衛(wèi)星多通道異構(gòu)遙測數(shù)據(jù)融合分析與比對方法

沈亦純，周 捷，王 沖，張鑫鑫，戴辰鋮，朱清煜

（1.上海衛(wèi)星工程研究所，上海 201109；2.上海航天技術(shù)研究院，上海 201109）

0 引言

遙測數(shù)據(jù)是航天器研制階段最重要的產(chǎn)品成果之一，是檢測航天器功能和性能指標(biāo)，也是驗證航天器各系統(tǒng)研制成果，以及分析在軌測試數(shù)據(jù)的重要基線［1-2］。地面測控站只有在衛(wèi)星進(jìn)入測控弧段時才能接收在軌衛(wèi)星遙測數(shù)據(jù)，且在軌衛(wèi)星一天內(nèi)進(jìn)站時間和次數(shù)有限，因此，衛(wèi)星實時遙測和境外延遙具備不連續(xù)且數(shù)據(jù)稀疏的特點。為解決在軌衛(wèi)星測控通道遙測數(shù)據(jù)不連續(xù)問題，衛(wèi)星綜合電子分系統(tǒng)按照遙測實施方案要求，首先對遙測數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、變換、處理、存儲及組幀，然后經(jīng)過加擾后，將遙測數(shù)據(jù)分別送至測控應(yīng)答機和數(shù)傳綜合處理器，即按照傳輸路徑分為測控通道遙測數(shù)據(jù)和數(shù)傳通道遙測數(shù)據(jù)（工程遙測）。當(dāng)在軌衛(wèi)星進(jìn)入數(shù)傳站時，工程遙測同載荷遙感數(shù)據(jù)一并下傳。因此，衛(wèi)星測控遙測和工程遙測對在軌運維具有重要意義。

隨著在研、在測和在軌衛(wèi)星型號數(shù)量的迅速提升，目前只有少數(shù)衛(wèi)星型號具備工程遙測數(shù)據(jù)分析能力，且不同衛(wèi)星型號的工程遙測數(shù)據(jù)格式各不相同，對工程遙測數(shù)據(jù)的處理需求也不完全一致，導(dǎo)致不同衛(wèi)星型號間的相關(guān)數(shù)據(jù)分析方法不統(tǒng)一。另外，針對衛(wèi)星工程遙測與多通道測控遙測的比對評估問題，目前暫時還沒有成熟的數(shù)據(jù)分析方法和工具支持。因此，研究如何分析、驗證衛(wèi)星工程遙測和多測控通道遙測的正確性和有效性，顯得尤為重要。

針對上述背景，本文提出了一種衛(wèi)星多通道異構(gòu)遙測數(shù)據(jù)融合分析與比對方法，包括多通道遙測原碼提取、多通道遙測數(shù)據(jù)分析處理和多通道遙測數(shù)據(jù)融合比對，在提取工程遙測的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)工程遙測的分析處理，進(jìn)而完成多通道測控通道遙測數(shù)據(jù)與工程遙測數(shù)據(jù)的正確性分析和一致性比對，最后對融合比對結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計和呈現(xiàn)。本方法在多個在測、在軌衛(wèi)星型號遙測數(shù)據(jù)中得到應(yīng)用，取得了較為顯著的成果，為不同衛(wèi)星型號的設(shè)計師開拓了衛(wèi)星多通道異構(gòu)遙測數(shù)據(jù)分析的新思路，有效提升衛(wèi)星綜合測試和在軌監(jiān)視的數(shù)據(jù)分析效率。

1 多通道異構(gòu)遙測數(shù)據(jù)

