史向東 儲(chǔ)海洋 杜 朝

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面向低軌衛(wèi)星的多通道數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)比對(duì)方法研究

史向東 儲(chǔ)海洋 杜 朝

（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京100094）

針對(duì)測(cè)試過程中，低軌衛(wèi)星下行數(shù)據(jù)種類繁多、信息量大，在測(cè)試中，數(shù)據(jù)判讀人員常常只能監(jiān)視其中某一通道的數(shù)據(jù)，其他通道數(shù)據(jù)的正確性只能在測(cè)試之后，人工進(jìn)行比對(duì)判讀，工作量大、效率低，采取面向低軌衛(wèi)星的多通道數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)比對(duì)方法，能夠幫助測(cè)試人員在測(cè)試中實(shí)時(shí)對(duì)多通道數(shù)據(jù)的一致性進(jìn)行比對(duì)，提升測(cè)試效率。

低軌衛(wèi)星；多通道數(shù)據(jù)；實(shí)時(shí)比對(duì)

1 引言

隨著衛(wèi)星技術(shù)的不斷發(fā)展，低軌衛(wèi)星機(jī)動(dòng)性越來越強(qiáng)，對(duì)可靠性的要求也越來越高。為達(dá)到全面、準(zhǔn)確監(jiān)視衛(wèi)星狀態(tài)的要求，下行遙測(cè)數(shù)據(jù)的信息量也與日劇增，成千上萬(wàn)的實(shí)時(shí)和延時(shí)遙測(cè)參數(shù)令人眼花繚亂；衛(wèi)星搭載的載荷下傳數(shù)據(jù)也包括大量記錄衛(wèi)星工作狀態(tài)的輔助數(shù)據(jù)；地面電性能測(cè)試中，會(huì)產(chǎn)生以有線數(shù)據(jù)為代表的地面設(shè)備采集數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)種類繁多，信息量大，給衛(wèi)星測(cè)試人員的數(shù)據(jù)判讀工作帶來了困難。

在目前測(cè)試中，測(cè)試人員通常只能監(jiān)視某一通道數(shù)據(jù)，其他通道的數(shù)據(jù)正確性只能在測(cè)試之后，人工進(jìn)行比對(duì)判斷。判讀工作量大、效率低，已經(jīng)成為制約測(cè)試能力提升的瓶頸之一。本文研究一種面向低軌衛(wèi)星多通道數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)自動(dòng)比對(duì)技術(shù)，對(duì)衛(wèi)星下傳中不同通道數(shù)據(jù)（如實(shí)時(shí)遙測(cè)、延時(shí)遙測(cè)、載荷輔助數(shù)據(jù)、有線數(shù)據(jù)等）的相同信號(hào)進(jìn)行一致性智能比對(duì)，以幫助測(cè)試人員在測(cè)試進(jìn)行中實(shí)時(shí)判讀多通道數(shù)據(jù)，提升測(cè)試效率。

2 下行數(shù)據(jù)分析

圖1 低軌衛(wèi)星下行數(shù)據(jù)分類

低軌衛(wèi)星下行數(shù)據(jù)主要包括遙測(cè)數(shù)據(jù)和載荷數(shù)據(jù)，地面測(cè)試時(shí)，還會(huì)有一些地面設(shè)備采集數(shù)據(jù)，如圖1所示。

2.1 遙測(cè)數(shù)據(jù)

在測(cè)控弧段內(nèi)，遙測(cè)接收機(jī)接收到的下行遙測(cè)數(shù)據(jù)為實(shí)時(shí)遙測(cè)數(shù)據(jù)。

由于我國(guó)測(cè)控站資源有限，低軌衛(wèi)星多數(shù)時(shí)間里處于測(cè)控可見弧段外，為了監(jiān)視衛(wèi)星在境外的狀態(tài)，衛(wèi)星會(huì)記錄過去一段時(shí)間內(nèi)衛(wèi)星的狀態(tài)和工作情況，稱為延時(shí)遙測(cè)數(shù)據(jù)，其采樣點(diǎn)稀疏，能夠記錄長(zhǎng)時(shí)間的衛(wèi)星遙測(cè)數(shù)據(jù)，在測(cè)控可見弧度內(nèi)，通過數(shù)傳通道將遙測(cè)數(shù)據(jù)下傳。

2.2 載荷數(shù)據(jù)

載荷是衛(wèi)星執(zhí)行任務(wù)的關(guān)鍵，載荷工作后，將其得到的數(shù)據(jù)通過數(shù)傳通道下傳，其數(shù)據(jù)量大，碼速率高，由專用地面設(shè)備接收后，用于地面應(yīng)用。在下傳載荷數(shù)據(jù)時(shí)，一般也會(huì)下傳一些輔助數(shù)據(jù)，這些輔助數(shù)據(jù)中記錄了當(dāng)時(shí)衛(wèi)星的工作狀態(tài)，包括：星時(shí)、數(shù)傳主備份狀態(tài)、固存主備份狀態(tài)等。

