數管系統：嫦娥一號有效載荷背後的明星

　　説起嫦娥一號繞月探測衛星，人們津津樂道的多是它所肩負的四大科學目標以及要完成這些目標的有效載荷，很少有人會關注到支撐這些有效載荷順利運行的背後“明星”──有效載荷數管分系統。

　　為此，《科學時報》記者專訪了嫦娥一號衛星數管分系統主任設計師、中國科學院空間科學與應用研究中心研究員陳曉敏。

　　有效載荷的服務需求

　　數管系統，這一令很多人感到陌生的詞彙，其全稱應該是“數據管理系統”。陳曉敏告訴記者，“因為嫦娥一號衛星攜帶了立體相機、干涉成像光譜儀、激光高度計等8種有效載荷，因而具有載荷配置種類多、信息量大、工作模式複雜等特點，需要專門的有效載荷數據管理系統來進行有效載荷數據的採集、存儲、處理及傳輸。”嫦娥一號衛星有效載荷數管分系統由此誕生。比如嫦娥一號衛星第一批觀測月球表面的立體圖像就是經過有效載荷數管系統採集、存儲、處理和傳輸，送衛星數傳發射機下行的。

　　為了説明數管分系統的作用，陳曉敏打了個形象的比喻：“如果要把有效載荷系統比作人體，那麼有效載荷數管分系統就像人體的神經系統，統管著人體的各個感覺器官。”有效載荷數管系統設計的可靠性、靈活性和先進性因而直接影響著科學目標的實現。

　　據陳曉敏介紹，有效載荷進行科學探測時對於服務的需求主要是電源、數據管理和數據傳輸需求。

　　其中，有效載荷對於電源的主要需求是：為有效載荷提供多路工作電源；根據遙控指令和數據注入進行加斷電控制；監測有效載荷的工作電壓和工作電流，並形成工程遙測參數傳輸下行。

　　在數據管理方面，有效載荷的主要需求則包括：採集有效載荷的科學探測數據；進行圖像壓縮、數據處理和存儲；需要提供衛星的時間碼和遙控數據注入命令；對有效載荷進行在線監控，監視有效載荷的工作狀態，當有效載荷工作異常時，自主採取相應的處理對策，直至切斷該有效載荷的工作電源，並實現故障模式下的系統重構。

　　此外，嫦娥一號衛星有效載荷在進行科學探測時，會産生大量的數據，需要通過衛星數傳發射機傳送到地面接收站。此時，數管系統就要滿足大容量數據的實時和延時傳輸需求，並在數據傳輸時採用有效的糾錯編碼。

　　由於以上需求，“我們在進行有效載荷數據管理分系統設計時，就需要注意不同有效載荷的不同要求，充分考慮有效載荷需求的特點，採用通用的系統結構和靈活的數據結構，最大限度地利用信道能力，實現信道的動態調度，適應不同載荷的變化，滿足科學探測的需求”。陳曉敏説。

　　數管系統的全貌

　　有效載荷數管系統究竟是由哪些部分組成？陳曉敏告訴記者：“有效載荷數管分系統由總線控制器、遠置終端、大容量存儲器、高速多路復接器和載荷配電器5台設備組成。”

　　總線控制器是有效載荷通訊網絡的中央控制單元，組織管理有效載荷總線通訊，根據飛行任務和遙控數據注入進行自主運行管理，分發遙控數據注入指令，實現數據採集、處理和傳輸，將工程參數處理成遙測源包，在站外模式送給大容量存儲器存儲。同時，總線控制器也組織各個總線終端將科學探測數據和工程參數送給大容量存儲器存儲。在經過地面接收站時，由大容量存儲器傳送給高速多路復接器下行。

　　遠置終端是總線的終端設備，可直接與總線控制器進行通訊。遠置終端設計有模擬量和數字量的遙測遙控通道，轉發經總線傳輸的時間碼和遙控數據注入，定時採集激光高度計、太陽高能離子探測器和兩台太陽風離子探測器的科學數據和工程參數，經處理後生成符合標準的科學數據遙測源包，並經由總線傳送到大容量存儲器存儲，在衛星經過地面接收站時發送。

　　大容量存儲器則具有數據存儲功能和圖像壓縮功能，通過總線接收有效載荷的科學探測數據並進行存儲，同時還通過高速數據接口接收干涉成像光譜儀的數據。對於接收的干涉成像光譜儀數據，可以根據遙控數據注入選擇壓縮或不壓縮，也可以根據遙控數據注入選擇存儲或實時轉發。在經過地面接收站時，大容量存儲器根據高速多路復接器的輸出控制信號回放數據，數據按接收存儲的時間順序輸出傳送給高速多路復接器。

　　高速多路復接器將經總線傳輸的數據，以及經大容量存儲器記錄回放的高速數據，或者干涉成像光譜儀實時輸出的圖像數據復接為一路，進行信道糾錯編碼後，以先進的國際標準數據格式，送衛星S波段發射機下行。

　　載荷配電器從衛星獲取一次電源，實現對於有效載荷的供配電，以及工作電壓和電流監測。

　　正在總結的新技術

　　擔負嫦娥一號有效載荷數管分系統設計任務的是中國科學院空間科學與應用研究中心綜合電子室。據陳曉敏介紹，該研究室曾承擔過載人航天、中歐合作的探測雙星等多項任務的研製工作。此次，針對嫦娥一號衛星的特殊需求，該研究室又作了多項技術創新。

　　以該研究室已申請發明專利的RS（256，252）硬體編譯碼技術為例：由於惡劣的應用環境會造成存儲數據發生不可預見的錯誤，比如太空單粒子事件導致存儲的二進制數據翻轉，造成大量珍貴的探測數據丟失或出錯等。為保證數據的正確可靠存取，在嫦娥一號衛星有效載荷數管分系統中，中科院的專家們研製了RS（256，252）編碼器和RS（256，252）譯碼器來完成數據的編碼和糾錯譯碼的工作，以達到有效保護存儲正確數據的目的。

　　諸如此類的技術創新還有很多。陳曉敏告訴記者，有些創新技術他們還在不斷地總結當中。未來，在我國加快深空探測的步伐時，這些技術還會得到進一步的完善與應用。

　　最後，當記者問到嫦娥一號有效載荷數管分系統的使命何時才能結束時，陳曉敏告訴記者：“只有當所有的有效載荷都順利完成其科學任務時，才是數管分系統‘卸甲歸田’之時。在未來的一年，負責有效載荷數管分系統的專家們仍會隨時保持戰鬥狀態，為我國首次進行的月球探測提供更多高質量的圖像和數據，實現科學家的夢想。”

責編：戴昕