大氣環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星多通道異構(gòu)遙測數(shù)據(jù)的星上信息處理流程如圖1 所示。圖中，CADU（Channel Access Data Unit）為信道訪問存取數(shù)據(jù)單元，AA 為16 進(jìn)制碼，用于字節(jié)填充。衛(wèi)星遙測數(shù)據(jù)按照下傳通道分為測控通道遙測數(shù)據(jù)（簡稱測控遙測，由地面測控站負(fù)責(zé)接收）和數(shù)傳通道遙測數(shù)據(jù)（簡稱工程遙測，由地面數(shù)傳站負(fù)責(zé)接收）。受衛(wèi)星測控站數(shù)量及分布地理位置的影響，當(dāng)在軌衛(wèi)星位于測控弧段外時，測控遙測無法通過測控站實時接收，數(shù)據(jù)傳輸時間短且不連續(xù)性，無法全面體現(xiàn)在軌衛(wèi)星工作狀態(tài)。而工程遙測不受地面站影響，數(shù)據(jù)完整且連續(xù)性較好，能夠很好地反映在軌衛(wèi)星工作狀態(tài)。星上數(shù)傳分系統(tǒng)處于開機狀態(tài)，即能實時接收來自星上綜合電子分系統(tǒng)的遙測數(shù)據(jù)，并將其記錄在固存中形成工程遙測。當(dāng)衛(wèi)星進(jìn)行數(shù)傳作業(yè)時，工程遙測會隨載荷數(shù)據(jù)一并下傳至地面數(shù)傳站。

圖1 衛(wèi)星多通道異構(gòu)遙測信息處理流程Fig.1 Flow chart of satellite multi-channel heterogeneous telemetry information processing

大氣環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星的測控遙測和工程遙測均由星上綜合電子分系統(tǒng)（簡稱綜電分系統(tǒng)）負(fù)責(zé)進(jìn)行組幀，但測控遙測和工程遙測的遙測數(shù)據(jù)不同，其組織方式也不相同，如圖1 所示。

大氣環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星測控遙測數(shù)據(jù)通過測控通道下傳，每0.5 s 一幀下傳遙測原碼。測控通道遙測數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)采用高級在軌系統(tǒng)（Advanced Orbiting System，AOS）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，格式采用分層結(jié)構(gòu)，符合國際空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會（Consultative Committee for Space Data Systems，CCSDS）相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。各層的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及其關(guān)系如圖2 所示。

圖2 衛(wèi)星測控通道遙測數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Fig.2 Telemetry data structure of the satellite measurement and control channel

大氣環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星工程遙測通過數(shù)傳通道下傳，由3 種數(shù)據(jù)組成，分別為：1）每0.5 s 下傳的遙測原碼（與測控通道遙測一致）；2）每0.5 s 下傳的綜電加快遙測組合（A、B、C 三類）；3）每1.0 s 下傳的全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）原始觀測量。數(shù)傳通道遙測數(shù)據(jù)組織方式如圖3 所示。地面接收到的工程遙測則是一個由上述3 種數(shù)據(jù)首尾相接而成的完整包，其格式為“GPS 原始觀測量+遙測原碼+綜電快遙”，并根據(jù)不同數(shù)據(jù)下傳的先后順序進(jìn)行排列，如圖4 所示。

圖3 衛(wèi)星數(shù)傳通道遙測數(shù)據(jù)組織方式Fig.3 Telemetry data organization of the satellite data transmission channel

圖4 地面系統(tǒng)接收到的衛(wèi)星工程遙測數(shù)據(jù)格式Fig.4 Satellite engineering telemetry data format received by the ground system

2 多通道遙測數(shù)據(jù)融合

常用的數(shù)據(jù)融合算法有標(biāo)準(zhǔn)化融合算法、層次融合算法和混合融合算法等3 種。

1）標(biāo)準(zhǔn)化融合算法是將多源數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，將多源數(shù)據(jù)統(tǒng)一成同一格式，此算法為數(shù)據(jù)融合的基礎(chǔ)算法，適用于格式較為單一的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。常用的標(biāo)準(zhǔn)化融合算法有格式轉(zhuǎn)換、奇偶校驗和循環(huán)冗余校核（Cyclic Redundancy Check，CRC）等。

2）層次融合算法是分析多源數(shù)據(jù)的層次結(jié)構(gòu)，根據(jù)層次結(jié)構(gòu)的不同級別進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，同時形成多源數(shù)據(jù)完整的數(shù)據(jù)模型，對多源數(shù)據(jù)進(jìn)行不同層次的融合比對，此算法適用于層次和格式較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。常用的層次融合算法有自適應(yīng)加權(quán)算法、串表壓縮（Lempel-Ziv Welch，LZW）算法壓縮算法等。

