一種基于小波變換的監(jiān)視飛行新方法

雷國志,涂澤中

(1.中國西南電子技術(shù)研究所, 成都610036;2.空軍裝備研究院 總體所,北京100076)

1 引 言

飛機(jī)在飛行過程中會產(chǎn)生大量飛行數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)在調(diào)查分析飛行事故、指導(dǎo)飛機(jī)設(shè)計、飛機(jī)機(jī)務(wù)維修以及評判飛行質(zhì)量方面起著重要的作用。獲取數(shù)據(jù)的方法通常有兩種:一是實時記錄,事后分析;二是實時獲取,實時分析。前者在很多實際工程中已經(jīng)有了較廣的應(yīng)用,例如通過加裝飛行記錄設(shè)備來采集并實時記錄這些數(shù)據(jù),飛行結(jié)束后再進(jìn)行事后分析[1]。對于后者,一般采用遙測技術(shù),通過L、S頻段的信道將飛行數(shù)據(jù)發(fā)送到地面,然后通過專用軟件進(jìn)行還原飛行狀況?，F(xiàn)代飛機(jī)機(jī)載系統(tǒng)越來越復(fù)雜,綜合化程度越來越高,多科目綜合試飛也使測試參數(shù)越來越多,白效賢等認(rèn)為C 頻段的應(yīng)用以及網(wǎng)絡(luò)化是遙測技術(shù)的發(fā)展方向[2]。

通常遙測技術(shù)基本都是參考美國RIG106 遙測標(biāo)準(zhǔn),但該標(biāo)準(zhǔn)不僅技術(shù)復(fù)雜而且設(shè)備昂貴。因此,本文提出了一種新的飛行監(jiān)視方法,充分利用小波變換壓縮高和抗干擾能力強(qiáng)的特點,對數(shù)據(jù)進(jìn)行有損和無損壓縮,然后通過現(xiàn)有的UV 信道將傳輸更多的飛行數(shù)據(jù)發(fā)送到地面,最后通過地面軟件進(jìn)行還原,極大地降低了監(jiān)視成本。

2 飛行監(jiān)視系統(tǒng)方案

本方法在不增加設(shè)備的基礎(chǔ)上,利用飛機(jī)上普遍安裝的V 頻段數(shù)傳電臺傳輸飛行數(shù)據(jù)。如圖1 所示,將來自慣導(dǎo)、CNS、大氣機(jī)、EICAS 等系統(tǒng)的數(shù)據(jù),例如飛機(jī)的經(jīng)度、緯度、高度、航向、燃油和配平角度等匯總后再根據(jù)其信號是否連續(xù)進(jìn)行分類壓縮,然后通過VHF 電臺實時將數(shù)據(jù)傳送到地面站進(jìn)行可視化還原,值班員將根據(jù)觀察到的情況與飛行員交互。

圖1 VHF 頻段飛行狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)組成框圖Fig.1 Block diagram of VHF flight status monitoring system

但由于VHF 電臺的傳輸帶寬普遍有限,國際民航組織中目前使用廣泛的MODE1 的速率僅2.4 kbit/s,下一代MODE2 的速率也才31.5 kbit/s,無法實時傳輸飛行過程中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù),因此如何壓縮飛行數(shù)據(jù)是本方案的核心,也是本次研究的主要工作。

3 飛行數(shù)據(jù)的壓縮

3.1 飛行數(shù)據(jù)的特點

分析飛行數(shù)據(jù)的特點是確定壓縮原理的基礎(chǔ)。

將需要傳輸?shù)膮?shù)的集合記作T ={a, b, c,…,x ,y}, T 內(nèi)各成員間應(yīng)該是無關(guān)的,因為如果α能夠通過T 內(nèi)其他成員表達(dá)的話,那么為了節(jié)省傳輸帶寬,我們可以將α從T 中剔除,使α T。

