一种科学卫星联合观测支持系统

1.本发明属于科学卫星管控技术领域，尤其涉及一种科学卫星联合观测支持系统。


背景技术：

2.参考文献[1](解放军信息工程大学李耀东硕士学位论文《多星协同对地观测任务规划技术研究》)主要针对多星协同对地观测任务规划问题，建立对了多星协同对地观测任务规划问题分析及模型，建立了多星协同对地观测任务规划仿真系统，但只针对对地观测卫星，并以任务仿真stk结果为输入，不能支持非对地观测科学卫星，且没有研制统一的联合观测平台来支持不同类型和种类的卫星任务。
[0003]
参考文献[2](国防科技大学白国庆论文《基于协同进化的多平台联合对地观测优化调度》，国防科技大学学报，2013年8月，第35卷第4期)主要分析了卫星与无人机在执行观测与资源调度上的特性差异基础上，建立了多星联合对地观测调度问题的数学模型，提出了多平台协同进化调度算法，通过仿真实验表明该方法能够有效解决空-天基多类型平台联合观测优化调度问题。但该方法只能解决卫星与无人机的调度，不适用于科学卫星，且没有针对此类问题建议统一的平台，只是停留在算法的设计。本文提出的联合观测支持系统为独立的在各科学卫星运控系统之上的系统，达到对多任务协同观测支持的效果。
[0004]
参考文献[3](科学技术成果鉴定证书，证书号赣教技鉴字[2016]4，成果名称为多源卫星联合观测技术与遥感应用系统研究)该成果综合运用多星对地观测，结合地面水文遥测战网，系统地解决了水资源与水环境时空变化过程的信息提取、存储与管理、数据通话与定量反演、及信息系统集成等关键技术，为点(站点)、线(河道)、面(流域)观测与地理信息系统(gis)一体化的水利行业提供了整体解决方案。该成果能够利用多对地遥感卫星进行联合观测，且开了智能决策分析系统，但不适用于科学卫星，且没有考虑不同类型卫星之间的不同约束与关系。
[0005]
参考文献[4](《国外导弹与航天》高景林论文，1986年11月刊，)美国、欧洲、加拿大和日本的地球科学家们正在合作设计一种名为“对地观测系统”(eos)的航天器系列。这个系统在今后10年间将取代各自发射的极地轨道气象卫星、陆地遥感卫星和海洋遥感卫星。eos的任务是监测自然力和人类对地球的破坏，以及进行传统的气象观测和科学研究。但该文提出的eos航天器系列不能够支持多类型的科学卫星，且没有考虑多卫星之前的协同工作和协同观测。


技术实现要素：

[0006]
本发明的目的在于克服现有技术缺陷，针对多科学卫星联合观测的需求，提出了一种科学卫星联合观测支持系统。
[0007]
为了实现上述目的，本发明提出了一种科学卫星联合观测支持系统，基于各卫星任务的地面支撑系统和科学应用系统实现，所述系统包括：
[0008]
协同观测需求征集子系统，用于收集空间科学机遇事件，根据各颗卫星的任务属
性对科学机遇事件进行筛选，识别出潜在的观测任务目标，向各卫星任务的科学应用系统发布科学机遇事件；
[0009]
协同观测方案生成子系统，用于根据筛选后的科学机遇事件，分析每颗卫星任务的观测能力，生成协同观测方案；
[0010]
科学机遇事件交叉证认子系统，用于完成科学机遇事件的快速协同证认以及多信使天文事件的协同后随观测，还用于通过协同各卫星对已探测到天文事件的对应体进行证认，具备天区规划能力；
[0011]
系统管理子系统，用于负责调度与控制所述科学卫星联合观测支持系统的运行流程，监视运行情况；还用于对地面观测设备和软件运行状态进行实时监视和异常告警。
[0012]
作为上述方法的一种改进，所述空间科学机遇事件包括：各卫星任务的科学应用系统发布的暂现源、爆发源和/或推荐观测源，各卫星下传的天文警报信息，以及网络发布的空间天文暂现源和/或爆发源事件。
[0013]
作为上述方法的一种改进，所述协同观测需求征集子系统的处理具体包括：
[0014]
实时采集科学机遇事件；
[0015]
根据各颗卫星的科学目标、载荷观测能力以及观测约束条件相关任务属性，筛选科学机遇事件；
[0016]
将筛选后的科学机遇事件发送至各卫星任务的科学应用系统。
[0017]
作为上述方法的一种改进，所述协同观测方案生成子系统的处理过程具体包括：
