陳 策，劉 靚，呂長春，黃 皓，尹祿高

(北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076)

0 引言

運載火箭遙測系統(tǒng)主要用于監(jiān)測火箭飛行過程中的工作狀態(tài)，將環(huán)境參數(shù)、電量參數(shù)、指令參數(shù)等多類型的狀態(tài)參數(shù)統(tǒng)一編幀，并通過射頻傳輸至地面解調處理[1]。在地面進行綜合試驗、出廠測試、靶場測試階段，遙測參數(shù)起始電平判讀是全系統(tǒng)每次加電后的第一項檢查，也是極其重要的一項檢查，目的是確認加電后系統(tǒng)初始工作狀態(tài)的正常與否[2]。傳統(tǒng)的起始電平判讀主要通過人工打印判讀，即將所有遙測參數(shù)起始電平值打印成冊，由測試人員逐一確認，存在較大的判讀缺陷。

1)極易誤判漏判：由于箭上遙測參數(shù)數(shù)量繁多，傳統(tǒng)人工判讀方法完全取決于人員的細致程度，很難保證判讀的有效性，經(jīng)常出現(xiàn)漏判、誤判等現(xiàn)象[3]，不能在第一時間發(fā)現(xiàn)產品隱患，導致后續(xù)出現(xiàn)產品惡化、損壞等情況。

2)覆蓋性嚴重不足：由于打印出的起始電平僅挑選了各遙測參數(shù)的其中一個波道的零位值，并不包含參數(shù)的所有波道值，無法確保參數(shù)的所有波道均采集正常，甚至導致飛行后才發(fā)現(xiàn)某參數(shù)的部分波道值錯誤的情況。

3)判讀效率低下：遙測參數(shù)起始電平判讀是運載火箭各階段試驗過程每次加電后的第一項測試，直接影響著后續(xù)測試流程。傳統(tǒng)人工判讀方法效率方面低下，累計花費時間成本較多，嚴重不符合高密度測試需求。

4)精細化程度不夠：傳統(tǒng)人工打印判讀無法進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和挖掘，缺乏對參數(shù)動態(tài)變化和數(shù)據(jù)包絡的掌控。特別是在問題追溯時，需要翻閱大量紙質數(shù)據(jù)，很難找到數(shù)據(jù)異常的第一時刻，影響問題排查。

針對上述問題，本文設計一種遙測參數(shù)自動判讀軟件，采用組播接收技術從網(wǎng)絡端獲取遙測全幀數(shù)據(jù)，根據(jù)參數(shù)波道配置進行全波道數(shù)據(jù)挑路，并與給定判據(jù)進行比對和包絡分析，實現(xiàn)遙測參數(shù)起始電平的自動判讀和存儲，大幅提高了測試效率、覆蓋性和精細化程度。

1 總體方案設計

1.1 工作原理

運載火箭箭上遙測系統(tǒng)和地面測試系統(tǒng)基本工作原理如圖1所示。箭上遙測系統(tǒng)中傳輸設備將環(huán)境參數(shù)、模擬量參數(shù)、指令參數(shù)等多類型遙測參數(shù)進行采集、轉換、編幀，通過射頻天饋無線傳輸至地面測試系統(tǒng)；地面測試系統(tǒng)通過地面接收天線接收箭上遙測射頻信號，進入地面檢測站進行數(shù)據(jù)解調并將解調后的遙測全幀數(shù)據(jù)組播發(fā)送，瀏覽微機連接交換機進行組播接收，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理和顯示[4]。

圖1 遙測系統(tǒng)基本工作原理

自動判讀軟件安裝在瀏覽微機中，借用原有資源無需額外的硬件支持，即可實現(xiàn)遙測參數(shù)起始電平的自動判讀功能。

1.2 自動判讀軟件設計

自動判讀軟件主要包括組播接收模塊、波道處理模塊、數(shù)據(jù)提取模塊、數(shù)據(jù)判讀及包絡分析模塊、數(shù)據(jù)顯示及報警模塊、數(shù)據(jù)庫配置及存儲模塊等，具體組成如圖2所示。工作過程中，通過對遙測數(shù)據(jù)進行組播接收、全波道計算、參數(shù)值提取、數(shù)據(jù)判讀、合格包絡分析、數(shù)據(jù)顯示存儲等處理，實現(xiàn)遙測參數(shù)全波道起始電平值的判讀覆蓋。

圖2 自動判讀軟件方案

組播接收模塊主要用于接收地面遙測檢測站發(fā)送的遙測全幀數(shù)據(jù)，作為后續(xù)數(shù)據(jù)挑路、處理、顯示的源數(shù)據(jù)。

波道處理模塊主要用于讀取數(shù)據(jù)庫中配置的參數(shù)波道信息和測試信息，根據(jù)被測參數(shù)信息索引全部波道，獲取被測參數(shù)的全部波道并排列為數(shù)組。

