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1、空间环境数据信息系统在载人航天任务中的应用The application of the space environment data information system in manned space program摘要 空间环境数据信息系统在载人航天空间环境保障任务中承担了数据支撑的重要作用，为载人飞船运行期间的空间环境保障任务提供了实时数据服务。本文从数据准备、具体数据应用和应用效果等方面，全面介绍了空间环境数据信息系统在“神舟五号”、“神舟六号”任务期间为空间环境保障提供数据服务的情况。关键词 空间环境 数据信息系统 载人航天 应用服务Abstract The Space Enviro
2、nment Data Information System has played an important part that provides real time data for space environment protection in manned space program, especially in the periods that Shenzhou-5 and Shenzhou-6 were orbiting. The text has introduced the situation of data service during Shenzhou-5 and Shenzh
3、ou-6 space missions in the aspect of data preparation, practical applications and the effect of application, etc.Key words Space environment Data information system Manned space program Application1. 引言飞行器和航天员在轨飞行过程中，受到空间环境中的各种粒子、射线等电磁辐射的威胁，存在严重的空间环境安全问题，为其提供空间环境保障服务是减缓或规避风险的重要手段。开展空间环境保障工作离不开空间环境数据
4、资源的支持。因此，及时收集各类空间环境数据资源，为载人航天的空间环境保障任务提供实时数据服务，对确保载人飞行任务的顺利完成起着至关重要的作用。空间环境数据信息系统是一种通过实时收集国内外实时空间环境原始数据，并在完成必要的数据处理之后，为空间环境预报和效应分析提供数据支持的数据信息系统。该系统在“神舟五号”及“神舟六号”发射期间为空间环境保障提供了实时数据服务，确保了载人飞船空间环境保障任务的顺利完成。2. 神舟任务中的数据准备从飞船发射6个月前起，数据支持人员就开始利用空间环境数据信息系统实施7 x 24连续不间断的数据收集，为飞船发射的空间环境保障任务进行数据准备，主要完成的工作包括数据收
5、集、数据预处理、数据入库等。空间环境数据信息系统主要通过主动收集和被动接收两种方式完成数据收集任务。数据主动收集主要是利用空间环境数据信息系统之数据收集服务系统，对在Internet网上发布的数据进行收集。数据收集重点是国外各类典型的空间环境观测数据，如SOHO卫星、ACE卫星、GOES卫星观测数据和部分地基台站观测数据。这些数据一般采用明文文件的方式发布，需要经过格式转换、特征数据析取、误码填充等一系列数据预处理之后，才能将其驻入数据库，供空间环境预报人员使用。当前，国内开展空间环境保障工作还需要大量依赖国际数据，预报过程使用的数据种类达几十种之多。这些数据在网络发布时采用的数据格式非常不统
6、一，且复杂多变，数据更新时频不确定，数据发布技术方式多样、发布服务器地址易变。针对这些特定，我们对数据收集系统作了针对性设计，使之具备了可定制数据抓取采用的通信协议，可定制服务器地址信息，可定制数据抓取时段、时频和可定制数据析取模式等功能。数据被动接收主要是利用空间环境数据信息系统之数据接收服务系统，对国内合作单位空间环境地基观测台站主动发送的数据进行接收。数据发送主要通过远程传输代理工具或以E-Mail进行。合作提供观测数据的台站包括：国家天文台怀柔太阳观测基地、云南天文台、中科院空间中心北京宇宙线台、中科院地质与地球物理所十三陵站地磁台站、北京、武汉、三亚GPS_TEC观测台站等。在“神舟
7、五号”、“神舟六号”任务期间，为空间环境保障任务收集的数据在内容上基本涵盖了太阳活动、行星际空间、磁层、电离层和中高层大气等空间环境各个领域的原始观测数据。既有卫星观测数据，也有地基台站观测数据；既有数值型数据，也有图像数据；既有物理量直接测量值，也有典型扰动事件报告和环境要素活动指数数据。最典型的数据内容包括：SOHO卫星利用不同波长观测的太阳各层面活动图像、GOSE卫星提供的太阳X射线通量值、地基全球太阳H太阳色球图像多点联网观测；ACE卫星提供的行星际太阳风等离子体参数监测和行星际磁场强度监测数据；GOSE卫星提供的多能道轨道带电粒子通量和磁场强度监测数据、POSE卫星提供的极区上空带电
