摘要:侦察卫星地面应用系统仿真的目的,就是为了模拟控制数据的形成过程,以及有载荷数据从接收、处理到按用户需要形成情报产品的流程,通过模拟系统的控制流和数据流,找出系统瓶颈并优化系统流程。通过讨论卫星侦察地面系统的组成和功能,分析系统工作原理,提出了将系统流程分成用户服务流程和数据接收处理流程两部分的思想。基于离散事件仿真软件Arena,设计并实现了卫星侦察地面系统的用户服务流程和数据接收处理流程。通过仿真结果分析,找出了系统瓶颈所在,提出了系统改进意见。
1 引言
由于卫星的无国界性和全球覆盖性,各军事强国纷纷把卫星作为面向全球的军事战略侦察与监视的情报获取的重要手段,几十年来相继开发了多种类型的军事侦察与监视卫星系列,建立了相应的地面应用系统[2] [4] [7] [8]。
卫星侦察地面系统的主要功能,就是根据情报用户的需要和测控数据上行控制数据,控制侦察卫星在轨运行和有效载荷工作,接收卫星下传的轨道数据和有效载荷数据,经处理形成监测数据和情报产品,满足卫星的测控或用户的情报需要。卫星侦察地面系统仿真的目的,就是为了模拟控制数据的形成过程,以及有效载荷数据从接收、处理到按用户需要形成情报产品的流程。在此基础之上,通过仿真过程中建立的各种流程模块,对整个系统的体系结构进行模拟,并对系统各部分的性能特点,特别是系统性能瓶颈可能出现的地方进行仿真试验和分析。同时,通过仿真优化地面系统的控制流和数据流,为实际地面应用系统的建设及日常运营提供参考和建议。
本文讨论了卫星侦察地面系统的组成和功能,分析了系统工作原理,提出了将系统流程分成用户服务流程和数据接收处理流程两部分,设计并实现了卫星侦察地面系统的流程。通过仿真结果分析,找出了系统瓶颈所在,提出了系统改进意见。
2 卫星侦察地面系统组成与功能
卫星侦察地面系统一般由十二部分组成[6]:综合任务调度与协调中心、卫星测控中心、卫星跟踪与数据接收、卫星有效载荷管理、数据记录与图像快视、专业处理中心、卫星数据中继地面站、通信与传输分发网络、系统监控管理、时统与气象、标校和技术保障(图1)。其主要部分的功能如下:
2.1 综合任务调度与协调中心
1)接收用户的任务申请,综合分析用户任务申请,并反馈给用户任务申请的完成结果。
2)对地面资源进行统一的调配和使用,协调内部各个组成部分的关系。
3)制定业务测控计划,协调并消解其冲突,形成统一的业务测试计划,发给测控系统。
4)制定数据接收计划,协调并消解其冲突,形成统一的数据接收计划,通过发给数据接收部门。
5)协调数据中继卫星系统的任务,形成中继卫星任务协调计划并发给中继卫星系统由其实施。
2.2 卫星测控中心
保障卫星平台自身的轨道、姿态和有关星体技术设备正常运作(工程测控)。
2.3 卫星跟踪与数据接收
1)捕获并跟踪卫星(业务测控)。
2)接收卫星下发的数据信号和遥测信号。
3)完成信号的变频与数据解调,得到后续处理所需的基带数据流。
4)提供卫星有效载荷管理发送通道。
2.4 卫星有效载荷管理
1)接收、处理卫星下传的遥测数据,实时监视卫星及有效载荷的工作状况。
2)产生向卫星发送的上行遥控指令和注入数据,输出射频遥控信号。
2.5 数据记录与图像快视
1)对解调后的数据流进行同步信号提取与格式化处理(为侦察监视卫星星上处理的逆过程)。
2)对分离后的图像数据和辅助数据进行实时存储与事后转存并完成相应的数据编目。
3)对图像数据进行抽样,实现侦察监视图像的实时快视显示。
2.6 专业处理中心
1)对图像数据进行价值预判,筛选有价值的图像,确定相应处理需求。
2)以影像分析与判读为主线,完成预判、初判、详判、会判等过程,将已确定的内容进行资料整编与制作生成定性、定量的图像产品。
3)按规定的一般生产程序完成高级别图像产品和各级别光化产品的生成工作。
4)将生成的文字、图表和声像专题资料汇同相应的图像产品进质量检验与评价,并形成质量检验报告。
2.7 卫星数据中继地面站
1)捕获并跟踪中继卫星。
2)接收中继卫星下发的数据信号和遥测信号。
3)完成中继信号的变频与数据解调,得到后续处理所需的基带数据流。
4)将基带数据流传给数据记录与图像快视部门和专业处理中心。
