繆 霖，陶孫杰，何 玉

(中國西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

0 引 言

近年來，各個國家分別在低軌星座建設(shè)領(lǐng)域進行了競爭，例如美國的OneWeb星座、Starlink星座，以及中國的“鴻雁”星座、“虹云”星座等[1-2]。空間互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)作為國家空間信息基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，納入了“新基建”范疇[3]。衛(wèi)星數(shù)量增加和衛(wèi)星能力增加帶來了地面數(shù)據(jù)接收站的擴充，各地面站通過集中監(jiān)控管理系統(tǒng)對各個地面站多路數(shù)據(jù)接收、記錄、傳輸?shù)冗M行監(jiān)控管理[4-5]。面向多星多站多任務(wù)的趨勢，數(shù)據(jù)接收任務(wù)過程中的頻譜圖像集中監(jiān)視和頻譜數(shù)據(jù)存儲管理的需求也在逐步增加。

國內(nèi)針對頻譜數(shù)據(jù)的監(jiān)視與處理有多方面的研究。文獻[1]從頻譜圖像的角度進行了頻譜檢測的研究，使用計算機視覺和機器學(xué)習(xí)相結(jié)合的方法進行頻譜感知和異常識別。文獻[6]針對頻譜數(shù)據(jù)量大的問題，提出了基于張量分解的頻譜數(shù)據(jù)壓縮方案解決高階數(shù)據(jù)冗余壓縮問題。文獻[7]針對單一的頻譜數(shù)據(jù)來源，將監(jiān)測軟件嵌入到硬件設(shè)備中，提出了一種對頻譜數(shù)據(jù)進行信號識別獲得特征參數(shù)的算法，從而對監(jiān)測的異常信號發(fā)出告警。文獻[8]給出了由變頻與校準(zhǔn)+頻譜分析+顯示與控制等單元模塊組成的系統(tǒng)硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了船載衛(wèi)星通信多路頻譜信號的在線監(jiān)視。文獻[9]在無線電監(jiān)測領(lǐng)域，針對移動式智能檢測終端與固定式監(jiān)測接收機的頻譜數(shù)據(jù)提出了標(biāo)準(zhǔn)化接口采集頻譜數(shù)據(jù)的方案，實現(xiàn)了多源數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)換和分析。但是，文獻[1,6-7]主要基于頻譜數(shù)據(jù)進行深入壓縮或異常分析；文獻[8-9]提出了多源/多路頻譜監(jiān)視的思想，未對頻譜數(shù)據(jù)基于任務(wù)驅(qū)動的多站多頻譜設(shè)備數(shù)據(jù)的采集、存儲、顯示、回放進行系統(tǒng)性的設(shè)計。

本文根據(jù)頻譜集中監(jiān)視的需求提出了頻譜集中監(jiān)視平臺的方案設(shè)計，采用以實際衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收任務(wù)為驅(qū)動，自動化調(diào)度多路異構(gòu)頻譜設(shè)備進入就緒狀態(tài)，完成任務(wù)時數(shù)傳/跟蹤信號頻譜數(shù)據(jù)的采集、解析、存儲、編目和集中監(jiān)視，便于任務(wù)時根據(jù)頻譜曲線變化快速發(fā)現(xiàn)問題。通過事后數(shù)據(jù)回放分析，為管理人員復(fù)盤任務(wù)提供依據(jù)，為提升數(shù)據(jù)接收與跟蹤質(zhì)量，提高多站協(xié)同工作效率提供保障。

1 系統(tǒng)工作原理

本文提出的頻譜集中監(jiān)視平臺依托地面站任務(wù)，圍繞頻譜數(shù)據(jù)監(jiān)視要求，完成數(shù)據(jù)采集、解析、展示、編目、回放等業(yè)務(wù)，平臺工作原理如圖1所示。圖1中涉及的角色如下：

站網(wǎng)操控中心：對地面站衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收任務(wù)進行綜合管理，對頻譜集中監(jiān)視平臺下達工作計劃，明確頻譜采集顯示要求的系統(tǒng)。

頻譜集中監(jiān)視平臺：對頻譜數(shù)據(jù)按需采集，按照工作計劃存儲頻譜數(shù)據(jù)，對頻譜數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理。

