劉桂生，高 山，貴 宇，何嘉靖，李天寶

(太原衛(wèi)星發(fā)射中心，山西太原030027)

0 引言

在飛行器飛行試驗中，通常在首區(qū)、航區(qū)和落區(qū)布設(shè)多臺遙測站，用于全彈道接力測量，達到遙測數(shù)據(jù)的不間斷接收［1］。多站遙測數(shù)據(jù)實時送中心計算機進行處理并顯示，作為實時指揮決策的依據(jù)，飛行結(jié)束后對遙測數(shù)據(jù)進行事后處理，處理結(jié)果作為飛行器設(shè)計評定和故障分析的依據(jù)［2，3］。目前對于多站遙測數(shù)據(jù)的處理模式，事后處理與實時處理互不相同，事后處理先對多站遙測數(shù)據(jù)進行剪輯和對接，形成一套完整的全程測量數(shù)據(jù)，然后進行遙測參數(shù)處理［3，4］;實時處理同時對各站遙測數(shù)據(jù)分別進行參數(shù)處理，然后按照特定策略對多站處理結(jié)果進行擇優(yōu)。隨著參試遙測站增多，這種實時處理模式突顯出軟硬件資源需求急劇增加和擇優(yōu)過程復(fù)雜等弊端，改進方法是解密前進行多站遙測數(shù)據(jù)實時對接，將多站遙測數(shù)據(jù)并行處理模式改變?yōu)橹粚σ粋€遙測流進行處理，而實現(xiàn)方法關(guān)鍵是解決好遙測幀對齊和檢擇等問題，本文對此進行了研究。

1 實時遙測數(shù)據(jù)處理模式現(xiàn)狀分析

目前實時遙測數(shù)據(jù)處理信息流程如圖1所示。

圖1 目前實時遙測數(shù)據(jù)處理信息流程

各遙測站將接收的密文遙測數(shù)據(jù)發(fā)送到指控中心，先經(jīng)過解密預(yù)處理設(shè)備和解密器完成數(shù)據(jù)解密，輸出明文遙測數(shù)據(jù)，中心計算機系統(tǒng)對明文遙測數(shù)據(jù)進行參數(shù)分路(挑路)并計算處理，這些過程都是并行針對各遙測站數(shù)據(jù)獨立進行，分別得到各遙測站數(shù)據(jù)的處理結(jié)果，最后對各站數(shù)據(jù)處理結(jié)果按照事先制定的策略進行擇優(yōu)，形成最終結(jié)果供顯示和指揮決策。

這種處理模式存在以下弊端:

①資源耗費大。由于一個遙測站通常接收多個遙測流數(shù)據(jù)，每個遙測流數(shù)據(jù)對應(yīng)一臺解密處理設(shè)備，為了保證可靠性，另按一定比例熱備份解密處理設(shè)備，目前還要適應(yīng)多發(fā)并行試驗，對解密處理設(shè)備硬件需求數(shù)量達到參試遙測站數(shù)量2倍或3倍以上。參數(shù)分路及處理按所有遙測站的累計遙測流數(shù)分別進行，計算機資源耗費大，操作人員的軟件配置維護工作量大［5］。

②擇優(yōu)策略調(diào)整頻繁。每次試驗需根據(jù)各遙測站的布站位置、跟蹤弧段和飛行特性事先制定參數(shù)擇優(yōu)策略，花費不少工作量，且由于影響跟蹤測量的因素較多，制定的擇優(yōu)策略并不能總是十分有效。

③精細化處理程度低。目前是基于各個遙測數(shù)據(jù)流單獨處理的結(jié)果級綜合擇優(yōu)，未在原碼級對各個遙測數(shù)據(jù)流進行擇優(yōu)互補。比如某遙測站某參數(shù)只接收到1幀或2幀數(shù)據(jù)，不符合參數(shù)解算條件，該1幀或2幀數(shù)據(jù)即成了無效數(shù)據(jù)，不能在處理中發(fā)揮作用，若能在原碼級對各個遙測數(shù)據(jù)流進行逐幀擇優(yōu)互補，則該1幀或2幀數(shù)據(jù)就能作為有效數(shù)據(jù)參與擇優(yōu)互補，提高參數(shù)解算成功的概率［6］。