T 內(nèi)各參數(shù)都是通過專用采集設(shè)備采集的離散函數(shù),記作

我們再來看xi有什么特點。圖2 和圖3 為一次飛行中的數(shù)據(jù),由圖可知:

(1)連續(xù),xi不僅在時間上連續(xù),而且自身在采樣前也是連續(xù)的;

(2)頻率低, 數(shù)據(jù)采集周期為50 ms,根據(jù)香農(nóng)(Shannon)采樣定理可以認(rèn)為信號所含的最大頻率是50 Hz;

(3)總體趨勢上信號變化較小,但局部區(qū)域信號變化較大。

從上述分析中可以看出,飛行數(shù)據(jù)在時間維上有很強(qiáng)的相關(guān)性,壓縮空間很大。另外,飛行數(shù)據(jù)存在著許多突變,這些突變往往就是在飛行試驗過程中需要額外關(guān)注的,因此在進(jìn)行有損壓縮時不能簡單地將高頻信號過濾,應(yīng)能檢測出這些突變數(shù)據(jù),將其保留以供分析。

圖2 飛行線路圖Fig.2 Graph of flight line

圖3 橫滾角與時間關(guān)系圖Fig.3 Graph of roll angle with time

3.2 飛行數(shù)據(jù)處理原理

根據(jù)圖1 中飛行數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)和地面飛行實時監(jiān)控系統(tǒng)而設(shè)計的數(shù)據(jù)流圖如圖4 所示。從圖4 可以看出,本方案主要包含3 個過程,即信息壓縮、參數(shù)預(yù)測和重要提示。

(1)信息壓縮,其目的是減少數(shù)據(jù)傳輸帶寬以適應(yīng)VHF 信道的無線傳輸。選擇的壓縮算法需要能夠根據(jù)傳輸數(shù)據(jù)的QoS(Quality of Service)特點來動態(tài)調(diào)整傳輸帶寬和失真程度[5-6]。

(2)參數(shù)預(yù)測,其目的則是提高場景復(fù)現(xiàn)的實時性。利用VHF 電臺從數(shù)據(jù)采集到地面獲取飛行參數(shù)共延時1 ～2 s,為了能夠給值班員更實時的信息,這里利用文獻(xiàn)[3]中的方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測[3-4]。

(3)重要提示,其目的是根據(jù)參數(shù)的特點檢測出其突發(fā)的變化提示值班員。

本文首先針對數(shù)據(jù)壓縮部分進(jìn)行分析(圖4 的右側(cè)部分),而對于參數(shù)預(yù)測和重要提示作為下一步開展的工作進(jìn)行介紹。

圖4 數(shù)據(jù)處理流程Fig.4 Data p rocessing flowchart

3.3 數(shù)據(jù)壓縮算法

下面具體介紹實現(xiàn)方法。

步驟1:采集M 個參數(shù)t 時間內(nèi)的數(shù)據(jù),并分別保存在隊列中,記做S:

步驟2:根據(jù)參數(shù)數(shù)據(jù)庫所描述范圍和精度信息,對S 進(jìn)行再次量化得到S′,已使盡量少的比特數(shù)來記錄S。

步驟3:去除S′的直流分量得到

這樣做的目的是使小波變換后的第一層低頻分量為0,減少編碼位數(shù)。

采用db1 函數(shù)作為母波進(jìn)行1b M 層小波分解,得到低頻分量XH和高頻分量XL。

步驟5:對XL(記作x)采用嵌入式EZW 編碼方式進(jìn)行編碼,得到T。具體算法如下。

(1)設(shè)置初始T0,其中T0=z1bmax(x)。

(2)掃描XL:

若 xi

(3)編碼:

若fi=+1,則XL編碼輸出POS;若fi=-1,則XL 編碼輸出NEG;若fi=0,且xi 的所有下級分解也是不重要系數(shù)時,則編碼輸出ZTR,并將清除下級分解的標(biāo)記,如將其置為2,意味著后續(xù)不再為其編碼;若fi=0,且xi的所有下級分解中存在重要系數(shù)時,則編碼輸出IZ;若fi=2,此時不進(jìn)行編碼輸出。

