CN102957821A - 一种用于空间环境灾害性事件警报短信服务系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于空间环境灾害性事件警报的短信服务系统，该系统是基于空间环境监测数据的空间环境灾害性事件警报短信实施服务系统，所述系统包含：模式运算子系统，基于空间环境监测数据，空间环境要素的扰动情况，生成空间环境灾害性事件的预警信息；短信制备子系统，用于实时监视空间环境灾害性事件预警信息库表，生成警报信息；短信管理子系统，用于手机用户管理和短信发送记录管理；短信发送子系统，用于实时监视数据存储子系统的空间环境灾害性事件短信信息库表，并将库表中的信息以手机短信的方式发送至用户；数据存储系统，用于存放管理空间环境灾害性事件短信服务系统正常运行所需的数据。本发明还提供了基于中值的滤波方法。

Description

一种用于空间环境灾害性事件警报短信服务系统

技术领域

本发明空间科学领域，具体涉及一种用于空间环境灾害性事件警报短信服务系统。

背景技术

随着社会经济的发展和科学技术的进步，人类的生产生活对电话、电视、无线通讯、金融交易和卫星导航等高科技技术系统的依赖程度越来越高，而这些技术系统在空间环境灾害性事件面前显得非常脆弱，空间环境灾害性事件对人类活动的影响越来越大。

空间环境灾害性事件，是指由于空间环境剧烈扰动造成天基或地基技术系统功能下降或者报废、宇航员等人员健康受到损害，从而导致国民经济蒙受损失、国家安全受到威胁的空间环境扰动事件。空间环境灾害性事件主要分为太阳耀斑、太阳质子、地磁暴、高能电子暴以及电离层扰动事件。空间环境灾害的发生会对卫星运行、航天活动、通讯、导航定位系统、地面技术系统以及基础设施如电网、石油管道等都会造成破坏性影响。

无论是日益频繁的空间活动本身，还是对卫星依赖性越来越高的高技术系统，以及正快速迈向现代化的国家安全体系，都对空间环境业务的需求越来越强烈。同时，人们逐渐认识到，由于高技术系统的广泛使用及人们对其依赖程度的不断提高，空间环境导致的“灾害”——即空间环境灾害，已经开始成为危害经济社会和国防安全的众多气象灾害之一，严重影响国民生产和国家安全。

作为空间环境业务的重要组成部分，空间环境灾害性事件的预警业务内容主要是面向卫星运行监控、航天、通讯等部门的技术人员及有关决策者，开展及时准确的空间环境灾害性事件的预警信息服务，提高上述高技术部门对不同类别及等级的空间环境灾害性事件的应对能力。而为了规范空间环境灾害性事件的灾害预警信息发布与传播工作，保护国家经济社会活动的安全，有必要制定空间环境灾害性事件的预警信息等级。

随着社会信息化程度和人们对信息时效性要求的提高，空间环境业务部门发布的空间环境业务服务信息需要由传统被动式的等待用户主动查看，转变为“以用户为中心”、及时主动地为用户提供个性化内容的主动式信息服务，依照用户要求量身定制，使用户能够及时获取和了解所需的空间环境业务信息，将有利于增强有关部门的防灾减灾意识，提高空间环境灾害预警信息使用效率，有效防御和减轻空间环境灾害。因此，利用现代化的网络及通信技术等手段实现空间环境业务信息的主动式服务，已经成为空间环境业务数字化建设中的研究内容之一。

目前，手机短信已经成为一种新兴的大众传播媒体，是人们获取信息的一种实时有效的工具。手机短信的最大特点是实时性和移动性，它可以将通知的信息实时传递给用户，避免了因传送过程的延误造成用户的损失。将手机短信应用于空间环境业务信息服务，是手机短信向专业化应用领域的拓展，也是空间环境业务部门进一步提高信息服务效率和质量的努力方向。

目前除了中科院空间环境预报中心研制成功空间环境灾害性事件短信服务系统之外，国内外还没有研究和业务机构拥有同类业务系统。美国的空间环境研究及应用在全球处于领先地位，其国内的空间环境业务机构如国家海洋和大气局空间天气预报中心(SWPC)等一般都是通过网站、邮件及电话发布空间环境警报信息，没有专门的空间环境灾害性事件手机短信服务系统应用于空间环境业务。此外，日本、加拿大、澳大利亚等国的空间环境业务机构也没有此类空间环境灾害性事件短信服务系统，该系统是当前唯一且正在业务运行的。

