測控設備狀態分析輔助決策系統的設計與實現

李林峰，周 宇，尹志鋒，周 淦，杜 兵

(中國電子信息產業集團有限公司第六研究所，北京102209)

0 引言

航天系統是一項龐大而復雜的工程，包括測發、測控、通信、氣象、技術勤務等分系統[1]，其中航天測控系統分為外彈道測量分系統、遙測分系統、遙控分系統、實時數據處理分系統、監視顯示分系統、安控系統、引導分系統、事后處理分系統等[2]，航天測控技術是指對航天飛行目標進行跟蹤測量和控制的綜合技術[3]。航天測控的誕生已逾半個世紀，在航天工程的牽引和電子信息技術的推動下獲得了長足的發展[4]。

我國航天測控網由發射和測控中心、若干陸地固定和機動測控站及航天測量船組成，測控中心和測控站通過通信網構成一個綜合體，以完成測控功能[5-6]。測控設備作為測控系統的重要組成部分，包括彈道測量設備、遙測設備、遙控設備等，彈道測量設備又包括光學設備、無線電外測設備等[7-8]，測控設備的工作狀態對測控任務的成功執行具有重要意義。

1 背景

隨著航天試驗場區安全系統的建立，作為測控系統核心的測控計算機與監視顯示系統也經歷了不同的發展階段[9]。過去，測控站使用的是基于Windows操作系統、VC++集成開發環境、MFC類庫實現的一體化監控系統軟件[10]，該軟件系統實現了實時數據采集、數據傳輸、信息顯示等功能。但是，測控設備在任務執行的過程中，可能會出現數據時延超限、時延抖動大、目標丟失、副瓣跟蹤、天線抖動、光學設備逆光等問題，以副瓣跟蹤為例，測控雷達在對飛行目標進行跟蹤測量中，當天線處于主瓣跟蹤狀態時，天線隨動于目標并能準確地跟蹤測量飛行目標，達到測控目的[11]。但是，由于天線的副瓣也存在著若干個收斂跟蹤點，因此當天線電軸未對準目標時，強信號時副瓣也可能捕獲目標，造成自跟蹤的假象，此時，外測數據方位角、俯仰角就不能代表目標的實際位置，便產生副瓣跟蹤[12]。目前使用的軟件系統對各測控設備上報的原始測量信息進行解析處理后，直接推送至顯示終端進行顯示，缺少對各類測控數據的分析、處理，各級測控指揮員、專業崗位人員只能憑借自己的經驗，結合各類原始測量數據，判斷測控設備是否工作正常，影響了測控任務的高效順利進行。

測控設備狀態分析輔助決策相關技術通過對測控設備上報的各類數據進行綜合分析、處理，分析設備跟蹤目標飛行器的實時性、準確性、穩定性、有效性，形成相關的輔助決策結論，為測控指揮員和各級崗位人員提供高效、直觀的決策信息。

近些年來，軟件插件集成技術已經得到了深入廣泛的研究并日趨完善成熟[13]，用戶可以將不同的分析組件、顯示組件進行組合使用，提高開發效率，方便軟件后續各項功能的擴展[14-15]。本設計采用“主框架+組件”的軟件架構形式，將測控設備狀態分析輔助決策技術應用于實際工程中。

2 測控設備狀態分析輔助決策技術

測控設備在執行任務的過程中，需要重點對設備跟蹤目標的實時性、準確性、穩定性、有效性等因素進行分析評判，對不同類型的測控設備作出相應的狀態分析與決策。測控設備狀態分析要素如圖1所示。

圖1 測控設備狀態分析要素

2.1 實時性分析

數據接收時延的計算方法如下：

其中Trecv為數據包接收時間，Tdata為數據時間，均為絕對時間。設ZQ代表設備測量數據幀頻。

分析規則如下：

(1)如ΔT＜ZQ，則表示數據接收時延在正常范圍；

(2)如ZQ≤ΔT＜5ZQ，則給出告警，提示數據時延過大；

(3)如ΔT≥5ZQ，則以顯著的方式給出異常提示。

數據接收時延抖動量可通過最小二乘擬合殘差法計算得到，具體過程如下：

(1)連續取相鄰的11個數據時延值αj-10+1，…，αj-1，αj，不要求數據嚴格延續，但需等間隔；

(2)計算第j個測量數據時延值估值：

其中，B=(DTD)-1DTY，t=20(T-T0)。

矩陣中ti(i=0，1，…，n)的計算方法為ti=ZQ(Ti-T0)。

(3)計算時延抖動量為：

判決規則如下：

(1)如α≤ZQ/10，則表示時延抖動量小，正常；

(2)如ZQ/10＜α≤ZQ/5，則 表 示 數 據 時 延 抖 動較大，給出告警；

(3)如α＞ZQ/5，且連續出現3幀以上，則以顯著的方式給出異常提示。

2.2 準確性分析

綜合分析設備實時角度與數引角度、程引角度的偏差，能夠評判測控設備跟蹤飛行目標的準確性。其中，數引角度表示目標實際位置反算至測站系下的方位角、俯仰角；程引角度代表目標理論位置反算至測站系下的方位角、俯仰角；實時角度代表設備天線的實時方位角、實時俯仰角。在計算偏差的過程中，由于實時角度、數引角度、程引角度三者在時間上不能保證一致對齊，因此引入“三元一點不等間隔插值法”，將歷史最近3個時間點的數引角度、程引角度統一外推至實時角度對應的時間點，再進行做差比較。

