載人運(yùn)載火箭最大化利用有限遙測容量的方法研究

魏 來，嚴(yán) 帥，陳 浩，林 涓，王曉鵬

（北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076）

0 引 言

CZ-2F運(yùn)載火箭是中國唯一的載人運(yùn)載火箭型號，自1999年以來已連續(xù)完成15次飛行試驗任務(wù)，火箭遙測系統(tǒng)完整正確地獲取了任務(wù)的飛行數(shù)據(jù)，形成S波段、PCM-FM體制、2Mbps碼率的遙測體制，有效保障了型號的圓滿成功。隨著空間站建設(shè)和航天員長期駐留任務(wù)的開展，載人運(yùn)載火箭仍將繼續(xù)服役，陸續(xù)開展各項研究試驗工作。

“載人航天、人命關(guān)天”，作為最重要的運(yùn)載火箭型號之一，全箭可靠性高于0.97，航天員安全可靠性為0.997，火箭對遙測系統(tǒng)的可靠性提出非常高的要求。同時，隨著日新月異的科技發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步，載人火箭對測量的精細(xì)化，飛行判定的準(zhǔn)確性的需求不斷提高，更多更為準(zhǔn)確的獲取彈箭上測量信息是全面掌握被測對象的最為直接的需求。本文根據(jù)載人運(yùn)載火箭的任務(wù)特點(diǎn)，歸納總結(jié)遙測系統(tǒng)的發(fā)展需求，并結(jié)合當(dāng)前技術(shù)的發(fā)展方向，提出了對載人運(yùn)載火箭最大化利用有限遙測容量的發(fā)展建議。

1 載人運(yùn)載火箭遙測系統(tǒng)容量的特點(diǎn)

1.1 傳輸頻率固定、頻段范圍有限

按照國際無線電聯(lián)盟規(guī)定，S頻段遙測可用帶寬范圍為2200～2390 MHz，共190 MHz，但是中國電信運(yùn)營商占用了其中近一半頻段（4G信號，中國聯(lián)通2300～2320 MHz，中國移動2320～2370 MHz，中國電信2370～2390 MHz），能用于無線測控的頻段僅剩2200～2300 MHz，共計100 MHz帶寬，且該頻段集中了衛(wèi)星、火箭等用戶，帶寬以及用戶的增加使得頻譜資源變得極其緊張，甚至各測控信號之間產(chǎn)生了嚴(yán)重的互相干擾。

載人運(yùn)載火箭飛行任務(wù)參與部門眾多，火箭、飛船、空間站、測控等單位都對頻譜提出需求，國家測控總體部門劃分測控頻段頻率資源的難度越來越大。頻譜資源的稀缺性，使提高頻帶利用率顯得尤為重要。

1.2 速變參數(shù)數(shù)據(jù)量大，采集方法復(fù)雜

載人運(yùn)載火箭遙測參數(shù)中的速變參數(shù)，是指一類變化迅速而不可預(yù)知的信號，其實(shí)質(zhì)是隨機(jī)動態(tài)信息。速變參數(shù)（10～8000 Hz）是相對緩變參數(shù)（0～10 Hz），它具有短期活躍、長期穩(wěn)定的特點(diǎn)。速變信號一般可分為振動、沖擊、噪聲3類信號。從系統(tǒng)容量分析，速變參數(shù)占用了一級82%和二級30%的系統(tǒng)實(shí)時傳輸容量。

此外，還有大量速變參數(shù)數(shù)據(jù)存儲在回收式存儲器中，記錄時間只有200 s，記錄時間短、無法獲得實(shí)時處理結(jié)果、記錄方法落后、事后搜尋困難，各種不足，已無法達(dá)到現(xiàn)階段的火箭飛行需求。

