某型遙測地面站實時處理系統設計與實現

盧長海，張夢堃

(中國人民解放軍91550部隊，遼寧 大連 116023)

0 引言

遙測系統是航空、航天飛行器的重要組成部分，是飛行器不可缺少的重要分系統。在飛行試驗的故障分析中，需要從遙測地面站獲取的遙測數據中查找故障原因，確定故障部位。

遙測地面站主要用于獲取目標飛行器的遙測參數[1-2]，經遙測處理終端挑點處理后把關鍵遙測參數送指揮控制中心進行實時顯示，為地面指揮人員實時掌握目標飛行器的飛行狀態、飛行軌跡提供關鍵信息。由于飛行試驗的不可逆、高消耗等特點，快速、可靠地對飛行遙測數據進行實時處理對試驗任務來說至關重要，是確保飛行試驗安全、縮短研制周期、保證飛行試驗成功的重要手段。同時，由于關鍵參數的實時解析，為裝備操作手提供了直觀的目標飛行狀態和飛行軌跡，對丟失目標后的重新捕獲奠定了基礎。

1 系統組成與功能

遙測地面站主要由天線和信道部分、遙測接收基帶和遙測解密預處理單元、GNSS外測分系統和對外數據交互和軌跡顯示監控臺組成，如圖1所示。系統基于以太網轉發的PCM數據流進行數據存盤、全幀數據顯示、挑路數據的顯示以及關鍵參數解析、參數閾值自動判決、參數的列表顯示和曲線顯示等功能。GNSS分系統用于接收遙測分路的衛星導航數據，包括偽距、偽距變化率、載波相位等信息，經差分解算完成目標定位、測速信息。若含有遙測圖像信息，視頻原始數據流經挑點送視頻解碼設備恢復出每秒25幀的模擬視頻信息。

圖1 實時處理系統的組成框圖

2 系統特點

2.1 實時性強[3]

遙測地面站作為外場主要測控裝備，是測量數據的重要來源，其特點是處理和測量同時進行，要求處理速度快、處理方法盡量簡單。特別是特征點參數的判讀，目標飛行狀態的顯示及艙內、外視頻圖像的實時傳遞，為飛行指揮、控制提供決策支撐。

2.2 信息量大

目前飛行器被測參數多達上千個，參數種類繁多，遙測傳輸碼率普遍達到5～10 Mb/s，一個全幀大于16 KB，數據傳輸對裝備內、外網傳輸造成一定的壓力，若根據實時傳遞周期50 ms，每兩個全幀數據一包發送會造成丟包現象。為解決該問題，需要從軟硬件兩方面著手，硬件方面把遙測接收、傳輸、處理通過同一高性能網絡交換機來進行數據交互；軟件方面在系統設計過程中要考慮避免軟件嵌套，采用事件機制、多線程處理、大包分片等處理流程。

3 系統實現

3.1 軟件設計需求

為兼顧多種型號任務的實時處理需求，實時處理功能模塊要盡可能做到通用化，所以需采用模塊化設計，使用統一的接口標準，方便系統功能擴展及二次開發。對各軟件通用功能需進行統一設計、各功能模塊單獨封裝，功能模塊不進行功能組合，采用獨立模塊、獨立功能方式設計[4]。軟件采用C/S架構，可單機應用，也可實現基于網絡的處理服務及多客戶端顯示形式的分布式升級拓展。圖2所示為該遙測處理軟件結構圖。

圖2 遙測處理軟件結構

數據處理子系統配備數據分發子系統，可將處理前或者處理后的參數/數據塊以點對點或者廣播的形式分發，將部分參數分配給其他計算機處理，也有利于相關數據分配各個專業技術人員進行獨立數據處理顯示。如果部分數據需要用到用戶自己專業的數據處理系統，通過此方法也可方便地實現對接。

