航天器多遙測(cè)數(shù)據(jù)流實(shí)時(shí)優(yōu)選設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

儲(chǔ)海洋 何曉宇 宋宏江 吳偉 崔帆

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

在支持航天器發(fā)射及在軌運(yùn)行過程中，尤其是在執(zhí)行重要型號(hào)的飛控任務(wù)時(shí),一般采用多站接力進(jìn)行測(cè)控保障,在測(cè)站測(cè)控區(qū)域重疊期間,將從多個(gè)測(cè)站接收到相同的遙測(cè)數(shù)據(jù)流。此外，航天器從自身可靠性設(shè)計(jì)出發(fā)，也會(huì)從不同信道下傳多份遙測(cè)數(shù)據(jù)流，如測(cè)控信道、數(shù)傳信道、中繼信道等，這些通過不同信道下傳的數(shù)據(jù)表征同樣的狀態(tài)，但是其數(shù)據(jù)格式、下傳的頻率可能各不相同，如果對(duì)不同測(cè)站、不同信道數(shù)據(jù)都進(jìn)行解析、監(jiān)視和判讀，將耗費(fèi)大量的計(jì)算資源和人力資源，因此很有必要從多個(gè)測(cè)站采集的多路信道數(shù)據(jù)中實(shí)時(shí)選優(yōu)出一路質(zhì)量較高的數(shù)據(jù)流進(jìn)行處理，作為后續(xù)在軌支持系統(tǒng)中遙測(cè)解析、監(jiān)視、判讀的基礎(chǔ)。

文獻(xiàn)[1]以子幀質(zhì)量元素、時(shí)間碼作為判據(jù)，通過子幀時(shí)間對(duì)準(zhǔn)、子幀計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)、子幀質(zhì)量元素優(yōu)選等技術(shù)實(shí)現(xiàn)了基于子幀質(zhì)量最優(yōu)的多站遙測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)融合方法。文獻(xiàn)[2]在調(diào)研了多種數(shù)據(jù)加權(quán)融合方法[3-6]后，提出了多站遙測(cè)數(shù)據(jù)加權(quán)融合方法，該方法主要針對(duì)解析后的參數(shù)值進(jìn)行加權(quán)融合。文獻(xiàn)[7]給出了一種多站遙測(cè)數(shù)據(jù)處理中的數(shù)據(jù)融合方法，該方法主要用于火箭上升段同一站點(diǎn)多臺(tái)設(shè)備接收數(shù)據(jù)時(shí)，出現(xiàn)信號(hào)受干擾失鎖的數(shù)據(jù)融合處理。文獻(xiàn)[8]給出了一種多站點(diǎn)組網(wǎng)的實(shí)時(shí)遙測(cè)數(shù)據(jù)選定技術(shù),對(duì)不同站點(diǎn)接收的相同數(shù)據(jù)幀進(jìn)行時(shí)延對(duì)齊后，逐幀進(jìn)行數(shù)據(jù)選優(yōu)輸出。文獻(xiàn)[9]給出了一種多遙測(cè)圖像數(shù)據(jù)流的自動(dòng)拼接與自動(dòng)優(yōu)選技術(shù)，該技術(shù)主要用于火箭運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視。文獻(xiàn)[10]從事后拼接的角度出發(fā)，通過統(tǒng)一格式、丟幀插補(bǔ)、時(shí)差修正、分段擇優(yōu)、拼接及檢查等方法，將多站接收的遙測(cè)數(shù)據(jù)事后拼接形成了一個(gè)遙測(cè)數(shù)據(jù)最完整的文件。