2 實時遙測數(shù)據(jù)處理模式改進設(shè)想

針對當前實時遙測數(shù)據(jù)處理模式存在的弊端，提出解密前進行多站遙測數(shù)據(jù)對接的改進設(shè)想，改進后實時遙測數(shù)據(jù)處理信息流程如圖2所示。各遙測站將接收的密文遙測數(shù)據(jù)發(fā)送到指控中心，先經(jīng)過多站遙測數(shù)據(jù)實時逐幀對接，將多個遙測站接收的多個遙測數(shù)據(jù)流(彈上同源)拼接形成一個完整的全程測量數(shù)據(jù)流，再經(jīng)過解密預(yù)處理設(shè)備和解密器完成數(shù)據(jù)解密，輸出明文遙測數(shù)據(jù)，中心計算機系統(tǒng)對明文遙測數(shù)據(jù)進行參數(shù)分路(挑路)并計算處理，結(jié)果供顯示和指揮決策。

圖2 改進后實時遙測數(shù)據(jù)處理信息流程

改進后，需要增加實時數(shù)據(jù)對接服務(wù)器，解密處理設(shè)備數(shù)量只需根據(jù)彈上遙測流數(shù)量配置，與地面參試遙測站數(shù)量無關(guān)，可以極大地縮減解密處理設(shè)備需求數(shù)量。對接后只對一個遙測數(shù)據(jù)流進行參數(shù)分路及處理，計算機資源耗費小，操作人員對軟件配置維護工作量小，省去了每次飛行試驗事先制定參數(shù)擇優(yōu)策略。各個遙測站接收的每一幀數(shù)據(jù)都能參與對接過程，尤其在傳輸點數(shù)很少的遙測參數(shù)解算中作用明顯。

3 多站遙測數(shù)據(jù)實時對接方法

在實際飛行試驗中，由于目標姿態(tài)變化、級間分離、尾焰和設(shè)備故障等多種原因，地面遙測設(shè)備獲取的遙測數(shù)據(jù)經(jīng)常出現(xiàn)不同程度的亂散段［7］，網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中還可能發(fā)生數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象［8，9］，單站測量數(shù)據(jù)往往不能滿足處理的要求，因此需要對多站數(shù)據(jù)進行對接，獲取完整的測量數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)對接是事后數(shù)據(jù)預(yù)處理工作的重要內(nèi)容，文獻［3，4，10］等介紹了事后處理數(shù)據(jù)剪輯和對接的方法，但鮮見實時遙測數(shù)據(jù)對接方法的研究文獻。

3.1 數(shù)據(jù)實時對接與事后對接的區(qū)別

遙測數(shù)據(jù)實時對接可以借鑒事后對接的方法，但由于處理時機和處理要求等特點不同，實時對接與事后對接方法必然存在區(qū)別。

①實時對接是一種實時、不可逆的一次性行為，必須對當前接收的有限幀數(shù)據(jù)做出及時判斷、選擇，對接方法不能包含后驗信息，實時性、可靠性要求高。事后對接在相對寬松的期限內(nèi)對各站記錄的遙測數(shù)據(jù)文件進行處理，通過對遙測數(shù)據(jù)文件搜索、檢查，可以獲取豐富的數(shù)據(jù)質(zhì)量后驗信息，然后基于這些豐富的后驗信息進行數(shù)據(jù)對接，對接過程允許多次重復(fù)。

