CN116886179B - 一种在轨卫星遥测数据管理及下行方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在轨卫星遥测数据管理及下行方法，属于航天器遥测技术领域，该方法采用遥测处理模型进行遥测数据管理以及下行，遥测处理模型在实时遥测模式下，通过模型管理器发起模型遍历过程，调用遥测帧内容设置接口完成遥测组帧过程，同时访问服务层外存管理服务进行延时遥测的外部存储；在延时遥测模式下，调用外存管理服务中的外存读取接口进行延时遥测的回读，组帧完成的遥测帧保存至相应的遥测下行缓冲区；遥测下行时，基于服务层的通信管理服务通过TM通道由中心机发送至应答机。本发明充分考虑实时遥测数据优先级和目标延时数据的数据量，在保证目标延时数据获得完整传输的前提下，实时数据也能根据重要程度尽可能的得到保留。

Description

一种在轨卫星遥测数据管理及下行方法

技术领域

本发明属于航天器遥测技术领域，特别是遥测数据传输管理技术领域，具体涉及一种在轨卫星遥测数据管理及下行方法。

背景技术

卫星在轨运行期间，除了进行数传任务外，地面站还需及时获得卫星各传感器运行状态，并进行调整。对于这种数据量相对较小，但实时性要求较高且存在突发式请求非常规状态或数据的情况，开辟了遥测信道，将此种数据以遥测帧的形式传输至地面系统。但由于遥测信道普遍速率不高，且地面接收基站无法做到全球覆盖，导致卫星往往只能在规定的有限时间内向地面站传输数据。这就导致卫星在轨期间产生的状态信息无法全部传输，在这种情况下，如何优化下行策略，尽可能的获得重要数据和目标数据，是目前卫星遥测管理领域亟待解决的问题。

在工程实际应用过程中，为及时获取卫星状态并开展业务，需要及时获得所需数据，通常采用三种方式：1）仅采用遥测信道，根据预设配置信息，将卫星各应用状态按固定周期传输至地面系统；2）遥测信道与数传信道同时传输，例如公开号为CN115549772A的专利；3）利用中继卫星短报文形式转发传输，例如公开号为CN114389673A的专利。

但以上方式都有不足的地方，当仅采用遥测信道，由于信道速率和传输时间的限制，往往不足以将在轨运行期间产生的所有数据在规定时间内全部传输至地面，导致获取目标延时数据常常只能通过查询应答的方式获得，多次应答不仅会浪费带宽，还会影响实时数据正常传输，剩余流量不足以将所需实时数据传输完成，此时按常规顺序以剩余流量传输实时遥测帧并不满足地面站需求。

而遥测信道与数传信道同时工作的方式同样会存在数传资源利用率不高造成浪费的情况，而且在传输前后还需要进行数据的分包、整合等步骤，极易引起数据错误和丢失，带来不必要的麻烦。

利用中继卫星转发则存在通信链路过长，导致数据接收发送延迟、通讯资源浪费等的问题。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种在轨卫星遥测数据管理及下行方法，该方法能够在保证目标延时数据获得完整传输的前提下，实时数据也能根据重要程度尽可能的得到保留，克服了现有的遥测数据下行方法存在的不足。

为解决上述问题，本发明采取如下的技术方案：

一种在轨卫星遥测数据管理及下行方法，该方法采用遥测处理模型进行遥测数据管理以及下行，所述遥测处理模型包括实时遥测模式和延时遥测模式；在组帧过程管理阶段，当所述遥测处理模型处于实时遥测模式时，通过模型管理器发起模型遍历过程，调用各模型的遥测帧内容设置接口完成遥测组帧过程，同时访问服务层外存管理服务进行延时遥测的外部存储；当所述遥测处理模型处于延时遥测模式时，调用外存管理服务中的外存读取接口进行延时遥测的回读，组帧完成后将组帧完成的遥测帧保存至相应的遥测下行缓冲区；

