某機載遙測原始數(shù)據(jù)處理軟件設(shè)計與實現(xiàn)

陳建行，張亞秒，鄒 楊

（中國洛陽電子裝備試驗中心，濟源河南459000）

1 引言

某型機載遙測遙控系統(tǒng)主要為機載站與地面指控中心提供上下通信傳輸鏈路，實現(xiàn)機載站與地面指控中心的試驗數(shù)據(jù)、調(diào)度語音、圖像等的上下傳輸，保障試驗任務(wù)按計劃順利開展。隨著試驗任務(wù)的不斷拓展，現(xiàn)有系統(tǒng)軟件存在的功能缺陷逐漸顯現(xiàn)。在赴外執(zhí)行任務(wù)時，由于不具備將機載數(shù)據(jù)實時傳輸至地面指控中心的條件，則需要將遙測原始數(shù)據(jù)進行存儲，以便事后對所需數(shù)據(jù)進行解析處理。然而，目前地面指揮部和遙測遙控系統(tǒng)本身不具備將遙測原始數(shù)據(jù)進行后期處理與解析的能力，導(dǎo)致存儲的大量遙測原始數(shù)據(jù)失去了意義，對試驗任務(wù)造成難以估量的影響。因此，為進一步拓展遙測遙控系統(tǒng)的功能，有效地提高任務(wù)保障能力，有必要設(shè)計開發(fā)一套機載遙測原始數(shù)據(jù)事后解析與處理軟件，以實現(xiàn)對存儲的遙測原始數(shù)據(jù)的事后解析與處理[1]。

2 遙測存盤文件分析

2.1 遙測系統(tǒng)工作原理概述

遙測系統(tǒng)組成如圖1所示，整個遙測系統(tǒng)分為機載部分和地面站兩部分。機載部分主要由機載傳感器、采編器、S頻段上變頻器、遙測發(fā)射機和遙測天線組成。地面站部分主要由遙測天線、天伺饋分系統(tǒng)、射頻耦合網(wǎng)絡(luò)、S頻段下變頻器、遙測接收解調(diào)終端、監(jiān)控計算機、GPS/北斗天線、GPS/北斗授時儀和時碼器組成。

圖1 遙測系統(tǒng)組成圖

遙測系統(tǒng)的工作原理是：機上采編器采集各個傳感器測量到的物理量并將其編碼按照約定的格式打包發(fā)送給遙測發(fā)射機，轉(zhuǎn)換為射頻信號，經(jīng)遙測天線發(fā)射下傳。地面站遙測天線接收由機上發(fā)射的遙測信號，隨后經(jīng)天伺饋分系統(tǒng)、射頻耦合網(wǎng)絡(luò)，由S頻段下變頻器將信號變?yōu)?0MHz的中頻信號，再由遙測接收解調(diào)終端將從中頻信號中解調(diào)出的遙測數(shù)據(jù)通過監(jiān)控計算機發(fā)送給地面指控中心。

時碼器接收GPS/北斗授時儀送來的IRIG-B（DC）型時碼，解調(diào)出時間信息，饋給遙測接收解調(diào)終端和監(jiān)控計算機，提供時間基準信號是。存盤并發(fā)送給地面指控中心的遙測數(shù)據(jù)中的時間均由時碼器所提供。

2.2 遙測數(shù)據(jù)存盤格式

遙測數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)主要包括計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)完全防護系統(tǒng)的構(gòu)建。計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要由監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)交換機等設(shè)備組成。其中監(jiān)控系統(tǒng)計算機采用雙網(wǎng)卡接口，一個接口接入地面指揮所交換機，一個接口接入數(shù)據(jù)處理服務(wù)器交換機，不僅實現(xiàn)遙測數(shù)據(jù)處理顯示系統(tǒng)與地面指揮所的間接隔離，而且實現(xiàn)同時將數(shù)據(jù)傳輸至地面指揮所與遙測站數(shù)據(jù)處理服務(wù)器。網(wǎng)絡(luò)完全防護系統(tǒng)主要由硬件防火墻和路由交換機組成，主要實現(xiàn)指揮所系統(tǒng)與遙測站的物理隔離安全防護。遙測數(shù)據(jù)軟件處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 遙測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

