基于Python的DSN闭环跟踪数据预处理工具用于可观测数据构建

软件X 19（2022）101190原始软件出版物一个基于Python的工具，用于从DSN的闭环归档跟踪数据文件中构建可观测数据阿肖克·库马尔·维尔马加州大学洛杉矶分校地球、行星和空间科学系，美国，加利福尼亚州90095，美国，马里兰州，格林贝尔特，戈达德太空飞行中心，20771，美国ar t i cl e i nf o文章历史记录：2022年2月11日收到收到修订版，2022年5月29日接受，2022年关键词：无线电科学ATDF闭环DSNa b st ra ct从NASA的深空网络（DSN）收集的无线电科学数据这些数据中的大多数都以复杂的格式打包在本文中，我们提出了一个基于Python的工具，可以预处理的闭环档案跟踪数据文件（ATDF），产生多普勒和范围可观的，并将它们写入ASCII表连同辅助信息。ATDF是原始的闭环无线电科学产品，可用文档有限早在21世纪初，DSN就弃用了ATDF，取而代之的是跟踪和导航服务数据文件（TNF），以跟上无线电科学系统的发展。大多数数据处理软件（例如，轨道确定软件）不能直接使用这些数据，从而限制了这些数据的利用。因此，绝大多数历史闭环无线电科学数据还没有用现代软件处理，也没有用我们对太阳系的更好理解来处理。本文提出的预处理工具使人们有可能使用现代技术和软件来重新审视这些历史数据，以进行重要的无线电科学实验。©2022作者（S）。由爱思唯尔公司出版这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）中找到。代码元数据当前代码版本v01用于此代码版本的代码/存储库的永久链接https://github.com/ashokverma24/atdf2ascii法律代码许可证MIT许可证使用Git的代码版本控制系统使用Python的软件代码语言、工具和服务编译要求、操作环境、bitstring、binascode、termcolor技术支持电子邮件：ashokkumar. nasa.gov1. 介绍航天器和地面站之间的无线电信号使我们能够进行重要的科学实验。精确测量无线电信号特性的技术为获得有关太阳系天体的信息提供了明显的优势，包括大气[1-此外，射电科学观测对于研究太阳动力学，包括太阳风和日冕[13]，以及测试基础物理学[14，15]至关重要。美国宇航局联系人：NASA Goddard Space Flight Center，Greenbelt，MD 20771，USA电子邮件地址：ashokkumar. nasa.gov。https://doi.org/10.1016/j.softx.2022.101190让科学家们可以公开获取它们进行分析。然而，大多数深空网络（DSN）数据都以非常复杂的格式存档，限制了无线电科学专家以外的数据使用。本文重点介绍了最早的闭环无线电科学产品--归档跟踪数据文件（ATDF）DSN使用ATDF格式从几个NASA任务中存档重要的原始无线电科学数据（例如，Magellan，Galellio）.考虑到当前计算能力的进步，对我们太阳系的更好理解，以及精确轨道确定软件的不断发展，值得使用现代工具重新审视这些历史数据（例如，MONTE[17]，GINS [18]）。然而，由于其复杂的格式，大多数数据处理软件不能直接访问ATDF数据。因此，需要预处理软件来解包ATDF数据的二进制字段并将它们转换为2352-7110/©2022作者。 由Elsevier B.V.出版。这是一篇开放获取的文章，使用CC BY许可证（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表SoftwareX期刊主页：www.elsevier.com/locate/softx阿肖克·库马尔·维尔马软件X 19（2022）1011902观测值偏差=+= −f（t）= ×[−f（t）]Hz（1）图1.一、 ATDF软件的结构。有用的观察。