沙漠之鹰
发布于 2022-03-02 / 5 阅读
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卫星及有效载荷管理软件

1. 概述

卫星及有效载荷管理软件在航天任务中承担资源整合与协同管理核心职责。其功能定位包括:整合多星轨道、载荷性能等资源信息,构建统一管理框架以协调异构卫星系统,支持多星协同任务规划以优化复杂航天任务执行效率。技术架构采用微服务与模块化设计,通过拆分独立服务(如卫星管理、载荷控制、任务规划)实现灵活扩展,各模块通过标准化接口交互,适应动态任务需求。针对新型卫星应用,软件改造目标聚焦三方面:集成高分/空基卫星等新型载荷数据,统一人机交互界面风格以提升易用性,强化多星约束管理能力(如轨道冲突、能源限制),从而在约束条件下生成最优任务方案。该软件通过先进架构设计与功能优化,为多星协同任务提供高效支撑,助力航天事业发展。  

2. 功能

卫星及有效载荷管理系统的核心功能涵盖卫星信息管理、地面站资源管理、约束条件管理及接口集成四大模块。在卫星信息管理方面,多星基础数据维护需动态更新轨道参数、载荷类型及工作模式,确保任务规划准确性;在轨约束建模需考虑单圈时长、能源限制及工作模式约束,以优化任务安排;异构卫星集成通过标准化接口与适配器,整合高分系列 7 颗与空基十二五系列 9 颗卫星的异构数据,建立统一卫星数据库。

地面站资源管理包括多星配套地面站信息集成,整合地理位置、接收能力及可用状态以优化通信任务;接收冲突检测与优化通过分析时间窗口及频率冲突,调整任务或选择替代地面站;气象信息关联实时获取天气数据,评估其对接收性能的影响,动态调整通信参数或任务计划。

约束条件管理构建多星联合规划约束模型,处理轨道冲突与时间窗口重叠问题;通过约束校验与冲突规避策略,调整轨道、时间或资源分配以确保规划可行性;实时监控卫星及地面站状态,预测约束变化并预警,保障任务执行安全。

接口集成与同步方面,系统通过标准化接口与观测需求管理软件交互,获取任务需求并生成规划方案;向任务规划软件输出实时可用资源清单,包括卫星状态、轨道参数及地面站信息;同时实时同步卫星及地面站状态变更,通过数据备份机制确保系统数据一致性与可靠性,支撑多星协同任务的高效执行。

3. 组成

卫星及有效载荷管理软件由卫星管理模块、地面站管理模块和气象信息管理与服务模块三部分组成。

 

图 6.41卫星及有效载荷管理软件组成图

4. 处理流程

以下流程图涵盖了卫星及有效载荷管理软件的主要处理流程,包括数据初始化、任务规划支持、数据更新与维护以及处理流程的优化与验证:

 

图 6.42卫星及有效载荷管理软件处理流程图

Ø 数据初始化流程

卫星/地面站数据加载:通过ETL技术整合多源异构数据(含坐标系转换)

约束模型构建:建立卫星运行/地面站资源/气象条件约束模型(专家系统+ 机器学习)

初始状态校验:完整性/一致性/逻辑性校验(并行处理+可视化工具)

Ø 任务规划支持流程

需求解析:NLP 技术解析自然语言需求,生成标准化任务请求

多星约束校验:单星约束→协同约束→冲突检测(并行处理+启发式算法)

冲突规避:轨道调整/时间窗口优化/ 地面站重分配(专家系统 + 优化算法)

资源输出:标准化可用资源清单(含可视化展示)

Ø 数据更新与维护流程

卫星轨道更新:实时遥测数据采集→HPOP 模型计算→异步同步

地面站状态变更:状态监测→数据同步→故障处理(备用切换)

气象数据刷新:实时气象数据→清洗融合→约束模型集成(流式处理)

约束模型动态调整:模型更新→影响分析→验证→版本控制

Ø 处理流程优化与验证

优化策略:并行加载/缓存技术/分布式计算/异步通信

验证方法:单元测试→集成测试→系统测试(LoadRunner 压力测试)

监控工具:Grafana实时监控/Splunk 日志分析

5. 接口

5.1 外部接口

 

图 6.43卫星及有效载荷管理软件外部接口图

 表 6.41卫星及有效载荷管理软件外部接口表

序号

发送方

接收方

信息内容

1

观测需求管理软件

卫星及有效载荷管理软件

观测需求信息(目标区域地理坐标、观测时间范围、观测精度等)

2

卫星及有效载荷管理软件

观测需求管理软件

约束校验结果(需求是否满足约束条件,不满足时的具体冲突点)

3

卫星及有效载荷管理软件

任务规划软件

可用卫星/地面站资源清单(卫星编号、轨道参数、可用时间段,地面站地理位置、接收能力、可用状态等)