2.3 地面設(shè)備采集數(shù)據(jù)

在地面綜合測(cè)試時(shí)，地面設(shè)備通過有線電纜與衛(wèi)星分離插頭、星表插頭相連，能夠?qū)崟r(shí)獲取衛(wèi)星通過插頭下傳的有線采集數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)也從不同的角度反映了衛(wèi)星的工作狀態(tài)。

2.4 關(guān)聯(lián)性分析

地面電測(cè)時(shí)，由于不受測(cè)控弧段的約束，能夠接收到衛(wèi)星實(shí)時(shí)遙測(cè)數(shù)據(jù)，因此任何延時(shí)遙測(cè)數(shù)據(jù)都能夠找到其對(duì)應(yīng)的實(shí)時(shí)遙測(cè)數(shù)據(jù)，兩者之間數(shù)據(jù)邏輯上一致，都反應(yīng)衛(wèi)星在一個(gè)時(shí)刻的狀態(tài)；載荷數(shù)據(jù)中的輔助數(shù)據(jù)與衛(wèi)星的遙測(cè)數(shù)據(jù)理論上具有一致性；地面采集數(shù)據(jù)與衛(wèi)星遙測(cè)數(shù)據(jù)也存在一致性，比如，有線數(shù)據(jù)和衛(wèi)星遙測(cè)數(shù)據(jù)中都包括衛(wèi)星母線電壓這樣的重要參數(shù)，這些記錄相同狀態(tài)的參數(shù)應(yīng)該是相同的。

3 總體思路

從上節(jié)關(guān)聯(lián)性分析可知，低軌衛(wèi)星實(shí)時(shí)遙測(cè)、延時(shí)遙測(cè)、地面采集數(shù)據(jù)、載荷輔助這四種通道下行數(shù)據(jù)之間存在聯(lián)系，具有自動(dòng)比對(duì)的條件。面對(duì)數(shù)據(jù)量龐大的下行判讀數(shù)據(jù)，如果能自動(dòng)比對(duì)不同通道間的數(shù)據(jù)的一致性，能夠節(jié)省測(cè)試人員的判讀時(shí)間，減輕測(cè)試人員數(shù)據(jù)判讀的壓力，防止數(shù)據(jù)漏判誤判，提高數(shù)據(jù)判讀的準(zhǔn)確性。

對(duì)低軌衛(wèi)星下行數(shù)據(jù)進(jìn)行歸類，分析其關(guān)聯(lián)性后，結(jié)合目前綜合測(cè)試的工作流程，提出了多通道數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)比對(duì)的方法——采集到的整星下行數(shù)據(jù)經(jīng)過整星數(shù)據(jù)幀解碼后，根據(jù)下行通道不同，分類對(duì)下行數(shù)據(jù)進(jìn)行解析；以信號(hào)為單位，按照星時(shí)順序緩存在信號(hào)消息隊(duì)列中；利用多通道數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)智能比對(duì)算法，對(duì)同一信號(hào)在不同通道中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)；數(shù)據(jù)內(nèi)容與比對(duì)結(jié)果根據(jù)監(jiān)視需要，以曲線、表格形式顯示出來。該方法主要包括數(shù)據(jù)采集、解碼、解析、組織、比對(duì)、顯示6個(gè)部分，流程如圖2所示。

圖2 多通道數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)比對(duì)流程

數(shù)據(jù)采集：由測(cè)試設(shè)備接收衛(wèi)星多通道下行數(shù)據(jù)，供后續(xù)解析。

數(shù)據(jù)解碼：下行數(shù)據(jù)由通信傳送幀作為載體傳送。為避免信道長(zhǎng)時(shí)間出現(xiàn)0或者1，組幀時(shí)要進(jìn)行加擾。數(shù)據(jù)解幀時(shí)，要進(jìn)行去擾處理，需用偽隨機(jī)序列與同步碼以外的每一位數(shù)據(jù)進(jìn)行異或，從而恢復(fù)數(shù)據(jù)。假設(shè)原始數(shù)為D，用來加擾的偽隨機(jī)序列為R，加擾后的數(shù)據(jù)為P，則解擾為P⊕R=(D⊕R)⊕R=D⊕(R⊕R)=D⊕0=D。

