CN115664490A

CN115664490A - 一种低轨卫星遥测数据存储及回放系统及其方法

Info

Publication number: CN115664490A
Application number: CN202211129530.7A
Authority: CN
Inventors: 陶成华; 杨小江; 杜国明; 刘强; 刘航
Original assignee: Aerospace Dongfanghong Satellite Co Ltd
Current assignee: Aerospace Dongfanghong Satellite Co Ltd
Priority date: 2022-09-16
Filing date: 2022-09-16
Publication date: 2023-01-31

Abstract

一种低轨卫星遥测数据存储及回放系统及其方法，在低轨卫星的星间测控管理单元设置FLASH存储器，实时存储星上各单机的遥测数据。当出现故障后，可以在卫星过境时，根据地面指令，将指定时间的星上遥测数据快速回放至地面，用于故障快速分析定位和处置。本发明中地面用户可以按需灵活控制存储数据的回放起始时刻和终止时刻，可以按需多次反复回放存储数据，可以按需灵活设定数据回放抽样比例。本发明中遥测数据回放仍然通过测控信道下传，信息解码解译与常规遥测方式相同，不需要地面增加额外的硬件，可以兼容现有遥测处理系统。

Description

一种低轨卫星遥测数据存储及回放系统及其方法

技术领域

本发明属于卫星信息工程技术领域，特别涉及一种低轨卫星遥测数据存储及回放系统及方法，可以在星上长期存储遥测数据，并按需快速回放指定时间数据的方法。

背景技术

低轨卫星与静止轨道等高轨卫星相比，具有可观测区域灵活多变、发射难度低、工程造价低等优势，因而得到了广泛发展，在数量上占有绝对优势。但是，低轨卫星在过境时间上具有明显劣势。

静止轨道卫星可以与地面测控站24小时通信，将卫星遥测数据实时传回地面，从而在地面可以实时了解卫星运行状态。在卫星某台单机出现故障时，可以实时分析遥测数据，对问题进行分析定位，及时处置故障，防止故障扩散。

而低轨卫星大部分时间无法与地面测控站通信，无法将遥测数据实时传回地面。例如离地表高度600公里处运行的低轨卫星，其轨道周期为96分钟，而与地面测控站单次通信的平均时长仅约10分钟。我国测控站基本分布在境内，低轨卫星要在境外运行很多圈次后，才能运行到境内，与地面测控站的通信次数很少。通常情况下，我国低轨卫星每天可以通过星地测控信道回放遥测数据的总时长仅在数十分钟左右(每颗卫星测控时长的具体数值与轨道倾角、地面测控站资源保障等有关，但是差异不大)。

这种运行特点导致低轨卫星需要利用与地面测控站很短的通信时长，快速完成星上遥测的回放，特别是当星上单机出现故障时，需要及时快速通过回放的遥测数据让地面对问题进行分析定位，及时处置故障。

不同于图像数据，卫星遥测数据是由随机的二进制数组成的，没有合适的算法对这类数据进行压缩，从而减少数据量，提高传输效率。因此设计一种全新的遥测数据存储和回放方法的需求非常迫切，对于解决低轨卫星的境外遥测数据回放和故障原因分析具有迫切的工程意义。

国内有人提出将遥测数据存储在对地数传的大容量存储器中，通过对地数传通道传回地面的方法。但是该方法的缺点很突出：1、改变了遥测数据的回放路径，将遥测数据的接收处理从测控系统更改到应用系统，需要应用系统具备相应的遥测处理、解析和显示功能，不符合卫星工程各系统的职责分工。2、如果涉及载荷、能源、数传等分系统的故障，为了保证整星安全，往往无法开机并使用对地数传通道将数据下传至地面，此时在逻辑上会出现矛盾，在工程上无法实施。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出了一种低轨卫星遥测数据存储及回放系统及方法，基于FLASH型大容量固态存储器，辅以相应的管理软件，实现对星上遥测数据的长时间存储、可指定时间段回放存储遥测、可变抽样速率回放存储遥测，经过卫星在轨实际应用，解决了低轨卫星故障遥测数据获取难题，可以作为一种低轨卫星遥测数据存储和回放的通用解决方案推广应用。

