面向有效载荷的准实时在轨健康评估系统

王 羿，王凤阳，蒯文林，袁牧野，张 扬，王 冲，凌 霄，骆冬根，洪 津

（1.中国科学院 合肥物质科学研究院，安徽 合肥 230031；2.中国科学院 通用光学定标与表征技术重点实验室，安徽 合肥 230031；3.上海卫星工程研究所，上海 201109）

0 引言

卫星遥测数据通常由数管分系统或者综合电子（简称综电）分系统产生和收集，通过组帧编码后从星上下传到地面。遥测数据是监视卫星工作状态、评估健康状态、定位异常情况及故障分析的重要依据，及时获取并处理遥测数据是十分重要的。

对于健康监测系统或者遥测判读系统，国内外学者开展了较多的研究［1-4］。申思腾等［5］研究了光学测绘卫星遥测数据提取的方法，按照分包处理、分表存储管理的原理实现了遥测数据的快速提取。张维洲等［6］设计了遥测信息自动监视处理系统，根据卫星运行控制计划，进行了遥测仿真，将仿真值与实测值进行比较实现了自动预警和报警等功能。张海威等［7］利用北斗短报文进行卫星健康状态监控，提高了精细化管理的能力。其他研究学者则对遥测数据处理方法开展了研究。另外，北京航天指挥控制中心、西安卫星测控中心、上海卫星工程研究所，中国科学院空间中心运控室等单位和部门均部署了用于卫星遥测数据处理的系统，实现数据接收、解码和判读［8-12］。

遥测数据分为实时遥测、延时遥测和全球遥测3 类。其中全球遥测可以得到数据下传之前任何时刻的所有遥测数据，具有数据完整、覆盖时段完整的特点，但存在实时性一般的问题。作为卫星有效载荷（简称载荷）的研制单位或者部门，卫星转入长期管理阶段后，实时监视和评估载荷的健康状态通常比较困难。载荷研制方通常不具备型号总体或者地面测控系统等场所的条件，无法在卫星过境后实时看到遥测数据。因此，对全球遥测数据的处理和分析，成为评估载荷健康状态的主要手段。全球遥测数据下传后，存放在接入互联网的FTP 服务器上，载荷研制单位从服务器下载遥测源码，通过解析软件进行解析后得到遥测数据，判断载荷状态。遥测源码的命名通常由地面接收站代号和接收时间组成，具有文件数量多、单个文件数据量大等特点，设计准实时的自动化处理的健康评估系统替代人工处理遥测数据，具有重要的应用价值和现实意义［13-17］。

1 系统的组成和信息流

1.1 系统组成

健康评估系统由4 个部分组成，分别为遥测源码获取与存储模块、遥测值提取和解析模块、遥测数据判读分析和超限报警模块，以及曲线显示和数据输出模块。系统通过网页进行人机交互，网页上显示系统状态，遥测数据下载时间和解析情况，提示数据超限情况，以及曲线显示和数据导出。系统组成如图1 所示。

图1 软件系统组成框Fig.1 Block diagram of the software system

遥测源码获取与存储模块具有3 项功能，配置信息获取功能通过读取配置文件，得到FTP 地址、用户名和密码以及需要下载的文件等信息；服务器连接功能负责完成对FTP 服务器的连接；文件获取与保存功能完成遥测源码文件的下载和存储。遥测值提取和解析负责在遥测源码文件中找到载荷相关的遥测数据，并根据对应的公式解析成物理量。遥测数据判读分析和超限报警模块具有3 项功能，遥测数据判读功能将遥测物理量与正常值范围进行比较，如果超限则触发报警功能；遥测数据分析功能对遥测数据进行统计，分析和计算遥测源码中同一遥测的最大值、最小值和四分位数，如果数值变化则进行记录；超限报警功能通过短信和网页提醒2 种方式进行报警。曲线显示和数据输出模块则用于生成和显示遥测曲线及遥测数据输出。

1.2 系统信息流

系统信息流如图2 所示。

图2 软件系统信息流Fig.2 Flow chart of the software system

遥测源码获取和存储模块从FTP 服务器获取遥测源码文件，遥测值提取和解析模块将遥测源码解析成为物理量值。遥测物理量有2 个去向，一个是给曲线显示和数据输出模块进行绘图或者数据输出；另一个是提供给遥测数据判读分析和超限报警进行数据判读、分析。