1.3 測量參數(shù)繁多，需求不斷更新

遙測系統(tǒng)的主要工作就是對數(shù)據(jù)采集、處理、傳輸，與火箭各個系統(tǒng)都有相關(guān)的接口要求，參數(shù)種類有數(shù)十種，參數(shù)數(shù)量有上千個。各類參數(shù)按照重要程度分為4檔，Ⅰ類是用于箭上自動診斷火箭飛行狀態(tài)的參數(shù)，Ⅱ類是用于地面判斷火箭飛行狀態(tài)的參數(shù)，Ⅲ類是用于事后評估火箭或逃逸飛行器飛行狀態(tài)的參數(shù)，Ⅳ類是屬于研究性的參數(shù)。

這些參數(shù)數(shù)據(jù)量多，需要進(jìn)行統(tǒng)籌考慮，特別對遙測容量占用較多的參數(shù)，需要研究其處理方式和傳輸方法。同時，隨著技術(shù)進(jìn)步和關(guān)注對象的變化，總體對于火箭的測量需求也在不斷變化和升級，這就需要遙測系統(tǒng)具有一定的靈活性和設(shè)計余量，以便適應(yīng)新的發(fā)展。

2 遙測容量利用率的提升方法研究

2.1 存量信息傳輸模式改為增量信息傳輸模式

在傳統(tǒng)遙測系統(tǒng)架構(gòu)中，箭上數(shù)據(jù)傳輸模式為分級綜合、雙路傳輸，通過兩個相互獨(dú)立的點(diǎn)頻進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，經(jīng)過發(fā)射機(jī)、功放單元、天饋設(shè)備將遙測射頻信號發(fā)出，最終由地面設(shè)備完成信號接收，見圖1。

圖1 遙測系統(tǒng)存量信息傳輸模式架構(gòu)組成Fig.1 Telemetry System Stock Information Transmission Mode Architecture

這種架構(gòu)的優(yōu)勢是利用系統(tǒng)級的并行冗余的通路實(shí)現(xiàn)相同數(shù)據(jù)傳輸，是減少箭上單點(diǎn)失效環(huán)節(jié)、提高測量系統(tǒng)可靠性，確保箭上遙測數(shù)據(jù)可靠獲取的有效途徑。

通過對以往飛行任務(wù)和相似型號的考核，由于載人運(yùn)載火箭的飛行模式和測控體系的完善，過程中雙點(diǎn)頻都能夠采集到數(shù)據(jù)信息，某個點(diǎn)頻單獨(dú)出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的概率較小。隨著任務(wù)的不斷增多，傳統(tǒng)箭上架構(gòu)的弊端逐漸凸顯。在測控體系限制的大背景下，Ⅳ類參數(shù)重復(fù)傳輸?shù)囊饬x降低，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類參數(shù)的冗余傳輸?shù)谋匾陨?。傳統(tǒng)存量信息傳輸模式需要進(jìn)行更改，實(shí)現(xiàn)對增量信息的傳輸，如圖2所示。

圖2 遙測系統(tǒng)增量信息傳輸模式架構(gòu)組成Fig.2 Telemetry System Incremental Information Transmission Mode Architecture

增量信息傳輸模式充分考慮到對傳統(tǒng)架構(gòu)的繼承性，以最小的改動實(shí)現(xiàn)有效數(shù)據(jù)信息的倍增，并具備以下優(yōu)點(diǎn)：

a）不改變現(xiàn)有測控體系、傳輸方式和地面設(shè)備，依然使用AB雙點(diǎn)頻傳輸，但兩者數(shù)據(jù)不再一樣，新的架構(gòu)數(shù)據(jù)量是以前的2倍，各地面接收站的設(shè)備只需按照新的數(shù)據(jù)處理要求將增量信息處理出來即可；

b）核心設(shè)備的改動較小，由于載人運(yùn)載火箭對可靠性和繼承性具有非常高的要求，新的架構(gòu)基本沿用經(jīng)過多次飛行任務(wù)考核過的產(chǎn)品，主要對部分接口電路硬件和軟件進(jìn)行修改，特別是關(guān)鍵的射頻相關(guān)設(shè)備不發(fā)生變化；

