郭 強(qiáng), 韓 琦, 謝利子

(1.國家衛(wèi)星氣象中心 運(yùn)行控制室,北京 100081;2.中國氣象局中國遙感衛(wèi)星輻射測量和定標(biāo)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室,北京 100081)

氣象衛(wèi)星廣泛應(yīng)用于氣象業(yè)務(wù)、環(huán)境監(jiān)測、海洋監(jiān)測、防災(zāi)減災(zāi)和軍事等領(lǐng)域。靜止軌道氣象衛(wèi)星定點(diǎn)于赤道上空的地球同步軌道(Geostationary Orbit,GSO),可對覆蓋范圍內(nèi)的地球表面、大氣、海洋等進(jìn)行連續(xù)觀測,具有高時效、高頻次和全天候觀測的特點(diǎn)。我國已發(fā)展了風(fēng)云二號(FY-2)系列和風(fēng)云四號(FY-4)系列兩代靜止軌道氣象衛(wèi)星[1]。新一代FY-4氣象衛(wèi)星的主要任務(wù)是接替FY-2氣象衛(wèi)星,以確保我國靜止軌道氣象衛(wèi)星觀測業(yè)務(wù)的連續(xù)、穩(wěn)定,實(shí)現(xiàn)靜止氣象衛(wèi)星更新?lián)Q代,為天氣分析和預(yù)報、環(huán)境和災(zāi)害監(jiān)測等提供服務(wù)[2-3]。FY-4 A星和B星分別于2016年12月和2021年6月發(fā)射并投入應(yīng)用,與美國、歐洲等的國際同類衛(wèi)星相比,技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國際先進(jìn)水平。

根據(jù)氣象衛(wèi)星系統(tǒng)研制要求,在衛(wèi)星發(fā)射前地面系統(tǒng)調(diào)試和聯(lián)試過程中,需要利用衛(wèi)星模擬器對衛(wèi)星系統(tǒng)功能進(jìn)行模擬并輸出仿真數(shù)據(jù),以驗(yàn)證星地數(shù)據(jù)傳輸接口、原始數(shù)據(jù)接收與處理、遙控指令發(fā)送與比對、遙測數(shù)據(jù)解析與處理等功能是否完好。衛(wèi)星模擬器是氣象衛(wèi)星地面系統(tǒng)的重要組成部分,可為系統(tǒng)研制、仿真測試和聯(lián)調(diào)聯(lián)試提供支撐,在氣象衛(wèi)星工程研制和應(yīng)用過程中發(fā)揮重要作用。

隨著航天技術(shù)的發(fā)展,遙感、通信和導(dǎo)航等各類型號的衛(wèi)星任務(wù)不斷增多,相應(yīng)的衛(wèi)星模擬器研制和技術(shù)應(yīng)用也逐漸增多[4-6]。針對不同類型衛(wèi)星系統(tǒng),國內(nèi)外技術(shù)人員提出了面向功能方法、面向?qū)ο蠓椒?、軟件無線電方法等的設(shè)計理念[7-12]。文獻(xiàn)[13]等提出了一些衛(wèi)星模擬器的技術(shù)規(guī)范,探討了衛(wèi)星模擬器需求分析和設(shè)計的原則方法。目前,對于高時頻、高精度、大數(shù)據(jù)量的遙感衛(wèi)星,特別是氣象衛(wèi)星模擬仿真的相關(guān)研究還少有涉及。根據(jù)新一代FY-4靜止軌道氣象衛(wèi)星的特點(diǎn),在分析系統(tǒng)模擬仿真需求基礎(chǔ)上提出一種模塊化集成的氣象衛(wèi)星模擬器設(shè)計架構(gòu),研究了衛(wèi)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(shù)據(jù)仿真方法,最后探討了衛(wèi)星模擬器系統(tǒng)的測試和評估方法。

1 系統(tǒng)概況與仿真需求

1.1 衛(wèi)星功能與特點(diǎn)

FY-4衛(wèi)星系統(tǒng)由衛(wèi)星平臺和有效載荷兩部分組成。其中,衛(wèi)星平臺包括姿軌控、數(shù)管、測控、數(shù)傳、電源、天線和轉(zhuǎn)發(fā)等分系統(tǒng),有效載荷包括先進(jìn)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(huán)境監(jiān)測儀器(Space Environment Monitoring Instrument Package,SEP)等[14]。

