遙測(cè)定位信息網(wǎng)絡(luò)傳輸間斷問題的解決方法

馬方遠(yuǎn)，王西泉，郭新楠，李 建

(中國(guó)兵器工業(yè)試驗(yàn)測(cè)試研究院，陜西 華陰 714200)

0 引言

在武器系統(tǒng)飛行試驗(yàn)中，目標(biāo)遙測(cè)軌跡是掌握目標(biāo)飛行狀態(tài)和實(shí)現(xiàn)安全控制的重要依據(jù)，使用遙測(cè)定位信息作為引導(dǎo)跟蹤源，具有精度高、誤差穩(wěn)定、不受天氣影響等特點(diǎn)[1]，已被各個(gè)靶場(chǎng)作為組網(wǎng)測(cè)試的首選方案。但是在現(xiàn)有的遙測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制下，遙測(cè)定位信息在測(cè)試網(wǎng)絡(luò)內(nèi)不能等間隔傳輸，導(dǎo)致中心機(jī)接收遙測(cè)定位數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)生時(shí)延漂移[2]，后幀數(shù)據(jù)覆蓋前幀數(shù)據(jù)，遙測(cè)定位數(shù)據(jù)元素不完整[3]，影響目標(biāo)軌跡形成與引導(dǎo)效率。

目前，從文獻(xiàn)資料中查到，通過中心機(jī)處理系統(tǒng)增加容錯(cuò)處理方式成為主流，主要包括增加遙測(cè)數(shù)據(jù)處理結(jié)構(gòu)，改變遙測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)策略以及改變遙測(cè)數(shù)據(jù)處理過程三種方法[4]。其在解決目標(biāo)軌跡形成以及目標(biāo)軌跡外推方面，均可以達(dá)到良好的處理效果。如文獻(xiàn)[4]通過改變遙測(cè)數(shù)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)處理過程，解決遙測(cè)數(shù)據(jù)間斷傳輸時(shí)遙測(cè)軌跡遙測(cè)軌跡形成丟數(shù)問題，文獻(xiàn)[4—5]主要是解決遙測(cè)定位數(shù)據(jù)作為引導(dǎo)源時(shí)，由網(wǎng)絡(luò)傳輸帶來的時(shí)效性與有效性問題，其都未涉及遙測(cè)數(shù)據(jù)間斷傳輸帶來的多幀遙測(cè)定位數(shù)據(jù)同時(shí)到達(dá)，造成被引導(dǎo)的測(cè)試設(shè)備天線跟蹤不流暢問題。

針對(duì)上述問題，對(duì)整個(gè)遙測(cè)數(shù)據(jù)流的處理過程進(jìn)行了分析，在不改變硬件系統(tǒng)的前提下，通過改進(jìn)遙測(cè)數(shù)據(jù)處理過程，增加冗余處理、時(shí)效性處理以及插值處理步驟解決上述問題，并取得良好的效果。

1 遙測(cè)定位數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理過程

1.1 遙測(cè)地面接收站的遙測(cè)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送模式

首先遙測(cè)地面站接收解調(diào)遙測(cè)信號(hào)，當(dāng)遙測(cè)數(shù)據(jù)填滿遙測(cè)綜合解調(diào)板上半個(gè)內(nèi)存或整個(gè)內(nèi)存時(shí)，開放內(nèi)存讀取功能，允許遙測(cè)計(jì)算機(jī)訪問遙測(cè)綜合解調(diào)板上半個(gè)內(nèi)存數(shù)據(jù)或下半個(gè)內(nèi)存數(shù)據(jù)，遙測(cè)計(jì)算機(jī)將讀取到的遙測(cè)原碼數(shù)據(jù)通過UDP協(xié)議，以單點(diǎn)或是組播方式發(fā)送到指控網(wǎng)絡(luò)，發(fā)送頻率、發(fā)送數(shù)據(jù)幀數(shù)與遙測(cè)地面站綜合解調(diào)板內(nèi)存大小、碼速率以及遙測(cè)數(shù)據(jù)幀格式有關(guān)[5]。其關(guān)系可用式(1)表示：