綜上可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)遙測(cè)數(shù)據(jù)流選優(yōu)的研究，目前多集中于火箭彈道飛行試驗(yàn)任務(wù)數(shù)據(jù)處理上，主要用于處理多站相同數(shù)據(jù)的選優(yōu)和拼接，這些方法可以在航天器多站遙測(cè)數(shù)據(jù)選優(yōu)時(shí)借鑒，但是不適用于不同信道下傳的不同頻率的數(shù)據(jù)選優(yōu)，因此不能完全滿足航天器多遙測(cè)數(shù)據(jù)流的選優(yōu)，鑒于此，本文從航天器下行遙測(cè)數(shù)據(jù)流實(shí)時(shí)選優(yōu)的需求出發(fā)，尤其是對(duì)不同信道下傳的不同頻率遙測(cè)數(shù)據(jù)流的優(yōu)選需求，設(shè)計(jì)了一種基于時(shí)間片輪轉(zhuǎn)的多路遙測(cè)數(shù)據(jù)流優(yōu)選方法，其基本過程是：首先選定時(shí)間片周期，然后綜合遙測(cè)幀質(zhì)量、幀連續(xù)性、收幀率、權(quán)重等因素計(jì)算本時(shí)間片內(nèi)各路待選數(shù)據(jù)流質(zhì)量，最后經(jīng)滯環(huán)比較并結(jié)合手動(dòng)優(yōu)選意向選擇出最優(yōu)結(jié)果作為下一個(gè)時(shí)間片數(shù)據(jù)優(yōu)選輸出，該方法計(jì)算復(fù)雜度低、實(shí)時(shí)性好，很好的完成了天和核心艙、天舟二號(hào)貨運(yùn)飛船、神舟十二號(hào)載人飛船等型號(hào)的在軌遙測(cè)數(shù)據(jù)優(yōu)選任務(wù)。

1 多數(shù)據(jù)流實(shí)時(shí)優(yōu)選方法

在飛控任務(wù)進(jìn)行過程中，測(cè)站位置差異將帶來測(cè)站與航天器之間的距離差異，不同測(cè)站接收的數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)間可能略有差別，以數(shù)據(jù)幀為單位進(jìn)行選優(yōu)則必須進(jìn)行時(shí)延對(duì)齊，導(dǎo)致時(shí)間延遲，實(shí)時(shí)性較差。此外，對(duì)航天器下傳的不同信道的數(shù)據(jù)選優(yōu)時(shí)，由于不同信道的數(shù)據(jù)格式和速率可能不同，則完全無法采用以數(shù)據(jù)幀為單位的優(yōu)選策略，鑒于此，本文采用時(shí)間片輪轉(zhuǎn)的方式，在一個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)，對(duì)本間隔內(nèi)各路數(shù)據(jù)流質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，選擇最優(yōu)結(jié)果作為下一個(gè)時(shí)間片數(shù)據(jù)流實(shí)時(shí)采集處理的依據(jù)，時(shí)間片大小的選取與各待選數(shù)據(jù)流的頻率有關(guān)，時(shí)間片選擇過大,則數(shù)據(jù)流質(zhì)量評(píng)價(jià)周期過長(zhǎng),數(shù)據(jù)流切換響應(yīng)不夠及時(shí)；若時(shí)間片選擇過小，則每個(gè)周期內(nèi)，參與質(zhì)量評(píng)價(jià)的數(shù)據(jù)樣本較少，數(shù)據(jù)流質(zhì)量評(píng)價(jià)不夠全面，可能造成數(shù)據(jù)頻繁切換，引起頻繁的切換跳變，經(jīng)驗(yàn)上，一般可選擇3 s為一個(gè)時(shí)間片周期。

1.1 數(shù)據(jù)流質(zhì)量評(píng)價(jià)

一個(gè)時(shí)間片周期T內(nèi)，數(shù)據(jù)流X的質(zhì)量評(píng)價(jià)因素包括以下因素。

(1)每個(gè)數(shù)據(jù)幀的質(zhì)量評(píng)價(jià)，包括幀正確性評(píng)價(jià)和幀連續(xù)性評(píng)價(jià)。

對(duì)當(dāng)前數(shù)據(jù)幀F(xiàn)，其質(zhì)量評(píng)價(jià)函數(shù)τ(F)為

τ(F)=αφ(F)+(1-α)ω(F)

(1)

