航天器多遙測數據流實時優選設計與實現

儲海洋 何曉宇 宋宏江 吳偉 崔帆

(北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

在支持航天器發射及在軌運行過程中，尤其是在執行重要型號的飛控任務時,一般采用多站接力進行測控保障,在測站測控區域重疊期間,將從多個測站接收到相同的遙測數據流。此外，航天器從自身可靠性設計出發，也會從不同信道下傳多份遙測數據流，如測控信道、數傳信道、中繼信道等，這些通過不同信道下傳的數據表征同樣的狀態，但是其數據格式、下傳的頻率可能各不相同，如果對不同測站、不同信道數據都進行解析、監視和判讀，將耗費大量的計算資源和人力資源，因此很有必要從多個測站采集的多路信道數據中實時選優出一路質量較高的數據流進行處理，作為后續在軌支持系統中遙測解析、監視、判讀的基礎。

文獻[1]以子幀質量元素、時間碼作為判據，通過子幀時間對準、子幀計數統計、子幀質量元素優選等技術實現了基于子幀質量最優的多站遙測數據實時融合方法。文獻[2]在調研了多種數據加權融合方法[3-6]后，提出了多站遙測數據加權融合方法，該方法主要針對解析后的參數值進行加權融合。文獻[7]給出了一種多站遙測數據處理中的數據融合方法，該方法主要用于火箭上升段同一站點多臺設備接收數據時，出現信號受干擾失鎖的數據融合處理。文獻[8]給出了一種多站點組網的實時遙測數據選定技術,對不同站點接收的相同數據幀進行時延對齊后，逐幀進行數據選優輸出。文獻[9]給出了一種多遙測圖像數據流的自動拼接與自動優選技術，該技術主要用于火箭運行狀態監視。文獻[10]從事后拼接的角度出發，通過統一格式、丟幀插補、時差修正、分段擇優、拼接及檢查等方法，將多站接收的遙測數據事后拼接形成了一個遙測數據最完整的文件。

綜上可以發現，對遙測數據流選優的研究，目前多集中于火箭彈道飛行試驗任務數據處理上，主要用于處理多站相同數據的選優和拼接，這些方法可以在航天器多站遙測數據選優時借鑒，但是不適用于不同信道下傳的不同頻率的數據選優，因此不能完全滿足航天器多遙測數據流的選優，鑒于此，本文從航天器下行遙測數據流實時選優的需求出發，尤其是對不同信道下傳的不同頻率遙測數據流的優選需求，設計了一種基于時間片輪轉的多路遙測數據流優選方法，其基本過程是：首先選定時間片周期，然后綜合遙測幀質量、幀連續性、收幀率、權重等因素計算本時間片內各路待選數據流質量，最后經滯環比較并結合手動優選意向選擇出最優結果作為下一個時間片數據優選輸出，該方法計算復雜度低、實時性好，很好的完成了天和核心艙、天舟二號貨運飛船、神舟十二號載人飛船等型號的在軌遙測數據優選任務。

1 多數據流實時優選方法

在飛控任務進行過程中，測站位置差異將帶來測站與航天器之間的距離差異，不同測站接收的數據到達時間可能略有差別，以數據幀為單位進行選優則必須進行時延對齊，導致時間延遲，實時性較差。此外，對航天器下傳的不同信道的數據選優時，由于不同信道的數據格式和速率可能不同，則完全無法采用以數據幀為單位的優選策略，鑒于此，本文采用時間片輪轉的方式，在一個時間間隔內，對本間隔內各路數據流質量進行綜合評價，選擇最優結果作為下一個時間片數據流實時采集處理的依據，時間片大小的選取與各待選數據流的頻率有關，時間片選擇過大,則數據流質量評價周期過長,數據流切換響應不夠及時；若時間片選擇過小，則每個周期內，參與質量評價的數據樣本較少，數據流質量評價不夠全面，可能造成數據頻繁切換，引起頻繁的切換跳變，經驗上，一般可選擇3 s為一個時間片周期。

1.1 數據流質量評價

一個時間片周期T內，數據流X的質量評價因素包括以下因素。

(1)每個數據幀的質量評價，包括幀正確性評價和幀連續性評價。

對當前數據幀F，其質量評價函數τ(F)為

τ(F)=αφ(F)+(1-α)ω(F)