判斷設備跟蹤目標準確性的流程如圖2所示。

圖2 設備跟蹤目標準確性判斷流程圖

2.3 穩定性分析

通過分析、計算各測元信息的隨機誤差、測量殘差等信息，綜合判斷設備天線在跟蹤過程中有無抖動，測量信息是否平滑穩定。

具體計算方法如下：

對任一變量A的測量序列，用變量差分法求出其隨機誤差σA，公式如下：

取差分階數p=3，步長t=4，點數n=60，則：

當積累點大于13時，開始累加Δ3Ai，然后始終保持13個最新數據點，每新增1個點，對i加1，當i=60時，得到σA。

設σ(α)是測元α的隨機誤差精度指標，則判決規則如下：

(1)如σA≤σ(α)，則表示數據隨機誤差正常，設備跟蹤情況良好；

(2)如σ(α)＜σA＜3σ(α)，則給出告警，數據隨機誤差超限，需做好應急準備；

(3)如σA≥3σ(α)，在非過頂弧段(俯仰角大于75°)，且連續保持3幀以上，則以顯著的方式進行異常提示。

設備測量信息的測量殘差計算，可以通過式(6)計算得到：

設θ是測元的隨機誤差精度指標，則判決規則如下：

(1)如Δφ≤2θ，則是正常范圍；

(2)如2θ＜Δφ＜5θ，則給出告警，數據殘差大；

(3)如Δφ≥5θ，則以顯著的方式進行異常提示。

2.4 有效性分析

設備對飛行目標跟蹤測量的有效性取決于以下因素：跟蹤模式采用自跟蹤或目標隨動的方式；目標跟蹤處于鎖定狀態；跟蹤過程未發生副瓣跟蹤、過頂跟蹤；對于能夠識別多目標的雷達設備，其對主目標的識別正確；對于需要采集實時圖像的光學設備，設備的實時-太陽夾角滿足拍攝條件等。

(1)副瓣跟蹤判決

當設備的實時-數引角度偏差超過閾值范圍，且穩定在某個相對固定的值附近時，則表示有可能發生了副瓣跟蹤，此時需綜合考慮設備的誤差電壓、接收機電平、信噪比等因素，判斷設備對目標的跟蹤情況。

方位誤差電壓Ua與俯仰誤差電壓Ue驅動著雷達伺服機構不斷追趕目標，實現對目標的自跟蹤，在雷達正常跟蹤目標的過程中，Ua與Ue始終向0 V進行收斂。如果雷達在執行自跟蹤的過程中，Ua與Ue持續維持在一個較大電壓值下，則代表可能發生了副瓣跟蹤；接收機電平、信噪比表征雷達接收機接收信號的強弱，通過對歷史同型號任務接收機電平/信噪比的趨勢分析，實時比對分析設備當前電平/信噪比是否處于正常范圍內，如果出現持續低于正常范圍的電平信號，則代表可能發生了副瓣跟蹤。

(2)過頂跟蹤判決

一般當設備的俯仰角度大于75°時，會發生過頂跟蹤現象，過頂跟蹤時，設備的天線角速度往往比較大，有時會超過設備天線角速度的設計上限，且天線在跟蹤過程中易發生抖動，影響測量數據質量。

在設備跟蹤目標的過程中，實時采集、計算設備的天線角速度。當方位角速度VA或俯仰角速度VE超過閾值要求時，或者天線的俯仰角大于某一設定值(如75°)時，給出相應的提示信息。

(3)主目標識別

一些測控雷達具備同時跟蹤多個目標的能力，當雷達同時捕獲/鎖定多個飛行目標時，需要判斷其識別主目標的正確性。通過分析各目標的實時-數引角度偏差、雷達散射截面積RCS值、AGC電平值、目標速度趨勢等信息，綜合判斷設備對主目標的識別是否正確。

(4)光學設備實時-太陽夾角判斷

設備天線實時角度與太陽之間的夾角的計算流程如圖3所示。

圖3 設備實時-太陽夾角計算流程圖

其中，太陽俯仰角度計算公式如下：

太陽方位角度計算公式如下：

設備天線角度與太陽夾角的計算公式如下：

上述公式中，latitudeArc表示將測控設備站址緯度轉換為弧度后的值；dTimeAngle是根據年/月/日/時/分/秒時間信息、設備所處時區信息等計算得到的角度差中間變量；ED表示將儒略歷日期轉換后得到的視差中間變量；A/E表示設備實時方位角/俯仰角。