式中：φ(F)為幀正確性評(píng)價(jià)函數(shù)，可以通過幀校驗(yàn)和正確與否進(jìn)行計(jì)算，ω(F)為幀F(xiàn)與前一幀數(shù)據(jù)的連續(xù)性評(píng)價(jià)函數(shù)，可以通過幀計(jì)數(shù)進(jìn)行計(jì)算，φ(F)和ω(F)都是通過幀數(shù)據(jù)內(nèi)部計(jì)算得出。α為幀正確性評(píng)價(jià)占幀質(zhì)量評(píng)價(jià)的權(quán)重，α∈(0,1),通常取α=0.5。

(2)對(duì)全部數(shù)據(jù)幀的綜合評(píng)價(jià)。

對(duì)全部數(shù)據(jù)幀質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，應(yīng)為當(dāng)前和以前所有幀質(zhì)量的迭代加權(quán)函數(shù)，即

σF(X)=ρ(F)σF-1(X)+(1-ρ(F))τ(F)

(2)

式中：σF-1(X)表示數(shù)據(jù)流X到上一幀時(shí)的整體質(zhì)量評(píng)價(jià)，1-ρ(F)為當(dāng)前數(shù)據(jù)幀的質(zhì)量權(quán)重，逐漸逼近1-β，隨著幀數(shù)量的增加，ρ(F)從0逐漸增加，趨近于β，為過往幀的質(zhì)量評(píng)價(jià)占總體質(zhì)量評(píng)價(jià)的權(quán)重，即

(3)

式中：β∈(0,1),通常取β=0.8。

(3)周期內(nèi)數(shù)據(jù)收幀評(píng)價(jià)。

周期內(nèi)數(shù)據(jù)流X的收幀率為

(4)

式中：C(X)為本周期內(nèi)收到的數(shù)據(jù)幀計(jì)數(shù)，K(X)為本周期內(nèi)應(yīng)收到的數(shù)據(jù)幀計(jì)數(shù)。本周期內(nèi)應(yīng)收到的幀計(jì)數(shù)計(jì)算方法為

K(X)=(Tend-T(X))f(X)

(5)

式中：Tend表示本周期結(jié)束時(shí)間，T(X)表示本周期內(nèi)數(shù)據(jù)流X的出現(xiàn)時(shí)間，f(X)為數(shù)據(jù)流X的頻率。在這種計(jì)算方法里，對(duì)于本周期內(nèi)消失的數(shù)據(jù)流，其應(yīng)收幀數(shù)是按照整個(gè)周期計(jì)算的，顯然高于實(shí)收幀數(shù)，收幀率低，數(shù)據(jù)流質(zhì)量評(píng)價(jià)差；而對(duì)于本周期內(nèi)出現(xiàn)的數(shù)據(jù)流，其應(yīng)收幀數(shù)是按照數(shù)據(jù)出現(xiàn)時(shí)間到周期結(jié)束計(jì)算的，收幀率計(jì)算不受影響，能夠很好的適應(yīng)測(cè)站進(jìn)出時(shí)的優(yōu)選需求。

綜合以上因素，一個(gè)時(shí)間片T內(nèi)，數(shù)據(jù)流X的質(zhì)量評(píng)價(jià)函數(shù)為

μ(X)=π(X)ε(X)σ(X)

(6)

式中：π(X)為該路數(shù)據(jù)流的權(quán)重，可通過測(cè)站權(quán)重、信道權(quán)重、數(shù)據(jù)類型權(quán)重綜合計(jì)算得出。

1.2 數(shù)據(jù)流自動(dòng)選優(yōu)

利用1.1節(jié)中的數(shù)據(jù)流質(zhì)量評(píng)價(jià)函數(shù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)流優(yōu)選，理論上說，應(yīng)該始終選擇數(shù)據(jù)質(zhì)量更高的數(shù)據(jù)流，但是當(dāng)數(shù)據(jù)流質(zhì)量接近時(shí)，數(shù)據(jù)流頻繁切換容易帶來由數(shù)據(jù)流間時(shí)差造成的數(shù)據(jù)擾動(dòng)，引起系統(tǒng)不穩(wěn)定，因此引入滯環(huán)比較進(jìn)行數(shù)據(jù)優(yōu)選。當(dāng)前時(shí)間周期T的數(shù)據(jù)優(yōu)選函數(shù)為