FY-4衛(wèi)星為三軸穩(wěn)定姿態(tài)控制方式,采用高精度星敏感器和陀螺進(jìn)行姿態(tài)測量,利用動量輪組合進(jìn)行姿態(tài)控制,保證衛(wèi)星在軌運(yùn)行時的指向精度和控制穩(wěn)定度。三軸穩(wěn)定衛(wèi)星能裝載多種載荷,可對地球進(jìn)行凝視觀測,觀測范圍機(jī)動靈活,可實(shí)現(xiàn)三維探測,與自旋穩(wěn)定的氣象衛(wèi)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(biāo)和載荷輻射制冷器散熱需求。

FY-4衛(wèi)星系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要功能包括:對地表和大氣進(jìn)行多光譜、高頻次觀測,獲得高頻次的觀測數(shù)據(jù)和圖像;對大氣溫度和濕度參數(shù)進(jìn)行高精度、高分辨率的垂直結(jié)構(gòu)探測,在觀測區(qū)域范圍內(nèi)實(shí)時獲取閃電分布,服務(wù)天氣預(yù)報;監(jiān)測地球輻射、冰雪覆蓋、海面溫度、臭氧等,服務(wù)氣候預(yù)測;動態(tài)監(jiān)測沙塵暴、洪澇、干旱、積雪、植被等,服務(wù)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測;獲取空間環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù),為空間天氣預(yù)警預(yù)報、衛(wèi)星安全、通信導(dǎo)航保障提供數(shù)據(jù)支撐;具備衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)分發(fā)、地球環(huán)境數(shù)據(jù)收集和災(zāi)害預(yù)警信息發(fā)布能力。

圖1 FY-4衛(wèi)星系統(tǒng)組成

1.2 系統(tǒng)模擬仿真需求

針對FY-4氣象衛(wèi)星功能和技術(shù)特點(diǎn),需要在衛(wèi)星和地面系統(tǒng)工程研制的同時,開展衛(wèi)星模擬器的設(shè)計和研制。衛(wèi)星模擬器須具備遙測遙控功能模擬、數(shù)管功能模擬、數(shù)傳功能模擬、姿態(tài)源及軌道外推模擬和有效載荷數(shù)據(jù)模擬等基本功能。衛(wèi)星模擬器的主要功能和技術(shù)指標(biāo)須與正樣衛(wèi)星一致,以滿足星地系統(tǒng)的功能、流程和接口測試需求。

在系統(tǒng)的研制和測試過程中,需要利用衛(wèi)星模擬器接收地面系統(tǒng)發(fā)送的遙控指令,按照星地協(xié)議對指令進(jìn)行處理和校驗(yàn)返回;按照星上的數(shù)據(jù)格式,生成模擬的載荷、姿控、定位配準(zhǔn)和測控數(shù)據(jù),并通過模擬的數(shù)傳通道和測控通道向地面系統(tǒng)提供所需的遙測、數(shù)傳數(shù)據(jù),以此驗(yàn)證星地數(shù)傳數(shù)據(jù)接口和格式的匹配性、驗(yàn)證地面系統(tǒng)指令發(fā)送的正確性以及遙測數(shù)據(jù)處理、比對的時效性和正確性。利用衛(wèi)星模擬器對地面系統(tǒng)進(jìn)行全面的測試驗(yàn)證,為系統(tǒng)研制、仿真測試和聯(lián)調(diào)聯(lián)試提供支撐,保證衛(wèi)星發(fā)射后星地系統(tǒng)業(yè)務(wù)的成功運(yùn)行。

1.3 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

根據(jù)氣象衛(wèi)星系統(tǒng)模擬仿真需求,采用模塊化集成原則設(shè)計衛(wèi)星模擬器,系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。衛(wèi)星模擬器系統(tǒng)模塊包括遙測遙控模擬器、高速數(shù)傳模擬器、姿軌控模擬器、數(shù)據(jù)管理模擬器、控管一體化平臺等,各模塊配置靈活且易維護(hù)。系統(tǒng)接口包括數(shù)傳鏈路接口、測控鏈路接口、時統(tǒng)信號接口以及系統(tǒng)內(nèi)控制、狀態(tài)、數(shù)據(jù)包等交互接口。

圖2 衛(wèi)星模擬器系統(tǒng)架構(gòu)

