一种航天器在轨空间风险管理系统

技术领域

本发明涉及航天器环境工程研究领域，具体为一种航天器在轨空间风险管理系统。

背景技术

空间辐射环境指存在于航天器运行空间范围内，来源于宇宙天然背景的各种具有一定能量的带电粒子。空间带电粒子辐射是航天器轨道上严重威胁航天活动的重要环境要素，其主要包括地球辐射带、太阳宇宙线、银河宇宙线、等离子体、太阳风等多个来源，并且与太阳活动及地磁活动密切相关。空间带电粒子与航天器上的电子元器件及功能材料发生相互作用，产生各种辐射效应，从而影响航天器在轨正常工作甚至威胁其在轨安全。

开展航天器空间辐射环境检测，获取在轨航天器的空间辐射环境数据并进行处理和管理，对于航天器的长期稳定运行有着重要意义。监测空间环境对于分析在轨航天器辐射环境对航天器的影响以满足航天器长期稳定在轨运行的基础。

国外航天机构如美国宇航局(NASA)和欧洲航天局(ESA)已分别进行过大量的空间环境数据检测任务，但是都没有对所获取的辐射环境数据进行处理和管理。目前国内在该方面的研究处于起步阶段，未全面深入开展航天器空间辐射环境数据的相关处理的研究，只是集中于数据监测阶段，对于数据的处理和管理方面的研究主要局限于国外技术的跟踪，并未建立一套行之有效的航天器在轨空间环境管理平台。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种航天器在轨空间风险管理系统，解决了常规空间环境信息系统缺乏数据处理与管理的问题以及对于在轨航天器空间环境监测数据的集成化快速处理和管理问题。

本发明提出的航天器在轨空间风险管理系统，包括数据处理模块、载荷状态监视模块和环境态势显示模块，数据处理模块对航天器回传的载荷数据及环境态势数据进行预处理，包括数据解包子模块、滤波处理子模块和数据存储子模块，以还原载荷数据物理量、对航天器回传的数据进行滤波处理、管理数据并存储至数据库中；载荷监视模块读取所述数据处理模块处理后的载荷数据：选择时间点并按该时间点调用所述数据库中相应的载荷数据，计算所选时间范围内相应载荷数据的平均值，将该计算结果生成报表保存；环境态势显示模块读取所述数据处理模块处理后的环境态势数据，按照选择的时间点调用数据库中相应的环境态势数据，计算所选时间范围内相应环境态势数据的平均值，将该计算结果生成报表保存。

作为优选，通过开展航天器空间辐射环境数据监测，使所述数据处理模块获取在轨航天器的空间辐射环境数据，包括载荷数据的原码和空间环境态势数据，其中，所述载荷数据包括辐射剂量、脉冲幅度以及SRAM单粒子翻转信息，所述环境态势数据通过探测直接获得，包括电子、质子和宇宙射线。

作为优选，数据解包子模块的工作流程为：步骤1.1，获取各个物理量的数据原码，展航天器空间辐射环境数据监测，获取在轨航天器的空间辐射环境数据；步骤1.2，对各个航天器回传的物理量原码进行解码操作：对载荷数据的原码进行分类并分别进行预处理；步骤1.3，对步骤1.2得到的载荷数据及直接探测获得的环境态势数据进行滤波，得到缺失的数据；步骤1.4，将解码后的载荷数据、环境态势数据以及缺失的数据存入数据库中，以供读取调用。

作为优选，步骤1.2具体步骤包括：步骤1.21，对辐射剂量原码进行解码：解析原包，从中提取出辐射剂量原码，将总剂量原码转换为总剂量输出电压；然后将总剂量输出电压转换为总剂量输出变化量，如下式所示：

作为优选，滤波处理子模块为获得缺失的数据，采用卡尔曼滤波算法对实际探测数据进行滤波处理，得到缺失时间的数据预估值，该数据预估值即为缺失数据。

作为优选，滤波处理子模块的数据滤波步骤为：步骤1.31，基于过去时刻的载荷数据和/或环境态势数据对当前时刻的数据进行先验估计；步骤1.32，计算步骤1.31中先验估计数据的估计误差；

作为优选，载荷状态监视模块包括录入载荷状态数据子模块，显示时间对应的物理量、平均值子模块，和导出载荷状态数据子模块；其中，录入载荷状态数据子模块用于读取数据模块处理后的载荷数据，根据需要实时显示当前数据；显示时间对应的物理量、平均值子模块用于调用数据库相应的载荷数据并进行相应的计算并显示；导出状态数据用于生成数据报表并打包保存。

作为优选，载荷状态监视模块的工作步骤具体为：步骤2.1，确定时间节点信息：通过选择时间节点回看航天器在任意时刻的载荷数据；步骤2.2，选择载荷数据类型，包括辐射剂量、脉冲幅度和SRAM单粒子翻转信息，以及每个载荷类型的数据的时间段，计算选择的时间节点的前一小时、前一天、前一个月以及前一年的环境态势的平均值；步骤2.3，导出载荷状态数据：选择要导出的载荷数据类型，根据选择的类型在数据库查询相关数据导出并保存。

