運載火箭遙測參數起始電平自動判讀軟件設計與實現

陳 策，劉 靚，呂長春，黃 皓，尹祿高

(北京宇航系統工程研究所，北京 100076)

0 引言

運載火箭遙測系統主要用于監測火箭飛行過程中的工作狀態，將環境參數、電量參數、指令參數等多類型的狀態參數統一編幀，并通過射頻傳輸至地面解調處理[1]。在地面進行綜合試驗、出廠測試、靶場測試階段，遙測參數起始電平判讀是全系統每次加電后的第一項檢查，也是極其重要的一項檢查，目的是確認加電后系統初始工作狀態的正常與否[2]。傳統的起始電平判讀主要通過人工打印判讀，即將所有遙測參數起始電平值打印成冊，由測試人員逐一確認，存在較大的判讀缺陷。

1)極易誤判漏判：由于箭上遙測參數數量繁多，傳統人工判讀方法完全取決于人員的細致程度，很難保證判讀的有效性，經常出現漏判、誤判等現象[3]，不能在第一時間發現產品隱患，導致后續出現產品惡化、損壞等情況。

2)覆蓋性嚴重不足：由于打印出的起始電平僅挑選了各遙測參數的其中一個波道的零位值，并不包含參數的所有波道值，無法確保參數的所有波道均采集正常，甚至導致飛行后才發現某參數的部分波道值錯誤的情況。

3)判讀效率低下：遙測參數起始電平判讀是運載火箭各階段試驗過程每次加電后的第一項測試，直接影響著后續測試流程。傳統人工判讀方法效率方面低下，累計花費時間成本較多，嚴重不符合高密度測試需求。

4)精細化程度不夠：傳統人工打印判讀無法進行數據統計和挖掘，缺乏對參數動態變化和數據包絡的掌控。特別是在問題追溯時，需要翻閱大量紙質數據，很難找到數據異常的第一時刻，影響問題排查。

針對上述問題，本文設計一種遙測參數自動判讀軟件，采用組播接收技術從網絡端獲取遙測全幀數據，根據參數波道配置進行全波道數據挑路，并與給定判據進行比對和包絡分析，實現遙測參數起始電平的自動判讀和存儲，大幅提高了測試效率、覆蓋性和精細化程度。

1 總體方案設計

1.1 工作原理

運載火箭箭上遙測系統和地面測試系統基本工作原理如圖1所示。箭上遙測系統中傳輸設備將環境參數、模擬量參數、指令參數等多類型遙測參數進行采集、轉換、編幀，通過射頻天饋無線傳輸至地面測試系統；地面測試系統通過地面接收天線接收箭上遙測射頻信號，進入地面檢測站進行數據解調并將解調后的遙測全幀數據組播發送，瀏覽微機連接交換機進行組播接收，從而實現數據處理和顯示[4]。

圖1 遙測系統基本工作原理

自動判讀軟件安裝在瀏覽微機中，借用原有資源無需額外的硬件支持，即可實現遙測參數起始電平的自動判讀功能。

1.2 自動判讀軟件設計

自動判讀軟件主要包括組播接收模塊、波道處理模塊、數據提取模塊、數據判讀及包絡分析模塊、數據顯示及報警模塊、數據庫配置及存儲模塊等，具體組成如圖2所示。工作過程中，通過對遙測數據進行組播接收、全波道計算、參數值提取、數據判讀、合格包絡分析、數據顯示存儲等處理，實現遙測參數全波道起始電平值的判讀覆蓋。

圖2 自動判讀軟件方案

組播接收模塊主要用于接收地面遙測檢測站發送的遙測全幀數據，作為后續數據挑路、處理、顯示的源數據。

波道處理模塊主要用于讀取數據庫中配置的參數波道信息和測試信息，根據被測參數信息索引全部波道，獲取被測參數的全部波道并排列為數組。

數據提取模塊主要用于提取遙測參數的起始電平，即以全幀數據作為數據源，根據波道數組對不同類型遙測參數進行分類索引挑路，獲取被測參數的全部波道的起始電平。

數據判讀及包絡分析模塊主要是對參數的起始電平進行分析處理，一是與給定參數范圍進行“合格/不合格”比對，二是與前期測試數據形成的 包絡范圍進行“包絡/不包絡”分析，給出綜合判讀結果。同時，可根據當前起始電平在線更改參數范圍和包絡范圍，也可實現一鍵更新所有參數包絡。

數據顯示及報警模塊主要用于顯示被測參數的參數信息、起始電平和判讀結果，顯示方式包括文本顯示、曲線顯示，同時具備超差報警功能。

數據庫配置及存儲模塊主要用于配置信息錄入和數據結果存儲。配置信息錄入主要包括參數信息、波道信息、判據信息、組播配置信息等；結果存儲主要存儲起始電平及判讀結果。

1.3 軟件架構設計

自動判讀軟件設計上采用經典分層式三層架構，包括數據訪問層、業務邏輯層、表現層[5]，如圖2所示。數據訪問層直接操作數據庫，對數據進行增添、刪除、修改、更新、查找等，包括測試前讀取配置數據庫中的參數信息、組播配置等，以及測試后將測試結果存儲至結果數據庫；業務邏輯層主要是對數據層的操作，對數據業務進行邏輯處理，包括組播接收數據、數據提取、自動判讀、包絡分析等功能；表現層用于接受用戶信息并將結果展示給用戶，主要指人機交互界面，用戶可在界面上選擇測試流程進行一鍵測試。

