航天器空间环境及效应监测数据集成化管理与处理系统

向树红，沈自才*，马 新，马子良，姜利祥，王世金，王 月

（1. 北京卫星环境工程研究所； 2. 数字太空（北京）智能技术研究院有限公司：北京 100094）

0 引言

航天器运行过程中所处的空间环境非常复杂，包括各种粒子辐射、电磁辐射、原子氧、温度交变等[1]。开展空间环境监测，获取有关空间环境及其效应数据，在工程上和科学上都具有重要意义：一方面，监测空间环境是分析空间环境对航天器影响、建立空间环境效应地面模拟试验方法，以满足我国长寿命卫星长期稳定运行的前提和基础；另一方面，所获取的空间环境数据可以作为空间天气预报和空间科学研究的重要数据补充，促进我国在空间环境监测技术和数据方面的国际交流；在科学上，监测空间环境也是研究天体物理、行星演化等的基础。

国外航天大国和机构利用LDEF[2]、MISSE[3]等任务进行了大量的空间环境与效应的在轨监测[4]，并建立了地面监测数据库，典型代表有空间环境异常专家系统[5]、NASA 的空间环境和影响（Space Environment Effects(SEE)）[6]项目数据库、ESA 的空间环境信息系统（SPENVIS）[7-8]等，但均不具备对空间环境与效应监测数据的快速处理与管理能力。我国也以搭载或专星的方式开展了多次监测[9-10]。但目前国内外主要是由空间环境与效应监测载荷研制单位开展相关的数据处理，而关于空间环境与效应监测数据的集成化管理与处理方面鲜有报道。

本文着眼于对空间环境与效应在轨监测数据进行快速处理、管理和实时监显，给出了空间环境与效应监测数据管理与处理系统的功能、软件架构和处理流程。

1 功能要求

航天器空间环境与效应监测数据管理与处理系统的主要功能要求如下：

1）具备空间监测数据管理能力；2）具备空间监测数据处理能力；3）具备对电子监测器、质子监测器、总剂量监测器、原子氧监测器、污染监测器、温度监测器、表面电位传感器等载荷的采集数据进行定量分析的能力；4）具备对地面标定数据的处理与分析能力；5）具备分析结果可视化的能力。

2 系统功能组成

监测数据处理与管理系统分为5 个子系统：空间数据管理子系统、空间数据处理子系统、空间数据综合分析子系统、地面标定数据处理分析子系统、分析结果可视化子系统。系统组成如图1 所示。

图1 空间环境与效应监测数据处理与管理系统组成图Fig. 1 Block diagram of the space environments and effects monitoring data management and processing system