②事后對接可以采用基于遙測地面時間的數(shù)據(jù)對接方法和基于遙測全幀計數(shù)的數(shù)據(jù)對接方法，基于遙測地面時間的數(shù)據(jù)對接方法和對接過程較為復(fù)雜，而基于遙測全幀計數(shù)的多站數(shù)據(jù)對接方法處理簡單［11］。解密前數(shù)據(jù)實時對接只能采用基于遙測地面時間的數(shù)據(jù)對接方法，因為全幀計數(shù)作為遙測參數(shù)被加密。

3.2 遙測數(shù)據(jù)的幀格式

遙測站發(fā)送到指控中心的遙測數(shù)據(jù)是標準子幀數(shù)據(jù)流，子幀數(shù)據(jù)格式如圖3所示［10］。幀數(shù)據(jù)格式中的時間字是由地面遙測站添加在數(shù)據(jù)幀前面的時統(tǒng)時間，記錄了當前幀到來時時碼接收器的解調(diào)時間。副幀計數(shù)字也是地面遙測站添加在數(shù)據(jù)幀前面的副幀同步字，當副幀鎖定時以0作為全幀起點，每幀加1，直至全幀結(jié)束，當副幀未鎖定時保持0不變。時間字、副幀計數(shù)字和同步碼均不加密，遙測數(shù)據(jù)碼根據(jù)需要加密。一個全幀由若干個子幀組成(無副幀時一個子幀即相當于一個全幀)。

圖3 標準子幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

3.3 遙測幀對齊

實時對接前，必須首先實現(xiàn)遙測幀對齊，即從接收的多站遙測數(shù)據(jù)中識別出同一幀遙測數(shù)據(jù)。因為全幀計數(shù)作為遙測參數(shù)被加密，只能依據(jù)遙測站添加在數(shù)據(jù)幀前面的時統(tǒng)時間進行遙測幀對齊。由于各遙測站接收遙測信號的電波傳輸延時和時統(tǒng)延時不同，所以各遙測站添加在同一幀數(shù)據(jù)前面的時間經(jīng)常存在差異，必須經(jīng)過適當?shù)难訒r修正才能完成遙測幀對齊。因為實時只能做粗略的延時修正，經(jīng)過延時修正可以縮小這種差異，但很難完全消除這種差異，只要這種差異明顯小于緊鄰2幀信號的采樣時間間隔即可。

實時對接中，可以利用理論彈道進行電波延時修正，電波延時計算方法如下［12］:

式中，C為光速;Ri為ti時刻目標與遙測站的距離;Δti為ti時刻電波傳輸延時。電波延時修正誤差主要來源于實際飛行彈道與理論彈道的誤差，假設(shè)這2種彈道誤差極限為300 km，則帶來1 ms電波延時修正誤差。

時統(tǒng)延時包括B碼信號傳輸延時和B碼終端解調(diào)延時，有些遙測站能達到幾百μs，但發(fā)射前經(jīng)過時統(tǒng)延時精確測定后［13］，通過B碼終端自身具備的延時修正功能，可將時統(tǒng)延時降至幾十μs。地面遙測站數(shù)據(jù)配時精度為0.1 ms，則配時誤差＜0.1 ms。

綜上，按極限情況估算，經(jīng)過延時修正后，各遙測站同一幀數(shù)據(jù)的時間差異＜1.2 ms，且差異主要由電波延時引起。

理論上有按子幀對齊和按全幀對齊2種途徑，但由于子幀周期很小(通常為百μs級)，經(jīng)過延時修正后各遙測站同一幀數(shù)據(jù)的時間誤差在極限情況下很可能大于子幀周期，導(dǎo)致無法準確識別同一子幀數(shù)據(jù)，因此按子幀對齊不可靠。全幀周期通常在10 ms以上，以全幀中第1子幀的時間作為全幀時間，則全幀時間極限誤差與全幀周期相差一個量級，可以準確識別同一全幀數(shù)據(jù)，因此實時對接應(yīng)按全幀對齊遙測數(shù)據(jù)，只要滿足延時修正后時間差＜1.2 ms或1/5全幀周期即可認定為同一全幀數(shù)據(jù)。

