一種多冗余遙測數據處理系統的設計

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(中國飛行試驗研究院,西安 710089)

一種多冗余遙測數據處理系統的設計

劉升護,賈雨,楊哲

(中國飛行試驗研究院,西安710089)

為解決現有實時遙測數據處理系統存在的可靠性低、操作性差等問題，通過分析實時遙測數據處理系統的原理和結構，設計了一套新型的多冗余遙測數據處理系統；通過對現有系統的服務器和客戶端軟件進行改造，增加服務器和客戶端軟件之間的狀態信息交互功能，提出并使用了一種高效的遙測信號評估方法，從而實現監控終端軟件對實時監控數據的最佳源選擇，進而保證了遙測數據傳輸的穩定和可靠；經過多次飛行試驗的測試，表明新系統完全滿足目前試飛監控的需求，提高了遙測數據處理系統運行的可靠性和智能化，為試飛安全提供了堅實的保障。

飛行試驗；多冗余；遙測數據處理系統；最佳源選擇

0 引言

試飛安全是保證試飛活動的前提條件，而遙測監控是保證試飛安全的重要手段。在飛行試驗中[1-2]，遙測天線跟蹤飛行目標并接收其發射的遙測PCM (pulse code modulation)信號，然后通過遙測數據處理系統實現飛行試驗的實時監控。因此遙測數據處理系統在航空飛行試驗中具有重要的位置，是確保現代飛機試飛安全、提高試飛效率、縮短試飛周期、實現綜合試飛的重要手段。

遙測數據處理系統的設計一直是遙測數據處理系統研發中的關鍵技術之一。隨著目前試飛架次的增多和試飛科目的風險增大，以及遙測資源的變化，現有的實時數據處理系統存在可靠性低，操縱性差等缺點，已不能滿足試飛監控的需求，因此急需對現有系統進行改造升級。本文通過研究現有遙測處理系統的結構，分析其中的不足之處，及由此而帶來的操作性差問題，和其對試飛安全產生的影響。最后結合目前遙測監控的實際情況，對現有遙測數據處理系統進行了改進，從而設計了一套新型多冗余遙測數據處理系統。

1 現有遙測數據處理系統結構

在飛行試驗中[3-4]，通常在飛機上加裝遙測天線來發射無線遙測信號，將機載實時數據傳輸到地面。地面遙測接收機接收無線遙測信號，將其解調后送往實時處理服務器，服務器經過處理相關數據然后以組播的網絡方式將數據送往視圖驅動客戶端，這時監控人員就可以通過客戶端安裝的監控軟件實時觀察飛機性能、位置等信息。因此飛行試驗實時遙測系統通常可分為機載數據發送、地面遙測接收、前端實時處理和視圖驅動顯示客戶端顯示四部分，其中后三部分又組成遙測數據處理系統。系統數據傳輸如圖1所示。

圖1 現有遙測數據處理系統結構

現有遙測數據處理系統在保障我院科研試飛中起到了重要的作用，但依然存在一下問題：

①單鏈路傳輸模式，可靠性低。遙測接收機、前端處理服務器和視圖驅動客戶端為一一對應關系，在該鏈路上的每個設備出現故障都有可能影響遙測數據的質量。隨著設備使用年限的不斷增長，部分設備的可靠性程快速下降趨勢，設備的維修率也不斷增長。根據網絡可靠性理論[5]，串聯系統可靠性為該系統上的所有設備可靠性的乘積，因此隨著各個設備可靠性的快速降低，系統可靠性成指數下滑，嚴重影響試飛安全的順利進行。

②手動切換設備，占用時間長，操作性差。當遙測鏈路上的某一設備出現問題，需要切換其他設備時，則需要手動切換。如圖1所示，假如數據處理服務器出現問題，不能正常工作，則需要其他服務器替代，工作人員除了在新服務器上設置相關操作，還需要在客戶端進行相關操作，因此系統切換占用較長時間。在飛行試驗中，有些動作就在瞬間完成，因此手動切換占用時間較長，不利于試飛安全。

③沒有實現最佳數據源的選擇。在遙測資源較多時候或者某一重要科目試飛，通常需要多個天線同時跟蹤一個目標或者多個處理服務器處理同一個接收機的數據。由于設備的差異性，每個天線或者處理計算機都有其難以預料的問題，如延時、丟點等。因此在多個數據鏈路下尋找最佳數據源就顯得至關重要。

2 新型多冗余遙測數據處理系統結構設計

為提高系統可靠性，新系統必須是多冗余鏈路，即從遙測數據發出到客戶端接收到數據之間至少有不少于2條鏈路。然而在實際情況中，由于部分設備較為昂貴，數量有限，所以根據實際需求，設計了兩種冗余模式：完全冗余鏈路模式和部分冗余鏈路模式。