(1)

式(1)中，s為遙測(cè)解調(diào)器的發(fā)包內(nèi)存大小，m為遙測(cè)數(shù)據(jù)的碼速率，f為遙測(cè)地面站發(fā)包頻率，n為遙測(cè)地面站發(fā)送整幀個(gè)數(shù)，l為遙測(cè)數(shù)據(jù)整幀長(zhǎng)(含時(shí)碼)。

通過設(shè)置綜合解調(diào)板內(nèi)存大小，可以一定程度改變遙測(cè)地面站對(duì)外發(fā)送頻率與內(nèi)容大小，綜合解調(diào)板內(nèi)存大小設(shè)置越大，遙測(cè)地面站網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)頻率越低，一次發(fā)送的遙測(cè)整幀數(shù)據(jù)越多，當(dāng)設(shè)置過大時(shí)，一次發(fā)送數(shù)據(jù)容量將超出UDP協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)包容量上限，導(dǎo)致數(shù)據(jù)發(fā)送失??；綜合解調(diào)板內(nèi)存大小設(shè)置越小，遙測(cè)地面站網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)頻率越高，遙測(cè)計(jì)算機(jī)訪問遙測(cè)綜合解調(diào)板內(nèi)存頻繁，遙測(cè)解調(diào)數(shù)據(jù)系統(tǒng)任務(wù)繁重，嚴(yán)重時(shí)將影響正常的遙測(cè)數(shù)據(jù)解調(diào)功能。一般情況下，遙測(cè)地面站的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸頻率一般為4～10 Hz。

1.2 中心機(jī)對(duì)遙測(cè)定位數(shù)據(jù)的處理過程

中心機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)接收遙測(cè)數(shù)據(jù)原碼：將遙測(cè)數(shù)據(jù)原碼中的定位數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)解析出來，一是形成遙測(cè)軌跡用于態(tài)勢(shì)顯示，二是按照指控協(xié)議發(fā)送給指控中心，用于引導(dǎo)測(cè)試。

遙測(cè)定位數(shù)據(jù)主要有兩個(gè)來源：一是來自衛(wèi)星導(dǎo)航信息，其數(shù)據(jù)刷新率多為10～20 Hz；二是來自導(dǎo)航計(jì)算機(jī)字，其數(shù)據(jù)刷新率多為200～250 Hz。遙測(cè)定位數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)率與遙測(cè)地面站網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)發(fā)送率不匹配，例如，所選取的遙測(cè)定位數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)率為200 Hz，遙測(cè)地面站以10 Hz的頻率發(fā)送遙測(cè)數(shù)據(jù)原碼時(shí)，導(dǎo)致20個(gè)遙測(cè)定位數(shù)據(jù)同時(shí)到達(dá)中心機(jī)，按照中心機(jī)的數(shù)據(jù)處理策略，后一幀數(shù)據(jù)將覆蓋前一幀數(shù)據(jù)，造成遙測(cè)軌跡信息丟失。針對(duì)此問題，從中心機(jī)接收的原始數(shù)據(jù)中截取代表性的一段數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 原始數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)示意表Tab.1 The original packet structure diagram

表1中所截取的數(shù)據(jù)包為衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)率為20 Hz，遙測(cè)地面站的發(fā)送頻率為10 Hz，包計(jì)數(shù)是指衛(wèi)星導(dǎo)航包計(jì)數(shù)，當(dāng)前時(shí)間是指中心機(jī)從網(wǎng)絡(luò)接收到當(dāng)前包的間斷時(shí)間，設(shè)備時(shí)間是指衛(wèi)星導(dǎo)航包內(nèi)的附加時(shí)間信息。表中的t1表示數(shù)據(jù)包210到達(dá)中心計(jì)算機(jī)時(shí)，中心計(jì)算機(jī)對(duì)其打的時(shí)間標(biāo)識(shí)，t2表示數(shù)據(jù)包210產(chǎn)生的時(shí)刻，對(duì)于數(shù)據(jù)包211與212，其同時(shí)到達(dá)中心機(jī)，按照中心機(jī)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)策略，212包的數(shù)據(jù)將會(huì)覆蓋211包的數(shù)據(jù)，造成遙測(cè)軌跡數(shù)據(jù)缺失。

