多站遙測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)對(duì)接方法研究

劉桂生，高 山，貴 宇，何嘉靖，李天寶

(太原衛(wèi)星發(fā)射中心，山西太原030027)

0 引言

在飛行器飛行試驗(yàn)中，通常在首區(qū)、航區(qū)和落區(qū)布設(shè)多臺(tái)遙測(cè)站，用于全彈道接力測(cè)量，達(dá)到遙測(cè)數(shù)據(jù)的不間斷接收［1］。多站遙測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)送中心計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理并顯示，作為實(shí)時(shí)指揮決策的依據(jù)，飛行結(jié)束后對(duì)遙測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行事后處理，處理結(jié)果作為飛行器設(shè)計(jì)評(píng)定和故障分析的依據(jù)［2，3］。目前對(duì)于多站遙測(cè)數(shù)據(jù)的處理模式，事后處理與實(shí)時(shí)處理互不相同，事后處理先對(duì)多站遙測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行剪輯和對(duì)接，形成一套完整的全程測(cè)量數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行遙測(cè)參數(shù)處理［3，4］;實(shí)時(shí)處理同時(shí)對(duì)各站遙測(cè)數(shù)據(jù)分別進(jìn)行參數(shù)處理，然后按照特定策略對(duì)多站處理結(jié)果進(jìn)行擇優(yōu)。隨著參試遙測(cè)站增多，這種實(shí)時(shí)處理模式突顯出軟硬件資源需求急劇增加和擇優(yōu)過(guò)程復(fù)雜等弊端，改進(jìn)方法是解密前進(jìn)行多站遙測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)對(duì)接，將多站遙測(cè)數(shù)據(jù)并行處理模式改變?yōu)橹粚?duì)一個(gè)遙測(cè)流進(jìn)行處理，而實(shí)現(xiàn)方法關(guān)鍵是解決好遙測(cè)幀對(duì)齊和檢擇等問(wèn)題，本文對(duì)此進(jìn)行了研究。

1 實(shí)時(shí)遙測(cè)數(shù)據(jù)處理模式現(xiàn)狀分析

目前實(shí)時(shí)遙測(cè)數(shù)據(jù)處理信息流程如圖1所示。

圖1 目前實(shí)時(shí)遙測(cè)數(shù)據(jù)處理信息流程

各遙測(cè)站將接收的密文遙測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送到指控中心，先經(jīng)過(guò)解密預(yù)處理設(shè)備和解密器完成數(shù)據(jù)解密，輸出明文遙測(cè)數(shù)據(jù)，中心計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)明文遙測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)分路(挑路)并計(jì)算處理，這些過(guò)程都是并行針對(duì)各遙測(cè)站數(shù)據(jù)獨(dú)立進(jìn)行，分別得到各遙測(cè)站數(shù)據(jù)的處理結(jié)果，最后對(duì)各站數(shù)據(jù)處理結(jié)果按照事先制定的策略進(jìn)行擇優(yōu)，形成最終結(jié)果供顯示和指揮決策。

這種處理模式存在以下弊端:

①資源耗費(fèi)大。由于一個(gè)遙測(cè)站通常接收多個(gè)遙測(cè)流數(shù)據(jù)，每個(gè)遙測(cè)流數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)一臺(tái)解密處理設(shè)備，為了保證可靠性，另按一定比例熱備份解密處理設(shè)備，目前還要適應(yīng)多發(fā)并行試驗(yàn)，對(duì)解密處理設(shè)備硬件需求數(shù)量達(dá)到參試遙測(cè)站數(shù)量2倍或3倍以上。參數(shù)分路及處理按所有遙測(cè)站的累計(jì)遙測(cè)流數(shù)分別進(jìn)行，計(jì)算機(jī)資源耗費(fèi)大，操作人員的軟件配置維護(hù)工作量大［5］。

②擇優(yōu)策略調(diào)整頻繁。每次試驗(yàn)需根據(jù)各遙測(cè)站的布站位置、跟蹤弧段和飛行特性事先制定參數(shù)擇優(yōu)策略，花費(fèi)不少工作量，且由于影響跟蹤測(cè)量的因素較多，制定的擇優(yōu)策略并不能總是十分有效。