据我们所知，没有开源工具可用于预处理这种闭环无线电科学数据，这限制了它们的可用性。为了满足这一需求，我们开发了一个基于Python的工具来预处理ATDF数据，并根据Moyer形式将其转换为多普勒和距离可观测量。该工具是用Python编写的，并在几个操作系统上进行了测试，以最大限度地提高其可用性。2. 配方和软件描述我们使用广泛采用的Python编程语言开发软件自1986年以来存档的所有ATDF格式的文件都它根据TRK-2-25接口规范[16]对密集封装的二进制文件进行解包，并使用Moyer的形式主义[ 19，第13章]对其进行预处理该软件目前支持高/低速率多普勒、范围和可编程频率（斜坡）数据类型。2.1. 多普勒数据在ATDF格式中可用的数据类型中，多普勒是最常见的。它包含高速率和/或低速率多普勒计数的时间历史，通常以每秒1-10次的速率。根据用户提供的多普勒计数时间（参见第2.4节），软件计算高精度多普勒计数并将其转换为多普勒频移观测值。利用这些观测量可以进行许多无线电科学研究，如确定重力场、探测内部结构、旋转动力学和测量航天器星历等。软件创建三向、双向和单向多普勒观测值，如下所示：fcbDcount（t2）−Dcount（t1）|f cb|T c其中，fobservable是在时间t处可观察到的多普勒，fcb是恒定偏置频率，Tc是用户提供的计数时间，D count是多普勒计数，不0的情况。5* T c，t1不0的情况。5* Tc，f bias是时间t时的偏置频率。偏置频率fbias计算如下[19]：fbias（t）=M2fref（t）−C2f应答器+fcbHz，用于单向多普勒f bias（t）=f cbHz，用于双向和三向多普勒（2）其中，fref是时间t时的天空参考多普勒频率，M2是航天器转发器比率[20]，C2是航天器下行链路频率。参考多普勒频率fref计算如下[19，第13章，第13.2节]：对于S波段：fref（t）=96×fosc（t）Hz，（3）对于X波段：f ref（t）= 32 × f osc（t）+6。5×109 Hz，（4）对于X波段，34米高效DSN天线（15，45，（65）：f ref（t）= 32 ×（4. 68125 ×f osc（t）− 81。4125 × 10 6）+6.5× 109 Hz，（5）其中fosc是参考振荡器频率。对于Ka波段：f ref（t）= 1000 × f osc（t）+1。0× 1010 Hz，（6）2.2. 范围数据范围是ATDF中偶尔可用的另一种数据类型它可以直接获得航天器距离观测值可以是单向或双向的，它们的创建方式如下：Robserv able=R msr−RE delay+Z corr−SC delay，RU（7）其中，R_msr是距离测量，RE_delay是测距设备延迟，Z_corr是DSN天线Z-校正，SC_delay是航天器延迟。距离可观测量通常以距离单位（RU）给出。RU与秒之间的转换见[19，第13章，第13.5.2节]。虽然RU到米的转换取决于信号频率，但是RU可以近似为1 m× 3 RU。2.3. 斜坡数据ATDF文件还提供DSN传输频率的时间历史。发射的频率可以是恒定的或时变的（斜坡）。当接收器斜升时，软件还创建斜升历史文件。它包含有关斜坡开始和结束时间、阿肖克·库马尔·维尔马软件X 19（2022）1011903图二. 双向多普勒观测值（上图）和从原始ATDF数据导出的斜坡频率历史（下图）如图所示。图为麦哲伦号在金星轨道上的观测数据。(For对本图图例中所指颜色的解释，读者可参考本文的网络版。）斜坡的开始、斜坡频率变化的速率、上行链路频带和相应的DSN。当在天空水平上不知道斜坡开始频率时，它由方程计算。分别针对S波段和X波段的等式（3）和（4），并且斜坡率由这些等式的一阶导数确定：对于S波段：frate（t）=96×fstecosc（t）Hz/s，（8）对于X波段：frate（t）=32×fstecosc（t）Hz/s，（9）对于Ka波段：frate（t）=1000×fstecosc（t）Hz/s，（10）其中，frate是斜坡频率的变化率，fstecosc是ATDF文件中给出的振荡器斜坡率。