(4)T 0 減半,即T0=T0

2,后進(jìn)入步驟2, 直至T0=0,或者滿足給定的碼速率或者失真度,這里以碼速率Δs 為判斷條件。

(5)對輸出序列EM 進(jìn)行編碼, EM 由{POS,NEG,ZTR,IZ}組成,每個符號可以用2 bit表示,對于輸出序列用算術(shù)游程編碼。

(6)因x 的能量為0,小波變換后XH固定為0,因此,最終輸出的碼序列為Ti={ T0,EM},其中

步驟6:傳輸 S′和Ti。

步驟7:將Ti 解碼還原為 S i,具體算法如下。

(1)根據(jù)式(2),可以得到T0=2T0。

(2)根據(jù)算術(shù)編碼原理進(jìn)行解碼得到EM。

(3)根據(jù)EM 編碼恢復(fù)掃描結(jié)果F ,fi∈F 。

(4)恢復(fù)XL:

若fi=+1,則XL編碼輸出POS;若fi=-1,則XL編碼輸出NEG;計算xi=xi+fi×T0。

(5)T0減半,即直至T0=0,得到xi即 XL。

(6) S′i={0, XL}。

步驟8:利用 S′i進(jìn)行逆小波變換得到 S′i。

步驟9:最后得到 S i= S′i, + S′記作 S 。

由此,我們由信號S 得到了恢復(fù)信號 S 。

3.4 壓縮效果的評估

為了有效地評估壓縮效果,一般借助相似度和壓縮比率來對其進(jìn)行評估。這里引用Matlab 中的Corrcoef()來計算原始數(shù)據(jù)和恢復(fù)數(shù)據(jù)間的相似度,通過輸出總比特數(shù)與原始比特數(shù)的比來計算壓縮比率。

以采集到的某次飛行的真實數(shù)據(jù)作為本次仿真的輸入,來比較恢復(fù)重建后的數(shù)據(jù)與原數(shù)據(jù)的差別。圖5 和圖6 為恢復(fù)數(shù)據(jù)與原數(shù)據(jù)的對比,圖7 為在不同壓縮比率下經(jīng)度、緯度、高度、航向4 個參數(shù)恢復(fù)數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)間的差異關(guān)系。從圖中我們可以看出:隨著壓縮率的增加,恢復(fù)數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)間相似度在降低;當(dāng)壓縮率低于40%時恢復(fù)數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)完全一致;壓縮比率大于75%時,相似度急劇下降,實際項目中需要根據(jù)傳輸帶寬以及參數(shù)重要程度來決定。

圖5 飛行路線恢復(fù)圖Fig.5 Recover graph of flight line

圖6 壓縮恢復(fù)后橫滾角與時間關(guān)系比較圖Fig.6 Recover graph of roll angle with time

4 結(jié) 論

實際仿真結(jié)果表明,通過利用現(xiàn)有的VHF 信道進(jìn)行飛行數(shù)據(jù)監(jiān)控是可行的,并且已將其應(yīng)用在實際的飛行監(jiān)控系統(tǒng)中。本設(shè)計主要是針對連續(xù)信號進(jìn)行壓縮傳輸,對于飛行過場的離散狀態(tài)(例如,飛行員的操作指令)等在時間維稀疏的信號,一般采用無壓縮傳輸。

相對傳統(tǒng)的遙測系統(tǒng),本方案在實時性與傳輸數(shù)據(jù)量方面還是存在著一定差距,但本方案無需在航空器上增加設(shè)備,對地面保障條件要求較低,成本低廉,在成本受限的情況下具有較大的實際應(yīng)用前景。如果可以借助現(xiàn)有的VHF 地面網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)飛行數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控,用戶在異地就可以實時監(jiān)測到飛行數(shù)據(jù),但這些方法還待進(jìn)一步研究。

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