发明内容

本发明的目的在于，为克服现有技术空间环境业务机构均缺乏有效的数据信息传输的技术手段，而即便采用了电话、网站、邮件等通信方式，其现有的技术也都是被动式的，从而导致现有的空间环境灾害性事件警报业务系统的工作效率低，时效性差且针对性也不好的问题，本发明提供一种用于空间环境灾害性事件警报短信服务系统。

为实现上述目的，本发明提供的一种用于空间环境灾害性事件短信警报的服务系统，该系统为基于空间环境监测数据的空间环境灾害性事件短信实施服务系统，所述系统包含：

模式运算子系统，基于空间环境监测数据，实时监测空间环境要素的扰动情况，生成空间环境灾害性事件的预警信息；

短信制备子系统，用于实时监视数据存储子系统中的空间环境灾害性事件预警信息库表，基于库表中的警报信息，分别生成空间环境灾害性事件的红色、黄色和橙色三种等级的警报信息；

短信管理子系统，用于手机用户管理和短信发送记录管理；

短信发送子系统，用于实时监视数据存储子系统的空间环境灾害性事件短信信息库表，并将库表中的信息以手机短信的方式发送至用户；

数据存储系统，用于存放管理空间环境灾害性事件短信服务系统正常运行所需的输入和输出数据。

上述技术方案中，所述输入和输出数据包括：空间环境监测数据源、空间环境灾害性事件预警信息、空间环境灾害性事件手机短信信息及系统相关的配置管理日志。所述空间环境监测数据源包含：太阳质子、太阳X射线耀斑事件、地磁暴及高能电子暴。

优化的，针对所述太阳质子和高能电子暴数据源还采用基于中值滤波方法，结合卫星数据的时频规范化，形成针对太阳之子和高能电子暴数据源的预处理方式；

所述中值滤波用于对卫星原始数据进行噪声去除，具体包含如下步骤：首先确定一个以某像素为中心点的邻域，然后将邻域中的各个像素的灰度值进行升序或降序排序，把排序后最中间像素的灰度值作为中心点像素灰度的新值；当窗口在图像中上下左右进行移动后，利用中值滤波算法对图像进行平滑处理，用于卫星原始数据进行噪声去除，实现剔除16秒数据的单个脉冲误码。

进一步优化的，所述误码如果连续出现两个，将经过中值滤波后的16秒数据，处理为时频为5分钟的数据，并再次利用中值滤波对时频为5分钟的数据进行噪声去除，最终得到短信平台所需的太阳质子和高能电子暴业务数据源。

上述技术方案中，所述短信发送子系统还用于根据群组分类和用户的及时性要求在限定的短信发送时间范围内将相应的警报信息发送至用户。

所述空间环境要素的扰动情况包含：太阳X射线流量、太阳质子流量、GEO轨道高能电子流量及地磁Kp指数。

所述手机用户管理包含：用户编辑、组编辑、用户选择、用户及组选择和用户短信接收时间范围设定功能，利用所述管理功能可基于各类空间环境用户对不同等级警报信息的获知需求和短信及时性要求，将用户进行群组分类；

所述短信发送记录管理功能，用于通过查询数据存储子系统的短信发送情况记录表中的内容，在短信历史记录列表中显示发送时间，短信接收人或组以及发送的内容，便于管理员对短信发送系统的管理。

所述手机短信的发送方式包含：短信人工发送和短信自动发送两种方式。所述短信自动发送步骤为：在发生警报的时候，将不同级别的警报信息分别自动发送给指定的各级分类用户。

本发明的优点在于：本发明的短信平台采用的主动式信息推送技术，实时并自动地将正在发生的空间环境事件信息主动发送至各用户，用户可基于这些信息判断出事件的类别及严重程度，采取有效的防护规避措施，增加了技术系统抵御空间环境事件灾害的安全性。如果没有短信平台的主动式服务，用户将不能及时有效的获知空间环境事件信息，由于时间上的拖延，造成用户采取对应的应急措施发生延误，空间环境事件可能对各种技术系统造成的严重灾害，并带来巨大的经济损失。本发明进一步优化的，利用滤波技术对卫星原始数据进行噪声去除，有效提高了数据源的准确度，如果直接基于原始数据进行空间环境事件警报的短信业务，将造成大量的错误短信，从而使短信平台失去实际意义