數(shù)據(jù)提取模塊主要用于提取遙測參數(shù)的起始電平，即以全幀數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源，根據(jù)波道數(shù)組對不同類型遙測參數(shù)進行分類索引挑路，獲取被測參數(shù)的全部波道的起始電平。

數(shù)據(jù)判讀及包絡分析模塊主要是對參數(shù)的起始電平進行分析處理，一是與給定參數(shù)范圍進行“合格/不合格”比對，二是與前期測試數(shù)據(jù)形成的 包絡范圍進行“包絡/不包絡”分析，給出綜合判讀結果。同時，可根據(jù)當前起始電平在線更改參數(shù)范圍和包絡范圍，也可實現(xiàn)一鍵更新所有參數(shù)包絡。

數(shù)據(jù)顯示及報警模塊主要用于顯示被測參數(shù)的參數(shù)信息、起始電平和判讀結果，顯示方式包括文本顯示、曲線顯示，同時具備超差報警功能。

數(shù)據(jù)庫配置及存儲模塊主要用于配置信息錄入和數(shù)據(jù)結果存儲。配置信息錄入主要包括參數(shù)信息、波道信息、判據(jù)信息、組播配置信息等；結果存儲主要存儲起始電平及判讀結果。

1.3 軟件架構設計

自動判讀軟件設計上采用經(jīng)典分層式三層架構，包括數(shù)據(jù)訪問層、業(yè)務邏輯層、表現(xiàn)層[5]，如圖2所示。數(shù)據(jù)訪問層直接操作數(shù)據(jù)庫，對數(shù)據(jù)進行增添、刪除、修改、更新、查找等，包括測試前讀取配置數(shù)據(jù)庫中的參數(shù)信息、組播配置等，以及測試后將測試結果存儲至結果數(shù)據(jù)庫；業(yè)務邏輯層主要是對數(shù)據(jù)層的操作，對數(shù)據(jù)業(yè)務進行邏輯處理，包括組播接收數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)提取、自動判讀、包絡分析等功能；表現(xiàn)層用于接受用戶信息并將結果展示給用戶，主要指人機交互界面，用戶可在界面上選擇測試流程進行一鍵測試。

圖3 軟件架構

2 主要軟件模塊設計

2.1 組播接收模塊

網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸方式共分為單播、組播、廣播3種形式。單播是“一對一”的點對點通訊模式；組播是“一對一組”的通訊模式，即加入了同一個組的主機均可以接收到此組內的所有數(shù)據(jù)；廣播是“一對所有”的通訊模式，廣播者可以向網(wǎng)絡中所有主機發(fā)送信息。地面檢測站以組播的形式將遙測全幀數(shù)據(jù)發(fā)出，發(fā)送周期通常為50 ms，箭上遙測系統(tǒng)下傳數(shù)據(jù)周期通常為25 ms，因此地面檢測站每周期發(fā)送兩包全幀數(shù)據(jù)。

自動判讀軟件設計了組播接收模塊實現(xiàn)遙測全幀數(shù)據(jù)接收。通過讀取相應的組播地址和端口號信息，打開組播建立連接，讀取組播數(shù)據(jù)并根據(jù)幀結構計算全幀數(shù)據(jù)長度并截取數(shù)據(jù)，作為后續(xù)處理判讀的數(shù)據(jù)源，具體的軟件流程如圖4所示。其中，組播地址、端口號、幀結構均在數(shù)據(jù)庫中配置，可根據(jù)型號的不同進行分別處理。

圖4 組播接收模塊軟件流程

2.2 波道處理模塊

遙測參數(shù)按采樣速率可分為緩變、速變參數(shù)，緩變參數(shù)通常占用一個波道，而速變參數(shù)通常占用多個波道，在波道編排形式上類似一個矩形方陣，通過主幀號、副幀號可計算得到參數(shù)的波道號。

波道處理模塊主要目的是查找被測參數(shù)的所有波道，并提供給后續(xù)數(shù)據(jù)提取模塊實現(xiàn)被測參數(shù)的全波道起始電平提取。設計時，主要是通過數(shù)據(jù)庫索引來完成參數(shù)和波道的對應關系梳理，根據(jù)被測參數(shù)信息中的參數(shù)代號索引波道信息，根據(jù)波道信息的主幀、副幀循環(huán)計算所有波道值，并將波道數(shù)據(jù)匯成數(shù)組輸出供后續(xù)模塊使用。

