真數據,以驗證星地數據傳輸接口、原始數據接收與處理、遙控指令發送與比對、遙測數據解析與處理等功能是否完好。衛星模擬器是氣象衛星地面系統的重要組成部分,可為系統研制、仿真測試和聯調聯試提供支撐,在氣象衛星工程研制和應用過程中發揮重要作用。

隨著航天技術的發展,遙感、通信和導航等各類型號的衛星任務不斷增多,相應的衛星模擬器研制和技術應用也逐漸增多[4-6]。針對不同類型衛星系統,國內外技術人員提出了面向功能方法、面向對象方法、軟件無線電方法等的設計理念[7-12]。文獻[13]等提出了一些衛星模擬器的技術規范,探討了衛星模擬器需求分析和設計的原則方法。目前,對于高時頻、高精度、大數據量的遙感衛星,特別是氣象衛星模擬仿真的相關研究還少有涉及。根據新一代FY-4靜止軌道氣象衛星的特點,在分析系統模擬仿真需求基礎上提出一種模塊化集成的氣象衛星模擬器設計架構,研究了衛星平臺主要功能的模擬方法,以及有效載荷的功能模擬與數據仿真方法,最后探討了衛星模擬器系統的測試和評估方法。

1 系統概況與仿真需求

1.1 衛星功能與特點

FY-4衛星系統由衛星平臺和有效載荷兩部分組成。其中,衛星平臺包括姿軌控、數管、測控、數傳、電源、天線和轉發等分系統,有效載荷包括先進的靜止軌道輻射成像儀(Advanced Geostationary Radiation Imager,AGRI)、干涉式大氣垂直探測儀(Geostationary Interferometric Infrared Sounder,GIIRS)、快速成像儀(Geostationary High-Speed Imager,GHI)、閃電成像儀(Linghting Mapping Imager,LMI)、空間環境監測儀器(Space Environment Monitoring Instrument Package,SEP)等[14]。

FY-4衛星為三軸穩定姿態控制方式,采用高精度星敏感器和陀螺進行姿態測量,利用動量輪組合進行姿態控制,保證衛星在軌運行時的指向精度和控制穩定度。三軸穩定衛星能裝載多種載荷,可對地球進行凝視觀測,觀測范圍機動靈活,可實現三維探測,與自旋穩定的氣象衛星相比能明顯提高載荷對地觀測效率。采用單邊太陽電池陣可滿足高精度定標和載荷輻射制冷器散熱需求。

FY-4衛星系統組成結構如圖1所示。主要功能包括:對地表和大氣進行多光譜、高頻次觀測,獲得高頻次的觀測數據和圖像;對大氣溫度和濕度參數進行高精度、高分辨率的垂直結構探測,在觀測區域范圍內實時獲取閃電分布,服務天氣預報;監測地球輻射、冰雪覆蓋、海面溫度、臭氧等,服務氣候預測;動態監測沙塵暴、洪澇、干旱、積雪、植被等,服務生態環境監測;獲取空間環境監測數據,為空間天氣預警預報、衛星安全、通信導航保障提供數據支撐;具備衛星遙感數據分發、地球環境數據收集和災害預警信息發布能力。

圖1 FY-4衛星系統組成

1.2 系統模擬仿真需求

針對FY-4氣象衛星功能和技術特點,需要在衛星和地面系統工程研制的同時,開展衛星模擬器的設計和研制。衛星模擬器須具備遙測遙控功能模擬、數管功能模擬、數傳功能模擬、姿態源及軌道外推模擬和有效載荷數據模擬等基本功能。衛星模擬器的主要功能和技術指標須與正樣衛星一致,以滿足星地系統的功能、流程和接口測試需求。

在系統的研制和測試過程中,需要利用衛星模擬器接收地面系統發送的遙控指令,按照星地協議對指令進行處理和校驗返回;按照星上的數據格式,生成模擬的載荷、姿控、定位配準和測控數據,并通過模擬的數傳通道和測控通道向地面系統提供所需的遙測、數傳數據,以此驗證星地數傳數據接口和格式的匹配性、驗證地面系統指令發送的正確性以及遙測數據處理、比對的時效性和正確性。利用衛星模擬器對地面系統進行全面的測試驗證,為系統研制、仿真測試和聯調聯試提供支撐,保證衛星發射后星地系統業務的成功運行。

1.3 系統架構設計

根據氣象衛星系統模擬仿真需求,采用模塊化集成原則設計衛星模擬器,系統架構如圖2所示。衛星模擬器系統模塊包括遙測遙控模擬器、高速數傳模擬器、姿軌控模擬器、數據管理模擬器、控管一體化平臺等,各模塊配置靈活且易維護。系統接口包括數傳鏈路接口、測控鏈路接口、時統信號接口以及系統內控制、狀態、數據包等交互接口。

