于 峰，郭 珈

一種靶場試驗遙測數(shù)據(jù)處理與分析系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

于 峰，郭 珈

（中國人民解放軍91550部隊41分隊 大連 116018）

針對靶場試驗遙測數(shù)據(jù)特點，設計了一種遙測數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)。作為靶場測試流程和飛行結果判別的重要環(huán)節(jié)，遙測數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)軟件實現(xiàn)了繁雜測試數(shù)據(jù)處理與發(fā)布、數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)判讀與服務等功能。該系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)為靶場數(shù)字化建設提供了重要支撐，具有較強的實用性與推廣價值。

靶場試驗；數(shù)據(jù)處理分析；設計與實現(xiàn)

引 言

隨著靶場試驗技術的發(fā)展，遙測系統(tǒng)為了對飛行器測試、飛行過程中所有設備的功能、性能和工作細節(jié)等做出快速準確有效的判斷，需要對大量的飛行器遙測數(shù)據(jù)進行處理分析。飛行器遙測數(shù)據(jù)處理分析貫穿于整個靶場試驗的全過程中，快速正確的遙測數(shù)據(jù)處理是試驗結果鑒定評估的前提，其結果直接決定靶場試驗的工作效率和質(zhì)量。本文針對遙測數(shù)據(jù)處理和分析技術進行研究，設計并實現(xiàn)了一種從數(shù)據(jù)接收到數(shù)據(jù)處理分析等全過程的一體化數(shù)據(jù)服務系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠提高試驗數(shù)據(jù)服務的質(zhì)量和效率，為靶場測試技術的發(fā)展提供支撐。

1 系統(tǒng)組成與工作原理

靶場試驗遙測數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)組成如圖1所示。工作站實時接收遙測原碼數(shù)據(jù)，進行挑路及幀重構，按數(shù)據(jù)處理要求進行解算并發(fā)布至數(shù)據(jù)判讀終端與測試指揮中心的中心顯示系統(tǒng)，同時將原碼數(shù)據(jù)與處理結果上傳至數(shù)據(jù)庫。服務器對工作站處理的數(shù)據(jù)和各系統(tǒng)單元測試數(shù)據(jù)進行存儲及管理。

圖1 數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)組成圖

系統(tǒng)的設計主要包括數(shù)據(jù)處理與發(fā)布軟件、數(shù)據(jù)管理軟件和數(shù)據(jù)判讀與分析軟件。

① 數(shù)據(jù)處理與發(fā)布軟件

數(shù)據(jù)處理與發(fā)布軟件接收遙測檢測站PCM流數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)幀進行解析，按照用戶配置的參數(shù)信息處理出結果，并發(fā)送至數(shù)據(jù)管理軟件進行數(shù)據(jù)存儲，主要包括高碼率遙測幀重構模塊、總線數(shù)據(jù)處理模塊、輔助判讀模塊和實時數(shù)據(jù)處理模塊等。

② 數(shù)據(jù)管理軟件

數(shù)據(jù)管理軟件接收并存儲數(shù)據(jù)處理與發(fā)布軟件發(fā)送的原始數(shù)據(jù)，按試驗項目建立存儲結構，完成數(shù)據(jù)實時存儲；實時接收數(shù)據(jù)處理與發(fā)布軟件通過網(wǎng)絡發(fā)布的數(shù)據(jù)處理結果，并實時顯示。軟件支持參數(shù)信息的裝訂導入，能夠?qū)?shù)配置信息進行正確性校驗，能夠?qū)v次試驗數(shù)據(jù)進行遷移和備份，支持相同格式單元測試數(shù)據(jù)的導入。數(shù)據(jù)管理軟件主要包括實時數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)庫管理模塊、實時檢測參數(shù)配置模塊、多終端實時監(jiān)測模塊、數(shù)據(jù)存儲和發(fā)布模塊、數(shù)據(jù)庫配置導入模塊等。