圖3 軟件架構

2 主要軟件模塊設計

2.1 組播接收模塊

網絡數據傳輸方式共分為單播、組播、廣播3種形式。單播是“一對一”的點對點通訊模式；組播是“一對一組”的通訊模式，即加入了同一個組的主機均可以接收到此組內的所有數據；廣播是“一對所有”的通訊模式，廣播者可以向網絡中所有主機發送信息。地面檢測站以組播的形式將遙測全幀數據發出，發送周期通常為50 ms，箭上遙測系統下傳數據周期通常為25 ms，因此地面檢測站每周期發送兩包全幀數據。

自動判讀軟件設計了組播接收模塊實現遙測全幀數據接收。通過讀取相應的組播地址和端口號信息，打開組播建立連接，讀取組播數據并根據幀結構計算全幀數據長度并截取數據，作為后續處理判讀的數據源，具體的軟件流程如圖4所示。其中，組播地址、端口號、幀結構均在數據庫中配置，可根據型號的不同進行分別處理。

圖4 組播接收模塊軟件流程

2.2 波道處理模塊

遙測參數按采樣速率可分為緩變、速變參數，緩變參數通常占用一個波道，而速變參數通常占用多個波道，在波道編排形式上類似一個矩形方陣，通過主幀號、副幀號可計算得到參數的波道號。

波道處理模塊主要目的是查找被測參數的所有波道，并提供給后續數據提取模塊實現被測參數的全波道起始電平提取。設計時，主要是通過數據庫索引來完成參數和波道的對應關系梳理，根據被測參數信息中的參數代號索引波道信息，根據波道信息的主幀、副幀循環計算所有波道值，并將波道數據匯成數組輸出供后續模塊使用。

2.3 數據提取模塊

遙測參數種類很多，包括電量、振動、壓力、過載、溫度、指令等，但從數據格式來講，一般分為兩種，一種是波道型參數，即參數值需要一個完整波道(8位二進制)來表示，可統稱為模擬量參數；一種是占位型參數，即參數值僅需要一個波道中的一位(1位二進制)來表示，可統稱為指令參數。對于模擬量參數僅需波道值即可在全幀中提取數據，對于指令參數需要波道和占位兩個信息提取數據。因此設計的關鍵在于不同參數類型的不同處理方式。

自動判讀軟件中，組播接收模塊輸出遙測全幀數組，波道處理模塊輸出波道數組，而數據提取模塊以遙測全幀數據數組為數據源，根據波道數組和參數類型分類計算參數波道值，并在全幀數據數組中根據波道值提取被測參數的所有起始電平，具體處理流程見圖5。

2.4 數據判讀及包絡分析模塊

在獲取被測參數全波道的起始電平數組后，需要數據判讀及包絡分析模塊對起始電平進行自動判讀，并給出判讀結果。自動判讀條件主要分為兩部分：一部分是給定的參數范圍，由遙測系統技術文件規定，統一配置到數據庫中供讀取使用，也可在線更改，判讀結果輸出為合格/不合格；另一部分是參數包絡范圍，由歷次測試統計得到，可在線更新包絡，判讀結果輸出為包絡/不包絡。

在數據比對時，首先計算所獲取的某參數所有起始點平值的最大值和最小值；然后，將最大、最小值分別與參數范圍的上限、下限進行比較，若最大值大于上限或最小值小于下限，則判讀數據超差輸出“不合格”判讀結果，否則判讀合格進行后續包絡比較。在包絡比較時，同樣將最大、最小值分別與包絡范圍的上限、下限進行比較，如果最大值大于上限或最小值小于下限，則判讀超包絡由人工確認是否正常；最后，根據參數范圍和包絡范圍的兩類判讀情況輸出綜合判讀結果，主要有“不合格”、“合格/包絡”、“合格/不包絡”3種情況。具體的軟件處理流程如圖6所示。

圖6 數據判讀及包絡分析模塊軟件流程

2.5 數據顯示及報警模塊

數據顯示及報警模塊主要是給用戶顯示遙測參數信息、起始電平和判讀結果，并對超差數據進行報警。同時，可單獨選擇任一參數進行實時曲線顯示，直觀顯示參數變化情況。

設計時，主要顯示四類信息：1)讀取配置數據庫，顯示被測參數信息，包括參數代號、參數范圍、包絡范圍等；2)根據數據提取模塊輸出的被測參數起始電平數組，顯示被測參數起始電平值，在顯示時對于單波道參數直接顯示波道值即可，對于多波道參數顯示所有波道值的范圍，即“最小值～最大值”；3)根據數據判讀及包絡分析模塊輸出的判讀結果，顯示“不合格”或“合格/包絡”或“合格/不包絡”，且在不合格時需電量報警燈；4)根據用戶單選的某一個參數，循環接收遙測數據，實時顯示參數曲線。