1.3 指控中心的引導(dǎo)測(cè)試流程

指控中心接收網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的目標(biāo)位置信息，打上時(shí)標(biāo)，按照引導(dǎo)協(xié)議將數(shù)據(jù)分發(fā)給指控網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有測(cè)試設(shè)備，測(cè)試設(shè)備接收目標(biāo)時(shí)空位置信息，根據(jù)時(shí)差，外推目標(biāo)位置信息，指引天線指向測(cè)試目標(biāo)。

當(dāng)多包遙測(cè)定位數(shù)據(jù)同時(shí)到達(dá)測(cè)試設(shè)備時(shí)，測(cè)試設(shè)備對(duì)網(wǎng)絡(luò)延時(shí)進(jìn)行判斷，外推當(dāng)前目標(biāo)位置，控制天線指向目標(biāo)，截取代表性的一段數(shù)據(jù)如表2所示。測(cè)試設(shè)備在同一時(shí)刻會(huì)指向不同方向，另外，測(cè)試設(shè)備的引導(dǎo)數(shù)據(jù)刷新率一般要求為40 Hz，引導(dǎo)數(shù)據(jù)刷新率過低，天線系統(tǒng)運(yùn)行流暢性將降低。

表2 測(cè)試設(shè)備接收引導(dǎo)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與天線指向示意表Tab.2 The test equipment receives guidance data and antenna pointing diagram

表2中包計(jì)數(shù)是指測(cè)試設(shè)備接收的引導(dǎo)數(shù)據(jù)包計(jì)數(shù)，當(dāng)前時(shí)間為數(shù)據(jù)包到達(dá)時(shí)間，發(fā)送時(shí)間為指控中心分發(fā)數(shù)據(jù)包時(shí)間，目標(biāo)位置為遙測(cè)數(shù)據(jù)包中的位置信息。t1為引導(dǎo)數(shù)據(jù)包300的到達(dá)時(shí)間，t2為引導(dǎo)數(shù)據(jù)包300從中心計(jì)算機(jī)發(fā)出的時(shí)間，X表示引導(dǎo)數(shù)據(jù)包內(nèi)的目標(biāo)位置信息，A、E表示被引導(dǎo)設(shè)備根據(jù)引導(dǎo)數(shù)據(jù)包內(nèi)的目標(biāo)位置信息計(jì)算得到的方位指向信息與俯仰指向信息，對(duì)于同時(shí)到達(dá)的引導(dǎo)數(shù)據(jù)301包與302包，X1與X2的位置是不一樣的，設(shè)備天線同時(shí)指向兩個(gè)空間位置，有悖常理。

2 解決方案

中心機(jī)處理遙測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，在一個(gè)數(shù)據(jù)周期內(nèi)，處理得到的所有遙測(cè)定位信息，并打上當(dāng)前時(shí)間，使用當(dāng)前時(shí)間進(jìn)行遙測(cè)軌跡描述，造成后幀覆蓋前幀現(xiàn)象，因此，可以使用設(shè)備時(shí)間作為信息源進(jìn)行遙測(cè)軌跡描述。但是，當(dāng)以設(shè)備時(shí)間作為數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)時(shí)，中心機(jī)同時(shí)處理得到的遙測(cè)定位數(shù)據(jù)幾乎會(huì)同時(shí)發(fā)送至指控網(wǎng)絡(luò)，到達(dá)測(cè)試設(shè)備端，造成測(cè)試設(shè)備跟蹤天線不平穩(wěn)的現(xiàn)象，因此，還需要對(duì)發(fā)往指控中心的遙測(cè)定位信息進(jìn)行下面處理。