4

卫星及有效载荷管理软件

气象系统

气象数据请求(如获取实时气象数据及预警信息的请求)

5

气象系统

卫星及有效载荷管理软件

实时气象数据(天气状况、温度、湿度、风速、降雨量等)及预警信息(预警类型、范围、时间)

5.2 内部接口

 

图 6.44卫星及有效载荷管理软件内部接口图

表 6.42卫星及有效载荷管理软件内部接口表

序号

发送方

接收方

信息内容

1

数据支持及功能辅助软件

数据库

卫星型号、性能参数,地面站建设信息,卫星轨道数据、载荷信息(存储操作,采用事务处理)

2

数据库

数据支持及功能辅助软件

按卫星编号、地面站地理位置等查询条件获取的基础资源数据(读取操作,标准对象格式)

3

数据支持及功能辅助软件

卫星状态模拟仿真软件

卫星笛卡尔坐标系三维坐标(x, y, z)、地面站经纬度+海拔高度,卫星运动轨迹、地面站覆盖范围等辅助信息

4

卫星状态模拟仿真软件

数据支持及功能辅助软件

三维可视化展示的精度需求(如宏观展示低精度数据需求、详细展示高精度数据需求)及实时更新需求

5

数据支持及功能辅助软件

卫星及有效载荷管理软件其他内部模块

卫星 / 地面站基础资源数据(经数据库读取后的标准化对象格式数据,供业务处理使用)

6

卫星及有效载荷管理软件其他内部模块

数据支持及功能辅助软件

卫星轨道数据、载荷信息等存储请求(触发事务处理机制,确保数据完整性)

6. 卫星管理模块

6.1 概述

卫星管理模块是空间信息分析及任务仿真系统的核心组成部分,负责对卫星资源进行全生命周期管理,实现多星协同任务的高效规划与执行。本模块以微服务架构为基础,通过模块化设计整合多星轨道参数、载荷状态、约束条件等关键信息,为航天任务提供统一管理框架。其核心功能包括卫星基础信息维护、在轨约束建模、多星协同规划支持及实时状态监控,确保卫星资源的最优配置与动态调度。模块遵循 GJB 438B-2009 等国军标规范,支持多类型卫星(LEO/MEO/GEO)及复杂轨道(太阳同步、冻结轨道等)的精细化管理,满足航天领域对高精度、高可靠性的需求。

6.2 功能

1.卫星基础信息管理:维护卫星轨道参数(J2000/CGCS2000 坐标系)、载荷类型及工作模式,支持 LEO/MEO/GEO 等典型轨道数据的动态更新。建立卫星三维模型库,集成 GPS、北斗等5类以上卫星实体模型,支持模型聚合装配与可视化展示。

2.在轨约束建模与分析:构建单星约束模型(能源限制、单圈时长、姿态调整限制)及多星协同约束(轨道冲突、时间窗口重叠)。提供HPOP/SGP4等3种以上轨道外推模型,实现 24 小时外推误差≤10m(与STK对比)。

3.多星协同任务规划:根据星座覆盖指标解算最优星座构型参数,支持星间相位差计算与覆盖效能评估。提供空间可见性分析功能,支持遮蔽角可设的星间/星站链路计算,覆盖误差≤1秒(与STK对比)。

6.3 组成

卫星管理模块由卫星基础信息管理功能,在轨约束建模与分析功能,多星协同任务规划功能,实时状态监控与健康评估功能组成。

   

图 6.45卫星管理模块组成图

6.4 处理流程

 

图 6.46卫星管理模块流程图

1.数据初始化流程:加载卫星轨道参数、载荷配置及约束条件,完成坐标系转换与完整性校验。构建多星协同约束模型,基于专家系统与机器学习算法优化约束参数。

2.任务规划支持流程:解析观测需求,筛选符合条件的卫星集合,进行单星约束校验(能源、时间窗口)。检测多星协同冲突(轨道/地面站资源),通过遗传算法优化规避策略,生成可用资源清单。

3.数据更新与维护流程:实时接收卫星遥测数据,动态更新轨道参数及健康状态。周期性校验约束模型,结合气象数据调整地面站接收能力评估。

4.流程优化与验证:采用并行处理技术提升轨道计算效率,单星HPOP外推时间≤2分钟。通过LoadRunner压力测试验证系统吞吐量,支持1000个以上实体并发仿真。

 

 

 

 

6.5 接口

6.5.1 外部接口

 

图 6.47卫星管理模块外部接口图

表 6.43卫星管理模块外部接口表

序号

发送方

接收方

信息内容

接口方式

协议

1

观测需求管理系统

卫星管理模块

任务目标区域、时间窗口

RESTful

HTTP

2

卫星管理模块

任务规划系统

可用卫星列表、约束条件

RESTful

HTTP

3

气象系统

卫星管理模块

实时气象数据、预警信息

API

JSON

6.5.2 内部接口

 