③精細(xì)化處理程度低。目前是基于各個(gè)遙測(cè)數(shù)據(jù)流單獨(dú)處理的結(jié)果級(jí)綜合擇優(yōu)，未在原碼級(jí)對(duì)各個(gè)遙測(cè)數(shù)據(jù)流進(jìn)行擇優(yōu)互補(bǔ)。比如某遙測(cè)站某參數(shù)只接收到1幀或2幀數(shù)據(jù)，不符合參數(shù)解算條件，該1幀或2幀數(shù)據(jù)即成了無(wú)效數(shù)據(jù)，不能在處理中發(fā)揮作用，若能在原碼級(jí)對(duì)各個(gè)遙測(cè)數(shù)據(jù)流進(jìn)行逐幀擇優(yōu)互補(bǔ)，則該1幀或2幀數(shù)據(jù)就能作為有效數(shù)據(jù)參與擇優(yōu)互補(bǔ)，提高參數(shù)解算成功的概率［6］。

2 實(shí)時(shí)遙測(cè)數(shù)據(jù)處理模式改進(jìn)設(shè)想

針對(duì)當(dāng)前實(shí)時(shí)遙測(cè)數(shù)據(jù)處理模式存在的弊端，提出解密前進(jìn)行多站遙測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)接的改進(jìn)設(shè)想，改進(jìn)后實(shí)時(shí)遙測(cè)數(shù)據(jù)處理信息流程如圖2所示。各遙測(cè)站將接收的密文遙測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送到指控中心，先經(jīng)過(guò)多站遙測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)逐幀對(duì)接，將多個(gè)遙測(cè)站接收的多個(gè)遙測(cè)數(shù)據(jù)流(彈上同源)拼接形成一個(gè)完整的全程測(cè)量數(shù)據(jù)流，再經(jīng)過(guò)解密預(yù)處理設(shè)備和解密器完成數(shù)據(jù)解密，輸出明文遙測(cè)數(shù)據(jù)，中心計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)明文遙測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)分路(挑路)并計(jì)算處理，結(jié)果供顯示和指揮決策。

圖2 改進(jìn)后實(shí)時(shí)遙測(cè)數(shù)據(jù)處理信息流程

改進(jìn)后，需要增加實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)接服務(wù)器，解密處理設(shè)備數(shù)量只需根據(jù)彈上遙測(cè)流數(shù)量配置，與地面參試遙測(cè)站數(shù)量無(wú)關(guān)，可以極大地縮減解密處理設(shè)備需求數(shù)量。對(duì)接后只對(duì)一個(gè)遙測(cè)數(shù)據(jù)流進(jìn)行參數(shù)分路及處理，計(jì)算機(jī)資源耗費(fèi)小，操作人員對(duì)軟件配置維護(hù)工作量小，省去了每次飛行試驗(yàn)事先制定參數(shù)擇優(yōu)策略。各個(gè)遙測(cè)站接收的每一幀數(shù)據(jù)都能參與對(duì)接過(guò)程，尤其在傳輸點(diǎn)數(shù)很少的遙測(cè)參數(shù)解算中作用明顯。

3 多站遙測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)對(duì)接方法

在實(shí)際飛行試驗(yàn)中，由于目標(biāo)姿態(tài)變化、級(jí)間分離、尾焰和設(shè)備故障等多種原因，地面遙測(cè)設(shè)備獲取的遙測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)常出現(xiàn)不同程度的亂散段［7］，網(wǎng)絡(luò)傳輸過(guò)程中還可能發(fā)生數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象［8，9］，單站測(cè)量數(shù)據(jù)往往不能滿足處理的要求，因此需要對(duì)多站數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)接，獲取完整的測(cè)量數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)對(duì)接是事后數(shù)據(jù)預(yù)處理工作的重要內(nèi)容，文獻(xiàn)［3，4，10］等介紹了事后處理數(shù)據(jù)剪輯和對(duì)接的方法，但鮮見實(shí)時(shí)遙測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)接方法的研究文獻(xiàn)。

3.1 數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)對(duì)接與事后對(duì)接的區(qū)別

遙測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)對(duì)接可以借鑒事后對(duì)接的方法，但由于處理時(shí)機(jī)和處理要求等特點(diǎn)不同，實(shí)時(shí)對(duì)接與事后對(duì)接方法必然存在區(qū)別。

