基于C/S架構(gòu)的航天發(fā)射場(chǎng)自動(dòng)判讀系統(tǒng)

周輝峰，劉國(guó)君，史景龍

(西昌衛(wèi)星發(fā)射中心， 貴陽(yáng) 550025)

【信息科學(xué)與控制工程】

基于C/S架構(gòu)的航天發(fā)射場(chǎng)自動(dòng)判讀系統(tǒng)

周輝峰，劉國(guó)君，史景龍

(西昌衛(wèi)星發(fā)射中心， 貴陽(yáng) 550025)

運(yùn)載火箭電測(cè)系統(tǒng)靶場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)參數(shù)類型多、數(shù)量大，人工判讀測(cè)試數(shù)據(jù)工作量大、效率低，判讀準(zhǔn)確度難以控制。為了提高靶場(chǎng)電測(cè)系統(tǒng)測(cè)試判讀的效率和準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)了一種基于C/S架構(gòu)的航天發(fā)射場(chǎng)自動(dòng)判讀系統(tǒng)。將參數(shù)分為普通參數(shù)、臺(tái)階參數(shù)、脈沖參數(shù)、指令參數(shù)和復(fù)雜曲線參數(shù)，針對(duì)不同類型的參數(shù)，設(shè)計(jì)不同的算法模型實(shí)現(xiàn)智能判讀。實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)能有效提高數(shù)據(jù)判讀比對(duì)效率，為航天發(fā)射場(chǎng)準(zhǔn)確高效決策提供有力支持。

運(yùn)載火箭；電測(cè)系統(tǒng)；測(cè)試數(shù)據(jù)；自動(dòng)判讀；航天發(fā)射場(chǎng)

隨著國(guó)家軍事、科技、經(jīng)濟(jì)等綜合實(shí)力的增長(zhǎng)和航天應(yīng)用發(fā)展的需求，衛(wèi)星發(fā)射中心迎來(lái)了高密度任務(wù)常態(tài)化發(fā)展機(jī)遇期，如何實(shí)現(xiàn)靶場(chǎng)“高效測(cè)試，快速?zèng)Q策”，是發(fā)射場(chǎng)的首要目標(biāo)和重要課題。目前，運(yùn)載器、飛行器在靶場(chǎng)發(fā)射之前需要進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的功能測(cè)試，通過(guò)判讀測(cè)試過(guò)程中產(chǎn)生的遙測(cè)數(shù)據(jù)判斷各系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備電氣功能和性能指標(biāo)的狀況，考核航天器上硬件設(shè)備和軟件程序的可靠性[1-2]，由于航天器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、分系統(tǒng)多，在每次測(cè)試過(guò)程中都會(huì)產(chǎn)生大量的測(cè)試數(shù)據(jù)。

由于測(cè)試數(shù)據(jù)信息量大、參數(shù)數(shù)量多、種類雜，依靠人工進(jìn)行數(shù)據(jù)判讀及復(fù)查，不僅工作量大、效率低，而且容易造成人為判讀遺漏和偏差。尤其是對(duì)一些復(fù)雜而又十分重要的臺(tái)階參數(shù)、脈沖等參數(shù)進(jìn)行判讀時(shí)，必須每個(gè)臺(tái)階依次判讀，準(zhǔn)確讀出每個(gè)臺(tái)階值、變化范圍以及臺(tái)階的時(shí)間間隔，準(zhǔn)確找到脈沖參數(shù)發(fā)生的時(shí)間和動(dòng)作指令的一致性相關(guān)性，判讀要求十分嚴(yán)格。人工判讀這些數(shù)據(jù)的正確性耗費(fèi)大量的人力，迫切需要在航天器的電測(cè)過(guò)程中引入自動(dòng)判讀系統(tǒng)。

自動(dòng)判讀系統(tǒng)利用現(xiàn)有計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)和人工智能技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)視分析或事后分析航天器的遙測(cè)數(shù)據(jù)，依據(jù)已錄入計(jì)算機(jī)的知識(shí)和規(guī)則自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的判讀分析[3]。目前自動(dòng)判讀系統(tǒng)已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用于航天器各個(gè)型號(hào)任務(wù)的電測(cè)過(guò)程和事后分析中，發(fā)現(xiàn)了一些靠人工判讀難以發(fā)現(xiàn)的錯(cuò)誤，發(fā)揮了很大的輔助決策作用。本文設(shè)計(jì)一種基于C/S架構(gòu)的航天器靶場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)自動(dòng)判讀系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行器測(cè)試發(fā)射過(guò)程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)收集、快速查詢及顯示、判讀比對(duì)分析、曲線繪制、智能判讀分析、報(bào)告生成等功能。