附图说明

图1是本发明的空间环境灾害性事件短信服务系统；

图2是现有技术的太阳质子流量卫星原始数据；

图3是本发明现有技术的高能电子流量卫星原始数据；

图4是本发明的卫星原始数据的处理流程；

图5是本发明的质子流量的数据处理结果；

图6是本发明的高能电子流量的数据处理结果仿真图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

图1是中科院空间环境预报中心研制的一种基于空间环境监测数据的空间环境灾害性事件短信实时服务系统示意图，实现了空间环境灾害性事件的短信信息主动推送技术。该系统通过模式运算系统对太阳质子、太阳X射线耀斑事件、地磁暴及高能电子暴四类空间环境事件进行实时业务预警并将预警信息储存于数据存储系统，驱动短信制备系统将相关的空间环境事件预警信息制备成不同等级、不同类别的空间环境灾害性事件短信，并通过短信发送系统发送至不同用户，同时，管理员可通过短信管理系统对短信发送系统的有关功能进行配置和管理。

空间环境灾害性事件等级分类

类似于气象部门需要对发布的各类气象警报的等级进行分类标识，便于公众和有关部门获知和了解各类气象灾害并采取相应的应对措施，空间环境灾害性事件的类别和等级也需要通过研究制定，从而提高空间环境灾害性事件信息发布和使用效率，有利于相关部门对不同等级的空间环境灾害性事件采取不同的措施，减小或避免空间环境灾害性事件对各种高技术系统造成的严重影响。

一种可行的空间环境灾害性事件等级的研究方法是，通过研究分析空间环境灾害性事件对卫星运行、导航通讯、航天等天基地基高技术系统造成的影响及破坏程度，结合有关的空间环境监测数据的物理度量，制定不同的事件等级标准，以红色、橙色、黄色三个颜色等级对事件的严重程度进行标识。本文给出了太阳质子事件、太阳X射线耀斑事件、地磁暴和高能电子暴四种空间环境灾害性事件的等级分类研究结果及警报信息的短信制定内容。

1)太阳X射线耀斑事件警报信息等级及内容：当发生M5.0级以上太阳X射线耀斑时，预警系统自动发布太阳X射线耀斑事件警报，警报内容分为告警和综述，并根据实时的空间环境监测数据给出告警和综述的等级(表1-1)。

表1-1太阳X射线耀斑事件警报等级分类及内容

2)太阳质子事件警报信息等级及内容：当地球同步轨道质子流量超过10pfu时，预警系统自动发布太阳质子事件警报，警报内容分为告警、持续告警和综述，并根据实时的空间环境监测数据给出警报的等级(表1-2)。

表1-2太阳质子事件警报等级分类及内容

3)地磁暴警报信息等级及内容：当地磁Kp指数大于等于5时，预警系统自动发布地磁暴事件警报，警报内容为告警，并根据实时的空间环境监测数据给出警报的等级(表1-3)。

表1-3地磁暴警报等级分类及内容

4)高能电子暴警报信息等级及内容：当地球同步轨道大于2MeV高能电子日积分通量卫星观测数据超过1.0E9时，预警系统自动发布高能电子暴警报，警报内容分为告警和综述，并根据实时的空间环境监测数据给出警报的等级(表1-4)。

表1-4高能电子暴警报等级分类及内容

系统介绍

软件总体功能

图1-1是中科院空间环境预报中心研制的空间环境灾害性事件短信实时服务系统结构示意图，主要由数据存储、模式运算、短信制备、短信发送及短信管理五个子系统构成。此短信服务系统通过使用数据库的存储过程以及任务功能，按照固定时频对指定的警报数据库表进行查询而实现空间环境预警信息自动发布技术，实现了面向不同级别用户实时、准确发布包括太阳质子事件、太阳X射线耀斑、地磁暴以及高能电子暴四大类空间环境灾害性事件警报信息的手机短信信息，该系统同时具有自动发布和人工发布功能，为用户的进一步决策提供空间环境保障参考，提高相关部门对空间环境灾害性事件的应对能力。系统的特点主要有如下几个方面：

●空间环境灾害性事件的等级定义功能，系统对空间环境灾害性事件的影响程度进行评估，将警报分类为黄色、橙色及红色警报

●面向用户的定制功能：短信类别定制功能，基于用户对不同等级警报信息的获知需求，系统将相应的警报信息发送至用户；短信接收时间段定制功能，根据用户对短信信息的及时性要求，限定短信信息的发送时间范围