所述遥测处理模型进行遥测下行时，基于服务层的通信管理服务通过TM通道由中心机发送至应答机，再由应答机下行遥测数据。

本发明的有益效果：本发明提出了一种在轨卫星遥测数据管理及下行方法，该方法采用遥测处理模型，在仅采用遥测信道的情况下，充分考虑实时遥测数据优先级和目标延时数据的数据量，在无目标延时数据请求的情况下，将实时数据帧按照遥测帧信息表下载；在有目标延时数据查询需求的情况下，根据目标延时数据的数据量和剩余流量（根据平均下行速度乘以剩余传输时间）计算出实时数据的下载量，按照优先级对实时数据选择性传输，在保证目标延时数据获得完整传输的前提下，实时数据也能根据重要程度尽可能的得到保留。

附图说明

图1为遥测处理模型的结构关系图；

图2为实时遥测模式下的遥测帧组帧流程图；

图3为遥测下行缓冲区配置简图；

图4为延时遥测模式下的遥测帧组帧流程图；

图5为实时遥测模式下遥测帧下行顺序示意图；

图6为延时遥测模式下数据下行流程图；

图7为延时遥测模式下优先级调整示意图；

图8为延时遥测模式下数据下行顺序示意图。

具体实施方式

下面将结合附图及较佳实施例对本发明的技术方案进行详细描述。

本发明提出了一种在轨卫星遥测数据管理及下行方法，该方法采用遥测处理模型进行遥测数据管理以及下行，遥测处理模型的结构关系如图1所示，遥测处理模型分别与模型管理器、其他模型和服务层连接，模型管理器还与公共数据区连接，用于为遥测处理模型提供公共数据访问，服务层为遥测处理模型提供时间管理服务、通信管理服务和日志管理服务，同时服务层还分别与卫星同步时钟监测单元TMU、应答机A、应答机B连接，通过PCM下行遥测。本实施例中的遥测处理模型包括两种模式，分别为实时遥测模式和延时遥测模式。

遥测处理模型将遥测帧的下行分为两个阶段，第一阶段为组帧过程管理阶段，第二阶段为下行阶段。在组帧过程管理阶段，在软件运行过程中，当遥测处理模型处于实时遥测模式时，需要通过模型管理器发起模型遍历过程，从而调用其他各模型的遥测帧内容设置接口，读取遥测帧内容，完成遥测组帧过程，同时访问服务层外存管理服务进行延时遥测的外部存储；在延时遥测模式下，遥测处理模型调用外存管理服务中的外存读取接口进行延时遥测的回读，并在组帧完成后将组帧完成的遥测帧保存至相应的遥测下行缓冲区。在下行阶段，遥测处理模型进行遥测下行时，基于服务层的通信管理服务通过TM通道由中心机发送至应答机，再由应答机下行遥测数据。

在遥测组帧过程管理阶段，遥测处理模型通过遍历模型组帧函数或直接构造，完成全部类型遥测帧的组帧过程控制，包括常开帧、任务帧、应答帧和空闲帧。

实时遥测模式下的遥测帧组帧过程如图2所示，首先顺序查询遥测帧信息表，遥测帧信息表包括遥测帧组帧类型、数目、组帧时刻、顺序等信息；判断是否有应答帧，若有应答帧，则根据应答帧标识发起组帧过程，否则结束组帧过程；发起组帧过程之后，接下来判断应答帧是否已完成组帧，若是，则将遥测帧结构存储至对应遥测下行缓冲区，否则，重新查询遥测帧信息表。

遥测下行缓冲区按照遥测模式分为两大部分，即实时帧缓冲区和延时帧缓冲区，如图3所示，其中实时帧缓冲区视遥测帧重要程度以不同优先级设置缓冲区，缓冲区分为三个优先级，优先级由高至低依次为关键帧缓冲区（0）、次级帧缓冲区（1）和末级帧缓冲区（2）。

