一種多冗余遙測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的設(shè)計

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(中國飛行試驗研究院,西安 710089)

一種多冗余遙測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的設(shè)計

劉升護,賈雨,楊哲

(中國飛行試驗研究院,西安710089)

為解決現(xiàn)有實時遙測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)存在的可靠性低、操作性差等問題，通過分析實時遙測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的原理和結(jié)構(gòu)，設(shè)計了一套新型的多冗余遙測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；通過對現(xiàn)有系統(tǒng)的服務(wù)器和客戶端軟件進行改造，增加服務(wù)器和客戶端軟件之間的狀態(tài)信息交互功能，提出并使用了一種高效的遙測信號評估方法，從而實現(xiàn)監(jiān)控終端軟件對實時監(jiān)控數(shù)據(jù)的最佳源選擇，進而保證了遙測數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定和可靠；經(jīng)過多次飛行試驗的測試，表明新系統(tǒng)完全滿足目前試飛監(jiān)控的需求，提高了遙測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)運行的可靠性和智能化，為試飛安全提供了堅實的保障。

飛行試驗；多冗余；遙測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；最佳源選擇

0 引言

試飛安全是保證試飛活動的前提條件，而遙測監(jiān)控是保證試飛安全的重要手段。在飛行試驗中[1-2]，遙測天線跟蹤飛行目標并接收其發(fā)射的遙測PCM (pulse code modulation)信號，然后通過遙測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)實現(xiàn)飛行試驗的實時監(jiān)控。因此遙測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)在航空飛行試驗中具有重要的位置，是確保現(xiàn)代飛機試飛安全、提高試飛效率、縮短試飛周期、實現(xiàn)綜合試飛的重要手段。

遙測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的設(shè)計一直是遙測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)研發(fā)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。隨著目前試飛架次的增多和試飛科目的風險增大，以及遙測資源的變化，現(xiàn)有的實時數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)存在可靠性低，操縱性差等缺點，已不能滿足試飛監(jiān)控的需求，因此急需對現(xiàn)有系統(tǒng)進行改造升級。本文通過研究現(xiàn)有遙測處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，分析其中的不足之處，及由此而帶來的操作性差問題，和其對試飛安全產(chǎn)生的影響。最后結(jié)合目前遙測監(jiān)控的實際情況，對現(xiàn)有遙測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進行了改進，從而設(shè)計了一套新型多冗余遙測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

1 現(xiàn)有遙測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在飛行試驗中[3-4]，通常在飛機上加裝遙測天線來發(fā)射無線遙測信號，將機載實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛?。地面遙測接收機接收無線遙測信號，將其解調(diào)后送往實時處理服務(wù)器，服務(wù)器經(jīng)過處理相關(guān)數(shù)據(jù)然后以組播的網(wǎng)絡(luò)方式將數(shù)據(jù)送往視圖驅(qū)動客戶端，這時監(jiān)控人員就可以通過客戶端安裝的監(jiān)控軟件實時觀察飛機性能、位置等信息。因此飛行試驗實時遙測系統(tǒng)通?？煞譃闄C載數(shù)據(jù)發(fā)送、地面遙測接收、前端實時處理和視圖驅(qū)動顯示客戶端顯示四部分，其中后三部分又組成遙測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸如圖1所示。

圖1 現(xiàn)有遙測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

現(xiàn)有遙測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)在保障我院科研試飛中起到了重要的作用，但依然存在一下問題：

①單鏈路傳輸模式，可靠性低。遙測接收機、前端處理服務(wù)器和視圖驅(qū)動客戶端為一一對應(yīng)關(guān)系，在該鏈路上的每個設(shè)備出現(xiàn)故障都有可能影響遙測數(shù)據(jù)的質(zhì)量。隨著設(shè)備使用年限的不斷增長，部分設(shè)備的可靠性程快速下降趨勢，設(shè)備的維修率也不斷增長。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)可靠性理論[5]，串聯(lián)系統(tǒng)可靠性為該系統(tǒng)上的所有設(shè)備可靠性的乘積，因此隨著各個設(shè)備可靠性的快速降低，系統(tǒng)可靠性成指數(shù)下滑，嚴重影響試飛安全的順利進行。

