CN113554262B - 一种碳卫星星地一体化自动控制地面数据系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碳卫星星地一体化自动控制地面数据系统，包括碳卫星数据接收子系统接收碳卫星发送的X频段数据；碳卫星运行控制子系统调度、监视地面数据系统全系统业务运控信息；计算机网络子系统为碳卫星地面数据系统提供支撑平台、数据处理系统的集成和产品分发等；碳卫星数据预处理及产品生成子系统用于各遥感器数据定位定标,和产品生成等处理；数据存档和共享平台子系统用于自动获取数据预处理及产品生成子系统的各级碳卫星数据，存于共享平台。本发明通过建立复杂机动的星地一体化运行调度，实现了碳卫星自动数据接收、各级数据产品自动处理，为碳排放相关研究提供高精度的卫星监测数据和数据支撑，提升了我国在国际碳排放方面的话语权。
Description
技术领域
本发明涉及遥感技术领域，具体来说，涉及一种碳卫星星地一体化自动控制地面数据系统。
背景技术
近年，温室效应、气候变化等问题得到普遍重度关注，已经不仅仅局限于专业学科范畴，而是得到世界各国政府的普遍重视，人们意识到以损害环境为代价取得的发展不是可持续性的。各国在气候、节能减排等问题上博弈的本质是发展权之争。谁掌握了监测数据，就拥有了国际话语权，从而取得经济发展的主导权。
目前，大气二氧化碳数据主要来源于地面监测，布点少，且不同品类的观测仪器之间的数据没有统一的标定。难以形成全球覆盖的大范围观测[1]。许多发达国家都在发展二氧化碳探测卫星以获取全球监测数据，比如2002年欧空局发射了Envisat，2009年日本发射了GoSat，2013年美国拥有了OCO-2。
与我国已发射的其他遥感卫星不同，碳卫星观测模式、指向模式复杂多样，卫星需要频繁大角度姿态机动，而，不同指向和任务间的切换约束因素复杂繁多，任务规划难度大。
2016年12月22日，我国第一颗碳监测科学试验卫星——碳卫星（TanSat）在我国酒泉卫星发射中心成功发射，碳卫星地面数据系统正式投入运行，星地接口匹配，数据接收处理正常。
碳卫星是我国自行研制的第一颗温室气体探测卫星，星载的二氧化碳、云与气溶胶载荷在国际上鲜有同类的，相应的载荷遥感数据预处理技术公开的可借鉴的研究成果较少；同时，碳卫星观测模式、指向模式复杂多样，卫星需要频繁大角度姿态机动，不同指向和任务模式间的切换由于能源、存储容量、姿态等限制互相间存在约束，任务规划难度大。
碳卫星地面系统的多项工作将是开创性的，包括建立国内首个碳卫星数据接收站网，突破复杂姿态、多指向模式下的高精度地理定位难关，攻关高光谱分辨率载荷光谱定标技术，研制云与气溶胶载荷综合处理方法，并在本系统数据预处理及产品生成子系统中实现上述数据处理的工程化，将碳卫星的工作模式以每轨为单位进行规划，根据卫星在一轨内主要碳观测任务以及主要的指向模式来确定卫星在该轨的工作模式，并根据需要和条件适时执行实验载荷观测任务、碳载荷内定标任务和数传任务。
发明内容
针对相关技术中的上述技术问题，本发明提出一种碳卫星地面数据系统，能够克服现有技术的上述不足。
为实现上述技术目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种碳卫星星地一体化自动控制地面数据系统，该系统包括碳卫星数据接收子系统、碳卫星运行控制子系统、碳卫星计算机网络子系统、碳卫星数据预处理及产品生成子系统、碳卫星数据存档和共享平台子系统，其中，
碳卫星数据接收子系统，用于接收碳卫星发送的X频段的数据，对接收数据进行解码、纠错、质量判断并将数据传送到国家卫星气象中心；
碳卫星运行控制子系统，用于星地一体化运行调度管理、制定星地一体化时间表、碳卫星测控任务规划和指令生成、遥测信息监视、调度与监视地面数据子系统全系统业务运控信息；