遙測存盤任務(wù)由管理主任務(wù)啟動和停止，完成遙測數(shù)據(jù)的實時存儲功能。存盤任務(wù)被啟動后，響應(yīng)來自硬件的中斷信號，進行相應(yīng)的中斷處理，并創(chuàng)建中斷服務(wù)例程，進行存盤處理。同時，檢測鍵盤輸入信息，調(diào)用不同的功能模塊。存盤操作是通過發(fā)送信息給存盤任務(wù)完成的。主任務(wù)可以從網(wǎng)絡(luò)任務(wù)輸入緩沖區(qū)中讀取信息。遙測數(shù)據(jù)采用雙流最高可達2Mbit/s×2的實時存盤，其存盤文件的數(shù)據(jù)是以子幀為單位連續(xù)存放的，存儲結(jié)構(gòu)為：首先是文件頭格式，然后依次為第一幀、第二幀、第三幀等。每幀前插入3個時碼字（6Byte）和一個副幀記數(shù)字SFC，子幀同步碼組位于數(shù)據(jù)區(qū)域的末端。

2.3 遙測數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)分析

遙測信息的傳輸要經(jīng)過空間鏈路，使遙測系統(tǒng)具有開放性的特征。在國際測控合作中，遙測信息要經(jīng)過由航天器、射頻鏈路、地面站、地面通信線路和任務(wù)控制中心所構(gòu)成的空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)，借助他國測控資源擴大自身測控范圍和能力，但也使遙測信息面臨更復(fù)雜的環(huán)境。信息編碼就是給已知信息組按預(yù)定規(guī)則添加監(jiān)督碼元，以構(gòu)成碼字，通過飛行試驗時保存下來的數(shù)據(jù)，可以再現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示和航跡顯示。程序首先從存盤數(shù)據(jù)文件中讀取遙測子幀數(shù)據(jù)，存盤數(shù)據(jù)即可軟件界面上進行顯示下傳數(shù)據(jù)處理結(jié)果如圖3所示。

圖3 遙測數(shù)據(jù)處理界面

遙測數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)確定了由信息元到監(jiān)督元的規(guī)則，由于所有碼字都按統(tǒng)一規(guī)則確定，因此這種編碼方法也稱為一致監(jiān)督編碼。

遙測數(shù)據(jù)的存儲情況可簡略地按圖4來說明。圖中每一行存放一個遙測子幀，副幀長XX表示一個完整的副幀包含XX個子幀。幀碼組代表一個完整子幀數(shù)據(jù)的結(jié)束。副幀計數(shù)字共計計數(shù)XX次，以后循環(huán)出現(xiàn)。

圖4 遙測數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)圖

3 遙測數(shù)據(jù)處理

3.1 關(guān)于時碼字的解析

傳送幀數(shù)據(jù)分布在傳送幀主導(dǎo)頭或傳送幀副導(dǎo)頭之后。傳送幀數(shù)據(jù)包含下行鏈路信道傳輸數(shù)據(jù)，并由整數(shù)個字節(jié)組成，數(shù)據(jù)長度由整個傳送幀的長度所限。在沒有足夠的數(shù)據(jù)包來填充傳送幀數(shù)據(jù)的情況下，將傳輸一個只含有空閑數(shù)據(jù)的時碼字，時碼字指明指令控制的內(nèi)容，比如第一個子幀的時碼字為：22 11 48 03 C8 8C。一個完整的時碼字共6字節(jié)，存儲方式為兩個字節(jié)一組，低位在前高位在后。比如字節(jié)號分別為 2、1、4、3、6、5，則時碼字分別為 22、11、48、03、C8、8C。時碼字的第 1、2 字節(jié)1122H 轉(zhuǎn)換為二進制0001 0001 0010 0010。具體運算為：1×100 ms+1×10 ms+2×1 ms+2×0.1ms=221.2ms。時碼字的第3、4字節(jié)0348H 轉(zhuǎn)換為二進制 0000 0011 0100 1000。具體運算為：0×10min+3×1min=3min;4×10s+8×1s=48s。時碼字的第 5、6 字節(jié)8CC8H轉(zhuǎn)換為二進制1000 1100 1100 1000 1000 1100 1100 1000。具體運算為：2×100d+3×10d+3×1d=233d（意即2000年8月21日是2000年的第 233天）；0×10h+8×1h=8h。所以這個時碼字代表的時間為第233天8時3分48秒221.2毫秒。

