在轨卫星综合数据库系统的设计与实现

朱剑冰 秦巍 程博文 莫中秋 常克武

（1 北京空间飞行器总体设计部，北京 100094）（2 中国卫星导航定位应用管理中心，北京 100088） （3 中国卫星导航系统管理办公室，北京 100054）

1 引言

在轨航天器的种类和数量日趋增多，且寿命越来越长，航天器在轨管理进入了多航天器并行化管理阶段［1］。航天器在轨管理包括航天器在轨工作状态监视、在轨实时测控、故障诊断与健康管理、在轨趋势分析［2］等业务，卫星在轨综合数据是实现此类业务的数据基础，如何高效存储管理卫星在轨综合数据直接决定了在轨管理业务的水平。卫星在轨综合数据包括在轨遥测、遥控指令、在轨注入数据、轨道数据、控制量计算结果、故障诊断专家知识、故障处理决策信息等，目前国内卫星工程实践中，对卫星在轨综合数据的存储管理都是各自分开单一管理，随着在轨航天器种类和数量的增多，传统方式逐渐暴露出管理复杂、不利于扩展、数据关联分析困难等诸多问题［2-3］，无法满足多航天器平台化并行管理的要求。因此需要针对卫星在轨综合数据的特点，设计一套符合多航天器在轨管理支持平台要求的卫星在轨综合数据库系统，有效存储与管理卫星在轨综合数据，为航天器在轨管理业务提供更好的数据基础。

本文通过对卫星在轨综合数据的特点进行分析、归纳，提出了卫星在轨综合数据库的设计思想，并对关键技术进行了研究与实现，包括遥测数据变化存储与快速查询技术和计算结果与在轨运行信息的统一存储与查询技术。在此基础上设计了一套卫星在轨综合数据库系统，有效解决卫星在轨综合数据大数据量存储、高时效查询获取、多样性数据统一存储等难点问题，可为航天器在轨管理提供有效的数据支撑。

2 关键技术研究与实现

卫星在轨综合数据存储管理关键技术是如何对多种类的卫星在轨综合数据进行合理有效地分类，然后针对分类数据特点，设计高效的存储与查询方法，从而满足航天器在轨管理各类业务实现的数据要求。

2.1 卫星在轨综合数据分类

通过对多颗在轨卫星在轨综合数据特点的分析和归纳，卫星在轨综合数据可分为两类：

（1）遥测数据。指航天器上各种被测信息经过传感器变换、采集编排和副载波调制等处理，再通过无线信道送达地面接收站，提供给航天器工程技术人员和航天器用户使用的数据［4］，这类数据反映航天器在轨运行的真实状态，包括各分系统设备状态信息、温度信息等，具有数据格式固定，数据变化缓慢，数据量大的特点。遥测数据是地面在轨管理平台进行卫星在轨状态监视、在轨异常报警与处理、在轨数据分析等的依据［5］，因此如何实现数据高时效的存储与查询是系统设计的重点与难点。

（2）计算结果与在轨运行信息数据。包括遥控指令、在轨注入数据、轨道数据、控制量计算结果、故障诊断专家知识、故障处理决策信息等。这类数据存储量不大，但类型繁多，格式差异较大，而且随着新型卫星的增加还会产生新的数据。这类数据是地面实时测控、故障诊断与健康管理、在轨趋势分析的基础，因此如何实现数据的统一化存储管理，满足多样性、高扩展性要求是系统设计的重点与难点。

