PCM體制衛(wèi)星遙測幀全分類提取方法

閆 蕾，董 房

(上海衛(wèi)星工程研究所，上海 201109)

0 引言

衛(wèi)星是個系統(tǒng)工程，是由多個平臺保障分系統(tǒng)和有效載荷分系統(tǒng)有機組成的整體，不同的分系統(tǒng)又由不同專業(yè)院所承制[1]。隨著衛(wèi)星研制技術(shù)發(fā)展，衛(wèi)星功能不斷豐富，參研單位越來越多，尤其是大型衛(wèi)星，能夠提供的工程遙測數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)遙測數(shù)據(jù)的類別和數(shù)量都大大增多。不同分系統(tǒng)院所的設(shè)計師在進行遙測數(shù)據(jù)分析時，目標遙測數(shù)據(jù)不同，在衛(wèi)星廠房電測試期間，不同分系統(tǒng)設(shè)計師也重點關(guān)注本系統(tǒng)的遙測數(shù)據(jù)。現(xiàn)有衛(wèi)星綜合測試系統(tǒng)可實現(xiàn)以統(tǒng)一的方式接收和處理遙測數(shù)據(jù)[2]，但無法將不同種類的遙測數(shù)據(jù)進行分類后提供給特定分系統(tǒng)的設(shè)計師或院所單位，在進行原碼檢查時，設(shè)計師每次需要對整個遙測原碼進行查看和分析，效率低下。

本文以航天八院某衛(wèi)星型號的用戶需求為背景，從PCM衛(wèi)星遙測幀的結(jié)構(gòu)特征入手，提煉適用于我國現(xiàn)有的采用PCM遙測體制的所有衛(wèi)星遙測幀的分類提取方法，并以大數(shù)據(jù)量處理、高效率提取為性能目標，實現(xiàn)快速滿足不同用戶對不同類別遙測數(shù)據(jù)使用的需求。

圖1 衛(wèi)星遙測類別及下傳方式

1 衛(wèi)星遙測類別及傳輸方式

衛(wèi)星遙測類別及下傳方式如圖1所示。

圖2 各類遙測幀特征結(jié)構(gòu)

實時遙測：星務(wù)系統(tǒng)將實時采集到的衛(wèi)星遙測數(shù)據(jù)組幀后，從測控通道實時下傳至地面系統(tǒng)。

組合回放遙測：星務(wù)系統(tǒng)將某些遙測數(shù)據(jù)組幀后存入存儲遙測數(shù)據(jù)段，包含延時遙測幀、各類打包遙測幀、各類存儲段遙測等。在衛(wèi)星組合回放遙測模式下，與實時遙測幀交替下傳至地面系統(tǒng)[3]。

內(nèi)存下卸遙測：星上收到內(nèi)存下卸指令后，在內(nèi)存下卸遙測模式下傳至地面系統(tǒng)。

數(shù)傳通道遙測：某些特定類別的遙測幀在組幀后存入平臺固存，可包括以上所述的遙測類別，也可包含只存儲在平臺固存中的遙測數(shù)據(jù)。在有效載荷工作時，隨有效載荷數(shù)據(jù)一起從數(shù)傳通道傳輸至地面系統(tǒng)[4]。

2 PCM體制衛(wèi)星遙測幀特征結(jié)構(gòu)

2.1 PCM體制各類遙測幀特征結(jié)構(gòu)

采用PCM遙測體制的衛(wèi)星型號，由若干PCM遙測體制標準遙測格式的遙測幀形成整星遙測方案。PCM遙測幀幀長固定，通過幀復用的方式，實現(xiàn)不同遙測幀數(shù)據(jù)下傳。具有以下特點：

(1)幀同步字、幀長、幀識別字，均由衛(wèi)星總體定義和分配，在衛(wèi)星全生命周期固定且唯一。幀同步字用于識別一幀的開端；幀長代表一幀數(shù)據(jù)的長度；各類遙測幀識別字，用于識別幀遙測類別的標識字。

(2)實時遙測幀、延時遙測幀，幀格式的編排由幀計數(shù)決定，同一計數(shù)下幀格式編排固定[5]。通過衛(wèi)星遙測周期，將整星遙測按幀計數(shù)循環(huán)遍歷組幀發(fā)送至地面系統(tǒng)，提供給設(shè)計師進行衛(wèi)星狀態(tài)分析。