③ 數(shù)據(jù)判讀與分析軟件

數(shù)據(jù)判讀與分析軟件根據(jù)不同的測試狀態(tài)和測試流程，自動完成遙測參數(shù)的判讀工作；能夠以曲線、列表等不同方式顯示數(shù)據(jù)處理結果；支持不同試驗數(shù)據(jù)的橫向比對，存儲不同任務、不同狀態(tài)下的判據(jù)，能夠?qū)ε袚?jù)進行創(chuàng)建、編輯、刪除和復制；支持用戶、角色和權限的分級數(shù)據(jù)、判據(jù)等分級管理；支持判讀結果報告自動生成，報告能夠基于網(wǎng)絡完成簽署、確認。數(shù)據(jù)判讀與分析軟件主要包括數(shù)據(jù)自動判讀模塊和數(shù)據(jù)比對分析模塊等內(nèi)容。

2 系統(tǒng)工作流程

數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)信息流程如圖2所示。

數(shù)據(jù)處理與發(fā)布軟件負責試驗全部遙測數(shù)據(jù)的處理功能，接收遙測地面檢測站軟件發(fā)送的UDP組播數(shù)據(jù)；接收到數(shù)據(jù)后，數(shù)據(jù)處理與發(fā)布軟件根據(jù)配置的參數(shù)處理信息完成數(shù)據(jù)處理，并將處理結果通過UDP組播轉發(fā)至數(shù)據(jù)管理軟件。

數(shù)據(jù)管理軟件根據(jù)試驗項目建立存儲結構，實時接收到數(shù)據(jù)處理與發(fā)布軟件發(fā)送的處理結果后，對數(shù)據(jù)進行存儲。用戶可通過數(shù)據(jù)管理軟件的實時監(jiān)測模塊對測試過程中的數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測。

試驗完成后，數(shù)據(jù)判讀與分析軟件讀取數(shù)據(jù)管理軟件存儲在硬盤上的數(shù)據(jù)文件，并調(diào)用判據(jù)對數(shù)據(jù)進行自動判讀，并生成報告。軟件也可調(diào)用之前存儲的歷次試驗數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行不同試驗的橫向比對。

圖2 數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)信息流圖

數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互涉及到了從數(shù)據(jù)的生成到數(shù)據(jù)的計算處理、分發(fā)及數(shù)據(jù)的存儲、調(diào)用的整個過程。整個數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，涉及到了數(shù)據(jù)與各業(yè)務單元及上級之間的上傳，需根據(jù)各級對數(shù)據(jù)的需求不同，進行系統(tǒng)之前的對接及數(shù)據(jù)的傳輸，預留各類數(shù)據(jù)接口是數(shù)據(jù)整個生命周期的必要環(huán)節(jié)。

3 系統(tǒng)框架設計

3.1 數(shù)據(jù)處理與發(fā)布軟件

數(shù)據(jù)處理與發(fā)布軟件框架采用插件式設計，架構圖如圖3所示，包括框架與數(shù)據(jù)處理插件兩個部分。

圖3 數(shù)據(jù)處理與發(fā)布軟件架構

①框架為整個軟件的基礎，負責完成對遙測全幀的基礎處理、參數(shù)數(shù)據(jù)庫讀取和結果數(shù)據(jù)庫試驗基礎信息建立，主要完成參數(shù)信息讀取、測試信息選擇、遙測幀接收、遙測幀存儲、遙測數(shù)據(jù)變幀判斷、遙測數(shù)據(jù)起飛時間尋找、遙測數(shù)據(jù)幀結構正確性判斷、試驗數(shù)據(jù)網(wǎng)絡發(fā)布、測試基礎信息存儲等功能。

②數(shù)據(jù)插件負責完成各類數(shù)據(jù)的處理，并將結果存入實時數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)類型包括緩變參數(shù)、指令參數(shù)、控制計算機字參數(shù)、計算機字參數(shù)、慣組計算機字參數(shù)、緩變復用參數(shù)、串口參數(shù)、速變參數(shù)、二次計算參數(shù)、1553B數(shù)據(jù)。以1553B數(shù)據(jù)為例，其中計算機字處理最為復雜，其處理流程如圖4所示。