卫星在轨综合数据库系统需要针对这两类数据设计特定有效的数据存储结构，满足航天器在轨管理平台化的数据要求。

2.2 遥测数据存储与查询技术

2.2.1 遥测数据变化存储技术

基于遥测数据数据格式固定、数据变化缓慢两大特点，本文提出一种遥测压缩存储的方法，整个压缩存储算法流程如图1所示。

图1 遥测数据存储过程Fig.1 Process of TM data storage

首先根据卫星遥测大表（卫星工程研制中用于描述整星遥测参数的表格）为每个遥测参数生成一张遥测参数表，用于存储该遥测参数的数据信息（包括时间和值信息）。然后循环接收网络上发送的实时遥测数据包，解包还原出卫星上的数据帧信息，如果为新出现的数据帧数据，则存储该数据帧。分析帧信息，获取该帧包含的遥测参数数据列表，将遥测参数数据列表中每个遥测参数数据与其对应的遥测参数表中最新的遥测数据进行比对，如果值不同，则将该点的时间和数据值存入该遥测参数表中。否则，不存储该点数据。由于遥测参数变化缓慢，很多情况下，连续一段时间的某个遥测参数都是完全相同的，此时数据库中只需要存储一点的数据，从而达到大幅度压缩遥测数据存储量的目的。同时，遥测帧信息也进行了有效存储，查询时可以根据帧信息表和遥测参数表无损地还原出实际的每帧数据，保证压缩算法的无损性。

2.2.2 遥测数据快速图形化查询技术

遥测数据查询结果的图形化显示，可使卫星工程师清晰准确了解遥测参数的变化趋势［6］。遥测图形化查询技术的主要瓶颈在于遥测数据量大，利用数据绘制图形速度较慢，当查询较长时间数据时无法满足用户使用要求。本文提出了一种基于特征值提取的遥测查询方法，可以快速绘制满足用户查询条件的遥测曲线。快速图形化查询算法如下所示。

1）术语定义

（1）遥测分组：将所有满足查询条件的遥测数据分成若干组，每组包含一条或多条遥测数据。

（2）特征值：遥测分组中一组遥测数据中的最大值和最小值，采用（i，Bi，Si）值对来表示。其中i表示这组遥测数据在遥测分组中的序号，Bi为第i组遥测数据的最大值，Si为第i组遥测数据的最小值。

2）算法的已知条件

（1）屏幕分辨率：横向像素个数为X。因此在绘制遥测曲线时，只需要X个特征值，就可以无损地将满足查询条件的遥测数据进行曲线显示。

（2）满足检索条件的遥测数据条数为N。

3）算法执行过程

（1）如果N＜X，则所有N条数据都是特征值，每个特征值计算公式如式（1）所示，转入（4）；否则进入（2）；

式中：Vi为第i条遥测数据的值。

（2）把N条数据分为X组，前X-1组每组都包含M条数据，M的计算公式如式（2）所示，最后一组包含P条数据，P的计算公式如式（3）所示；进入（3）；

（3）分别提取X组数据的最大值和最小值，得到X个（i，Bi，Si）的值对，即为本次查询的特征值；

（4）根据特征值在屏幕绘制出满足查询条件的遥测曲线。

2.3 计算结果与在轨运行信息存储与查询技术

由于计算结果与在轨运行信息具有数据类型繁多，数据格式差异大，新增类型多，所以采用Xml格式传输，可实现数据的自解释，而且有利于软件开发过程的稳定与系统的扩充［7］。对这类数据的统一存储，本文设计了一种先定义后存储的统一存储方法，详细步骤如下。

步骤1：定义计算结果与在轨运行信息的存储格式，即卫星需要存储哪些计算结果与在轨运行数据，定义包括名称，版本号，Xml描述字等信息（版本号字段是为了便于新类型数据在以前类型数据上直接升级扩展方便而定义的），如表1所示（此表只列举3类计算结果与在轨运行信息）。

表1 计算结果与在轨运行信息存储格式定义Table 1 Definition of in-orbit state information storage style

步骤2：定义计算结果与在轨运行信息单元类型，即定义每种计算结果与在轨运行信息包含哪些字段，对步骤1中每条记录包含哪些具体内容进行描述。例如指令的定义如表2所示。

表2 计算结果与在轨运行信息单元类型定义Table 2 Definition of in-orbit state information unit style

步骤3：根据步骤1和2的定义，自动生成用于存储计算结果与在轨运行信息的数据表，步骤1的定义形成表名，步骤2的定义形成表结构。以指令这类计算结果为例，根据步骤1的第2条记录的定义信息，生成表名为Tc＿1的数据表，表中含有的字段由步骤2的定义得到，包括指令代号、指令名称、指令值、发指令时间。

步骤4：解析网络上的Xml（可扩展的标记语言）数据存储到相应的步骤3 中生成的数据表中。以指令这类计算结果数据为例，当计算结果与在轨运行信息存储程序在网络上接收到如图2所示的Xml数据时，将根据Xml信息搜索到Tc＿1表，并将数据信息存储到表Tc＿1中，存储结果如表3所示。