3.2 數據處理需求

遙測參數可分為事件參數、模擬參數和數字量參數三類。事件參數又稱為時間參數，反映事件的發生及發生時刻。模擬參數習慣上分為緩變參數和速變參數。按國軍標《遙測系統術語》(GJB727-89)的定義，緩變參數通常指信號變化頻率低于10 Hz的遙測參數[1-2]。速變參數一般可分為振動參數、沖擊參數、脈動壓力參數和噪聲參數等，其中振動參數又包括低頻振動、高頻振動和POGO振動參數[4]。數字量參數指數字化的信息，如計算機輸出的數據、圖像以及以頻率反映參數值的信號。

實時處理由于通信帶寬等條件限制，實時處理參數也受到一定限制，一般只對時間指令參數和計算機字等進行處理，其他緩變參數只進行挑點處理[5]。速變參數在數據實時處理中一般不做要求，因此本文不涉及速變參數處理。

時間指令參數是反映某一事件或控制指令是否發生及發生時刻的參數，如火箭起飛觸點接通時間、耗盡關機信號時間及爆炸螺栓起爆時間等；另一個是控制系統發出控制命令時間,如發動機點火指令時間、星箭分離指令時間和發動機關機時間等。

指令參數通常有電平跳變類型指令、位控類型指令和數字量指令等表現形式。

遙測數據分路后，每路模擬量、幀計數等參數在任一時刻對應的數值均為0～255之中的一個十進制數，將其稱為分層值，用X表示。

模擬量的計算公式為：Y=A1X+A0，其中Y為被測模擬量信號，A1、A0為公式的系數。

數字量參數也叫計算機字[1]，指采用數字計算機進行制導計算的飛行器，在飛行中將彈上計算機計算的秒節點時間、特征點時刻、視速度、視位置、姿態角等結果，以一定速率經數字變換器送給遙測系統。計算機字的處理一般按照專用遙測參數處理要求和方法進行，通常按照字拼接、字識別、參數計算等幾個步驟進行。

3.3 設計實現

遙測實時處理軟件功能模塊組成框圖如圖3所示，包含遙測數據收發模塊，數據挑路處理模塊，模擬量、開關量、數字量處理模塊以及物理量恢復模塊等，根據實時任務特點進行配置。

圖3 實時處理軟件功能模塊組成框圖

軟件采用多線程機制[6]，遙測信息接收與數據處理、挑點發送分屬不同線程并行執行。通過單寫多讀鎖機制來完成讀寫線程同步，接收端采用網絡事件機制來獲取網卡讀數據的網絡通知，發送端依據時碼板中斷信息發送處理后的挑點數據。這些手段的采用，保證了遙測挑點信息的快速處理與實時傳遞。關鍵代碼如下：

typedefstructSingleWriterMultiReaderGuard {

HANDLE hMutexNoWriter;

HANDLE hEventNoReaders;

HANDLE hSemNumReaders;

} SWMRG,*PSWMRG;

//讀寫鎖

c_SWMRG.SWMRGWaitToRead()

c_SWMRG.SWMRGDoneReading()

c_SWMRG.SWMRGWaitToWrite()

c_SWMRG.SWMRGDoneWriting()

//多線程處理

CWinThread* m_pRecvThread;

CWinThread* m_pSendThread;

CWinThread* m_pProcessThread;

CWinThread* m_pUIThread;

3.3.1 全幀數據整理

實時處理系統根據接收遙測全幀結構來處理幀數據，首先根據副幀同步碼(如0x146F)來確認全幀結構的第一個處理子幀。設子幀長度為LFSP，時碼長度為LT，讀取長度為LFSP+LT的數據進行判斷，若搜索到同步碼，則標識為1，若搜到同步碼反碼，則標識為0。

子幀計數是子幀中專門用來計數的數據字，為循環計數，通常分為高、低位或高、中、低位。以高、低位0～255 循環計數為例，幀計數低位SL取值從0開始至255 后歸零；幀計數高位SH取值從0開始，當幀計數低位歸零一次后，SH遞增1。從圖形上看，幀計數低位呈現鋸齒狀，幀計數高位呈現臺階狀。聯合幀計數信息一是可以確認全幀是否正常解密，二是可以明確是否為完整全幀。