②手動切換設(shè)備，占用時間長，操作性差。當遙測鏈路上的某一設(shè)備出現(xiàn)問題，需要切換其他設(shè)備時，則需要手動切換。如圖1所示，假如數(shù)據(jù)處理服務(wù)器出現(xiàn)問題，不能正常工作，則需要其他服務(wù)器替代，工作人員除了在新服務(wù)器上設(shè)置相關(guān)操作，還需要在客戶端進行相關(guān)操作，因此系統(tǒng)切換占用較長時間。在飛行試驗中，有些動作就在瞬間完成，因此手動切換占用時間較長，不利于試飛安全。

③沒有實現(xiàn)最佳數(shù)據(jù)源的選擇。在遙測資源較多時候或者某一重要科目試飛，通常需要多個天線同時跟蹤一個目標或者多個處理服務(wù)器處理同一個接收機的數(shù)據(jù)。由于設(shè)備的差異性，每個天線或者處理計算機都有其難以預(yù)料的問題，如延時、丟點等。因此在多個數(shù)據(jù)鏈路下尋找最佳數(shù)據(jù)源就顯得至關(guān)重要。

2 新型多冗余遙測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

為提高系統(tǒng)可靠性，新系統(tǒng)必須是多冗余鏈路，即從遙測數(shù)據(jù)發(fā)出到客戶端接收到數(shù)據(jù)之間至少有不少于2條鏈路。然而在實際情況中，由于部分設(shè)備較為昂貴，數(shù)量有限，所以根據(jù)實際需求，設(shè)計了兩種冗余模式：完全冗余鏈路模式和部分冗余鏈路模式。

完全冗余鏈路就是整個鏈路上的設(shè)備都有冗余，如圖2所示，飛機的遙測數(shù)據(jù)通過兩條完全獨立的鏈路傳到視圖驅(qū)動客戶端。由于兩條鏈路完全獨立，因而完全冗余鏈路的系統(tǒng)可靠性相比于單連璐系統(tǒng)正好提高了一倍。

圖2 完全冗余鏈路模式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

部分冗余鏈路模式即系統(tǒng)中只有部分設(shè)備采用冗余模式。如圖3所示，該系統(tǒng)下只有數(shù)據(jù)處理服務(wù)器采用冗余模式，其他設(shè)備依然使用單連璐模式。在實際情況下，由于科研經(jīng)費以及設(shè)備的可靠性程度差異較大，比如遙測天線和接收機的成本要比用于數(shù)據(jù)處理的臺式機成本高得多，并且可靠性也高出不少，因此將數(shù)據(jù)處理服務(wù)器進行冗余備份，能夠明顯提高系統(tǒng)的總體可靠性，并且所需成本也最為適當。簡而言之，部分冗余鏈路模式主題思路就是將系統(tǒng)中可靠性低的設(shè)備冗余備份，以提高整個系統(tǒng)的整體可靠性。部分冗余鏈路模式的可靠性介于單鏈路模式和完全冗余鏈路模式之間。

圖3 部分冗余鏈路模式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

總體來說，相比于完全冗余鏈路模式，部分冗余鏈路模式顯的更為靈活，操作方便，可行性高，是未來新型系統(tǒng)的主要發(fā)展方向。

此外，冗余鏈路帶來的一個問題就是最佳源選擇，如何快速的在各個數(shù)據(jù)鏈路上進行切換，而又不影響遙測數(shù)據(jù)的準確性和及時性是接下來需要解決的又一個問題。本文分析如圖2和圖3所示的兩種常用冗余鏈路模式，它們的最佳源選擇主要在于視圖驅(qū)動客戶端對數(shù)據(jù)服務(wù)器的選擇。顯然傳統(tǒng)的服務(wù)器和客戶端已不能滿足新系統(tǒng)的需求，因此需要重新設(shè)計基于冗余遙測網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)處理服務(wù)器和視圖驅(qū)動客戶端軟件。

