面向有效載荷的準實時在軌健康評估系統

王 羿，王鳳陽，蒯文林，袁牧野，張 揚，王 沖，凌 霄，駱冬根，洪 津

（1.中國科學院 合肥物質科學研究院，安徽 合肥 230031；2.中國科學院 通用光學定標與表征技術重點實驗室，安徽 合肥 230031；3.上海衛星工程研究所，上海 201109）

0 引言

衛星遙測數據通常由數管分系統或者綜合電子（簡稱綜電）分系統產生和收集，通過組幀編碼后從星上下傳到地面。遙測數據是監視衛星工作狀態、評估健康狀態、定位異常情況及故障分析的重要依據，及時獲取并處理遙測數據是十分重要的。

對于健康監測系統或者遙測判讀系統，國內外學者開展了較多的研究［1-4］。申思騰等［5］研究了光學測繪衛星遙測數據提取的方法，按照分包處理、分表存儲管理的原理實現了遙測數據的快速提取。張維洲等［6］設計了遙測信息自動監視處理系統，根據衛星運行控制計劃，進行了遙測仿真，將仿真值與實測值進行比較實現了自動預警和報警等功能。張海威等［7］利用北斗短報文進行衛星健康狀態監控，提高了精細化管理的能力。其他研究學者則對遙測數據處理方法開展了研究。另外，北京航天指揮控制中心、西安衛星測控中心、上海衛星工程研究所，中國科學院空間中心運控室等單位和部門均部署了用于衛星遙測數據處理的系統，實現數據接收、解碼和判讀［8-12］。

遙測數據分為實時遙測、延時遙測和全球遙測3 類。其中全球遙測可以得到數據下傳之前任何時刻的所有遙測數據，具有數據完整、覆蓋時段完整的特點，但存在實時性一般的問題。作為衛星有效載荷（簡稱載荷）的研制單位或者部門，衛星轉入長期管理階段后，實時監視和評估載荷的健康狀態通常比較困難。載荷研制方通常不具備型號總體或者地面測控系統等場所的條件，無法在衛星過境后實時看到遙測數據。因此，對全球遙測數據的處理和分析，成為評估載荷健康狀態的主要手段。全球遙測數據下傳后，存放在接入互聯網的FTP 服務器上，載荷研制單位從服務器下載遙測源碼，通過解析軟件進行解析后得到遙測數據，判斷載荷狀態。遙測源碼的命名通常由地面接收站代號和接收時間組成，具有文件數量多、單個文件數據量大等特點，設計準實時的自動化處理的健康評估系統替代人工處理遙測數據，具有重要的應用價值和現實意義［13-17］。

1 系統的組成和信息流

1.1 系統組成

健康評估系統由4 個部分組成，分別為遙測源碼獲取與存儲模塊、遙測值提取和解析模塊、遙測數據判讀分析和超限報警模塊，以及曲線顯示和數據輸出模塊。系統通過網頁進行人機交互，網頁上顯示系統狀態，遙測數據下載時間和解析情況，提示數據超限情況，以及曲線顯示和數據導出。系統組成如圖1 所示。

圖1 軟件系統組成框Fig.1 Block diagram of the software system

遙測源碼獲取與存儲模塊具有3 項功能，配置信息獲取功能通過讀取配置文件，得到FTP 地址、用戶名和密碼以及需要下載的文件等信息；服務器連接功能負責完成對FTP 服務器的連接；文件獲取與保存功能完成遙測源碼文件的下載和存儲。遙測值提取和解析負責在遙測源碼文件中找到載荷相關的遙測數據，并根據對應的公式解析成物理量。遙測數據判讀分析和超限報警模塊具有3 項功能，遙測數據判讀功能將遙測物理量與正常值范圍進行比較，如果超限則觸發報警功能；遙測數據分析功能對遙測數據進行統計，分析和計算遙測源碼中同一遙測的最大值、最小值和四分位數，如果數值變化則進行記錄；超限報警功能通過短信和網頁提醒2 種方式進行報警。曲線顯示和數據輸出模塊則用于生成和顯示遙測曲線及遙測數據輸出。

1.2 系統信息流

系統信息流如圖2 所示。

圖2 軟件系統信息流Fig.2 Flow chart of the software system

遙測源碼獲取和存儲模塊從FTP 服務器獲取遙測源碼文件，遙測值提取和解析模塊將遙測源碼解析成為物理量值。遙測物理量有2 個去向，一個是給曲線顯示和數據輸出模塊進行繪圖或者數據輸出；另一個是提供給遙測數據判讀分析和超限報警進行數據判讀、分析。