图 6.48卫星管理模块内部接口图

表 6.44卫星管理模块内部接口表

序号

发送方

接收方

信息内容

接口方式

协议

1

卫星管理模块

三维可视化模块

卫星轨道数据、三维模型参数

本地调用

TCP

2

卫星管理模块

约束校验模块

多星协同约束参数

消息队列

Kafka

3

数据支持模块

卫星管理模块

历史轨道数据、健康评估结果

数据库

MySQL

 

6.6 卫星基础信息管理功能

6.6.1 功能

卫星基础信息管理功能作为卫星管理体系的核心支撑,承担着对卫星各类关键数据的全面、精准管理重任。其功能涵盖多方面关键领域,旨在为卫星任务规划、运行监控及性能评估提供坚实的数据基础。

6.6.2 流程

 

图 6.49卫星基础信息管理功能流程图

1. 数据采集与录入:与卫星研制单位、地面测控系统建立数据传输链路,获取卫星轨道参数、载荷配置及工作模式等初始数据。

2. 数据更新与维护:地面测控系统实时监测卫星运行状态,定期向卫星基础信息管理功能模块发送更新数据。

3. 数据查询与应用:任务规划、卫星监控等模块根据业务需求,向卫星基础信息管理功能模块发送数据查询请求。

4. 模型库管理:定期收集新型卫星模型数据,对卫星三维模型库进行更新与扩充。

6.6.3 接口

 

图 6.410卫星基础信息管理功能接口图

表 6.45卫星基础信息管理功能接口表

序号

发送方

接收方

信息内容

1

地面测控系统

卫星基础信息管理功能模块

卫星实时的轨道参数变化、载荷设备更新、工作模式调整等信息

2

任务规划系统

卫星基础信息管理功能模块

获取卫星的轨道参数、载荷类型和工作模式等信息,用于任务规划

3

卫星状态监测系统

卫星基础信息管理功能模块

获取卫星基础信息,结合实时监测数据评估卫星工作状态;反馈卫星实际状态信息用于更新数据

4

数据存储系统

卫星基础信息管理功能模块

存储卫星基础数据;读取历史数据用于对比、分析和恢复

5

用户终端

卫星基础信息管理功能模块

用户查询卫星基础信息的请求;反馈查询结果

 

6.7 在轨约束建模与分析功能

6.7.1 功能

在轨约束建模与分析功能聚焦于卫星在轨运行过程中面临的多种复杂约束条件,通过构建精确模型与深入分析,为卫星任务规划与运行控制提供关键支持。其核心功能包括单星约束建模、多星协同约束分析以及轨道外推预测等。

6.7.2 流程

 

图 6.411在轨约束建模与分析功能流程图

1.数据收集与整理:从卫星基础信息管理模块获取卫星轨道参数、载荷工作模式等基础数据,同时收集卫星能源状态、地面站资源信息及任务需求等相关数据。

2.约束模型构建:根据单星约束条件,如能源限制、单圈时长、姿态调整限制等,建立相应的数学模型。针对多星协同约束,如轨道冲突、时间窗口重叠等,运用空间几何算法和优化理论,构建多星协同约束模型。

3.约束分析与评估:将任务规划数据输入约束模型,进行单星约束校验和多星协同约束分析。

4.轨道外推计算:根据卫星当前轨道参数和任务时间要求,选择合适的轨道外推模型,如 HPOP、SGP4 等,进行轨道外推计算。

5.结果输出与应用:将约束分析结果和轨道外推数据输出给任务规划模块、卫星控制模块等相关系统。

6.7.3 接口

 

图 6.412在轨约束建模与分析功能接口图

表 6.46在轨约束建模与分析功能接口表

序号

发送方

接收方

信息内容

1

观测需求管理系统

卫星管理模块(在轨约束建模与分析功能所在模块)

任务目标区域、时间窗口

2

卫星管理模块(在轨约束建模与分析功能所在模块)

任务规划系统

可用卫星列表、约束条件

3

气象系统

卫星管理模块(在轨约束建模与分析功能所在模块)

实时气象数据、预警信息

4

卫星管理模块(在轨约束建模与分析功能所在模块)

三维可视化模块

卫星轨道数据、三维模型参数

 

6.8 多星协同任务规划功能

6.8.1 功能

多星协同任务规划功能是实现多颗卫星高效协作、完成复杂任务的核心功能,旨在通过整合卫星资源、优化任务分配和协同策略,提升多星联合执行任务的效率与效果。

6.8.2 流程

 

图 6.413星协同任务规划功能流程图

1.任务需求获取:从规划业务信息管理模块接收任务需求,包括任务目标、时间限制、精度要求等关键信息,明确任务的具体要求和期望达到的目标。

2.卫星资源评估:结合卫星状态监控功能提供的卫星实时状态,评估各卫星的可用资源。

3.任务协同分配:运用任务协同分配算法,根据任务需求和卫星资源评估结果,制定任务分配方案。

4.协同策略制定:根据任务类型和卫星资源情况,制定卫星间的通信、数据交互等协同策略。

5.数据融合规划:依据任务类型和数据特点,规划数据融合处理流程。

8.3 接口

 