本发明的技术方案为：

一种低轨卫星遥测数据存储及回放系统，包括：通过星上总线交互连接的测控管理单元、星务中心计算机、遥控单元和测控应答机，其中：

星务中心计算机通过星上数据总线收集卫星各单机的遥测数据后进行数据打包和格式编排形成实时遥测数据，然后将实时遥测数据发送给遥控单元；

遥控单元的遥测加密模块对实时遥测数据进行加密，将加密后的实时遥测数据以第一速率发送给测控管理单元；

测控管理单元具有FLASH存储器；测控管理单元将接收到的实时遥测数据转发给测控应答机，同时将遥测数据1:1无抽样完整实时地存储至所述FLASH存储器中；测控管理单元还根据卫星上单机出现故障的时间，将故障时刻前某时间点作为数据回放的起始时刻，将故障时刻后某时间点作为数据回放的终止时刻，并从FLASH存储器中回放存储的遥测数据；

当卫星飞过特定区域且根据遥控指令传输回放遥测数据时，测控管理单元接收地面发送的遥控指令以读取遥测数据并将对外输出的遥测数据的速率由第一速率提升为第二速率，以第一速率传输实时遥测数据，以第二速率和第一速率的差值传输回放遥测数据；将回放遥测数据与实时遥测数据合并后，以第二速率输出给测控应答机；当回放遥测数据传输完成后，将对外输出遥测数据的速率恢复为第一速率。

进一步的，所述测控管理单元在传输回放遥测数据时采用以下方式在FLASH存储器中寻址：

设当前星上时间为T_sd秒，当前存储地址为AD_sd，遥测数据回放的起始时刻为T_qs秒、终止时刻为T_zz秒；则相应的回放起始地址为：AD_sd-(T_sd-T_qs)*第一速率，相应的回放终止地址为：AD_sd-(T_sd-T_zz)*第一速率。

进一步的，所述测控管理单元在传输回放遥测数据时，按照设定的抽样比例从FLASH存储器中读取回放遥测数据，其包括：

如果将故障时间区间限定到3小时，则设定回放抽样比例为1/6；

如果将故障时间区间限定到2小时，则设定回放抽样比例为1/4；

如果将故障时间区间限定到8小时，则设定回放抽样比例为1/16；

按照设定的抽样比例进行抽样回放，直到回放终止时刻。

一种低轨卫星遥测数据存储及回放方法，包括：

(1)对卫星各单机遥测数据收集后进行数据打包和格式编排形成实时遥测数据，对实时遥测数据进行加密，将加密后的实时遥测数据以第一速率发送给测控应答机，同时将遥测数据1:1无抽样完整实时地存储至所述FLASH存储器中；

(2)确定卫星上单机出现故障的时间，将故障时刻前某时间点作为数据回放的起始时刻，将故障时刻后某时间点作为数据回放的终止时刻，并从FLASH存储器中回放存储的遥测数据；

(3)当卫星飞过特定区域且根据遥控指令传输回放遥测数据时，读取遥测数据并将对外输出的遥测数据的速率由第一速率提升为第二速率，以第一速率传输实时遥测数据，以第二速率和第一速率的差值传输回放遥测数据；将回放遥测数据与实时遥测数据合并后，以第二速率输出给测控应答机；当回放遥测数据传输完成后，将对外输出遥测数据的速率恢复为第一速率。

