某型遙測(cè)地面站實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

盧長(zhǎng)海，張夢(mèng)堃

(中國(guó)人民解放軍91550部隊(duì)，遼寧 大連 116023)

0 引言

遙測(cè)系統(tǒng)是航空、航天飛行器的重要組成部分，是飛行器不可缺少的重要分系統(tǒng)。在飛行試驗(yàn)的故障分析中，需要從遙測(cè)地面站獲取的遙測(cè)數(shù)據(jù)中查找故障原因，確定故障部位。

遙測(cè)地面站主要用于獲取目標(biāo)飛行器的遙測(cè)參數(shù)[1-2]，經(jīng)遙測(cè)處理終端挑點(diǎn)處理后把關(guān)鍵遙測(cè)參數(shù)送指揮控制中心進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，為地面指揮人員實(shí)時(shí)掌握目標(biāo)飛行器的飛行狀態(tài)、飛行軌跡提供關(guān)鍵信息。由于飛行試驗(yàn)的不可逆、高消耗等特點(diǎn)，快速、可靠地對(duì)飛行遙測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理對(duì)試驗(yàn)任務(wù)來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，是確保飛行試驗(yàn)安全、縮短研制周期、保證飛行試驗(yàn)成功的重要手段。同時(shí)，由于關(guān)鍵參數(shù)的實(shí)時(shí)解析，為裝備操作手提供了直觀的目標(biāo)飛行狀態(tài)和飛行軌跡，對(duì)丟失目標(biāo)后的重新捕獲奠定了基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)組成與功能

遙測(cè)地面站主要由天線和信道部分、遙測(cè)接收基帶和遙測(cè)解密預(yù)處理單元、GNSS外測(cè)分系統(tǒng)和對(duì)外數(shù)據(jù)交互和軌跡顯示監(jiān)控臺(tái)組成，如圖1所示。系統(tǒng)基于以太網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)的PCM數(shù)據(jù)流進(jìn)行數(shù)據(jù)存盤、全幀數(shù)據(jù)顯示、挑路數(shù)據(jù)的顯示以及關(guān)鍵參數(shù)解析、參數(shù)閾值自動(dòng)判決、參數(shù)的列表顯示和曲線顯示等功能。GNSS分系統(tǒng)用于接收遙測(cè)分路的衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)，包括偽距、偽距變化率、載波相位等信息，經(jīng)差分解算完成目標(biāo)定位、測(cè)速信息。若含有遙測(cè)圖像信息，視頻原始數(shù)據(jù)流經(jīng)挑點(diǎn)送視頻解碼設(shè)備恢復(fù)出每秒25幀的模擬視頻信息。

圖1 實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)的組成框圖

2 系統(tǒng)特點(diǎn)

2.1 實(shí)時(shí)性強(qiáng)[3]

遙測(cè)地面站作為外場(chǎng)主要測(cè)控裝備，是測(cè)量數(shù)據(jù)的重要來(lái)源，其特點(diǎn)是處理和測(cè)量同時(shí)進(jìn)行，要求處理速度快、處理方法盡量簡(jiǎn)單。特別是特征點(diǎn)參數(shù)的判讀，目標(biāo)飛行狀態(tài)的顯示及艙內(nèi)、外視頻圖像的實(shí)時(shí)傳遞，為飛行指揮、控制提供決策支撐。

2.2 信息量大

目前飛行器被測(cè)參數(shù)多達(dá)上千個(gè)，參數(shù)種類繁多，遙測(cè)傳輸碼率普遍達(dá)到5～10 Mb/s，一個(gè)全幀大于16 KB，數(shù)據(jù)傳輸對(duì)裝備內(nèi)、外網(wǎng)傳輸造成一定的壓力，若根據(jù)實(shí)時(shí)傳遞周期50 ms，每?jī)蓚€(gè)全幀數(shù)據(jù)一包發(fā)送會(huì)造成丟包現(xiàn)象。為解決該問題，需要從軟硬件兩方面著手，硬件方面把遙測(cè)接收、傳輸、處理通過同一高性能網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互；軟件方面在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中要考慮避免軟件嵌套，采用事件機(jī)制、多線程處理、大包分片等處理流程。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 軟件設(shè)計(jì)需求

為兼顧多種型號(hào)任務(wù)的實(shí)時(shí)處理需求，實(shí)時(shí)處理功能模塊要盡可能做到通用化，所以需采用模塊化設(shè)計(jì)，使用統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)，方便系統(tǒng)功能擴(kuò)展及二次開發(fā)。對(duì)各軟件通用功能需進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)計(jì)、各功能模塊單獨(dú)封裝，功能模塊不進(jìn)行功能組合，采用獨(dú)立模塊、獨(dú)立功能方式設(shè)計(jì)[4]。軟件采用C/S架構(gòu)，可單機(jī)應(yīng)用，也可實(shí)現(xiàn)基于網(wǎng)絡(luò)的處理服務(wù)及多客戶端顯示形式的分布式升級(jí)拓展。圖2所示為該遙測(cè)處理軟件結(jié)構(gòu)圖。