碳卫星计算机网络子系统，用于为碳卫星地面数据系统的运行提供IT支撑平台、在该平台上部署集成碳卫星地面数据系统的应用软件、实时或准实时并行传输不同卫星地面站接收的碳卫星观测数据并按星地传输接口规约进行数据解包分拣，按碳卫星数据卡规范重新拼接汇集为有效载荷原始观测数据、集成调度碳卫星数据预处理及产品生成子系统的各个数据处理应用程序使之形成可自动运行系统、向碳卫星数据存档和共享服务平台分发卫星地面数据系统各类数据和产品、监视碳卫星数据自传输汇集至处理和分发的数据业务全流程，统计各环节数据质量、数据完整性和时效性；
碳卫星数据与处理与产品生成子系统，用于检验各遥感仪器观测数据的质量、确定各遥感仪器观测数据的地理定位、对遥感仪器观测的各光谱通道数据进行光谱和辐射定标、对各遥感仪器的光谱通道数据进行空间配准并按要求给出各质量检测点的数据和有关遥感器状态的数据；
碳卫星数据存档和共享服务平台子系统，用于自动获取碳卫星地面数据系统中其他系统输出的各级碳卫星数据产品、依据碳卫星数据卡规范进行数据质量检查、编目提元、数据存档于共享服务平台并同步为碳卫星数据备份中心、为用户提供数据共享服务。
进一步地，所述碳卫星计算机网络子系统中为碳卫星地面数据系统提供平台首先要根据业务需要选购并部署设备，和通过设计物理链路、配置软件实现资源整合。
进一步地，碳卫星运行控制子系统流程是首先轨道根数接收处理分发,生成并发送测控计划,多站接收时间表生成分发,然后进行全系统运行调控,最后对业务运行状态进行监视,并生成业务报表。
进一步地，所述碳卫星计算机网络子系统中汇集碳卫星地面站数据采用一种基于流计算框架的空间科学卫星数据实时快速处理方法，通过根据各站的位置、数据接收时间和数据质量，按照特定策略算法，实现观测数据的优选、去重、高精度拼接，并对短期观测数据进行缓存。
进一步地，所述碳卫星计算机网络子系统中调度卫星地面数据系统业务包括按照碳卫星运行控制子系统制定的时间表，调度组织碳卫星数据传输汇集、预处理、产品处理及数据分发作业有序运行，按照预定业务流程方案进行作业优先级运行，使应用系统协调完成各项任务。
进一步地，所述碳卫星计算机网络子系统中传输卫星地面应用的系统数据包括原始观测数据、各级处理后数据、卫星遥测数据、作业调度指令和参数，对各产品生成算法进行工程实现，按照碳卫星数据政策，将各种数据产品向外部用户进行分发，对数据传输和产品分发进行配置管理和状态监控。
进一步地，碳卫星运行控制子系统主要是由数据接收传输任务调度与监视系统、遥感资料处理任务调度与监视系统、业务测控系统、运控信息管理和应用系统组成。
进一步地，碳卫星运行控制子系统的系统内部接口分为数据接收传输任务调度与监视、资料处理任务调度与监视、业务测控、运控信息管理和应用模块之间的数据和信息交互；系统外部接口负责实现碳卫星地面应用系统全局性业务调度和监控设计，包括该系统到城市卫星测控中心、数据接收子系统、计算机网络子系统、数据存档与服务系统、数据处理系统之间的信息和数据交互。
进一步地，所述碳卫星计算机网络子系统中部署集成卫星地面应用系统的应用软件包括通过工程化和集成调度、集成测试、星地联调、试运行这些流程实现碳地面数据系统整合。
本发明的有益效果：通过建立复杂机动的星地一体化运行调度，实现了从碳卫星自动数据接收、主载荷高光谱温室气体探测仪（HSCO2）和辅助载荷云与气溶胶探测仪(CAPI)观测数据的流水线处理，至碳卫星数据产品的自动归档和服务等全数据流程的自动化业务运行，为碳排放相关科学研究提供高精度的卫星监测数据，良好的数据支撑，使得我国科学家团队成功输出了首幅全球叶绿素光反演图，实现自主产权全球二氧化碳分布数据的从无到有，提升了我国在国际碳排放方面的话语权。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明实施例所述的一种碳卫星星地一体化自动控制地面数据系统的碳卫星地面数据系统总体布局示意图。