完全冗余鏈路就是整個鏈路上的設備都有冗余，如圖2所示，飛機的遙測數據通過兩條完全獨立的鏈路傳到視圖驅動客戶端。由于兩條鏈路完全獨立，因而完全冗余鏈路的系統可靠性相比于單連璐系統正好提高了一倍。

圖2 完全冗余鏈路模式系統結構

部分冗余鏈路模式即系統中只有部分設備采用冗余模式。如圖3所示，該系統下只有數據處理服務器采用冗余模式，其他設備依然使用單連璐模式。在實際情況下，由于科研經費以及設備的可靠性程度差異較大，比如遙測天線和接收機的成本要比用于數據處理的臺式機成本高得多，并且可靠性也高出不少，因此將數據處理服務器進行冗余備份，能夠明顯提高系統的總體可靠性，并且所需成本也最為適當。簡而言之，部分冗余鏈路模式主題思路就是將系統中可靠性低的設備冗余備份，以提高整個系統的整體可靠性。部分冗余鏈路模式的可靠性介于單鏈路模式和完全冗余鏈路模式之間。

圖3 部分冗余鏈路模式系統結構

總體來說，相比于完全冗余鏈路模式，部分冗余鏈路模式顯的更為靈活，操作方便，可行性高，是未來新型系統的主要發展方向。

此外，冗余鏈路帶來的一個問題就是最佳源選擇，如何快速的在各個數據鏈路上進行切換，而又不影響遙測數據的準確性和及時性是接下來需要解決的又一個問題。本文分析如圖2和圖3所示的兩種常用冗余鏈路模式，它們的最佳源選擇主要在于視圖驅動客戶端對數據服務器的選擇。顯然傳統的服務器和客戶端已不能滿足新系統的需求，因此需要重新設計基于冗余遙測網絡的數據處理服務器和視圖驅動客戶端軟件。

3 新型多冗余遙測數據處理系統的軟件設計

3.1 系統軟件結構

系統的軟件主要由數據處理服務器軟件和視圖驅動客戶端軟件組成。數據處理服務器的主要功能是獲取接收機數據，并依照格式格柵配置文件，對相關參數進行解算，最終將解算好的數據以及采集參數的參數名以組播的網絡協議發送到視圖驅動客戶端。根據設計需求，新型視圖驅動客戶端需要在多個數據處理服務器之間進行最佳源選擇，而選擇的依據就是各個數據處理服務器的處理數據性能的好壞。因此，相比于現有前端實時數據處理服務器，新型服務器不僅發送參數名和工程數據，還要獲取當前處理的數據質量狀況，并與飛機信息等組成狀態信息發送。該狀態數據包括服務器名和當前飛機號以及接收到的遙測數據質量等信息。視圖驅動客戶端接收到服務器發送的狀態數據，從中獲取當前需要顯示的飛機信息，通過判斷遙測數據的質量好壞，決定使用那一臺服務器發送的數據，從而獲得最佳源數據。結構原理如圖4所示。

圖4 服務器和客戶端軟件結構原理圖

3.2 服務器端數據質量的評估

如何正確評估數據處理服務器處理遙測數據的質量是系統實現的重要環節。正確的評估方法有利于客戶端做出正確的選擇。

目前，評估數據質量的方法有多種，主要如下兩種：

①獲取遙測接收機中信號的強度信號。一般情況下，信號強度越強，信號質量越好，數據處理的質量也越好。但也不是絕對成立的。這種方法較為簡單，但是并不是所有接收機的信號強度信息都可以獲取，并且部分飛機還存在信號強而質量差。因為信號強度只能表征接收數據的能力，并不能完全代表數據質量的好壞。

②統計最近一段時間內完整數據包的個數，計算數據的瞬時完整率。既然是計算瞬時完整率，則統計的時間不能過長，一般5～10秒鐘就可以了。假設時間段為△t，則根據帶頭文件算出來每秒應收到的包數或者短幀數為M，在△t時間內實際接收到完整的數據包或者短幀為N。則該飛機在當前服務器上的瞬時數據完整率R的計算公式為：

R=(個/秒)

顯然，瞬時完整率能夠真實的反映在當前服務器上處理的數據質量。本文也采用這種評估方法。

3.3 服務器端軟件設計

數據處理服務器軟件由數據接收、參數提取、參數計算與存儲、數據發送以及網絡通信等模塊組成。其運行流程圖如圖5所示。

圖5 數據處理服務器軟件設計流程圖

軟件接收到PCM數據，按PCM帶頭文件規定的數據存放位置，依次提取參數的碼值，然后通過事先定義的算法將參數碼值轉換成實際物理量，即工程數據。服務器共發出兩種數據，且都采用網絡UDP組播的方式，一種是包括參數名和參數值的工程數據，另一種就是該服務器的狀態數據。工程數據只需按規則打包處理過的數據，并使用該服務器的唯一地址和端口號進行發送。狀態數據則需要被各個客戶端接收，因此所有服務器的狀態數據應該采用相同的組播地址和端口號。