圖2 遙測(cè)處理軟件結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)配備數(shù)據(jù)分發(fā)子系統(tǒng)，可將處理前或者處理后的參數(shù)/數(shù)據(jù)塊以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或者廣播的形式分發(fā)，將部分參數(shù)分配給其他計(jì)算機(jī)處理，也有利于相關(guān)數(shù)據(jù)分配各個(gè)專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行獨(dú)立數(shù)據(jù)處理顯示。如果部分?jǐn)?shù)據(jù)需要用到用戶自己專業(yè)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，通過此方法也可方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)接。

3.2 數(shù)據(jù)處理需求

遙測(cè)參數(shù)可分為事件參數(shù)、模擬參數(shù)和數(shù)字量參數(shù)三類。事件參數(shù)又稱為時(shí)間參數(shù)，反映事件的發(fā)生及發(fā)生時(shí)刻。模擬參數(shù)習(xí)慣上分為緩變參數(shù)和速變參數(shù)。按國(guó)軍標(biāo)《遙測(cè)系統(tǒng)術(shù)語(yǔ)》(GJB727-89)的定義，緩變參數(shù)通常指信號(hào)變化頻率低于10 Hz的遙測(cè)參數(shù)[1-2]。速變參數(shù)一般可分為振動(dòng)參數(shù)、沖擊參數(shù)、脈動(dòng)壓力參數(shù)和噪聲參數(shù)等，其中振動(dòng)參數(shù)又包括低頻振動(dòng)、高頻振動(dòng)和POGO振動(dòng)參數(shù)[4]。數(shù)字量參數(shù)指數(shù)字化的信息，如計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)據(jù)、圖像以及以頻率反映參數(shù)值的信號(hào)。

實(shí)時(shí)處理由于通信帶寬等條件限制，實(shí)時(shí)處理參數(shù)也受到一定限制，一般只對(duì)時(shí)間指令參數(shù)和計(jì)算機(jī)字等進(jìn)行處理，其他緩變參數(shù)只進(jìn)行挑點(diǎn)處理[5]。速變參數(shù)在數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理中一般不做要求，因此本文不涉及速變參數(shù)處理。

時(shí)間指令參數(shù)是反映某一事件或控制指令是否發(fā)生及發(fā)生時(shí)刻的參數(shù)，如火箭起飛觸點(diǎn)接通時(shí)間、耗盡關(guān)機(jī)信號(hào)時(shí)間及爆炸螺栓起爆時(shí)間等；另一個(gè)是控制系統(tǒng)發(fā)出控制命令時(shí)間,如發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火指令時(shí)間、星箭分離指令時(shí)間和發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)時(shí)間等。

指令參數(shù)通常有電平跳變類型指令、位控類型指令和數(shù)字量指令等表現(xiàn)形式。

遙測(cè)數(shù)據(jù)分路后，每路模擬量、幀計(jì)數(shù)等參數(shù)在任一時(shí)刻對(duì)應(yīng)的數(shù)值均為0～255之中的一個(gè)十進(jìn)制數(shù)，將其稱為分層值，用X表示。

模擬量的計(jì)算公式為：Y=A1X+A0，其中Y為被測(cè)模擬量信號(hào)，A1、A0為公式的系數(shù)。

數(shù)字量參數(shù)也叫計(jì)算機(jī)字[1]，指采用數(shù)字計(jì)算機(jī)進(jìn)行制導(dǎo)計(jì)算的飛行器，在飛行中將彈上計(jì)算機(jī)計(jì)算的秒節(jié)點(diǎn)時(shí)間、特征點(diǎn)時(shí)刻、視速度、視位置、姿態(tài)角等結(jié)果，以一定速率經(jīng)數(shù)字變換器送給遙測(cè)系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)字的處理一般按照專用遙測(cè)參數(shù)處理要求和方法進(jìn)行，通常按照字拼接、字識(shí)別、參數(shù)計(jì)算等幾個(gè)步驟進(jìn)行。

3.3 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

遙測(cè)實(shí)時(shí)處理軟件功能模塊組成框圖如圖3所示，包含遙測(cè)數(shù)據(jù)收發(fā)模塊，數(shù)據(jù)挑路處理模塊，模擬量、開關(guān)量、數(shù)字量處理模塊以及物理量恢復(fù)模塊等，根據(jù)實(shí)時(shí)任務(wù)特點(diǎn)進(jìn)行配置。