5)接受综合任务调度与协调中心的管理,提供卫星有效载荷管理发送通道。
2.8 通信与传输分发网络
1)提供系统内外常规通信手段。
2)提供系统内外计算机网络通信手段。
3)对多点分布的侦察卫星接收网站提供站间专用数据传输和勤务通信手段。
4)提供产品分发渠道。
2.9 系统监控管理
1)完成对卫星跟踪和数据接收的流程控制。
2)监视系统内各分系统、各设备的运行情况。
3)完成系统内各分系统、各设备工作状态的控制切换。
4)对地面系统任务计划和工作流程实施管理。
5)对系统软硬件资源、卫星运行状态、侦察区域、运行管理、工作日志、故障记录、设备运行档案等数据库进行管理。
3 卫星侦察地面系统工作原理
卫星侦察地面系统由宽带数据通信与传输分发网络将各个部分连接成一个有机的整体,其控制流程与数据流程为:
综合任务调度与协调中心根据上级下达的观测任务或用户需求,视地面应用系统的运行状态、先期观测结果和产品库存情况,制定卫星观测计划,编制相应的卫星有效载荷控制指令,以便注入卫星。同时制定卫星接收计划下达给数据接收部分,制定图像产品和数据存档编目生产计划,以工作定单的形式分别下达给图像快视预处理部门和专业处理中心。
卫星跟踪与数据接收负责对卫星实施跟踪和数据接收,接收到的卫星数据在信息形式上具有统一性,分为高数据率遥感图像型侦察监视数据(100~300Mbps)、低数据率图像型侦察监视数据(1Mbps左右)和纯数据型数据(1~10Mbps)。经低噪声放大、变频、解调/比特同步、译码等处理,实时记录到RAID(实时)盘上存档,同时实时监视工作状况。
图像快视设备从跟踪与数据接收部分调来原始图像数据和辅助数据,规范分幅后生成0级产品进行编目存档,同时生成0级浏览图像存档,并根据图像预处理生产计划进行辐射校正和几何校正等处理,生成1、2、3级产品,并存档。
图像专业处理中心通过网络调用浏览图像进行预判,并提出反馈意见送综合任务调度与协调中心、卫星有效载荷管理和系统监控部分。同时根据下达的高级产品与数据生产计划等进行编码、立体图像生成等处理,产生4、5、6级标准产品,进行判读、解译和存档编目,并将4、5、6级产品存入数据库。卫星有效载荷管理与系统监控可随时访问图像快视和图像专业处理的各级各类产品数据库,调用其产品目录进行综合管理和向用户提供服务。为了制定观测计划,综合任务调度与协调中心、卫星有效载荷管理和系统监控部门还通过通信线路,从气象等部门获取气象云图及时统数据,从卫星测控中心获取卫星轨道预报数据和卫星遥测数据。
4 仿真系统的设计[3] [4] [8]
根据卫星侦察地面系统的组成、功能和工作原理,可以将其仿真系统整合为用户服务和数据接收处理两大流程。
4.1 用户服务流程的设计
用户服务设施通过专用网络或军用公共网络接受情报用户提出的请求。用户最好是事先经过注册从而已确认了身份以及相应的权限和优先级,并且使用专用的软件以方便 提供统一便捷且利于安全保密需要的情报获取服务。用户请求以某种分布到达,每次请求的图像产品数量随机,这里设为N。用户请求到达后,首先对该用户进行权限及优先级确认,经过确认的用户请求进入处理环节。首先要对用户请求进行分析。用户所请求的N个产品中,每个产品的级别可能不同,既有0级产品,也有1-6级产品;有一部分是对库存产品的请求,而另一部分请求则没有对应库存产品,针对这种情况就需要安排新的侦察任务。安排新的侦察任务时,首先对用户请求进行可行性检查,按照概率决定是否可以通检查。如果通过了,则生成对应于每个产品请求的新的规划任务,并对任务的优先级进行确认。被分配了不同优先级的任务进入冲突消解过程以判断任务是否能够真的被调度。
如果能则进行任务排队,等待将任务发送给副站的有效载荷管理器;否则将失败信息返回给用户。这里对用户的请求进行分析就会出现两条支路:首先判断所请求产品的0级产品是否存在,如果存在则可以直接返回0级产品,或根据用户的需要实时生成高级产品返回给用户;如果所请求产品的0级产品不存在,则需要安排新的侦察任务。整个用户服务处理流程如图2所示。图中虚线部分以上为在主站内的处理过程,虚线部分以下为在副站内的处理过程。