1）空间监测数据管理子系统

空间监测数据管理子系统是对空间监测的数据进行管理，主要包括文件的导入管理、各级数据的操作管理、权限管理等。

数据文件导入模块：负责对数据文件导入的管理，包括对上传目录的管理、数据文件合法性的管理、数据入库管理和原文件的删除管理。

用户管理模块：主要对用户的权限和用户名、密码的管理。

数据基本管理模块：主要包括对数据的编辑、删除和保存的管理。

2）空间监测数据处理子系统

空间监测数据处理子系统是将导入的数据文件经过解包、数据清洗、物理量转换、业务处理等操作，完成对空间遥测数据的前期处理。

数据解包模块：接收下传的空间监测数据包，按照定义格式进行译码、解密、解包，解包后按各仪器标识形成仪器源包L0 级数据，即各监测器的原始分辨率数据文件。

数据清洗模块：通过对L0 级数据去误码、数据平滑和格式转换等处理后，结合定标定位等信息生成L1 级数据。

物理量转换模块：根据相应的科学算法，对L1 级数据进行处理，生成相关物理参数L2 级数据。

数据业务处理模块：根据用户需求，对L2 级数据进行业务数据生成、时间平滑等相关处理，生成业务需要的L3 级数据。

3）空间监测数据综合分析子系统

空间监测数据综合分析子系统对处理后的数据进行综合定量分析，从而得到分析结果。如可以给出电子和质子的通量及注量、污染沉积量的变化、表面电位及其变化等。

4）地面标定数据分析处理子系统

地面标定数据分析处理子系统对地面标定数据进行数据拟合分析、绘图显示、数据验证。

5）分析结果可视化子系统

分析结果可视化子系统主要对分析处理完的数据进行二维和三维显示。

3 系统软件架构

空间环境与效应监测数据管理与处理系统由界面层、应用层、适配层、存储层、算法层、硬件资源层和外部数据组成，系统软件架构如图2 所示。

图2 监测数据管理与处理系统架构Fig. 2 Architecture of the monitoring data management and process system

4 处理流程

外部监测数据经处理放入数据库，然后进行综合分析、管理和可视化展示。处理系统的信息流程如图3 所示。

图3 监测数据管理与处理系统信息流程Fig. 3 Information flow of the space environments and effects monitoring data management and processing system

5 功能实现

5.1 数据管理

数据管理主要包括数据统计、更新文件统计以及精细查找3 个功能。其中：数据统计可对数据进行统计管理，提供显示各类数据的总量，如图4 所示；更新文件统计提供显示上传文件记录；精细查找提供对各级数据的查找，并绘图显示。

图4 数据统计界面Fig. 4 Data statistics interface

5.2 数据处理

打开软件后，数据常规处理界面如图5 所示，可通过这个界面对监测数据进行上传处理和重新生成。

图5 数据常规处理界面Fig. 5 Interface of normal processing of data

5.3 综合分析

综合分析界面可对各类监测数据进行分析，包括对比分析、事件分析和空间分布3 个功能。其中：对比分析可对不同种类数据进行对比分析；事件分析界面提供用户存储空间环境事件数据的调取和查看；空间分布界面提供显示数据的空间分布显示，如图6 所示。

图6 空间分布界面Fig. 6 Spatial distribution interface

5.4 参数标定

参数标定主要对地面定标数据进行展示，并对标定数据进行分析验证，包括参数列表展示、地面标定分析以及参数分析验证等。其中：参数列表展示界面主要对用户配置的参数进行展示，如图7 所示；地面标定分析主要对地面标定数据进行绘图，并对数据进行拟合；参数分析验证主要对标定数据进行分析验证。

图7 参数列表展示界面Fig. 7 Parameter list display

5.5 环境监显

环境监显提供空间环境及效应监测二维展示（如图8 所示）、空间环境及效应监测三维展示（如图9 所示）和实体场景监控显示。

图8 数据监控界面Fig. 8 Data monitoring interface

图9 三维空间分布监测界面Fig. 9 Monitoring interface of 3D spatial distributions

6 结束语

本文从空间监测数据管理、空间监测数据处理、空间监测数据综合分析、地面标定数据分析处理、分析结果可视化5 个方面构建了空间环境与效应监测数据的管理与处理系统，其主要架构和功能包括：

1）软件接收的外部监测数据，经过空间监测数据管理子系统导入并分配后，由空间监测数据处理子系统进行数据处理，处理完的数据存入数据库；空间监测数据综合分析子系统对数据进行综合分析，并由地面标定数据分析处理子系统对数据进行拟合分析与验证，经可视化子系统对数据进行展示。

2）从界面层、应用层、适配层、存储层、算法层、硬件资源层和外部数据层面实现了系统的架构。

3）能够实现电子、质子、原子氧的通量和注量，温度及其变化率，表面电位及其变化率，辐照剂量率及电离总剂量，污染变化率及总污染等环境与效应等的实时监测和显示。

空间环境与效应监测数据管理与处理系统不但可以用于航天器在轨空间环境与效应的监测，也可以用作航天器在轨故障分析的依据。其能够实现对监测数据的快速处理和分发，具有较好的兼容性和可拓展性。