(3)其余類別的遙測幀，均為來自衛(wèi)星多個源端單元，同一種數(shù)據(jù)類別，其遙測幀的結(jié)構(gòu)及編排都相同，因此遙測幀中無遙測幀計數(shù)一項，不同類別的遙測，通過遙測數(shù)據(jù)識別字來區(qū)分[6]。

由此，可得出各類遙測幀的特征結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2中W代表一個碼字，其下標代表遙測碼組在遙測幀中的起始位置和終止位置；WN為該遙測幀的最后一個字節(jié)；“……”代表除特征碼字外的其他碼字。該說明對表1同樣適用，下文不再重復。

2.2 PCM體制通用遙測幀特征結(jié)構(gòu)

由各類遙測幀特征結(jié)構(gòu)可看出，在PCM遙測體制下，不論是哪種類型的遙測幀，都有以下共性特點：

(1) 衛(wèi)星型號的所有類別遙測數(shù)據(jù)的幀同步字、幀長都相同；

(2) 通過幀同步字可定位一幀遙測數(shù)據(jù)的開始；

(3) 通過遙測幀數(shù)據(jù)識別字可判斷該幀遙測數(shù)據(jù)的具體類別；

(4) 通過遙測幀長便可獲取到該幀數(shù)據(jù)的所有內(nèi)容。

由此，可得出PCM遙測體制下，通用的遙測特征結(jié)構(gòu)，見表1。

表1 PCM體制衛(wèi)星通用遙測幀特征結(jié)構(gòu)

3 PCM體制衛(wèi)星遙測幀分類提取

3.1 遙測幀分類提取基本條件

從PCM遙測體制通用衛(wèi)星遙測幀特征結(jié)構(gòu)可得出，要提取特定類別的遙測幀，需提供以下基本參數(shù)：

(1)幀同步字：在遙測數(shù)據(jù)中，標志著一幀遙測幀的起始；

(2)遙測幀識別字：標志該遙測幀的類別[7]；

(3)遙測幀識別字的位置：用以定位遙測幀識別字在一幀遙測幀中的起始位置；

(4)遙測幀識別字的長度：表示遙測幀識別字的字段長度；

(5)遙測幀長：可獲取一幀遙測的所有數(shù)據(jù)。

以上五項基本參數(shù)，就具備了遙測數(shù)據(jù)中定位并提取出特定類別遙測幀的條件[8]。

3.2 遙測數(shù)據(jù)的輸入輸出流分析

不論是測控通道還是數(shù)傳通道下傳的衛(wèi)星遙測數(shù)據(jù)，都是以二進制衛(wèi)星原碼的形式傳輸至地面測試系統(tǒng)。在算法實現(xiàn)中，需使用文件輸入輸出流讀取遙測原碼文件內(nèi)容，調(diào)用文件I/O函數(shù)從文件流中讀取二進制數(shù)據(jù)[9]，將遙測數(shù)據(jù)文件加載至數(shù)據(jù)流緩沖區(qū)中進行數(shù)據(jù)處理。提取出的遙測數(shù)據(jù)同樣要調(diào)用文件I/O函數(shù)，以二進制文件流的形式，將同一類別的遙測數(shù)據(jù)存儲在同一數(shù)據(jù)文件中。遙測原碼輸入和輸出過程如圖3所示。

圖3 遙測原碼數(shù)據(jù)輸入輸出過程

3.3 遙測幀高效分類提取算法分析

在提供五項基本參數(shù)后，便可開始對遙測數(shù)據(jù)進行分類提取，詳細流程如圖4所示。

圖4 遙測幀分類提取算法流程

本算法基于已知參數(shù)的處理流程，具有極大提升處理效率的特點：

(1)已知的遙測幀識別字位置參數(shù)、長度參數(shù)：對于一幀遙測幀，從遙測幀識別字的偏移位置直接讀取識別字長度字節(jié)的數(shù)據(jù)，即為該幀的識別字，以判斷是否為目標類別的遙測幀；

(2)已知的遙測幀長參數(shù)：其一，可判斷若當前搜索位置之后的數(shù)據(jù)長度小于遙測幀長，則表明當前位置之后無有效遙測幀，流程結(jié)束；其二，對定位到的目標類別遙測幀，選取同步字位置處開始的幀長長度的數(shù)據(jù)，即為完整遙測幀數(shù)據(jù)；其三，若根據(jù)標識字判斷出不是目標類別的遙測幀，則直接根據(jù)幀長跳過該幀數(shù)據(jù)。