頻譜監(jiān)視設(shè)備：接入地面站信號，生成并提供頻譜數(shù)據(jù)。

監(jiān)視分析人員：監(jiān)視頻譜數(shù)據(jù)，對頻譜數(shù)據(jù)通過事后回放分析。

圖1 系統(tǒng)工作原理示意圖

根據(jù)圖1所示工作原理，頻譜集中監(jiān)視平臺接收站網(wǎng)操控中心下達的工作計劃，根據(jù)工作計劃進行任務(wù)調(diào)度，在任務(wù)準(zhǔn)備期間與各地面站各路數(shù)傳/跟蹤信號的頻譜設(shè)備建立數(shù)據(jù)連接，明確頻譜設(shè)備的信號來源，設(shè)置頻譜監(jiān)視設(shè)備的數(shù)據(jù)采集參數(shù)。頻譜集中監(jiān)視平臺在各地面站跟蹤衛(wèi)星接收數(shù)據(jù)時，采集各路頻譜數(shù)據(jù)，輔助監(jiān)視分析人員監(jiān)視任務(wù)執(zhí)行情況，對任務(wù)期間頻譜數(shù)據(jù)編目保存。任務(wù)結(jié)束后，將頻譜數(shù)據(jù)編目信息反饋站網(wǎng)操控中心，對頻譜監(jiān)視設(shè)備復(fù)位。監(jiān)視分析人員在事后對任務(wù)數(shù)據(jù)回放分析，為任務(wù)復(fù)盤提供依據(jù)。

在整個監(jiān)視過程中，系統(tǒng)包括空閑、任務(wù)和回放三種狀態(tài)，這三種運行狀態(tài)互斥。平臺啟動后默認進入空閑狀態(tài)，以啟動時默認配置模式獲取頻譜監(jiān)視設(shè)備的數(shù)據(jù)并顯示。系統(tǒng)根據(jù)接收到的工作計劃在指定時段將平臺切換為任務(wù)狀態(tài)，該狀態(tài)下，平臺自動完成設(shè)備參數(shù)控制，完成指定任務(wù)設(shè)備的頻譜圖形顯示、頻譜數(shù)據(jù)存儲、頻譜曲線保存。監(jiān)視分析人員可按需進入回放狀態(tài)，手動選擇一臺設(shè)備或一組任務(wù)回放已有頻譜數(shù)據(jù)。當(dāng)?shù)竭_任務(wù)執(zhí)行時間，但系統(tǒng)仍設(shè)置為回放狀態(tài)時，系統(tǒng)可以自動切換到任務(wù)狀態(tài)，或由操作員根據(jù)提示人工切換到任務(wù)狀態(tài)。系統(tǒng)運行狀態(tài)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)運行狀態(tài)圖

2 平臺組成

頻譜集中監(jiān)視平臺包含信息交互模塊、任務(wù)調(diào)度與管理模塊、頻譜顯示與控制模塊，模塊組成及內(nèi)部交互如圖3所示。

圖3 平臺組成圖

信息交互模塊完成與頻譜監(jiān)視設(shè)備和站網(wǎng)操控中心的信息交互，包括儀器訪問單元、頻譜數(shù)據(jù)接收單元、頻譜設(shè)備控制單元、計劃交互單元。儀器訪問單元實現(xiàn)建立與不同頻譜監(jiān)視設(shè)備通信連接關(guān)系，維護通信連接參數(shù)的配置信息。頻譜數(shù)據(jù)接收單元是可擴展的集合，可根據(jù)不同廠商頻譜設(shè)備的數(shù)據(jù)協(xié)議對頻譜數(shù)據(jù)進行解析。頻譜數(shù)據(jù)控制單元是可擴展的集合，將平臺的控制協(xié)議轉(zhuǎn)換成不同的控制指令，通過儀器訪問單元下發(fā)至不同設(shè)備。計劃交互單元建立與站網(wǎng)操控中心的連接，接收工作計劃信息，通知任務(wù)調(diào)度與管理模塊，向站網(wǎng)操控中心反饋計劃信息接收情況，在任務(wù)結(jié)束后反饋頻譜數(shù)據(jù)編目信息。

任務(wù)調(diào)度與管理模塊完成任務(wù)的保存、沖突檢測、執(zhí)行監(jiān)視與數(shù)據(jù)記錄，包括任務(wù)管理單元、任務(wù)調(diào)度單元、頻譜數(shù)據(jù)存取單元、頻譜數(shù)據(jù)維護單元。任務(wù)管理單元實現(xiàn)工作計劃的解析與存儲管理，對任務(wù)沖突情況進行檢測、提示和反饋。任務(wù)調(diào)度單元實現(xiàn)根據(jù)工作計劃的時間要求啟動/結(jié)束任務(wù)，在任務(wù)準(zhǔn)備時自動對頻譜設(shè)備關(guān)聯(lián)信號鏈路并設(shè)置參數(shù)，任務(wù)時存儲頻譜數(shù)據(jù)，任務(wù)后發(fā)起任務(wù)結(jié)束通知至各模塊/單元。頻譜數(shù)據(jù)存取單元實現(xiàn)頻譜數(shù)據(jù)的存儲，根據(jù)請求對歷史數(shù)據(jù)查詢。頻譜數(shù)據(jù)維護單元對數(shù)據(jù)進行編目，監(jiān)視數(shù)據(jù)磁盤的占用率，按策略遷移或清除歷史數(shù)據(jù)。