图2是根据本发明实施例所述的一种碳卫星星地一体化自动控制地面数据系统的计算机网络子系统的结构框图。
图3是根据本发明实施例所述的一种碳卫星星地一体化自动控制地面数据系统的碳卫星运行控制子系统结构框图。
图4是根据本发明实施例所述的一种碳卫星星地一体化自动控制地面数据系统的数据接收传输任务调度与监视系统结构框图。
图5是根据本发明实施例所述的一种碳卫星星地一体化自动控制地面数据系统的遥感资料处理任务调度与监视系统结构框图。
图6是根据本发明实施例所述的一种碳卫星星地一体化自动控制地面数据系统的业务测控系统结构框图。
图7是根据本发明实施例所述的一种碳卫星星地一体化自动控制地面数据系统的运控信息管理和应用系统结构框图。
图8是根据本发明实施例所述的一种碳卫星星地一体化自动控制地面数据系统的计算机网络子系统CNS-COSS外部结构示意图。
图9是根据本发明实施例所述的一种碳卫星星地一体化自动控制地面数据系统的计算机网络子系统业务软件结构框图。
图10是根据本发明实施例所述的一种碳卫星星地一体化自动控制地面数据系统的运行控制子系统总体示意图。
图11是根据本发明实施例所述的一种碳卫星星地一体化自动控制地面数据系统的碳卫星运行控制子系统内部关系结构框图。
图12是根据本发明实施例所述的一种碳卫星星地一体化自动控制地面数据系统的碳卫星运行控制子系统的流程框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了方便理解本发明的上述技术方案，以下对本发明的上述技术方案进行详细说明。
如图1所示，根据本发明实施例所述的一种碳卫星星地一体化自动控制地面数据系统，包括碳卫星数据接收子系统、碳卫星运行控制子系统、碳卫星计算机网络子系统、碳卫星数据预处理及产品生成子系统、碳卫星数据存档和共享服务平台子系统。
碳卫星数据接收子系统，用于接收碳卫星发送的X频段的数据，对接收数据进行质量判断并将数据传送到国家卫星气象中心；碳卫星运行控制子系统，用于星地一体化运行调度管理、制定星地一体化时间表、碳卫星测控任务规划和指令生成、遥测信息监视、调度与监视全系统业务流程。
如图2、8、9所示，计算机网络子系统（CNS）分为硬件平台和业务软件两大部分。包括了地面系统运行所需要的硬件资源以及系统软件资源, 硬件平台包括了计算机系统、存储系统、网络系统、系统软件集成与配置系统；业务软件包括数据传输与管理系统、地面站资料汇集系统、作业调度系统、产品分发系统。业务运行监视与统计系统、产品反演与算法实现系统。碳卫星计算机网络子系统硬件平台就是用于为碳卫星地面数据系统的业务运行提供支撑平台，计算机网络子系统支撑平台由计算机、网络和存储三个部分的设备协调组织而成，提供支撑平台首先要根据业务需要选购并部署设备通过设计物理链路、配置软件实现资源整合；并行传输卫星数据包括并行传输下的网络环境配置和并行传输软件研制；汇集不同卫星地面站接收的碳卫星观测数据通过根据各站的位置、数据接收时间和数据质量，按照特定策略算法，实现观测数据的优选、去重、高精度拼接，对短期观测数据进行缓存；调度卫星地面应用系统业务，包括按照碳卫星运行轨道及数据接收时间，调度组织碳卫星数据预处理、产品处理作业有序运行，按照预定方案进行作业优先级调整流程，使应用系统协调完成各项任务；传输卫星地面应用系统数据包括时间表数据、原始观测数据、测距数据、各级处理后数据、卫星遥测指令和数据、作业调度指令和数据，对各产品生成算法进行工程实现，将各种数据产品向外部用户进行分发，对数据传输和产品分发进行配置管理和状态监控；监视卫星地面应用系统业务的运行包括捕获异常信息并实时报警，对系统运行数据进行采集入库，对历史数据进行统计分析并生成报表，以及在系统软硬件环境中部署集成卫星地面应用系统的应用软件包括通过集成测试、星地联调、试运行这些流程实现地面系统整合。