[0018]
根据采集的科学机遇事件，计算各卫星任务对科学机遇事件的可视窗口信息，综合考虑各卫星当前执行观测任务、测控资源、北斗资源、数传安排和卫星使用约束条件，生成可行的协同观测方案；所述协同观测方案包括以下一种或多种：
[0019]
单星任务应急协同观测方案、常规协同观测方案、多星同时协同观测方案、多星分时协同观测方案以及爆发源证认机会分析与观测方案。
[0020]
作为上述方法的一种改进，所述科学机遇事件交叉证认子系统的处理过程包括：
[0021]
对科学事件证认请求进行创建、管理与分发；
[0022]
对证认请求响应情况跟踪反馈；
[0023]
基于位置时间范围进行观测情况检索。
[0024]
作为上述方法的一种改进，所述系统管理子系统还包括用户信息管理与身份安全认证；所述用户包括：
[0025]
域内用户：是某卫星任务的科学用户或某地面设备用户，具有直接提出协同观测需求，对协同观测方案进行调整操作，并对协同观测的执行情况进行分析的职能；
[0026]
公众用户：是不直接参与科学卫星任务或地面观测设备，但对协同观测有科研需求或感兴趣的人员，具有查看协同观测提案实施情况，并享受公共基础计算以及数据分析的职能；和
[0027]
运控用户：是各卫星的地面支撑系统人员，具有根据不同科学用户协定的算法和原则生成符合用户需求的协同观测方案，并通过所述系统发起在线协同会商，评估协同观测方案执行情况的职能。
[0028]
与现有技术相比，本发明的优势在于：
[0029]
1、本发明的系统具备对不同通道来源不同任务的爆发源信息的交叉证认能力；
[0030]
2、本发明的系统具备准实时生成各任务协同观测方案(含单星观测方案)的能力；
[0031]
3、本发明的系统具备对各天文卫星任务协同观测实施的评估能力；
[0032]
4、本发明的系统具备对各任务协同观测状态和数据的分析管理能力；
[0033]
5、本发明的系统具备接入其它地基天文观测设备和其他天文卫星任务的扩展能力；
[0034]
6、本发明的系统以通用化、插件化的设计支持后续地基观测设备及其他卫星加入协同运行，特别是对机遇科学事件的快速响应与协同分析，将大大提升我国天文卫星的科学产出与观测能效，增加其国际影响力，扩展联合观测支持系统的任务数量与任务类型。
附图说明
[0035]
图1是本发明的科学卫星联合观测支持系统组成图；
[0036]
图2是协同观测提案处理流程；
[0037]
图3是应急协同观测处理流程；
[0038]
图4是暂现源/爆发源交叉证认业务处理流程。
具体实施方式
[0039]
本发明针对多科学卫星联合观测的需求，围绕提升科学产出目标，在已有的各卫星运控系统之上构建联合观测支持系统。该系统对科学机遇事件(too)和常规科学观测提案的多任务联合观测分析，生成协同观测方案，并提供科学机遇事件交叉证认。
[0040]
一种科学卫星联合观测支持系统是围绕“提升科学产出”这一目标，针对空间科学先导专项卫星和其他科学天文卫星任务，在已有的各卫星运控系统之上建设的协同观测支持系统。该系统集成了对科学机遇事件(too)和常规科学观测提案的多任务协同观测分析，对不同来源获取的爆发源、暂现源和天文事件的快速交叉证认，协同观测执行情况与效能评估等。
[0041]
一种科学卫星联合观测支持系统拟首先针对空间科学多信使天文需求进行建设，并设计规范化、标准化的接入接口，具备向其他天文设备扩展的能力。该平台还可以根据其它学科/设施协同运行的需求，尽快相应的学科扩展。
[0042]
一种科学卫星联合观测支持机遇科学事件协同分析，为各卫星任务提供针对机遇科学事件的联合观测机会分析以及对各卫星当前观测的影响；针对机遇科学事件，给出各卫星的协同观测方法，供各卫星任务科学用户选择进行协同观测方案设施；并针对联合观测方案的观测实施情况进行评估。
[0043]
用户分析
[0044]
用户大致可以分为以下三类：
[0045]
域内用户：一般是科学卫星某任务的以首席科学家为代表的科学用户或某地面设备的用户，可直接提出协同观测需求，可对协同观测方案进行调整等操作，并对协同观测的执行情况进行分析等；
[0046]