(1)

式中：φ(F)為幀正確性評價函數，可以通過幀校驗和正確與否進行計算，ω(F)為幀F與前一幀數據的連續性評價函數，可以通過幀計數進行計算，φ(F)和ω(F)都是通過幀數據內部計算得出。α為幀正確性評價占幀質量評價的權重，α∈(0,1),通常取α=0.5。

(2)對全部數據幀的綜合評價。

對全部數據幀質量進行綜合評價，應為當前和以前所有幀質量的迭代加權函數，即

σF(X)=ρ(F)σF-1(X)+(1-ρ(F))τ(F)

(2)

式中：σF-1(X)表示數據流X到上一幀時的整體質量評價，1-ρ(F)為當前數據幀的質量權重，逐漸逼近1-β，隨著幀數量的增加，ρ(F)從0逐漸增加，趨近于β，為過往幀的質量評價占總體質量評價的權重，即

(3)

式中：β∈(0,1),通常取β=0.8。

(3)周期內數據收幀評價。

周期內數據流X的收幀率為

(4)

式中：C(X)為本周期內收到的數據幀計數，K(X)為本周期內應收到的數據幀計數。本周期內應收到的幀計數計算方法為

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

(5)

式中：Tend表示本周期結束時間，T(X)表示本周期內數據流X的出現時間，f(X)為數據流X的頻率。在這種計算方法里，對于本周期內消失的數據流，其應收幀數是按照整個周期計算的，顯然高于實收幀數，收幀率低，數據流質量評價差；而對于本周期內出現的數據流，其應收幀數是按照數據出現時間到周期結束計算的，收幀率計算不受影響，能夠很好的適應測站進出時的優選需求。

綜合以上因素，一個時間片T內，數據流X的質量評價函數為

μ(X)=π(X)ε(X)σ(X)

(6)

式中：π(X)為該路數據流的權重，可通過測站權重、信道權重、數據類型權重綜合計算得出。

1.2 數據流自動選優

利用1.1節中的數據流質量評價函數，進行數據流優選，理論上說，應該始終選擇數據質量更高的數據流，但是當數據流質量接近時，數據流頻繁切換容易帶來由數據流間時差造成的數據擾動，引起系統不穩定，因此引入滯環比較進行數據優選。當前時間周期T的數據優選函數為

(7)

式中：θ(T)表示時間片T的優選結果，μ(X)表示數據流X的質量評價，maxμ(X)為本周期內各路待選數據流中的最優值，θ(T-1)為上一個時間周期的優選結果，γ為滯環門限，γ∈(0,1),通常取γ=0.1。

數據優選過程如圖1所示，在完成數據接收后，對數據按照信源、類型等進行分類，對分類后的每路數據流進行質量評價，取最優數據流的質量評價值和上次選擇的數據流質量評價值進行滯環比較，若小于比較閾值，則延續上個周期的選擇，否則選擇最優數據流。

圖1 多遙測數據流自動優選算法過程Fig.1 Algorithm flow of the real-time selection for multi-channel telemetry data

1.3 與手動優選相結合

引入數據流手動優選后，數據優選策略轉換為接收到數據之后，首先對數據進行分類，并對各數據流數據質量進行計算，然后檢查是否設置了手動優選意向，若設置了手動優選意向，且手動優選數據流有數據，則按照手動優選意向進行下周期的數據流采樣處理，若未設置手動優選意向或者手動優先意向無數據，則進行自動優選的選擇，下個周期輸出自動優選數據流數據，總體上，數據優選過程如圖2所示。

2 工程實現

航天器在軌支持系統中，數據優選是系統后續處理的基礎，處于系統與測站數據的接口環節，整個系統中下行數據處理部分結構示意如圖3所示。

圖3 多遙測數據流優選系統結構圖Fig.3 Architecture of the selection system for multi-channel telemetry data

下行數據處理過程如下。

(1)各測站數據統一發送到試驗任務網中。

(2)在軌支持系統的數據優選模塊統一接收各數據流源數據，按照數據中的信源和信道標識，首先對數據進行分類，形成待優選的數據流標識，比如數據流源1的測控遙測數據、數據流源2中繼遙測數據。當有多路數據需要優選時，進行數據流質量評價和選優，擇優選擇一路數據發送到在軌支持系統的消息總線上。