3 新型多冗余遙測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的軟件主要由數(shù)據(jù)處理服務(wù)器軟件和視圖驅(qū)動客戶端軟件組成。數(shù)據(jù)處理服務(wù)器的主要功能是獲取接收機數(shù)據(jù)，并依照格式格柵配置文件，對相關(guān)參數(shù)進行解算，最終將解算好的數(shù)據(jù)以及采集參數(shù)的參數(shù)名以組播的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議發(fā)送到視圖驅(qū)動客戶端。根據(jù)設(shè)計需求，新型視圖驅(qū)動客戶端需要在多個數(shù)據(jù)處理服務(wù)器之間進行最佳源選擇，而選擇的依據(jù)就是各個數(shù)據(jù)處理服務(wù)器的處理數(shù)據(jù)性能的好壞。因此，相比于現(xiàn)有前端實時數(shù)據(jù)處理服務(wù)器，新型服務(wù)器不僅發(fā)送參數(shù)名和工程數(shù)據(jù)，還要獲取當前處理的數(shù)據(jù)質(zhì)量狀況，并與飛機信息等組成狀態(tài)信息發(fā)送。該狀態(tài)數(shù)據(jù)包括服務(wù)器名和當前飛機號以及接收到的遙測數(shù)據(jù)質(zhì)量等信息。視圖驅(qū)動客戶端接收到服務(wù)器發(fā)送的狀態(tài)數(shù)據(jù)，從中獲取當前需要顯示的飛機信息，通過判斷遙測數(shù)據(jù)的質(zhì)量好壞，決定使用那一臺服務(wù)器發(fā)送的數(shù)據(jù)，從而獲得最佳源數(shù)據(jù)。結(jié)構(gòu)原理如圖4所示。

圖4 服務(wù)器和客戶端軟件結(jié)構(gòu)原理圖

3.2 服務(wù)器端數(shù)據(jù)質(zhì)量的評估

如何正確評估數(shù)據(jù)處理服務(wù)器處理遙測數(shù)據(jù)的質(zhì)量是系統(tǒng)實現(xiàn)的重要環(huán)節(jié)。正確的評估方法有利于客戶端做出正確的選擇。

目前，評估數(shù)據(jù)質(zhì)量的方法有多種，主要如下兩種：

①獲取遙測接收機中信號的強度信號。一般情況下，信號強度越強，信號質(zhì)量越好，數(shù)據(jù)處理的質(zhì)量也越好。但也不是絕對成立的。這種方法較為簡單，但是并不是所有接收機的信號強度信息都可以獲取，并且部分飛機還存在信號強而質(zhì)量差。因為信號強度只能表征接收數(shù)據(jù)的能力，并不能完全代表數(shù)據(jù)質(zhì)量的好壞。

②統(tǒng)計最近一段時間內(nèi)完整數(shù)據(jù)包的個數(shù)，計算數(shù)據(jù)的瞬時完整率。既然是計算瞬時完整率，則統(tǒng)計的時間不能過長，一般5～10秒鐘就可以了。假設(shè)時間段為△t，則根據(jù)帶頭文件算出來每秒應(yīng)收到的包數(shù)或者短幀數(shù)為M，在△t時間內(nèi)實際接收到完整的數(shù)據(jù)包或者短幀為N。則該飛機在當前服務(wù)器上的瞬時數(shù)據(jù)完整率R的計算公式為：

R=(個/秒)

顯然，瞬時完整率能夠真實的反映在當前服務(wù)器上處理的數(shù)據(jù)質(zhì)量。本文也采用這種評估方法。

3.3 服務(wù)器端軟件設(shè)計

數(shù)據(jù)處理服務(wù)器軟件由數(shù)據(jù)接收、參數(shù)提取、參數(shù)計算與存儲、數(shù)據(jù)發(fā)送以及網(wǎng)絡(luò)通信等模塊組成。其運行流程圖如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)處理服務(wù)器軟件設(shè)計流程圖

軟件接收到PCM數(shù)據(jù)，按PCM帶頭文件規(guī)定的數(shù)據(jù)存放位置，依次提取參數(shù)的碼值，然后通過事先定義的算法將參數(shù)碼值轉(zhuǎn)換成實際物理量，即工程數(shù)據(jù)。服務(wù)器共發(fā)出兩種數(shù)據(jù)，且都采用網(wǎng)絡(luò)UDP組播的方式，一種是包括參數(shù)名和參數(shù)值的工程數(shù)據(jù)，另一種就是該服務(wù)器的狀態(tài)數(shù)據(jù)。工程數(shù)據(jù)只需按規(guī)則打包處理過的數(shù)據(jù)，并使用該服務(wù)器的唯一地址和端口號進行發(fā)送。狀態(tài)數(shù)據(jù)則需要被各個客戶端接收，因此所有服務(wù)器的狀態(tài)數(shù)據(jù)應(yīng)該采用相同的組播地址和端口號。