2 系统各模块关键技术及实现

2.1 遥测源码获取和存储模块

遥测源码获取与存储模块是整个系统的数据来源，主要任务是与FTP 服务器进行通信和数据传输，包括配置信息获取功能、服务器连接功能和文件下载存储功能。FTP 服务器每天新建一个用年月日命名的文件夹，卫星数据下传后将遥测源码放入对应日期的文件夹，进行增量式更新，原有数据保持不变。

系统每隔30 min 的通过配置信息功能读入FTP 地址、用户名和密码等信息，通过服务器连接功能访问服务器，进行遥测源码的增量式下载。增量式下载算法流程如图3 所示。

图3 增量式下载算法流程Fig.3 Flow chart of the incremental download algorithm

增量式下载算法将本地文件与服务器文件进行比较，当文件名不一致时进行文件下载，即下载增量的文件，直到当天所有文件均下载完成。当下载过程中因为网络问题出现断连，遥测文件传输故障时，系统设计了故障处理方案：下载文件时连续请求服务器30 s 无数据，自动断开连接，删除未传输完成的文件，通过报警模块进行提示。由于系统每隔30 min 进行增量式下载，一次数据传输失败不影响遥测数据的接收。

2.2 遥测值提取和解析模块

遥测值提取和解析模块对遥测源码文件进行解析。遥测数据结构和帧格式是数据提取的基础。以大气环境监测卫星为例，遥测数据结构采用高级在轨系统（Advanced Orbiting System，AOS）数据结构，格式采用分层结构，符合国际空间数据系统咨询委员会（Consultative Committee For Space Data Systems，CCSDS）相关标准的规定。各层的数据结构及其关系如图4 所示。

图4 遥测数据结构Fig.4 Diagram of the telemetry data structure

图4 中物理信道访问协议数据单元（Physical Channel Access-Protocol Data Unit，PCA-PDU）由连续的信道访问数据单元（Continuous Channel Data Unit，CADU）组 成。每 个CADU 包含512 字节，由同步标志（4 个字节的固定值，与每个卫星有关）和虚拟信道数据单元（Virtual Channel Data Unit，VCDU）组成。VCDU 包含508 个字节，由主导头、插入域、数据域、操作控制域、差错控制域组成。在VCDU 的数据域构成了多路复用协议数据单元（Multiplex Protocol Data Unit，M-PDU），由导头和包区2 部分构成。用于将遥测包串联在同一VCDU 中进行传输。CCSDS 包逐包头尾相连，填满VCDU 的数据域。

载荷将自身遥测数据组帧后，通过1 553 B 总线发送给综电分系统，综电分系统将接收到的载荷遥测数据转存放入M-PDU 的包区，并增加帧格式中的其他内容构成一个CADU 帧。遥测值提取实际上是从CADU 帧找出特定字节的过程，而遥测值解析是将提取的二进制遥测值根据对应公式计算出对应物理量的过程。

遥测源码是二进制文件，基本单元为CADU。数据提取时，以512 字节为基本单位逐次从遥测源码文件中读取一帧CADU。根据帧格式，CADU 的第34 个字节（起始字节编号为0）至第505 字节为M-PDU 的包区，共计472 字节。载荷发送给综电分系统的遥测帧分为主导头和数据域2 部分，不同的载荷主导头不同，只要在包区部分搜索主导头即可找到载荷遥测帧，然后根据载荷设计的遥测编排结构提取出所有遥测对应的值。通常将遥测编排结构转换为索引表，软件根据索引表进行遥测解析，5条遥测信息的索引见表1，索引表中包含了全部遥测信息，每条遥测信息占一行，表1 给出了包含5 条遥测信息的索引表。

表1 遥测提取解析的索引表格Tab.1 Index table of telemetry data extraction and parsing

索引表中每一行表示一条遥测，起始字节确定遥测的位置；数据长度单位为字节表示该遥测的长度；公式编号用于二进制源码到物理量的解析，不同的遥测存在不同的计算公式，对所有公式进行编号，索引表中填入对应的数值，软件根据该数值调用对应的函数，返回值即为物理量；正常值范围供遥测数据判读和分析模块使用。遥测值提取和解析的过程是根据起始字节找到M-PDU 包区的位置，然后读取数据长度的参数，转换为十进制，根据公式编号找到对应的计算公式，获得物理量。遥测值提取和解析流程如图5 所示。

