測控系統指顯數據處理方法①

李 陽,王 華,張得華

(中國衛星海上測控部 技術部,江陰 214431)

1 概述

航天系統測控數據包含各航天單位之間的通信數據、測量船和陸上測站測控設備的設備數據和飛行器遙測數據等.他們采用相同的數據協議封裝,但是其數據域的組成格式卻靈活多變,多達上百種數據組成格式.不同類型數據格式需要不同的處理方法進行解算,因此影響了整體的處理效率.為了實現高效快速處理各類測控數據的目的,需要指顯數據處理系統能夠針對不同數據格式采用通用的處理模型進行處理,從而保證數據處理的正確、可靠[1]和高效.

2 航天系統測控數據描述

航天系統測控數據為了方便傳輸、處理和解析,采用了固定的PDXP數據協議,該協議是基于TCP/IP協議模型分層結構定義的應用層數據交換協議,通信雙方以結構化數據包的形式采用數據主動推送方式進行數據交換.該協議數據由固定字節的包頭數據和不定長度的數據域組成,其中包頭數據包含該類數據的版本、數據標識、時標和數據域長度等信息,而數據域則承擔需要傳輸的各類有效數據.

PDXP協議的數據域由各種類型參數字段組成,不同參數字段有特定的數據長度和數據類型,描述了不同的狀態含義,PDXP協議對字段內容進行編碼組成完整的PDXP包,傳輸接收端獲取到數據字段的源碼之后進行解算得到其代表的狀態含義,實現對航天器的測量監控.通常情況下,不同的數據字段采用順序串聯方式合并組成PDXP包,但是也存在某些數據格式采用比較復雜的組合模式,增加了解算的復雜度.

3 模塊化字節流模型

模塊化字節流模型適用于PDXP包中的常規格式數據,即采用順序串聯方式按一定規則對數據字段進行組合,解算時使用字節流對數據字段進行定義,然后根據設計好的模塊組合進行套用解析.

3.1 模塊化字節流模型結構

模塊化字節流模型的靜態結構類似樹形結構,具有層次定義、逐層派生的特點[2].最頂層是模型的抽象類,作為各個子字節流模塊的基類,子字節流模塊由此直接或間接派生.子字節流模塊分為兩大類: 字段模塊和組合模塊.字段模塊描述一個基本字節序列,可直接完成處理.組合模塊描述一個組合字節序列,無法直接處理,需進一步分解成多個字段模塊進行處理,然后將處理結果進行組合.

對航天測控數據進行描述時,首先使用組合模塊搭建框架,繼而根據數據特點,嵌套加入合適的字段模塊或組合模塊,如圖1,如果加入的是組合模塊則該模塊仍由特定的字段模塊組成.這種靈活可擴展的嵌套方式[3]使得模型具有強大的描述處理能力.

3.2 模塊化字節流模型動態處理

軟件系統運行時,首先根據PDXP協議格式獲取數據域,然后由模塊化字節流模型搭建框架對數據域進行分解,組合模塊定義了所屬子模塊的處理順序,根據該順序可調用其子模塊依次完成處理.各個子模塊根據地址屬性從數據域中獲取對應數據源碼,若子模塊仍然是組合模塊,則繼續對其進行分解,調用所屬子模塊進行解析;若子模塊為字段模塊,則調用其字段方法屬性完成解算,獲取字段數據所代表的值、狀態等含義.由此可見,上述子模塊的處理過程均可遞歸進行.

4 遙測數據處理模型

4.1 遙測數據結構分析

航天系統測控數據中的飛行器遙測數據的結構不同于常規PDXP數據,可針對不同任務需求靈活選擇組成.其整體結構由遙測幀-遙測信道-遙測源包-遙測參數的組織方式構成.目前常見的遙測數據格式分為以下幾類:

圖1 模塊化字節流模型類圖

(1)主副幀遙測.這類遙測數據的特點是采用固定主交換子+分頻副交換子方式下傳參數,不同方式定義了不同的傳輸頻率,同時采用雙計數格式,即同時使用幀計數和格式計數兩種計數[4].這種遙測數據的參數處理需要使用關鍵字依賴,即以幀計數和格式計數作為依賴參數,其他遙測參數依賴它們的解算結果作為判斷條件進行解算.

(2)分包遙測.這類遙測數據的特點是以分包的方式對數據進行分層動態管理[5].要處理該類遙測數據,需要定義遙測信道,并綁定分包協議,在處理該信道中遙測參數時,先解復用還原出遙測源包,遙測參數根據源包號匹配,再對源包字節流進行尋址即可.其中遙測信道支持虛擬信道模式,即信道需設計一個虛擬信道表,可以支持多個不同分包協議,并定義虛擬信道號字節比特偏移量.不同虛擬信道根據虛擬信道號進行識別匹配.