进一步的，所述的从FLASH存储器中回放存储的遥测数据时采用以下方式在FLASH存储器中寻址：

进一步的，传输回放遥测数据时，按照设定的抽样比例从FLASH存储器中读取回放遥测数据，其包括：

按照设定的抽样比例进行抽样回放，直到回放终止时刻。

进一步的，所述第一速率为4096bps，所述第二速率为16384bps。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明中遥测数据仅在需要故障排查定位等情况下按照用户需求进行回放，平时不占用测控信道资源。而以往卫星星上存储的延时遥测数据回放是不受控的，长时间占用卫星下行遥测信道。本发明中存储遥测数据回放是受控的，只按需短期使用遥测信道，因此可以采取将遥测信道速率按需短时切换为高速率的方法来解决信道资源占用问题。目前绝大多数低轨卫星和地面测控站都支持在4096bps和16384bps速率之间进行短期切换，不仅对地测控信道，中继测控信道速率也可以短期切换。当遥测速率低速切为高速后，就有12kbps的富余信道资源用于遥测数据回放。而常规的延时遥测回放速率仅为4096bps速率的1/8～1/3即约512bps～1365bps，本发明将数据回放速率提升了9-24倍，具有快速回放能力。并且由于本发明中对延时遥测需求小，遥测信道平时基本都分配给卫星实时遥测使用，因此卫星长期下传的实时遥测速率也提升了近50％。实时遥测数据率的提高更加符合现代卫星功能更复杂、单机数量更多，对实时遥测数据率需求更高的趋势。

(2)本发明中遥测数据存储于回放充分解耦。遥测数据无抽样无损存储。回放时可以多次反复按不同抽样比例进行回放。例如：先通过稀疏的延时遥测将需要回放的时间范围划定为3小时内。此时，通过指令指定故障回放起始终止时刻，以1/6的抽样比例回放，在10分钟的过境时间内，可以回放的遥测总时长为:12288*10*6/4096＝3小时。可以完整下传故障时刻附近的所有遥测数据。此时的回放抽样比例较低，对于32秒一次的遥测，其数据更新周期也仅放大6倍，为3.2分钟，对于大部分故障原因分析已经够用。如果还需要进一步的数据，可以再次指定回放起始时刻，按照1:1的无损比例进行下传，可以在1分钟左右完成回放。所以本发明在数据回放时，先通过极少量的延时遥测数据率和很大的抽样比例，快速筛选出需要回放数据的时间区间，然后再按照时间跨度大小，设置相应的回放起始时刻、终止时刻、回放抽样比例，实现对遥测存储数据的按需回放。本发明中存储的遥测数据可以进行多次反复不同抽样比例的回放，实现了按需快速回放、按需变速率回放。

(3)本发明中使用大容量FLASH存储器存储星上遥测数据，并且采用存储与回放解耦的策略，可以极大拓展遥测数据存储时长。而在以往卫星的延时遥测存储和回放策略下，存储的遥测数据量必须在一次过境通信时长内回放完毕，否则会出现数据积压和溢出，因此遥测存储时长不能大于8小时。本发明中存储数据的回放是受控制的，其回放起始时间和回放抽样比例都是由地面指令指定的，可以反复多次回放，存储时长与数据回放时长没有关系，遥测数据存储时长只受限于FLASH存储器容量大小，目前工业用FLASH存储器容量均可以满足存储遥测数据时长不少于15天的需求。

(4)本发明中星上存储的遥测是没有经过抽样的，仅仅在回放时按照设定的比例进行抽样回放，按照前述的策略，可以通过反复多次回放，逐渐缩小回放数据时间范围，实现对星上遥测1:1的回放，即地面可以获取到指定时间段内的无稀释无损的遥测数据，这对于深度挖掘分析数据，获取星上设备详细运行状态是很重要的。

(5)本发明中的存储遥测数据仍然通过对地测控信道下传至地面，与经过运控/应用系统下传存储遥测数据不同，本发明中的遥测数据下传信道未发生变化，数据格式也与常规遥测一致，所以可以充分兼容现有的地面测控系统的遥测处理和显示功能，不需要再开发新的软件，在分工上也不需要反复协调。

(6)本发明中的存储遥测数据回放没有增加额外的发射机，在卫星平台正常时就可以正常工作，相比通过数传分系统对地下传存储遥测更加简易可行。通过数传系统下传存储遥测需要打开数传发射机和行波管，需要更多的额外的能源。本发明中存储遥测回放功能需要的资源最小，具有更强的鲁棒性，更加满足故障排查和遥测数据回放的需求。

(7)本发明中下传的数据类型可以进一步拓展，例如可以下传星上总线通信的数据，可以下传单机自测试数据等在遥测数据之外的内容，对于基于星载计算机和数据总线的现代卫星，可以更加便捷、更加多层次地获取星上各设备的健康信息和卫星运行状态信息。

