空间环境保障试验系统监测与数据分系统资源与服务注册系统.docx

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空间环境保障试验系统监测与数据分系统资源与服务注册系统

行星科学数据系统（PDS）标准规范的研究

郑岩邹自明佟继周马文臻

（中国科学院空间科学与应用研究中心，北京100190）

摘要随着人类深空探测活动的不断深入以及计算机技术、新型存储技术的广泛应用，如何能够提高行星科学数据的长期可读性与可利用性，更为规范、有效地对行星科学数据进行存储、交换与服务，是空间科学领域开展深空探测活动的必然趋势和热点。

行星科学数据系统（PlanetaryDataSystem，PDS）是由美国国家航空航天局（NASA）在此需求背景下提出并在国际深空探测领域广泛推广的一种数据存储标准。

本文着重介绍了PDS的基本概念、组织标准和核心思想，并分析了PDS数据存储的优势，就我国PDS标准的应用前景进行了初步探讨。

关键词行星科学PDS标签目录数据对象数据集合数据卷数据档案

1.引言

二十世纪末，随着人类深空探测活动得日趋深入，数据交换在行星科学领域中的作用与地位日趋重要。

如何降低使用CD介质存放大容量数据的风险和费用，方便未来科学家对这些数据进行分析与利用，已成为日前激烈讨论的热点问题。

PDS作为NASA提出的行星科学数据存储标准，以其高效性和权威性得到世界许多国家的认可和支持，但在我国航天工程任务中应用较少。

考虑到今后国际间相互交流的需要，PDS势必会得到广泛的应用与推广。

因此，对于PDS的基本概念、组织标准与核心思想进行研究，具有较为重要的现实意义。

2.PDS背景

PDS（行星科学数据标准）由美国国家航天航空局（NASA）科学任务委员会行星科学部提出，于上世纪九十年代被首次运用到实际卫星项目中。

经过十几年的发展，这套标准日益更新与完善，到二十一世纪初得到了普遍认可与广泛推广，迄今为止已成功应用于卡西尼—惠更斯（Cassini-Huygens）土星计划和奥德赛（ODYSSEY）火星计划等多个大型行星探测任务，收集存储了总量为15TB的数据资源，数据内容涵盖以下几个方面：

