辅助数据系统SPICE解析方法与研究

赵正旭 张强 梅成芳

摘 要： 航天任务的执行过程往往涉及到一系列的复杂操作，同时产生巨大的数据量。但目前航天领域缺少一套相应的辅助数据系统，使得用户在航天数据的分类管理和使用上有一定难度。针对这个问题，该论文研究了SPICE系统，包括系统的主要功能、环境和特点。概述了该系统的发展历程，介绍了系统的辅助数据、内核文件和应用流程。SPICE系统可以参与制定航天任务计划，在任务过程中观察几何数据和任务完成后分析数据，提高了对航天数据文件的重复利用率。

关键词： SPICE； 辅助数据； 航天数据； 航天任务

中图分类号：V19 文献标志码：A 文章编号：1006-8228（2018）10-15-04

Abstract： The execution of aerospace missions often involves a series of complex operations while generating huge amounts of data. However， at present， there is a lack of a corresponding auxiliary data system in the aerospace field， which makes it difficult for users to manage and use aerospace data. To address this issue， this paper studied the SPICE system， including the main functions， environment and features of the system. The development history of the system is outlined， and the system's auxiliary data， kernel files and application flow are introduced. The SPICE system can participate in the mission of space planning， observing geometric data during the mission and analyzing the data after the mission is completed. The system can increase the ability of reuse of aerospace data files.

Key words： SPICE； auxiliary data； aerospace data； aerospace mission

0 引言

大數据的迅速发展，使得传统的航天数据分析使用的图表[1]等数据可视化方法已经无法满足现如今航空航天发展对数据信息的处理能力[2]。在航天数据可视化不断发展的背景下，如果拥有一个类似于SPICE所建立的航天领域专门的函数库[3]，有助于提高我国航天能力的综合水平，对整体有一个大的提升，也会进一步提高航天可视化在深空领域探索的能力[4]。

我国航天运输系统的能力不断发展，最终要达到天地往返的水平 [5]，并且未来的航天测控系统必将发展成为天地空一体化协调发展[6]，这对航天数据管理和几何观测水平有了更高的要求。我国航天发展的速度也在不断加快，从航天大国发展为航天强国的道路上必然会对设备、技术等的要求也越来越高。如果没有一个专门用于航天领域的函数库，那么想从繁杂的数据中获取操作人员想得到的信息则会显得很困难[7]。在航天任务的实施过程中，得到航天器的信息并对下一步操作的判断尤为重要[8]，因为在深空探测领域中，对航天器的一个微小的操作都有可能会引来无法挽救的损失。

SPICE的产生是航天领域的一个重大突破，它是人们对航天发展思考的结果，从1991年发展到现在，SPICE参与了多项重大航天工程的事实足以证明它是成功的[9]。航天领域不同于其他领域，探索是困难且高投入的，它的高投入体现在社会的很多方面，例如资金，资源需求等方面[10]。航空航天的成功更是有助于增强全国人民的民族自信心和民族凝聚力，航空航天工业是一个国家工业化水平的重要标志，是一个国家创新能力的重要度量[11]。

1 SPICE的发展历程

1.1 SEDR系统

在SPICE创立之前，美国国家航天局（NASA）拥有一个系统名为SEDR（Supplemental Experiment Data Record）的系统。该系统是由JPL（Jet Propulsion Laboratory）负责建立和管理。对于SEDR系统，用户必须要将事先准备好的数据提供给该系统，一旦该系统开始运行，用户再想更改数据就变得困难，而且用户也很难更改项目工程的时间。这就使得如果在项目工程的实施过程中，当用户获取了更准确、更重要的数据时，再想将这些数据输入到SEDR系统中将变得复杂，这样一来所得的结果就无法保证其精准度。通常情况下，每段时间只能产生一个SEDR文件。对于SEDR而言，用户和实际操作系统的人是分开的，所以操作系统的人员有可能并不熟悉项目实施方案的流程，也不了解用户想得到的结果，而且SEDR还无法移植到其他系统，SEDR系统操作流程如图1所示。

1.2 创建SPICE系统

由于SEDR有以上所述的缺点，使得科学家有了创建SPICE的概念，他们想要建立一个更为高效的系统，能够在星际任务开始前做出科学数据分析，制定任务工作和目标。图2为SPICE系统最初操作流程。进行科学档案的准备，将数据进行归档。在任务完成以后，对整个任务周期的数据整理分析。这些就是最初的行星科学家建立SPICE系统的目的，即拥有SPICE内核文件和对该任务所收集的信息都放在任务操作中心，再由用户远程操控，在他们的软件模型中选择出所需的SPICE数据模型等信息，最终得到用户所想得到的结果。