c）保留關(guān)鍵信息的冗余雙點(diǎn)頻傳輸方法，新的增量信息傳輸模式依然留出一部分的數(shù)據(jù)通道，用于對遠(yuǎn)置單元、指令、GPS、計算機(jī)字、脈沖數(shù)等重要數(shù)據(jù)進(jìn)行冗余備份傳輸，這些數(shù)據(jù)通過主中心程序器進(jìn)行篩選挑出，然后發(fā)送給副中心程序器；

d）增量信息的充分利用，由于打開了新的數(shù)據(jù)通道，因此可以通過副中心程序器配置更多的新型設(shè)備，依照信號需要，可以新增圖像設(shè)備、參數(shù)測點(diǎn)、外系統(tǒng)數(shù)據(jù)等，提高遙測系統(tǒng)的靈活性和重要性。

2.2 關(guān)鍵信息存儲重發(fā)的準(zhǔn)實(shí)時傳輸模式

運(yùn)載火箭對遙測系統(tǒng)的要求越來越高，特別體現(xiàn)在測量數(shù)據(jù)量大、需盡量全時段獲取數(shù)據(jù)、要求測量實(shí)時性高等方面。在目前限制條件下，這些要求對測量系統(tǒng)的方案相互影響甚至相互制約，也給測量系統(tǒng)設(shè)計增大了難度。例如，遙測系統(tǒng)在船箭分離時刻需要獲取大量的沖擊參數(shù)信息，是判斷載人飛船分離時刻的環(huán)境狀況的重要依據(jù)，屬于短時瞬態(tài)的大數(shù)據(jù)，但是由于遙測容量較小，因此通過存儲重發(fā)變幀機(jī)制實(shí)現(xiàn)該數(shù)據(jù)的獲取和下傳，能夠提高數(shù)據(jù)獲取時段完整性并實(shí)現(xiàn)存儲數(shù)據(jù)準(zhǔn)實(shí)時獲取。存儲重發(fā)時序及幀標(biāo)識如圖3所示。

圖3 存儲重發(fā)時序及幀標(biāo)識Fig.3 Timing Sequence and Frame Identification of Store & Retransmission

存儲重發(fā)由箭上重要產(chǎn)品中心程序器實(shí)現(xiàn)，接收系統(tǒng)起飛及啟動記錄信號，實(shí)現(xiàn)對存儲重發(fā)和變幀格式的控制；中心程序器上電后存儲重發(fā)模塊啟動自檢、擦除，預(yù)留的速變參數(shù)波道實(shí)時采集并傳輸振動傳感器數(shù)據(jù)，全幀幀頭標(biāo)識為“AA”；中心程序器接收到啟動記錄信號后，啟動數(shù)據(jù)存儲，直至存儲空間記滿。當(dāng)接收到“變幀”指令時，全幀幀頭標(biāo)識改為“BB”，開始以固定格式循環(huán)發(fā)送沖擊數(shù)據(jù)，占用以前的振動數(shù)據(jù)波道，實(shí)現(xiàn)對遙測容量的充分利用。

根據(jù)識別幀標(biāo)識可確定存儲和重發(fā)時段。將重發(fā)數(shù)據(jù)和測試模擬輸入源數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，可對重發(fā)數(shù)據(jù)正確性進(jìn)行驗證。

2.3 圖像新型壓縮算法和可變幀率傳輸

載人運(yùn)載火箭是中國第1個實(shí)現(xiàn)圖像測量的火箭型號，圖像測量技術(shù)經(jīng)過近十年的發(fā)展已基本滿足關(guān)鍵動作及工作狀況等方面的監(jiān)測需求。圖像測量技術(shù)需深入研究，不斷拓展其應(yīng)用方向，挖掘其內(nèi)在潛力，更好地發(fā)揮其非接觸、實(shí)時性、高效率等測量優(yōu)勢。