(3)混合幀遙測.該類星遙的特點是存在兩種幀格式定義,實時幀定義與數據段幀定義,每種幀定義又分為幾種格式[6].這種星遙的格式通過組合依賴一些關鍵參數來區別不同格式下的具體參數,同時可能利用被依賴參數的解算結果進行再處理來解算其他遙測參數.

4.2 遙測數據處理模型搭建

為了建立適應不同結構的遙測數據處理模型,我們分別定義了遙測幀框架、遙測信道、遙測處理環境、遙測協議、遙測源包、遙測參數、遙測關鍵字和遙測參數處理方法等元素對遙測數據格式進行描述.遙測數據處理模型結構如圖2所示.其中遙測幀對傳輸的實際遙測數據字節序列進行描述,為多種平臺不同格式遙測數據搭建了解算的整體框架.框架包含遙測信道、遙測參數、遙測關鍵字等遙測元素和遙測環境,其中遙測信道和遙測參數共同構成分包遙測格式,遙測參數和遙測關鍵字共同構成主副幀和混合幀遙測格式,遙測環境則保存了遙測數據處理全過程中的所有動態數據信息.

圖2 遙測數據處理模型類圖

遙測信道描述了遙測數據幀中一些特殊的字節部分,這些字節作為一個整體構成信道,處理時必須把信道中傳輸的數據收完整了之后才可進行.信道支持虛擬傳輸模式,即把一個信道從邏輯上復用為N個“虛擬信道”,每次給一個“虛擬信道”使用,各個虛擬信道是完全相同的,只是可以用來傳輸不同分包協議的源包[7].信道內遙測參數的尋址是相對于源包的,參數地址中的PacketTag屬性保存了該地址對應所屬的分包號,繼而可從該分包中進行尋址獲取字節源碼.遙測參數處理方法用于對遙測參數源碼進行處理[8],實現從二進制源碼到數字量、模擬量、溫度量和電壓電平量的轉換.遙測參數可有多個處理方法,順序執行,后面的處理方法可以使用前面方法的處理結果,每一個處理方法的處理結果都可以作為遙測參數結果返回,從而可適應靈活復雜的參數特性.

4.3 遙測數據模型動態處理

4.3.1 遙測信道處理

根據遙測數據處理模型結構對接收到的實時遙測幀進行分層處理,每個遙測信道依據對應遙測協議對數據域進行分解復用,還原出待處理源包或子幀字節流,保存在對應的遙測處理環境中,等待下一步遙測參數提取對應源碼.遙測信道動態處理流程如圖3所示.

圖3 遙測信道處理流程

4.3.2 遙測參數處理

對配置的遙測參數列表進行靜態編譯,根據參數依賴關系調整列表中的參數順序[9],根據順序順次調用遙測參數處理方法進行處理,對于處理成功的參數,將值加入遙測處理環境中,對于處理失敗的參數加入待掃描列表,等待下次循環掃描處理.對于每個參數的處理,首先進行關鍵字依賴條件判斷,如滿足條件則獲取該遙測參數對應的源包或子幀字節流,接著根據地址完成尋址、方法處理等后續工作.遙測參數動態處理流程如圖4所示.

圖4 遙測參數處理流程

5 測試驗證

在實踐應用中,通常使用幀處理速度和時間延遲來測試數據處理的性能.測試采用某次重要航天試驗任務數據作為測試對象,在相同硬件環境中分別使用應用了模塊化字節流模型和遙測數據處理模型的數據處理軟件系統和未使用上述模型的舊版處理軟件系統進行處理解算,測試過程模擬任務場景發送任務數據,記錄數據處理解算的最大幀處理速度和每幀數據平均時延.試驗結果如表1所示.

表1 測試驗證結果

根據測試結果可知,采用了模塊化字節流模型和遙測數據處理模型以后,最大幀處理速度有所提升,而每幀數據平均時間延遲則有所降低,說明上述模型在任務過程中提高了數據處理的性能和效率.此外,上述模型能夠適應數據格式靈活多變的特點,避免了舊版軟件系統針對不同任務數據格式變化而花費大量維護準備時間的情況.

6 結束語

針對航天測控數據格式靈活多變、層次嵌套的特點,本文論述了設計的模塊化字節流模型和遙測數據處理模型,經實驗表明,該設計模型表述能力及通用性較好,具有一定程度的靈活性及擴展性;能較好地適應各類任務的數據格式處理需求;可提升指顯數據處理軟件系統中的復雜數據格式能力和效率.