衛(wèi)星模擬器可根據(jù)地面系統(tǒng)發(fā)送的遙控指令實(shí)時輸出相應(yīng)的載荷仿真數(shù)據(jù),驗(yàn)證遙測遙控功能,進(jìn)行遙測數(shù)據(jù)處理并下傳到地面系統(tǒng),生成載荷源包數(shù)據(jù),并通過中頻信號將X波段和Ka波段數(shù)傳數(shù)據(jù)發(fā)送到地面系統(tǒng),可模擬衛(wèi)星姿軌控系統(tǒng),驗(yàn)證衛(wèi)星姿態(tài)控制和精確測量等功能,驗(yàn)證有效載荷數(shù)據(jù)發(fā)送、接收、解調(diào)和處理功能。

2 衛(wèi)星功能模擬設(shè)計

2.1 遙測遙控模擬

遙測遙控模擬模塊實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星遙控、遙測功能,信號處理和接口的模擬功能,可驗(yàn)證星地測控數(shù)據(jù)接口和格式的匹配性,驗(yàn)證地面系統(tǒng)遙控指令發(fā)送以及遙測數(shù)據(jù)處理、比對的正確性。遙測遙控模擬器由中頻調(diào)制、中頻解調(diào)、遙控解調(diào)、遙測調(diào)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(shù)據(jù)的解調(diào),接收并解析直接指令或注數(shù)指令。解出上行指令碼對應(yīng)的指令類型和脈沖寬度,對遙控注數(shù)指令進(jìn)行幀同步、解擾、校驗(yàn)、符合性檢查。檢驗(yàn)測控流程并返回指令發(fā)送結(jié)果,同時將遙控指令轉(zhuǎn)發(fā)給數(shù)據(jù)管理模擬器進(jìn)行后續(xù)處理。遙測功能模擬遙測幀數(shù)據(jù)處理和下傳,可驗(yàn)證遙測數(shù)據(jù)返回、處理、比對和執(zhí)行的情況,驗(yàn)證地面系統(tǒng)遙測數(shù)據(jù)解調(diào)、傳輸、處理、存儲和分發(fā)接口的正確性以及流程的時效性。

信號處理與接口模擬衛(wèi)星與地面系統(tǒng)間的數(shù)模轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換,將地面上行遙控中頻信號變頻并解調(diào)出脈沖編碼調(diào)制(Pulse Code Modulation,PCM)碼流,將下行遙測PCM碼流調(diào)制變頻輸出中頻信號至地面系統(tǒng),接收B碼時統(tǒng)信號,通過時間同步交換機(jī)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)時間同步。

2.2 高速數(shù)據(jù)傳輸模擬

高速數(shù)據(jù)傳輸模擬采用國際空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(Consultative Committee for Space Data Systems,CCSDS)的高級在軌系統(tǒng)(Advanced Orbiting System,AOS)空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議[15]。主要功能是模擬X波段和Ka波段的數(shù)傳,提供X波段和Ka波段數(shù)傳接口,對衛(wèi)星模擬器載荷遙感數(shù)據(jù)等進(jìn)行格式化處理,完成數(shù)據(jù)幀的信道編碼和編碼后的信道調(diào)制,將基帶調(diào)制信號轉(zhuǎn)換成中頻調(diào)整信號,并完成數(shù)據(jù)傳輸。

高速數(shù)傳模擬器包括X和Ka數(shù)據(jù)的AOS格式化處理、編碼調(diào)制和上變頻等模塊,如圖4所示。首先,根據(jù)星上CCSDS AOS協(xié)議處理過程,完成載荷數(shù)據(jù)包等數(shù)據(jù)的虛擬信道復(fù)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(yàn)(Low Density Parity Check Code,LDPC)檢查代碼編碼方式完成數(shù)據(jù)幀的信道編碼,再按基帶調(diào)制方法完成編碼后數(shù)據(jù)的信道調(diào)制,最后通過中頻(Intermediate Frequency,IF)上變頻將基帶調(diào)制信號轉(zhuǎn)換成中頻調(diào)制信號,并通過中頻信號接口送入地面系統(tǒng),以驗(yàn)證中頻信號解調(diào)的正確性。高速數(shù)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(fù)責(zé)生成模擬姿態(tài)數(shù)據(jù)、軌道數(shù)據(jù)和姿態(tài)敏感器等數(shù)據(jù),接收并處理姿軌控相關(guān)遙控指令,實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星軌道、姿態(tài)初始參數(shù)、星敏感器工作狀態(tài)等設(shè)置,計算衛(wèi)星的實(shí)時姿態(tài)和軌道,并將姿態(tài)、星敏感器等按衛(wèi)星的通信協(xié)議以CCSDS格式進(jìn)行打包后發(fā)送到高速數(shù)傳模擬器。姿軌控模擬器的功能如圖5所示。