4.2 数据接收处理流程的设计
遥感图像信息的数据信息经打包、格式化、和多路复用后形成基带数据流。基带数据流通过QPSK调制解调器对载波调制并进行上变频后,形成X波段射频信号。该信号通过空地链路传送到地面接收站,被地面接收站的天线捕获接收,接收后经过低噪声放大器低噪声放大(LNA)后,经过下变频器及中频滤波放大器后成为中频调制信号,从接收天线到这里的部分都视为信道部分。得到的中频调制信号被解调器解调后得到基带数据流。基带数据流还要经过帧同步和格式化器的处理以得到原始的图像数据码流,在格式化时还需要解密器的支持。得到的原始图像数据码流一路被用来生成快视图像,一路被实时记录到各副站的本地RAID存储器中。当卫星过顶,接收过程结束后,原始图像数据码流将被通过广域网传送到主站。主站是数据的处理加工和存档单位,原始图像数据码流在这里首先被恢复为以幅为单位的原始图像文件数据,然后再被分幅为标准的0级产品图像文件,并编目存档。0级产品同时被用来生成1、2、3、4、5、6级产品,各级产品生成后同样进行编目存档。
图3说明了侦察与监视卫星地面应用系统的信息处理流程。图中各框图可以是一个具体的设备,也可以是一个信息处理过程。虚线以上的部分为副站处理过程,虚线以下部分为主站处理过程。
5 基于Arena的仿真系统实现及结果分析
Arena仿真软件是Rockwell公司开发的新一代离散系统仿真软件,广泛应用于各行各业之中。它是按照模块化设计的理念开发的,这与一般的仿真模型建立的习惯较吻合。A-rena具有丰富的建模模块,且每一种模块都有相当全面的属性和方法可供选择。Arena还提供了输出分析器、过程分析器以及OptQuest工具,方便用户进行输入和输出分析以及进行多方案比较和选择最佳解决方案[5]。
采用Arena软件建立了卫星侦察地面系统的模型,其中用户服务流程见图4,数据接收处理流程见图5。两个流程模型通过任务排队连在一起。
通过将该仿真系统运行设置为稳态仿真、选取合适的预热时间和运行时间进行多次仿真,仿真结果表明:
●用户服务流程中对冲突消解(ConflictSolving)和任务队列(Mission Queue)的处理能力与预定的要求还有一定差距。
●数据接收部分的处理能力基本上能满足要求,但流程中还有瓶颈存在,计划请求(Plan Request)与有效载荷数据(Payload Data)处理能力不足。
●用户从提出申请直至获得最终产品在不考虑卫星观测用时和数据下行窗口情况下仍然不能满足实际要求。图5 数据接收和处理流程模型
●冲突消解(Conflict Solver)、任务编辑(Mission Edit)和有效载荷数据处理(Processor)的相关设备,平均利用率较高。
根据仿真结果,建议在卫星侦察地面系统的资源配置上,要适当增加使用率过高的资源数量或提前建立资源备份提高冗余,也可以考虑发挥分布式资源的价值,以保证利用有限资源能够带来更多的效益。当然,这在地面应用系统的设计建设中就应得到重视,可以通过计算机仿真手段,结合用户需求和特殊条件下的运营特点,找出系统瓶颈所在。与此同时,还要建立各部门间的统一接口标准,特别是信息传输网络的接口标准,保证系统间的互通性,使资源得到尽可能的共享,进而缩小地面系统的规模提高费效比。另外,软硬件的配置应具备一定的可扩展性,便于运营阶段的维护与拓展。
6 结论
不同的卫星侦察地面应用系统各自有其自身的特点,本文论述其组成与功能并作了工作原理的描述,提出了分层嵌套实现的思想,将系统流程分成两部分,即用户服务流程和数据接收处理流程。建立了一个通用型的系统模型,在此基础上建立起了卫星战场侦察与监视地面应用系统的仿真系统。通过对软件仿真结果的分析找出了系统瓶颈所在,达到了预期仿真目标,提出了卫星侦察地面系统设计与日常运营方面的若干改进意见。
本文研究对象主要是针对成像卫星的地面应用系统,下一步研究工作一方面是对输入数据进一步精细化,提高仿真系统的可信度,另一方面对车载、舰载和机载等分布式移动地面系统进行研究。
参考文献:
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