2.3 數(shù)據(jù)提取模塊

遙測參數(shù)種類很多，包括電量、振動、壓力、過載、溫度、指令等，但從數(shù)據(jù)格式來講，一般分為兩種，一種是波道型參數(shù)，即參數(shù)值需要一個完整波道(8位二進制)來表示，可統(tǒng)稱為模擬量參數(shù)；一種是占位型參數(shù)，即參數(shù)值僅需要一個波道中的一位(1位二進制)來表示，可統(tǒng)稱為指令參數(shù)。對于模擬量參數(shù)僅需波道值即可在全幀中提取數(shù)據(jù)，對于指令參數(shù)需要波道和占位兩個信息提取數(shù)據(jù)。因此設計的關鍵在于不同參數(shù)類型的不同處理方式。

自動判讀軟件中，組播接收模塊輸出遙測全幀數(shù)組，波道處理模塊輸出波道數(shù)組，而數(shù)據(jù)提取模塊以遙測全幀數(shù)據(jù)數(shù)組為數(shù)據(jù)源，根據(jù)波道數(shù)組和參數(shù)類型分類計算參數(shù)波道值，并在全幀數(shù)據(jù)數(shù)組中根據(jù)波道值提取被測參數(shù)的所有起始電平，具體處理流程見圖5。

2.4 數(shù)據(jù)判讀及包絡分析模塊

在獲取被測參數(shù)全波道的起始電平數(shù)組后，需要數(shù)據(jù)判讀及包絡分析模塊對起始電平進行自動判讀，并給出判讀結果。自動判讀條件主要分為兩部分：一部分是給定的參數(shù)范圍，由遙測系統(tǒng)技術文件規(guī)定，統(tǒng)一配置到數(shù)據(jù)庫中供讀取使用，也可在線更改，判讀結果輸出為合格/不合格；另一部分是參數(shù)包絡范圍，由歷次測試統(tǒng)計得到，可在線更新包絡，判讀結果輸出為包絡/不包絡。

在數(shù)據(jù)比對時，首先計算所獲取的某參數(shù)所有起始點平值的最大值和最小值；然后，將最大、最小值分別與參數(shù)范圍的上限、下限進行比較，若最大值大于上限或最小值小于下限，則判讀數(shù)據(jù)超差輸出“不合格”判讀結果，否則判讀合格進行后續(xù)包絡比較。在包絡比較時，同樣將最大、最小值分別與包絡范圍的上限、下限進行比較，如果最大值大于上限或最小值小于下限，則判讀超包絡由人工確認是否正常；最后，根據(jù)參數(shù)范圍和包絡范圍的兩類判讀情況輸出綜合判讀結果，主要有“不合格”、“合格/包絡”、“合格/不包絡”3種情況。具體的軟件處理流程如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)判讀及包絡分析模塊軟件流程

2.5 數(shù)據(jù)顯示及報警模塊

數(shù)據(jù)顯示及報警模塊主要是給用戶顯示遙測參數(shù)信息、起始電平和判讀結果，并對超差數(shù)據(jù)進行報警。同時，可單獨選擇任一參數(shù)進行實時曲線顯示，直觀顯示參數(shù)變化情況。

設計時，主要顯示四類信息：1)讀取配置數(shù)據(jù)庫，顯示被測參數(shù)信息，包括參數(shù)代號、參數(shù)范圍、包絡范圍等；2)根據(jù)數(shù)據(jù)提取模塊輸出的被測參數(shù)起始電平數(shù)組，顯示被測參數(shù)起始電平值，在顯示時對于單波道參數(shù)直接顯示波道值即可，對于多波道參數(shù)顯示所有波道值的范圍，即“最小值～最大值”；3)根據(jù)數(shù)據(jù)判讀及包絡分析模塊輸出的判讀結果，顯示“不合格”或“合格/包絡”或“合格/不包絡”，且在不合格時需電量報警燈；4)根據(jù)用戶單選的某一個參數(shù)，循環(huán)接收遙測數(shù)據(jù)，實時顯示參數(shù)曲線。

2.6 數(shù)據(jù)庫配置及存儲模塊

數(shù)據(jù)庫配置模塊主要包含遙測參數(shù)波道信息、遙測參數(shù)測試信息、基本信息，其中遙測參數(shù)波道信息主要包括遙測參數(shù)代號、波道(主幀、副幀、占位)；遙測參數(shù)測試信息包括被測參數(shù)的代號、參數(shù)范圍、包絡范圍；基本信息包括測試信息與波道信息的鏈接關系、組播配置(地址、端口號)、幀格式(主幀長、副幀長)。數(shù)據(jù)庫存儲模塊主要存儲遙測參數(shù)起始電平測試結果。

遙測參數(shù)波道信息主要供波道處理模塊讀取調用；參數(shù)測試信息主要供數(shù)據(jù)判讀及包絡分析模塊、數(shù)據(jù)顯示及報警模塊讀取調用；基本信息主要供數(shù)據(jù)提取模塊調用。具體的調用及處理流程見圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)庫配置及存儲模塊處理流程