圖4 計算機字處理流程

數(shù)據(jù)處理與發(fā)布軟件運行后，首先由主框架初始化各用戶界面及中心調(diào)度內(nèi)核。中心調(diào)度內(nèi)核主要負責控制軟件內(nèi)部的各項處理操作及內(nèi)部數(shù)據(jù)的調(diào)度、各處理功能模塊的初始化、建立處理線程和維持線程間通信。數(shù)據(jù)中心負責建立實時數(shù)據(jù)庫、鏈接Oracle關系數(shù)據(jù)庫獲取各模塊的共用信息。進行數(shù)據(jù)處理時，由數(shù)據(jù)提供模塊獲取網(wǎng)絡組播遙測原碼數(shù)據(jù)幀，并存入循環(huán)緩存區(qū)中。內(nèi)核負責將原碼數(shù)據(jù)幀發(fā)送至找起飛、變幀判斷、分塊等預處理功能模塊，并將數(shù)據(jù)處理信息、遙測原碼和預處理信息送入緩變、指令、計算機字、總線等數(shù)據(jù)處理線程并行處理。完成處理后將處理結果存入實時數(shù)據(jù)庫，并送至數(shù)據(jù)發(fā)布模塊，完成數(shù)據(jù)處理結果的存儲和發(fā)布。

數(shù)據(jù)處理與發(fā)布軟件采用MFC單視圖框架，為了實現(xiàn)軟件的靈活性和通用性，除主框架外各功能模塊均以MFC擴展動態(tài)鏈接庫的方式進行封裝。結合軟件的處理流程，對劃分出的軟件部件進行物理設計，可以劃分為程序主框架模塊、中心調(diào)度內(nèi)核模塊、數(shù)據(jù)中心模塊、公共方法模塊、變幀判斷模塊、找起飛模塊、數(shù)據(jù)提供模塊、文件控制模塊、數(shù)據(jù)發(fā)布模塊、緩變參數(shù)處理模塊、指令參數(shù)處理模塊、計算機字參數(shù)處理模塊、1553B總線參數(shù)處理模塊、速變參數(shù)處理模塊、二次計算參數(shù)處理模塊、串口參數(shù)處理模塊共16個模塊。

3.2 數(shù)據(jù)管理服務軟件

數(shù)據(jù)管理服務軟件分為兩個大的部件：數(shù)據(jù)存儲部件和數(shù)據(jù)通信服務部件。兩個部件間基于單播網(wǎng)絡通信，可實現(xiàn)分布式部署。每個部件均由若干部件（模塊）組成，如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)管理軟件模塊圖

數(shù)據(jù)存儲部件存在兩種存儲模式，壓縮存儲和非壓縮存儲。非壓縮模式下，存儲全部原始數(shù)據(jù)。壓縮模式下，除保存全部原始數(shù)據(jù)外，提取年、月、日數(shù)據(jù)并存儲，即數(shù)據(jù)按年、月、日、原始共4級視圖組織數(shù)據(jù)，每一級壓縮的數(shù)據(jù)點數(shù)控制在10萬個點以內(nèi)；原始數(shù)據(jù)8小時存儲一個文件。各級壓縮文件在試驗目錄下獨立建目錄，一個視圖對應一個壓縮文件目錄；指令數(shù)據(jù)不壓縮，各視圖內(nèi)均保存對應時段內(nèi)的全部指令數(shù)據(jù)。啟動存儲軟件時，可以選擇是否采用壓縮存儲模式。

數(shù)據(jù)通信服務部件主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的透傳轉發(fā)、數(shù)據(jù)的格式轉換及轉發(fā)和數(shù)據(jù)的挑路等三種功能。數(shù)據(jù)的透傳轉發(fā)是指接收到數(shù)據(jù)后不對數(shù)據(jù)進行處理即轉發(fā)至目標地址；數(shù)據(jù)的轉換及轉發(fā)是指接收到數(shù)據(jù)后轉換為約定格式的數(shù)據(jù)并轉發(fā)；數(shù)據(jù)的挑路是指從接收到的數(shù)據(jù)中根據(jù)配置挑選參數(shù)。

