卫星地面应用系统时间表检验技术研究

屈兴之+张媛媛+贾树泽+程朝晖

摘 要：只有时间表正常，地面应用系统才能正常运行，卫星资料也能被完整接收和处理。为保证及时发现时间表异常，研究相应的检验技术，分别从逻辑性和准确性两个方面对时间表进行检验，该项技术可以保证当时间表内容出现异常时可及时发现、及时处理，从而保证地面应用系统的运行成功率。

关键词：卫星地面应用系统；系统运行；时间表；逻辑性检验；准确性检验

DOIDOI：10.11907/rjdk.171196

中图分类号：TP319

文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2017）007-0119-03

0 引言

地面應用系统作为风云气象卫星工程大系统的重要组成部分，对卫星应用效益的发挥起着重要作用[1]。它的主要任务是接收、处理、存储、分发和应用服务，由数据接收系统、运行控制系统、数据预处理系统等10个技术系统组成[2]，其中数据接收系统分布在地面站，应用示范系统分布在全国，其它8个系统全部布局在北京国家卫星气象中心[3]。运行控制系统根据卫星的轨道参数编制应用系统运行时间表（简称时间表），作为各系统业务运行的依据[3]，因此只有时间表正确，地面应用系统才能准确及时地进行卫星资料的接收和处理。当轨道参数等出现异常时，会造成时间表错误，需及时发现并处理异常。本文以现有风云三号气象卫星地面应用系统和风云三号气象卫星为对象，根据其运行原理和长期积累的运行经验，研究了可行的检验技术，以实现对错误时间表的自动检验和告警，从而提高对时间表异常发现的自动化程度和时效性。

1 风三星地工作原理

风云三号卫星每天绕地球飞行约14圈，卫星飞行过程中遥感仪器不间断地对地观测，实现全球数据观测。卫星在对地观测的同时，把观测的资料通过无线电播发，当卫星飞行在地面站接收圈外上空时，仪器观测到的资料将被全部记录在星载大容量存储器上。卫星在经过地面站接收圈上空的有限时间内，把星上仪器数据全部发送到地面，采用3路传输信道：第一路通过L波段（HRPT信道）传输小数据量的仪器观测数据；第二路通过X波段（MPT信道）传输大数据量的中分辨率光谱成像仪观测数据；第三路通过X波段（DPT信道）传输所有仪器在接收圈外观测并记录存储在卫星上的数据[4]。

风云三号卫星MPT信道在地面站天线跟踪进入仰角5°的接收圈时，开机广播中分辨率光谱成像仪的数据，当地面站天线跟踪离开仰角5°的接收圈时，关机停止广播数据。HRPT信道的数据全球广播。DPT信道分别在4个地面站（广州、乌鲁木齐、佳木斯和基律纳站）7°接收圈内下发数据，故当卫星飞过地面站时，地面站在5°接收圈接收直接广播的卫星资料，同时在7°接收圈接收从卫星存储器上回放的延时资料，这样每天可以获得昼夜两次的全球资料[4]。

为了完整接收极轨气象卫星观测的全球资料，运控系统负责提出卫星对地观测和下传数据的时间要求，同时负责制订与之相匹配的地面站接收方案（即时间表），完成星地同步传输控制[4]。

以风云三B（简称FY-3B）为例，各地面站对其轨道的接收圈范围如图1所示，当卫星进入指定的地面站接收圈时，地面站根据时间表接收卫星数据，时间表名字中的日期则表示该时间表详细描述该日期当天各地面站接收卫星数据所需的各类参数，以及从地面站传输卫星数据到处理服务中心所需的各类参数，用于协调和指导应用系统各实时业务。时间表的主要内容为各地面站接收天线轨道接收的开始、结束时间等信息。

2 时间表生成原理

地面站对卫星的接收范围由卫星相对于地面站的仰角来确定。因此，在相对地面站不小于5°、7°仰角范围内分别是实时数据（为MPT信道和HRPT信道的数据）和延时数据的接收时间。基于此在对轨道进行外推的基础上可计算得出时间表，其中常见的轨道外推算法有二体运动外推、J2摄动外推、J4摄动外推、高精度轨道外推等[5]。

运行控制系统每日根据西安卫星中心提供的卫星精轨根数对各颗卫星经过各地面站时的轨道进行计算和预报，并结合星上遥感仪器特点，生成各颗卫星的过境时间表、星下点轨迹、遥感仪器观测覆盖区等文件，根据地面站的经、纬度计算出各地面站未来三天接收时间，生成未来三天的时间表[4]。如图2所示，基律纳站在2017年2月13日的时间表内容，该时间表包括要接收的卫星的星标、地面站的站标、接收的开始和结束时间、升降轨标识、轨道号和数据类型等信息。

3 时间表检验技术

3.1 时间表异常原因分析

常见的造成时间表异常的原因有卫星精轨根数异常和轨道外推等程序运行异常。卫星精轨根数异常在西安卫星中心每日测轨时可能发生，而轨道外推等程序运行异常则在程序的运行参数发生变化时可能发生，无论哪种异常，均会造成时间表异常，若时间表无法正常生成，则地面应用系统会及时报警，但这些异常经常会造成时间表内容的异常，而这种异常严重影响系统正常运行，故系统还需要对时间表内容进行检验，保证该异常发生时能及时发现。