8、粒子通量监测数据；全球（包括极区）地基台站提供的地磁、电离层、中高层大气等环境要素监测数据；各种地磁指数、典型空间环境扰动事件报告。这些数据基本能满足当前空间环境预报和效应分析的需要。收集到的各类空间环境数据，经系统自动和人工相结合的加工处理后，首先置入空间环境数据库进行存储。空间环境数据信息系统以空间环境数据库为平台，通过开放接口，为预报模式计算、预报综合分析和空间环境实时监视等典型应用提供实时的数据支持服务。此外，对数据库中的所有数据，均建立了相应的元数据信息，为用户查询提供了方便。3. 神舟任务中的数据应用服务在神舟任务过程中，空间环境数据信息系统作为数据支撑系统，直接为预报应用提供数据
9、服务。具体数据应用主要通过如下三类方式实现：（1）直接由数据实现；（2）通过模式运算直接实现；（3）通过综合分析模式、模块计算运算结果实现。图1 冕洞成像图第一类应用是利用空间环境数据信息系统直接进行数据展示。预报员利用数据监视工具，把从数据库中读取来的数据按其物理特征绘制成直观表现的图形，以可视化方式实现对空间环境状态的实时动态监视，为预报分析提供第一手资料。其中，数值型数据按物理特性绘制成曲线图、点状图或柱状图；图片数据则按需求定义成动态展示的电影或静态实时更新的图片。输出的数据图形可在预报平台上进行具体的预报分析（如图1、2所示），也可在预报大厅的18个屏幕上进行展示（如图3所示）。图2
10、 行星际太阳风、磁场及地磁Kp指数变化曲线第二类应用是根据预报的需求参数，直接从数据信息系统中调用相应数据，作为输入驱动预报模式或预报综合分析识别模块，通过预报模式的运算，输出预报所需的空间环境状态指数，作为预报员进行空间天气预报及航天器效应分析的依据。例如，在预报3小时内2001000km高度范围内极区高层大气密度扰动数值时，高层大气模式从数据信息系统中读取ACE卫星的行星际磁场和太阳风参数的实时数据、太阳10.7厘米波长的射电通量和Ap指数等数据，通过模式运算，得到3小时内2001000km极区高层大气密度扰动数据分布图（如图4所示）。预报员根据该模式计算结果可以预测出高层大气对载人飞船可
11、能产生的阻力效应，给出高层大气环境可能对飞船寿命、轨道衰变速率和姿态造成的影响的评估，进而提出相适应的保障措施建议。图3 数据监视平台第三类应用是预报模式或预报综合分析识别模块直接从空间环境数据信息系统中读取所需数据作为输入，通过计算得到某种结果，预报员将所得的结果进行分析、提炼和总结，把综合分析后得到的结果作为另一模式或另一预报综合分析识别模块的输入，通过二次运算得到模式耦合预报结果。例如，在对行星际扰动进行分析时，行星际扰动预报模式从空间环境数据信息系统中读取2.5太阳半径源表面处磁场分布的实时资料、太阳耀斑爆发事件信息（爆发经度、纬度、起始时间、强度最大时间和结束时间）、SOHO卫星LA
12、SCO C2和C3图像等数据，模式通过程序运算给出地球轨道1AU处太阳风速度、密度及磁场三分量随时间的变化及太阳爆发事件传到地球的时间等结果。这些参数通过预报员人工分析总结后，作为输入驱动行星际扰动分析综合分析识别模块进行运算，得出最终的行星际扰动分析图（如图5所示）。该结果是进行航天器充电效应评估的重要参考因子。图4 200-1000km极区高层大气密度扰动分布图5 行星际扰动分析结果4. 应用效果分析空间环境数据信息系统在“神舟五号”及“神舟六号”的任务期间实现了对系统定义的全部数据资源7 x 24不间断连续收集和处理，确保了数据质量，为预报员提供了全面可靠的实时空间环境数据支持服务，并利
13、用系统良好的可扩展性，确保了空间环境保障任务的顺利完成。“神舟六号”载人飞船发射前两天，由于美国国家海洋和大气局的数据发布网站出现不明原因的故障，该网站上实时发布的GOES卫星和ACE卫星的数据全部终止更新，导致空间环境数据信息系统无法继续从该网站获取数据。数据支持人员及时发现了该问题，并迅速从欧洲航天局的数据发布网站上找到相同的数据资料。由于该数据信息系统具有良好的可扩展性，数据支持人员根据新数据源对系统重新进行了配置，迅速地补充了新的数据源，成功避免了可能因数据缺失导致保障任务无法顺利完成的局面。在空间环境保障应用中，研究人员通过数据信息系统中的数据建立了18种预报模式和6种预报综合分析识
14、别模块2。预报员利用所建立的模式，应用数据信息系统提供的实时数据，实现了13项空间环境现报功能2，17项空间环境预报功能2和5项空间环境灾害性事件警报功能2，成功地为载人飞船的安全运行提供了实时保障，确保了载人航天任务的顺利完成。5. 小结通过空间环境数据信息系统在载人航天任务中的成功应用，可以看出数据支撑系统在载人航天空间环境保障发展中的重要地位。一个强大的数据支撑系统在空间环境保障任务中不仅可以使空间天气预报更为快捷，同时是准确预报各种空间环境状态参数所必需的服务平台，是载人航天空间环境保障任务的重要基础。在数据信息系统的建立中，空间环境数据信息系统的可靠性和可扩展性是建设数据服务平台所必需重视的两大指标。可靠性是数据服务的必要基础，而可扩展性是灵活面对各种突发状况，在任何环境下均能可靠提供数据支持的必要条件。因此，设计一个数据信息系统时，不仅应重视其完成当前任务所需的功能模块设计工作，还应考虑其设计是否满足可靠性和可扩展性要求，以更好、更快的适应载人航天空间环境保障任务的各种需要。参考文献：1 空间环境数据信息系统详细设计报告（内部资料）2 空间环境保障试验系统软件需求说明书（内部资料）3 焦维新，空间天气学，气象出版社，20034 丛小杰，常军，任涛，翁志成，姜会林，光学镜头数据库在非球面光学元件检测中的应用，科学数据库与信息技术论文集，第七集，2004.6