附图说明

图1星上遥测数据存储和回放工作原理示意图；

图2遥测回放数据时信道数据分配比例示意图；

图3多次回放确定数据回放时间区间示意图；

图4为本发明方法的流程图。

具体实施方式

本发明提供了一种星上遥测数据存储和回放系统及方法，可以实现遥测数据的长时间存储和按需回放，充分兼容现有星地测控接口。本发明中的遥测数据存储和回放工作方法实现原理如图1所示。

一种低轨卫星遥测数据存储及回放系统包括：测控管理单元、星务中心计算机、遥控单元、测控管理单元和测控应答机；其中：

测控管理单元中具有FLASH存储器及其相应的存储回放管理模块，其中FLASH存储器的容量不小于8Gbit，可以采用单片FLASH实现，也可以采用多片更小容量的FLASH拼接而成，留有适度的备份容量，可以在某片存储器故障时，通过重构启用备份容量，因而具有比单片大容量存储器更高的可靠性。存储回放管理模块主要由80C32单片机、FIFO、A54SX72反熔丝型FPGA等组成。其中80C32单片机是核心，通过其内运行的存储回放管理软件，实现对遥测数据的存储控制、回放地址检索、回放起始时刻和终止时刻控制、回放抽样比例控制等。FIFO用于数据交互缓存。FPGA用于实现单片机的外围硬件接口功能。

星务中心计算机通过星上数据总线(通常为CAN总线或者1553B总线，为低轨卫星常用的星上串行数据总线。星务中心计算机为星上数据总线的上位机，负责完成星上数据总线的通信时序控制和调度，而各单机为下位机，负责在上位机的调度下，按照约定的协议接收总线上的数据和按要求向总线上发送相应的数据)对卫星各单机遥测数据进行收集后再统一进行数据打包和格式编排形成遥测数据，然后将该遥测数据通过RS422接口发送给遥控单元。

遥控单元的遥测加密模块对该遥测数据进行加密，加密后的遥测数据速率为第一速率4096bps，再通过RS422接口发送给测控管理单元。

测控管理单元将收到的该遥测数据不做任何更改并且实时地转发给测控应答机，同时将该遥测数据1:1无抽样完整地存储至上述测控管理单元的FLASH存储器中。将遥测数据无抽样完整地存储是本发明区别与其它方法或实现的重要特征，因为本发明中存储的数据是完整的，所以可以在后续的回放才有可能进行无抽样回放，而部分故障问题的原因分析时，就需要不经过抽样的遥测数据才能满足要求。

测控管理单元按照存储遥测数据的回放起始时刻和终止时刻，当卫星飞过特定区域(如中国国境)且需要回放存储遥测数据时，测控管理单元接收地面发送的遥控指令并将对外输出的遥测数据的速率由第一速率4096bps切换为第二速率16384bps，并根据遥控指令将该遥测数据回放地址指针跳转到指定起始时刻，从上述FLASH存储器中读取该遥测数据，按照设定的抽样比例进行抽样回放，直到回放终止时刻。

地面根据收到的存储遥测数据，可以进一步发送遥控指令，控制测控管理单元再次对存储遥测数据进行新设定的抽样比例的回放，甚至不抽样回放。采用新设定的抽样比例回放的含义是：相对于一般其它方法或实现而言，本发明的遥测数据可以反复回放。回放遥测数据时，可以采用不同的抽样比例，获得相应稀疏程度的回放结果。刚开始的抽样比例可以与常规的延时遥测实现相当，比较稀疏，后面的抽样比例可以逐渐降低，数据就变得稠密，最终甚至可以不抽样回放。因为遥测数据下传总时长是不变的，所以数据越稠密，传输的数据时间跨度越小，需要逐渐迭代缩小数据时间跨度，其前提条件是星上存储的时候是没有经过稀释的数据。

本发明中通过专用的FLASH和数据管理软件单元，实现了对遥测数据的无损存储和按需回放，可以实现任意抽样比例的回放、反复多次回放。实现了存储与回放的完全解耦，可以实现星上遥测数据的长时间存储，可以实现星上遥测数据的深度挖掘利用。