按照总体计算机网络子系统的设计要求和应用需求，CNS系统的主要性能指标中局域网络系统运行成功率不低于99.9%；关键业务计算机系统整体运行成功率和核心存储运行成功率均不低于99%。
如图10所示，碳卫星运行控制子系统（运控子系统），用于星地一体化运行调度管理、制定星地一体化时间表、碳卫星测控任务规划和指令生成、遥测信息监视、调度与监视地面数据系统全系统业务运控信息。通过获取与处理遥测数据，对卫星及星上载荷进行密切的监视，与西安卫星测控中心（XSCC）一起保障卫星的安全；通过实时获取星地全系统、主线全业务、全流程、全环节的业务运行状态数据，监控系统的运行状态，并对业务运行情况进行统计，支持管理人员从宏观上掌握系统“健康”情况；通过故障库，并自动接入系统运行产生的关键信息、异常情况，通过智能分析及人工解答的方式快速对异常情况进行诊断，进行必要的报警和辅助排查，消除系统隐患，降低故障发生率。
运控子系统的流程为首先进行轨道根数接收处理和分发，再生成测控计划并发送至西安卫星测控中心，多站接收时间表生成分发至数据接收子系统、数据处理系统、作业调度系统，然后就进行全系统运行调度，最后监视业务运行状态和生成业务报表，具体流程如图12所示。
运控子系统结构由数据接收传输任务调度与监视系统、遥感资料处理任务调度与监视系统、业务测控系统、测控信息管理和应用系统组成。如图3-7所示，该系统负责实现碳卫星地面应用系统全局性监控，外部涉及到西安卫星测控中心、数据接收子系统、计算机网络子系统、数据存档于服务系统、数据处理系统。该系统内部接口包括数据接收传输任务调度与监视系统、遥感资料处理任务调度与监视系统、业务测控系统、运控信息管理和应用系统之间的信息和数据交互，各个系统的关系具体如图11所示。
碳卫星数据预处理与产品生成子系统，用于检验各遥感器数据质量、地理定位各遥感器空间探测单元、对遥感器各光谱通道数据进行光谱和辐射定标、对各遥感器的光谱通道数据进行空间配准并按要求给出各质量检测点的数据和有关遥感器状态的数据。
碳卫星数据存档和共享服务平台子系统，用于自动获取碳卫星地面数据系统中其他系统输出的各级碳卫星数据产品、依据碳卫星数据卡规范进行数据质量检查、编目提元、数据存档于共享服务平台为碳卫星数据备份中心、为用户提供数据共享服务。
综上所述，借助于本发明的上述技术方案，通过建立复杂机动的星地一体化运行调度，实现了从碳卫星自动数据接收、主载荷高光谱温室气体探测仪（HSCO2）和辅助载荷云与气溶胶探测仪(CAPI)观测数据的流水线处理，至碳卫星数据产品的自动归档和服务等全数据流程的自动化业务运行，为碳排放相关科学研究提供高精度的卫星监测数据，良好的数据支撑，使得我国科学家团队成功输出了首幅全球叶绿素光反演图，实现自主产权全球二氧化碳分布数据的从无到有，提升了我国在国际碳排放方面的话语权。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种碳卫星星地一体化自动控制地面数据系统，其特征在于，包括碳卫星数据接收子系统、碳卫星运行控制子系统、碳卫星计算机网络子系统、碳卫星数据预处理及产品生成子系统、碳卫星数据存档和共享平台子系统，其中，
碳卫星数据接收子系统，用于接收碳卫星发送的X频段的数据，对接收数据进行解码、纠错、质量判断并将数据传送到国家卫星气象中心；