1）自上世纪九十年代开始的美国NASA全部行星任务获取的科学数据（包括：

原始数据、校正数据和相关数据产品）；

2）来自ESA、IKI以及ISA关于Halley彗星、Grigg-Skjellerup彗星的数据；

3）来自IUE,HST的天体物理学方面的数据；

4）来自地基观测台站的地球科学方面的数据；

5）小型天体的科学探测数据。

PDS的任务是对行星任务中所获取的大量科学数据进行备份归档，并采用PDS标准，向全球范围内的科学家、研究人员分发数据。

PDS组织方式由管理节点、学科节点、支持节点构成，组织图如图1所示；

图1PDS组织结构图

Ø管理节点：

挂靠于GFSC戈达德航天中心，其职责是对项目进行总体管理，并提供预算编制等内容；

Ø学科节点：

根据学术领域的不同，分为多个子节点，为制订飞行计划的科学家提供接口方面的专业意见，具体包括：

•“大气”学科节点（Atmospheres）：

位于新墨西哥城大学，主要负责对大气数据进行研究，为科研用户提供经过标准化的高质量数据；

•“地理科学”学科节点（Geosciences）：

位于华盛顿大学，主要负责对行星体表面及其内部结构的数据进行研究，向用户分发图像数据、微波数据、光谱数据等；

•“行星际”学科节点（PlanetaryPlasmaInteractions）：

位于洛杉矶加利福尼亚大学，主要负责对行星际空间中的粒子、等离子体进行研究，并为用户提供相关方面的高质量数据；

•“小行星带”学科节点（Rings）：

主要针对“小行星带”进行研究，提供小行星图像和掩星轮廓两部分数据；

•“小型天体”学科节点（SmallBodiesNode）：

主要由马里兰大学、夏威夷大学、亚利桑那大学组成，分别负责对彗星、小行星以及行星际尘埃的数据进行研究与分发；

Ø支持节点：

为学科节点及科学团体（用户）提供专业的技术支持服务，包括

•“工程技术”支持节点（EngineeringNode）：

位于帕萨迪纳的喷气推进实验室，负责提供PDS相关的全部技术支持，包括软件的开发、文档的编写以及对数据进行定义的更新与维护；

•“图像辅助”支持节点（Imaging）：

位于美国地质勘探局，主要负责对图像数据进行处理与分析；

•“信息辅助”支持节点（NavigationAncillaryInformationFacility）：

位于帕萨迪纳的喷气推进实验室，负责对SPICE方法进行研究，并提供有关行星、卫星、彗星和小行星的星历表信息；

PDS的建立目的在于保证行星科学数据的长期可读性与可利用性，更为规范、有效的进行行星科学数据存储、交换与服务。

为此，它主要在以下几个方面做了大量的工作:

1）对于行星数据中使用的时间、日期、绘图坐标以及测量单位等变量的选择以及使用格式作出了相应规定；

2）定义了行星数据归档过程中使用的文件、数据集、数据集合、数据卷等对象的标识、命名、编写和组织规范；

3）提供了一系列的文档编写指南以及编写过程中所需使用的专业术语集合，包括：

•PDS数据准备手册（DPW）：

任何组织向PDS提交数据，都应遵循DPW中的标准与条款；

•项目工程数据管理计划（PDMP）：

简要描述了项目工程数据的处理、分类以及通讯交换的一般信息；

•数据归档方针与分发计划（APDTP）：

详细描述了项目工程数据的归档策略与分发方案；

•数据产品软件接口规范（SIS）：

描述了数据产品文件的大小与格式；

4）提供了多种系统平台下的软件应用工具，用于对数据的存储格式以及目录的组织方式进行核对、校验，使其统一、规范。

（上述提到的相关文档资料与软件应用工具均可在PDS官方网站上http:

//pds.jpl.nasa.gov/documents/进行下载）

3.PDS基本概念

Ø数据元素（DataElement）：

用于说明数据对象的长度、位置、类型等属性信息；比如：

data_type、record_bytes、file_records等，每一个数据元素在PDS数据字典中都有相应的标准值，这些标准值的类型包括Static、Dynamic、FormationRule等几种（根据数据元素的StdValueType属性决定）；

Ø数据产品（DataProduct）：

数据产品是数据集中最小的数据单元，由数据对象和数据标签组成；

Ø数据对象（DataObject）：

数据对象可以分为科学数据和辅助数据两大类，科学数据是指通过科学观察或测量仪器所获得的原始数据以及经过校准、取样后的处理数据，一般采用PDS对象结构中的表格、电子表格、图像、系列、频谱等表示；辅助数据是指用于了解和使用科学数据的支持性数据，如：