本发明还提供了一种星上遥测数据存储和回放方法，可以实现遥测数据的长时间存储和按需回放，充分兼容现有星地测控接口，工作流程如图4所示，

一种低轨卫星遥测数据存储及快速回放的方法，依托于低轨卫星的测控管理单元大容量固态存储器实现，步骤如下：

(1)在测控管理单元中设置FLASH型大容量固态存储器。测控管理单元通过RS422接口实时接收星务分系统形成的整星遥测数据，将遥测数据不做任何更改并且实时地转发给应答机，同时将遥测数据1:1完整地存储在FLASH型大容量固态存储器中。

星务中心计算机通过星上通信总线，收集各卫星单机的遥测数据，按照卫星与地面测控系统的约定，对卫星各单机遥测数据进行格式编排和组帧形成遥测数据，然后将该遥测数据传输给遥控单元的遥测加密模块，在该模块中对卫星遥测数据进行加密，加密后的遥测数据格式完整，主要包含遥测帧头、帧尾、被加密的数据、加密提示信息，加密后的遥测数据速率为4096bps。

经过遥控单元遥测加密模块加密后的遥测数据通过RS422接口发送给测控管理单元，测控管理单元的管理软件将该遥测数据通过RS422接口，采用时钟信号CLK叠加遥测数据DAT的二线制方式(通常在RS422发送端数据DAT与时钟CLK的上升沿对齐，在RS422接收端在时钟CLK的下降沿判决数据DAT的高低电平，确保数据传输无误)发送给对地测控应答机和中继应答机，由对地测控应答机调制发射给地面或由中继应答机调制发射给中继卫星再由中继卫星转发给地面。测控管理单元同时将该遥测数据实时存储至其配置的大容量FLASH存储器中。

FLASH存储器的读写由测控管理单元的数据管理软件进行管理。现对星上遥测数据采取的是1:1无损无稀释存储。由于写入速率恒定为4096bps，因此管理软件可以根据当前存储地址和当前星上时间，推算出任意指定时刻的星上遥测数据存储地址，从而为存储遥测按照指定的起始时刻和终止时刻读出奠定基础。

(2)确定卫星上单机出现故障的时间。通过常规的延时遥测数据信息，大致确定单机出现故障的时间。也可以根据用户任务执行情况的反馈，大致确定单机出现故障的时间。甚至可以直接将故障时间范围确定为两次测控时间间隔。根据查故障原因的需要，可将故障时刻前若干小时作为数据回放的起始时刻，将故障时刻后若干小时作为数据回放的终止时刻进而确定FLASH存储器存储遥测数据的回放起始时刻和终止时刻。

根据目前的星上遥测数据量，可以分配给延时遥测的速率约为总信道速率的1/8，即1/8*4096＝512bps。在存储回放抽样比例为1/336时，利用此部分延时遥测，在10分钟的测控时间内，可以获取的延时遥测数据时长为512*10*336/3584＝480分钟＝8小时，即可以实现两次测控时间间隔内全部延时遥测的回放。

通过稀疏的延时遥测数据，可以获得星上单机出现故障的大致时间。例如，对于大部分遥测数据周期32秒的单机，此时两包延时遥测的间隔为32*336＝10752秒＝2.987小时。即间隔3小时左右可以获取一次单机的状态遥测，对单机健康状态进行一次判读。因此，通过稀疏的延时遥测数据，可以将需要回放的遥测数据时间区间缩小到不大于3小时的范围。

当然，也根据由用户反馈的任务执行正常与否来确定大致的故障时刻。一般低轨卫星的用户任务频度为每轨道圈一次，如果卫星单机出现故障，影响用户任务的正常执行，则可以根据用户任务计划，获取到单机故障时刻。此时获取到的故障时间区间(即故障可能出现的时间范围)约为1-2小时左右。

如果未获取到用户任务计划，并且极端情况下，卫星各单机数量多，单机遥测数据量大，导致卫星4096bps的遥测信道速率全部被占用了，没有延时遥测数据及其下传功能。此时，仍然有办法确定故障时间区间。即可以直接将故障发生时刻限定为上次正常测控时刻与本次测控时刻之间，最大时间也约为8小时。然后在后面可以通过反复迭代回放的方法，将故障时间区间快速缩小。