數(shù)據(jù)存儲部件程序框架包括主程序模塊、存儲控制模塊、存儲狀態(tài)管理模塊、緩沖區(qū)管理模塊、數(shù)據(jù)源模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)文件輸出模塊、數(shù)據(jù)壓縮模塊、底層通用模塊、日志模塊、配置管理模塊、網(wǎng)絡收發(fā)模塊，共12個模塊。

數(shù)據(jù)通信服務部件程序框架包括主程序模塊、數(shù)據(jù)接收模塊、緩沖區(qū)模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、配置管理模塊、狀態(tài)顯示模塊，底層通用模塊，共8個模塊。

3.3 數(shù)據(jù)判讀與分析軟件

數(shù)據(jù)判讀與分析軟件由基礎部件和模塊部件兩部分組成。

基礎部件又由BaseLib模塊和DataIP模塊組成。BaseLib模塊定義了全局性的數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)類型、公用類（方法），程序其他模塊引用該模塊的動態(tài)庫以調(diào)用該模塊定義的類型、方法完成功能。DataIP模塊是整個軟件的主模塊，軟件main函數(shù)以及主窗體都在該模塊中，該模塊會調(diào)用其它各模塊，展現(xiàn)出整個軟件的全部功能。

模塊部件主要由人工判讀模塊、自動判讀模塊、自動判讀判據(jù)編寫模塊、自動判讀結果模塊、用戶管理模塊、曲線繪制模塊、判讀報告管理模塊、訪問數(shù)據(jù)源接口模塊、訪問接口控制模塊組成。

該平臺以智能判讀內(nèi)核與結果集為核心，智能判讀內(nèi)核讀取數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)，并選擇判據(jù)管理模塊中的判據(jù)集，根據(jù)判據(jù)對輸入數(shù)據(jù)進行判讀，將判讀結果保存至結果集中，數(shù)據(jù)分析、實時結果監(jiān)測與報告生成模塊均以結果集為輸入，進行數(shù)據(jù)分析工作。其中，事后數(shù)據(jù)分析模塊完成數(shù)據(jù)的表格展現(xiàn)與曲線展現(xiàn)功能，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的精確分析。實時結果監(jiān)測模塊根據(jù)結果集的參數(shù)變化實時更新監(jiān)測結果顯示，以數(shù)字刷新與曲線兩種方式進行實時監(jiān)測與判讀，并給出實時判讀的結果。報告生成模塊根據(jù)結果集中給出的結果自動生成判讀報告。判據(jù)管理模塊負責判據(jù)的描述、編輯、判據(jù)狀態(tài)管理等。

4 關鍵技術

4.1 基于插件式架構的總體框架設計

數(shù)據(jù)處理與發(fā)布系統(tǒng)總體框架采用插件式架構，抽象出數(shù)據(jù)提取器、幀提取器、數(shù)據(jù)處理器等多個插件接口，插件采用統(tǒng)一接口設計，每一個插件均是實現(xiàn)了標準接口的動態(tài)鏈接庫，由插件管理器進行統(tǒng)一管理，實現(xiàn)自動識別與加載。實時處理框架根據(jù)系統(tǒng)配置創(chuàng)建若干個數(shù)據(jù)處理線程，根據(jù)配置中插件的類別，數(shù)據(jù)處理線程對象向插件管理器請求創(chuàng)建插件服務，生成所需的各插件，各插件相互協(xié)作，完成數(shù)據(jù)處理與輸出的功能。通過系統(tǒng)配置，每個數(shù)據(jù)處理線程均可選擇已有的合適插件，使得應用程序在框架與已有構件的基礎上配置而成，可實現(xiàn)“零代碼編寫”的理想目標?；诓寮脑O計具有良好的可重用性與可擴展性，能把擴展功能從框架中剝離出來，降低框架的復雜度，讓框架更容易實現(xiàn)；降低擴展功能與框架之間耦合度，兩者在保持接口不變的情況下，可以獨立變化和發(fā)布。該架構設計使系統(tǒng)具備了良好的可擴展性，通過開發(fā)和重構插件，實現(xiàn)新數(shù)據(jù)類型的處理功能，滿足未來新的靶場試驗需求，插件配置重構時間僅取決于實現(xiàn)新功能的規(guī)模和復雜度。