定标文件、几何信息、相应算法等，一般采用PDS对象结构中的柱状图、调色板、标题头表示；

Ø数据标签（DataLabel）：

数据标签是允许数据重获和存取的数据集的基本元素。

它描述了与之相关联的数据产品的内容和格式。

标签上的信息被用于编目各个数据产品，以便其可以从它的存贮地址或作为查寻条件的一部分被直接、唯一的找出。

数据标签使用ODL语言编写，能够内嵌到数据产品中或独立于数据产品存在。

CCSDS推荐在数据标签中使用SFDU；

Ø标准格式数据单元（StandardFormattedDataUnits,SFDU）：

SFDU是一个类型－长度－值对象，即，SFDU包含数据的类型表示，数据的长度（或者对数据定界的其他方式）和数据的值（实际的数据）。

类型和长度字段包含在20字节长度的标签单元中，这个标签成为SFDU标签。

值字段跟在SFDU的标签后面。

对于PDS数据产品来说，值字段就是PDS的标签；

Ø对象描述语言（ObjectDescriptionLanguage,ODL）：

ODL是编写数据标签所使用的一种语言；是CCSDS的标准语言PVL（ParameterValueLanguage）的一个子集；是人和机器都可以理解的一种语言。

其描述格式是Keyword=Values；

Ø数据集（合）（DataSetCollection）：

数据集由一系列通过相同处理手法获得的科学数据产品以及处理过程中的几何因子、定标文件、软件文档等辅助信息构成。

其中，辅助信息用于帮助理解和使用数据产品。

多个具有某种相似性质（如具有相同的产生时间等等）的数据集构成数据集合；

Ø数据卷（集）（DataVolume）：

一个卷代表了一个单独的物理存储介质，比如CD、DVD、磁带等；多个具有相似性质的卷构成卷集。

上述基本概念之间的关系可用下图表示：

图2PDS基本概念

4.PDS系统模型

数据对象、标签参照PDS数据字典规则，经过ODL语言封装，形成数据产品。

科学数据产品、辅助数据产品组合形成数据集。

多个数据集依据目录组织方式存储在物理介质上，形成数据卷，并进行归档。

用户提出查询请求时，PDS首先根据数据目录对象中的相互索引关系，对数据卷中的一系列数据集合进行条件组合，然后从中找出满足所需的数据产品，最后将查询结果返回给用户操作界面。

图3PDS系统模型

需要说明的是PDS数据产品中的对象、标签的书写都必须符合行星科学数据字典（PSDD）中的规范，如需对数据字典进行扩充，需向PDS管理部门提出申请。

5.PDS目录组织规范

数据产品最终都是通过数据卷的方式存储于数据档案系统中，数据卷是组成数据档案系统的基本元素。

为了方便用户在任何情况下都能迅速的了解数据内容，PDS对于数据存储的组织形式进行了规定，包括一个卷下必须包括的目录，各目录下必须包含的文件，以及每个文件必须包含的信息，甚至每一个文件的书写格式等等。

下面列举了一个数据卷中的典型目录组织方式：

图4PDS目录组织方式

数据卷中的目录分为必选项和可选项。

Ø必选项：

•ROOT目录：

数据卷的根目录，用于说明此数据卷的基本信息；

•DATA目录：

数据卷的核心目录，包括数据产品文件、标签文件；

•INDEX目录：

用于说明该数据卷中所有数据产品的索引信息；

•CATALOG目录：

用于说明此数据卷中所有数据目录对象的基本信息（包括：

卫星任务、仪器参数、数据集等）；

Ø可选项：

•DOCUMENT目录：

文档和辅助信息，用于帮助人们理解和使用数据；

•LABEL目录：

当多个逻辑卷整合在一个物理卷中时，该目录为必选项，以便进行检索；

•CALIBration目录：

包含一些处理原始数据所需的校正文件；

•GAZETTER目录：

地名辞典信息；

•GEOMETRY目录：

几何学信息；

•SOFTWARE目录：

处理数据所需的软件工具、语言库等；

•EXTRAS目录：

其他信息；

正因为PDS采用了ODL语言定义标签，使档案库中的数据产品能够广泛应用于多种计算机软件平台，以提高数据产品的兼容性，扩大使用范围。

同时，“数据卷”目录方式的存储规范，使PDS在数据检索、数据交换等方面也充分体现了其优势，表现为：

1）通过对数据存储介质的规定，保证了较长时间后数据存储的可靠性；

2）通过对时间、坐标、单位等变量的统一，有利于不同组织和国别之间的交流；

3）通过对目录组织进行规范、定义数据标签，方便用户（即使用户对数据的产生和物理意义毫不知情）迅速了解数据的内容，进而快速抽取符合用户条件的数据，以便进行分析与重复利用；

4）NASA提供了操作PDS数据的专用软件，方便了用户直接从数据卷中对产品进行检索与下载。

6.PDS归档过程

PDS数据卷的归档过程应贯穿于整个卫星型号任务中，大致可以分为四个阶段：

Ø归档准备阶段：

该阶段的主要任务是：

建立数据归档小组，与卫星项目工程人员进行协商，明确归档的需求与格式写入相关文档；并根据已有的数据内容进行