(7)

式中：θ(T)表示時(shí)間片T的優(yōu)選結(jié)果，μ(X)表示數(shù)據(jù)流X的質(zhì)量評(píng)價(jià)，maxμ(X)為本周期內(nèi)各路待選數(shù)據(jù)流中的最優(yōu)值，θ(T-1)為上一個(gè)時(shí)間周期的優(yōu)選結(jié)果，γ為滯環(huán)門限，γ∈(0,1),通常取γ=0.1。

數(shù)據(jù)優(yōu)選過程如圖1所示，在完成數(shù)據(jù)接收后，對(duì)數(shù)據(jù)按照信源、類型等進(jìn)行分類，對(duì)分類后的每路數(shù)據(jù)流進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)，取最優(yōu)數(shù)據(jù)流的質(zhì)量評(píng)價(jià)值和上次選擇的數(shù)據(jù)流質(zhì)量評(píng)價(jià)值進(jìn)行滯環(huán)比較，若小于比較閾值，則延續(xù)上個(gè)周期的選擇，否則選擇最優(yōu)數(shù)據(jù)流。

圖1 多遙測(cè)數(shù)據(jù)流自動(dòng)優(yōu)選算法過程Fig.1 Algorithm flow of the real-time selection for multi-channel telemetry data

1.3 與手動(dòng)優(yōu)選相結(jié)合

引入數(shù)據(jù)流手動(dòng)優(yōu)選后，數(shù)據(jù)優(yōu)選策略轉(zhuǎn)換為接收到數(shù)據(jù)之后，首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，并對(duì)各數(shù)據(jù)流數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行計(jì)算，然后檢查是否設(shè)置了手動(dòng)優(yōu)選意向，若設(shè)置了手動(dòng)優(yōu)選意向，且手動(dòng)優(yōu)選數(shù)據(jù)流有數(shù)據(jù)，則按照手動(dòng)優(yōu)選意向進(jìn)行下周期的數(shù)據(jù)流采樣處理，若未設(shè)置手動(dòng)優(yōu)選意向或者手動(dòng)優(yōu)先意向無數(shù)據(jù)，則進(jìn)行自動(dòng)優(yōu)選的選擇，下個(gè)周期輸出自動(dòng)優(yōu)選數(shù)據(jù)流數(shù)據(jù)，總體上，數(shù)據(jù)優(yōu)選過程如圖2所示。

2 工程實(shí)現(xiàn)

航天器在軌支持系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)優(yōu)選是系統(tǒng)后續(xù)處理的基礎(chǔ)，處于系統(tǒng)與測(cè)站數(shù)據(jù)的接口環(huán)節(jié)，整個(gè)系統(tǒng)中下行數(shù)據(jù)處理部分結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。

圖3 多遙測(cè)數(shù)據(jù)流優(yōu)選系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Architecture of the selection system for multi-channel telemetry data

下行數(shù)據(jù)處理過程如下。

(1)各測(cè)站數(shù)據(jù)統(tǒng)一發(fā)送到試驗(yàn)任務(wù)網(wǎng)中。

(2)在軌支持系統(tǒng)的數(shù)據(jù)優(yōu)選模塊統(tǒng)一接收各數(shù)據(jù)流源數(shù)據(jù)，按照數(shù)據(jù)中的信源和信道標(biāo)識(shí)，首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，形成待優(yōu)選的數(shù)據(jù)流標(biāo)識(shí)，比如數(shù)據(jù)流源1的測(cè)控遙測(cè)數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)流源2中繼遙測(cè)數(shù)據(jù)。當(dāng)有多路數(shù)據(jù)需要優(yōu)選時(shí)，進(jìn)行數(shù)據(jù)流質(zhì)量評(píng)價(jià)和選優(yōu)，擇優(yōu)選擇一路數(shù)據(jù)發(fā)送到在軌支持系統(tǒng)的消息總線上。