頻譜顯示與控制模塊是人機交互核心，顯示多路頻譜數(shù)據(jù)，并通過界面控制頻譜設(shè)備參數(shù)和回放任務(wù)數(shù)據(jù)，包括頻譜設(shè)備顯示單元、頻譜設(shè)備多窗口管理單元、頻譜圖像存儲單元、回放控制單元。頻譜設(shè)備顯示單元是單個頻譜設(shè)備的管理界面，顯示設(shè)備采集的信號頻譜，可打開操控窗設(shè)置頻譜設(shè)備參數(shù)并下發(fā)。頻譜設(shè)備多窗口組織管理單元可控制主界面頻譜數(shù)據(jù)顯示路數(shù)，采用層疊、平鋪等顯示方式，支持單屏或雙屏顯示。頻譜圖像存儲管理單元實現(xiàn)頻譜圖像的本地存儲和圖像文件編目?；胤趴刂茊卧獙崿F(xiàn)頻譜數(shù)據(jù)按設(shè)備/任務(wù)、時間段回放，回放過程中設(shè)置回放速率、跳轉(zhuǎn)到指定播放時刻。

3 系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程設(shè)計

3.1 任務(wù)接收與執(zhí)行流程

任務(wù)接收與執(zhí)行流程主要是接收工作計劃、完成頻譜設(shè)備的預(yù)置，在任務(wù)時接收數(shù)據(jù)并保存，任務(wù)結(jié)束后對設(shè)備復(fù)位，形成結(jié)果報告。流程如圖4所示。

圖4 任務(wù)接收與執(zhí)行流程

頻譜集中監(jiān)視平臺接收站網(wǎng)操控中心的工作計劃，包括衛(wèi)星代號、作業(yè)天線、跟蹤起止時間、接收起止時間，以及各頻譜設(shè)備的信號鏈路、中心頻率和帶寬。系統(tǒng)對計劃進行沖突檢測，若在一段時間范圍內(nèi)，下達的計劃與現(xiàn)有計劃使用了同一個站的同一臺頻譜設(shè)備，則系統(tǒng)因無法安排新的計劃而終止流程，同時反饋拒絕原因，要求站網(wǎng)操控中心重新安排工作計劃。

計劃正常接收后，當(dāng)?shù)竭_任務(wù)準(zhǔn)備開始時刻時，系統(tǒng)根據(jù)工作計劃要求進行任務(wù)調(diào)度，自動發(fā)起各頻譜設(shè)備的數(shù)據(jù)端口連接，切換信號矩陣關(guān)聯(lián)衛(wèi)星下行信號鏈路，設(shè)置頻譜設(shè)備的參數(shù)(中心頻率、帶寬、參考電平等)。任務(wù)啟動后，開始記錄各站各路頻譜設(shè)備的頻譜數(shù)據(jù)，并在顯著位置排列顯示頻譜數(shù)據(jù)對應(yīng)的圖像和頻譜信號鏈路(下行通道、接收旋向、輸出頻段等)。監(jiān)視分析人員可根據(jù)頻譜數(shù)據(jù)對接收/跟蹤狀態(tài)進行輔助分析，進行頻譜圖像截取、頻譜數(shù)據(jù)標(biāo)記等操作。

任務(wù)結(jié)束后，頻譜集中監(jiān)視平臺復(fù)位頻譜設(shè)備，停止記錄頻譜數(shù)據(jù)，向站網(wǎng)操控中心發(fā)送工作結(jié)果報告，站網(wǎng)操控中心人員根據(jù)報告中的頻譜數(shù)據(jù)文件編目信息按需下載數(shù)據(jù)文件應(yīng)用。

3.2 頻譜數(shù)據(jù)處理流程

頻譜數(shù)據(jù)處理流程包括實時接收處理和文件數(shù)據(jù)回放處理兩類流程。

實時接收處理流程由頻譜集中監(jiān)視平臺根據(jù)任務(wù)驅(qū)動或操作員控制發(fā)起與頻譜設(shè)備的連接申請，連接成功后，實時獲取原始頻譜幀數(shù)據(jù)，平臺將幀數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)化頻譜數(shù)據(jù)，推送到監(jiān)視分析人員前端顯示，同時根據(jù)數(shù)據(jù)存儲要求，按照地面站、設(shè)備、任務(wù)等分類編目存儲頻譜數(shù)據(jù)文件。斷開與頻譜設(shè)備連接后，頻譜數(shù)據(jù)顯示與存儲停止。