图 6.414星协同任务规划功能接口表

表 6.47星协同任务规划功能接口图

序号

发送方

接收方

信息内容

1

规划业务信息管理模块

多星协同任务规划模块

任务目标、时间限制、精度要求、卫星资源状态(轨道参数、载荷能力)

2

多星协同任务规划模块

单星任务规划模块

任务分配方案(含卫星分工、时间窗口)、协同策略(通信协议、数据交互规则)

3

多星协同任务规划模块

应急任务多星规划模块

应急任务分配方案、协同策略(优先级调整、资源预留)

4

气象系统

多星协同任务规划模块

实时气象数据(降雨、雾霾、能见度)、气象影响评估结果(信号衰减系数)

5

多星协同任务规划模块

数据存储系统

任务规划方案、协同策略、历史冲突记录

7 地面站管理模块

7.1 概述

地面站管理模块是卫星任务仿真系统的重要组成部分,负责全球地面站资源的统一管理与动态调度。模块以GJB 438B-2009等国军标为设计依据,通过构建地面站资源数据库、冲突检测算法及气象关联模型,实现多星协同任务中地面站资源的高效配置。其核心功能包括全球地面站信息集成、接收冲突规避、气象影响评估及实时状态监控,支持分布式任务场景下地面站资源的最优利用。模块采用微服务架构,支持与卫星管理、任务规划等系统的数据交互,确保航天任务中星地链路的稳定通信与高效协同。

7.2 组成

地面站管理模块由全球地面站资源管理功能,接收冲突检测与优化功能和气象影响评估与预警功能组成。

 

图 6.415地面站管理模块组成图

7.3 功能

1.全球地面站资源管理:建立地面站基础信息库,涵盖地理位置、接收频段、天线参数等核心数据,支持多源异构数据接入与坐标系转换(WGS84/GCJ02)。集成高分系列、空基十二五系列等多类型卫星配套地面站信息,实现站址分布、接收能力的可视化展示。

2.接收冲突检测与优化:基于卫星轨道预报数据,动态计算多星与地面站的可见窗口,检测时间窗口重叠、频段冲突等问题。采用遗传算法优化冲突规避策略,支持轨道调整、地面站重分配等方案生成,确保接收冲突解决率≥95%。

3.气象影响评估与预警:对接气象局 API 获取实时气象数据,建立暴雨、雾霾等天气对信号衰减的量化模型(如衰减系数动态修正)。提供气象预警推送功能,自动调整地面站接收优先级,保障恶劣天气下关键任务的数据传输。

7.4 处理流程

 

图 6.416地面站管理模块流程图

1.数据初始化流程:加载地面站地理位置、接收参数及关联卫星信息,完成坐标系转换与完整性校验。构建地面站资源约束模型(频段占用、天线使用限制),结合历史数据优化参数配置。

2.任务规划支持流程:解析卫星任务需求,筛选符合条件的地面站集合,校验单站约束(频段、时间窗口)。检测多星协同冲突(如多星同时请求同一地面站),通过遗传算法生成最优规避方案。

3.数据更新与维护流程:实时接收地面站状态变更数据(设备故障、维护通知),动态更新可用资源清单。周期性校验气象影响模型,结合最新天气数据调整地面站接收能力评估。

4.流程优化与验证:采用并行计算技术提升冲突检测效率,单任务场景冲突检测时间≤300ms。通过 LoadRunner 压力测试验证系统并发能力,支持 500 个以上任务请求/秒。

7.5 接口

7.5.1 外部接口

 

图 6.417地面站管理模块外部接口图

表 6.48地面站管理模块外部接口表

序号

发送方

接收方

信息内容

接口方式

协议

1

气象系统

地面站管理模块

实时气象数据、预警信息

 API

JSON

2

卫星管理模块

地面站管理模块

卫星轨道参数、任务需求

RESTful

HTTP

3

地面站管理模块

任务规划系统

可用地面站清单、冲突规避方案

RESTful

HTTP

7.5.2 内部接口

 

图 6.418地面站管理模块内部接口图

表 6.49地面站管理模块内部接口表

序号

发送方

接收方

信息内容

接口方式

协议

1

地面站管理模块

三维可视化模块

地面站地理位置、覆盖范围

本地调用

TCP

2

约束校验模块

地面站管理模块

多星协同冲突参数

消息队列

Kafka

3

数据支持模块

地面站管理模块

历史接收记录、设备健康度

数据库

MySQL

7.6 全球地面站资源管理功能

7.6.1 功能

收集并整合全球范围内地面站的基础信息,涵盖地理位置(经纬度、海拔)、接收频段、天线参数(类型、增益、波束宽度)、设备性能(数据处理能力、存储容量)等核心数据。

将地面站的地理位置信息进行可视化处理,在二维或三维地图上直观展示全球地面站的分布情况。通过不同的颜色、图标等标识区分地面站的不同状态(如可用、维护中、故障)、所属机构或不同功能类型。