碳卫星运行控制子系统，用于星地一体化运行调度管理、制定星地一体化时间表、碳卫星测控任务规划和指令生成、遥测信息监视、地面数据系统全系统业务调度与运控信息监视；碳卫星运行控制子系统流程是首先轨道根数接收处理分发,生成并发送碳卫星测控计划，通过测控中心向碳卫星发送指令，部署卫星仪器观测任务,多站接收时间表生成分发,然后进行全系统运行调控,最后对业务运行状态进行监视,并生成业务报表；碳卫星运行控制子系统主要是由数据接收传输任务调度与监视系统、遥感资料处理任务调度与监视系统、业务测控系统、运控信息管理和应用系统组成；碳卫星运行控制子系统的系统内部接口分为数据接收传输任务调度与监视、资料处理任务调度与监视、业务测控、运控信息管理和应用模块之间的时间表、轨道根数、遥测数据、配置参数的信息交互；系统外部接口负责实现碳卫星地面应用系统全局性调度和监控设计，包括系统到西安卫星测控中心，包括数据接收子系统、计算机网络子系统、数据存档与服务系统、数据处理系统之间的信息交互；
碳卫星计算机网络子系统，用于为碳卫星地面数据系统的运行提供IT支撑平台、在该平台上部署集成碳卫星地面数据系统的应用软件、实时或准实时并行传输不同卫星地面站接收的碳卫星观测数据并按星地传输接口规约进行数据解包分拣，按碳卫星数据卡规范重新拼接汇集为有效载荷原始观测数据、集成调度碳卫星数据预处理及产品生成子系统的各个数据处理应用程序使之形成可自动运行系统、向碳卫星数据存档和共享服务平台分发卫星地面数据系统各类数据和产品、监视碳卫星数据自传输汇集至处理和分发的数据业务全流程，统计各环节数据质量、数据完整性和时效性；所述碳卫星计算机网络子系统中汇集卫星地面站数据采用一种基于流计算框架的空间科学卫星数据实时快速处理方法，通过根据各站的位置、数据接收时间和数据质量，按照特定策略算法，实现观测数据的优选、去重、高精度拼接，并对短期观测数据进行缓存；所述碳卫星计算机网络子系统中调度卫星地面数据系统业务包括按照碳卫星运行控制子系统制定的时间表，调度组织碳卫星数据传输汇集、预处理、产品处理及数据分发作业有序运行，按照预定业务流程方案进行作业优先级运行，使应用系统协调完成各项任务；
碳卫星数据预处理及产品生成子系统，用于检验各遥感仪器观测数据的质量、确定各遥感仪器观测数据的地理定位、对遥感仪器观测的各光谱通道数据进行光谱和辐射定标、对各遥感仪器的光谱通道数据进行空间配准并按要求给出各质量检测点的数据和有关遥感器状态的数据；
碳卫星数据存档和共享服务平台子系统，用于自动获取碳卫星地面数据系统中其他系统输出的各级碳卫星数据产品、依据碳卫星数据卡规范进行数据质量检查、编目提元、数据存档于共享服务平台并同步为碳卫星数据备份中心、为用户提供数据共享服务。
2.根据权利要求1所述的一种碳卫星星地一体化自动控制地面数据系统，其特征在于，所述碳卫星计算机网络子系统中为碳卫星地面数据系统提供平台首先要根据业务需要选购并部署设备，和通过设计物理链路、配置软件实现资源整合。
3.根据权利要求1所述的一种碳卫星星地一体化自动控制地面数据系统，其特征在于，所述碳卫星计算机网络子系统中传输卫星地面应用的系统数据包括原始观测数据、各级处理后数据、卫星遥测数据、作业调度指令和参数，对各产品生成算法进行工程实现，遵照碳卫星数据政策，将各种数据产品向外部用户进行分发，对数据传输和产品分发进行配置管理和状态监控。
4.根据权利要求1所述的一种碳卫星星地一体化自动控制地面数据系统，其特征在于，所述碳卫星计算机网络子系统中部署集成碳卫星地面应用系统的应用软件包括通过工程化和集成调度、集成测试、星地联调、试运行这些流程实现碳地面数据系统整合。
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