文件數(shù)據(jù)回放流程由操作員發(fā)起，獲得文件編目信息，指定數(shù)據(jù)回放時段和回放速率，選擇將要回放的數(shù)據(jù)文件集合讀取并解析，平臺對多臺頻譜設(shè)備的采集時刻按照時間順序加載，在前端以相同時間軸分設(shè)備同時回放。

4 平臺實現(xiàn)與應(yīng)用

4.1 平臺體系結(jié)構(gòu)

頻譜集中監(jiān)視平臺采用C/S體系架構(gòu)，服務(wù)端部署在頻譜監(jiān)視服務(wù)器上，負責(zé)頻譜數(shù)據(jù)處理和任務(wù)流程；客戶端可同時部署在多臺計算機上，負責(zé)頻譜顯示和人機交互。

4.2 數(shù)據(jù)存儲方式

頻譜數(shù)據(jù)的存儲采用兩種方式。一是任務(wù)啟動后，頻譜集中監(jiān)視平臺采集頻譜數(shù)據(jù)，并自動存儲頻譜數(shù)據(jù)。二是操作員通過打開客戶端界面，指定設(shè)備和存儲時長，發(fā)起頻譜數(shù)據(jù)存儲請求后，系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)記錄；或指定顯示的圖形，以JPG圖像文件方式截圖存儲到本地。

數(shù)據(jù)保存為文本文件，文件頭包括任務(wù)名、站名、天線、輸出設(shè)備、信息來源、頻譜名稱、開始時間、結(jié)束時間。頻譜數(shù)據(jù)有多行，每一行為：保存時間/中心頻率(MHz)/帶寬(MHz)/參考電平(dBm)/刻度(dB)/分辨帶寬(MHz)/視頻帶寬(MHz)/采樣周期(ms)/采集數(shù)據(jù)個數(shù)/各數(shù)據(jù)點。

頻譜數(shù)據(jù)以文件方式存儲在磁盤上，在任務(wù)完成后，將頻譜數(shù)據(jù)存儲路徑以任務(wù)結(jié)果形式發(fā)送到站網(wǎng)操控中心并關(guān)聯(lián)到任務(wù)。

4.3 數(shù)據(jù)展示實現(xiàn)

在頻譜數(shù)據(jù)展現(xiàn)的實現(xiàn)上，平臺采用“井”字型方式展現(xiàn)顯示頻譜圖像，支持放大顯示一路、兩路、四路、六路頻譜圖像。多路圖像可以同時接收實時數(shù)據(jù)，也可以同時回放多組數(shù)據(jù)。每路頻譜圖像能夠放大顯示，支持頻譜圖形顯示和頻譜控制顯示兩種方式之間切換：頻譜圖形方式僅顯示頻譜圖像，隱藏頻譜參數(shù)控制區(qū)域及頻譜屬性顯示區(qū)域；頻譜控制方式顯示頻譜圖像和頻譜參數(shù)控制區(qū)域、頻譜屬性區(qū)域。

4.4 平臺運行效果

頻譜集中監(jiān)視平臺運行效果如圖5所示，平臺同時執(zhí)行兩個任務(wù)，監(jiān)視了西北站和西南站各兩臺頻譜設(shè)備。此時兩個站正分別執(zhí)行Sat01衛(wèi)星和Sat02衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收任務(wù)，各頻譜設(shè)備的窗口展示實時頻譜數(shù)據(jù)，同時標(biāo)注執(zhí)行上述任務(wù)時頻譜數(shù)據(jù)對應(yīng)的信號鏈路。

圖5 四路頻譜圖像顯示效果圖

5 結(jié) 論

本文提出了一種衛(wèi)星地面數(shù)據(jù)接收站的頻譜集中監(jiān)視方案，闡述了系統(tǒng)工作原理、平臺組成、主要業(yè)務(wù)流程、數(shù)據(jù)展現(xiàn)、數(shù)據(jù)存儲等實現(xiàn)方法，并據(jù)此構(gòu)建了頻譜集中監(jiān)視平臺，實現(xiàn)了按任務(wù)的多路頻譜數(shù)據(jù)集中監(jiān)視和管理，同時能夠?qū)v史任務(wù)數(shù)據(jù)回放，提高了頻譜數(shù)據(jù)集中監(jiān)視能力。