地面应用系统:“嫦娥”的数据处理中心

□ 本刊记者 陈 宁

地面应用系统是探月工程的五大系统之一，实际上由三部分组成。第一部分为中国科学院国家天文台，在此设有四个分系统，一是业务运行管理，二是数据预处理，三是数据管理，四是科学研究。中科院国家天文台成立于2001年4月，系由中国科学院天文领域原四台三站一中心撤并整合而成。国家天文台包括总部及4个直属单位，分别是：中国科学院国家天文台云南天文台、南京天文光学技术研究所、乌鲁木齐天文站和长春人造卫星观测站。中国科学院探月工程总体部等均依托在国家天文台总部。

近年来，国家天文台建议和承担了多项国家重大专项任务、大科学工程项目和国家战略高技术项目。在我国首次绕月探测工程中，国家天文台提出四大科学目标并圆满完成了地面应用系统研制、建设和运行以及VLBI测轨等任务，处理和制作了我国第一幅全月面图像和全月球三维影像图，为我国首次绕月探测工程做出了重要贡献；在探月工程二期中国家天文台继续承担地面应用系统和VLBI测轨任务外，还负责牵头月基光学望远镜等有效载荷的研制工作。

此外，地面系统还包括两个地面接收站组成的数据分析系统。一个位于北京密云，是由一个50米天线组成的数据接收系统。另一个位于云南昆明，是由一个40米天线组成的数据接收系统。虽然两个地面接收站只是单纯的数据接收，但实际上是地面应用系统要求最严格，可靠性要求最好的系统，因为它是负责地球和卫星之间的桥梁。一旦这里出了点问题，卫星和地面联络就会中断，会产生数据遗失的情况。

地面应用系统就像是”嫦娥一号”和”二号”的数据处理中心，它负责指挥、控制天上的小精灵，在太空中顺利遨游，且能够进行拍月球的图片等工作。

地面应用系统的主要任务包括以下四个方面：一是实施卫星有效载荷在轨业务运行管理；二是跟踪卫星、实时接收卫星数传下行数据；三是负责进行数据预处理与数据管理；四是组织开展科学应用与研究。

依据任务的要求，地面应用系统必须能够具备制定卫星有效载荷的短期、中长期工作模式和科学探测计划；实施有效载荷及地面应用系统的业务运行的调度和管理；监视卫星有效载荷的运行状况，向测控系统提出调整卫星有效载荷工作状态的控制要求；接收卫星数传信道下行数据，并传送到地面应用系统总部；处理、解译、应用和研究科学探测数据；管理并向特定的用户和单位发布数据这六项能力。

从时间上进行评价，地面应用系统可以说是陪伴嫦娥时间最长的“长工”，其任务构成主要分成三个阶段。

第一阶段是任务执行前，在首席科学家的领导下制订一个科学目标，作为工程总体的一个方案设计。这包括对有效载荷的类型、技术指标和配置进行确定。简而言之就是根据卫星的实际情况制定一个科学探测计划。同时，根据卫星搭载的科学仪器和有效载荷的任务指令和配置参数，生成地面站的接收计划与运行计划。根据以上计划的具体内容，还要对载荷的运行状态以及地面应用系统进行监视。

第二阶段是利用两个数据接收天线，把数据接受下来存储并进行分发和数据处理。在这个过程中，两个地面站首先要利用天线跟踪卫星，捕获卫星，将无线电信号进行收集，相关设备对信号进行放大、传送、接收、调解等处理，就可进行落地存储。存储的数据将及时传回总部——国家天文台，继续进行数据的生产。

第三阶段是对处理后数据的利用，”嫦娥一号”的相关论文、图像、地图等均属于第三阶段的成果。

“嫦娥二号”和”嫦娥一号”主要的区别是应该说是有两个方面。一个是轨道，要降到100公里，原来”嫦娥一号”的轨道是200公里，“嫦娥二号”的轨道要降到100公里。还有一个变化是相机的分辨率要提高。原来我们”嫦娥一号”的目标是进行全球整体的探测，所以它的分辨率是120米。”嫦娥二号”是二期的先导星。所以，它瞄准的目标是对着陆点进行重点探测，进行详测。另外是速传码速率的提高，在”嫦娥一号”的时候，数据量相对比”嫦娥二号”要小。当时”嫦娥一号”是用3兆码速率传的，那么”嫦娥二号”要达到6兆，同时要试验12兆码速率，能够保证获得的高分辨率的数据能够尽快的传到地面。

根据这些变化和要求，地面应用系统在已有基础上进行了新增和适应性改造，以满足工程任务需求。

为了保证探测数据接收的可靠性和完整性，地面应用系统依托现有两个数据接收地面站进行新增和升级改造，完成探测数据的接收任务。两个地面站分别拥有50米和40米口径天线的数据接收系统，天线接收能力能够满足数传要求。两个地面站共视同时工作，互为备份。地面站配备数据落地存储设备，以保证探测数据的可靠记录。地面站采用光纤接入网的方式，与地面应用系统总部间建立可靠、安全的数据传输通信链路，将探测数据及时传输到总部。

业务运行管理、数据处理、数据管理和科学研究等工作在地面应用系统总部进行。目前，这里建立了网络、通信、存储、计算、显示、试验等基本支撑系统与运行平台，完成地面设备和有效载荷的监视显示、业务作业调度、探测计划制定、数据处理、数据存储备份与管理、产品分发，以及数据分析解译和科学目标研究工作。

地面应用系统采用多种体系结构模式。计算机、网络、存储等核心硬件采用基于高性能网络数据交换和存储设备、高可用计算机组成的功能分布式多层网络体系结构；计算密集型的数据处理软件，采用MPI等高性能并行计算体系结构。实时性要求比较高的业务应用软件，采用C/S体系结构；实时性要求不高的数据库应用软件，采用B/S体系结构。

“嫦娥二号”卫星是一个承前启后的任务，一方面将对”嫦娥一号”卫星的探测成果进行补充和完善，另一方面将进行多项的技术试验，特别地，将获取预选着陆区1米分辨率的图像，这些成果的取得都将为”嫦娥三号”安全软着陆提供条件和保障。