①實(shí)時(shí)對(duì)接是一種實(shí)時(shí)、不可逆的一次性行為，必須對(duì)當(dāng)前接收的有限幀數(shù)據(jù)做出及時(shí)判斷、選擇，對(duì)接方法不能包含后驗(yàn)信息，實(shí)時(shí)性、可靠性要求高。事后對(duì)接在相對(duì)寬松的期限內(nèi)對(duì)各站記錄的遙測(cè)數(shù)據(jù)文件進(jìn)行處理，通過(guò)對(duì)遙測(cè)數(shù)據(jù)文件搜索、檢查，可以獲取豐富的數(shù)據(jù)質(zhì)量后驗(yàn)信息，然后基于這些豐富的后驗(yàn)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)接，對(duì)接過(guò)程允許多次重復(fù)。

②事后對(duì)接可以采用基于遙測(cè)地面時(shí)間的數(shù)據(jù)對(duì)接方法和基于遙測(cè)全幀計(jì)數(shù)的數(shù)據(jù)對(duì)接方法，基于遙測(cè)地面時(shí)間的數(shù)據(jù)對(duì)接方法和對(duì)接過(guò)程較為復(fù)雜，而基于遙測(cè)全幀計(jì)數(shù)的多站數(shù)據(jù)對(duì)接方法處理簡(jiǎn)單［11］。解密前數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)對(duì)接只能采用基于遙測(cè)地面時(shí)間的數(shù)據(jù)對(duì)接方法，因?yàn)槿珟?jì)數(shù)作為遙測(cè)參數(shù)被加密。

3.2 遙測(cè)數(shù)據(jù)的幀格式

遙測(cè)站發(fā)送到指控中心的遙測(cè)數(shù)據(jù)是標(biāo)準(zhǔn)子幀數(shù)據(jù)流，子幀數(shù)據(jù)格式如圖3所示［10］。幀數(shù)據(jù)格式中的時(shí)間字是由地面遙測(cè)站添加在數(shù)據(jù)幀前面的時(shí)統(tǒng)時(shí)間，記錄了當(dāng)前幀到來(lái)時(shí)時(shí)碼接收器的解調(diào)時(shí)間。副幀計(jì)數(shù)字也是地面遙測(cè)站添加在數(shù)據(jù)幀前面的副幀同步字，當(dāng)副幀鎖定時(shí)以0作為全幀起點(diǎn)，每幀加1，直至全幀結(jié)束，當(dāng)副幀未鎖定時(shí)保持0不變。時(shí)間字、副幀計(jì)數(shù)字和同步碼均不加密，遙測(cè)數(shù)據(jù)碼根據(jù)需要加密。一個(gè)全幀由若干個(gè)子幀組成(無(wú)副幀時(shí)一個(gè)子幀即相當(dāng)于一個(gè)全幀)。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)子幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

3.3 遙測(cè)幀對(duì)齊

實(shí)時(shí)對(duì)接前，必須首先實(shí)現(xiàn)遙測(cè)幀對(duì)齊，即從接收的多站遙測(cè)數(shù)據(jù)中識(shí)別出同一幀遙測(cè)數(shù)據(jù)。因?yàn)槿珟?jì)數(shù)作為遙測(cè)參數(shù)被加密，只能依據(jù)遙測(cè)站添加在數(shù)據(jù)幀前面的時(shí)統(tǒng)時(shí)間進(jìn)行遙測(cè)幀對(duì)齊。由于各遙測(cè)站接收遙測(cè)信號(hào)的電波傳輸延時(shí)和時(shí)統(tǒng)延時(shí)不同，所以各遙測(cè)站添加在同一幀數(shù)據(jù)前面的時(shí)間經(jīng)常存在差異，必須經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)难訒r(shí)修正才能完成遙測(cè)幀對(duì)齊。因?yàn)閷?shí)時(shí)只能做粗略的延時(shí)修正，經(jīng)過(guò)延時(shí)修正可以縮小這種差異，但很難完全消除這種差異，只要這種差異明顯小于緊鄰2幀信號(hào)的采樣時(shí)間間隔即可。

實(shí)時(shí)對(duì)接中，可以利用理論彈道進(jìn)行電波延時(shí)修正，電波延時(shí)計(jì)算方法如下［12］:

式中，C為光速;Ri為ti時(shí)刻目標(biāo)與遙測(cè)站的距離;Δti為ti時(shí)刻電波傳輸延時(shí)。電波延時(shí)修正誤差主要來(lái)源于實(shí)際飛行彈道與理論彈道的誤差，假設(shè)這2種彈道誤差極限為300 km，則帶來(lái)1 ms電波延時(shí)修正誤差。