飛行試驗中遙測站A和遙測站B(兩站相距390 km)連續(xù)若干幀數(shù)據(jù)(子幀周期0.312 5 ms，全幀周期10 ms，副幀長N)電波延時修正后的時間如表1所示。其中，遙測站A距目標25 060 m，電波延時修正為0.1 ms;遙測站B距目標388 340 m，電波延時修正為1.3 ms。

表1 遙測站A和站B連續(xù)若干幀數(shù)據(jù)延時修正后的時間

按照延時修正后時間差＜1.2 ms即認定為同一幀數(shù)據(jù)的判決標準，表1中A站第i+1全幀時間與B站第i和i+2全幀時間的差值均為10 ms，與B站第i+1全幀時間的差值為0 ms，可以準確、唯一地對齊A站和B站的第i+1全幀，但A站第i全幀的第N－1子幀時間與B站第i全幀的第N－2、第N－1和第N子幀時間的差值均＜1.2 ms，不能準確、唯一地對齊子幀。

3.4 全幀整理

為了實現(xiàn)按全幀對齊遙測數(shù)據(jù)，必須將子幀數(shù)據(jù)流整理成全幀數(shù)據(jù)流，可以利用地面遙測站添加在子幀數(shù)據(jù)前面的副幀計數(shù)字進行副幀同步，完成全幀整理。這種副幀同步方式實質(zhì)就是ID副幀同步方式。

3.5 全幀檢擇對接

多站遙測數(shù)據(jù)全幀對齊后，即可進行逐幀對接。對接時，必須對整理出的全幀進行檢查，主要是檢查時碼和幀同步碼，比較幀內(nèi)數(shù)據(jù)，以便從多站接收的同一全幀中選出最可信的一幀。

①時碼檢查。檢查該全幀中每一子幀時間碼是否正常，主要判斷時間是否為非法值，與當前系統(tǒng)時間是否一致，連續(xù)2幀的時間間隔是否符合子幀周期，時間是否連續(xù)遞增。

②幀同步碼檢查。檢查全幀內(nèi)每個子幀的幀同步碼是否符合要求，對幀同步碼的錯誤位數(shù)進行統(tǒng)計。錯誤位數(shù)越少，表明數(shù)據(jù)質(zhì)量越好，優(yōu)先選擇幀同步碼完全正確的全幀。

③幀內(nèi)數(shù)據(jù)比對。全幀數(shù)據(jù)對齊后，若有3個以上遙測站都接收到某個全幀，可以對幀內(nèi)數(shù)據(jù)相互比較，即比較幀內(nèi)數(shù)據(jù)的每一個字節(jié)原碼是否一致，按照三判二原則，如果存在2個全幀幀內(nèi)數(shù)據(jù)完全一致，則從中選擇一個;如果不存在，則按照幀同步碼錯誤位數(shù)最少、之前3個全幀內(nèi)幀同步碼錯誤位數(shù)最少等條件選擇最可信的一幀。

將檢擇的全幀數(shù)據(jù)按順序組織成一個數(shù)據(jù)質(zhì)量相對較好的遙測流，提供解密和遙測數(shù)據(jù)實時處理。

4 結(jié)束語

針對實時遙測數(shù)據(jù)特點，研究了可行的對接方法，解決了多站遙測數(shù)據(jù)實時對接關(guān)鍵問題，有利于改進實時遙測數(shù)據(jù)處理模式，進而節(jié)省軟硬件資源，簡化參數(shù)擇優(yōu)策略，提高處理精細化程度。在實際應(yīng)用時，由于各遙測站數(shù)據(jù)至中心的網(wǎng)絡(luò)傳輸延時不一致［14］，中心需根據(jù)實時性要求合理選擇接收數(shù)據(jù)緩沖時間，也可以在維持現(xiàn)有實時處理模式基礎(chǔ)上，將實時對接形成的遙測流作為所有遙測站的綜合備份流。

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