圖3 實(shí)時(shí)處理軟件功能模塊組成框圖

軟件采用多線程機(jī)制[6]，遙測(cè)信息接收與數(shù)據(jù)處理、挑點(diǎn)發(fā)送分屬不同線程并行執(zhí)行。通過單寫多讀鎖機(jī)制來(lái)完成讀寫線程同步，接收端采用網(wǎng)絡(luò)事件機(jī)制來(lái)獲取網(wǎng)卡讀數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)通知，發(fā)送端依據(jù)時(shí)碼板中斷信息發(fā)送處理后的挑點(diǎn)數(shù)據(jù)。這些手段的采用，保證了遙測(cè)挑點(diǎn)信息的快速處理與實(shí)時(shí)傳遞。關(guān)鍵代碼如下：

typedefstructSingleWriterMultiReaderGuard {

HANDLE hMutexNoWriter;

HANDLE hEventNoReaders;

HANDLE hSemNumReaders;

} SWMRG,*PSWMRG;

//讀寫鎖

c_SWMRG.SWMRGWaitToRead()

c_SWMRG.SWMRGDoneReading()

c_SWMRG.SWMRGWaitToWrite()

c_SWMRG.SWMRGDoneWriting()

//多線程處理

CWinThread* m_pRecvThread;

CWinThread* m_pSendThread;

CWinThread* m_pProcessThread;

CWinThread* m_pUIThread;

3.3.1 全幀數(shù)據(jù)整理

實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)根據(jù)接收遙測(cè)全幀結(jié)構(gòu)來(lái)處理幀數(shù)據(jù)，首先根據(jù)副幀同步碼(如0x146F)來(lái)確認(rèn)全幀結(jié)構(gòu)的第一個(gè)處理子幀。設(shè)子幀長(zhǎng)度為L(zhǎng)FSP，時(shí)碼長(zhǎng)度為L(zhǎng)T，讀取長(zhǎng)度為L(zhǎng)FSP+LT的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，若搜索到同步碼，則標(biāo)識(shí)為1，若搜到同步碼反碼，則標(biāo)識(shí)為0。

子幀計(jì)數(shù)是子幀中專門用來(lái)計(jì)數(shù)的數(shù)據(jù)字，為循環(huán)計(jì)數(shù)，通常分為高、低位或高、中、低位。以高、低位0～255 循環(huán)計(jì)數(shù)為例，幀計(jì)數(shù)低位SL取值從0開始至255 后歸零；幀計(jì)數(shù)高位SH取值從0開始，當(dāng)幀計(jì)數(shù)低位歸零一次后，SH遞增1。從圖形上看，幀計(jì)數(shù)低位呈現(xiàn)鋸齒狀，幀計(jì)數(shù)高位呈現(xiàn)臺(tái)階狀。聯(lián)合幀計(jì)數(shù)信息一是可以確認(rèn)全幀是否正常解密，二是可以明確是否為完整全幀。

3.3.2 挑點(diǎn)參數(shù)的處理

采用通用遙測(cè)挑點(diǎn)技術(shù)，應(yīng)用軟件通過加載不同的遙測(cè)參數(shù)配置，可以方便地完成包括子幀、副幀和特殊副幀等不同挑路類型以及模擬量、數(shù)字量和開關(guān)量等不同數(shù)據(jù)類型的遙測(cè)參數(shù)挑路[7]。對(duì)于模擬量、開關(guān)量一般按副幀參數(shù)處理，在遙測(cè)幀的固定位置通過子幀波道號(hào)和副幀波道號(hào)挑點(diǎn)，按分層值恢復(fù)物理量。在挑點(diǎn)過程中，首先讀取挑點(diǎn)配置文件信息，根據(jù)配置的幀結(jié)構(gòu)信息，確定主幀長(zhǎng)、副幀長(zhǎng)、主副幀的同步碼，先找到副幀同步碼組所在的子幀，判斷其下一個(gè)子幀同步碼是否為主幀同步碼，這樣得到一個(gè)全幀的第一子幀，按照幀結(jié)構(gòu)信息判斷是否是一個(gè)完整全幀。

視頻數(shù)據(jù)和部分特殊數(shù)字量信息大都占用多個(gè)遙測(cè)波道，經(jīng)挑路處理后通過網(wǎng)絡(luò)送圖像解碼器或?qū)Ｓ媒邮战K端進(jìn)行恢復(fù)處理，比如某些GNSS數(shù)據(jù)。