公众用户：一般是不直接参与这些科学卫星任务或地面设施的但对协同观测有科研需求或感兴趣的公众用户，可在联合观测支持系统查看协同观测提案实施情况，并可享受公共基础计算，数据分析等通用功能；
[0047]
运控用户：科学卫星综合运控中心人员，可根据不同科学用户协定的算法和原则生成符合用户需求的协同观测方案，并通过平台发起在线协同会商，评估协同观测方案执行情况。
[0048]
功能需求
[0049]
机遇科学事件采集：联合观测支持系统的机遇科学事件的来源包括三种，卫星科学应用系统提交的确认后的爆发源信息，科学卫星综合运控中心根据卫星北斗通道、x波段、vhf通道下传的天文警报信息对不同任务同一时刻的爆发源信息进行内部交叉证认，以及根据不同任务特性的标准与算法筛选后的gcn爆发信息。本系统分别具备采集这三种机遇科学事件来源的能力，并按照一定优先级触发多任务协同观测分析实施流程。
[0050]
协同观测方案生成：根据采集的科学机遇事件，本平台计算各卫星任务对机遇科学事件的可视窗口信息，综合考虑各卫星当前执行观测任务、测控资源、北斗资源、数传安排等卫星使用约束条件，生成可行的多星协同观测方案。
[0051]
根据不同任务及联合科学观测委员会的要求，可选择不同的协同观测方案生成确认的交互方式。包括：
[0052]
1)默认各个任务都可以参加协同观测，平台根据既定的策略生成协同观测方案(充分考虑当前执行的观测任务，将影响降到最低)，推送给各任务进行确认，由各任务决定是否参加当前规划的协同观测；此种方案即使参与方是部分卫星任务，但不会更新已生成的匹配所有任务的协同观测方案，可能无法达到最佳观测效果；
[0053]
2)同时生成所有任务都参加和部分任务参加的多种卫星任务组合的不同版本的协同观测方案，平台将协同观测源信息推送给各任务进行确认，各任务反馈是否参加本目标的协同观测，平台汇集所有反馈情况后，根据各任务参加情况，选择相应版本的协同观测方案，推送给各任务进行进一步实施；此种方案需要按照不同任务的组合，生成多种协同观测方案，性能稍有下降，但能根据任务的参加情况匹配出较优的协同观测方案；
[0054]
3)由科学卫星综合运控中心根据联合科学观测委员会认可的科学机遇目标事件安排观测策略，直接生成协同观测方案，并推送给各卫星任务科学应用系统，用于安排后续观测实施。
[0055]
科学机遇事件交叉证认：根据不同通道从卫星下传的警报信息，根据各任务科学用户确认的爆发源信息，根据不同任务特性从gcn获取的警报信息，进行天文交叉证认。天文交叉证认是实现多波段数据融合的基础，通过对不同波段，不同任务的星表数据，以某一个源的位置为中心，对于该星表中的每一个源都在另一个星表中寻找对应体，从而对每一个源的不同波段的属性进行交叉证认。交叉证认依据源的赤经，赤纬二维空间位置信息，采用并行算法设计，获取同一源的不同属性，并进行多维交叉证认。
[0056]
系统管理：对协同观测方案生成，分析，评估中可能用到的相关数据进行管理和协同分析，如单科学卫星任务的科学观测/探测计划，数据接收计划，测控设备工作计划，有效载荷控制计划，卫星穿越南大西洋异常区预报等进行数据获取，对协同观测方案的结果进行评估统计，并对联合观测支持系统进行数据管理，用户权限，日志管理等系统管理。
[0057]
使用模式：联合观测支持系统提供管家式和专业式两种使用模式，分别针对不同用户，提供定制化的专业服务。
[0058]
其中管家式，面向科学卫星综合运控中心人员，根据协同运行工作组合联合科学
委员会约定好的机遇科学事件采集规则，协同观测方案的编排原则(例如以同时，接力为优先)，由科学卫星综合运控中心使用联合观测支持系统根据爆发源信息生成协同观测方案。
[0059]
其中专业式，面向以各任务首席科学家为代表的科学用户，联合观测支持系统提供各任务可协同观测时段和对当前观测任务的综合分析，由科学用户自行选择协同观测时段和协同观测方式。
[0060]
建设原则：以“立足基础、独立建设、协同运行、易于扩展”为原则，不改变各天文卫星任务现有在轨运行模式、任务分工和工作流程，尊重各卫星任务的独立运行权利，建设独立于现有系统、并与现有系统协同运行的“科学卫星联合观测支持系统”，该平台定位于任务间协同运行，与现有系统功能不重复，并依从现有系统的接口和流程。