以典型的256 B一幀的星上遙測為例，假設(shè)待處理數(shù)據(jù)量為N幀數(shù)據(jù)，需要提取的遙測類別數(shù)量為M種，算法處理一個字節(jié)為原子操作。根據(jù)流程圖，提取完所有目標類別遙測幀，處理算法的時間復雜度為：

T(N)=O(NM)

式中，T表示算法時間復雜度；N表示遙測數(shù)據(jù)量；M表示要提取的遙測種類數(shù)量。

3.4 通用化及自動化設(shè)計

為滿足不同遙測模式及不同型號的應用，可通過外部配置文件的形式進行通用化設(shè)計，將具有型號差異的四項基本參數(shù)的設(shè)置與算法剝離，定義在外部配置文件中，由程序加載至流程內(nèi)部處理。

還可將遙測幀識別字和遙測幀類別名稱進行關(guān)聯(lián)配置，自動將目標遙測數(shù)據(jù)存儲在對應的遙測類別名稱命名的文件中，免除人工操作。

通過通用化和自動化設(shè)計，可實現(xiàn)在PCM體制衛(wèi)星型號中的廣泛應用，并極大提升用戶體驗。

4 試驗分析

為了驗證本文方法的有效性和先進性，使用C#語言編程實現(xiàn)了本文的方案，并對傳統(tǒng)遙測數(shù)據(jù)提取方法和本文方法分別進行了試驗。

試驗中，選用航天八院某典型的遙測幀長為256 B的PCM體制衛(wèi)星型號實際電測試過程中的遙測數(shù)據(jù)，具體如表2所示。

表2 試驗使用的某衛(wèi)星型號遙測數(shù)據(jù)

使用的硬件條件為普通辦公計算機，配置為：Intel Core i5 3.20 GHz處理器，2 GB內(nèi)存，運行Windows XP操作系統(tǒng)[9]。

4.1 傳統(tǒng)PCM遙測幀提取試驗

目前，工程上使用BES軟件獲取目標遙測數(shù)據(jù)，先進行不等長幀處理，再輸出目標數(shù)據(jù)。該方法一次只能提取一種遙測數(shù)據(jù)，且只能查找?guī)筋^后緊跟幀識別的情況，若中間有其他數(shù)據(jù)，該軟件便無法處理。

本試驗選用的衛(wèi)星型號幀同步字后緊跟幀識別字，使用傳統(tǒng)方法提取目標遙測幀，具體步驟如下：

(1)設(shè)置不等長幀前導碼(包含幀同步頭、幀識別字)、不等長幀數(shù)據(jù)存儲路徑等信息。試驗得出本步驟平均時間為12.02 s。

(2)在原始數(shù)據(jù)文件中從頭至尾逐個字節(jié)遍歷搜索前導碼，并以其作為第一行按順序排列。本步驟中，原始文件大小是影響搜索時間的最主要因素，試驗結(jié)果如表3所示。

(3)設(shè)置輸出數(shù)據(jù)的起始位置、結(jié)束位置(幀長)、輸出路徑等信息。試驗得出本步驟平均時間為16.97 s。

(4)輸出目標遙測數(shù)據(jù)幀。本步驟中，目標遙測幀數(shù)量和遙測幀長相對于整個原始文件數(shù)據(jù)而言，數(shù)據(jù)量太小，輸出時間相對人工配置時間來說，實際可忽略不計，試驗結(jié)果如表3所示。

表3 傳統(tǒng)方法提取和輸出時間試驗結(jié)果

以上方法每提取一種類別的數(shù)據(jù)，都需循環(huán)進行步驟(1)～步驟(4)。因此，提取目標遙測數(shù)據(jù)所需的時間為：

T=(T1+T2+T3+T4)×M

式中，T表示總時間；T1表示步驟(1)時間；T2表示步驟(2)時間；T3表示步驟(3)時間；T4表示步驟(4)時間；M表示要提取的遙測種類數(shù)量。

由以上分析和試驗結(jié)果可得出：

(1)傳統(tǒng)方法不可避免的人工配置時間為T0=T1+T3=12.02 s+16.97 s=28.99 s；

(2)從數(shù)傳通道遙測數(shù)據(jù)中，提取出1種遙測數(shù)據(jù)所用平均時間為T=T0+32.98 s+0.66 s=62.63 s；提取出其中包含的12種數(shù)據(jù)，則所用時間為12×62.63 s=751.56 s；