SPICE建立的任务开始于1984年，该任务是在NASA所有分支中改进空间科学数据归档和分类的重大举措任务的一部分，如今的SPICE系统可以追溯到1991年左右。SPICE是太空飞船（Spacecraft）星系（Planet）设备（Instrument）相机矩阵（camera-matrix）事件（Events）这五个词语的英文首字母的缩写。它是NASA的NAIF（Navigation Ancillary Information Facility）部门负责开发并管理的用于星际探索任务的辅助数据系统。SPICE在NASA和其他许多美国和国际机构中用于组织，分类和获取与空间科学任务相关的辅助数据。用户可以从SPICE中获取星历文件，然后读取数据来得到深空探测领域中的行星、航天器等物体的数据，比如它们的位置，运行方向和速度。SPICE目前共有四种语言的系统，分别是Fortran、C、IDL和MATLAB，这四种语言都可以调用SPICE的内核文件。SPICE系统的主要组成部分是SPICE 工具包（Toolkit）软件和SPICE数据文件-通常称为“内核”。目前N066版本共有21个工具包软件，SPICE内核是其专门为航天领域所建立的数据文件。

SPICE能够在选定的时间内计算多种观察到的几何参数数据，它的观察数据都是在为了完成任务的基础上。选择需要观察的“几何事件”发生的时间，或者是发生该事件所需的“几何条件”产生的时间。用户可以观察到行星、人造卫星、彗星、小行星和宇宙飞船等物体的位置和速度，行星、卫星、彗星和小行星的大小，形状和方向，航天器及其本身的各种可移动部件（如人造卫星的太阳能电池板）的方向，还有航天器在行星表面或太空中的相对位置。

1.3 SPICE与SEDR相比的优劣势

优势：在SPICE中，用户的操作具有了更多的灵活性。在任务实施过程中，用户能够计算几何观测系统得到的几何参数，然后决定在何时用何种频率去计算这些参数。同时还可以计算这些参数的时间跨度，那么就可以将该数据用到SPICE中，这样将得到更精确的数据。有了这些精准的数据就可以对任务之后的操作有了明确的方向。用户还可以将这些使用过的工具在别的项目工程上重复使用，提高了软件的重复利用率，节省了资源。另外，用户还可以全面了解在几何计算中使用的算法和数据。飞行控制中心可以专注于生产更好的可用于SPICE内核的文件，而不用生产大量的SEDR文件并且还需随时更新它们。

劣势：SPICE比SEDR在技术层面上对用户有了更高的要求，使用它的用户必须要有很高的编程水平才能够读取SPICE数据，并且通过读取到的这些数据计算出用户自身所想得到的结果。飞行控制中心需要了解辅助数据内核文件才可以生产内核文件。

2 SPICE组成部分和环境特点及其应用流程

2.1 辅助数据

辅助数据，是辅助深空探测任务的制定、实施和分析等方面相对而言的数据。用户掌握它们能够帮助用户制定精确的深空探测计划，在项目开始到结束期间，可以观察它们（比如飞行器）的运行轨迹，速度大小，位置等信息，从而做出合理的操作。任务完成后，利用该任务的所有辅助数据，在SPICE中进行数据分析，为以后的深空探测任务提供经验。

辅助数据主要有六部分。一是指在观测行星和飞行器们相互之间采用何种相对框架，框架主要分为惯性框架和非惯性框架。二是航天器和太阳系各个物体之间的相对位置。三是在物体上建立空间直角坐标系；从而分析他们的运行方向。四是航天器和行星的大小和形状。五是航天器的视场及其指向。六是在时间方面进行转换，主要是协调世界时和世界时的转换。

辅助数据获取的途径很广，既可以是太空飞行器在深空探测的任务中传回的数据，也有来自飞行控制中心产生的，还有航天器和仪器生产部门提供的数据，再有就是从一些的科学协会与组织处获取数据。得到的这些数据后SPICE把数据整理形成稳定的文件数据类型，就是上面提到的SPICE内核。