2.6 數據庫配置及存儲模塊

數據庫配置模塊主要包含遙測參數波道信息、遙測參數測試信息、基本信息，其中遙測參數波道信息主要包括遙測參數代號、波道(主幀、副幀、占位)；遙測參數測試信息包括被測參數的代號、參數范圍、包絡范圍；基本信息包括測試信息與波道信息的鏈接關系、組播配置(地址、端口號)、幀格式(主幀長、副幀長)。數據庫存儲模塊主要存儲遙測參數起始電平測試結果。

遙測參數波道信息主要供波道處理模塊讀取調用；參數測試信息主要供數據判讀及包絡分析模塊、數據顯示及報警模塊讀取調用；基本信息主要供數據提取模塊調用。具體的調用及處理流程見圖7所示。

圖7 數據庫配置及存儲模塊處理流程

3 軟件實現

遙測參數起始電平自動判讀軟件基于LabVIEW環境和ACCESS數據庫開發而成。LabVIEW是一種用圖標代表文本創建應用程序的圖形化編程語言。傳統文本編程語言是根據語句和指令的先后順序決定程序執行順序，而LabVIEW則采用的數據流編程方式，程序框圖中節點之間的數據流向決定了執行順序。ACCESS數據庫是由微軟發布的關系數據庫管理系統，它具備強大的數據處理、統計分析能力，利用ACCESS的查詢功能，可以方便地進行各類匯總、平均等統計，并可靈活設置統計的條件。LabVIEW中帶有LabSQL工具包，基于配置ODBC數據源的方法訪問數據庫，實現配置讀取和結果寫入[6]。

軟件設計時，主要是結合條件、順序、循環3種結構形式。條件結構主要用于實現不同功能模塊的控制和切換，包括數據讀取、測試、導出、畫圖等，根據功能設置不同的狀態量，“狀態量=1”時進入相應功能模塊，執行結束后恢復為“狀態量=0”進入等待下一次功能切換；順序結構主要用于控制各功能模塊按照流程圖順序執行，采用層疊式順序結構，層與層之間進行數據傳遞，確保順序不混亂、流程不錯亂；循環結構主要是針對多維度信息進行循環分解和測試，采用While和For循環設置循環執行條件來控制程序的反復和啟停。

遙測參數起始電平自動判讀軟件人機交互界面如圖8所示。進入軟件后，選取測試流程，讀取測試信息，一鍵自動測試實現起始電平讀取、判讀、顯示，測試完成后可通過導出結果來實現測試結果文件的存儲。在用戶選取任一參數后，還可進行實時曲線繪制，用于觀察參數變化情況，動態判斷參數正常與否。

圖8 自動判讀軟件界面

4 實驗結果及分析

根據不同型號綜合試驗中應用結果來看，遙測參數起始電平自動判讀軟件實現了一次配置、一鍵測試、全波道覆蓋、全流程推廣的自動判讀模式，規避了傳統人工判讀模式帶來的誤判、漏判問題，在覆蓋性、效率性、通用性方面優勢明顯。

4.1 覆蓋性

遙測參數起始電平自動判讀軟件通過配置參數的全波道信息，實現各參數所有波道值的采集和判讀，規避了傳統方法無法辨識的多波道參數采集異常問題。同時，還增加了實時曲線繪制和包絡分析功能，進一步判斷參數的動態變化并細化判據，以便及時發現隱患。因此，軟件在測試覆蓋性和精細化程度方面效果明顯。

4.2 效率性

以某型號測量系統為例，單發次綜合試驗測試過程中，加電測試約20天，每天至少判讀2次，每次需判讀近900個參數，傳統人工打印判讀模式每次需花費至少15 min。采用起始電平自動判讀軟件后，單次判讀時間縮減約為1 min，效率提升15倍，大幅度減少了綜合試驗判讀時間。

4.3 通用性

軟件在推廣使用過程中，根據不同型號的特點，無需更改代碼，且在普通計算機上即可運行，無需額為硬件支撐。代碼移植后，僅需在配置數據庫中進行相應的更改(參數信息、組播信息、波道信息等)，即可實現遙測參數起始電平自動判讀軟件的跨型號應用。

5 結束語

本文基于LabVIEW和ACCESS開發了運載火箭遙測參數起始電平自動判讀軟件，該軟件具有通用的軟件處理模塊，通過不同數據庫配置來實現多型號推廣使用。經過在多個型號運載火箭電氣系統綜合試驗中的應用，該平臺很好地完成了綜合試驗需求，并且較傳統的測試模式，在測試效率、測試覆蓋性、精細化程度、通用性方面有了較大的突破。