圖2 衛星模擬器系統架構

衛星模擬器可根據地面系統發送的遙控指令實時輸出相應的載荷仿真數據,驗證遙測遙控功能,進行遙測數據處理并下傳到地面系統,生成載荷源包數據,并通過中頻信號將X波段和Ka波段數傳數據發送到地面系統,可模擬衛星姿軌控系統,驗證衛星姿態控制和精確測量等功能,驗證有效載荷數據發送、接收、解調和處理功能。

2 衛星功能模擬設計

2.1 遙測遙控模擬

遙測遙控模擬模塊實現衛星遙控、遙測功能,信號處理和接口的模擬功能,可驗證星地測控數據接口和格式的匹配性,驗證地面系統遙控指令發送以及遙測數據處理、比對的正確性。遙測遙控模擬器由中頻調制、中頻解調、遙控解調、遙測調制以及測控模擬等部分組成,如圖3所示。

圖3 遙測遙控模擬器

遙控功能主要模擬遙控指令的接收和遙控數據的解調,接收并解析直接指令或注數指令。解出上行指令碼對應的指令類型和脈沖寬度,對遙控注數指令進行幀同步、解擾、校驗、符合性檢查。檢驗測控流程并返回指令發送結果,同時將遙控指令轉發給數據管理模擬器進行后續處理。遙測功能模擬遙測幀數據處理和下傳,可驗證遙測數據返回、處理、比對和執行的情況,驗證地面系統遙測數據解調、傳輸、處理、存儲和分發接口的正確性以及流程的時效性。

信號處理與接口模擬衛星與地面系統間的數模轉換和模數轉換,將地面上行遙控中頻信號變頻并解調出脈沖編碼調制(Pulse Code Modulation,PCM)碼流,將下行遙測PCM碼流調制變頻輸出中頻信號至地面系統,接收B碼時統信號,通過時間同步交換機實現系統時間同步。

2.2 高速數據傳輸模擬

高速數據傳輸模擬采用國際空間數據系統咨詢委員會(Consultative Committee for Space Data Systems,CCSDS)的高級在軌系統(Advanced Orbiting System,AOS)空間數據鏈路協議[15]。主要功能是模擬X波段和Ka波段的數傳,提供X波段和Ka波段數傳接口,對衛星模擬器載荷遙感數據等進行格式化處理,完成數據幀的信道編碼和編碼后的信道調制,將基帶調制信號轉換成中頻調整信號,并完成數據傳輸。

高速數傳模擬器包括X和Ka數據的AOS格式化處理、編碼調制和上變頻等模塊,如圖4所示。首先,根據星上CCSDS AOS協議處理過程,完成載荷數據包等數據的虛擬信道復用、組幀等處理,然后按照采用編碼效率較高的低密度奇偶校驗(Low Density Parity Check Code,LDPC)檢查代碼編碼方式完成數據幀的信道編碼,再按基帶調制方法完成編碼后數據的信道調制,最后通過中頻(Intermediate Frequency,IF)上變頻將基帶調制信號轉換成中頻調制信號,并通過中頻信號接口送入地面系統,以驗證中頻信號解調的正確性。高速數傳正常情況下雙路工作,可通過指令切換為單路工作。

2.3 姿軌控功能模擬

姿軌控模擬器負責生成模擬姿態數據、軌道數據和姿態敏感器等數據,接收并處理姿軌控相關遙控指令,實現衛星軌道、姿態初始參數、星敏感器工作狀態等設置,計算衛星的實時姿態和軌道,并將姿態、星敏感器等按衛星的通信協議以CCSDS格式進行打包后發送到高速數傳模擬器。姿軌控模擬器的功能如圖5所示。

2.4 數管和控制功能模擬

數據管理模擬器負責模擬星上數管計算機的主要功能,可接收分發遙測遙控模擬器發送的遙控信息,生成各類返回包并填充至遙測幀;對不同工作模式下產生的遙測信息進行組幀、處理和發送;與測控、數傳、載荷和姿軌控等系統進行信息交互,處理星務管理數據。

控管一體化平臺實現模擬器各模塊的集中管理,提供智能一體化的管理終端,向各模塊發送調度控制命令,接收各系統返回的工作狀態和參數,提供系統通信與信息管理功能,監視遙測遙控數據,實現設備工作狀態、網絡狀態監控,提供各類監控信息的圖形化顯示功能,可擴展配置以管理不同系統模塊。