3）混合融合算法是一種綜合性的數(shù)據(jù)融合算法，其在綜合標(biāo)準(zhǔn)化融合算法和層次融合算法兩種算法的基礎(chǔ)上，通過不同維度進(jìn)行多源數(shù)據(jù)融合比對，此算法適用于各類結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。常用的混合融合算法有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等。

由于衛(wèi)星多通道遙測數(shù)據(jù)為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，且格式較為單一，因此采用標(biāo)準(zhǔn)化融合算法。多通道遙測分析處理主要包括測控通道遙測分析處理和數(shù)傳通道遙測分析處理兩個部分，其中對測控通道遙測數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢測，對數(shù)傳通道遙測數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換、去重復(fù)、排序、質(zhì)量檢測等。衛(wèi)星多通道遙測數(shù)據(jù)分析處理流程如圖5 所示。其中里所碼又稱為里德-所羅門碼（Reed-Solomon codes，RS）是一種前向糾錯的信道編碼，對于校正過采樣數(shù)據(jù)所產(chǎn)生的多項式有效。

圖5 衛(wèi)星多通道遙測數(shù)據(jù)分析處理流程Fig.5 Flow chart of analyzing and processing the satellite multi-channel telemetry data

2.1 測控通道數(shù)據(jù)融合處理

測控通道遙測分析處理針對測控通道遙測原碼，進(jìn)行質(zhì)量檢測，逐幀重新進(jìn)行遙測幀CRC 校驗，并將校驗結(jié)果與已有校驗碼進(jìn)行比對，以驗證測控通道遙測數(shù)據(jù)的正確性。

CRC 編碼程序接收一個長度為（n-16）bit 的數(shù)據(jù)塊（n為已編碼信息位數(shù)），然后經(jīng)過運算所得到的一個16 bit 的幀校驗序列CRCW。CRCW 幀校驗序列的運算公式為

式中：M(X)為以二進(jìn)制系數(shù)多項表達(dá)的（n-16）位待編碼信息；L(X)為預(yù)置多項式表示在編碼之前將移位寄存器預(yù)置成全“1”；G(X)為生成多項式；mod 為求余函數(shù)。

2.2 數(shù)傳通道數(shù)據(jù)融合處理

衛(wèi)星數(shù)傳通道遙測數(shù)據(jù)提取流程如圖6 所示，圖中BPDU 為網(wǎng)橋協(xié)議數(shù)據(jù)單元。首先，根據(jù)大氣環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星數(shù)傳幀格式，提取遙感數(shù)據(jù)的數(shù)傳幀格式數(shù)據(jù)；其次，根據(jù)數(shù)傳幀計數(shù)進(jìn)行數(shù)傳幀數(shù)據(jù)合路處理；最后，根據(jù)虛通道標(biāo)識符（Virtual Channel Identifier，VCID）內(nèi)容從數(shù)傳幀中提取工程遙測數(shù)據(jù)。

圖6 衛(wèi)星數(shù)傳通道遙測數(shù)據(jù)（工程遙測）提取流程Fig.6 Telemetry data extraction process of satellite data transmission channel

數(shù)傳通道數(shù)據(jù)分析處理針對工程遙測，其分析處理思路如圖7 所示。

圖7 衛(wèi)星數(shù)傳通道遙測數(shù)據(jù)（工程遙測）分析處理思路Fig.7 Analysis and processing of the telemetry（engineering telemetry）data from the satellite data transmission channel

完成格式轉(zhuǎn)換、去重復(fù)、排序、質(zhì)量檢測等數(shù)據(jù)分析處理功能，目的是使工程遙測數(shù)據(jù)具備可解性，具體如下：

1）格式轉(zhuǎn)換。將工程遙測數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換為衛(wèi)星遙測解析軟件可識別格式。

2）去重復(fù)?；诟袷睫D(zhuǎn)換后的工程遙測，按照每幀星時，剔除由數(shù)傳作業(yè)回卷引起的多余重復(fù)幀。

3）排序?；诟袷睫D(zhuǎn)換后的工程遙測，根據(jù)每幀星時進(jìn)行遞增排序。

4）質(zhì)量檢測。基于格式轉(zhuǎn)換后的工程遙測，逐幀重新進(jìn)行遙測幀CRC 校驗，并將校驗結(jié)果與已有校驗碼進(jìn)行比對。

3 多通道遙測比對分析

3.1 數(shù)據(jù)比對思路

將衛(wèi)星工程遙測數(shù)據(jù)與多通道遙測數(shù)據(jù)進(jìn)行比對。首先對工程遙測數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，以當(dāng)前幀星時為基準(zhǔn)，與需要進(jìn)行融合比對的多通道測控遙測對齊，利用相關(guān)算法進(jìn)行融合比對，并給出相關(guān)比對結(jié)果。多通道遙測融合比對的思路如圖8 所示。