2 系統各模塊關鍵技術及實現

2.1 遙測源碼獲取和存儲模塊

遙測源碼獲取與存儲模塊是整個系統的數據來源，主要任務是與FTP 服務器進行通信和數據傳輸，包括配置信息獲取功能、服務器連接功能和文件下載存儲功能。FTP 服務器每天新建一個用年月日命名的文件夾，衛星數據下傳后將遙測源碼放入對應日期的文件夾，進行增量式更新，原有數據保持不變。

系統每隔30 min 的通過配置信息功能讀入FTP 地址、用戶名和密碼等信息，通過服務器連接功能訪問服務器，進行遙測源碼的增量式下載。增量式下載算法流程如圖3 所示。

圖3 增量式下載算法流程Fig.3 Flow chart of the incremental download algorithm

增量式下載算法將本地文件與服務器文件進行比較，當文件名不一致時進行文件下載，即下載增量的文件，直到當天所有文件均下載完成。當下載過程中因為網絡問題出現斷連，遙測文件傳輸故障時，系統設計了故障處理方案：下載文件時連續請求服務器30 s 無數據，自動斷開連接，刪除未傳輸完成的文件，通過報警模塊進行提示。由于系統每隔30 min 進行增量式下載，一次數據傳輸失敗不影響遙測數據的接收。

2.2 遙測值提取和解析模塊

遙測值提取和解析模塊對遙測源碼文件進行解析。遙測數據結構和幀格式是數據提取的基礎。以大氣環境監測衛星為例，遙測數據結構采用高級在軌系統（Advanced Orbiting System，AOS）數據結構，格式采用分層結構，符合國際空間數據系統咨詢委員會（Consultative Committee For Space Data Systems，CCSDS）相關標準的規定。各層的數據結構及其關系如圖4 所示。

圖4 遙測數據結構Fig.4 Diagram of the telemetry data structure

圖4 中物理信道訪問協議數據單元（Physical Channel Access-Protocol Data Unit，PCA-PDU）由連續的信道訪問數據單元（Continuous Channel Data Unit，CADU）組 成。每 個CADU 包含512 字節，由同步標志（4 個字節的固定值，與每個衛星有關）和虛擬信道數據單元（Virtual Channel Data Unit，VCDU）組成。VCDU 包含508 個字節，由主導頭、插入域、數據域、操作控制域、差錯控制域組成。在VCDU 的數據域構成了多路復用協議數據單元（Multiplex Protocol Data Unit，M-PDU），由導頭和包區2 部分構成。用于將遙測包串聯在同一VCDU 中進行傳輸。CCSDS 包逐包頭尾相連，填滿VCDU 的數據域。

載荷將自身遙測數據組幀后，通過1 553 B 總線發送給綜電分系統，綜電分系統將接收到的載荷遙測數據轉存放入M-PDU 的包區，并增加幀格式中的其他內容構成一個CADU 幀。遙測值提取實際上是從CADU 幀找出特定字節的過程，而遙測值解析是將提取的二進制遙測值根據對應公式計算出對應物理量的過程。

遙測源碼是二進制文件，基本單元為CADU。數據提取時，以512 字節為基本單位逐次從遙測源碼文件中讀取一幀CADU。根據幀格式，CADU 的第34 個字節（起始字節編號為0）至第505 字節為M-PDU 的包區，共計472 字節。載荷發送給綜電分系統的遙測幀分為主導頭和數據域2 部分，不同的載荷主導頭不同，只要在包區部分搜索主導頭即可找到載荷遙測幀，然后根據載荷設計的遙測編排結構提取出所有遙測對應的值。通常將遙測編排結構轉換為索引表，軟件根據索引表進行遙測解析，5條遙測信息的索引見表1，索引表中包含了全部遙測信息，每條遙測信息占一行，表1 給出了包含5 條遙測信息的索引表。

表1 遙測提取解析的索引表格Tab.1 Index table of telemetry data extraction and parsing

索引表中每一行表示一條遙測，起始字節確定遙測的位置；數據長度單位為字節表示該遙測的長度；公式編號用于二進制源碼到物理量的解析，不同的遙測存在不同的計算公式，對所有公式進行編號，索引表中填入對應的數值，軟件根據該數值調用對應的函數，返回值即為物理量；正常值范圍供遙測數據判讀和分析模塊使用。遙測值提取和解析的過程是根據起始字節找到M-PDU 包區的位置，然后讀取數據長度的參數，轉換為十進制，根據公式編號找到對應的計算公式，獲得物理量。遙測值提取和解析流程如圖5 所示。

