静止轨道风云四号气象卫星模拟器研究

郭 强, 韩 琦, 谢利子

(1.国家卫星气象中心 运行控制室,北京 100081;2.中国气象局中国遥感卫星辐射测量和定标重点开放实验室,北京 100081)

气象卫星广泛应用于气象业务、环境监测、海洋监测、防灾减灾和军事等领域。静止轨道气象卫星定点于赤道上空的地球同步轨道(Geostationary Orbit,GSO),可对覆盖范围内的地球表面、大气、海洋等进行连续观测,具有高时效、高频次和全天候观测的特点。我国已发展了风云二号(FY-2)系列和风云四号(FY-4)系列两代静止轨道气象卫星[1]。新一代FY-4气象卫星的主要任务是接替FY-2气象卫星,以确保我国静止轨道气象卫星观测业务的连续、稳定,实现静止气象卫星更新换代,为天气分析和预报、环境和灾害监测等提供服务[2-3]。FY-4 A星和B星分别于2016年12月和2021年6月发射并投入应用,与美国、欧洲等的国际同类卫星相比,技术指标达到国际先进水平。

根据气象卫星系统研制要求,在卫星发射前地面系统调试和联试过程中,需要利用卫星模拟器对卫星系统功能进行模拟并输出仿真数据,以验证星地数据传输接口、原始数据接收与处理、遥控指令发送与比对、遥测数据解析与处理等功能是否完好。卫星模拟器是气象卫星地面系统的重要组成部分,可为系统研制、仿真测试和联调联试提供支撑,在气象卫星工程研制和应用过程中发挥重要作用。

随着航天技术的发展,遥感、通信和导航等各类型号的卫星任务不断增多,相应的卫星模拟器研制和技术应用也逐渐增多[4-6]。针对不同类型卫星系统,国内外技术人员提出了面向功能方法、面向对象方法、软件无线电方法等的设计理念[7-12]。文献[13]等提出了一些卫星模拟器的技术规范,探讨了卫星模拟器需求分析和设计的原则方法。目前,对于高时频、高精度、大数据量的遥感卫星,特别是气象卫星模拟仿真的相关研究还少有涉及。根据新一代FY-4静止轨道气象卫星的特点,在分析系统模拟仿真需求基础上提出一种模块化集成的气象卫星模拟器设计架构,研究了卫星平台主要功能的模拟方法,以及有效载荷的功能模拟与数据仿真方法,最后探讨了卫星模拟器系统的测试和评估方法。

1 系统概况与仿真需求

1.1 卫星功能与特点

FY-4卫星系统由卫星平台和有效载荷两部分组成。其中,卫星平台包括姿轨控、数管、测控、数传、电源、天线和转发等分系统,有效载荷包括先进的静止轨道辐射成像仪(Advanced Geostationary Radiation Imager,AGRI)、干涉式大气垂直探测仪(Geostationary Interferometric Infrared Sounder,GIIRS)、快速成像仪(Geostationary High-Speed Imager,GHI)、闪电成像仪(Linghting Mapping Imager,LMI)、空间环境监测仪器(Space Environment Monitoring Instrument Package,SEP)等[14]。

FY-4卫星为三轴稳定姿态控制方式,采用高精度星敏感器和陀螺进行姿态测量,利用动量轮组合进行姿态控制,保证卫星在轨运行时的指向精度和控制稳定度。三轴稳定卫星能装载多种载荷,可对地球进行凝视观测,观测范围机动灵活,可实现三维探测,与自旋稳定的气象卫星相比能明显提高载荷对地观测效率。采用单边太阳电池阵可满足高精度定标和载荷辐射制冷器散热需求。

FY-4卫星系统组成结构如图1所示。主要功能包括:对地表和大气进行多光谱、高频次观测,获得高频次的观测数据和图像;对大气温度和湿度参数进行高精度、高分辨率的垂直结构探测,在观测区域范围内实时获取闪电分布,服务天气预报;监测地球辐射、冰雪覆盖、海面温度、臭氧等,服务气候预测;动态监测沙尘暴、洪涝、干旱、积雪、植被等,服务生态环境监测;获取空间环境监测数据,为空间天气预警预报、卫星安全、通信导航保障提供数据支撑;具备卫星遥感数据分发、地球环境数据收集和灾害预警信息发布能力。

图1 FY-4卫星系统组成

1.2 系统模拟仿真需求

针对FY-4气象卫星功能和技术特点,需要在卫星和地面系统工程研制的同时,开展卫星模拟器的设计和研制。卫星模拟器须具备遥测遥控功能模拟、数管功能模拟、数传功能模拟、姿态源及轨道外推模拟和有效载荷数据模拟等基本功能。卫星模拟器的主要功能和技术指标须与正样卫星一致,以满足星地系统的功能、流程和接口测试需求。