數(shù)據(jù)解析：解擾后的傳送幀是由幀同步碼、幀主導(dǎo)頭、幀數(shù)據(jù)域及RS校驗(yàn)填充4部分組成，數(shù)據(jù)包按照一定的規(guī)則填充在幀數(shù)據(jù)域中，數(shù)據(jù)包按照CCSDS源包結(jié)構(gòu)定義。源包數(shù)據(jù)域中存放著不同信號(hào)的遙測(cè)數(shù)據(jù)以及對(duì)應(yīng)的衛(wèi)星時(shí)間。通過對(duì)源包數(shù)據(jù)域的解析，可以得到數(shù)據(jù)包的星時(shí)數(shù)據(jù)以及遙測(cè)參數(shù)的鍵值對(duì)序列，即遙測(cè)信號(hào)（S）、信號(hào)工程值（V）的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

數(shù)據(jù)組織：根據(jù)數(shù)據(jù)下行通道，判定獲取數(shù)據(jù)是實(shí)時(shí)、延時(shí)、載荷輔助數(shù)據(jù)、地面采集數(shù)據(jù)，將接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為，C為通道類型，按順序依次存儲(chǔ)到緩沖區(qū)，供后續(xù)讀取與比對(duì)。

數(shù)據(jù)比對(duì)：實(shí)時(shí)讀取緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)，基于智能比對(duì)算法，與其他通道數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)。

數(shù)據(jù)顯示：判讀結(jié)果顯示，包括曲線、表格兩種形式。曲線顯示將監(jiān)視信號(hào)渲染成為一條曲線，曲線以衛(wèi)星時(shí)間作為曲線的軸，以參數(shù)的工程值作為曲線的軸，方便用戶直觀觀測(cè)信號(hào)變化情況。表格顯示能夠滿足在同一屏幕上顯示多個(gè)信號(hào)，對(duì)多個(gè)信號(hào)的變化一目了然，為觀測(cè)數(shù)據(jù)提供了另一種有效、實(shí)用手段。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 信號(hào)存儲(chǔ)

解析后的下行數(shù)據(jù)需要放入存儲(chǔ)區(qū)，供后續(xù)流程讀取與比對(duì)。信號(hào)存儲(chǔ)區(qū)是一塊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為Queue（隊(duì)列）的內(nèi)存空間。對(duì)信號(hào)存儲(chǔ)區(qū)的讀寫采用“先入先出”規(guī)則，即存儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)，新獲取的數(shù)據(jù)必須存儲(chǔ)在先前存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)的后面，讀取數(shù)據(jù)時(shí)，按照數(shù)據(jù)在隊(duì)列中的先后順序讀取。采用“先入先出”規(guī)則保證了解析出信號(hào)的星時(shí)連續(xù)性。

信號(hào)存儲(chǔ)區(qū)的存儲(chǔ)單位為一個(gè)數(shù)據(jù)包，保證了解析數(shù)據(jù)的完整性。對(duì)于每個(gè)源包數(shù)據(jù)，首先排列該數(shù)據(jù)包的星時(shí)數(shù)據(jù)，后面依次排列包內(nèi)的遙測(cè)參數(shù)信息（信號(hào)S、工程值V、監(jiān)視通道C），即序列。多通道數(shù)據(jù)的排序規(guī)則如圖3所示。信號(hào)存儲(chǔ)區(qū)的讀取單位為一個(gè)遙測(cè)信號(hào)，信號(hào)類型包括星時(shí)信號(hào)與數(shù)據(jù)信號(hào)，星時(shí)信號(hào)表明后續(xù)信號(hào)的時(shí)間信息，數(shù)據(jù)信號(hào)為鍵值對(duì)。

圖3 多通道數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)排序隊(duì)列示意

4.2 智能比對(duì)

實(shí)時(shí)遙測(cè)采集頻率高，覆蓋信號(hào)全，選定實(shí)時(shí)遙測(cè)通道為基準(zhǔn)，其他通道數(shù)據(jù)與其比對(duì)，查找同一星時(shí)下多通道數(shù)據(jù)的工程值差值是否超過了正常波動(dòng)范圍，并根據(jù)結(jié)果決定是否報(bào)警。每個(gè)監(jiān)視信號(hào)包括星時(shí)和工程值信息，由（V-T）鍵值對(duì)表示，用鏈表存儲(chǔ)采集時(shí)間段內(nèi)的信號(hào)信息。

比對(duì)策略1：接收其他通道的待比對(duì)信號(hào)信息，獲取信號(hào)時(shí)間，查找實(shí)時(shí)遙測(cè)通道的數(shù)據(jù)列表，匹配相應(yīng)信號(hào)時(shí)間，獲取實(shí)時(shí)遙測(cè)數(shù)據(jù)通道工程值，進(jìn)行比對(duì)。比對(duì)策略示意如圖4，時(shí)間復(fù)雜度為()。該策略隨著接收到的信號(hào)數(shù)據(jù)增加，比對(duì)耗時(shí)增長(zhǎng)，無法滿足實(shí)時(shí)比對(duì)的快速響應(yīng)時(shí)間。

