基于出口遙感衛星移動接收站站監控軟件設計

李 爽

(航天恒星科技有限公司，北京 100086)

0 引言

2011年4月10日 HJ-1A衛星泰國接收站工程建設項目在泰國曼谷驗收交付，是我國首次實現了衛星遙感地面接收站整套系統海外出口，HJ-1A 衛星地面系統對衛星遙感數據進行接收數據、處理和分發[1]。2012年9月29日，我國為委內瑞拉發射委內瑞拉遙感衛星一號，這是我國首次向國際用戶提供遙感衛星整星出口和在軌服務，建設遙感數據接收地面固定站，后為巴基斯坦發射遙感衛星巴遙一號，為其建設遙感衛星數據接收固定站和移動車載接收站，以及援烏拉圭氣象車載移動站和援博茨瓦納氣象車載移動站等，實現了遙感衛星移動接收站的自動化運行調度[2]和數據接收。

衛星數據移動接收站具備地面接收覆蓋區域大、機動接收能力強，滿足遙感衛星全天候、全天時數據接收的要求[3]。考慮室外天線的物理環境和電磁環境，移動接收站在確保通信業務穩定運行情況下，選擇地貌條件好，周邊無建筑物遮擋的位置?？勘憧筛鶕祿邮杖蝿者M行遙感衛星數據接收[4]。移動接收站執行的數據接收任務來自外部業務運行系統，但是民用移動接收站通常無外部業務運行系統為其發送遙感衛星數據接收任務，需要人工操作創建數據接收任務，任務創建操作繁瑣，不能有效利用接收站的接收能力。針對無外部業務運行系統的移動接收站，提出了能夠以自動規劃工作模式運行的站監控軟件設計，實現定時啟動任務規劃作業為移動接收站規劃加載遙感衛星數據接收任務，自動化調度天伺饋子系統、信道子系統和記錄與快視子系統進行遙感衛星數據接收及數據處理。提高了移動接收站的利用率，保障衛星數據接收的持續性。

1 移動接收站站監控軟件需求分析

移動接收站包括站監控子系統、天伺饋子系統、信道子系統、記錄與快視子系統、資料處理子系統以及技術支持子系統[5-6]，移動接收站系統組成如圖1所示。技術支持子系統的時統設備[7]向移動接收站提供授時和站址服務。站監控子系統根據衛星數據接收任務自動化調度天飼饋子系統、信道子系統、記錄與快視子系統進行遙感衛星數據接收，實時監視接收站內各子系統硬件設備的狀態信息和故障信息。為提高移動接收站全自動化運行水平，實現有人值守無人操作的工作模式，對站監控子系統站監控軟件的技術要求包括了支持本地和遠程任務、數據管理、軌道預報、監控管理和任務調度[8-9]。

圖1 移動接收站系統組成結構圖

圖2 站監控軟件組成關系圖

1)支持遠程和本地任務：移動接收站本地使用軌道預報服務定時或人工計算遙感衛星數據接收任務，或者將移動接收站接入外部業務運行系統工作環境，接收業務運行系統遠程下發的衛星數據接收任務。