2.4 數(shù)管和控制功能模擬

數(shù)據(jù)管理模擬器負(fù)責(zé)模擬星上數(shù)管計算機(jī)的主要功能,可接收分發(fā)遙測遙控模擬器發(fā)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(chǎn)生的遙測信息進(jìn)行組幀、處理和發(fā)送;與測控、數(shù)傳、載荷和姿軌控等系統(tǒng)進(jìn)行信息交互,處理星務(wù)管理數(shù)據(jù)。

控管一體化平臺實(shí)現(xiàn)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(fā)送調(diào)度控制命令,接收各系統(tǒng)返回的工作狀態(tài)和參數(shù),提供系統(tǒng)通信與信息管理功能,監(jiān)視遙測遙控數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)設(shè)備工作狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)控,提供各類監(jiān)控信息的圖形化顯示功能,可擴(kuò)展配置以管理不同系統(tǒng)模塊。

2.5 有效載荷模擬及數(shù)據(jù)仿真

多載荷模擬實(shí)現(xiàn)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(shí)時輸出載荷仿真數(shù)據(jù)。多載荷模擬器可根據(jù)地面系統(tǒng)發(fā)送的遙控指令或控管一體化平臺發(fā)送的控制命令工作,利用載荷仿真數(shù)據(jù)生成相應(yīng)的科學(xué)源包數(shù)據(jù),將產(chǎn)生的科學(xué)源包數(shù)據(jù)逐路分包為SpaceWire包數(shù)據(jù)[16],并通過高速數(shù)傳模擬器發(fā)送至地面系統(tǒng),如圖6所示。

有效載荷的數(shù)據(jù)需要仿真生成并預(yù)存到衛(wèi)星模擬器中,衛(wèi)星模擬器根據(jù)姿態(tài)、軌道、熱變形、補(bǔ)償量計算得到載荷科學(xué)源包并輸出到地面系統(tǒng)。載荷數(shù)據(jù)仿真流程如圖7所示,首先獲取載荷觀測任務(wù)計劃和工作指令,根據(jù)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(shù)據(jù),進(jìn)行定位信息計算獲得經(jīng)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(shù)據(jù),利用參考通道數(shù)據(jù)生成無噪聲L1數(shù)據(jù),然后利用實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)系數(shù)將L1數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為L0數(shù)據(jù),最終獲得載荷源包仿真數(shù)據(jù)。

以AGRI的數(shù)據(jù)仿真為例,利用某通道亮溫數(shù)據(jù)進(jìn)行正演生成載荷仿真數(shù)據(jù)的過程如圖8所示。

圖8 AGRI數(shù)據(jù)仿真示意圖

3 系統(tǒng)測試與評估方法

根據(jù)衛(wèi)星模擬仿真需求,綜合考慮功能完整性、設(shè)計指標(biāo)符合性、系統(tǒng)可用性等因素,可建立衛(wèi)星模擬器的系統(tǒng)評估指數(shù),對系統(tǒng)效益進(jìn)行評價。系統(tǒng)評估指數(shù)δE可表示為

δE=ε1δF+ε2δP+ε3δA

(1)

式中:δF為功能完整性指數(shù);δP為設(shè)計指標(biāo)符合性指數(shù);δA為系統(tǒng)可用性指數(shù);εi(i=1,2,3)為各項(xiàng)指標(biāo)權(quán)值。

從系統(tǒng)架構(gòu)和各子功能項(xiàng)的角度對功能完整性進(jìn)行綜合評估。考慮系統(tǒng)架構(gòu)的合理性,并根據(jù)各項(xiàng)子功能的模塊數(shù)分配分值,對測控、數(shù)傳、姿軌控、數(shù)管等模擬功能進(jìn)行打分。功能完整性指數(shù)可表示為

(2)

式中:αS為權(quán)重因子;χS和χf分別為系統(tǒng)架構(gòu)評分和系統(tǒng)功能綜合評分;Ns為子系統(tǒng)數(shù);Mi為各子功能系統(tǒng)模塊數(shù);χij為各子功能系統(tǒng)模塊評分。