(3)卫星飞过中国国境时回放存储遥测数据，测控管理单元接收地面发送的遥控指令将卫星下行遥测速率由4096bps切换为16384bps、按照步骤(2)中确定的故障时间设定存储遥测数据的回放起始时刻和终止时刻、设定存储遥测的回放抽样比例。对于回放的起止时刻，在步骤(2)中确定的故障时间基础上，向前扩展若干时间作为遥测数据回放的起始时刻，向后扩展若干时间作为遥测数据回放的终止时刻，这样可以通过遥测数据的回放获取故障前后的设备状态信息，为故障定位、分析及故障修复提供充分的信息支撑。然后当卫星过境时，通过地面测控站就可以在接收卫星实时遥测的同时接收回放的存储遥测数据，回放的存储遥测数据格式与实时遥测数据相同，因此其接收、显示、处理所用的工具软件、方法、流程与实时遥测数据相同。

目前绝大多数低轨卫星和地面测控站都支持在4096bps和16384bps两种下行遥测速率之间进行短期切换，不仅对地测控信道，中继测控信道速率也支持在4096bps和16384bps速率之间进行短期切换。当遥测速率从4096bps切换为16384bps时，就有12288bps的速率用于遥测数据回放。此时的测控信道中回放数据与实时数据的分配比例如图2所示，分配比例为一帧实时遥测数据三帧回放遥测数据，即测控信道中每秒下传的实时遥测数据为4096bit，回放遥测数据是实时遥测数据的三倍，为12288bit。

在16384bps速率下，也可以暂停4096bps的实时遥测，将全部信道速率都用于回放存储遥测。相应的，对于不能切换遥测速率的卫星，也可以暂停实时遥测，将全部信道速率分配给回放存储遥测。

本发明中，通过测控管理单元的管理软件单元，可以实现快速指定起始和终止时刻的存储遥测回放。因为，测控管理单元按照恒定的4096bps对遥控单元输出的遥测数据进行存储，因此结合当前卫星星上时间，可以实现对存储数据地址的快速寻址。简介如下：

设当前星上时间为Tsd秒，当前存储地址为ADsd，需要回放的存储遥测起始时间为Tqs秒，终止时间为Tzz秒。那么相应的回放起始地址为：ADsd-(Tsd-Tqs)*4096，而相应的回放终止地址为：ADsd-(Tsd-Tzz)*4096。

当然，如果地面直接指定回放当前星上时间之前ΔTqs秒开始到ΔTzz秒终止的遥测数据，此时的回放起始地址为：ADsd-ΔTqs*4096，回放终止地址为：ADsd+ΔTzz*4096。

在本发明中，对于存储遥测数据可以按需灵活指定回放抽样比例，即对存储遥测数据进行指定的抽样比例的回放或者不抽样回放。回放抽样比例是指对存储数据按什么样的抽样率进行回放，例如1/4的抽样比例就是对于存储数据每4帧抽取1帧回放，也即每隔3帧数据回放1帧数据。

例如，如果通过延时遥测将故障时间区间缩小到3小时，则可以设定回放抽样比例为1/6，此时在10分钟内可以将故障时间区间的存储遥测数据全部回放完毕：12288/4096*6*10＝180分钟＝3小时。

如果通过用户任务反馈，将故障时间区间缩小到2小时，则可以设定回放抽样比例为1/4(回放抽样比例是指对存储数据按什么样的抽样率进行回放，例如1/4的抽样比例就是对于存储数据每4帧抽取1帧回放，也即每隔3帧数据回放1帧数据)，此时在10分钟内可以将故障时间区间的存储遥测数据全部回放完毕：12288/4096*4*10＝120分钟＝2小时。

如果只能通过两次测控间隔将故障时间区间确定为8小时，则可以设定回放抽样比例为1/16，此时在10分钟内可以将故障时间区间的存储遥测数据全部回放完毕：12288/4096*16*10＝480分钟＝8小时。

以最后一种回放场景为例，可以通过反复迭代回放来快速缩小和确定数据回放的时间区间，其示意如图3所示：

经过第一次1/16的抽样比例回放后，对于遥测数据更新周期32秒的大部分单机，其回放的存储遥测变为32*16＝512秒＝8.53分钟一次，即第一次回放就将故障时间区间缩小到8.53分钟。