2)數據管理：主動連接軌道數據參數網站下載衛星軌道數據并存儲管理，通過時統設備獲取接收站站址信息并存儲管理，根據數據維護策略自動化完成各類數據的管理。

3)監控管理：通過可視化界面集中監控設備狀態和工作參數，執行衛星數據接收任務自動化配置設備工作參數。

4)軌道預報：利用衛星軌道數據和站址信息計算衛星數據接收任務和軌道預報數據。

5)任務調度：執行衛星數據接收任務，利用任務節點矩陣驅動數據接收流程，自動調度站內各子系統完成數據接收工作。

2 關鍵技術設計

站監控軟件主要由監控管理、軌道預報、數據管理、任務規劃、任務調度和圖形界面組成如圖2所示。站監控軟件以C/S架構設計，采用面向服務的設計思想，基于OSGI(open service gateway initiative)技術實現，將軟件組件服務化，使應用服務具備可插拔特性[10-11]，圖形界面為站監控軟件的前端界面顯示模塊，其他組成站監控軟件的后臺服務組件，部署于站監控服務器，后臺服務組件的運行環境適用于Windows和Linux平臺[12]。在網絡環境允許的情況下，在任何計算機終端部署前端界面顯示模塊都可通過網絡與站監控服務器上部署的后臺服務進行數據通信，實現遠程操作，監視和控制站內各子系統設備的運行狀態和工作參數。站監控軟件定時啟動任務規劃作業，從數據管理中獲取當前移動接收站的坐標位置和衛星軌道數據，調用軌道預報進行衛星任務計算，根據衛星接收優先級、規劃篩選規則以及時間沖突檢測，編排加載衛星接收任務，同時向前端界面推送規劃結果列表，并由任務管理界面負責顯示接收站所有接收任務信息。接收站執行衛星數據接收任務，由站監控軟件的任務調度統一觸發各服務組件工作，監控管理自動化設置各子系統設備工作參數，軌道預報為天飼饋子系統計算天線程引文件，向記錄與快視子系統發送數據記錄任務，調度接收站各子系統完成衛星數據接收任務。

2.1 工作模式設計

根據衛星數據接收任務來源，站監控軟件設計兩種工作模式，自動規劃模式和入網運行模式如圖3所示。站監控軟件設置為單模式運行，數據接收任務為自動化創建或遠程接收，同時支持人工操作任務創建功能界面計算生成數據接收任務，加載并執行衛星數據接收工作。

圖3 工作模式設計圖

1)自動規劃模式：

自動規劃模式是指移動接收站的工作環境沒有外部業務運行系統為其下發衛星數據接收任務，利用站監控軟件計算衛星數據接收任務。

在移動接收站需要變更地理位置執行自動規劃模式前，操作員通過前端界面一鍵取消站監控軟件加載的全部未執行任務，移動接收站確認?？课恢煤?，通過前端界面設置工作模式為自動規劃模式，通過一鍵觸發啟動任務規劃作業，立即規劃接收站衛星數據接收任務，向技術支持子系統獲取移動接收站的地理位置信息，包括經度、緯度和高度，獲取衛星信息列表，根據最新的站址信息和軌道數據計算衛星數據接收任務表，對所有衛星任務信息進行優先級排序、規劃篩選規則以及時間沖突檢測形成最終的移動接收站衛星數據接收任務，通過任務管理界面查看站監控軟件規劃加載的衛星數據接收任務列表。

站監控軟件的工作模式為自動規劃模式時，定時啟動衛星數據接收任務規劃作業，將規劃完成的衛星數據接收任務形成可擴展標記語言(XML，EXtensible markup language)任務文件，放置在站監控軟件的文件工作目錄，站監控軟件對任務文件解析讀入，創建任務接收調度流程，啟動任務準備節點時間戳，定時觸發接收任務流程完成自動化調度工作。站監控軟件與接收站內各子系統接口形式為SOCKET+XML，通過文件傳輸協議(FTP，file transfer protocol)向站內子系統發送任務信息XML文件，接收子系統傳輸的XML回執文件。通過SOCKET[13]與站內各子系統完成監控通信。

2)入網運行模式：

入網運行模式是指移動接收站接入外部業務運行系統工作環境，外部業務運行系統向移動接收站發送衛星數據接收任務。

在移動接收站需要變更地理位置執行入網運行模式前，操作員通過前端界面一鍵取消站監控軟件加載的全部未執行任務，在移動接收站確認停靠位置后，一鍵切換入網運行模式，站監控軟件通過技術支持子系統上報的監視信息獲取移動接收站地理位置，更新接收站的站址信息。入網運行模式下接收的衛星接收任務優先級較高，如移動接收站本地創建衛星數據任務與業務運行系統下發的遠程任務時間沖突，則進行自動取消，加載業務運行系統下發的衛星數據接收任務，加載完成啟動任務準備節點時間戳，定時執行任務調度流程。

業務運行系統通過FTP向站監控軟件傳輸衛星接收任務XML文件。站監控軟件接收到衛星數據接收任務文件解析讀入，生成任務接收回執XML文件，向業務運行系統的FTP傳輸文件，通知業務運行系統衛星數據接收任務接收結果。

2.2 數據管理設計

數據管理主要是衛星信息、站址信息、衛星軌道數據的管理以及其他各類數據的自動化維護與管理。站址信息和軌道數據是軌道預報時的輸入信息，站址信息的正確性和衛星軌道數據的時效性決定了移動站衛星數據接收任務規劃的有效性。