[0061]
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。
[0062]
实施例1
[0063]
如图1所示，本发明的实施例1提供了一种科学卫星联合观测支持系统。由4个子系统组成，包括协同观测需求征集子系统、协同观测方案生成子系统、科学机遇事件交叉证认子系统和系统管理子系统。
[0064]
一、系统组成
[0065]
协同观测需求征集子系统
[0066]
主要职责是收集空间天文暂现源、爆发源等科学机遇事件，根据各颗卫星的科学目标、载荷观测能力、观测约束条件等信息，对科学机遇事件进行筛选。识别出潜在的观测任务目标，向各卫星任务的科学应用系统发布科学机遇事件。该子系统的主要功能包括：
[0067]
1.建设天文爆发源/暂现源内部发布系统，支持各颗卫星发布爆发源和暂现源信息；
[0068]
2.实时采集天文爆发源/暂现源内部发布系统发布的暂现源/爆发源信息；
[0069]
3.实时采集gcn(gamma-ray coordinates network，https://gcn.gsfc.nasa.gov)网络发布的爆发源/暂现源信息；
[0070]
4.实时采集atel(astronomer's telegram,http://atel.caltech.edu/)网络发布的爆发源/暂现源信息；
[0071]
5.根据各颗卫星的任务属性设置，筛选爆发源/暂现源；
[0072]
6.将筛选后的爆发源/暂现源信息发送至各科学应用系统；
[0073]
7.管理系统所采集的科学机遇事件信息。
[0074]
协同观测方案生成子系统的主要职责为根据筛选后的机遇科学事件，结合各颗卫星的可用工程资源和现有任务安排情况，分析每颗卫星任务的观测能力，生成协同观测方案，支持卫星任务科学应用系统进行应急协同观测决策；结合多星观测能力，规划多星同时、分时协同观测，生成多星协同观测方案等。同时，也可对常规观测任务规划多星协同观测方案。该子系统的主要功能包括：
[0075]
1.单星任务应急协同和常规协同观测方案生成；
[0076]
2.多星同时协同观测方案规划与生成；
[0077]
3.多星分时协同观测方案规划与生成；
[0078]
4.爆发源证认机会分析与观测方案生成；
[0079]
5.协同观测方案管理与分发。
[0080]
科学机遇事件交叉证认子系统完成爆发源/暂现源的快速协同证认以及多信使天文事件的协同后随观测，各卫星科学应用系统发现感兴趣的源时，可以发起爆发源/暂现源证认请求，邀请其它卫星任务针对该爆发源确认安排后随观测。
[0081]
也可以通过协同各个卫星对已探测到天文事件的对应体后体进行证认，本子系统具备天区规划能力。
[0082]
另一方面，为各卫星任务间观测数据交叉证认提供支持，支撑跨任务的观测情况检索，使得任务间可以了解其他任务的观测情况，开展交叉证认。该子系统的主要功能包括：
[0083]
1.爆发源/暂现源/天文事件证认请求的创建、管理与分发；
[0084]
2.证认请求响应情况跟踪反馈，包括暂现源/爆发源/天文事件后随观测的创建、筛选、分发、计划等全流程跟踪；
[0085]
3.支持基于位置、时间范围的观测情况检索，以帮助科学家了解所关注目标被各卫星任务观测的情况，以及提供数据获取帮助。
[0086]
系统管理子系统负责调度与控制平台运行流程，监视科学卫星运行平台的运行情况，支持业务信息输出和统一的管理；对地面观测设备、软件运行状态进行实时监视和异常告警；对用户信息进行统一管理。该子系统的主要功能包括：
[0087]
1.用户信息管理与身份安全认证；
[0088]
2.平台运行日志管理与统计工具；
[0089]
3.调度与控制平台运行流程，监视平台软硬件运行情况。
[0090]
二、系统业务流程
[0091]
系统的主要任务流程包括协同观测提案处理流程、应急协同观测处理流程、爆发源交叉证认处理流程。
[0092]
1、协同观测提案的业务流程
[0093]