当卫星第二次飞过特定区域时间内再次下传回放遥测数据，此时不对回放遥测数据进行抽样以得到完整回放遥测数据。即第二次回放可以设置不抽样，即1:1回放。此时仅需要8.53/3＝2.84分钟，就可以将故障数据全部回放完毕。

例如，用户告知有一次任务执行失败，该任务的起始时刻为T0，终止时刻为T0+30分钟，时间跨度为30分钟。为了找到本次任务执行失败的原因，需要获取到星上相关单机的健康状态信息，通常至少要先获取到任务中间时刻T0+15分钟前后各1小时，共时长2小时的遥测数据，才能找到与故障相关的单机及其故障原因。

所以，当卫星再次进入中国境内时，向卫星的测控管理单元发送遥控指令，将对地遥测速率由4096bps的低速率切换为16384bps。测控管理单元的存储回放管理模块会根据指令，将输出给测控应答机的数据速率提高到16384bps，并将其中4096bps的信道速率分配给此时由星务中心计算机生成、遥控单元遥测加密模块加密后的实时遥测，将剩余的12288bps信道速率分配给回放遥测。

此时，再向测控管理单元发送遥控指令，设定存储遥测的回放起始时刻为T0-45分钟，终止时刻为T0+75分钟，并设定回放抽样比例为1/4。星上的测控管理单元会按时间检索出相应的回放起始时刻和回放终止时刻的地址，并按照隔3帧数据抽取1帧数据回放的方式，将存储在FLASH中的遥测数据提取到存储回放管理模块的FIFO中，按照信道分配约定，以12288bps的速率与4096bps的实时遥测合并后，以16384bps的速率输出给测控应答机。

为了区分实时遥测与回放遥测，通常需要在存储回放管理模块中，将从FLASH中提取的遥测数据帧头部分的卫星识别码进行更改，例如实时遥测数据中卫星识别码为1A，那么可以将回放遥测数据中的卫星识别码设置为5A。这样地面遥测处理、显示软件仅需要通过卫星识别码标识出处理及显示的遥测数据是实时数据还是回放数据，就可以实现实时遥测与回放遥测的地面处理显示软件的共用。

根据第一次卫星过境10分钟内下传的遥测数据，可以获取T0-45分钟到T0+75分钟的抽样比例1/4的回放遥测。对此数据进行分析，找到故障相关单元的健康状态遥测从正常变为异常的2帧遥测，其时间间隔与单机遥测生成周期有关，假设单机遥测更新周期32秒1次，那么经过第一次抽样后，2帧遥测间隔变为128秒。假设第1帧数据时刻为T1，第2帧数据时刻为T1+128秒。

为了获取进一步的细节信息，可以在卫星再次经过中国境内时，进行第二次回放。此时设置的数据回放起始时刻为T1，终止时刻为T1+128秒。抽样比例设置为1，即不对数据进行抽样，完整的回放遥测数据。

第二次回放至地面的遥测数据为T1至T1+128秒，对于故障相关单元，可以获取到(T1,T1+32秒,T1+64秒,T1+96秒,T1+128秒)共5帧遥测数据，包含单机健康和异常两种状态及逐渐变化的遥测信息，可以供地面完成故障定位分析和后续处置。

至此，本次遥测数据回放需求已经圆满完成。

(4)回放结束后，将下行遥测信道速率由16384bps切换为4096bps。

当按需完成存储遥测回放后，一般会将下行遥测信道速率切换为4096bps的低速率状态，这样可以减少地面数据接收量，降低地面测控压力。

(5)星上自动进行遥测数据的存储，当存储容量用尽后，自动进行覆盖性存储，很容易选择存储器容量确保在星上存储不小于15天的遥测数据，实现低轨卫星在轨数据的长时间存储和按需快速回放。

在以往卫星的延时遥测存储和回放策略下，存储的遥测数据量必须在一次过境通信时长内回放完毕，否则会出现数据积压和溢出，因此遥测存储时长不能大于8小时。本发明中存储数据的回放是受控制的，其回放起始时间和回放抽样比例都是由地面指令指定的，可以反复多次回放，存储时长与数据回放时长没有关系，遥测数据存储时长只受限于存储器容量大小。