表3 Tc＿1表存储的数据内容Table 3 Storage content in the Tc＿1table

3 系统实现与应用效果

3.1 系统总体结构

系统总体结构如图3所示。卫星在轨综合数据库系统由5部分组成。卫星在轨综合数据库系统对外输入接口为从各个测控单位获取的遥测原码数据、遥控指令等在轨原始数据，对外输出接口为各种处理后的卫星在轨综合数据，包括遥测工程值数据、遥控指令、轨道数据、控制量计算结果数据、异常报警诊断数据、故障处理决策信息等。

1）综合数据接收与处理模块

用于接收各测控站发送来的遥测遥控等卫星在轨综合数据，进行数据解包处理，并且根据数据的类型，分别发往遥测数据存储代理模块和计算结果与在轨运行信息数据存储代理模块。

2）遥测数据存储代理模块

根据遥测数据配置将相应的遥测数据存入卫星在轨综合数据库，遥测数据存储采用本文2.2.1节提出的方法。

3）计算结果与在轨运行信息数据存储代理模块

根据计算结果与在轨运行信息数据配置将用户需要的计算结果与在轨运行信息存入卫星在轨综合数据库，此类数据统一存储采用本文2.3节提出的方法。

4）卫星在轨综合数据库

卫星在轨综合数据库用于存储所有的卫星在轨综合数据，为各类在轨服务提供数据支撑。

5）数据快速提取代理模块

根据检索条件从数据库中检索出相应数据（对于遥测数据的图形化绘制采用本文2.2.2节提出的特征值提取算法），并将检索数据发往各在轨服务系统（包括航天器异常监视报警系统、航天器故障诊断系统等）使用。

图3 系统总体结构图Fig.3 System framework

3.2 系统实际应用效果

卫星在轨综合数据库系统投入使用后，实现了遥测数据的存储和查询，图4显示了几类卫星在使用系统前后的遥测数据存储量的对比结果。从图4中可以看出使用遥测数据变化存储方法，平均数据无损压缩到约为使用前的1／20。

由于卫星各分系统设计师查询在轨重点遥测参数一般不超过50个，每个遥测参数查询时间段一般不超过3个月，因此本文采用3 颗典型卫星（涵盖高、中、低三种轨道）150个常用遥测参数（每颗卫星50个重点遥测参数）进行试验，利用本系统绘制这些遥测参数三个月的数据曲线，都能在10s以内完成，完全符合查询时效性的要求。

系统还有效地实现了遥控指令、注入数据、轨道根数、控制量计算结果、卫星在轨状态、卫星故障处理决策信息以及航天器故障处理预案等计算结果与在轨运行信息的存储，为设计师分析故障机理提供了有力的数据支持。

图4 遥测数据压缩前后数据量对比图Fig.4 TM data quantity comparison between before compression and after compression

4 结束语

卫星在轨综合数据库系统设计采用了按数据类型特点分类存储管理的思想，有效压缩了遥测数据的存储量，平均数据压缩达1／20，同时设计了一种快速获取遥测的方法，遥测查询性能符合时效性需求。基于数据类型描述的数据计算结果与在轨运行信息存储管理方法也有效适应了该类数据种类多样、新增类型多、高扩展性的特点。

卫星在轨综合数据有效存储管理，是分析卫星运行状态的基础。今后，可以借助这些数据做进一步的卫星故障预测、数据挖掘工作，为卫星设计与研制提供有效的反馈［8］。

（References）

［1］王环，郭义琪，秦巍.专家知识在在轨管理中应用的设想［J］.航天器工程，2008，17（3）：67-68 Wang Huan，Guo Yiqi，Qin Wei.Application of expert knowledge of on-orbit management［J］Spacecraft Engineering，2008，17（3）：67-68（in Chinese）

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［8］秦巍，郭永富.一种基于历史遥测数据的在轨卫星故障预警系统［J］.航天器工程，2010，19（6）：40-41 Qin Wei，Guo Yongfu.A failure warning system based on historicial telemetry data for satellites on orbit［J］.Spacecraft Engineering，2010，19（6）：40（in Chinese）