在系统的研制和测试过程中,需要利用卫星模拟器接收地面系统发送的遥控指令,按照星地协议对指令进行处理和校验返回;按照星上的数据格式,生成模拟的载荷、姿控、定位配准和测控数据,并通过模拟的数传通道和测控通道向地面系统提供所需的遥测、数传数据,以此验证星地数传数据接口和格式的匹配性、验证地面系统指令发送的正确性以及遥测数据处理、比对的时效性和正确性。利用卫星模拟器对地面系统进行全面的测试验证,为系统研制、仿真测试和联调联试提供支撑,保证卫星发射后星地系统业务的成功运行。

1.3 系统架构设计

根据气象卫星系统模拟仿真需求,采用模块化集成原则设计卫星模拟器,系统架构如图2所示。卫星模拟器系统模块包括遥测遥控模拟器、高速数传模拟器、姿轨控模拟器、数据管理模拟器、控管一体化平台等,各模块配置灵活且易维护。系统接口包括数传链路接口、测控链路接口、时统信号接口以及系统内控制、状态、数据包等交互接口。

图2 卫星模拟器系统架构

卫星模拟器可根据地面系统发送的遥控指令实时输出相应的载荷仿真数据,验证遥测遥控功能,进行遥测数据处理并下传到地面系统,生成载荷源包数据,并通过中频信号将X波段和Ka波段数传数据发送到地面系统,可模拟卫星姿轨控系统,验证卫星姿态控制和精确测量等功能,验证有效载荷数据发送、接收、解调和处理功能。

2 卫星功能模拟设计

2.1 遥测遥控模拟

遥测遥控模拟模块实现卫星遥控、遥测功能,信号处理和接口的模拟功能,可验证星地测控数据接口和格式的匹配性,验证地面系统遥控指令发送以及遥测数据处理、比对的正确性。遥测遥控模拟器由中频调制、中频解调、遥控解调、遥测调制以及测控模拟等部分组成,如图3所示。

图3 遥测遥控模拟器

遥控功能主要模拟遥控指令的接收和遥控数据的解调,接收并解析直接指令或注数指令。解出上行指令码对应的指令类型和脉冲宽度,对遥控注数指令进行帧同步、解扰、校验、符合性检查。检验测控流程并返回指令发送结果,同时将遥控指令转发给数据管理模拟器进行后续处理。遥测功能模拟遥测帧数据处理和下传,可验证遥测数据返回、处理、比对和执行的情况,验证地面系统遥测数据解调、传输、处理、存储和分发接口的正确性以及流程的时效性。

信号处理与接口模拟卫星与地面系统间的数模转换和模数转换,将地面上行遥控中频信号变频并解调出脉冲编码调制(Pulse Code Modulation,PCM)码流,将下行遥测PCM码流调制变频输出中频信号至地面系统,接收B码时统信号,通过时间同步交换机实现系统时间同步。

2.2 高速数据传输模拟

高速数据传输模拟采用国际空间数据系统咨询委员会(Consultative Committee for Space Data Systems,CCSDS)的高级在轨系统(Advanced Orbiting System,AOS)空间数据链路协议[15]。主要功能是模拟X波段和Ka波段的数传,提供X波段和Ka波段数传接口,对卫星模拟器载荷遥感数据等进行格式化处理,完成数据帧的信道编码和编码后的信道调制,将基带调制信号转换成中频调整信号,并完成数据传输。

高速数传模拟器包括X和Ka数据的AOS格式化处理、编码调制和上变频等模块,如图4所示。首先,根据星上CCSDS AOS协议处理过程,完成载荷数据包等数据的虚拟信道复用、组帧等处理,然后按照采用编码效率较高的低密度奇偶校验(Low Density Parity Check Code,LDPC)检查代码编码方式完成数据帧的信道编码,再按基带调制方法完成编码后数据的信道调制,最后通过中频(Intermediate Frequency,IF)上变频将基带调制信号转换成中频调制信号,并通过中频信号接口送入地面系统,以验证中频信号解调的正确性。高速数传正常情况下双路工作,可通过指令切换为单路工作。

2.3 姿轨控功能模拟

姿轨控模拟器负责生成模拟姿态数据、轨道数据和姿态敏感器等数据,接收并处理姿轨控相关遥控指令,实现卫星轨道、姿态初始参数、星敏感器工作状态等设置,计算卫星的实时姿态和轨道,并将姿态、星敏感器等按卫星的通信协议以CCSDS格式进行打包后发送到高速数传模拟器。姿轨控模拟器的功能如图5所示。

2.4 数管和控制功能模拟

数据管理模拟器负责模拟星上数管计算机的主要功能,可接收分发遥测遥控模拟器发送的遥控信息,生成各类返回包并填充至遥测帧;对不同工作模式下产生的遥测信息进行组帧、处理和发送;与测控、数传、载荷和姿轨控等系统进行信息交互,处理星务管理数据。