依据地面站的设备参数和历史接收数据,对各地面站的接收能力进行综合评估。实时监测地面站的运行状态、设备变更(如天线升级、新增设备)、维护计划等信息,及时更新地面站资源数据库。

 

7.6.2 流程

 

图 6.419全球地面站资源管理功能流程图

1.数据采集:从多个数据源获取地面站信息,包括地面站管理部门提供的基础数据、传感器实时监测数据、历史记录等。

2.数据格式转换与清洗:将采集到的多源异构数据转换为统一格式,并进行清洗,去除重复、错误或无效数据。

3.数据存储与索引:将清洗后的数据存储到数据库中,并建立数据索引,以便快速查询和检索。

4.站址分布可视化处理:根据存储的地理位置数据,在地图上进行可视化标注,展示地面站分布。

5.接收能力评估计算:依据设备参数和历史数据,计算各项接收能力指标。

6.生成评估报告与更新:生成接收能力评估报告,并将评估结果更新到数据库。

7.资源动态监测:实时监测地面站的运行状态和设备变更等信息。

8.判断是否有变化:判断监测到的信息是否导致地面站资源变化,若有变化,则返回数据格式转换与清洗步骤,更新数据;若无变化,则继续监测。

7.6.3 接口

 

图 6.420全球地面站资源管理功能接口图

表 6.410全球地面站资源管理功能接口表

序号

发送方

接收方

信息内容

1

地面站管理系统

全球地面站资源管理模块

地面站基础信息(地理位置、接收频段、设备参数)、设备更新数据、运行状态

2

全球地面站资源管理模块

任务规划系统

可用地面站清单(位置、接收能力)、冲突规避方案

3

卫星状态监测系统

全球地面站资源管理模块

卫星轨道参数、通信需求(频段、时间窗口)

4

全球地面站资源管理模块

数据存储系统

地面站资源数据(历史记录、健康度)、冲突分析报告

7.7 接收冲突检测与优化功能

7.7.1 功能

基于卫星轨道预报数据和任务计划,动态计算多颗卫星与地面站之间的可见窗口,对检测到的冲突进行详细分析,确定冲突的类型(时间冲突、频段冲突、天线资源冲突等)、严重程度以及影响范围。

针对不同类型的冲突,采用遗传算法、模拟退火算法等优化算法,生成多种冲突规避方案。将优化后的冲突规避方案应用到实际任务中,监控方案的实施效果。

7.7.2 流程

 

图 6.421接收冲突检测与优化功能流程图

1.获取卫星与地面站信息:从卫星轨道预报系统获取卫星轨道数据,从任务规划系统获取任务计划,从地面站管理系统获取地面站的接收参数。

2.计算可见窗口:根据卫星轨道和地面站位置,计算卫星与地面站之间的可见时间窗口。

3.冲突检测:分析可见窗口,检测是否存在时间窗口重叠、频段冲突等问题。

4.判断是否有冲突:若检测到冲突,则进入冲突分析步骤;若无冲突,则结束流程。

5.冲突分析:确定冲突的类型、严重程度和影响范围,分析冲突产生的原因。

6.生成优化方案:运用优化算法,生成多种冲突规避方案。

7.评估与选择方案:评估每种方案的可行性和效果,选择最优方案。

8.实施优化方案:将选定的方案应用到实际任务中。

9.效果监控:监控方案实施过程中的卫星通信质量和地面站接收情况。

10.判断效果是否达标:若优化效果未达到预期,则重新生成优化方案;若达标,则结束流程。

7.7.3 接口

 

图 6.422接收冲突检测与优化功能接口图

表 6.411接收冲突检测与优化功能接口表

序号

发送方

接收方

信息内容

1

卫星轨道预报系统

接收冲突检测与优化模块

卫星轨道数据、可见窗口预测

2

任务规划系统

接收冲突检测与优化模块

任务需求(时间、频段)、卫星优先级

3

地面站管理系统

接收冲突检测与优化模块

地面站接收参数(天线状态、可用时间)

4

接收冲突检测与优化模块

数据存储系统

历史冲突记录、优化策略方案

 

7.8 气象影响评估与预警功能

7.8.1 功能

通过对接气象局 API,实时获取全球范围内的气象数据,包括温度、湿度、降雨、能见度、风速等信息。构建暴雨、雾霾等天气对卫星链路衰减的量化模型,动态计算信号衰减系数。