(3)在軌支持系統(tǒng)對(duì)優(yōu)選后的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、監(jiān)視、存儲(chǔ)、查詢等。

在數(shù)據(jù)優(yōu)選部分，考慮人機(jī)交互，可靠性等一系列因素，在工程實(shí)現(xiàn)上其功能需求如下。

(1)能夠按照優(yōu)選算法，自動(dòng)優(yōu)選一路數(shù)據(jù)輸出。

(2)能夠查看當(dāng)前的備選數(shù)據(jù)流和當(dāng)前的優(yōu)選數(shù)據(jù)流，監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。

(3)可以人工干預(yù)，即支持手動(dòng)優(yōu)選和清除。

依據(jù)上述需求，程序結(jié)構(gòu)如圖3所示，數(shù)據(jù)優(yōu)選作為后臺(tái)服務(wù)的一部分，不宜直接具備人機(jī)交互功能，因此外掛一個(gè)WEB服務(wù)進(jìn)行自動(dòng)優(yōu)選的監(jiān)控，其從共享內(nèi)存中獲取設(shè)計(jì)師的手動(dòng)優(yōu)選意向，同時(shí)將運(yùn)行狀態(tài)即本周期的最終優(yōu)選結(jié)果和備選數(shù)據(jù)流列表寫入共享內(nèi)存。

WEB服務(wù)器從共享內(nèi)存中讀取運(yùn)行狀態(tài)信息傳遞給WEB瀏覽器，同時(shí)將設(shè)計(jì)師手動(dòng)優(yōu)選意向?qū)懭牍蚕韮?nèi)存。通過共享內(nèi)存完成數(shù)據(jù)優(yōu)選模塊與WEB服務(wù)之間的數(shù)據(jù)交換。

設(shè)計(jì)師通過瀏覽器查看數(shù)據(jù)優(yōu)選模塊的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，必要時(shí)，進(jìn)行數(shù)據(jù)流的手動(dòng)優(yōu)選設(shè)置與清除。

將上述實(shí)現(xiàn)用于空間站任務(wù)時(shí)的遙測(cè)數(shù)據(jù)優(yōu)選,包括天和核心艙、天舟二號(hào)貨運(yùn)飛船、神舟十二號(hào)載人飛船，每個(gè)任務(wù)都有多個(gè)類型的數(shù)據(jù)需要優(yōu)選，截至目前，在空間站支持中心的應(yīng)用中，優(yōu)選方法運(yùn)行良好。以天舟二號(hào)貨運(yùn)飛船工程遙測(cè)數(shù)據(jù)優(yōu)選為例，其需要從多個(gè)測(cè)站中接收到的多種類型數(shù)據(jù)中優(yōu)選一路輸出，根據(jù)式(6)優(yōu)選計(jì)算時(shí)，USB遙測(cè)優(yōu)選，其權(quán)重設(shè)置1，中繼代傳數(shù)據(jù)與USB遙測(cè)頻率不同,其數(shù)據(jù)權(quán)重設(shè)置為0.95，幀質(zhì)量評(píng)價(jià)中參數(shù)α和β，分別取0.5和0.8，優(yōu)選的滯環(huán)閾值γ取0.1，數(shù)據(jù)流質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果在0到1之間，數(shù)據(jù)越大質(zhì)量越好。其發(fā)射入軌時(shí)數(shù)據(jù)優(yōu)選情況如圖4所示，圖4中有關(guān)數(shù)據(jù)優(yōu)選的關(guān)鍵事件及數(shù)據(jù)見表1。

圖4 天舟二號(hào)發(fā)射入軌時(shí)工程遙測(cè)優(yōu)選情況Fig.4 Engineering telemetry data selection for launch of tianzhou-2