因为本发明选用的是大容量FLASH来实现数据存储，目前可以选择的星载FLASH容量可以很容易实现单个芯片不少于8Gbit，对应于4096bps的遥测存储速率，可以存储的遥测数据时长接近一个月：

8*1024*1024*1024/4096＝2097152秒＝24.27天。

实施例

某卫星的遥测数据信息流设计为：星务中心计算机1台，主要功能是通过星上CAN总线，按照CAN总线协议及星务中心计算机与CAN总线上各单机间的数据约定，由星务中心计算机定时轮询各单机，收集各单机的遥测数据，这些遥测数据是反映各单机健康状态及分析单机故障原因的重要依据。

星务中心计算机将收集到的遥测数据按照星地遥测数据格式约定进行格式编排，然后通过RS422接口发送给遥控单元。

遥控单元将收到的遥测数据送到遥测加密模块进行加密，加密后的遥测数据格式完整，主要包含遥测帧头、帧尾、被加密的数据、加密提示信息，速率最终为4096bps。遥控单机将加密数据通过RS422接口发送给测控管理单元。

测控管理单元负责将收到的该遥测数据不做任何更改并且实时分为2路，通过RS422接口分别发送给对地测控应答机和中继测控应答机。由应答机进行射频调制、功率放大后发送给地面测控站或由中继卫星转发给地面测控系统。

根据本发明的设计，在测控管理单元中设置有FLASH存储器和遥测存储回放管理模块。其中遥测存储回放管理模块主要由80C32单片机、FIFO、A54SX72反熔丝型FPGA组成，存储回放管理模块在将遥测数据转发给测控应答机的同时，将遥测数据完整地存储在FLASH中。该FLASH的容量不少于8G比特，可以存储不少于24天的遥测数据。

假设某天，用户告知有一次任务执行失败，该任务的起始时刻为T0，终止时刻为T0+30分钟，时间跨度为30分钟。为了找到本次任务执行失败的原因，需要获取到星上相关单机的健康状态信息，通常至少要先获取到任务中间时刻T0+15分钟前后各1小时，共时长2小时的遥测数据，才能找到与故障相关的单机及其故障原因。

至此，本次遥测数据回放需求已经圆满完成。

然后，在卫星再次进入特定区域时，向测控管理单元发送遥控指令，将遥测速率切回4096bps(当然，也可以保持16384bps的速率，但是由于此时没有回放遥测的需求，会导致遥测信道的浪费)。

在卫星在轨运行的全寿命周期，测控管理单元会自行向FLASH存储星上遥测数据，当存储容量用完时，会自动进行覆盖存储。

本发明在兼容现有测控模式的前提下，解决了现有星上遥测数据存储与回放功能耦合，数据回放稀疏，无法满足故障原因分析等需求的难题，通过在测控管理单元增设大容量FLASH存储器和相应管理软件，以较小的代价实现了便捷灵活的遥测数据存储和回放功能，实现了对卫星遥测数据无抽样无损失的不少于15天的长时间存储，可以按需对指定时间段的遥测数据进行变速率的反复回放，以实现通过遥测数据对卫星状态信息的深度挖掘分析。目前在工程上已经形成了成熟稳定的解决方案，经过了在轨实际工程应用，效果良好，因此本发明具有良好的推广应用前景。

本发明说明书中其他未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims

1.一种低轨卫星遥测数据存储及回放系统，其特征在于，包括：通过星上总线交互连接的测控管理单元、星务中心计算机、遥控单元和测控应答机，其中：

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述测控管理单元在传输回放遥测数据时采用以下方式在FLASH存储器中寻址：

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述测控管理单元在传输回放遥测数据时，按照设定的抽样比例从FLASH存储器中读取回放遥测数据，其包括：

按照设定的抽样比例进行抽样回放，直到回放终止时刻。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一速率为4096bps，所述第二速率为16384bps。

5.一种低轨卫星遥测数据存储及回放方法，其特征在于，包括：

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述的从FLASH存储器中回放存储的遥测数据时采用以下方式在FLASH存储器中寻址：

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，传输回放遥测数据时，按照设定的抽样比例从FLASH存储器中读取回放遥测数据，其包括：

按照设定的抽样比例进行抽样回放，直到回放终止时刻。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一速率为4096bps，所述第二速率为16384bps。