阿肖克·库马尔·维尔马软件X 19（2022）10119042.4. 软件架构和功能图1列出了ATDF软件的体系结构，其中atdf2ascii.py是执行软件的主要python脚本。根据输入ATDF文件的头信息，软件检测二 进 制 文 件 的 相 关 格 式 ， 并 使 用 atdf_reader_I.py 或atdf_reader_II.py脚本对其进行解包。多普勒、距离和斜坡类使用这些未打包的记录并将其转换为可观测量。成功执行后，软件创建两个输出文件：一个包含多普勒和距离可观测值（表1），另一个包含斜坡频率历史（表2）。以下命令行选项可用于预处理ATDF文件：Pythonatdf2ascii.py-i input_file.tdf [options.]其中，input_file.tdf是TRK-2-25格式的输入数据文件，选项描述如下：阿肖克·库马尔·维尔马软件X 19（2022）1011905表1输出文件的逐列描述，其中包含原始可观测量和辅助信息。 输出文件的每一列都用逗号分隔柱输出类型描述1时间标签这是测量时间标签。对于多普勒，它指的是中点接收站的计数间隔时间，以UTC为单位。2数据类型无线电科学测量的类型两者都有可能，单向范围、双向范围、单向多普勒、双向多普勒和三向多普勒3航天器ID这是航天器的SPICE ID4发射机发送DSN工作站的名称5接收器接收DSN工作站的名称6信道多普勒通道编号。7上行链路频带上行链路频带（发射器到航天器）。8下行链路频带下行链路频带（航天器到接收器）。9激发器带接收器的激励器频带。10计数时间多普勒计数时间（秒）。这可能是用户第2.4节）。11距离-低分量频率范围代码的最低组件编号12观察到测量的观测值多普勒的数值单位为Hz或范围测量的范围单位13参考频率接收机的参考频率14发射器延迟传输站的时间延迟，以纳秒为单位。15接收器延迟接收站的时间延迟，以纳秒为单位。16航天器延迟宇宙飞船接收和发送信号所需的时间表2包含斜坡频率历史记录的输出文件的逐列描述。输出文件的每一列都用逗号分隔柱输出类型描述1开始时间这是斜坡频率的开始时间2结束时间这是斜坡频率的结束时间3站发送DSN工作站的名称4带发射频带。这可能是S、X或Ka。5频率斜坡的起始频率，单位为Hz。6频率速率频率的变化率，单位为Hz/s。表3示例中使用的TRK-2-25闭环无线电科学数据的概述。脚注中提供了原始数据文件的链接预处理后获得的Ascii输出这些数据都在Example目录中给出麦哲伦号火星全球探测器原始数据文件a元数据b原始数据c元数据d开始时间1993-04- 03 T09：09：50 UTC 1993-04- 03 T09：09：50 UTC停止时间1999-03- 07T11：46：54 UTC 1999-03- 12 T11：45：00 UTC数据类型单向多普勒、双向多普勒、三向多普勒、斜坡单向多普勒，双向多普勒，三向多普勒，单向范围，双向范围，斜坡应答器频率2297963786.0 Hz 2297222222.0 HzDSN站15、42、45、61、65 15、34、45、54带S、X S、Xahttps://pds-geosciences.wustl.edu/mgn/mgn-v-rss-1-tracking-v1/mg_2601/TDF/3093099a.tdfbhttps://pds-geosciences.wustl.edu/mgn/mgn-v-rss-1-tracking-v1/mg_2601/TDF/3093099a.lblchttps://pds-geosciences.wustl.edu/mgs/mgs-m-rss-1-map-v1/mors_0402/tdf/9066071a.tdfdhttps://pds-geosciences.wustl.edu/mgs/mgs-m-rss-1-map-v1/mors_0402/tdf/9066071a.lbl--count_time [-c]：此选项可用于指定多普勒计数时间Tc（以秒为单位），多普勒测量值必须在此时间压缩。