提供分级预警功能(黄 / 橙 / 红三级),根据气象数据和影响评估结果,对可能影响卫星通信和地面站接收的极端天气(如暴雨、雷暴、沙尘等)提前 24 小时发出预警推送。融合气象数据、卫星轨道数据及地面站资源数据,进行综合分析。

7.8.2 流程

 

图 6.423气象影响评估与预警功能流程图

1.气象数据获取:通过气象局 API 获取实时气象数据。

2.数据解析与格式转换:对获取的气象数据进行解析,将其转换为系统可处理的格式。

3.影响评估模型计算:运用量化模型计算气象条件对卫星链路的衰减系数和对地面站接收能力的影响。

4.生成接收质量预测报告:根据计算结果生成接收质量预测报告。

5.判断是否有预警:根据预测报告判断是否需要发出预警。

6.预警推送与策略调整:若需要预警,则推送预警信息并自动调整通信策略。

7.多源数据融合分析:融合气象、卫星轨道和地面站资源数据进行综合分析。

8.生成星地链路气象适应性报告:根据融合分析结果生成报告。

9.输出任务风险评估结果:根据分析结果输出任务风险评估结果,为决策提供依据。

7.8.3 接口

 

图 6.424气象影响评估与预警功能接口图

表 6.412气象影响评估与预警功能接口表

序号

发送方

接收方

信息内容

1

气象局系统

气象影响评估与预警功能所在模块(气象信息管理与服务模块)

实时气象数据(温度、湿度、降雨、能见度等)、预警信息(暴雨、雷暴等极端天气预警,包括预警类型、范围、时间)

2

卫星管理模块

气象影响评估与预警功能所在模块(气象信息管理与服务模块)

卫星轨道参数、任务需求(任务类型、目标区域、时间窗口等)

3

地面站管理模块

气象影响评估与预警功能所在模块(气象信息管理与服务模块)

地面站位置、接收频段、接收能力等信息

4

气象影响评估与预警功能所在模块(气象信息管理与服务模块)

任务规划系统

气象影响评估报告(包含信号衰减系数、对地面站接收能力的影响评估等)、规避建议(如调整卫星通信策略、选择备用地面站等)

8 气象信息管理与服务模块

8.1 概述

气象信息管理与服务模块是卫星任务仿真系统的关键组成部分,负责整合气象数据资源并提供实时气象服务支持。模块遵循 GJB 438B-2009 等国军标规范,通过对接气象局 API、构建气象影响评估模型及实时预警机制,实现气象因素对卫星通信、地面站接收性能的量化分析。其核心功能包括气象数据集成、影响权重建模、实时预警推送及多源数据融合,为航天任务规划提供精确的气象决策依据。模块采用微服务架构,支持与卫星管理、地面站管理等模块的数据交互,确保气象信息在复杂任务场景中的高效应用。

8.2 组成

气象信息管理与服务模块由气象数据集成与管理功能,气象影响评估模型功能和多源数据融合分析功能组成。

    

图 6.425气象信息管理与服务模块组成图

8.3 功能

1. 气象数据集成与管理:对接气象局 API,实时获取全球气象数据(温度、湿度、降雨、能见度等),支持多源异构数据解析与格式转换。建立气象历史数据库,存储近 5 年气象数据,支持按时间、地域快速检索与分析。

2.气象影响评估模型:构建暴雨、雾霾等天气对卫星链路衰减的量化模型,动态计算信号衰减系数(如雨滴衰减公式、大气折射修正)。评估气象条件对地面站接收能力的影响,生成接收质量预测报告,误差≤5%(与实测数据对比)。

3.多源数据融合分析:融合气象数据、卫星轨道数据及地面站资源数据,生成星地链路气象适应性报告。支持气象参数与任务场景的关联分析,输出任务风

8.4 处理流程

 

图 6.426气象信息管理与服务模块流程图

1.数据初始化流程:加载历史气象数据及模型参数,完成坐标系转换(WGS84→CGCS2000)与数据完整性校验。构建气象影响评估模型,基于机器学习算法优化衰减系数参数。

2.任务支持流程:解析卫星任务需求,获取目标区域及时间窗口的气象数据。

计算气象因素对星地链路的影响,生成接收质量评估报告,推荐最优通信策略。

3.数据更新与维护流程:实时接收气象局更新数据,动态刷新气象预警及模型参数。周期性校验模型精度,结合实测数据修正衰减系数,确保模型误差≤3%。

4.流程优化与验证:采用并行计算技术加速气象分析,单任务场景评估时间≤150ms。通过压力测试验证系统并发能力,支持 1000 次/秒气象数据查询请求。

8.5 接口

8.5.1 外部接口

 

图 6.427气象信息管理与服务模块外部接口图

表 6.413气象信息管理与服务模块外部接口表

序号

发送方

接收方

信息内容

接口方式

协议

1

气象局系统

气象模块

实时气象数据、预警信息

API

JSON

2

卫星管理模块

气象模块

卫星轨道参数、任务需求

RESTful

HTTP

3

气象模块

任务规划系统

气象影响评估报告、规避建议

RESTful

HTTP

8.5.2 内部接口

 