時(shí)統(tǒng)延時(shí)包括B碼信號(hào)傳輸延時(shí)和B碼終端解調(diào)延時(shí)，有些遙測(cè)站能達(dá)到幾百μs，但發(fā)射前經(jīng)過(guò)時(shí)統(tǒng)延時(shí)精確測(cè)定后［13］，通過(guò)B碼終端自身具備的延時(shí)修正功能，可將時(shí)統(tǒng)延時(shí)降至幾十μs。地面遙測(cè)站數(shù)據(jù)配時(shí)精度為0.1 ms，則配時(shí)誤差＜0.1 ms。

綜上，按極限情況估算，經(jīng)過(guò)延時(shí)修正后，各遙測(cè)站同一幀數(shù)據(jù)的時(shí)間差異＜1.2 ms，且差異主要由電波延時(shí)引起。

理論上有按子幀對(duì)齊和按全幀對(duì)齊2種途徑，但由于子幀周期很小(通常為百μs級(jí))，經(jīng)過(guò)延時(shí)修正后各遙測(cè)站同一幀數(shù)據(jù)的時(shí)間誤差在極限情況下很可能大于子幀周期，導(dǎo)致無(wú)法準(zhǔn)確識(shí)別同一子幀數(shù)據(jù)，因此按子幀對(duì)齊不可靠。全幀周期通常在10 ms以上，以全幀中第1子幀的時(shí)間作為全幀時(shí)間，則全幀時(shí)間極限誤差與全幀周期相差一個(gè)量級(jí)，可以準(zhǔn)確識(shí)別同一全幀數(shù)據(jù)，因此實(shí)時(shí)對(duì)接應(yīng)按全幀對(duì)齊遙測(cè)數(shù)據(jù)，只要滿足延時(shí)修正后時(shí)間差＜1.2 ms或1/5全幀周期即可認(rèn)定為同一全幀數(shù)據(jù)。

飛行試驗(yàn)中遙測(cè)站A和遙測(cè)站B(兩站相距390 km)連續(xù)若干幀數(shù)據(jù)(子幀周期0.312 5 ms，全幀周期10 ms，副幀長(zhǎng)N)電波延時(shí)修正后的時(shí)間如表1所示。其中，遙測(cè)站A距目標(biāo)25 060 m，電波延時(shí)修正為0.1 ms;遙測(cè)站B距目標(biāo)388 340 m，電波延時(shí)修正為1.3 ms。

表1 遙測(cè)站A和站B連續(xù)若干幀數(shù)據(jù)延時(shí)修正后的時(shí)間

按照延時(shí)修正后時(shí)間差＜1.2 ms即認(rèn)定為同一幀數(shù)據(jù)的判決標(biāo)準(zhǔn)，表1中A站第i+1全幀時(shí)間與B站第i和i+2全幀時(shí)間的差值均為10 ms，與B站第i+1全幀時(shí)間的差值為0 ms，可以準(zhǔn)確、唯一地對(duì)齊A站和B站的第i+1全幀，但A站第i全幀的第N－1子幀時(shí)間與B站第i全幀的第N－2、第N－1和第N子幀時(shí)間的差值均＜1.2 ms，不能準(zhǔn)確、唯一地對(duì)齊子幀。

3.4 全幀整理

為了實(shí)現(xiàn)按全幀對(duì)齊遙測(cè)數(shù)據(jù)，必須將子幀數(shù)據(jù)流整理成全幀數(shù)據(jù)流，可以利用地面遙測(cè)站添加在子幀數(shù)據(jù)前面的副幀計(jì)數(shù)字進(jìn)行副幀同步，完成全幀整理。這種副幀同步方式實(shí)質(zhì)就是ID副幀同步方式。

3.5 全幀檢擇對(duì)接

多站遙測(cè)數(shù)據(jù)全幀對(duì)齊后，即可進(jìn)行逐幀對(duì)接。對(duì)接時(shí)，必須對(duì)整理出的全幀進(jìn)行檢查，主要是檢查時(shí)碼和幀同步碼，比較幀內(nèi)數(shù)據(jù)，以便從多站接收的同一全幀中選出最可信的一幀。

①時(shí)碼檢查。檢查該全幀中每一子幀時(shí)間碼是否正常，主要判斷時(shí)間是否為非法值，與當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間是否一致，連續(xù)2幀的時(shí)間間隔是否符合子幀周期，時(shí)間是否連續(xù)遞增。

②幀同步碼檢查。檢查全幀內(nèi)每個(gè)子幀的幀同步碼是否符合要求，對(duì)幀同步碼的錯(cuò)誤位數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。錯(cuò)誤位數(shù)越少，表明數(shù)據(jù)質(zhì)量越好，優(yōu)先選擇幀同步碼完全正確的全幀。