根據實際需要，狀態數據應該包含以下信息：①同步字和總字長，用于判斷數據的合法性和正確性；②飛機號，每架飛機的唯一區分；③處理系統名稱，所有服務器的唯一區分；④數據類型，1表示實時，0表示回放；⑤時間字，包括時分秒以及毫秒，判斷數據是否延時，保證數據的及時性；⑥其他信息。格式如下所示：

typedef struct plane

{

unsigned short Syn; //同步字

unsigned short Length; //總字長

unsigned short Plane_Number; //飛機編號

unsigned short System_Name; //處理系統名稱

unsigned short Date_Type; //數據類型 1--實時，0--回放

float Data_Quality; //信號質量

float Info[12]; //時間等其他信息

}airplane;

3.4 客戶端設計

視圖驅動客戶端是連接數據處理服務器與監控軟件的媒介，通過接收服務器發送的工程數據，然后將各個監控軟件的需要的數據逐個分發。傳統客戶端通過設置接收數據的組播地址和端口號，即可接收到指定飛機的工程數據。新型客戶端除接收工程數據外，還需要接收內部網絡上的所有服務器發送的狀態數據，通過狀態數據獲取正在處理處理指定飛機數據的服務器及該服務器數據的瞬時完整率，通過對比各個服務器的數據瞬時完整率從而選擇最佳數據源。客戶端設計運行流程圖如圖6所示。

圖6 客戶端設計流程圖

4 工程應用

目前，該新型數據處理系統已經在某重點型號試飛監控中使用，保障了多個重點科目試飛的順利進行。通過對新系統的測試發現，采用該系統后，遙測信號中斷次數有明顯的減少，視圖驅動客戶端在多個服務器之間進行最佳源選擇無延時情況。因此，使用結果表明，系統完全滿足實時監控數據的正確性和穩定性，監控質量得到了很好的提升。

5 結束語

本文通過分析現有遙測數據處理系統的不足之處，提出了一種基于多冗余模式的新型遙測處理系統的設計方法和思路，并在局域網中驗證了客戶端軟件能夠在多個數據源之間快速選擇最優數據。使用表明多冗余的數據處理系統在提高系統運行的可靠性和遙測數據的準確性方面有著良好的表現。除此之外，文章還提出了一種評估實時處理服務器的遙測數據質量的方法，并給出了相關公式。隨著型號任務的不斷增多，以及對飛行安全的重視程度越來越高，該新型系統在未來的飛行試驗中有著廣闊的前景。

[1]張國旺,尚麗娜,祁 春,等.基于混合P2P網絡的數據處理系統結構設計[J].科學技術與工程,2010(18)：4516-4520.

[2]于 艷,喬東風,張建琳, 分布式網絡遙測數據處理系統軟件設計[J].測控技術,2006(6):62-64.

[3]白效賢,喬東峰,于 艷,等. 采用C/S結構的遙測數據處理系統及其實現技術[J]. 計算機應用與軟件，2006(7):68-70.

[4]黃曉波,楊 哲. 多模式試飛實時監控系統設計[J]. 現代電子技術，2012(22): 113-115.

[5]江逸楠,李瑞瑩,黃 寧，等.網絡可靠性評估方法綜述[J]. 計算機科學，2012(5):9-13.

DesignofaMulti-redundantTelemetryDataProcessingSystem

Liu Shenghu, Jia Yu, Yang Zhe

(Chinese Flight Test Establishment, Xi’an 710089, China)

In order to solve the problem of low reliability and poor operation in the existing real-time telemetry data processing system, a new type of redundant telemetry data processing system is designed by analyzing the principle and structure of real-time telemetry data processing system. Through to transform the existing system's server and client software, and add the state information interaction between the server and the client software. In addition an efficient telemetry signal evaluation method is proposed and used to realize the real-time monitoring data’s best source selection for the monitoring terminal software. Thus the new system ensuring the telemetry data transmission is stable and reliable. After several flight tests, it shows that the new system fully meets the needs of current flight monitoring and improves the reliability and intelligence of telemetry data processing system, which provides a solid guarantee for flight safety.

flight test, multi redundancy, telemetry data processing system, optimal source selection;

2017-05-01；

2017-05-26。

劉升護(1987-)，男，陜西咸陽人，碩士研究生，工程師，主要從事飛行監控與數據處理方向的研究。

1671-4598(2017)11-0190-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.11.048

TP302

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