圖4 比對(duì)策略1示意圖

比對(duì)策略2：由比對(duì)策略1得到的啟示，如果信號(hào)間具有的時(shí)間相同間隔，則不需要一一比對(duì)，通過計(jì)算比對(duì)通道的信號(hào)星時(shí)與第一個(gè)接收的實(shí)時(shí)遙測(cè)通道信號(hào)星時(shí)的差值，以及已知的時(shí)間間隔，就可以找到對(duì)應(yīng)星時(shí)的實(shí)時(shí)遙測(cè)通道信號(hào)，比對(duì)策略如圖5所示。

圖5 比對(duì)策略2示意圖

設(shè)實(shí)時(shí)通道時(shí)間間隔為，第一次接收到的信號(hào)時(shí)間為1,當(dāng)前比對(duì)時(shí)間為，則比對(duì)的信號(hào)位置為(-1)/，時(shí)間復(fù)雜度為(1)，能夠滿足實(shí)時(shí)處理的需求。但由于受衛(wèi)星下傳鏈路帶寬限制，不同包的下傳頻率并不相同，而且在不同的工作模式下的同一個(gè)包的下傳頻率也不相同，導(dǎo)致信號(hào)間的間隔并不一致，因此無法采用這種方式。

圖6 比對(duì)策略3示意圖

比對(duì)策略3：引入哈希表，將每隔固定時(shí)間的信號(hào)用hash表索引，hash表中存儲(chǔ)著該時(shí)間段中第一個(gè)信號(hào)在列表中的位置。當(dāng)進(jìn)行比對(duì)的時(shí)候，比對(duì)通道的信號(hào)通過哈希函數(shù)能快速找到對(duì)應(yīng)時(shí)間段內(nèi)，實(shí)時(shí)遙測(cè)通道中信號(hào)的存儲(chǔ)位置。根據(jù)hash表中所指向的鏈表區(qū)域，再進(jìn)行精確比對(duì)，找到具有相同衛(wèi)星時(shí)間的實(shí)時(shí)遙測(cè)通道信號(hào)，比對(duì)策略如圖6所示。該策略時(shí)間復(fù)雜度為(1)，能夠滿足實(shí)時(shí)處理的需求，并且固定時(shí)間間隔可以人為定義，不受限制。

通過對(duì)上述三種比對(duì)策略的分析，采用既能滿足實(shí)時(shí)處理要求，又不受源包下傳頻率變化影響的比對(duì)策略3，以實(shí)時(shí)遙測(cè)通道為基準(zhǔn)，對(duì)多通道下行數(shù)據(jù)進(jìn)行智能比對(duì)，比對(duì)算法的具體流程如圖7所示。

圖7 智能比對(duì)流程

5 結(jié)束語(yǔ)

關(guān)聯(lián)性分析低軌衛(wèi)星下行數(shù)據(jù)，結(jié)合航天器綜合測(cè)試的特點(diǎn)，提出面向低軌衛(wèi)星的多通道數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)比對(duì)方法，對(duì)衛(wèi)星下傳的不同通道數(shù)據(jù)（如實(shí)時(shí)遙測(cè)、延時(shí)遙測(cè)、載荷輔助信息、有線數(shù)據(jù)等）能夠在總控解析后一致性智能比對(duì)，幫助測(cè)試人員在測(cè)試進(jìn)行中實(shí)時(shí)對(duì)多通道數(shù)據(jù)的正確性進(jìn)行判讀，提升測(cè)試效率。

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2 王飛，蘇秀琴. Windows應(yīng)用程序的實(shí)時(shí)性編程技術(shù)[J]. 量子電子學(xué)報(bào) 2001，18（增刊）：80～83

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Research on Real-time Comparison of Multi-channel Data for Low-orbit Satellites

Shi Xiangdong Chu Haiyang Du Zhao

(Bejing Institute of Spacecraft System Engineering, Beijing 100094)

Downlink data for low-orbit satellite are large and varied. In the test, the data interpreter often can only monitor one of the channels of data，while the correctness of other channels of data can only be compared manually after the test, which is heavy in workload and low efficiency. In this paper, a real-time comparison method is studied and implemented for low-orbit satellite multi-channel data. It can help testers to compare the consistency of multiple channel data in real time and improve the efficiency of the test.

low-orbit satellite；multi-channel；real-time comparison

史向東（1986-），碩士，計(jì)算機(jī)軟件專業(yè)；研究方向：工程數(shù)字化、信息化。

2017-04-01