圖1 遙測(cè)定位數(shù)據(jù)處理過程Fig.1 Data processing of telemetry location

1) 冗余性處理，就是利用遙測(cè)定位數(shù)據(jù)包同時(shí)到達(dá)，后幀覆蓋前幀的設(shè)計(jì)思路，保持網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的遙測(cè)定位信息為最新信息，當(dāng)遙測(cè)定位信息數(shù)據(jù)率小于遙測(cè)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送頻率時(shí)，可跳過，即遙測(cè)地面站每次網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)倪b測(cè)數(shù)據(jù)包最多只有一幀遙測(cè)地面數(shù)據(jù)包。

2) 時(shí)效性處理，就是根據(jù)當(dāng)前時(shí)間與設(shè)備時(shí)間的時(shí)間差，利用遙測(cè)定位數(shù)據(jù)包內(nèi)的位置、速度、加速度信息，外推當(dāng)前時(shí)刻目標(biāo)位置信息[6]?？砂词?2)進(jìn)行。

x(t1)=x(t2)+v(t2)(t1-t2)+ 0.5×a(t2)(t1-t2)2

(2)

式(2)中，t1為當(dāng)前時(shí)刻；t2為最新設(shè)備時(shí)間；x(t2)、v(t2)、a(t2)為t2時(shí)刻遙測(cè)定位數(shù)據(jù)包的位置、速度、加速度信息，則x(t1)為外推的當(dāng)前目標(biāo)位置信息。

3)插值處理[7]，經(jīng)過冗余性處理后，引導(dǎo)數(shù)據(jù)的刷新率與遙測(cè)地面站的數(shù)據(jù)發(fā)包率相同，最高為10 Hz，遠(yuǎn)低于測(cè)試設(shè)備對(duì)引導(dǎo)數(shù)據(jù)刷新率40 Hz的要求，因此需要對(duì)其進(jìn)行插值。插值方法有兩種：一種是按照測(cè)試設(shè)備所需的引導(dǎo)數(shù)據(jù)刷新率，重復(fù)發(fā)送t1時(shí)刻的目標(biāo)位置x(t1)，引導(dǎo)協(xié)議內(nèi)的數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)間填為t1時(shí)刻，利用設(shè)備內(nèi)部的外推算法，外推目標(biāo)空間位置；二是利用式(2)，外推各插值時(shí)刻的空間位置，引導(dǎo)協(xié)議內(nèi)的數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)間填為當(dāng)前發(fā)送時(shí)刻，發(fā)送的目標(biāo)位置可用式(3)表示。

(3)

式(3)中，Δt為測(cè)試設(shè)備要求的引導(dǎo)數(shù)據(jù)周期；f1為測(cè)試設(shè)備要求的引導(dǎo)數(shù)據(jù)刷新率；f2為原始引導(dǎo)數(shù)據(jù)的刷新率(遙測(cè)地面站的數(shù)據(jù)發(fā)包率)，則第k個(gè)引導(dǎo)數(shù)據(jù)插值發(fā)送時(shí)刻為t1+kΔt，目標(biāo)空間位置為x(t1+kΔt)。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