3.2 遙測數(shù)據(jù)解析方法

遙測數(shù)據(jù)指令、數(shù)據(jù)的格式一般由前導(dǎo)、地址同步字、指令碼、數(shù)據(jù)和結(jié)束字等組成。遙測指令設(shè)計一定要適應(yīng)傳輸要求，其幀序列和同步字是傳輸信道所必須的信息。遙測指令的發(fā)送通常采用突發(fā)形式，所以，遙測流程一般是先發(fā)載波，使接收端有足夠的載波捕獲時間，然后再發(fā)指令。遙測數(shù)據(jù)處理的計算公式取決于各參數(shù)的取值，處理曲線為Y=X+ab，Y表示被測參數(shù)物理量數(shù)值，X表示遙測分層值。

以某機載平臺燃油給定流量與總壓比(V)為例說明計算方法。遙測值為7E（十六進制）轉(zhuǎn)換為十進制為126，即X=126。通過查表可知處理系數(shù)a=-0.05，b=6.5。因此根據(jù)處理曲線公式Y(jié)=X+ab，計算燃油給定流量與總壓比的遙測值為0.2V。其它參數(shù)計算方法依次類推。

4 處理軟件的設(shè)計與實現(xiàn)

在試驗任務(wù)的執(zhí)行過程中，地面站首先存儲機載遙測原始數(shù)據(jù)。由用戶選取打開遙測存盤數(shù)據(jù)文件，并設(shè)置T0（開始時刻）。拖動滑動條來選取遙測數(shù)據(jù)的處理開始時刻，點擊開始處理按鈕來進行處理[2-6]。程序首先從數(shù)據(jù)文件中讀取遙測子幀數(shù)據(jù)至數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，同時啟動定時器（定時讀取、處理存盤數(shù)據(jù)），然后程序讀取在Access數(shù)據(jù)庫中的處理曲線系數(shù)并計算各遙測參數(shù)值，將計算結(jié)果存盤在軟件界面上進行顯示[7-8]。處理程序的運行界面如圖5、圖6所示。

圖5 數(shù)據(jù)處理流程

圖6 軟件工作界面

處理軟件轉(zhuǎn)換結(jié)果的輸出格式為CSV格式，存盤數(shù)據(jù)包含時間（時：分：秒）、經(jīng)度（度）、緯度（度）、高度（米）、速度（米/秒）、方位角（度）、俯仰角（度）、斜距離（米）、大地坐標系（X、Y、Z）等信息。系統(tǒng)工作時的重要參數(shù)采用內(nèi)存文件方式存儲，系統(tǒng)退出時采用二進制文件方式存儲。根據(jù)軟件測試說明文檔，對應(yīng)用軟件進行模擬測試和真實環(huán)境測試，軟件的每一項功能均采用菜單或快捷鍵調(diào)用且對應(yīng)一個窗口完成，軟件操作簡單易用，同時具備接口收發(fā)數(shù)據(jù)顯示功能。

5 結(jié)束語

從任務(wù)實際需求出發(fā)，研究分析了機載遙測原始數(shù)據(jù)的幀結(jié)構(gòu)，設(shè)計開發(fā)了一套機載遙測原始數(shù)據(jù)事后解析與處理軟件，以實現(xiàn)對存儲的機載遙測原始數(shù)據(jù)事后解析與處理，進一步拓展了遙測遙控系統(tǒng)地面站的功能。軟件設(shè)計交互操作畫面提供轉(zhuǎn)換進度顯示，支持暫停、中止等控制，并具有較強的易操作性和可移植性。目前，該軟件設(shè)計已初步完成，并在模擬訓練任務(wù)中驗證了功能模塊劃分和處理流程的合理性。其在更復(fù)雜環(huán)境下的工作表現(xiàn)還有待在實際任務(wù)保障訓練中做更進一步的驗證[9-10]。