图5 提取和解析流程Fig.5 Flow chart of extraction and parsing

遥测值解析后，以数据表的形式存入关系型数据库管理系统MySQL 中。每一条遥测形成一套记录。记录中的字段包括下载时间、解析时间、遥测帧时间、遥测名称、遥测代号、遥测源码值、遥测解析值和判读结果。其中主键由解析时间、遥测帧时间和遥测代号3 部分形成的字符串构成，确保该条记录的唯一性，也可以保证同一个遥测源码文件多次解析时记录不发生冲突。

2.3 遥测数据判读分析和超限报警模块

遥测数据判读分析和超限报警模块将遥测物理量与正常范围进行比较，如果超限则进行报警。对同一文件同一遥测的所有遥测值进行分析，得到最大值、最小值和四分位数。

遥测分析算法描述如下：

1）将遥测数值从小到大排列得到一个数组，其数据总数量记为N；

2）取位置为1 的数得到最小值，取位置为N的数得到最大值；

3）取位置为N×0.25（向下取整）的数，得到第一四分位数；

4）取位置为N×0.50（向下取整）的数，得到第二四分位数，又称中位数；

5）取位置为N×0.75（向下取整）的数，得到第三四分位数。

在得出的最大值、最小值和四分位数后，将5 个参数与历史参数进行比较，如果出现变化则进行提示，并更新历史参数。

超限报警功能通过短信和网页提示2 种途径进行信息提示。短信仅用于遥测值超限。当遥测值在正常范围之外时，系统调用商用云平台的短信服务接口，对指定的手机号发送短信，内容包括时间、载荷名称、遥测名称和波道号，超限遥测值和正常范围值。网页提示功能对2 项内容进行提示：遥测超限报警和统计数据与历史数据不一致。网页报警通过弹窗的方式进行提示，内容包括时间、载荷名称、遥测名称和波道号，历史值、当前值或者超限遥测值和正常范围。

2.4 曲线显示和数据输出模块

曲线显示和数据输出模块包括2 项功能，曲线绘制和遥测数据输出。曲线绘制功能可以根据起止时间和波道号，获取1 个或者多个遥测数据并进行曲线绘制，曲线横坐标为时间，纵坐标为遥测值。输出功能用于遥测值输出，根据起止时间、波道号、遥测源码或者物理量等参数，生成csv 文件并输出。对于曲线显示和数据输出需要的参数，通过网页进行设置。

3 系统应用情况

在轨健康评估系统在大气环境监测卫星发射前研发完成并进入试运行阶段，利用整星真空试验和老炼试验电测的遥测源码作为数据源，在本地建立FTP 服务器进行测试。遥测提取解析索引界面如图6 所示。

图6 遥测提取和解析界面Fig.6 Interface diagram of telemetry data extraction and parsing

图6 中按照遥测格式编排确定了载荷遥测代号、名称、起始字节长度、字长和解析公式编号，其含义与表1 一致。遥测曲线绘制功能如图7 所示。

图7 遥测曲线Fig.7 Telemetry curves

将整星真空试验15 天共计1.10 GB 遥测源码数据、整星老炼试验14 天共计1.04 GB 数据放入本地FTP 服务器对系统进行测试。，结果表明，该系统可以正确解析载荷的遥测数据，可以根据正常范围进行判断，对于因综电分系统切权造成的遥测跳变，系统均进行了告警，漏警概率和虚警概率均为0。该系统的测试成功为发射后载荷状态评估打下了基础。

4 结束语

本文针对全球遥测的特点，设计了一种在轨健康评估系统，具有遥测源码获取、提取、解析、判断、统计和输出等功能，能够准实时的全面评估有效载荷的状态，与实时遥测和延时遥测的评估手段相互补充。后续研究将结合载荷遥测数据特点和变化规律，挖掘遥测中蕴含的信息，开展关联遥测判读功能，以适应不同工作模式和工作状态遥测判据不同的情况，从而实现对未来状态的精确预测及故障的预警。