卫星地面数据接收站频谱集中监视平台方案设计*

缪 霖，陶孙杰，何 玉

(中国西南电子技术研究所，成都 610036)

0 引 言

近年来，各个国家分别在低轨星座建设领域进行了竞争，例如美国的OneWeb星座、Starlink星座，以及中国的“鸿雁”星座、“虹云”星座等[1-2]。空间互联网星座系统作为国家空间信息基础设施的重要组成部分，纳入了“新基建”范畴[3]。卫星数量增加和卫星能力增加带来了地面数据接收站的扩充，各地面站通过集中监控管理系统对各个地面站多路数据接收、记录、传输等进行监控管理[4-5]。面向多星多站多任务的趋势，数据接收任务过程中的频谱图像集中监视和频谱数据存储管理的需求也在逐步增加。

国内针对频谱数据的监视与处理有多方面的研究。文献[1]从频谱图像的角度进行了频谱检测的研究，使用计算机视觉和机器学习相结合的方法进行频谱感知和异常识别。文献[6]针对频谱数据量大的问题，提出了基于张量分解的频谱数据压缩方案解决高阶数据冗余压缩问题。文献[7]针对单一的频谱数据来源，将监测软件嵌入到硬件设备中，提出了一种对频谱数据进行信号识别获得特征参数的算法，从而对监测的异常信号发出告警。文献[8]给出了由变频与校准+频谱分析+显示与控制等单元模块组成的系统硬件设计结构，实现了船载卫星通信多路频谱信号的在线监视。文献[9]在无线电监测领域，针对移动式智能检测终端与固定式监测接收机的频谱数据提出了标准化接口采集频谱数据的方案，实现了多源数据的采集、转换和分析。但是，文献[1,6-7]主要基于频谱数据进行深入压缩或异常分析；文献[8-9]提出了多源/多路频谱监视的思想，未对频谱数据基于任务驱动的多站多频谱设备数据的采集、存储、显示、回放进行系统性的设计。

本文根据频谱集中监视的需求提出了频谱集中监视平台的方案设计，采用以实际卫星数据接收任务为驱动，自动化调度多路异构频谱设备进入就绪状态，完成任务时数传/跟踪信号频谱数据的采集、解析、存储、编目和集中监视，便于任务时根据频谱曲线变化快速发现问题。通过事后数据回放分析，为管理人员复盘任务提供依据，为提升数据接收与跟踪质量，提高多站协同工作效率提供保障。

1 系统工作原理

本文提出的频谱集中监视平台依托地面站任务，围绕频谱数据监视要求，完成数据采集、解析、展示、编目、回放等业务，平台工作原理如图1所示。图1中涉及的角色如下：

站网操控中心：对地面站卫星数据接收任务进行综合管理，对频谱集中监视平台下达工作计划，明确频谱采集显示要求的系统。

频谱集中监视平台：对频谱数据按需采集，按照工作计划存储频谱数据，对频谱数据统一管理。

频谱监视设备：接入地面站信号，生成并提供频谱数据。

监视分析人员：监视频谱数据，对频谱数据通过事后回放分析。

图1 系统工作原理示意图

根据图1所示工作原理，频谱集中监视平台接收站网操控中心下达的工作计划，根据工作计划进行任务调度，在任务准备期间与各地面站各路数传/跟踪信号的频谱设备建立数据连接，明确频谱设备的信号来源，设置频谱监视设备的数据采集参数。频谱集中监视平台在各地面站跟踪卫星接收数据时，采集各路频谱数据，辅助监视分析人员监视任务执行情况，对任务期间频谱数据编目保存。任务结束后，将频谱数据编目信息反馈站网操控中心，对频谱监视设备复位。监视分析人员在事后对任务数据回放分析，为任务复盘提供依据。

在整个监视过程中，系统包括空闲、任务和回放三种状态，这三种运行状态互斥。平台启动后默认进入空闲状态，以启动时默认配置模式获取频谱监视设备的数据并显示。系统根据接收到的工作计划在指定时段将平台切换为任务状态，该状态下，平台自动完成设备参数控制，完成指定任务设备的频谱图形显示、频谱数据存储、频谱曲线保存。监视分析人员可按需进入回放状态，手动选择一台设备或一组任务回放已有频谱数据。当到达任务执行时间，但系统仍设置为回放状态时，系统可以自动切换到任务状态，或由操作员根据提示人工切换到任务状态。系统运行状态如图2所示。

图2 系统运行状态图

2 平台组成

频谱集中监视平台包含信息交互模块、任务调度与管理模块、频谱显示与控制模块，模块组成及内部交互如图3所示。

图3 平台组成图

信息交互模块完成与频谱监视设备和站网操控中心的信息交互，包括仪器访问单元、频谱数据接收单元、频谱设备控制单元、计划交互单元。仪器访问单元实现建立与不同频谱监视设备通信连接关系，维护通信连接参数的配置信息。频谱数据接收单元是可扩展的集合，可根据不同厂商频谱设备的数据协议对频谱数据进行解析。频谱数据控制单元是可扩展的集合，将平台的控制协议转换成不同的控制指令，通过仪器访问单元下发至不同设备。计划交互单元建立与站网操控中心的连接，接收工作计划信息，通知任务调度与管理模块，向站网操控中心反馈计划信息接收情况，在任务结束后反馈频谱数据编目信息。

任务调度与管理模块完成任务的保存、冲突检测、执行监视与数据记录，包括任务管理单元、任务调度单元、频谱数据存取单元、频谱数据维护单元。任务管理单元实现工作计划的解析与存储管理，对任务冲突情况进行检测、提示和反馈。任务调度单元实现根据工作计划的时间要求启动/结束任务，在任务准备时自动对频谱设备关联信号链路并设置参数，任务时存储频谱数据，任务后发起任务结束通知至各模块/单元。频谱数据存取单元实现频谱数据的存储，根据请求对历史数据查询。频谱数据维护单元对数据进行编目，监视数据磁盘的占用率，按策略迁移或清除历史数据。