1 自動(dòng)判讀系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)C/S架構(gòu)系統(tǒng)的組成以及判讀功能要求，自動(dòng)判讀系統(tǒng)主要可以分為數(shù)據(jù)判讀服務(wù)器分系統(tǒng)、數(shù)據(jù)判讀客戶端分系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)組成。服務(wù)器分系統(tǒng)軟件運(yùn)行于數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器上，完成所有數(shù)據(jù)的接收、解析、存儲(chǔ)，權(quán)限管理等功能，主要包括數(shù)據(jù)訪問(wèn)接口、數(shù)據(jù)裝載接口、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)接口、用戶信息管理、數(shù)據(jù)裝載程序等模塊?？蛻舳藬?shù)據(jù)判讀分系統(tǒng)軟件運(yùn)行于各系統(tǒng)數(shù)據(jù)判讀客戶端上，完成參數(shù)的獲取、曲線繪制、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)判讀、自動(dòng)生成判讀報(bào)告等功能，主要包括用戶管理、本地?cái)?shù)據(jù)管理、參數(shù)配置項(xiàng)管理、數(shù)據(jù)判讀與分析、數(shù)據(jù)報(bào)告生成等功能模塊。系統(tǒng)功能組成及邏輯關(guān)系如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能組成及邏輯關(guān)系

自動(dòng)判讀系統(tǒng)與硬件設(shè)備接口通過(guò)網(wǎng)卡、交換機(jī)連接至試驗(yàn)任務(wù)內(nèi)部局域網(wǎng)，數(shù)據(jù)判讀服務(wù)器分系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)軟件通過(guò)網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)陣地C3I(Command Control Communication Information System)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)獲取遙測(cè)系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)遙測(cè)原碼及挑點(diǎn)數(shù)據(jù)，并按照設(shè)計(jì)約定的映射公式還原原始數(shù)據(jù)格式，錄入數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行存儲(chǔ)，供各系統(tǒng)判讀終端判讀調(diào)用。

2 自動(dòng)判讀推理機(jī)制設(shè)計(jì)

自動(dòng)判讀推理機(jī)是整個(gè)自動(dòng)判讀系統(tǒng)的核心，其推理能力直接影響到自動(dòng)判讀的有效性與實(shí)時(shí)性。本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)判讀推理機(jī)的工作流程如圖2所示。

客戶端登錄后，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)讀取數(shù)據(jù)庫(kù)中參數(shù)列表，選擇需要判讀的參數(shù)，系統(tǒng)通過(guò)調(diào)用參數(shù)配置項(xiàng)自動(dòng)識(shí)別參數(shù)類型及判讀規(guī)則，自動(dòng)選擇事先設(shè)計(jì)的分類參數(shù)智能判讀算法，完成參數(shù)自動(dòng)分類判讀。針對(duì)運(yùn)載火箭參數(shù)的特點(diǎn)，系統(tǒng)將參數(shù)劃分為普通參數(shù)、臺(tái)階參數(shù)、脈沖參數(shù)、指令參數(shù)、復(fù)雜曲線參數(shù)等5類。

3 分類自動(dòng)判讀算法設(shè)計(jì)

客戶端判讀系統(tǒng)獲取用戶選擇判讀的參數(shù)后，自動(dòng)查詢配置項(xiàng)，獲取存參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)范圍以及參數(shù)類型(包括普通參數(shù)、臺(tái)階參數(shù)、脈沖參數(shù)、指令參數(shù)、復(fù)雜曲線參數(shù))。根據(jù)參數(shù)類型自動(dòng)選擇相應(yīng)的算法對(duì)參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)參數(shù)的智能輔助判讀。

3.1 普通參數(shù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)與判讀

普通參數(shù)是指測(cè)試數(shù)據(jù)在測(cè)試過(guò)程中只有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)范圍的參數(shù)，對(duì)于該類型參數(shù)只需進(jìn)行簡(jiǎn)單數(shù)理統(tǒng)計(jì)就可判斷該參數(shù)是否工作正常。

3.2 臺(tái)階參數(shù)識(shí)別算法設(shè)計(jì)