●短信管理功能，具有人工及自动发送功能和短信日志查询功能

数据存储子系统

数据存储子系统的功能是存放管理空间环境灾害性事件短信服务系统正常运行所需的输入和输出数据，包括空间环境监测数据源、空间环境灾害性事件预警信息、空间环境灾害性事件手机短信信息及系统相关的配置管理日志等。

空间环境灾害性事件模式运算子系统

模式运算子系统的功能是基于空间环境监测数据，实时监测太阳X射线流量、太阳质子流量、GEO轨道高能电子流量及地磁Kp指数等空间环境要素的扰动情况，运算生成包括太阳X射线耀斑事件、质子事件、地磁暴和高能电子暴四类空间环境灾害性事件的预警信息并保存至数据存储子系统。

空间环境灾害性事件短信制备子系统

短信制备子系统的功能是实时监视数据存储子系统中的空间环境灾害性事件预警信息库表，基于库表中的警报信息，分别生成太阳X射线耀斑事件、质子事件、地磁暴和高能电子暴四类空间环境灾害性事件的红色、黄色、橙色三种等级的警报信息并保存至数据存储子系统。

空间环境灾害性事件短信发送子系统

短信发送子系统的功能是实时监视数据存储子系统的空间环境灾害性事件短信信息库表，并将库表中的信息以手机短信的方式发送至不同用户，包括短信人工发送、短信自动发送两种方式。具体功能如下：

●在发生警报的时候，将不同级别的警报信息分别自动发送给指定的各级分类用户

●能直接人工编写短信内容，将短信内容发送给指定接收人和组，并能给出删除信息前确认界面、发送信息前确认界面、和错误提示界面

空间环境灾害性事件短信管理子系统

短信管理子系统的功能包括手机用户管理、短信发送记录管理功能。手机用户管理功能主要有用户编辑、组编辑、用户选择、用户及组选择、用户短信接收时间范围设定功能，利用此功能可基于各类空间环境用户对不同等级警报信息的获知需求和短信及时性要求，将用户进行群组分类，短信发送子系统根据该群组分类和用户的及时性要求在限定的短信发送时间范围将相应的警报信息发送至用户。短信发送记录管理功能通过查询数据存储子系统的短信发送情况记录表中的内容，在短信历史记录列表中显示：发送时间，短信接收人(组)以及发送的内容，便于管理员对短信发送系统的管理。

对原始卫星数据处理的实施例

本发明采用的卫星原始数据的误码剔除滤波处理技术(针对高能电子暴和太阳质子的源数据进行预处理)具体描述如下：

图2和图3是短信平台所采用的原始卫星数据源，其数据时频为16秒。从图中可看到原始数据普遍存在误码，这些误码是由于接收设备受干扰而导致的，其特点是误码出现的时间和误码的具体数值大小均随机分布，误码的形态表现为脉冲式的数据突变。短信平台如果直接基于上述卫星原始数据的进行空间环境警报的预警业务，提供给用户的短信将可能是错误的空间环境警报信息，因此本短信平台基于中值滤波方法，结合卫星数据的时频规范化，形成了针对短信平台所定制的卫星原始数据预处理技术。

中值滤波算法的原理是：首先确定一个以某像素为中心点的邻域，一般为方形邻域，然后将邻域中的各个像素的灰度值进行排序(升序或降序均可)，把排序后最中间像素的灰度值作为中心点像素灰度的新值。当窗口在图像中上下左右进行移动后，利用中值滤波算法就可以很好地对图像进行平滑处理。

为了演示中值滤波器的工作过程，我们给下面的数组加上观察窗，重复边界的数值：

原始数组x＝[28063]

y[1]＝Median[2280]＝2

y[2]＝Median[2806]＝Median[2680]＝6

y[3]＝Median[8063]＝Median[3680]＝6

y[4]＝Median[633]＝Median[336]＝3

于是，滤波器的输出结果为：

y＝[2663]

其中y是x的中值滤波输出

利用上述中值滤波器卫星原始数据进行噪声去除，可剔除16秒数据的单个脉冲误码；但是如果误码连续出现两个，误码将无法剔除。因此我们将经过滤波后的16秒数据，处理成时频为5分钟的数据，并再次利用中值滤波对时频为5分钟的数据进行噪声去除，形成短信平台所需的业务数据源。图4是上述数据处理的流程。图5和图6分别是图2和图3中的原始卫星数据处理后的数据，可看出短信平台所使用的卫星数据处理技术对噪声的去除效果很好。