基于插件的擴展性被認為是當前擴展進化一個系統(tǒng)的最具有實踐意義的安全方式。插件使得第三方開發(fā)人員可以為系統(tǒng)做增值工作，也可以使其他開發(fā)人員增加新的功能而不破壞現(xiàn)有的核心功能。插件還能將關注點分開，保證隱藏實現(xiàn)細節(jié)。

4.2 高碼率遙測數(shù)據(jù)實時處理與存儲

高碼率遙測數(shù)據(jù)實時處理與存儲主要通過插件式架構和動態(tài)內(nèi)存管理實現(xiàn)。

① 插件式架構

數(shù)據(jù)處理與發(fā)布系統(tǒng)應用插件式架構技術，實現(xiàn)了對遙測數(shù)據(jù)全類型數(shù)據(jù)（緩變、指令、速變、串行數(shù)據(jù)、總線數(shù)據(jù)、復用數(shù)據(jù)等）的實時動態(tài)解析，能夠適應不同幀結構、不同數(shù)據(jù)類型、不同處理方法的重構、解析、處理和分發(fā)。

② 動態(tài)內(nèi)存管理

應用內(nèi)存重構管理技術，實現(xiàn)了瞬時大數(shù)據(jù)的實時存儲。當前航天飛行器遙測數(shù)據(jù)量是傳統(tǒng)型號數(shù)據(jù)量的5～10倍，瞬時數(shù)據(jù)量可達8 MB/s，數(shù)據(jù)管理軟件應用了動態(tài)內(nèi)存控制技術實現(xiàn)了全部數(shù)據(jù)的實時存儲，確保了軟件系統(tǒng)的整體處理效率和存儲效率。傳統(tǒng)模式下，通常在每次試驗結束后，再啟動數(shù)據(jù)事后處理軟件對遙測存盤源碼進行回放處理，處理完畢后才可以開展數(shù)據(jù)判讀工作。以某固體運載火箭型號靶場試驗為例，時間長度約一千多秒的試驗數(shù)據(jù)從轉換處理到生成數(shù)據(jù)結果的時間為四十分鐘左右。數(shù)據(jù)實時處理與存儲技術實現(xiàn)了該火箭型號5 MB/s遙測數(shù)據(jù)源碼的實時處理與數(shù)據(jù)庫存儲，在試驗流程結束的同時，遙測源碼數(shù)據(jù)已完成了轉換處理，具備開展數(shù)據(jù)判讀的條件，從而省去了數(shù)據(jù)回放處理所需時間，能有效提高測試效率。

4.3 飛行器遙測數(shù)據(jù)自動判讀技術

① 遙測數(shù)據(jù)自動判讀

IPL語言是Information Processing Language的縮寫，即信息處理語言，通過對信息進行處理實現(xiàn)數(shù)據(jù)的智能判讀。該語言是面向特定領域自定義的一門高級計算機語言，可進行判據(jù)描述和自動判讀設計，現(xiàn)已具備較強的判據(jù)描述能力及基本的數(shù)據(jù)計算與分析能力。IPL語言的發(fā)展目標是一種面向航天領域的數(shù)據(jù)分析語言，與測試數(shù)據(jù)、自動生成報告實現(xiàn)無縫集成，為飛行器總體與各系統(tǒng)提供便捷、集成化、自動化的數(shù)據(jù)分析服務。