針對(duì)臺(tái)階參數(shù)的自動(dòng)判讀與識(shí)別，本文采用雙邊多點(diǎn)閾值判斷方法與符號(hào)判斷方法相結(jié)合的臺(tái)階參數(shù)自動(dòng)識(shí)別算法。準(zhǔn)確找到參數(shù)中的每一個(gè)臺(tái)階，并對(duì)每一個(gè)臺(tái)階進(jìn)行標(biāo)記、計(jì)數(shù)和保存[1]。再對(duì)每一個(gè)臺(tái)階內(nèi)進(jìn)行判讀，識(shí)別每一個(gè)臺(tái)階的端點(diǎn)(起點(diǎn)、終點(diǎn))時(shí)刻，統(tǒng)計(jì)每一個(gè)臺(tái)階的均值、極值(極大值、極小值)，超差點(diǎn)統(tǒng)計(jì)。根據(jù)判讀規(guī)則完成自動(dòng)判讀并生成報(bào)告。

圖2 自動(dòng)判讀推理機(jī)流程

3.3 脈沖參數(shù)識(shí)別算法設(shè)計(jì)

針對(duì)脈沖參數(shù)的自動(dòng)判讀與識(shí)別，設(shè)計(jì)了脈沖參數(shù)相似匹配算法。首先對(duì)現(xiàn)有脈沖參數(shù)的特征(脈沖峰值和脈沖寬度)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。然后對(duì)脈沖參數(shù)運(yùn)用6σ原則識(shí)別超出非脈沖弧段的連續(xù)點(diǎn)(以下稱連續(xù)超差點(diǎn))，計(jì)算連續(xù)超差點(diǎn)與標(biāo)準(zhǔn)脈沖的相似度，當(dāng)連續(xù)超差點(diǎn)達(dá)到脈沖相似度閾值時(shí)，將該連續(xù)超差點(diǎn)弧段識(shí)別為脈沖發(fā)生段，計(jì)算脈沖的峰值(連續(xù)超差點(diǎn)最大值)、脈沖發(fā)生時(shí)刻(最大值時(shí)間點(diǎn))。脈沖參數(shù)自動(dòng)識(shí)別算法流程設(shè)計(jì)如圖3所示。

3.4 指令參數(shù)識(shí)別與判讀

指令參數(shù)的處理與其他參數(shù)有所不同，其他參數(shù)的判讀一般都是以數(shù)據(jù)的值為主，而指令參數(shù)的數(shù)據(jù)值大小沒(méi)有意義，只是判讀數(shù)值由0變?yōu)?或由1變?yōu)?發(fā)生的時(shí)間，即上沿時(shí)間和下沿時(shí)間。對(duì)指令參數(shù)判讀的算法較為簡(jiǎn)單，如圖4所示。

該算法遍歷參數(shù)數(shù)據(jù)，依次判斷數(shù)據(jù)值與前一數(shù)據(jù)值是否相等，如果不等則該點(diǎn)數(shù)據(jù)為指令發(fā)生點(diǎn)，然后根據(jù)當(dāng)前數(shù)據(jù)值為1還是0來(lái)判讀該處是指令的上沿還是下沿，并將該結(jié)果存儲(chǔ)，直到遍歷完所有參數(shù)數(shù)據(jù)。該算法的時(shí)間復(fù)雜度為O(n)，是一個(gè)高效的算法。

3.5 復(fù)雜曲線參數(shù)識(shí)別與判讀

對(duì)于曲線比較復(fù)雜的參數(shù)判讀，可采用端點(diǎn)平移直線法進(jìn)行粗略判讀。在精度要求較高時(shí)，可采用最小二乘法分段擬合曲線，然后再提取曲線各特征點(diǎn)時(shí)刻、峰值、拐點(diǎn)進(jìn)行判讀[4]。但該方法很難準(zhǔn)確把握分段時(shí)刻、分段數(shù)和擬合階數(shù)，難以應(yīng)用于批量自動(dòng)判讀系統(tǒng)。

圖3 脈沖參數(shù)自動(dòng)識(shí)別算法流程設(shè)計(jì)

圖4 指令參數(shù)判讀算法

本文采用參數(shù)特征序列相似匹配算法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲線參數(shù)自動(dòng)判讀。即將復(fù)雜曲線參數(shù)作為一個(gè)特征序列保存在配置項(xiàng)中，判讀時(shí)調(diào)用該序列與判讀序列做歸一化相似匹配運(yùn)算，當(dāng)相似度滿足要求時(shí)，認(rèn)為該參數(shù)判讀結(jié)果正常[5]。給定n維空間F=(f1×f2×…×fn)，設(shè)X和Y為該n維空間中的兩點(diǎn)(即兩個(gè)案例)，則X和Y的相似度為：