它接受一个或多个值（用逗号分隔）。如果指定了多个计数时间，则列表中的最后一个值将如果未在以下时间中找到所请求的计数时间，原始记录。默认情况下，将使用记录原始数据的计数时间。要选择计数时间，必须考虑无线电科学实验的类型，并且应以保持无线电信号的主要特征的方式进行选择。整个计数间隔。例如，在分析大气动力学的实验中，可能需要使用较短的计数时间（1 s或更短）来解释观测信号中的低频波动。另一方面，对于过于敏感的实验，例如测试，基本的物理特性，可以用较长的计数时间获得更好的灵敏度1000 s）。更多阅读请参见[21，22]。--proc_count[-p]：此选项限制多处理中使用的CPU数量。默认情况下，将使用一半的可用CPU。--xd 1：此选项排除单向多普勒测量的处理。--xd 2：此选项排除了双向多普勒测量的处理。--xd 3：此选项排除了三路多普勒测量的处理。--xr 1：此选项排除了单向Rang测量的处理。--xr 2：此选项排除了双向Rang测量的处理。·······阿肖克·库马尔·维尔马软件X 19（2022）1011906图三. 双向多普勒观测值（上图）和从原始ATDF数据导出的斜坡频率历史（下图）如图所示。图为火星全球探测者号在火星轨道上的观测数据3. 结果在这里，我们正在处理两个独立的ATDF数据文件：一个是来自NASA麦哲伦任务时，航天器在金星轨道上，另一个是来自NASA火星全球勘测者（MGS）任务时，航天器在火星轨道上。3.1. 麦哲伦ATDF数据麦哲伦任务是由美国宇航局于1989年发射的，目的是绘制金星表面的地图并估计其引力场[23麦哲伦号航天器于1989年 8月到达金星，并开始收集1990年9月（第一周期）至1994年10月（第五周期）的数据。ATDF数据是航天器获取的主要闭环无线电科学数据，可通过行星数据系统的地球科学节点获取为了便于说明，我们随机选择了ATDF文件（见表3），并通过我们的软件对其进行了预处理。麦哲伦号的数据文件包括从十分之一到60秒的记录。 图2，我们显示了多普勒观测值和接收机斜坡频率的原始值，我们从ATDF文件中得到的。这些多普勒观测值是通过使用计数时间Tc（10和60 s）和以下命令构建的：Python atdf2ascii.py-i 3093099a.tdf-c 10，60图中的颜色表示不同的上行链路和下行链路频段，而符号表示DSN站点。从上述命令产生了两个文件：一个包含可观测量以及附带的信息，如时间标签、DSN站、上行链路和下行链路频带以及延迟（表1），另一个包含斜坡频率的时间历史（表2）。这些测量对于重力研究至关重要3.2. 火星全球探测器ATDF数据火星全球探测器（英语：Mars Global Surveyor）是美国宇航局于1996年发射的火星探测器。任务的主要阶段开始了在1999年，直到2006年，阿肖克·库马尔·维尔马软件X 19（2022）1011907见图4。火星全球勘测者（左）和麦哲伦（右）航天器的多普勒残差。通过比较原始观测值和预测观测值计算这些残差（见第3.3节）。[26、27]。与麦哲伦类似，ATDF是MGS航天器的主要闭环产品。然而，在PDS中，ATDF格式的数据文件并不经常存档;相反，一种更简单的闭环数据形式，轨道数据文件（ODF）[28]，被存档（见表3）。这些ODF是从ATDF创建的，并提供对可观测量的直接访问（类似于拟议软件的输出）。根据调查结果，MGS ATDF数据的记录时间缩短到十分之一秒。图3，显示原始值 多普勒观测值和接收器斜坡频率。使用60 s的固定计数时间Tc，使用以下命令 构建多普勒观测值：Python atdf2ascii.py-i 9066071a.tdf-c 60--xd1其中--xd 1标志排除了单向多普勒观测值。3.3. 验证为了验证原始观测值的构造值，我们将它们与预测值进行了比较。