當光學設備與太陽的實時夾角AeAngle位于±15°范圍內時，及時向決策層提供提示信息，報告光學設備的逆光情況，該條件已不利于光學設備對目標進行拍攝。

3 系統軟件設計及實現

測控設備狀態分析輔助決策系統的軟件架構設計如圖4所示。系統由匯集分發與處理軟件、指揮決策顯示軟件、數據存儲與管理軟件、數據快速分析軟件等配置項組成，與本系統相關的外部系統包括遙測、外測、安控等測控設備以及達夢數據庫、原碼數據文件、分析報告等。本系統基于64位銀河麒麟4.0.2版本操作系統進行開發，對實時性能要求較高的軟件采用C++語言(IDE基于Qt5.12.5)進行開發；事后分析軟件采用B/S架構進行實現，后端分析算法采用Java語言進行開發。

圖4 系統軟件設計架構圖

匯集分發與處理軟件做為整個系統的入口，負責接收各類測控設備(包括遙測設備、外測設備、安控設備等)上報的原始測量數據信息，并對接收到的各類數據信息進行預處理校驗，通過合法性校驗的數據被轉發至內部系統的指揮決策顯示軟件以及數據存儲與管理軟件。同時，軟件按照數據發送源、數據平面(一平面數據/二平面數據)、數據正確性(正確數據/錯誤數據/所有數據)等分類標準，將所有接收到的原始數據存儲至指定的原碼文件，方便任務結束后查看原始數據以及數據的回放復盤。匯集分發與處理軟件以A/B機雙活熱備的方式進行工作，A、B機同時接收來自測控設備兩個平面發送的測量數據，但只有主機向內部系統轉發數據，且只轉發其中一個平面的數據。部署于A、B機的雙活熱備監視進程為常駐進程，通過互相發送心跳信息的方式實時監控本機與伴機的軟件狀態，實現A、B機之間的無縫主備切換。匯集分發與處理軟件的工作原理與部署示意圖如圖5所示。

圖5 匯集分發與處理軟件工作原理圖

指揮決策顯示軟件由主框架、數據接收解析組件、若干個狀態分析組件、若干個顯示組件等組成。主框架負責初始化加載數據解析組件、各狀態分析組件以及各顯示組件，調度各個組件之間的信息傳遞，實現從數據接收到解析處理、分析決策，直至最后前端展示呈現的功能；數據解析組件負責監聽、接收匯集分發與處理軟件轉發的測控設備原始測量數據信息，并按照信息約定格式對各類數據進行解析，將繁雜多樣的數據格式進行歸一化整理，形成格式相對統一的主題數據，分發至各狀態分析組件和顯示組件；狀態分析組件負責對各類測控設備的運行狀態進行實時分析，各狀態分析組件從數據解析組件獲得統一格式的主題數據后，對測控設備的各類測量數據進行實時性、準確性、穩定性、有效性分析，并將分析結果和決策信息制作成格式統一的主題數據，分發至各顯示組件；系統使用的顯示組件主要包括曲線組件、表格組件、二維GIS組件、設備狀態顯示組件等，顯示組件在收到數據解析組件和狀態分析組件分發的主題數據后，按照顯示組件的具體配置及顯示功能，對各類原始測量數據、狀態分析結果、輔助決策信息等進行顯示，以直觀的方式向測控指揮員和各級崗位人員提供有價值的決策信息，對于出現的異常信息，能夠在軟件主界面以顯著的方式進行顯示，并給出相應的提示信息。

數據存儲與管理軟件在接收到匯集分發與處理軟件轉發的原始測量數據信息后，對數據進行解析處理，并將測量數據信息存儲至國產達夢數據庫。

數據快速分析軟件負責在任務結束后，從數據庫中加載任務歷史數據，按照測控設備狀態分析輔助決策技術，對已經結束的測控任務進行綜合分析，并自動生成電子版評定分析報告。報告內容既包括圖表、曲線等直觀的呈現數據，又包括相應的文字性結論，幫助測控系統工程師、各級指揮人員在任務結束后第一時間了解、掌握設備的任務完成情況。

4 工程應用

系統在實際測控任務中運行時，匯集分發與處理軟件的丟包率小于10-7，主備機的切換時延小于100 ms，且主備切換時，同類型數據的丟幀數小于2。

指揮決策顯示軟件顯示內容準確直觀，分析結果客觀可靠，無錯判、漏判問題。例如，當設備處于過頂段時，天線抖動明顯，與數引、程引角度偏差較大且天線角速度較大，指揮決策顯示軟件能夠在相關的顯示組件顯著標識測元信息隨機誤差、角度偏差、天線角速度超限的段落，并按照異常類型的不同，在異常信息顯示區域做出分類提示。

任務結束后，數據快速分析軟件能夠正確形成分析結果，并且在1 min內快速、自動生成電子版分析評定報告。

因此，本系統能夠服務應用于實際的測控任務，保障測控任務的高效、順利進行。

5 結論

本文基于各類測控設備的不同特性，設計了一套分析、評定測控設備任務執行狀態的系統，并通過“主框架+組件”的形式實現了相應的軟件系統。通過該系統，測控指揮員及各級崗位人員能夠第一時間了解測控設備的任務執行狀態，直觀掌握測控設備對目標執行跟蹤任務的各項指標是否正常，及時對測控任務中出現的各類告警信息、異常信息進行處置，有效提高了測控任務的指揮效率。