(1)

4 算法實(shí)現(xiàn)與分析

智能輔助判讀方法的研究實(shí)現(xiàn)了對(duì)5類常見(jiàn)參數(shù)的自動(dòng)判讀，這5類參數(shù)囊括了絕大部分需要判讀的參數(shù)。結(jié)合參數(shù)配置項(xiàng)存儲(chǔ)的參數(shù)類型，選用對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)處理算法，就可完成對(duì)參數(shù)數(shù)據(jù)的判讀分析，然后與配置項(xiàng)(參數(shù)字典)中該參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值范圍進(jìn)行比較，就能得出該參數(shù)數(shù)據(jù)是否正常的結(jié)論。

4.1 普通參數(shù)判讀實(shí)現(xiàn)

數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析可以分析出普通參數(shù)的平均值、最大值、最小值以及超差點(diǎn)數(shù)，并根據(jù)配置項(xiàng)中標(biāo)準(zhǔn)值范圍進(jìn)行超差統(tǒng)計(jì)。普通參數(shù)數(shù)據(jù)判讀如圖5所示。

圖5 普通參數(shù)判讀情況

4.2 臺(tái)階參數(shù)濾波與臺(tái)階識(shí)別

本文針對(duì)靶場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)，對(duì)文獻(xiàn)[1]算法進(jìn)行了大量測(cè)試實(shí)驗(yàn)與分析，以運(yùn)載火箭靶場(chǎng)某臺(tái)階參數(shù)數(shù)據(jù)判讀為例進(jìn)行分析。中值濾波模板取1×9，中值濾波1次，閾值Tk取0.1～0.3，閾值矩陣Mdelta與符號(hào)矩陣Msign取3×3方陣。臺(tái)階參數(shù)曲線如圖6所示。

圖6 某臺(tái)階參數(shù)曲線

從判讀結(jié)果可以看出，5個(gè)臺(tái)階全部準(zhǔn)確識(shí)別，如圖7所示。臺(tái)階參數(shù)識(shí)別算法可以分析出臺(tái)階參數(shù)的每一個(gè)臺(tái)階的起始結(jié)束時(shí)間、平均值、最大值、最小值以及超差統(tǒng)計(jì)，并給出判讀結(jié)論。測(cè)試試驗(yàn)表明：該算法有效實(shí)現(xiàn)了臺(tái)階參數(shù)的臺(tái)階識(shí)別和自動(dòng)判讀分析功能。

圖7 某臺(tái)階參數(shù)自動(dòng)判讀結(jié)果

4.3 脈沖參數(shù)濾波與脈沖識(shí)別

根據(jù)靶場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)特點(diǎn)，對(duì)上述脈沖識(shí)別算法進(jìn)行了大量測(cè)試實(shí)驗(yàn)與分析。以運(yùn)載火箭靶場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)某脈沖參數(shù)地面采集數(shù)據(jù)判讀為例進(jìn)行詳細(xì)分析，脈沖參數(shù)曲線(下跳脈沖)如圖8所示。

圖8 某脈沖參數(shù)曲線

參數(shù)中實(shí)際脈沖數(shù)2個(gè)，采用本文設(shè)計(jì)算法成功識(shí)別脈沖數(shù)2個(gè)，脈沖特性自動(dòng)判讀分析結(jié)果如圖9所示。從圖中數(shù)據(jù)分析信息可知：該算法成功識(shí)別了脈沖個(gè)數(shù)、脈沖峰值、脈沖發(fā)生時(shí)間點(diǎn)等信息，提高了靶場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)判讀效率和判讀準(zhǔn)確性。

圖9 脈沖參數(shù)自動(dòng)判讀分析結(jié)果

4.4 指令參數(shù)

指令參數(shù)分析可以識(shí)別出指令參數(shù)的每一個(gè)指令發(fā)生時(shí)間、上下沿類型，以及與標(biāo)準(zhǔn)值范圍比較判斷是否正常。由于該類參數(shù)判讀比較簡(jiǎn)單，不再贅述。

4.5 復(fù)雜參數(shù)