3.2 时间表检验技术原理

由于运行控制系统是一次生成未来3天的，即若当前日期为N，运行控制系统会根据当日收到的最新精轨根数生成N+1、N+2、N+3日的时间表，将这3个时间表简称为TN，N+1、TN，N+2、TN，N+3，则第二天即N+1日时运行控制系统会根据当日收到的最新精轨根数生成N+2、N+3、N+4日的时间表，简称为TN+1，N+2、TN+1，N+3、TN+1，N+4。系统实际运行时将使用TN+1，N+2，而不是TN，N+2，故此检验技术的核心是对TN+1，N+2进行检验，该检验包括逻辑性检验和准确性检验。

其中逻辑性检验是对TN+1，N+2中数据接收的开始和结束时间及轨道号进行检验，若检查数据接收的开始时间小于结束时间，且在一天内同一颗星的最后一轨的轨道号与第一轨的轨道号差值不超过15，则逻辑性检验通过，其中15的设置是由于风三气象卫星每天的轨道数在13至15轨之间，平均每天14轨，故同一天最后一轨的轨道号与第一轨的轨道号的差值不会超过15。endprint

由于TN+1，N+2是根据N+1日收到的精轨根数计算出的，TN，N+2是根据N日收到的精轨根数计算出的，考虑到预报误差，两者的内容不会完全一样，但具有一定的一致性，故准确性检验是将TN+1，N+2与TN，N+2的内容按照本文中的一致性定义进行比较，若一致，该检验通过。当逻辑性检验和准确性检验均通过时，则表明时间表正确。准确性的具体检验方法如下：

将时间表TN+1，N+2中要檢验的七项内容记为：

其中，SatN+1为星标，表示地面站接收的是哪颗卫星的资料，如图2时间表中包含的星标有风云三B和风云三C，StaN+1为地面站的站标；图2中SW为基律纳的站标，[tRs，N+1，tRe，N+1]为星上实时数据接收的开始和结束时间；[tDs，N+1，tDe，N+1]为星上延时数据接收的开始和结束时间；ADN+1为升降轨标识，升轨为A，降轨为D，OrbN+1表示要接收的该轨数据对应的轨道号，随着卫星每运行一圈轨道号加1，TpN+1表示接收的数据类型，实时数据为HRPT_MPT，延时数据为DPT。

比较TN，N+2和TN+1，N+2的内容是否一致，则是比较上述七项内容是否一致，由于利用不同日期的精轨根数进行轨道外推时，根数越新轨道外推越准确，故TN，N+2和TN+1，N+2中的接收开始和结束时间不会完全一样，故判断TN，N+2和TN+1，N+2的内容一致性的标准定义如下。

一致性定义：当TN，N+2和TN+1，N+2中星标、站标、升降轨标识、轨道号、接收的数据类型完全一样，且实时数据和延时数据接收开始和结束时间误差分别均在σ内时，则表示TN+1，N+2和TN，N+2的内容是一致的。

其中对实时数据和延时数据接收的开始和结束时间误差分析见式（1）～（4），若均满足时，表示N，N+2和TN+1，N+2的实时数据和延时数据接收的开始和结束时间是一致的。其中σ可根据系统实际运行中积累的经验进行设置。

3.3 时间表检验技术实现

将检验时间表的当前日期记为N+1，该日地面应用系统生成时间表的时刻记为T，将T时刻前的某一时刻记为T1，将T时刻后的某一时刻记为T2，则此项检验技术的具体实现步骤如图3所示。

步骤1：在T1时刻从相关服务器目录中下载TN，N+2时间表到文件夹T_1中；

步骤2：在T2时刻从相关服务器目录中下载TN+1，N+2时间表到文件夹T_2中；

步骤3：下载完TN+1，N+2时间表后对文件夹T_2中的TN+1，N+2时间表进行逻辑性检验，若检验通过，则进行步骤4，否则表示时间表检验不通过，则检验结束，并在客户端显示逻辑性检验不通过；

步骤4：将文件夹T_2中的TN+1，N+2时间表与文件夹T_1中的TN，N+2时间表进行比较，进行准确性检验，若检验通过，则在客户端显示检验通过，否则显示准确性检验不通过。

4 结语

为了提高时间表异常发现的时效，保证地面应用系统正常运行，针对时间表异常这种情况研究了相关的检验技术，该检验技术分别从逻辑性和准确性两方面对时间表的内容进行检验，能准确检验出异常的时间表。本文技术检验的内容为时间表中的一部分内容，但可以随着地面应用系统需求的增加而增添检验内容，该技术具有良好的可扩展性。

参考文献：

[1]许健民，钮寅生，董超华，等.风云气象卫星的地面应用系统[J].中国工程科学，2007，8（11）：13-18.

[2]卢乃锰，董超华，杨忠东，等.我国新一代极轨气象卫星（风云三号）工程地面应用系统[J].中国工程科学，2012，14（9）：10-19.

[3]杨军，董超华.新一代风云极轨气象卫星业务产品及应用[M].北京：科学出版社，2011：23-24.

[4]杨军.气象卫星及其应用[M].北京：气象出版社，2012：141-178.

[5]丁溯泉，张波，刘世勇.STK在航天任务仿真分析中的应用[M].北京：国防工业出版社，2011.endprint