1)衛星信息管理：

衛星信息管理是移動接收站支持數據接收的衛星信息的管理。衛星信息包括北美防空司令部(NORAD)給出的衛星編號、衛星代號、衛星系列及任務規劃標識等信息，站監控軟件使用衛星編號和衛星代號為輸入條件，從以太網自動獲取軌道數據。

2)軌道數據管理：

軌道數據管理主要對兩行數據進行管理，軌道數據主要來自以太網和外部業務運行系統。在站監控軟件的工作模式為自動規劃模式時，定時通過以太網獲取衛星的軌道數據，將網絡數據流寫入文件，放入站監控軟件的文件工作目錄，站監控軟件對衛星的軌道數據文件進行讀取存儲。當移動接收站接入外部業務運行系統工作環境時，由外部業務運行系統將衛星兩行數據文件通過FTP傳輸給站監控軟件，站監控軟件對軌道數據文件讀取存儲。除了自動化獲取衛星軌道數據，支持通過軌道數據管理界面手動輸入軌道數據。

3)站址信息管理：

站址信息管理是對移動接收站當前地理位置信息的管理，包括經度、緯度和高度。站址信息通過技術支持子系統中時統設備獲取，時統設備每秒主動向站監控軟件上報時間信息和地理位置信息。站址信息更新有兩種情況，一種是切換工作模式或一鍵啟動任務規劃作業時，站監控軟件會根據時統設備上報信息自動更新保存站址信息，另一種是通過站監控軟件站址管理界面，人工觸發站址獲取按鈕，自動獲取時統設備上報的地理位置信息更新站址信息，同時允許使用編輯按鈕手動編輯站址信息。

4)信息自動化維護和管理：

信息自動化維護是對站監控軟件中各類文件以及數據庫內存儲的數據進行自動化管理和維護。對站監控軟件的配置信息進行周期性備份管理，防止服務器異常文件損害，操作失誤修改配置信息，影響軟件正常運行等。根據預置的維護策略，對各類文件和數據庫中的數據進行自動化刪除，避免數據過多占用存儲空間。信息的自動化維護策略全部可配置，根據文件和數據的存儲時效范圍，超過一定時間的文件和數據定時自動刪除，同時支持通過信息自動化管理界面人工一鍵維護數據。

2.3 軌道預報設計

軌道預報主要是衛星數據接收任務計算和軌道預報數據計算。站監控軟件利用站址信息、衛星兩行數據和預報時間范圍生產輸入文件，調用軌道預報服務，計算衛星數據接收任務或軌道預報數據文件。

1)衛星數據接收任務計算：

衛星數據接收任務計算包括手動計算和自動計算。手動計算是人工操作站監控軟件的任務創建功能界面，選擇計算時間范圍，獲取站址信息和衛星最新軌道數據開始計算，由軌道預報服務計算衛星進出站時間信息，并在計算結果列表中顯示，選取符合需求的衛星進出站時間記錄，生成衛星數據接收任務。自動計算是站監控軟件在自動規劃工作模式下，由自動規劃作業調度軌道預報服務，計算衛星數據接收任務。

2)軌道預報數據計算：

軌道預報數據計算包括手動計算和自動計算。手動計算是人工操作站監控軟件的天線軌道數據預報功能界面，選擇任務時間范圍，獲取站址信息和衛星最新軌道數據計算軌道預報數據文件。自動計算是在衛星數據接收任務流程中自動調度，由任務準備節點時間戳觸發軌道預報數據的自動計算，計算完成向天飼饋子系統發送軌道預報數據文件，等待任務執行。

2.4 任務規劃設計

任務規劃是指站監控軟件的任務規劃作業，在工作模式是自動規劃模式時會定時啟動任務規劃作業，由任務規劃作業完成整個移動接收站的衛星數據接收任務規劃。任務規劃時間范圍默認是2天，僅對設置有任務規劃標識的衛星進行任務規劃，任務規劃作業每天定時執行，作業流程啟動主動從以太網獲取衛星最新的軌道數據，軌道數據下載存儲完成，開始計算衛星進出站時刻表，檢查軌道數據是否為7日內的軌道數據，如果存在則繼續計算，否則進行計算告警提示，取消該衛星的任務規劃，根據衛星優先級、規劃篩選規則和任務時間沖突檢測對所有衛星進出站時間計算結果進行任務編排，形成最終的任務規劃結果信息表，將列表中每條信息生成一個衛星數據接收任務文件，站監控軟件對所有任務文件解析加載，創建任務準備節點時間戳，定時啟動任務執行流程，衛星任務規劃流程如圖4所示。