需要说明的是，以上介绍的本发明的实施方案而并非限制。本领域的技术人员应当理解，任何对本发明技术方案的修改或者等同替代都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围内。

Claims (10)

1.一种用于空间环境灾害性事件警报的短信服务系统，该系统为基于空间环境监测数据的空间环境灾害性事件警报短信实施服务系统，所述系统包含：

模式运算子系统，基于空间环境监测数据，实时监测空间环境要素的扰动情况，生成空间环境灾害性事件的预警信息；

短信制备子系统，用于实时监视数据存储子系统中的空间环境灾害性事件预警信息库表，基于库表中的警报信息，分别生成空间环境灾害性事件的红色、黄色和橙色三种等级的警报信息；

短信管理子系统，用于手机用户管理和短信发送记录管理；

短信发送子系统，用于实时监视数据存储子系统的空间环境灾害性事件短信信息库表，并将库表中的信息以手机短信的方式发送至用户；和

数据存储子系统，用于存放管理空间环境灾害性事件短信服务系统正常运行所需的输入和输出数据；

其中，所述数据存储子系统与其余子系统均能双向通信；所述短信发送子系统与短信管理子系统能直接双向通信。

2.根据权利要求1所述的用于空间环境灾害性事件警报短信服务系统，其特征在于，所述输入和输出数据包括：空间环境监测数据源、空间环境灾害性事件预警信息、空间环境灾害性事件手机短信信息及系统相关的配置管理日志。

3.根据权利要求2所述的用于空间环境灾害性事件警报短信服务系统，其特征在于，所述空间环境监测数据源包含：太阳质子、太阳X射线耀斑事件、地磁暴及高能电子暴。

4.根据权利要求3所述的用于空间环境灾害性事件警报短信服务系统，其特征在于，针对所述太阳质子和高能电子暴数据源还采用基于中值滤波方法，结合卫星数据的时频规范化，形成针对太阳之子和高能电子暴数据源的预处理方式；

所述中值滤波用于对卫星原始数据进行噪声去除，具体包含如下步骤：

首先确定一个以某像素为中心点的邻域，然后将邻域中的各个像素的灰度值进行升序或降序排序，把排序后最中间像素的灰度值作为中心点像素灰度的新值；当窗口在图像中上下左右进行移动后，利用中值滤波算法对图像进行平滑处理，用于卫星原始数据进行噪声去除，实现剔除16秒数据的单个脉冲误码。

5.根据权利要求4所述的用于空间环境灾害性事件警报短信服务系统，其特征在于，所述误码如果连续出现两个，将经过中值滤波后的16秒数据，处理为时频为5分钟的数据，并再次利用中值滤波对时频为5分钟的数据进行噪声去除，最终得到短信平台所需的太阳质子和高能电子暴业务数据源。

6.根据权利要求2所述的用于空间环境灾害性事件警报短信服务系统，其特征在于，所述短信发送子系统还用于根据群组分类和用户的及时性要求在限定的短信发送时间范围内将相应的警报信息发送至用户。

7.根据权利要求1所述的用于空间环境灾害性事件警报短信服务系统，其特征在于，所述空间环境要素的扰动情况包含：太阳X射线流量、太阳质子流量、GEO轨道高能电子流量及地磁Kp指数。

8.根据权利要求1所述的用于空间环境灾害性事件警报短信服务系统，其特征在于，所述手机用户管理包含：用户编辑、组编辑、用户选择、用户及组选择和用户短信接收时间范围设定功能，利用所述管理功能可基于各类空间环境用户对不同等级警报信息的获知需求和短信及时性要求，将用户进行群组分类；

所述短信发送记录管理功能，用于通过查询数据存储子系统的短信发送情况记录表中的内容，在短信历史记录列表中显示发送时间，短信接收人或组以及发送的内容，便于管理员对短信发送系统的管理。

9.根据权利要求1所述的用于空间环境灾害性事件警报短信服务系统，其特征在于，所述手机短信的发送方式包含：短信人工发送和短信自动发送两种方式。

10.根据权利要求9所述的用于空间环境灾害性事件警报短信服务系统，其特征在于，所述短信自动发送步骤为：在发生警报的时候，将不同级别的警报信息分别自动发送给指定的各级分类用户。

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