以某型號(hào)武器200 km飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)為例，遙測(cè)定位信息采用的為導(dǎo)航計(jì)算機(jī)的輸出信息，數(shù)據(jù)周期為5 ms，遙測(cè)地面站接收遙測(cè)數(shù)據(jù)，以100 ms一包的時(shí)間間隔，將遙測(cè)數(shù)據(jù)原碼發(fā)送給中心機(jī)，截取中心機(jī)處理過程中的代表性一段數(shù)據(jù)如圖2所示。當(dāng)前時(shí)間是指中心機(jī)接收到此包數(shù)據(jù)時(shí)間，為當(dāng)天時(shí)間的累計(jì)時(shí)間，單位ms，設(shè)備時(shí)間為導(dǎo)航計(jì)算為數(shù)據(jù)包的附加時(shí)間信息，這里指發(fā)射零點(diǎn)后的累計(jì)時(shí)間，單位s。使用設(shè)備時(shí)間進(jìn)行遙測(cè)軌跡描述，不會(huì)丟失數(shù)據(jù)信息。

圖2 中心機(jī)處理得到的數(shù)據(jù)截圖Fig.2 A screenshot of data processed by the central computer

如圖3所示，當(dāng)中心機(jī)將收到的遙測(cè)定位信息，不經(jīng)過冗余處理、外推處理與插值處理時(shí)，直接發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的雷達(dá)設(shè)備，發(fā)送頻率為10 Hz，一次發(fā)送20組位置信息，雷達(dá)設(shè)備根據(jù)遙測(cè)定位信息進(jìn)行跟蹤，其天線行程出現(xiàn)臺(tái)階狀，運(yùn)行不流暢。

圖3 雷達(dá)天線方位角行程分析(直接引導(dǎo))Fig.3 Analysis of azimuth stroke of radar(direct guidance)

如圖4所示，當(dāng)中心機(jī)將收到的遙測(cè)定位信息，經(jīng)過冗余處理、外推處理與抽值處理后，發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的雷達(dá)設(shè)備，發(fā)送頻率為40 Hz，一次發(fā)送1組位置信息，雷達(dá)設(shè)備根據(jù)遙測(cè)定位信息進(jìn)行跟蹤，其天線行程平穩(wěn)光滑。

圖4 雷達(dá)天線方位角行程分析(按本文方法處理后引導(dǎo))Fig.4 Analysis of azimuth stroke of radar antenna

在某型號(hào)裝備招標(biāo)比測(cè)試驗(yàn)中，有5家單位參與競(jìng)標(biāo)，總計(jì)組織飛行試驗(yàn)35次，其中2家單位遙測(cè)定位數(shù)據(jù)率為200 Hz，1家單位遙測(cè)定位數(shù)據(jù)率為25 Hz，1家單位遙測(cè)定位數(shù)據(jù)為10 Hz，1家單位遙測(cè)定位數(shù)據(jù)為5 Hz。試驗(yàn)時(shí)，遙測(cè)地面站以4 Hz的數(shù)據(jù)率發(fā)送遙測(cè)數(shù)據(jù)原碼，使用本文方法，完成了試驗(yàn)過程中遙測(cè)數(shù)據(jù)的態(tài)勢(shì)顯示任務(wù)，以定頻40 Hz平穩(wěn)引導(dǎo)雷達(dá)、光電經(jīng)緯儀的跟蹤任務(wù)，測(cè)試成功率100%。如圖5所示，雷達(dá)在遙測(cè)定位數(shù)據(jù)的引導(dǎo)下，可以穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)，所選雷達(dá)對(duì)該類目標(biāo)的最大跟蹤距離為128 km。

圖5 雷達(dá)實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)Fig.5 Actual radar data

4 結(jié)論

本文提出的遙測(cè)定位數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸間斷問題的解決方法，在不改變現(xiàn)有遙測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制的情況下，通過改變中心機(jī)軟件對(duì)遙測(cè)數(shù)據(jù)處理過程，增加冗余處理、外推處理與插值處理，形成連續(xù)平穩(wěn)的遙測(cè)軌跡。通過仿真與試驗(yàn)證明，該方法既能很好地解決遙測(cè)軌跡形成時(shí)的丟數(shù)問題，又能很好地適應(yīng)靶場(chǎng)指控引導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)，引導(dǎo)靶場(chǎng)測(cè)試設(shè)備平穩(wěn)跟蹤目標(biāo)。