延时遥测模式下特定周期需要进行即时组帧的遥测帧，本周期内组帧完成后查询优先级配置表保存至对应遥测帧缓冲区。

对于应答遥测帧，查询应答遥测帧，获取完成组帧的各应答遥测帧，实时遥测模式下，依据固定遥测帧下行顺序下行，延时遥测模式下，保存至末级缓冲区。

对于空闲遥测帧，在空闲周期内自主下行的遥测帧，根据下行需求直接进行组帧，且仅在实时遥测模式下下行，延时遥测模式下不下行。

延时遥测帧存储管理方式为：在实时遥测模式下，依据粗粒度将实时遥测数据转换为延时遥测数据进行外部存储，存储到外部存储区，如图3所示。

延时遥测模式下进行遥测帧组帧时，可根据当前模型遥控指令配置时间区间、采样频率、帧类型和是否断点续传以读取外部存储的延时遥测数据，并保存至延时帧缓冲区。具体地，遥测帧组帧过程如图4所示，首先读取Flash状态，判断Flash状态是否就绪，若是，则继续判断是否存在断点，否则结束组帧过程；若存在断点，则先需要找到断点位置，然后再利用二分法确定目标数据开始位置，若不存在断点，则直接利用二分法确定目标数据开始位置，确定位置后，再继续判断是否设置时间区间；当未设置时间区间时，判断读地址是否小于写地址，若是，则读取一帧数据，并将该遥测帧数据搬移到遥测帧结构，此时读指针基于采样率和帧类型后移，直至读取到最后一个遥测帧；当设置时间区间时，判断基于时间区间的读地址是否小于写地址，若是，则读取一帧数据，获取帧时间后，获取扇区内最大时间（即写地址处时间），然后判断帧时间小于设置结束时间和扇区最大时间大于设置开始时间是否同时成立，若同时成立，则查询第一个满足时间限制的遥测帧，将该遥测帧数据搬移到遥测帧结构，此时读指针基于采样率和帧类型后移，直至读取到最后一个遥测帧或读取到的遥测帧时间超过时间区间上界。

遥测处理模型的功能实现聚集在操作系统中创建的一个遥测任务中，该任务为常驻任务，任务执行周期通过信号量来控制，任务在接收到信号量后执行一次遥测处理模型的相关操作，在执行一次操作之后进入阻塞态，等待信号量来触发任务的执行。遥测处理模型在接收到相关的信号量后执行，正常情况下每周期都会运行，进行当前周期下的遥测组帧与下行。此外，由于各波段传输效率的区别，不同波段的测控单机具有对应的遥测处理模型，根据测控下行能力的不同，不同模型的组帧配置过程与下行量有所不同。

实时遥测模式下，由于无需传输目标延时遥测数据，遥测处理模型将按照固定遥测帧下行顺序下行实时遥测帧。

由于对实时遥测帧中不同常开帧与业务帧需求频率不同，以高分03系列卫星遥测数据下行为例，该实验星设定存在1s、2s、4s三种采样频率实时帧，设定下行顺序如图5所示，示意图中共有四种不同类型帧：1-x帧，2-x帧，4-x帧和空闲位。其中，1-x表示采样频率为1s/帧，2-x表示采样频率2s/帧，4-x表示采样频率4s/帧，从图中可以看出，同名1-x帧每秒出现一次，同名2-x帧每2秒出现一次，4-x帧同理，此时，不同采样频率常开帧和业务帧如此相互匹配完成下行且满足实时性要求。

图5中空闲帧的存在主要是为应答帧设立的，实时遥测模式下应答帧组帧完成后，将该帧置于空闲位，完成应答帧的下传。当无应答帧时，空闲位用作空闲帧的放置。

实时遥测数据下行时，为减少下行流量波动对数据传输实时性造成的影响，将每1秒时间分为四个周期，按照周期调整数据传输量，当网速下降时，为避免数据丧失实时性，将减少最近周期空闲位，同理，网速较快时可增加空闲位，以使该秒数据始终能在该秒传输完成。