(3)在軌支持系統對優選后的數據進行解析、監視、存儲、查詢等。

在數據優選部分，考慮人機交互，可靠性等一系列因素，在工程實現上其功能需求如下。

(1)能夠按照優選算法，自動優選一路數據輸出。

(2)能夠查看當前的備選數據流和當前的優選數據流，監控系統運行狀態。

(3)可以人工干預，即支持手動優選和清除。

依據上述需求，程序結構如圖3所示，數據優選作為后臺服務的一部分，不宜直接具備人機交互功能，因此外掛一個WEB服務進行自動優選的監控，其從共享內存中獲取設計師的手動優選意向，同時將運行狀態即本周期的最終優選結果和備選數據流列表寫入共享內存。

WEB服務器從共享內存中讀取運行狀態信息傳遞給WEB瀏覽器，同時將設計師手動優選意向寫入共享內存。通過共享內存完成數據優選模塊與WEB服務之間的數據交換。

設計師通過瀏覽器查看數據優選模塊的當前運行狀態，必要時，進行數據流的手動優選設置與清除。

將上述實現用于空間站任務時的遙測數據優選,包括天和核心艙、天舟二號貨運飛船、神舟十二號載人飛船，每個任務都有多個類型的數據需要優選，截至目前，在空間站支持中心的應用中，優選方法運行良好。以天舟二號貨運飛船工程遙測數據優選為例，其需要從多個測站中接收到的多種類型數據中優選一路輸出，根據式(6)優選計算時，USB遙測優選，其權重設置1，中繼代傳數據與USB遙測頻率不同,其數據權重設置為0.95，幀質量評價中參數α和β，分別取0.5和0.8，優選的滯環閾值γ取0.1，數據流質量評價結果在0到1之間，數據越大質量越好。其發射入軌時數據優選情況如圖4所示，圖4中有關數據優選的關鍵事件及數據見表1。

圖4 天舟二號發射入軌時工程遙測優選情況Fig.4 Engineering telemetry data selection for launch of tianzhou-2

表1 天舟二號發射入軌工程遙測優選關鍵數據Table 1 Key data in engineering telemetry data selection for launch of Tianzhou-2

數據優選過程如下。

(1)20:55:50，三亞站USB數據流出現，并自動成為優選數據流。

(2)20:56:47，西沙站USB數據流出現，加入優選隊列。

(3)20:57:53，數據流質量出現較大波動，西沙站USB數據流替代成為優選數據流。

(4)21:00:38，遠望六號USB數據流出現，加入優選隊列。

(5)21:03:29，天鏈二號01星代傳數據流出現，加入優選隊列。

(6)21:03:32，天鏈一號04星代傳數據流出現，加入優選隊列。

(7)21:03:53，三亞站USB數據流消失，退出優選隊列，數據流消失時，質量評價結果較低，而數據流出現時，質量評價結果不受影響，與適應測控出入站的丟幀率評價設計相符。

(8)21:04:23，西沙站USB數據流消失，遠望六號USB數據流替代成為優選數據流。

(9)21:09:11，遠望六號USB數據流消失，天鏈二號01星代傳數據流替代成為優選數據流。

(10)21:11:41, 天鏈二號01星代傳數據流消失，天鏈一號04星代傳數據流替代成為優選數據流。

(11)21:11:41, 天鏈一號04星代傳數據流消失，工程遙測出測控弧段。

3 結束語

本文分析了航天器在軌支持過程中，數據流優選的工程需求，基于數據流質量評價，提出了一種按時間片輪轉的數據優選算法，并進行了工程實現，實踐結果表明：該方法計算復雜度低、實時性好，具備自動優選和手動優選能力，在空間站“天和”核心艙、“天舟”貨運飛船、“神舟”載人飛船等型號的發射任務保障中，表現良好。該方法通過數據流質量評價函數設計，屏蔽了類型和頻率的差異，實現了不同類型、不同頻率數據流的統一優選，具有一定的普適性，可以在其他類型航天器的數據優選中使用。但應注意根據具體的任務需求和待選數據流特點，選擇合適的算法參數，比如時間片大小，不同數據流的權重等，這對數據優選結果有較大影響。下一步也將在時間片選取等算法參數調優上開展工作，以進一步提高數據優選質量。