圖4 衛星任務規劃流程圖

1)任務規劃篩選規則：

站監控軟件在自動規劃模式下，根據衛星優先級設置、預置的規劃篩選規則和時間沖突檢測，對每顆衛星進行進出站時間計算。衛星優先級設置是指接收站對衛星數據接收優先級的設置，優先級最高的衛星接收其全部符合規劃條件的數據接收任務。規劃篩選規則包括衛星進出站過境時間差和衛星過境時間段最高仰角度數值域。時間沖突檢測包括衛星過境時間段和兩顆衛星過境時間差的沖突檢測。

每顆衛星的起始計算角度默認為3度，在計算結果中篩選出衛星進出站時間差大于10分鐘，最高仰角大于15度的過境時間信息，根據衛星優先級規則，將優先級最高的衛星進出站時間篩選結果全部放入任務規劃結果信息表中，優先級低的衛星篩選出的進出站時間信息表與任務規劃結果信息表中的衛星進出站時間進行過境時間沖突檢測，并判斷上一顆衛星的出站時間和下一顆衛星的進站時間必須相隔5分鐘，滿足上述條件的進出站時間信息將被存入任務規劃結果信息表中，將每顆衛星的進出站時間表依次與任務規劃結果信息表進行時間沖突檢測，直到所有的衛星遍歷完成，形成最終的任務規劃結果信息表如圖5所示。

圖5 任務規劃篩選

2)任務沖突檢測：

在入網運行模式下，站監控軟件接收業務運行系統發送的遠程衛星數據接收任務，并調度站內各子系統完成衛星數據接收。站監控軟件設置入網運行模式下接收的遠程任務優先級最高，本地創建的任務優先級低于遠程任務，遠程任務與本地創建任務沖突檢測，時間沖突會自動取消本地創建任務，加載遠程任務。如果業務運行系統發送的遠程數據接收任務與站監控軟件已經加載的遠程任務時間沖突，那么站監控軟件將拒絕加載該任務，生成接收結果文件填寫任務拒絕原因，向業務運行系統發送，任務沖突檢測如圖6所示。對于沖突的遠程任務，站監控軟件支持遠程取消后再傳輸新的任務。

圖6 任務沖突檢測

2.5 監控管理設計

監控管理主要是實時監視接收站內各子系統硬件設備的工作參數和狀態，在數據接收任務流程中自動對各子系統設備參數進行控制，對設備的關鍵參數提供集中監控，周期性采集設備的綜合狀態，對設備故障信息進行故障定位和告警提示，站監控軟件監控管理如圖7所示。

圖7 站監控軟件監控管理示意圖

1)設備遠程監控：

設備遠程監控是站監控軟件與接收站內各子系統的硬件設備通過網絡交換機進行監控通信，支持TCP[14-15]、UDP[16]以及串口通信[17-18]協議。站監控軟件周期性向硬件設備發送查詢命令，設備向站監控軟件上報查詢響應信息，包括工作參數和工作狀態，站監控軟件將收到的響應信息進行解析并向可視化界面推送顯示。通過站監控軟件的設備監控界面可以對站內可監控設備進行遠程控制，修改設備的工作參數，設備收到站監控軟件發送的參數控制命令，對參數進行設置完成后向站監控軟件反饋參數控制結果。站監控軟件向設備發送查詢命令的周期時間可設置，在參數控制界面對每個參數進行范圍和有效性檢查，避免參數控制錯誤操作。對于部分硬件設備，設計為監視信息主動上報模式，無需站監控軟件發送查詢命令，開機后自動每秒向站監控軟件上報工作參數和工作狀態。站監控軟件對設備工作參數異常信息進行提示，定位故障原因，對于設備異常狀態，站監控軟件利用界面醒目圖標告警以及聲音告警兩種形式提示操作員檢查[19]。