數(shù)字量參數(shù)處理情況比較復(fù)雜一些。首先，讀取挑點(diǎn)參數(shù)配置文件信息，除了幀結(jié)構(gòu)信息外，還需要知道幾種類型的數(shù)字量和每個(gè)數(shù)字量的長(zhǎng)度，以及分別所占的波道以及幀頭、幀尾信息和參數(shù)特征字。然后對(duì)全部波道按子幀波道進(jìn)行重新組幀，若遙測(cè)幀有連續(xù)多個(gè)填充信息，還需根據(jù)數(shù)據(jù)處理要求對(duì)遙測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，去掉填充內(nèi)容，否則易造成挑出數(shù)字量信息位置錯(cuò)亂，若填充信息出現(xiàn)在幀頭里面，則會(huì)造成挑點(diǎn)數(shù)據(jù)無(wú)有效信息。經(jīng)過預(yù)處理后，再通過數(shù)字量包含的幀頭信息和數(shù)字量長(zhǎng)度，讀取一個(gè)完整的數(shù)字量幀，經(jīng)過對(duì)幀尾的檢驗(yàn)和全幀的校驗(yàn)和判斷，找到所需要的數(shù)字量幀，這樣就可以根據(jù)特征字信息對(duì)該幀進(jìn)行解析分解，分解處理流程如圖4所示。注意在解析過程中還要判斷是否有分幀信息、是否需要解密、傳輸是大端模式還是小端模式，這些都需要在飛行試驗(yàn)前進(jìn)行確認(rèn)。

圖4 數(shù)字量處理流程圖

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

系統(tǒng)建成后經(jīng)過在實(shí)驗(yàn)室模擬測(cè)試和遙測(cè)地面站測(cè)試，實(shí)時(shí)處理軟件主要功能滿足設(shè)計(jì)要求，在對(duì)外實(shí)時(shí)傳輸測(cè)試中，主要對(duì)軟件的健壯性、數(shù)據(jù)丟包率和傳輸時(shí)延進(jìn)行測(cè)試。在測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，若用數(shù)據(jù)時(shí)間作為對(duì)外傳輸狀態(tài)碼的判斷依據(jù)，有發(fā)送狀態(tài)碼無(wú)效情況。經(jīng)問題排查，主要由下面兩方面原因引起：一是遙測(cè)基帶按全幀發(fā)送策略，發(fā)送之前需要全幀整理，因此網(wǎng)絡(luò)發(fā)送時(shí)間有隨機(jī)性，不完全按照幀頻信息發(fā)送，造成數(shù)據(jù)處理快于數(shù)據(jù)接收，在等待新數(shù)據(jù)包情況下，顯示遙測(cè)狀態(tài)為失鎖；二是由于實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)類型多樣，有時(shí)該幀可能沒有有效數(shù)據(jù)，這樣就造成狀態(tài)碼無(wú)效，但此時(shí)遙測(cè)鎖定正常，因此未能實(shí)時(shí)反映裝備狀態(tài)。在改進(jìn)版本中，在發(fā)送端采用接收數(shù)據(jù)包作為判斷依據(jù)，若遙測(cè)數(shù)據(jù)處理終端未收到新的遙測(cè)數(shù)據(jù)包則繼續(xù)發(fā)送前一幀信息，若數(shù)據(jù)沒有更新，則需將發(fā)送狀態(tài)置無(wú)效。經(jīng)模擬測(cè)試和飛行試驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)滿足實(shí)時(shí)性要求，丟包率和對(duì)外傳輸時(shí)延滿足網(wǎng)絡(luò)傳輸要求。數(shù)據(jù)處理軟件界面如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理軟件部分界面

5 結(jié)論

該遙測(cè)實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)完成了關(guān)鍵參數(shù)的采集、處理、顯示、存儲(chǔ)及網(wǎng)絡(luò)收發(fā)等功能，為目標(biāo)飛行器提供實(shí)時(shí)監(jiān)控和顯示，并給出相應(yīng)的快速判決結(jié)果。實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)把遙測(cè)解密后的明文數(shù)據(jù)按實(shí)時(shí)顯現(xiàn)要求，把模擬量、開關(guān)量、數(shù)字量、衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)流等分路挑出，其中關(guān)鍵遙測(cè)參數(shù)和數(shù)字量信息經(jīng)重新組幀，按照約定信息格式通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給指揮控制中心。目前該系統(tǒng)已在多個(gè)型號(hào)的飛行試驗(yàn)中得到驗(yàn)證，系統(tǒng)根據(jù)參數(shù)閾值自動(dòng)判決，在目標(biāo)發(fā)生故障隱患時(shí)，可及時(shí)做出異常提醒，為決策提供依據(jù)，縮短研制周期、保證飛行試驗(yàn)安全。