频谱显示与控制模块是人机交互核心，显示多路频谱数据，并通过界面控制频谱设备参数和回放任务数据，包括频谱设备显示单元、频谱设备多窗口管理单元、频谱图像存储单元、回放控制单元。频谱设备显示单元是单个频谱设备的管理界面，显示设备采集的信号频谱，可打开操控窗设置频谱设备参数并下发。频谱设备多窗口组织管理单元可控制主界面频谱数据显示路数，采用层叠、平铺等显示方式，支持单屏或双屏显示。频谱图像存储管理单元实现频谱图像的本地存储和图像文件编目。回放控制单元实现频谱数据按设备/任务、时间段回放，回放过程中设置回放速率、跳转到指定播放时刻。

3 系统业务流程设计

3.1 任务接收与执行流程

任务接收与执行流程主要是接收工作计划、完成频谱设备的预置，在任务时接收数据并保存，任务结束后对设备复位，形成结果报告。流程如图4所示。

图4 任务接收与执行流程

频谱集中监视平台接收站网操控中心的工作计划，包括卫星代号、作业天线、跟踪起止时间、接收起止时间，以及各频谱设备的信号链路、中心频率和带宽。系统对计划进行冲突检测，若在一段时间范围内，下达的计划与现有计划使用了同一个站的同一台频谱设备，则系统因无法安排新的计划而终止流程，同时反馈拒绝原因，要求站网操控中心重新安排工作计划。

计划正常接收后，当到达任务准备开始时刻时，系统根据工作计划要求进行任务调度，自动发起各频谱设备的数据端口连接，切换信号矩阵关联卫星下行信号链路，设置频谱设备的参数(中心频率、带宽、参考电平等)。任务启动后，开始记录各站各路频谱设备的频谱数据，并在显著位置排列显示频谱数据对应的图像和频谱信号链路(下行通道、接收旋向、输出频段等)。监视分析人员可根据频谱数据对接收/跟踪状态进行辅助分析，进行频谱图像截取、频谱数据标记等操作。

任务结束后，频谱集中监视平台复位频谱设备，停止记录频谱数据，向站网操控中心发送工作结果报告，站网操控中心人员根据报告中的频谱数据文件编目信息按需下载数据文件应用。

3.2 频谱数据处理流程

频谱数据处理流程包括实时接收处理和文件数据回放处理两类流程。

实时接收处理流程由频谱集中监视平台根据任务驱动或操作员控制发起与频谱设备的连接申请，连接成功后，实时获取原始频谱帧数据，平台将帧数据转换为结构化频谱数据，推送到监视分析人员前端显示，同时根据数据存储要求，按照地面站、设备、任务等分类编目存储频谱数据文件。断开与频谱设备连接后，频谱数据显示与存储停止。

文件数据回放流程由操作员发起，获得文件编目信息，指定数据回放时段和回放速率，选择将要回放的数据文件集合读取并解析，平台对多台频谱设备的采集时刻按照时间顺序加载，在前端以相同时间轴分设备同时回放。

4 平台实现与应用

4.1 平台体系结构

频谱集中监视平台采用C/S体系架构，服务端部署在频谱监视服务器上，负责频谱数据处理和任务流程；客户端可同时部署在多台计算机上，负责频谱显示和人机交互。

4.2 数据存储方式

频谱数据的存储采用两种方式。一是任务启动后，频谱集中监视平台采集频谱数据，并自动存储频谱数据。二是操作员通过打开客户端界面，指定设备和存储时长，发起频谱数据存储请求后，系统进行数据记录；或指定显示的图形，以JPG图像文件方式截图存储到本地。

数据保存为文本文件，文件头包括任务名、站名、天线、输出设备、信息来源、频谱名称、开始时间、结束时间。频谱数据有多行，每一行为：保存时间/中心频率(MHz)/带宽(MHz)/参考电平(dBm)/刻度(dB)/分辨带宽(MHz)/视频带宽(MHz)/采样周期(ms)/采集数据个数/各数据点。

频谱数据以文件方式存储在磁盘上，在任务完成后，将频谱数据存储路径以任务结果形式发送到站网操控中心并关联到任务。

4.3 数据展示实现

在频谱数据展现的实现上，平台采用“井”字型方式展现显示频谱图像，支持放大显示一路、两路、四路、六路频谱图像。多路图像可以同时接收实时数据，也可以同时回放多组数据。每路频谱图像能够放大显示，支持频谱图形显示和频谱控制显示两种方式之间切换：频谱图形方式仅显示频谱图像，隐藏频谱参数控制区域及频谱属性显示区域；频谱控制方式显示频谱图像和频谱参数控制区域、频谱属性区域。

4.4 平台运行效果

频谱集中监视平台运行效果如图5所示，平台同时执行两个任务，监视了西北站和西南站各两台频谱设备。此时两个站正分别执行Sat01卫星和Sat02卫星数据接收任务，各频谱设备的窗口展示实时频谱数据，同时标注执行上述任务时频谱数据对应的信号链路。

图5 四路频谱图像显示效果图

5 结 论

本文提出了一种卫星地面数据接收站的频谱集中监视方案，阐述了系统工作原理、平台组成、主要业务流程、数据展现、数据存储等实现方法，并据此构建了频谱集中监视平台，实现了按任务的多路频谱数据集中监视和管理，同时能够对历史任务数据回放，提高了频谱数据集中监视能力。