本文采用參數(shù)特征序列相似匹配算法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲線參數(shù)自動(dòng)判讀。以某模擬復(fù)雜參數(shù)曲線判讀為例進(jìn)行詳細(xì)分析，相似度閾值設(shè)置為0.95～0.98，將標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)模板與參數(shù)進(jìn)行滑模匹配，當(dāng)相似度滿足閾值要求時(shí)，參數(shù)判讀正常，并輸出復(fù)雜參數(shù)需要判讀的特征點(diǎn)發(fā)生時(shí)間與數(shù)值。復(fù)雜參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)模板及復(fù)雜參數(shù)曲線及判讀識(shí)別情況如圖10所示。從圖中識(shí)別情況可知，該算法準(zhǔn)確識(shí)別了該復(fù)雜參數(shù)的特征部分，與參數(shù)配置項(xiàng)中的標(biāo)準(zhǔn)模板相似度超過(guò)0.95。

圖10 復(fù)雜參數(shù)識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)模板與判讀識(shí)別分析

該復(fù)雜參數(shù)特征點(diǎn)識(shí)別與判讀情況見(jiàn)表1所示。邊界值、局部極值、曲線過(guò)零點(diǎn)均得到了準(zhǔn)確識(shí)別與判讀。

表1 某復(fù)雜參數(shù)自動(dòng)判讀特征點(diǎn)識(shí)別情況

5 結(jié)論

為適應(yīng)靶場(chǎng)持續(xù)高密度發(fā)射任務(wù)需求，實(shí)現(xiàn)了一款基于C/S架構(gòu)的航天器靶場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)自動(dòng)判讀系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)航天器測(cè)試發(fā)射過(guò)程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類自動(dòng)判讀比對(duì)分析、曲線繪制、報(bào)告生成等功能。該自動(dòng)判讀系統(tǒng)能夠有效提高發(fā)射場(chǎng)電測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)判讀比對(duì)效率和判讀準(zhǔn)確度，為靶場(chǎng)準(zhǔn)確高效做出決策提供有力支持。

[1] 周輝峰,王一雄,曾少龍，等.運(yùn)載火箭靶場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)自動(dòng)判讀方法[J].四川兵工學(xué)報(bào),2013(4)：43-46.

[2] 吳偉,張威,潘順良,等.自動(dòng)判讀系統(tǒng)在載人航天器電測(cè)中的應(yīng)用[J].航天器環(huán)境工程,2011(12)：628-631.

[3] 白效賢,喬?hào)|峰,于艷,等.采用C /S結(jié)構(gòu)的遙測(cè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)及其實(shí)現(xiàn)技術(shù)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件,2006(7)：68-70.

[4] 朱良平,趙岳生,郭麗梅,等.運(yùn)載火箭遙測(cè)參數(shù)實(shí)時(shí)自動(dòng)判讀知識(shí)庫(kù)研究[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2007.

[5] 周輝峰,王一雄,曾少龍,等.基于案例推理的航天發(fā)射場(chǎng)故障診斷系統(tǒng)[J].四川兵工學(xué)報(bào),2013(5)：15-19.

[6] 徐士良.常用算法程序設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004:456-457.

[7] 盛驟,謝式千,潘承毅.概率與數(shù)理統(tǒng)計(jì)[M].3版.北京：高等教育出版社，2001：160-161.

AutomaticDataInterpretationSystemBasedC/SStructureatLaunchingSite

ZHOU Huifeng, LIU Guojun, SHI Jinglong

(Xichang Satellite Launch Center, Guiyang 550025, China)

The launch vehicle test data has a huge amount of complex data types. Artificial interpretation of these test data must be a heavy workload, with low efficiency and the interpretation accuracy is difficult to control. In order to improve the efficiency and accuracy of the test data interpretation for electrical measurement systems, an automatic interpretation system based on C/S is designed for launching site. These parameters are divided into common parameters, step parameters, pulse parameters, instruction parameters and complex curve parameters. Different arithmetic models are designed for different types of parameters to realize intelligent interpretation which can effectively improve the efficiency of data interpretation and comparison, and provide a strong support for the accurate and efficient decision-making for launching site.

launch vehicle; electrical measurement system; test data; automatic interpretation; launching site

2017-06-10；

2017-06-28

周輝峰(1981—)，男，碩士，工程師，主要從事航天器測(cè)發(fā)與測(cè)控、航天器編隊(duì)飛行與控制研究。

10.11809/scbgxb2017.10.025

本文引用格式：周輝峰，劉國(guó)君，史景龍.基于C/S架構(gòu)的航天發(fā)射場(chǎng)自動(dòng)判讀系統(tǒng)[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(10):122-126.

formatZHOU Huifeng, LIU Guojun, SHI Jinglong.Automatic Data Interpretation System Based C/S Structure at Launching Site[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(10):122-126.

V19；E927

A

2096-2304(2017)10-0122-05

(責(zé)任編輯楊繼森)