根據(jù)實際需要，狀態(tài)數(shù)據(jù)應(yīng)該包含以下信息：①同步字和總字長，用于判斷數(shù)據(jù)的合法性和正確性；②飛機號，每架飛機的唯一區(qū)分；③處理系統(tǒng)名稱，所有服務(wù)器的唯一區(qū)分；④數(shù)據(jù)類型，1表示實時，0表示回放；⑤時間字，包括時分秒以及毫秒，判斷數(shù)據(jù)是否延時，保證數(shù)據(jù)的及時性；⑥其他信息。格式如下所示：

typedef struct plane

{

unsigned short Syn; //同步字

unsigned short Length; //總字長

unsigned short Plane_Number; //飛機編號

unsigned short System_Name; //處理系統(tǒng)名稱

unsigned short Date_Type; //數(shù)據(jù)類型 1--實時，0--回放

float Data_Quality; //信號質(zhì)量

float Info[12]; //時間等其他信息

}airplane;

3.4 客戶端設(shè)計

視圖驅(qū)動客戶端是連接數(shù)據(jù)處理服務(wù)器與監(jiān)控軟件的媒介，通過接收服務(wù)器發(fā)送的工程數(shù)據(jù)，然后將各個監(jiān)控軟件的需要的數(shù)據(jù)逐個分發(fā)。傳統(tǒng)客戶端通過設(shè)置接收數(shù)據(jù)的組播地址和端口號，即可接收到指定飛機的工程數(shù)據(jù)。新型客戶端除接收工程數(shù)據(jù)外，還需要接收內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)上的所有服務(wù)器發(fā)送的狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過狀態(tài)數(shù)據(jù)獲取正在處理處理指定飛機數(shù)據(jù)的服務(wù)器及該服務(wù)器數(shù)據(jù)的瞬時完整率，通過對比各個服務(wù)器的數(shù)據(jù)瞬時完整率從而選擇最佳數(shù)據(jù)源。客戶端設(shè)計運行流程圖如圖6所示。

圖6 客戶端設(shè)計流程圖

4 工程應(yīng)用

目前，該新型數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)已經(jīng)在某重點型號試飛監(jiān)控中使用，保障了多個重點科目試飛的順利進行。通過對新系統(tǒng)的測試發(fā)現(xiàn)，采用該系統(tǒng)后，遙測信號中斷次數(shù)有明顯的減少，視圖驅(qū)動客戶端在多個服務(wù)器之間進行最佳源選擇無延時情況。因此，使用結(jié)果表明，系統(tǒng)完全滿足實時監(jiān)控數(shù)據(jù)的正確性和穩(wěn)定性，監(jiān)控質(zhì)量得到了很好的提升。

5 結(jié)束語

本文通過分析現(xiàn)有遙測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的不足之處，提出了一種基于多冗余模式的新型遙測處理系統(tǒng)的設(shè)計方法和思路，并在局域網(wǎng)中驗證了客戶端軟件能夠在多個數(shù)據(jù)源之間快速選擇最優(yōu)數(shù)據(jù)。使用表明多冗余的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)在提高系統(tǒng)運行的可靠性和遙測數(shù)據(jù)的準確性方面有著良好的表現(xiàn)。除此之外，文章還提出了一種評估實時處理服務(wù)器的遙測數(shù)據(jù)質(zhì)量的方法，并給出了相關(guān)公式。隨著型號任務(wù)的不斷增多，以及對飛行安全的重視程度越來越高，該新型系統(tǒng)在未來的飛行試驗中有著廣闊的前景。

[1]張國旺,尚麗娜,祁 春,等.基于混合P2P網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2010(18)：4516-4520.

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DesignofaMulti-redundantTelemetryDataProcessingSystem

Liu Shenghu, Jia Yu, Yang Zhe

(Chinese Flight Test Establishment, Xi’an 710089, China)

In order to solve the problem of low reliability and poor operation in the existing real-time telemetry data processing system, a new type of redundant telemetry data processing system is designed by analyzing the principle and structure of real-time telemetry data processing system. Through to transform the existing system's server and client software, and add the state information interaction between the server and the client software. In addition an efficient telemetry signal evaluation method is proposed and used to realize the real-time monitoring data’s best source selection for the monitoring terminal software. Thus the new system ensuring the telemetry data transmission is stable and reliable. After several flight tests, it shows that the new system fully meets the needs of current flight monitoring and improves the reliability and intelligence of telemetry data processing system, which provides a solid guarantee for flight safety.

flight test, multi redundancy, telemetry data processing system, optimal source selection;

2017-05-01；

2017-05-26。

劉升護(1987-)，男，陜西咸陽人，碩士研究生，工程師，主要從事飛行監(jiān)控與數(shù)據(jù)處理方向的研究。

1671-4598(2017)11-0190-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.11.048

TP302

A