CN102323941B - 一种遥测数据处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种遥测数据处理方法，属于卫星遥测遥控技术领域。包括：对卫星下传数据的原码进行预处理的步骤；将预处理后形成的格式形成队列并进行管理的步骤和对格式队列中的数据帧进行提取步骤。采用本发明可以实现对多航天器遥测数据中不同格式原码的统一处理。

Description

一种遥测数据处理方法

技术领域

本发明属于卫星遥测遥控技术领域，涉及一种遥测数据处理方法。 

背景技术

为了了解卫星在轨运行状态，需要对卫星下传的遥测原码数据进行处理，解算出其中的遥测参数的工程值，如温度、电流、电压等。航天器遥测原码数据处理的基本步骤，以计算星上某个温度量遥测参数值PT为例，首先需要根据特定航天器遥测原码数据的编码方式，从原码中规定位置提取出该参数的对应字节数据(称为原码寻址)，然后将所得数据带入PT的专用计算公式，经过运算从而获得最终以℃为计量单位的温度数值(称为工程值数据)。 

卫星遥测原码数据体制主要有PCM遥测(主副帧格式、浮动组合格式)和分包遥测格式两类，但是具体到每一颗卫星又各不相同。当前尚无统一的原码寻址方法，现有的各种解决方案均是开发专有的遥测处理程序，用于处理特定的卫星或者一系列相似卫星的原码数据。在这类解决方案中，专有处理程序同时包含了原码寻址和原码处理不可分离的两个部分，软件的开发工作量很大。尤其是面对当今卫星数量越来越多，遥测参数量越来越大，处理方法越来越复杂的发展趋势，势必需要研究多星遥测数据统一处理的方法，实现对不同卫星统一进行原码寻址和原码处理，从而减少程序开发，维护工作所需的巨大工作量。 

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种遥测数据处理方法。采用本发明可以实现对多航天器遥测数据中不同格式原码的统一处理。 

本发明的技术解决方案是： 

本发明能够适应现有不同卫星的原码数据编码格式，将原码寻址环节中的相同和不同的部分进行分离，复用其中的相同处理逻辑，隔离不同部分，减少 了对每颗卫星原码数据分析和寻址的工作量，同时统一了原码处理环节的数据入口，从而解决多星遥测数据统一处理中的这个核心问题。技术解决方案如下： 

包括对卫星下传数据原码进行预处理的步骤、根据原码预处理步骤得到的格式进行格式队列管理的步骤和对格式队列中数据帧进行提取的步骤，其中 

(1)所述原码预处理步骤为： 

按卫星下传数据的原码发送顺序和排列定义，提取下传数据，将原码中同类数据帧归为一个n×m个数据字节的格式；所述格式由在下传数据中的数据帧按时间先后顺序进行排列后的数据帧组成，其中，n为格式中的数据帧序号；m为数据帧中字节序号； 

(2)所述格式队列管理步骤为： 

将经原码预处理得到的格式按照时间顺序形成先入先出的队列，所述队列具有分别指向队列头部指针qHead、指向队列尾部qTail和指向当前队列处理位置的指针qPrcs； 

当向一个格式中需添加新到来的数据帧时，按数据帧大小分配存储空间，若存储空间分配成功，则将新到来的数据帧添加于队列头部，并将队列头部qHead指针移动至队列中新添加的数据帧；否则，等待数据帧提取线程释放存储空间后，对新到来的数据帧进行存储； 

(3)所述数据帧进行提取步骤为： 

(31)计算机获取qPrcs指向的数据帧；提取数据帧中用于计算遥测参数的字节段，转入步骤(32)； 

(32)提取完成后比较qPrcs和qHead在队列中的指向位置： 

若qPrcs和qHead指向相同的队列位置，则等待并直到qPrcs和qHead指向队列中的不同位置；若qPrcs和qHead指向不同的队列位置，则将qPrcs移向下一个待处理数据帧，转入步骤(33)； 