作为优选，环境态势显示模块包括录入环境态势子模块，显示时间对应的物理量、平均值子模块、以及导出环境态势子模块；其中，录入环境态势用于读取航天器的环境态势数据，根据需要实时显示当前数据；显示时间对应的物理量、平均值子模块用于调用数据库相应的数据并进行相应的计算后显示；导出状态数据用于生成数据报表并打包保存。

作为优选，环境态势显示模块的工作步骤为：步骤3.1，选择时间节点，通过选择时间节点回看航天器在任意时刻的环境态势数据；步骤3.2，选择环境态势类型，包括电子、质子、宇宙射线，以及每个环境态势类型数据的时间段，计算选择的时间节点的前一小时、前一天、前一个月以及前一年的环境态势的平均值，并显示选择的时间对应的物理量；步骤3.3，导出环境态势数据：选择要导出的环境态势数据，基于该环境态势数据在数据库查询相关数据导出并保存。

有益效果：

(1)本发明实现了一种航天器在轨空间风险管理系统，提供了一套全面深入的可以快速处理和管理在轨航天器空间辐射环境数据的系统，可以对航天器的载荷状态数据和环境态势数据进行处理和显示；

(2)本发明可实现针对收集的数据形成结构化信息库，支持相关数据的批量导入，可从航天器数据中心自动将载荷数据导入或由外部文件导入相关数据；

(3)本发明通过多个维度对结果进行统计分析，每一项数据都可以实时显示，并根据需要计算出小时平均、天平均、月平均和年平均数据；批量导出指定数据并生成图表展示；

(4)本发明通过数据解包子模块对获得的载荷数据原码进行解码，实现对航天器回传数据的预处理，实现航天器let值、剂量、单粒子翻转物理量的还原，获得可以进行滤波处理和存入数据库进行调用显示的数据；

(5)本发明通过滤波处理子模块获得缺失的数据，解决了在轨航天器运行期间由于空间环境辐射干扰或处于接收盲区等原因造成的回传数据缺失问题，以实际探测数据为基础根据卡尔曼滤波算法计算获得缺失数据的预估值。

附图说明

图1为本发明一个实施例的系统功能模块图；

图2为本发明一个实施例的系统流程图；

图3为本发明一个实施例的数据处理模块流程图；

图4为本发明一个实施例的数据解包流程图；

图5为本发明一个实施例的滤波处理流程图；

图6为本发明一个实施例的载荷状态监视模块流程图；

图7为本发明一个实施例的环境态势显示模块流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1所示，一种航天器在轨空间风险管理系统，包括数据处理模块、载荷状态监视模块和环境态势显示模块。载荷数据处理模块实现解包卫星回传数据，物理量的卡尔曼滤波处理和数据质量管理及存储。载荷状态监视模块实现载荷数据的导入和多维度显示并生成报表与导出。环境态势显示模块实现环境态势的导入和多维度显示并生成报表与导出。

参照图2所示，该系统流程首先，接收卫星回传数据，然后对回传数据进行处理，包括：数据解包、滤波处理。将处理后的载荷数据和环境态势数据存入数据库。然后选择查看的数据类型，数据类型分为载荷数据和环境态势数据，本实施例中载荷数据类型包括：脉冲幅度即LET值、SRAM单粒子翻转、辐射剂量，环境态势数据类型包括：电子、质子、宇宙射线。最后选择时间，根据选择的时间范围显示载荷数据或环境态势的当前时刻、小时平均、天平均、月平均、年平均图表；在线生成数据报告并进行预览，批量导出指定数据并生成图表展示。

参照图3所示，数据处理模块分为三个子模块：数据解包，滤波处理，数据存储。数据处理模块包含了对航天器回传信号的所有预处理的基本流程，包括：对航天器回传数据的解包，实现对航天器辐射剂量、LET谱、SRAM单粒子翻转次数等物理量进行还原。滤波处理子模块对缺失的数据进行滤波处理得到缺失数据的预估值。数据存储子模块对处理后的数据进行存储。

参照图4所示，所述数据解包子模块包括2个步骤：

步骤1.1，获取各个物理量的数据原码；开展航天器空间辐射环境数据监测，获取在轨航天器的空间辐射环境数据，包括：载荷数据和空间环境态势数据。

步骤1.2，对各个物理量原码进行解码操作。各物理量进行分类并分别进行预处理，主要的物理量原码包括：辐射剂量原码、脉冲幅度源码以及SRAM单粒子翻转信息原码，具体为：

步骤1.21，辐射剂量原码的解码操作：解析原包，从中提取出辐射剂量原码，将总剂量原码转换为总剂量输出电压；然后将总剂量输出电压转换为总剂量输出变化量，方法如下式所示：

式中，D

步骤1.22，脉冲幅度原码的解码操作：解析原包，从中提取LET入射粒子在传感器中引起的脉冲幅度原码；将脉冲幅度原码转换为脉冲幅度；将脉冲幅度转换为入射粒子LET值。