圖像測量技術(shù)逐漸向大視場、高分辨率等方向發(fā)展，必然帶來數(shù)據(jù)量的顯著增加，給遙測信道帶來巨大壓力。如何在保證視頻質(zhì)量的前提下，實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)量圖像數(shù)據(jù)的傳輸，需要研究能夠適應(yīng)測量需求的高效的壓縮算法。

圖像實(shí)時壓縮的特殊性主要表現(xiàn)為：

a）在飛行出現(xiàn)異常時確保圖像質(zhì)量，在圖像突變時算法要有適應(yīng)性；

b）確?？煽啃?，即執(zhí)行任務(wù)時，尤其是出現(xiàn)飛行異常時不允許圖像丟幀；

c）受工業(yè)級處理器性能及器件降額設(shè)計的限制，壓縮算法要具有復(fù)雜度低、計算量少等特點(diǎn)；

d）受遙測信道容量限制，壓縮算法必須有高效率。

圖像壓縮算法應(yīng)根據(jù)圖像傳輸容量、技術(shù)成熟度和圖像質(zhì)量要求進(jìn)行選擇，一般采用H.264算法，并根據(jù)圖像傳輸容量和圖像質(zhì)量要求確定壓縮比。隨著圖像技術(shù)的發(fā)展，H.265算法已日臻成熟。

1.現(xiàn)實(shí)的社會危害?！皟赏比后w的存在具有現(xiàn)實(shí)的社會危害，會導(dǎo)致以下令人擔(dān)憂的嚴(yán)重問題出現(xiàn)：（1）未成年人成為黑惡勢力等犯罪的工具或受害者。由于監(jiān)護(hù)缺位，未成年人極易被黑惡勢力或其他犯罪分子所利用。實(shí)踐中，未成年人成為黑惡勢力犯罪、毒品犯罪、涉財犯罪、強(qiáng)迫組織賣淫犯罪的工具或受害者，這已成為一個相當(dāng)嚴(yán)重的問題；（2）被邪教勢力所侵蝕。未成年人缺乏獨(dú)立判斷是非的能力，在某些利益誘惑下，很容易被洗腦；（3）被暴力恐怖犯罪分子、民族分裂犯罪勢力所利用。在某些地區(qū)，這些敵對勢力已經(jīng)開始在未成年人中培養(yǎng)恐怖分子和分裂勢力。

HEVC/H.265主要針對分辨率從320×240到7680×4320的視頻壓縮，相對于之前的視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)在高分辨率的視頻壓縮上有了較好的補(bǔ)充。HEVC/H.265沿襲了H.26x和MPEG系列基于塊的聯(lián)合預(yù)測熵編碼混合模型，采用了新的編碼基本單元結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)的運(yùn)動估計策略和提高運(yùn)動補(bǔ)償精度，獲得比當(dāng)前的H.264/AVC標(biāo)準(zhǔn)更高的編碼性能和效率，并具備以下特點(diǎn)：

a）壓縮效率更高，相對于H.264/AVC的高檔次， HEVC/H.265在視頻質(zhì)量相同的情況下，比特率更低。

b）支持高分辨率、超高分辨率的視頻圖像格式。

c）支持幀率在20～60 幀/s的視頻圖像編解碼，并像H.264/AVC一樣靈活，支持高達(dá)172 幀/s的幀率。

d）支持低延時編碼模式、全幀內(nèi)編碼模式以及隨機(jī)接入編碼模式，同時支持并行編解碼。

e）具有較好的網(wǎng)絡(luò)友好性和較強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)糾錯恢復(fù)功能，并能根據(jù)要求，較好地平衡復(fù)雜度、視頻質(zhì)量、壓縮效率、糾錯能力以及延時等各個方面。