根据实际的Moyer公式，利用航天器和系统中物体的位置和速度得到了预测值。我们通过航天器1和DE438行星星历的存档星历评估了这些位置和速度[29]。图图4显示了两个航天器的多普勒残差。麦哲伦和MGS航天器的残差均方根值残差中的剩余趋势可能是由于航天器轨迹中的误差和测量模型的错误建模造成的，该模型没有考虑航天器姿态、介质延迟、天线位置等。然而，原始可观测量的构造值中的任何误差都可以直接区分，因为这些误差通常与偏移相关因此，图4中所示的残差值指示原始可观测量的准确检索1 https://naif.jpl.nasa.gov/naif/data_operational.html4. 影响无线电科学数据是用于深空导航的主要数据集。在过去的半个世纪里，这些数据被用于深空探测，以揭示太阳系天体的地球物理特性。ATDF格式在21世纪初被DSN废除，并被TNF TRK-2-34格式取代[30]，以适应无线电科学子系统的发展。在此之前，主要的闭环无线电科学数据被广泛用于导航，科学和创建更简单的闭环数据格式ODF [28]。这些历史数据在今天仍然和它们最初获得时一样有价值。 考虑到当前计算能力的进步，对太阳系的更好理解以及非常精确的软件为重新分析这些数据集提供了一个合理的理由。例如，美国宇航局已经宣布了两项发现任务，将在2020年底前访问金星。因此，用现代工具重新分析麦哲伦射电科学数据对这些任务的规划和设计尽管是有价值的科学数据，但没有开源工具来预处理复杂的无线电科学数据。本文介绍的工具使用户能够对闭环数据进行预处理，并创建可使用现代轨道确定软件进行进一步分析的观测值我们相信，这个工具将使无线电科学界以外的用户更容易获得历史无线电科学数据。我们还希望它将成为那些有兴趣在未来分析此类数据的人的起点5. 结论本文介绍了一个基于Python的工具，可以预处理的闭环无线电科学数据封装在ATDF格式。除了产生多普勒和距离可观测量之外，该工具还产生诸如接收器斜坡频率历史、上行链路和下行链路频带、DSN站、延迟等信息，并写入ASCII表。使用命令行选项-c，用户可以在固定或可变计数时间产生多普勒观测值。比较了衍生的阿肖克·库马尔·维尔马软件X 19（2022）1011908多普勒观测量和预测观测量的验证。这种比较显示残差中没有明显的偏移，验证了创建多普勒观测值的成功。观测数据以及辅助信息对于重建航天器轨道和进行无线电科学实验至关重要。据我们所知，没有开源工具可用于预处理闭环无线电科学。因此，这一工具增加了历史和宝贵数据的可用性，并允许用户使用现代技术和软件处理这些数据。竞合利益作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作致谢作者希望感谢所有三位审稿人对本手稿和软件提出的富有洞察力 的 评 论和 建 议 该 研 究 由 NASA 合 作 协 议通 知 （ CAN ） 奖80NSSC 22M0023资助引用[1] Fjeldbo G，Kliore AJ，Eshleman VR. 用水手五号无线电掩星实验研究的金星中性大气。Astron J 1971;76：123. http://dx.doi.org/10.1086/111096网站。[2] Kliore AJ ， Anabtawi A ， Herrera RG ， Asmar SW ， Nagy AF ， HinsonDP，et来自伽利略无线电掩星观测的卡利斯托电离层。《地球物理研究》（空间物理）2002;107（A11）：1407.http://dx.doi.org/10.1029/2002JA009365。[3] Verma AK，Walker RJ，Khurana KK，Margot JL.根据伽利略无线电掩星数据的callisto电离层的垂直结构及其对月球内部的影响。在：AGU秋季会议摘要，第2020卷。2020年，p. 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