設(shè)計指標(biāo)符合性的評估考慮系統(tǒng)性能指標(biāo)、接口設(shè)計指標(biāo)、載荷數(shù)據(jù)符合性指標(biāo)等因素,如遙測誤碼率、遙控誤指令率、數(shù)傳碼速率以及載荷源包的傳輸速率與符合性等。設(shè)計指標(biāo)符合性指數(shù)可表示為

(3)

式中:M為指標(biāo)項(xiàng)總數(shù);σk∈[0,1]為各指標(biāo)項(xiàng)的單項(xiàng)評分。

作為數(shù)據(jù)源和驅(qū)動源,在系統(tǒng)聯(lián)試時衛(wèi)星模擬器需要保證連續(xù)穩(wěn)定的工作狀態(tài)。系統(tǒng)可用性采用平均失效前時間tMTTF和平均恢復(fù)時間tMTTR來描述,可表示為

(4)

利用該指標(biāo)可以評估系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和可維護(hù)性。

在地面系統(tǒng)聯(lián)試過程中,利用衛(wèi)星模擬器作為正樣衛(wèi)星仿真源,接收遙測遙控系統(tǒng)發(fā)送的遙控指令,模擬衛(wèi)星平臺工作方式和在軌運(yùn)行時的載荷觀測模式,輸出遙測數(shù)據(jù)和載荷仿真數(shù)據(jù)等,驗(yàn)證衛(wèi)星模擬器各項(xiàng)功能和性能指標(biāo),同時可驗(yàn)證數(shù)據(jù)分包與快視、預(yù)處理和產(chǎn)品生成等系統(tǒng)的接口和流程。衛(wèi)星模擬器參與地面系統(tǒng)聯(lián)試的系統(tǒng)連接狀態(tài)如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)聯(lián)試連接狀態(tài)

對于衛(wèi)星模擬器聯(lián)試應(yīng)用而言,功能完整性和設(shè) 計指標(biāo)符合性須符合系統(tǒng)設(shè)計要求,實(shí)際聯(lián)試中須保證平均7×24 h連續(xù)工作,平均恢復(fù)時間不超過3 h,即系統(tǒng)可用性達(dá)到98.2%以上。經(jīng)過系統(tǒng)初驗(yàn)和長時間的地面系統(tǒng)聯(lián)試,對該衛(wèi)星模擬器系統(tǒng)進(jìn)行了全面的評估測試,系統(tǒng)評估參數(shù)如表1所示。其中,功能完整性指數(shù)、設(shè)計指標(biāo)符合性指數(shù)總體達(dá)到設(shè)計和應(yīng)用要求,系統(tǒng)可用性達(dá)到98.6%,可保證連續(xù)7日平均無故障工作時間。系統(tǒng)具備衛(wèi)星主要遙測模擬功能,滿足聯(lián)試需求,可進(jìn)一步增配或全覆蓋模擬遙測波道。多載荷源包并行分發(fā)數(shù)據(jù)量大,載荷模擬器偶發(fā)輸出不穩(wěn)定,從數(shù)據(jù)處理流和傳輸策略方面優(yōu)化后,可改進(jìn)系統(tǒng)可用性。

表1 系統(tǒng)評估參數(shù)

4 結(jié)束語

從靜止軌道風(fēng)云氣象衛(wèi)星系統(tǒng)的功能特點(diǎn)和模擬仿真需求出發(fā),提出了衛(wèi)星模擬器模塊化集成設(shè)計架構(gòu)和衛(wèi)星主要功能系統(tǒng)模擬方法,研究了有效載荷功能模擬和數(shù)據(jù)仿真方法,在此基礎(chǔ)上建立了衛(wèi)星模擬器的系統(tǒng)評估指數(shù),以及衛(wèi)星模擬器參與地面系統(tǒng)聯(lián)試的方法。通過全面測試對系統(tǒng)功能、設(shè)計指標(biāo)和可用性等進(jìn)行了評估,評估結(jié)果表明該系統(tǒng)功能和性能符合要求,能夠滿足衛(wèi)星工程應(yīng)用需求。后續(xù)型號將考慮采用綜合電子技術(shù)進(jìn)一步整合功能模塊,提高系統(tǒng)效益。筆者的研究可為我國新一代氣象衛(wèi)星的研制和應(yīng)用提供有力支持。