遙測系統(tǒng)當(dāng)前的攝像裝置的幀率為25 幀/s，但是對于分離等關(guān)鍵動作要求能清晰反映整個過程的圖像數(shù)據(jù)，100 幀/s的高速攝像具有更高的參考價值。由于遙測系統(tǒng)容量有限，采用可變幀的高速圖像傳輸系統(tǒng)是后續(xù)重要的發(fā)展方向。

a）圖像裝置采用攝像壓縮一體化設(shè)計，利用HEVC/H.265算法進(jìn)行圖像壓縮編碼，具備100 幀/s的高速攝像能力；

b）圖像裝置接收遙測系統(tǒng)的起飛信號，按照預(yù)置的飛行時序?qū)Ω鱾€分離時刻開展變幀傳輸，常態(tài)飛行時段采用25 幀/s幀率傳輸，分離時刻的-2～8 s采用100 幀/s高幀率傳輸；

c）箭上中心程序器接收圖像數(shù)據(jù)，對于幀率增多的圖像信息，采用存儲重發(fā)的方式進(jìn)行下傳，提高遙測容量的使用效率。

綜上所述，使用壓縮效率更高的算法，一方面可以節(jié)省當(dāng)前的數(shù)據(jù)通道，另一方面可以進(jìn)一步提高當(dāng)前圖像數(shù)據(jù)的分辨率，使用高清攝像裝置對現(xiàn)有產(chǎn)品進(jìn)行替代，更能通過高速攝像和幀率變換實(shí)現(xiàn)對關(guān)鍵分離時刻數(shù)據(jù)的獲取能力。

2.4 速變參數(shù)數(shù)據(jù)壓縮編碼

為了提高遙測系統(tǒng)容量的有效數(shù)據(jù)占比，遙測系統(tǒng)主要從數(shù)據(jù)壓縮方法對速變參數(shù)進(jìn)行研究。

從壓縮可行性上分析，速變信號具有短時相關(guān)性或緊鄰相關(guān)性，可以借鑒現(xiàn)有的壓縮編碼技術(shù)進(jìn)行實(shí)時壓縮和預(yù)處理。從系統(tǒng)可靠性分析，速變參數(shù)種類僅占全部遙測參數(shù)的10%左右，且大部分為Ⅳ類參數(shù)。從壓縮效果分析，速變參數(shù)能夠取得2∶1的壓縮比，就能為系統(tǒng)節(jié)約30%左右的容量，壓縮的貢獻(xiàn)明顯。

對遙測速變信號的壓縮通?？梢苑譃闊o損壓縮和有損壓縮兩大類。無損壓縮利用數(shù)據(jù)的統(tǒng)計冗余進(jìn)行壓縮，可完全恢復(fù)原始數(shù)據(jù)而不引入任何失真，但壓縮率受到數(shù)據(jù)統(tǒng)計冗余度的理論限制，通常壓縮比不高，一般為2∶1至5∶1。無損壓縮通常用于壓縮對于細(xì)節(jié)特別關(guān)心的數(shù)據(jù)。常用的無損壓縮編碼算法包括哈夫曼編碼、算術(shù)編碼、游程編碼、LZW（Lempel-Ziv-Welch）編碼等。

有損壓縮允許壓縮過程中損失一定的信息，雖然不能完全恢復(fù)原始數(shù)據(jù)，但是所損失的部分對理解原始數(shù)據(jù)的影響較小，卻換來了大得多的壓縮比。常用的有損壓縮編碼有：離散余弦變換（Discrete Cosine Transform，DCT）、小波變換等。

遙測系統(tǒng)在研究各類算法的基礎(chǔ)上提出了一種基于Rice算法的有損壓縮算法，結(jié)果表明，該算法可以滿足系統(tǒng)使用需求。經(jīng)過仿真，本算法可以滿足指標(biāo)要求。以某一段的速變信號為輸入源，圖4為基于Rice算法的有損壓縮前后數(shù)據(jù)波形對比，從圖4可以看出，解壓縮后信號的時域與頻域波形分別與無損壓縮前的波形一致。

圖4 基于Rice算法的有損壓縮前后數(shù)據(jù)波形對比Fig.4 Comparison of Time-domain and Frequency-domain Waveforms of Signals before and after Loss Compression based on Rice Algorithm