2)集中監視和控制：

集中監視和控制是將站內所有可監控設備的關鍵信息和工作狀態集中在一個界面中顯示。在數據接收任務自動化流程中可實時查看站內設備工作狀態，對于出現的異常情況可快速處理。

在非任務階段，站監控軟件按照預置的時間頻率對接收站內所有設備的綜合狀態和工作參數進行采集[20]，以一定的數據結構進行存儲。在任務階段，站監控軟件每秒收集一次接收站硬件設備的綜合狀態和工作參數，以一定的數據結構進行存儲。當數據接收出現數據質量問題時，用于事后分析，確定設備工作狀態是否正常。

3)自動化控制：

自動化控制是站監控軟件在執行數據接收任務前準備時間，定時自動對接收站內設備進行的組配宏參數控制。站監控軟件為每顆衛星配置了一套組配宏參數，其包括接收衛星數據的所有子系統設備工作參數以及鏈路配置。對每個組配宏參數都進行一定數據結構的存儲，包括文件形式和數據庫形式，并允許通過組配宏參數管理界面對設備的工作參數和鏈路配置進行管理。

將組配宏參數分為兩類，一類是數據接收任務組配宏，一類是測試組配宏。數據接收任務組配宏是由任務發起調用，在執行數據接收自動化流程前的準備時間，調度衛星組配宏，將設備的參數信息和鏈路信息拆分重組，并傳遞給監控管理，由監控管理向硬件設備發送工作參數控制和鏈路配置。測試組配宏是由人工發起站內測試工作，誤碼率測試、閉環測試以及私服性能測試等[5]，通過操作組配宏管理界面，完成組配宏參數控制。

4)監控擴展性：

為了提高接移動接收站各子系統可靠性和運行效率，同時便于系統擴展及系統的維護，要求規范設備硬件接口，提升設備的標準化和規范化程度[21]，監控管理針對接收站內設備的新增和變更問題設計了擴展性強的監控結構，設備監控接口升級，修改站監控軟件中硬件設備的監控接口信息和網絡通信配置便可完成硬件設備監控管理升級，避免修改任何軟件編碼。隨著接收站設備網絡通信的不斷升級，設備的通信協議由TCP換為UDP，串口換為TCP，站監控軟件針對通信協議的變化進行了配置升級，通過修改設備信息的通信類型完成通信協議的更新。

2.6 任務調度設計

任務調度是站監控軟件啟動數據接收任務時利用任務節點矩陣調度各子系統完成數據接收任務，將任務節點矩陣調度策略采用XML文件可配置的方式存儲管理。任務調度將數據接收任務劃分為多個節點，每個節點完成一項流程工作，站監控軟件加載數據接收任務成功后自動創建任務準備時間戳，通過任務準備時間戳，定時啟動任務節點矩陣流程。任務節點矩陣將數據接收任務劃分為任務準備節點、開始節點、回執節點、子報告節點、報告節點、結束節點和超時節點等，將流程節點羅列在任務節點矩陣中，每個任務節點處理一項流程工作，完成節點工作后會向下一個節點傳送工作消息，通知下一個工作節點開始工作或啟動工作時間戳，工作時間戳與定時器相似，等待約定的時間后觸發工作執行，如定義的時間戳為工作節點檢查類時間戳，在定時觸發檢查工作前已完成節點工作，取消檢查時間戳。針對每個流程節點處理結果預置了多種處理方案，同時設計超時機制，若某一流程節點運行異常，無法在規定的時間內完成任務，則在運行時間超過設定的閾值后，放棄等待，直接執行后續未完成的作業或進行超時工作處理，提出告警信息，不因為某一節點的執行結果影響整個任務流程。

當站監控軟件向子系統發送任務文件后啟動回執文件等待節點時間戳，開始等待子系統傳輸回執文件，文件等待時間戳定時讀取回執文件，當子系統的回執文件是接收狀態時，自動發送接收工作消息，啟動子系統報告節點檢查時間戳，準備工作完成啟動任務開始節點和任務結束節點，衛星進站任務開始，開始節點觸發監視數據采集等工作，各子系統開始數據接收工作，衛星數據接收結束，子系統生成數據接收報告向站監控軟件發送，站監控軟件收到子系統數據接收報告后取消子系統報告節點檢查時間戳，衛星出站任務結束，結束節點停止采集工作，向報告節點發送報告檢查消息，獲取子系統上報的工作報告，報告節點整理生成任務完成報告。當子系統報告節點檢查時間戳定時啟動，則向超時節點發送子系統報告超時消息，超時節點收到消息則向報告節點發送報告超時消息，報告節點整理生成任務超時報告，任務節點矩陣運行狀態如圖8所示。