圖8 衛(wèi)星多通道遙測融合比對思路Fig.8 Fusion comparison of satellite multi-channel telemetry

3.2 數(shù)據(jù)比對算法

常用的數(shù)據(jù)比對算法有全局序列比對算法、局部序列比對算法、Smith-Waterman 算法、Needleman-Wunsch 算法、基于哈希表（hash-table）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的比對算法和塊排序壓縮（Burrows-Wheeler Transform，BWT）比對算法等。根據(jù)多通道測控遙測數(shù)據(jù)和工程遙測數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)特點，適合采用全局序列比對算法對多通道測控遙測與工程遙測進(jìn)行比對。

全局序列比對算法通過輸入2 條序列、替換記分矩陣以確定不同數(shù)據(jù)間的相似度得分，以及空位罰分。

式中：gap為空位罰分；l為序列比較起始位置；m為序列1 的長度；n 為序列2 的長度；w(i，j)為記分矩陣中的分值。

3.3 算法驗證及應(yīng)用

通過開發(fā)衛(wèi)星工程遙測數(shù)據(jù)對比通用軟件，采用全局序列對比算法，實現(xiàn)大氣環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星多通道異構(gòu)遙測數(shù)據(jù)的對比分析，得到融合對比結(jié)果。包含遙測比對進(jìn)程、誤碼幀數(shù)量、誤碼率、誤碼幀詳細(xì)信息（星上時間、工程遙測報錯位置、該幀所在遙測原碼中的位置等）、經(jīng)過轉(zhuǎn)換后的總工程遙測幀數(shù)、總遙測原碼幀數(shù)和比對總幀數(shù)等，比對顯示結(jié)果如圖9 所示。

圖9 衛(wèi)星多通道遙測融合比對結(jié)果顯示Fig.9 Fusion comparison results of satellite multichannel telemetry

如有誤碼存在，在多通道遙測數(shù)據(jù)融合比對完成的前提下，可快速找出誤碼所在位置，并對其進(jìn)行判讀與分析。相較于原始的人工判斷誤碼，提高了誤碼判斷的準(zhǔn)確率和覆蓋率，解決了傳統(tǒng)人工判斷可能帶來的誤判、錯判和漏判，提高了數(shù)據(jù)分析人員的工作效率和工作質(zhì)量，增強了衛(wèi)星綜合測試的可靠性，為更好地把控衛(wèi)星在軌和地面狀態(tài)提供了保障。

4 結(jié)束語

本文通過對衛(wèi)星多通道異構(gòu)遙測數(shù)據(jù)、多通道遙測分析處理，以及多通道遙測融合分析與比對的研究，得到了一種衛(wèi)星多通道異構(gòu)遙測數(shù)據(jù)融合分析與比對方法?；诂F(xiàn)有數(shù)據(jù)融合比對方法，以及對多通道異構(gòu)遙測數(shù)據(jù)來源和類別的分析，實現(xiàn)多通道異構(gòu)遙測數(shù)據(jù)的預(yù)處理和正確性分析，實現(xiàn)多通道測控遙測與數(shù)傳通道遙測數(shù)據(jù)融合分析與比對，解決了直接人工判讀效率低和準(zhǔn)確性差的歷史問題，提高了衛(wèi)星多通道異構(gòu)遙測數(shù)據(jù)分析效率。隨著多源數(shù)據(jù)融合分析技術(shù)和數(shù)據(jù)比對技術(shù)的不斷成熟與完善，現(xiàn)有數(shù)據(jù)融合分析與比對算法和方法將不斷改進(jìn)與優(yōu)化，未來在衛(wèi)星領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展會有更大的突破與進(jìn)步，也將會成為未來衛(wèi)星數(shù)據(jù)分析行業(yè)的發(fā)展趨勢之一。