3.3.2 挑點參數的處理

采用通用遙測挑點技術，應用軟件通過加載不同的遙測參數配置，可以方便地完成包括子幀、副幀和特殊副幀等不同挑路類型以及模擬量、數字量和開關量等不同數據類型的遙測參數挑路[7]。對于模擬量、開關量一般按副幀參數處理，在遙測幀的固定位置通過子幀波道號和副幀波道號挑點，按分層值恢復物理量。在挑點過程中，首先讀取挑點配置文件信息，根據配置的幀結構信息，確定主幀長、副幀長、主副幀的同步碼，先找到副幀同步碼組所在的子幀，判斷其下一個子幀同步碼是否為主幀同步碼，這樣得到一個全幀的第一子幀，按照幀結構信息判斷是否是一個完整全幀。

視頻數據和部分特殊數字量信息大都占用多個遙測波道，經挑路處理后通過網絡送圖像解碼器或專用接收終端進行恢復處理，比如某些GNSS數據。

數字量參數處理情況比較復雜一些。首先，讀取挑點參數配置文件信息，除了幀結構信息外，還需要知道幾種類型的數字量和每個數字量的長度，以及分別所占的波道以及幀頭、幀尾信息和參數特征字。然后對全部波道按子幀波道進行重新組幀，若遙測幀有連續多個填充信息，還需根據數據處理要求對遙測數據進行預處理，去掉填充內容，否則易造成挑出數字量信息位置錯亂，若填充信息出現在幀頭里面，則會造成挑點數據無有效信息。經過預處理后，再通過數字量包含的幀頭信息和數字量長度，讀取一個完整的數字量幀，經過對幀尾的檢驗和全幀的校驗和判斷，找到所需要的數字量幀，這樣就可以根據特征字信息對該幀進行解析分解，分解處理流程如圖4所示。注意在解析過程中還要判斷是否有分幀信息、是否需要解密、傳輸是大端模式還是小端模式，這些都需要在飛行試驗前進行確認。

圖4 數字量處理流程圖

4 試驗驗證

系統建成后經過在實驗室模擬測試和遙測地面站測試，實時處理軟件主要功能滿足設計要求，在對外實時傳輸測試中，主要對軟件的健壯性、數據丟包率和傳輸時延進行測試。在測試中發現，若用數據時間作為對外傳輸狀態碼的判斷依據，有發送狀態碼無效情況。經問題排查，主要由下面兩方面原因引起：一是遙測基帶按全幀發送策略，發送之前需要全幀整理，因此網絡發送時間有隨機性，不完全按照幀頻信息發送，造成數據處理快于數據接收，在等待新數據包情況下，顯示遙測狀態為失鎖；二是由于實時傳輸數據類型多樣，有時該幀可能沒有有效數據，這樣就造成狀態碼無效，但此時遙測鎖定正常，因此未能實時反映裝備狀態。在改進版本中，在發送端采用接收數據包作為判斷依據，若遙測數據處理終端未收到新的遙測數據包則繼續發送前一幀信息，若數據沒有更新，則需將發送狀態置無效。經模擬測試和飛行試驗驗證，實時處理系統滿足實時性要求，丟包率和對外傳輸時延滿足網絡傳輸要求。數據處理軟件界面如圖5所示。

圖5 數據實時處理軟件部分界面

5 結論

該遙測實時處理系統完成了關鍵參數的采集、處理、顯示、存儲及網絡收發等功能，為目標飛行器提供實時監控和顯示，并給出相應的快速判決結果。實時處理系統把遙測解密后的明文數據按實時顯現要求，把模擬量、開關量、數字量、衛星導航數據和視頻數據流等分路挑出，其中關鍵遙測參數和數字量信息經重新組幀，按照約定信息格式通過網絡發送給指揮控制中心。目前該系統已在多個型號的飛行試驗中得到驗證，系統根據參數閾值自動判決，在目標發生故障隱患時，可及時做出異常提醒，為決策提供依據，縮短研制周期、保證飛行試驗安全。