2.5 速變參數(shù)預(yù)處理

遙測系統(tǒng)的速變參數(shù)除了占用的通信容量較大之外，還存在一些效費(fèi)比不高的因素。

a）由于速變參數(shù)數(shù)量多，對于其中重要的參數(shù)，遙測系統(tǒng)通過無線信道實(shí)時下傳到地面，此外還有大量的環(huán)境參數(shù)，遙測系統(tǒng)在箭上配置了多臺存儲器，將速變參數(shù)記錄在存儲器中，再從殘骸中回收存儲器，進(jìn)行數(shù)據(jù)事后處理，帶來較大的不確定性和工作難度。

b）所有的速變參數(shù)都是以飛行試驗全程進(jìn)行記錄和傳輸?shù)?，但是每個速變參數(shù)由于其分布的具體位置，具有重點(diǎn)關(guān)注的時段，例如起飛時段、分離時段、發(fā)動機(jī)開關(guān)機(jī)時段、載荷分離時段等。所以遙測系統(tǒng)傳輸?shù)拇蠖嗡僮儏?shù)中只有一小部分時段是有效的，而其他無效時段數(shù)據(jù)也占據(jù)了大量的遙測容量。

c）速變參數(shù)當(dāng)前主要依靠進(jìn)行事后處理，例如振動參數(shù)，對所有要求處理的時間段，提供時間歷程及相應(yīng)的傅立葉幅值譜和沖擊響應(yīng)譜。進(jìn)行事后處理后，幾十兆的原始數(shù)據(jù)可以通過1兆以下的頻譜圖代替，見圖5。

圖5 某速變參數(shù)事后處理結(jié)果譜圖Fig.5 Spectrum of Post-processing Results of a Rapidly Changing Parameter

基于以上原因，遙測系統(tǒng)開展基于箭載設(shè)備的速變參數(shù)數(shù)據(jù)預(yù)處理研究，最終目的是使用箭上設(shè)備，實(shí)現(xiàn)速變參數(shù)的采集、存儲、處理、發(fā)送，以便減少速變參數(shù)在遙測通信容量中的占比，具體實(shí)現(xiàn)的技術(shù)路徑如下：

第1階段，實(shí)現(xiàn)對多路速變參數(shù)的采集、變幀，以及按照飛行時序，對各路參數(shù)進(jìn)行時序切換，通過對不同時段所關(guān)注參數(shù)的不同，減少無效參數(shù)數(shù)據(jù)的傳輸，壓縮速變參數(shù)所占據(jù)的遙測通信容量，減少對箭上存儲器的依賴。

第2階段，對實(shí)時性和精度要求不高的速變參數(shù)的存儲和壓縮功能，以DSP為基礎(chǔ)平臺開展數(shù)據(jù)壓縮算法的開發(fā)，對速變參數(shù)進(jìn)行基于Rice算法的有損壓縮，將壓縮后的數(shù)據(jù)延時下傳，進(jìn)一步壓縮遙測通信容量。

第3階段，開展基于箭載設(shè)備的速變參數(shù)處理功能，在箭上直接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)頻域變換和頻譜處理等工作，將處理后的數(shù)據(jù)結(jié)果延時發(fā)送到地面，進(jìn)一步壓縮遙測通信容量。同時，實(shí)現(xiàn)對箭上狀態(tài)進(jìn)行快速的識別和診斷，在任務(wù)結(jié)束時可立即對飛行過程進(jìn)行回溯。

3 結(jié)束語

本文通過分析總結(jié)載人運(yùn)載火箭在遙測系統(tǒng)領(lǐng)域需求特點(diǎn)，結(jié)合相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展變化，提出了適合中國載人運(yùn)載火箭在有限遙測容量下，利用多種路徑實(shí)現(xiàn)資源利用的最大化，并總結(jié)提煉了幾類關(guān)鍵技術(shù)——增量信息傳輸模式、關(guān)鍵信息存儲重發(fā)的準(zhǔn)實(shí)時傳輸模式、圖像新型壓縮算法和獲取方式、速變參數(shù)箭上壓縮和預(yù)處理技術(shù)。