步骤1.23，SRAM单粒子翻转信息原码的解码操作：解析原包，从中提取SRAM单粒子翻转信息原码；解析SRAM单粒子翻转信息原码，从中提取SRAM发生单粒子翻转的地址和翻转后的字节数值；将翻转后的字节数值与预设值比较，确定翻转位数。

滤波处理子模块基于解包后的载荷数据包括let、剂量和翻转以及通过探测获得的环境态势数据包括电子、质子和宇宙射线对缺失的数据进行滤波处理，参照图5所示，具体包括5个步骤：

本次实施例，在k时刻卫星回传数据中电子能量发生缺失，为了获得缺失的k时刻电子能量数据，现对电子能量进行卡尔曼滤波处理，得到k时刻的电子能量。为得到k时刻电子能量，需对t时刻的电子能量进行卡尔曼滤波处理，获得t时刻电子能量的最优估计值

步骤1.31，基于过去时刻的载荷数据中的电子能量数据对t时刻电子能量进行先验估计，得到先验估计值

本实施例的先验估计值基于卫星在t时刻以前的回传数据，对t时刻电子能量进行合理预估。得到t时刻电子能量的先验预估值为

步骤1.32，计算步骤1.31中先验估计数据的估计误差：

式中，

本实施例中：A为单位矩阵，P

计算所得t时刻先验数据估计误差为：

步骤1.33，计算卡尔曼增益：

式中，K

本实施例中：视回传数据为实际接收值即H为单位矩阵，回传数据误差R＝0.2，

步骤1.31，所得先验数据估计误差

步骤1.34，计算本次的最优估计值，计算所得最优估计值即为k时刻的电子能量数据：

式中，

本实施例中，视回传数据为实际接收值即H为单位矩阵，t时刻的卫星实际回传数据Z

计算所得本次的最优估计值

本实施例中t时刻电子能量最优估计值即为k时刻电子能量数据。

步骤1.35，计算本次最优估计值的估计误差。所得本次估计误差供在下次估

计的步骤1.32中使用。

式中，P

本实施例中，视回传数据为实际接收值即H为单位矩阵，步骤2所得先验数据估计误差

计算所得本次最优估计值的估计误差

步骤1.36，重复步骤1.32至1.35，每次在1.34中求出的

数据存储子模块包括：辐射剂量原码通过解码操作获得总剂量数据、脉冲幅度原码通过解码操作获得入射粒子LET值数据、SRAM单粒子翻转信息原码通过解码操作转换获得翻转数据、在轨航天器空间环境探测所得环境态势物理量、滤波处理获得载荷数据和环境态势数据。数据文件的内容包括：时间信息、数据质量信息。数据内容部分每一行为一条数据记录，每一列代表一个物理量，包括：卫星在轨运行时间、剂量、单粒子翻转次数、LET值、质子谱数据、电子谱数据、宇宙射线数据。数据信息表如下表所示：

参照图6所示，载荷状态监视模块分为三个子模块：录入载荷状态数据、显示时间对应的物理量、显示平均值，导出载荷状态数据。其中，录入载荷状态数据是对载荷数据模块处理后的载荷状态数据读取；显示时间对应的物理量和显示平均值是调用数据库相应的载荷数据并进行相应的计算后将其显示；导出状态数据是生成数据报表并打包保存。

所述载荷状态监视模块中首先读取数据库信息。通过选择时间节点回看航天器在任意时刻的载荷数据。确定航天器运行的时间节点后，选择载荷数据类型。本实施例中，载荷数据类型包括：let值、剂量值、单粒子翻转。然后选择每个载荷类型的数据的时间段，本实施例中可供选择的时间段有：当前时刻、小时/天/月/年平均值。平均值为选择时间节点的前一小时、前一天、前一个月、前一年的平均值。系统将会把选择的时间对应的物理量进行显示，对应的载荷数据也会进行显示。导出载荷状态数据的具体流程如下：首先，选择要导出的载荷数据类型；其次，进入数据库查询相关数据；然后，选择导出位置；最后，输出文件保存。

参照图7所示，环境态势显示模块分为3个子模块：录入环境态势、显示时间对应的物理量，显示平均值、导出环境态势。其中，录入环境态势是对航天器的环境态势数据进行读取；显示时间对应的物理量和显示平均值是调用数据库相应的数据并进行相应的计算后将其显示；导出状态数据是生成数据报表并打包保存。首先选择时间节点，系统进行数据库的查询工作，调出选择的时间节点的当前数据。系统将环境态势导入后，数据库计算出选择的时间节点的前一小时、前一天、前一个月以及前一年的环境态势的平均值。系统将会把选择的时间对应的物理量进行显示，对应的环境态势也会在界面进行显示。导出环境态势数据的具体流程如下：首先，用户选择要导出的环境态势数据；其次，数据库查询相关数据；然后，选择导出位置；最后，输出文件保存。

本发明提供一种航天器在轨空间风险管理系统，该系统进行空间辐射环境数据的收集、管理与储存；并对航天器的载荷状态进行监视并显示平台区域太空环境态势，提供不同物理量当前时刻、小时平均、天平均、年平均的结果。解决了常规在轨航天器空间环境信息系统缺乏数据处理与管理的问题。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。