圖5 提取和解析流程Fig.5 Flow chart of extraction and parsing

遙測值解析后，以數據表的形式存入關系型數據庫管理系統MySQL 中。每一條遙測形成一套記錄。記錄中的字段包括下載時間、解析時間、遙測幀時間、遙測名稱、遙測代號、遙測源碼值、遙測解析值和判讀結果。其中主鍵由解析時間、遙測幀時間和遙測代號3 部分形成的字符串構成，確保該條記錄的唯一性，也可以保證同一個遙測源碼文件多次解析時記錄不發生沖突。

2.3 遙測數據判讀分析和超限報警模塊

遙測數據判讀分析和超限報警模塊將遙測物理量與正常范圍進行比較，如果超限則進行報警。對同一文件同一遙測的所有遙測值進行分析，得到最大值、最小值和四分位數。

遙測分析算法描述如下：

1）將遙測數值從小到大排列得到一個數組，其數據總數量記為N；

2）取位置為1 的數得到最小值，取位置為N的數得到最大值；

3）取位置為N×0.25（向下取整）的數，得到第一四分位數；

4）取位置為N×0.50（向下取整）的數，得到第二四分位數，又稱中位數；

5）取位置為N×0.75（向下取整）的數，得到第三四分位數。

在得出的最大值、最小值和四分位數后，將5 個參數與歷史參數進行比較，如果出現變化則進行提示，并更新歷史參數。

超限報警功能通過短信和網頁提示2 種途徑進行信息提示。短信僅用于遙測值超限。當遙測值在正常范圍之外時，系統調用商用云平臺的短信服務接口，對指定的手機號發送短信，內容包括時間、載荷名稱、遙測名稱和波道號，超限遙測值和正常范圍值。網頁提示功能對2 項內容進行提示：遙測超限報警和統計數據與歷史數據不一致。網頁報警通過彈窗的方式進行提示，內容包括時間、載荷名稱、遙測名稱和波道號，歷史值、當前值或者超限遙測值和正常范圍。

2.4 曲線顯示和數據輸出模塊

曲線顯示和數據輸出模塊包括2 項功能，曲線繪制和遙測數據輸出。曲線繪制功能可以根據起止時間和波道號，獲取1 個或者多個遙測數據并進行曲線繪制，曲線橫坐標為時間，縱坐標為遙測值。輸出功能用于遙測值輸出，根據起止時間、波道號、遙測源碼或者物理量等參數，生成csv 文件并輸出。對于曲線顯示和數據輸出需要的參數，通過網頁進行設置。

3 系統應用情況

在軌健康評估系統在大氣環境監測衛星發射前研發完成并進入試運行階段，利用整星真空試驗和老煉試驗電測的遙測源碼作為數據源，在本地建立FTP 服務器進行測試。遙測提取解析索引界面如圖6 所示。

圖6 遙測提取和解析界面Fig.6 Interface diagram of telemetry data extraction and parsing

圖6 中按照遙測格式編排確定了載荷遙測代號、名稱、起始字節長度、字長和解析公式編號，其含義與表1 一致。遙測曲線繪制功能如圖7 所示。

圖7 遙測曲線Fig.7 Telemetry curves

將整星真空試驗15 天共計1.10 GB 遙測源碼數據、整星老煉試驗14 天共計1.04 GB 數據放入本地FTP 服務器對系統進行測試。，結果表明，該系統可以正確解析載荷的遙測數據，可以根據正常范圍進行判斷，對于因綜電分系統切權造成的遙測跳變，系統均進行了告警，漏警概率和虛警概率均為0。該系統的測試成功為發射后載荷狀態評估打下了基礎。

4 結束語

本文針對全球遙測的特點，設計了一種在軌健康評估系統，具有遙測源碼獲取、提取、解析、判斷、統計和輸出等功能，能夠準實時的全面評估有效載荷的狀態，與實時遙測和延時遙測的評估手段相互補充。后續研究將結合載荷遙測數據特點和變化規律，挖掘遙測中蘊含的信息，開展關聯遙測判讀功能，以適應不同工作模式和工作狀態遙測判據不同的情況，從而實現對未來狀態的精確預測及故障的預警。