图 6.428气象信息管理与服务模块内部接口图

表 6.414气象信息管理与服务模块内部接口表

序号

发送方

接收方

信息内容

接口方式

协议

1

气象模块

三维可视化模块

气象云图、预警区域

本地调用

TCP

2

数据支持模块

气象模块

历史气象数据、模型参数

数据库

MySQL

3

地面站管理模块

气象模块

地面站位置、接收频段

消息队列

Kafka

8.6 气象数据集成与管理功能

8.6.1 功能

通过对接气象局 API,实现全球气象数据的实时获取,数据涵盖温度、湿度、降雨、能见度等多种类型。:建立气象历史数据库,用于存储近 5 年的气象数据,为长期的气象分析和趋势研究提供数据支撑。

在数据采集和存储过程中,对气象数据进行严格的质量控制。通过设置数据校验规则,检测数据的完整性和准确性,及时发现并处理异常数据。持续关注气象局数据的更新情况,实时同步最新的气象数据到本地数据库。

8.6.2 流程

 

图 6.429气象数据集成与管理功能流程图

1.对接气象局 API:建立与气象局数据接口的稳定连接,确保数据传输的可靠性。

2.数据获取:按照预定的时间间隔或实时触发机制,从气象局 API 获取气象数据。

3.数据解析与格式转换:将获取的多源异构气象数据解析为系统可识别的格式,并进行标准化处理。

4.数据质量检查:依据预设的质量规则,检查数据的完整性和准确性。

5.判断数据是否完整准确:若数据存在问题,进入数据修复与补充环节;若数据合格,则进行存储。

6.数据修复与补充:针对缺失或错误的数据,采用相应的算法或参考历史数据进行修复和补充。

7.数据存储至历史数据库:将经过质量检查的数据存储到气象历史数据库,按照时间和地域等维度进行分类存储。

8.数据更新与同步:定期检查气象局 API 是否有新数据更新,如有则重复上述流程,实现数据的实时更新与同步。最后流程结束。

8.6.3 接口

 

图 6.430气象数据集成与管理功能接口图

表 6.415气象数据集成与管理功能接口表

序号

发送方

接收方

信息内容

1

气象局系统

气象影响评估与预警功能所在模块(气象信息管理与服务模块)

实时气象数据(温度、湿度、降雨、能见度等)、预警信息(暴雨、雷暴等极端天气预警,包括预警类型、范围、时间)

2

卫星管理模块

气象影响评估与预警功能所在模块(气象信息管理与服务模块)

卫星轨道参数、任务需求(任务类型、目标区域、时间窗口等)

3

地面站管理模块

气象影响评估与预警功能所在模块(气象信息管理与服务模块)

地面站位置、接收频段、接收能力等信息

4

气象影响评估与预警功能所在模块(气象信息管理与服务模块)

任务规划系统

气象影响评估报告(包含信号衰减系数、对地面站接收能力的影响评估等)、规避建议(如调整卫星通信策略、选择备用地面站等)

5

气象影响评估与预警功能所在模块(气象信息管理与服务模块)

三维可视化模块

气象云图、预警区域信息,用于在三维场景中展示气象状况和预警范围

6

数据支持模块

气象影响评估与预警功能所在模块(气象信息管理与服务模块)

历史气象数据、模型参数,用于模型构建、校验和更新

8.7 气象影响评估模型功能

8.7.1 功能

构建针对暴雨、雾霾等恶劣天气对卫星链路衰减的量化模型,精确计算信号衰减系数。随着气象条件的实时变化以及卫星和地面站状态的改变,模型能够动态调整参数。依据评估结果,为任务规划提供风险评估信息。当气象条件可能导致卫星通信质量严重下降或中断时,为实时气象预警提供数据支持,辅助系统判断是否需要发出预警以及确定预警级别,帮助用户提前制定应对策略,降低气象因素对卫星任务的影响。

8.7.2 流程

 

图 6.431气象影响评估模型功能流程图

1.获取气象及相关数据:从气象数据集成与管理功能模块获取实时气象数据,同时获取卫星通信频段、地面站接收设备参数等相关信息。

2.模型参数初始化:根据获取的数据,对气象影响评估模型的参数进行初始化设置,确定模型计算所需的初始条件。

3.计算信号衰减系数:运用模型中的算法,如雨滴衰减公式、大气折射修正等,计算在当前气象条件下卫星链路的信号衰减系数。

4.评估对接收能力影响:结合信号衰减系数以及地面站接收设备特性,评估气象条件对地面站接收能力的影响程度,包括接收信号强度、误码率等指标的变化。

5.生成接收质量预测报告:根据评估结果,生成接收质量预测报告,包含预测的接收信号质量指标、可能出现的问题等内容。

6.判断是否满足精度要求:将预测报告中的结果与实测数据或预设精度标准进行对比,判断模型计算结果是否满足精度要求(如与实测数据对比误差≤5%)。

7.调整模型参数:若不满足精度要求,分析原因并调整模型参数,如优化算法中的某些系数、增加考虑的影响因素等,然后重新进行计算和评估。

8.输出评估结果及报告:若满足精度要求,则输出评估结果及接收质量预测报告,为任务规划和预警提供依据。

8.7.3 接口

 