同时根据各帧的延时帧周期，将实时数据存入外部存储器作为延时数据保存。如GPS轨道数据遥测帧实时帧每秒下行一次，延时帧每8秒存储一次。

延时遥测模式下，遥测处理模型将访问服务层外存管理服务进行延时遥测的外部存储，同时将各帧按照优先级配置表置入实时遥测不同缓冲区，如卫星综合参数帧可放入关键帧缓冲区，中心计算机遥测帧与GPS轨道数据遥测帧等可放入次级帧缓冲区，星敏星图数据遥测帧、各在轨应答遥测帧等可放入末级帧缓冲区。需要注意的是该优先级配置表并非单一排序，每隔数个周期，该优先级配置表会调整优先级排序，如图7所示，处于末级帧缓冲区的某应答帧，在数个周期后会进入次级帧缓冲区以实现传输。例如，处于末级帧缓冲区的应答帧数传1应急工程参数帧，在20个周期后会进入次级帧缓冲区以实现传输。

在延时遥测模式下，遥测处理模型访问外部存储时，可根据需要选择不同延时数据提取模式，包括但不限于按时间区间提取模式、按帧类型提取模式，并配合设置采样率和是否续传等，将延时遥测数据从外部存储区中提取出来并放入延时帧缓冲区，且多种模式可相互配合，以更精确获得目标数据且避免大量应答帧的产生占用流量。延时遥测数据下行流程具体如下：

（1）定位读取的扇区：初始化写指针功能函数，通过读取每个扇区第一帧和最后一帧的帧头确定该扇区是否为空/写满/半满；

（2）是否配置断点续传，如有配置断点续传则从断点开始遍历，如没有配置断点续传则利用二分查找确定目标数据开始位置；

（3）读取过程：根据时间区间、采样率、帧类型，将所有遥测帧遍历完成，选取符合要求的遥测帧；

（4）结束标志：当读取到最后一个遥测帧（下一个位置非遥测帧或全部扇区均读取完成）或读取到的遥测帧时间超过时间范围上界则结束读取。

延时遥测模式下由于延时帧占用部分流量，故对实时遥测帧下行量会有所调整，其下行量取决于设定的延时帧传输时间和延时帧数据量，将待下延时帧在设定传输时间内匀速传输，单位周期剩余流量将用于实时帧按照优先级顺序传输。

在延时遥测模式下，需要调整实时遥测帧下行量，具体通过以下方式确定要传输 的实时帧数量：根据延时遥测帧数据量M、单位周期传输总帧数N及剩余传输时间T，计算得 到单位周期空余下行实时帧数S，计算公式为：，根据该单位周期空余下行实时帧 数S分配从次级帧缓冲区和末级帧缓冲区下载的剩余遥测帧数量。进一步地，本实施例中的 单位周期下行实时帧数大于等于1，以使得关键帧在每周期都能得到传输。