协同观测提案的业务流程如图2所示。协同观测提案的提出人根据观测目的，分析利用空间科学先导专项的科学卫星(现阶段包括hxmt、svom、ep、gecam、sy01)开展协同观测的可行性以及方式。将分析结果以及观测内容提交给联合科学委员会进行筛选审议。由联合科学委员会根据通过筛选的观测提案，提交联合观测支持系统进行协同观测方案生成。
[0094]
2、应急协同观测业务流程
[0095]
应急协同观测业务流程如图3所示。应急协同观测业务的触发包括内部暂现源或爆发源触发、gcn/atel暂现源或爆发源触发两种情况。每类协同观测业务触发后，系统先根据各颗卫星的观测约束、现有的测控、数传资源等情况，统筹规划，生成卫星的观测方案。将协同观测方案分发给各卫星科学应用系统后，启动协同观测会商，确定协同观测方案。各科学应用系统分别按照各颗卫星的规划与计划处理流程分别进行处理。其中，hxmt卫星由hxmt科学应用系统生成too科学观测计划；svom卫星由svom科学应用系统生成too观测申请，发送到地面支撑系统，由地面支撑系统生成svom too工作计划；ep卫星和sy01卫星由ep和sy01科学应用系统生成too观测需求，发送给地面支撑系统，由地面支撑系统生成too观测计划。之后，统一规划数传资源，生成相应计划及指令。发送上星执行。
[0096]
3、暂现源/爆发源交叉证认业务流程
[0097]
交叉证认的源来源于三种，分别是：
[0098]
1)一是卫星通过x波段/vhf波段/北斗信道下传的天文警报信息；
[0099]
2)二是当gecam、hxmt、svom、ep或sy01科学应用系统发现感兴趣的爆发源/暂现源或有建议的推荐观测源时；
[0100]
3)三是根据不同任务的筛选配置原则从gcn/atel订阅收集的爆发源信息。
[0101]
根据任务需要，发起不同来源的爆发源/暂现源交叉证认请求，请求其它卫星任务安排后随观测。联合观测支持系统先根据各颗卫星的观测约束、现有的测控、数传资源等情况，统筹规划，生成各颗卫星的可行观测方案。将协同观测方案分发给各卫星科学应用系统后，启动协同观测会商，确定协同观测方案。各科学应用系统分别按照各颗卫星的规划与计划处理流程分别进行处理。处理流程与应急协同观测业务流程一致，在此不再赘述。暂现源/爆发源交叉证认业务流程如图4所示。
[0102]
创新点
[0103]
科学卫星协同运行、联合观测是在轨运行工作的创新，没有成熟、固定的模式，需确定协同运行的任务范围、任务目标、协同工作流程，并在不影响各卫星任务现有在轨运行模式的基础上，确定与已有系统的任务分工、流程和接口对接，做到既不影响各卫星任务的独立性，确保各卫星任务能完成各自既定的科学目标，又能相互协同运行，提升科学产出。本项目拟采取以下措施：
[0104]
1、建立独立的“科学卫星联合观测支持系统”，明确该平台与现有各系统间的接口和流程，不改变各卫星任务现有运行模式；
[0105]
2、明确“科学卫星联合观测支持系统”的任务范围为too的协同观测、快速证认，以及天文目标协同观测的分析、协同观测状态的共享等，不包括各卫星任务已有的科学计划制定、数据处理与分析等。
[0106]
3、明确“科学卫星联合观测支持系统”的任务目标是提升科学产出，不包括各卫星任务既定的科学目标的完成。
[0107]“科学卫星联合观测支持系统”需与多个科学卫星的现有系统相互协作，因此需建立一套运行管理规范、系统间接口标准，但目前鲜有可以借鉴的经验。本项目拟与各科学应用系统密切沟通，充分分析拟确定的组织结构、任务分工、工作流程和现有的系统间协同工作流程，共同讨论形成协同管理规范和系统间接口标准。
[0108]
目前与gcn和intel采用国际认可的统一voevent爆发源事件接口，便于后期与国际上其他天文卫星和地面设备团队进行深入协同观测合作。
[0109]
科学卫星协同观测运行的概念在国内上尚属首次，通过梳理不同科学卫星任务观测需求与协同约束，进行协同运行任务分析，并形成一系列接口协议与业务流程标准化与规范化，供后续加入的科学卫星任务借鉴。
[0110]
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。