图 6.432气象影响评估模型功能接口图

表 6.416气象影响评估模型功能接口表

序号

发送方

接收方

信息内容

1

气象数据集成与管理功能所在模块(气象信息管理与服务模块)

气象影响评估模型功能所在模块(气象信息管理与服务模块)

气象数据,包括天气状况、温度、湿度、降雨、能见度等,作为模型计算的基础数据

2

卫星管理模块

气象影响评估模型功能所在模块(气象信息管理与服务模块)

卫星轨道参数、卫星工作模式、任务需求等信息,用于评估气象条件对卫星任务的影响,如卫星轨道高度影响信号传输距离,进而影响气象因素对信号的衰减程度

3

地面站管理模块

气象影响评估模型功能所在模块(气象信息管理与服务模块)

地面站的地理位置、接收能力、设备状态等信息,结合气象数据评估气象条件对地面站接收性能的影响,如不同地理位置的地面站受暴雨、雾霾影响程度不同

4

气象影响评估模型功能所在模块(气象信息管理与服务模块)

多源数据融合分析功能模块

气象影响评估结果,如不同气象条件下卫星链路的衰减情况、地面站接收质量预测报告等,与其他数据进行融合分析

5

气象影响评估模型功能所在模块(气象信息管理与服务模块)

实时气象预警与决策支持功能模块

气象影响评估数据,如暴雨、雾霾等恶劣天气对卫星通信、地面站接收的影响程度,帮助确定预警级别和决策建议

6

气象影响评估模型功能所在模块(气象信息管理与服务模块)

任务规划系统

 接收质量预测报告和风险评估信息,辅助任务规划系统制定卫星观测任务计划,考虑气象因素对任务的影响,选择合适的观测时间和地面站资源

8.8 多源数据融合分析功能

8.8.1 功能

将气象数据、卫星轨道数据及地面站资源数据进行深度融合。基于融合后的数据,生成星地链路气象适应性报告。该报告评估不同卫星在不同气象条件下与地面站之间的通信适应性,包括信号传输质量、数据传输效率等方面。

通过对多源数据的关联分析,揭示气象因素对卫星任务各环节的影响机制。根据融合分析结果,为卫星任务的决策制定提供具体建议。

8.8.2 流程

 

图 6.433多源数据融合分析功能流程图

1.获取多源数据:从气象数据集成与管理模块获取气象数据,从卫星管理模块获取卫星轨道数据,从地面站管理模块获取地面站资源数据。

2.数据预处理:对获取到的多源数据进行清洗、转换和标准化处理,去除噪声数据、纠正错误数据格式,统一数据的时间尺度和空间参考,为融合操作做准备。

3.数据融合操作:运用特定的融合算法,将预处理后的气象数据、卫星轨道数据和地面站资源数据进行融合,建立数据之间的关联关系,形成综合数据集。

4.生成星地链路气象适应性报告:基于融合后的数据,评估卫星与地面站在不同气象条件下的通信适应性,生成星地链路气象适应性报告。

5.关联分析与风险评估:分析气象参数与任务场景的关联,评估任务在不同气象条件下的风险,确定潜在风险点和影响程度。

6.输出决策建议:根据关联分析和风险评估结果,为卫星任务决策提供具体的建议和应对策略。

8.8.3 接口

 

图 6.434多源数据融合分析功能接口图

表 6.417多源数据融合分析功能接口表

序号

发送方

接收方

信息内容

1

气象数据集成与管理功能所在模块(气象信息管理与服务模块)

多源数据融合分析功能模块

气象数据(实时气象数据和历史气象数据),用于与卫星轨道数据、地面站资源数据等进行融合分析

2

卫星管理模块

多源数据融合分析功能模块

卫星轨道数据、卫星状态信息、载荷类型及工作模式等,与气象数据和地面站资源数据融合,分析星地链路气象适应性

3

地面站管理模块

多源数据融合分析功能模块

地面站资源数据,包括地理位置、接收能力、可用状态等,与气象数据和卫星轨道数据融合,评估任务风险

4

多源数据融合分析功能模块

任务规划系统

星地链路气象适应性报告、任务风险评估结果和决策建议,辅助任务规划系统制定合理的卫星观测任务计划,选择合适的观测时间和地面站资源

5

多源数据融合分析功能模块

实时气象预警与决策支持功能模块

融合分析结果,如

 


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