控管一体化平台实现模拟器各模块的集中管理,提供智能一体化的管理终端,向各模块发送调度控制命令,接收各系统返回的工作状态和参数,提供系统通信与信息管理功能,监视遥测遥控数据,实现设备工作状态、网络状态监控,提供各类监控信息的图形化显示功能,可扩展配置以管理不同系统模块。

2.5 有效载荷模拟及数据仿真

多载荷模拟实现星上AGRI、GIIRS、GHI、LMI、SEP等载荷功能的模拟仿真,模拟仪器工作模式,并行实时输出载荷仿真数据。多载荷模拟器可根据地面系统发送的遥控指令或控管一体化平台发送的控制命令工作,利用载荷仿真数据生成相应的科学源包数据,将产生的科学源包数据逐路分包为SpaceWire包数据[16],并通过高速数传模拟器发送至地面系统,如图6所示。

有效载荷的数据需要仿真生成并预存到卫星模拟器中,卫星模拟器根据姿态、轨道、热变形、补偿量计算得到载荷科学源包并输出到地面系统。载荷数据仿真流程如图7所示,首先获取载荷观测任务计划和工作指令,根据载荷工作指令生成遥感信息源包并填充时间、角度、工作模式等数据,进行定位信息计算获得经纬度、天顶角和方位角等信息,再通过大气辐射传输模型模拟背景数据,利用参考通道数据生成无噪声L1数据,然后利用实验室定标系数将L1数据转换为L0数据,最终获得载荷源包仿真数据。

以AGRI的数据仿真为例,利用某通道亮温数据进行正演生成载荷仿真数据的过程如图8所示。

图8 AGRI数据仿真示意图

3 系统测试与评估方法

根据卫星模拟仿真需求,综合考虑功能完整性、设计指标符合性、系统可用性等因素,可建立卫星模拟器的系统评估指数,对系统效益进行评价。系统评估指数δE可表示为

δE=ε1δF+ε2δP+ε3δA

(1)

式中:δF为功能完整性指数;δP为设计指标符合性指数;δA为系统可用性指数;εi(i=1,2,3)为各项指标权值。

从系统架构和各子功能项的角度对功能完整性进行综合评估。考虑系统架构的合理性,并根据各项子功能的模块数分配分值,对测控、数传、姿轨控、数管等模拟功能进行打分。功能完整性指数可表示为

(2)

式中:αS为权重因子;χS和χf分别为系统架构评分和系统功能综合评分;Ns为子系统数;Mi为各子功能系统模块数;χij为各子功能系统模块评分。

设计指标符合性的评估考虑系统性能指标、接口设计指标、载荷数据符合性指标等因素,如遥测误码率、遥控误指令率、数传码速率以及载荷源包的传输速率与符合性等。设计指标符合性指数可表示为

(3)

式中:M为指标项总数;σk∈[0,1]为各指标项的单项评分。

作为数据源和驱动源,在系统联试时卫星模拟器需要保证连续稳定的工作状态。系统可用性采用平均失效前时间tMTTF和平均恢复时间tMTTR来描述,可表示为

(4)

利用该指标可以评估系统的稳定性、可靠性和可维护性。

在地面系统联试过程中,利用卫星模拟器作为正样卫星仿真源,接收遥测遥控系统发送的遥控指令,模拟卫星平台工作方式和在轨运行时的载荷观测模式,输出遥测数据和载荷仿真数据等,验证卫星模拟器各项功能和性能指标,同时可验证数据分包与快视、预处理和产品生成等系统的接口和流程。卫星模拟器参与地面系统联试的系统连接状态如图9所示。

图9 系统联试连接状态

对于卫星模拟器联试应用而言,功能完整性和设 计指标符合性须符合系统设计要求,实际联试中须保证平均7×24 h连续工作,平均恢复时间不超过3 h,即系统可用性达到98.2%以上。经过系统初验和长时间的地面系统联试,对该卫星模拟器系统进行了全面的评估测试,系统评估参数如表1所示。其中,功能完整性指数、设计指标符合性指数总体达到设计和应用要求,系统可用性达到98.6%,可保证连续7日平均无故障工作时间。系统具备卫星主要遥测模拟功能,满足联试需求,可进一步增配或全覆盖模拟遥测波道。多载荷源包并行分发数据量大,载荷模拟器偶发输出不稳定,从数据处理流和传输策略方面优化后,可改进系统可用性。

表1 系统评估参数

4 结束语

从静止轨道风云气象卫星系统的功能特点和模拟仿真需求出发,提出了卫星模拟器模块化集成设计架构和卫星主要功能系统模拟方法,研究了有效载荷功能模拟和数据仿真方法,在此基础上建立了卫星模拟器的系统评估指数,以及卫星模拟器参与地面系统联试的方法。通过全面测试对系统功能、设计指标和可用性等进行了评估,评估结果表明该系统功能和性能符合要求,能够满足卫星工程应用需求。后续型号将考虑采用综合电子技术进一步整合功能模块,提高系统效益。笔者的研究可为我国新一代气象卫星的研制和应用提供有力支持。