3 軟件實現(xiàn)

遙測參數(shù)起始電平自動判讀軟件基于LabVIEW環(huán)境和ACCESS數(shù)據(jù)庫開發(fā)而成。LabVIEW是一種用圖標代表文本創(chuàng)建應用程序的圖形化編程語言。傳統(tǒng)文本編程語言是根據(jù)語句和指令的先后順序決定程序執(zhí)行順序，而LabVIEW則采用的數(shù)據(jù)流編程方式，程序框圖中節(jié)點之間的數(shù)據(jù)流向決定了執(zhí)行順序。ACCESS數(shù)據(jù)庫是由微軟發(fā)布的關系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，它具備強大的數(shù)據(jù)處理、統(tǒng)計分析能力，利用ACCESS的查詢功能，可以方便地進行各類匯總、平均等統(tǒng)計，并可靈活設置統(tǒng)計的條件。LabVIEW中帶有LabSQL工具包，基于配置ODBC數(shù)據(jù)源的方法訪問數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)配置讀取和結果寫入[6]。

軟件設計時，主要是結合條件、順序、循環(huán)3種結構形式。條件結構主要用于實現(xiàn)不同功能模塊的控制和切換，包括數(shù)據(jù)讀取、測試、導出、畫圖等，根據(jù)功能設置不同的狀態(tài)量，“狀態(tài)量=1”時進入相應功能模塊，執(zhí)行結束后恢復為“狀態(tài)量=0”進入等待下一次功能切換；順序結構主要用于控制各功能模塊按照流程圖順序執(zhí)行，采用層疊式順序結構，層與層之間進行數(shù)據(jù)傳遞，確保順序不混亂、流程不錯亂；循環(huán)結構主要是針對多維度信息進行循環(huán)分解和測試，采用While和For循環(huán)設置循環(huán)執(zhí)行條件來控制程序的反復和啟停。

遙測參數(shù)起始電平自動判讀軟件人機交互界面如圖8所示。進入軟件后，選取測試流程，讀取測試信息，一鍵自動測試實現(xiàn)起始電平讀取、判讀、顯示，測試完成后可通過導出結果來實現(xiàn)測試結果文件的存儲。在用戶選取任一參數(shù)后，還可進行實時曲線繪制，用于觀察參數(shù)變化情況，動態(tài)判斷參數(shù)正常與否。

圖8 自動判讀軟件界面

4 實驗結果及分析

根據(jù)不同型號綜合試驗中應用結果來看，遙測參數(shù)起始電平自動判讀軟件實現(xiàn)了一次配置、一鍵測試、全波道覆蓋、全流程推廣的自動判讀模式，規(guī)避了傳統(tǒng)人工判讀模式帶來的誤判、漏判問題，在覆蓋性、效率性、通用性方面優(yōu)勢明顯。

4.1 覆蓋性

遙測參數(shù)起始電平自動判讀軟件通過配置參數(shù)的全波道信息，實現(xiàn)各參數(shù)所有波道值的采集和判讀，規(guī)避了傳統(tǒng)方法無法辨識的多波道參數(shù)采集異常問題。同時，還增加了實時曲線繪制和包絡分析功能，進一步判斷參數(shù)的動態(tài)變化并細化判據(jù)，以便及時發(fā)現(xiàn)隱患。因此，軟件在測試覆蓋性和精細化程度方面效果明顯。

4.2 效率性

以某型號測量系統(tǒng)為例，單發(fā)次綜合試驗測試過程中，加電測試約20天，每天至少判讀2次，每次需判讀近900個參數(shù)，傳統(tǒng)人工打印判讀模式每次需花費至少15 min。采用起始電平自動判讀軟件后，單次判讀時間縮減約為1 min，效率提升15倍，大幅度減少了綜合試驗判讀時間。

4.3 通用性

軟件在推廣使用過程中，根據(jù)不同型號的特點，無需更改代碼，且在普通計算機上即可運行，無需額為硬件支撐。代碼移植后，僅需在配置數(shù)據(jù)庫中進行相應的更改(參數(shù)信息、組播信息、波道信息等)，即可實現(xiàn)遙測參數(shù)起始電平自動判讀軟件的跨型號應用。

5 結束語

本文基于LabVIEW和ACCESS開發(fā)了運載火箭遙測參數(shù)起始電平自動判讀軟件，該軟件具有通用的軟件處理模塊，通過不同數(shù)據(jù)庫配置來實現(xiàn)多型號推廣使用。經(jīng)過在多個型號運載火箭電氣系統(tǒng)綜合試驗中的應用，該平臺很好地完成了綜合試驗需求，并且較傳統(tǒng)的測試模式，在測試效率、測試覆蓋性、精細化程度、通用性方面有了較大的突破。