2.2 SPICE数据文件

SPICE数据文件（内核）共有九类，每类文件都有其对应的内容。SPICE中的S（Spacecraft）对应的为SPK文件，它的主要内容有航天飞行器星历数据文件，行星、卫星、彗星和小行星星历数据和自定义的其他天体与以上天体相对位置数据。P（Planet）对应的是SPK和PcK文件，PcK文件的内容有行星、卫星、彗星和小行星的空间指向，大小和形状信息，还有这些天体的一些物理模型，如重力模型，环模型等参数。I（Instrument）对应的是IK文件，它的内容有仪器的视场、指向、形状和大小等信息，仪器的一些其他附加信息，如仪器内部时间。C（Camera-matrix）对应的是CK文件，它的内容有仪器所在平台（航天器等）的飞行姿态信息，一些其他相对框架信息。E（Events）对应的是EK，它的内容主要为三个“事件”：ESP：卫星和科学仪器指令事件，ESQ：航天器和仪器命令，ENB：实验记录和地面数据系统日志。还有其他的四类文件，FK的内容为框架信息，参考框架（坐标系）之间关系的定义和规范（“固定”和“动态”框架均可用）。LSK为闰秒制表，作用为将UTC与ET时间相互转换。SCLK内容是航天器时钟系数，用于SCLK和TDB（ET）时间转换。DSK是形状模型文件，图3为SPICE内核文件类型。

2.3 SPICE系统所需环境

SPICE支持的环境：

⑴ C、Fortran、MATLAB、IDL中的任意一种编译环境；

⑵ 硬件平台支持；

⑶ Linux和Windows还有Mac操作系统均可；

⑷ 32位或64位机均可。

2.4 SPICE系统特点

SPICE的可移植性较高，這使得它可以在不同的计算机之间相互移植。SPICE的工具包软件会不断更新，至今已是N066版本。SPICE提供给用户使用的代码全部经过专业测试，用户可以放心使用。

SPICE的向后兼容性良好，这使得旧版本的工具包软件向后百分百兼容。SPICE提供完整的源代码，并有详细的文档记录。提供广泛的面向用户的文档，比如文件使用的教程，应用程序使用的教程等。工具包软件内部还有异常处理，它是用来捕获大部分无效输入的。为了确保精确度，SPICE的数据计算全部采用双精度数值。

SPICE免费为个人用户开放。作为SPICE系统的重要组成部分，内核文件同样具有较高的可移植性，它们可以在计算机之间互相移植，并且它们是相互分离的，数据之间可以相互联系，也可以相互独立，这些都由用户自己决定，其关键在于所用的应用程序的要求。内核文件的可扩展性较高，用户可以在已有的内核文件中添加新的数据类型。

3 结论

SPICE从创立发展至今，已经成功参与多项重大航天工程，是一个实用的分类明确和高效的航天辅助数据系统，并且在多项重大工程中起到无法被替代的作用。随着我国的航天技术不断发展，传统的航天数据分类和分析的计算机技术将会得到挑战，这为航天技术人员提出了更高的要求，未来我国的航天发展到了更高的水平，也必将要有一个类似于SPICE的系统为航天任务保驾护航。所以，我国可以借鉴SPICE航天辅助数据系统中的优点，建立一个符合我国国情的类似于SPICE的系统将会有助于我国航天技术发展。

参考文献（References）：

[1] 苏丽，张博为，谌明等.大数据技术在航天领域发展与应用[J].遥测遥控，2015.36（2）.

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[4] W. Wang， W. B. Zhao， Z. X. Zhao. Research on an Adaptive Terrain Reconstruction of Sequence Images in Deep Space Exploration[J].Advanced Science and Technology Letters，2014.52（7）：33-41

[5] 张晓清，潘清，龚波.欧洲航天地面软件系统发展研究[J].装备学院学报，2015.26（2）.

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[8] Charles Acton， Nathaniel Bachman， Boris Semenov， et al. A look towards the future in the handling of space science mission geometry[EB/OL]. https：//www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0032063316303129，2016.

[9] Q. Xu， Z. X. Zhao， W. Wang. Volume-Based Data Representation of Big Data Analysis[J]， Advanced Materials Research，2013.798-799：680-684

[10] 張卓，任盈盈，朱会保.世界航空航天工业发展趋势及启示[J].航空科学技术，2012.4.

[11] 于志坚.我国航天测控系统的现状与发展[J].中国工程科学，2006.8（10）.