③幀內(nèi)數(shù)據(jù)比對(duì)。全幀數(shù)據(jù)對(duì)齊后，若有3個(gè)以上遙測(cè)站都接收到某個(gè)全幀，可以對(duì)幀內(nèi)數(shù)據(jù)相互比較，即比較幀內(nèi)數(shù)據(jù)的每一個(gè)字節(jié)原碼是否一致，按照三判二原則，如果存在2個(gè)全幀幀內(nèi)數(shù)據(jù)完全一致，則從中選擇一個(gè);如果不存在，則按照幀同步碼錯(cuò)誤位數(shù)最少、之前3個(gè)全幀內(nèi)幀同步碼錯(cuò)誤位數(shù)最少等條件選擇最可信的一幀。

將檢擇的全幀數(shù)據(jù)按順序組織成一個(gè)數(shù)據(jù)質(zhì)量相對(duì)較好的遙測(cè)流，提供解密和遙測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)實(shí)時(shí)遙測(cè)數(shù)據(jù)特點(diǎn)，研究了可行的對(duì)接方法，解決了多站遙測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)對(duì)接關(guān)鍵問(wèn)題，有利于改進(jìn)實(shí)時(shí)遙測(cè)數(shù)據(jù)處理模式，進(jìn)而節(jié)省軟硬件資源，簡(jiǎn)化參數(shù)擇優(yōu)策略，提高處理精細(xì)化程度。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，由于各遙測(cè)站數(shù)據(jù)至中心的網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)不一致［14］，中心需根據(jù)實(shí)時(shí)性要求合理選擇接收數(shù)據(jù)緩沖時(shí)間，也可以在維持現(xiàn)有實(shí)時(shí)處理模式基礎(chǔ)上，將實(shí)時(shí)對(duì)接形成的遙測(cè)流作為所有遙測(cè)站的綜合備份流。

［1］ 孫 喜，謝會(huì)琴．遙測(cè)多臺(tái)車記錄參數(shù)信息融合方法及實(shí)現(xiàn)［J］．導(dǎo)彈技術(shù)，2009(2):68－70．

［2］ 黃學(xué)德．導(dǎo)彈測(cè)控系統(tǒng)［M］．北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2000．

［3］ 陳以恩．遙測(cè)數(shù)據(jù)處理［M］．北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2002．

［4］ GJB 2238A－2004．遙測(cè)數(shù)據(jù)處理［S］．

［5］ 張彩月，陳 良．基于數(shù)據(jù)庫(kù)的遙測(cè)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］．無(wú)線電通信技術(shù)，2013，39(3):46 －49．

［6］ 高 義，劉承禹．基于軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)的多源信息融合系統(tǒng)［J］．無(wú)線電通信技術(shù)，2012，38(5):60 －63．

［7］ 郭引蘭，劉桂生，韓文虎．遙測(cè)數(shù)據(jù)散亂原因分析方法研究［J］．導(dǎo)彈試驗(yàn)技術(shù)，2003(2):34－36．

［8］ 種 景．試驗(yàn)IP網(wǎng)組播丟包問(wèn)題研究［J］．無(wú)線電通信技術(shù)，2012，38(4):54 －56．

［9］ 周 磊．網(wǎng)絡(luò)流量丟包率預(yù)測(cè)模型［J］．無(wú)線電工程，2011，41(10):7 －8，20．

［10］張 東，吳曉琳．導(dǎo)彈遙測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)處理方法研究［J］．信息技術(shù)，2011(11):134－137．

［11］張向林，唐海波，成紅艷．遙測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)接中的副幀計(jì)數(shù)修正方法［J］．導(dǎo)彈技術(shù)，2011(3):62－64．

［12］謝會(huì)琴，孫 喜．彈上遙測(cè)時(shí)間和地面時(shí)間分析研究［J］．導(dǎo)彈試驗(yàn)技術(shù)，2008(4):49 －52．

［13］李 剛，魏海濤，孫書良．導(dǎo)航設(shè)備時(shí)延測(cè)量技術(shù)分析［J］．無(wú)線電工程，2011，41(12):32 －35．

［14］盧 冀，張之義，王俊芳，等．一種適用于虛擬機(jī)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包高效傳輸方法［J］．無(wú)線電通信技術(shù)，2013，39(6):34－36，47．