遥测处理模型每周期执行遥测帧下行过程时，下行优先级由高至低依次为关键帧、剩余遥测帧、延时帧。

图6为延时遥测模式下数据下行流程图。在遥测处理模型接收到延时遥测下行指令后，开始执行数据下行流程，包括步骤：

S1：获取剩余传输时间、单位周期传输速率和延时帧总数量；

S2：计算出单位周期延时帧和实时帧传输数据量；

S3：按照优先级顺序下载实时帧；

S4：下载当前周期待下延时帧；

S5：判断延时帧是否全部下载完成，若是，则结束数据下行，否则返回步骤S1，重新获取参数。

假设需要提取某日2：00至14：00区间内GPS轨道数据延时遥测帧，则从外部存储器将所需目标数据提取至延时帧缓冲区，共720帧延时帧。若设定剩余数据下行时间240周期，则平均每周期需下行3帧GPS轨道数据延时遥测帧，按平均每周期总共可下行8帧遥测帧计算，剩余流量可供下行实时帧5帧，则可按照优先级得到所有可下行实时帧，即除关键帧缓冲区1帧数据外，每周期还可下行次级帧缓冲区4帧数据，如图8所示。随后按照关键帧缓冲区>次级帧缓冲区>末级帧缓冲区>延时帧缓冲区的顺序，传输当前周期所有待下行数据至应答机。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种在轨卫星遥测数据管理及下行方法，其特征在于，采用遥测处理模型进行遥测数据管理以及下行，所述遥测处理模型包括实时遥测模式和延时遥测模式；

在组帧过程管理阶段，当所述遥测处理模型处于实时遥测模式时，通过模型管理器发起模型遍历过程，调用各模型的遥测帧内容设置接口完成遥测组帧过程，同时访问服务层外存管理服务进行延时遥测的外部存储；当所述遥测处理模型处于延时遥测模式时，调用外存管理服务中的外存读取接口进行延时遥测的回读，组帧完成后将组帧完成的遥测帧保存至相应的遥测下行缓冲区；所述遥测下行缓冲区包括实时帧缓冲区和延时帧缓冲区，所述实时帧缓冲区分为三个具有不同优先级的缓冲区，优先级由高至低依次为关键帧缓冲区、次级帧缓冲区、末级帧缓冲区；

在实时遥测模式下，所述遥测处理模型按照固定遥测帧下行顺序下行实时遥测帧；在延时遥测模式下，所述遥测处理模型读取外部存储的延时遥测数据，并保存至所述延时帧缓冲区，所述遥测处理模型将待下延时帧在设定传输时间内匀速传输，单位周期剩余流量用于按照优先级顺序传输所述实时帧缓冲区内的实时帧；

所述遥测处理模型进行遥测下行时，基于服务层的通信管理服务通过TM通道由中心机发送至应答机，再由应答机下行遥测数据。

2.根据权利要求1所述的一种在轨卫星遥测数据管理及下行方法，其特征在于，所述遥测处理模型每周期执行遥测帧下行过程时，下行优先级由高至低依次为关键帧、剩余遥测帧、延时帧。

3.根据权利要求1所述的一种在轨卫星遥测数据管理及下行方法，其特征在于，实时遥测数据下行时，将每1秒时间分为四个周期，按照周期调整数据传输量，同时根据各帧的延时帧周期，将实时数据存入外部存储器作为延时数据保存。

4.根据权利要求1所述的一种在轨卫星遥测数据管理及下行方法，其特征在于，所述遥测处理模型在延时遥测模式下访问外部存储时，根据延时数据提取模式将延时遥测数据从外部存储区中提取出来并放入延时帧缓冲区，且多种延时数据提取模式相互配合，所述延时数据提取模式包括按时间区间提取模式和按帧类型提取模式，并可以设置采样率和是否续传。

5.根据权利要求1所述的一种在轨卫星遥测数据管理及下行方法，其特征在于，在延时遥测模式下，通过以下方式确定要传输的实时帧数量：

根据延时遥测帧数据量、单位周期传输总帧数及剩余传输时间，计算得到单位周期空余下行实时帧数，根据单位周期空余下行实时帧数分配从次级帧缓冲区和末级帧缓冲区下载的剩余遥测帧数量。

6.根据权利要求5所述的一种在轨卫星遥测数据管理及下行方法，其特征在于，单位周期内下行的实时帧数大于等于1。

7.根据权利要求1所述的一种在轨卫星遥测数据管理及下行方法，其特征在于，在实时遥测模式下，根据粗粒度将实时遥测数据转换为延时遥测数据存储到外部存储区。

8.根据权利要求1所述的一种在轨卫星遥测数据管理及下行方法，其特征在于，遥测帧的类型包括常开帧、任务帧、应答帧和空闲帧，所述应答帧和所述空闲帧仅在实时遥测模式下下行。