表1 天舟二號(hào)發(fā)射入軌工程遙測(cè)優(yōu)選關(guān)鍵數(shù)據(jù)Table 1 Key data in engineering telemetry data selection for launch of Tianzhou-2

數(shù)據(jù)優(yōu)選過程如下。

(1)20:55:50，三亞站USB數(shù)據(jù)流出現(xiàn)，并自動(dòng)成為優(yōu)選數(shù)據(jù)流。

(2)20:56:47，西沙站USB數(shù)據(jù)流出現(xiàn)，加入優(yōu)選隊(duì)列。

(3)20:57:53，數(shù)據(jù)流質(zhì)量出現(xiàn)較大波動(dòng)，西沙站USB數(shù)據(jù)流替代成為優(yōu)選數(shù)據(jù)流。

(4)21:00:38，遠(yuǎn)望六號(hào)USB數(shù)據(jù)流出現(xiàn)，加入優(yōu)選隊(duì)列。

(5)21:03:29，天鏈二號(hào)01星代傳數(shù)據(jù)流出現(xiàn)，加入優(yōu)選隊(duì)列。

(6)21:03:32，天鏈一號(hào)04星代傳數(shù)據(jù)流出現(xiàn)，加入優(yōu)選隊(duì)列。

(7)21:03:53，三亞站USB數(shù)據(jù)流消失，退出優(yōu)選隊(duì)列，數(shù)據(jù)流消失時(shí)，質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果較低，而數(shù)據(jù)流出現(xiàn)時(shí)，質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果不受影響，與適應(yīng)測(cè)控出入站的丟幀率評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)相符。

(8)21:04:23，西沙站USB數(shù)據(jù)流消失，遠(yuǎn)望六號(hào)USB數(shù)據(jù)流替代成為優(yōu)選數(shù)據(jù)流。

(9)21:09:11，遠(yuǎn)望六號(hào)USB數(shù)據(jù)流消失，天鏈二號(hào)01星代傳數(shù)據(jù)流替代成為優(yōu)選數(shù)據(jù)流。

(10)21:11:41, 天鏈二號(hào)01星代傳數(shù)據(jù)流消失，天鏈一號(hào)04星代傳數(shù)據(jù)流替代成為優(yōu)選數(shù)據(jù)流。

(11)21:11:41, 天鏈一號(hào)04星代傳數(shù)據(jù)流消失，工程遙測(cè)出測(cè)控弧段。

3 結(jié)束語

本文分析了航天器在軌支持過程中，數(shù)據(jù)流優(yōu)選的工程需求，基于數(shù)據(jù)流質(zhì)量評(píng)價(jià)，提出了一種按時(shí)間片輪轉(zhuǎn)的數(shù)據(jù)優(yōu)選算法，并進(jìn)行了工程實(shí)現(xiàn)，實(shí)踐結(jié)果表明：該方法計(jì)算復(fù)雜度低、實(shí)時(shí)性好，具備自動(dòng)優(yōu)選和手動(dòng)優(yōu)選能力，在空間站“天和”核心艙、“天舟”貨運(yùn)飛船、“神舟”載人飛船等型號(hào)的發(fā)射任務(wù)保障中，表現(xiàn)良好。該方法通過數(shù)據(jù)流質(zhì)量評(píng)價(jià)函數(shù)設(shè)計(jì)，屏蔽了類型和頻率的差異，實(shí)現(xiàn)了不同類型、不同頻率數(shù)據(jù)流的統(tǒng)一優(yōu)選，具有一定的普適性，可以在其他類型航天器的數(shù)據(jù)優(yōu)選中使用。但應(yīng)注意根據(jù)具體的任務(wù)需求和待選數(shù)據(jù)流特點(diǎn)，選擇合適的算法參數(shù)，比如時(shí)間片大小，不同數(shù)據(jù)流的權(quán)重等，這對(duì)數(shù)據(jù)優(yōu)選結(jié)果有較大影響。下一步也將在時(shí)間片選取等算法參數(shù)調(diào)優(yōu)上開展工作，以進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)優(yōu)選質(zhì)量。