(3)每天的衛(wèi)星加電遙測數(shù)據(jù)中，提取出1種遙測數(shù)據(jù)所需時間平均為T=T0+1.34 s+0.45 s=30.78 s；將平均包含的9種遙測數(shù)據(jù)全部分類提取，所需時間為T=9×30.78 s=277.02 s。

4.2 本文全分類提取方法

本文方法通過通用化和自動化設(shè)計，一方面，省去了人工配置的時間，人工配置的時間可忽略不計，處理時間為算法搜索和輸出的時間；另一方面，本方法無需依賴幀同步頭與幀識別字的位置關(guān)系，只要在配置文件中定義了幀結(jié)構(gòu)，均可完成提取。

下面對本方法進行固定遙測數(shù)據(jù)、固定提取類別、全類別提取3種模式的試驗。

4.2.1試驗一：固定遙測數(shù)據(jù)模式

在該試驗模式中，選用該衛(wèi)星型號1天的數(shù)傳通道遙測數(shù)據(jù)文件，將提取的遙測種類從1種依次增加到12種，統(tǒng)計提取出的數(shù)據(jù)量和提取時間并計算平均值，試驗結(jié)果如表4、圖5所示。

從以上試驗結(jié)果可得出：

(1)提取出1種遙測數(shù)據(jù)，平均提取出的數(shù)據(jù)量為2.19 MB，平均提取時間僅為8.2 s；

(2)提取出全部12種數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量為26.1 MB，提取時間僅為53.3 s；

(3)平均提取13.60 MB數(shù)據(jù)量，所用時間為29.52 s；

(4)提取出的數(shù)據(jù)量(X)和提取時間(Y)成線性相關(guān)。

4.2.2試驗二：固定提取類別數(shù)量模式

在該試驗模式中，使用該衛(wèi)星型號5天的測控通道遙測數(shù)據(jù)，每個文件分類提取5種遙測。試驗結(jié)果如表5所示。

數(shù)據(jù)名稱總數(shù)據(jù)量/MB提取數(shù)據(jù)量/MB處理時間/s數(shù)據(jù)111.17.1112.44數(shù)據(jù)211.04.848.42數(shù)據(jù)314.14.778.30數(shù)據(jù)417.40.801.62數(shù)據(jù)514.13.546.33平均值13.544.217.42

從以上試驗結(jié)果可得出，每天的遙測數(shù)據(jù)文件平均大小為13.54 MB，僅提取5類遙測幀的情況下，可平均提取4.51 MB數(shù)據(jù)量，所用時間僅為7.42 s。

4.2.3試驗三：遙測類別全提取模式

在該試驗模式中，同樣使用5天的測控通道遙測數(shù)據(jù)，將每個文件中所有類別的遙測全部分類提出，試驗結(jié)果如表6所示。

從以上試驗結(jié)果可得出：

(1)數(shù)據(jù)5包含的遙測類別最多，共有11種，將所有遙測全部分類提取，提取出的數(shù)據(jù)量為8.04 MB，時間僅為14.16 s；

(2)數(shù)據(jù)1包含的遙測類別最少，共有6種，將所有遙測全部分類提取，提取出的數(shù)據(jù)量總計為8.74 MB，時間僅為15.25 s；

表6 遙測全類別提取模式試驗結(jié)果

(3) 每天的衛(wèi)星加電遙測數(shù)據(jù)文件中包含遙測類別平均為9種，將其全部分類提取，提取出的數(shù)據(jù)量平均為7.01 MB，所需時間平均僅為12.39 s。

5 結(jié)論

本文針對PCM體制的衛(wèi)星遙測數(shù)據(jù)，從通用遙測幀特征結(jié)構(gòu)分析、遙測數(shù)據(jù)幀分類提取基本條件、遙測數(shù)據(jù)輸入輸出流分析、遙測數(shù)據(jù)高效分類提取算法分析、通用化及自動化設(shè)計五個方面著手，提出了PCM體制衛(wèi)星遙測幀全分類提取方法。通過試驗表明，本文所設(shè)計方法，能夠一次性快速分類提取大數(shù)據(jù)量、多通道來源的遙測數(shù)據(jù)，可滿足不同用戶對不同類別遙測數(shù)據(jù)的使用需求，極大提升衛(wèi)星遙測數(shù)據(jù)分析效率。