2.5 有效載荷模擬及數據仿真

多載荷模擬實現星上AGRI、GIIRS、GHI、LMI、SEP等載荷功能的模擬仿真,模擬儀器工作模式,并行實時輸出載荷仿真數據。多載荷模擬器可根據地面系統發送的遙控指令或控管一體化平臺發送的控制命令工作,利用載荷仿真數據生成相應的科學源包數據,將產生的科學源包數據逐路分包為SpaceWire包數據[16],并通過高速數傳模擬器發送至地面系統,如圖6所示。

有效載荷的數據需要仿真生成并預存到衛星模擬器中,衛星模擬器根據姿態、軌道、熱變形、補償量計算得到載荷科學源包并輸出到地面系統。載荷數據仿真流程如圖7所示,首先獲取載荷觀測任務計劃和工作指令,根據載荷工作指令生成遙感信息源包并填充時間、角度、工作模式等數據,進行定位信息計算獲得經緯度、天頂角和方位角等信息,再通過大氣輻射傳輸模型模擬背景數據,利用參考通道數據生成無噪聲L1數據,然后利用實驗室定標系數將L1數據轉換為L0數據,最終獲得載荷源包仿真數據。

以AGRI的數據仿真為例,利用某通道亮溫數據進行正演生成載荷仿真數據的過程如圖8所示。

圖8 AGRI數據仿真示意圖

3 系統測試與評估方法

根據衛星模擬仿真需求,綜合考慮功能完整性、設計指標符合性、系統可用性等因素,可建立衛星模擬器的系統評估指數,對系統效益進行評價。系統評估指數δE可表示為

δE=ε1δF+ε2δP+ε3δA

(1)

式中:δF為功能完整性指數;δP為設計指標符合性指數;δA為系統可用性指數;εi(i=1,2,3)為各項指標權值。

從系統架構和各子功能項的角度對功能完整性進行綜合評估。考慮系統架構的合理性,并根據各項子功能的模塊數分配分值,對測控、數傳、姿軌控、數管等模擬功能進行打分。功能完整性指數可表示為

(2)

式中:αS為權重因子;χS和χf分別為系統架構評分和系統功能綜合評分;Ns為子系統數;Mi為各子功能系統模塊數;χij為各子功能系統模塊評分。

設計指標符合性的評估考慮系統性能指標、接口設計指標、載荷數據符合性指標等因素,如遙測誤碼率、遙控誤指令率、數傳碼速率以及載荷源包的傳輸速率與符合性等。設計指標符合性指數可表示為

(3)

式中:M為指標項總數;σk∈[0,1]為各指標項的單項評分。

作為數據源和驅動源,在系統聯試時衛星模擬器需要保證連續穩定的工作狀態。系統可用性采用平均失效前時間tMTTF和平均恢復時間tMTTR來描述,可表示為

(4)

利用該指標可以評估系統的穩定性、可靠性和可維護性。

在地面系統聯試過程中,利用衛星模擬器作為正樣衛星仿真源,接收遙測遙控系統發送的遙控指令,模擬衛星平臺工作方式和在軌運行時的載荷觀測模式,輸出遙測數據和載荷仿真數據等,驗證衛星模擬器各項功能和性能指標,同時可驗證數據分包與快視、預處理和產品生成等系統的接口和流程。衛星模擬器參與地面系統聯試的系統連接狀態如圖9所示。

圖9 系統聯試連接狀態

對于衛星模擬器聯試應用而言,功能完整性和設 計指標符合性須符合系統設計要求,實際聯試中須保證平均7×24 h連續工作,平均恢復時間不超過3 h,即系統可用性達到98.2%以上。經過系統初驗和長時間的地面系統聯試,對該衛星模擬器系統進行了全面的評估測試,系統評估參數如表1所示。其中,功能完整性指數、設計指標符合性指數總體達到設計和應用要求,系統可用性達到98.6%,可保證連續7日平均無故障工作時間。系統具備衛星主要遙測模擬功能,滿足聯試需求,可進一步增配或全覆蓋模擬遙測波道。多載荷源包并行分發數據量大,載荷模擬器偶發輸出不穩定,從數據處理流和傳輸策略方面優化后,可改進系統可用性。

表1 系統評估參數

4 結束語

從靜止軌道風云氣象衛星系統的功能特點和模擬仿真需求出發,提出了衛星模擬器模塊化集成設計架構和衛星主要功能系統模擬方法,研究了有效載荷功能模擬和數據仿真方法,在此基礎上建立了衛星模擬器的系統評估指數,以及衛星模擬器參與地面系統聯試的方法。通過全面測試對系統功能、設計指標和可用性等進行了評估,評估結果表明該系統功能和性能符合要求,能夠滿足衛星工程應用需求。后續型號將考慮采用綜合電子技術進一步整合功能模塊,提高系統效益。筆者的研究可為我國新一代氣象衛星的研制和應用提供有力支持。