應用IPL語言進行自動判讀的基本原理是通過數(shù)學建模的形式模擬飛行器的實際處理過程，以飛行器實際輸入作為數(shù)學模型的輸入，計算得到飛行器輸出參數(shù)的理論值，將理論值與彈上輸出參數(shù)的實際值進行比對判讀，如圖6所示。通過設定理論值與實際值差異的閾值，實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的自動判讀。閾值的選取與被測參數(shù)的測量量程相關，通常情況下選取量程的±（1%～2%），如果差值小于該閾值，可判定該參數(shù)在合格范圍。以某固體火箭型號靶場試驗為例，各參試系統(tǒng)測量參數(shù)總計三千余項，在傳統(tǒng)的人工數(shù)據(jù)判讀模式下，單次試驗各系統(tǒng)數(shù)十名測試人員完成對上述參數(shù)的數(shù)據(jù)判讀所需時間約四到五個小時，應用自動判讀系統(tǒng)后，完成對所有參數(shù)的判讀僅用時不到一個小時，數(shù)據(jù)判讀時間縮短為原來的五分之一，大幅提高了測試效率。另外，傳統(tǒng)模式數(shù)據(jù)判讀的準確度也依賴于測試人員的認真程度和專注度，容易出現(xiàn)漏判、誤判等情況，自動判讀系統(tǒng)通過機器計算和趨勢分析，提高了數(shù)據(jù)判讀的準確率。

② 數(shù)據(jù)判讀報告的自動生成

數(shù)據(jù)判讀與分析系統(tǒng)對自動判讀與判讀報告生成進行了一體化設計與實現(xiàn)，完成自動判讀后，系統(tǒng)自動生成判讀結果的報告，整個過程不需要人工干預，大大減少了數(shù)據(jù)判讀人員每次編寫報告的時間，將更多的時間與精力放在飛行器遙測數(shù)據(jù)的深入分析上，而在傳統(tǒng)測試模式下，每次試驗判讀報告的編寫均需要兩個小時左右。

圖6 數(shù)據(jù)自動判讀工作原理

5 結束語

靶場試驗遙測數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)在Windows 7系統(tǒng)下采用C++語言開發(fā)，研制遵循了通用化、系列化、模塊化的設計思想，其實用性和準確性經(jīng)過了靶場試驗驗證。傳統(tǒng)試驗模式下，每次全系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)處理和判讀均需要12小時左右，數(shù)據(jù)判讀依賴于人工分析計算。該系統(tǒng)應用于靶場試驗后，數(shù)據(jù)處理及判讀時間縮短到一小時以內(nèi)，計算機自動判讀技術也極大地提高了數(shù)據(jù)計算分析的準確性，節(jié)省了人力，壓縮了靶場試驗周期。該系統(tǒng)的應用提高了飛行器靶場測試的質(zhì)量和效率，極大地推動了靶場測試技術的數(shù)字化智能化發(fā)展，為靶場試驗鑒定評估做出了重要貢獻。

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Design and implementation of telemetry data processing and analysis system for aircraft range test

YU Feng, GUO Jia

（Unit 41 of Troop 91550, Dalian, 116018, China）

Focusing on the characteristics of the telemetry data in the range test, a telemetry data processing and analysis system is designed. As an important role of test process and result analysis, the telemetry data processing and analysis system is used to deal with complicated data, publish and manage the data, also serves as data interpretation. The system is easy to be used and spread, and its design and implementation can provide a strong support for digital range construction.

Range test; Data processing and analysis; Design and implementation

TP319

A

CN11-1780(2022)01-0098-07

10.12347/j.ycyk.20210717001

于峰, 郭珈.一種靶場試驗遙測數(shù)據(jù)處理與分析系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J]. 遙測遙控, 2022, 43(1): 98–104.

DOI：10.12347/j.ycyk.20210717001

: YU Feng,GUO Jia. Design and implementation of telemetry data processing and analysis system for aircraft range test[J]. Journal of Telemetry, Tracking and Command, 2022, 43(1): 98–104.

于 峰 1967年生，碩士，正高級工程師，主要研究方向為飛行器試驗總體。

郭 珈 1983年生，博士，工程師，主要研究方向為飛行器遙測遙控技術。

2021-07-17

2021-09-14

Website: ycyk.brit.com.cn Email: ycyk704@163.com

(本文編輯：楊秀麗)