在自動規劃工作模式下，站監控軟件任務規劃完成后生成任務文件，將文件傳入軟件文件工作目錄掃描解析加載，為每個任務啟動任務準備時間戳，在任務前準備時間，任務流程準備節點開始工作，計算軌道預報數據文件向天飼饋子系統傳輸，生成數據記錄任務文件向記錄與快視子系統傳輸，向站內各子系統發起自動化設備參數控制，準備節點完成，等待回執文件，站內子系統接收接收確認回執，等待任務執行，衛星進站時間任務開始，站監控軟件開始每秒收集站內各設備綜合監控信息，數據接收任務執行完成，衛星出站，站監控軟件接收記錄與快視子系統上報的數據接收報告文件，站監控軟件將報告文件進行解析，整理為最終的數據接收完成報告，如圖9所示。在入網運行模式下，將數據接收完成報告發送給業務運行系統，如圖10所示。

3 工程實驗與應用

圖8 任務節點矩陣運行狀態圖

圖9 自動規劃模式任務調度流程

圖10 入網運行模式任務調度流程

結合某國際出口項目3.7米氣象衛星車載移動接收站對站監控軟件進行設計，無外部業務運行系統提供衛星數據接收任務，由站監控軟件完成數據接收任務的創建以及數據接收流程調度。氣象衛星[22]移動接收站包括接收TERRA、AUQA、NOAA，風云系列衛星FENGYUN3D及FENGYUN2H等[23]，氣象衛星接收站根據工程應用能力接收氣象衛星數據。將站監控軟件的工作模式設置為自動規劃模式，定時啟動任務規劃作業，從以太網https：//celestrak.com中獲取衛星的兩行數據[24]，將衛星軌道數據存入文件并入庫存儲。

站監控軟件初始啟動衛星數據接收任務列表為空，檢查移動接收站內各子系統設備工作狀態，確認站監控軟件之間網絡監控狀態，由操作人員通過站監控軟件前端界面對衛星信息進行管理，確認衛星數據接收優先級和衛星信息列表，配置衛星進出站時間預報起始計算角度、衛星數據接收最短時間、數據接收最高仰角最小角度值域和任務間隔時間等，系統運行參數確認完成，一鍵啟動任務規劃作業，開始更新站址信息，獲取軌道數據，計算衛星進出站信息，通過任務規劃篩選、衛星優先級以及時間沖突檢測形成最終衛星進出站時間信息列表，將規劃結果形成任務文件讀入加載，通過站監控軟件任務管理界面查看衛星數據接收任務列表。允許操作員對站監控軟件規劃的任務列表進行管理，取消某數據接收任務，通過任務創建功能界面手動操作創建新的衛星接收任務。站監控軟件自動調度站內各子系統完成數據接收任務。

提供入網運行模式，將移動接收站接入某業務運行系統的網絡環境，業務運行系統與站監控軟件存在任務接口，通過FTP向站監控軟件下發遠程數據接收任務XML文件及衛星軌道數據，站監控軟件不再進行任務規劃作業，主要執行業務運行系統下發的數據接收任務，數據接收完成，將數據接收報告通過FTP向業務運行系統傳輸。

自動規劃模式對衛星列表中具有任務規劃標識的衛星進行數據接收任務的規劃，接收衛星數據。在入網運行模式時，移動接收站接收業務運行系統規劃的數據接收任務，根據工程應用能力移動接收站可擴展接收其他氣象衛星、陸地衛星和海洋衛星等數據。

4 結束語

對于海外項目的遙感衛星移動接收站站監控軟件，其定時自動規劃衛星數據接收任務的設計提高了移動接收站的全自動化運行，避免人工操作效率低和任務編排規劃的不合理性，提高了移動接收站的利用率，保障衛星數據接收的持續性。