(33)若qPrcs指向的待处理数据帧与处理完成的数据帧属于相同的格式，则返回步骤(31)； 

若qPrcs指向的待处理数据帧与处理完成的数据帧属于不同的格式，则将 qTail指向qPrcs相同的位置并返回步骤(31)。 

在所述数据帧进行提取步骤的步骤(31)中提取数据帧中的字节段时， 

根据计算遥测参数的所需的一个或多个原码块，确定在同一个格式的不同数据帧中与所述原码相对应的一个或多个所需的字节段； 

根据确定的一个或多个字节段，获得提取最后一个所需字节段时，qPrcs指向的队列位置；当qPrcs指向所需的最后一个字节段并完成对字节段的提取后，对遥测参数开始计算。 

本发明与现有技术相比具有如下优点： 

(1)本发明充分适应现有不同卫星的原码数据编码格式，根据卫星原码数据的编码格式和传输顺序，经预处理分解形成统一形式的原码数据格式，在此基础上实现了对原码数据的统一处理。 

(2)利用先入先出处理队列的结构，采用了双线程模式即格式队列管理和数据帧提取两个步骤处理队列数据，能够适应现代计算机多核处理体系结构，从而提高了整体计算效率。 

(3)设计了优化的遥测参数原码提取和处理顺序算法，利用该算法可以确保任意参数的原码数据一旦准备完毕可以立即提取原码数据，从而保障了计算的及时性；与此同时，遥测参数的有序处理能够支持后期对处理结果进行并行计算，从而进一步提高整体遥测处理的效率。 

附图说明

图1为预处理过程示意图； 

图2为原码数据组数据示意图； 

图3为原码块的实例图； 

图4为遥测参数与虚参数的关系示意图； 

图5为原码流队列的数据结构图； 

图6为数据入队出队处理流程图； 

图7为提取原码线程处理流程图。 

具体实施方式

1、原码计算要素 

一个抽象的原码计算公式如下所示： 

Vp＝f(Coef，Raw，AssoVp) 

上式中包含了原码计算的全部5个要素，其中： 

(1)Vp表示某个遥测参数一次计算的结果； 

(2)f()表示针对某个Vp事先确定的计算方法，如线性计算公式，温度计算公式等； 

(3)Coef表示公式系数，同样针对某个具体的参数事先确定的； 

(4)Raw表示原码，针对某个Vp，随着卫星遥测原码数据帧的不断下传，Raw在计算过程中会不断地随时间发生变化，由此导致Vp不同，属于时变参数； 

(5)AssoVp表示关联参数值，表示遥测参数Vp是根据其它参数的计算结果AssoVp计算得来，由递归的方式计算生成。 

由上可见，遥测原码的计算过程主要围绕上述五个要素开展。原码Raw在参数计算过程中需要随着数据下传连续提取。 

2、原码预处理 

为了实现对不同帧格式的原码寻址，首先需要将卫星下传数据的原码进行预处理。预处理是按卫星下传数据的原码发送顺序和排列定义，对下传数据原码中的数据帧进行排序的过程。 

在本方法中，利用原码预处理操作将不同卫星的不同原码格式进行归一化转换。针对不同的卫星格式，预处理操作需按卫星平台分别开展，进而可以将不同卫星原码处理中的相异部分隔离开。经预处理后产生一个格式(原码数据组RawGroup的数据结构)，再针对原码数据组RawGroup进行统一处理。预处理过程如图1所示： 

在预处理生成的原码数据组RawGroup中，横向为路Line，代表原码数据组RawGroup中每个字节的位置；纵向为帧Frame，代表原码数据组RawGroup中接收到的每个帧的序号。路和帧的起始序号均为0，每一次完整帧循环组成 一个“格式Formation”。如图2所示。 

所有的航天器遥测原码数据均可预处理成1个以上的格式，其中每一个格式具有如下数据特征： 

(1)由n×m个数据字节(Byte)组成，对一个特定的格式，n和m即所述的帧号和路号，帧号即格式中的数据帧序号；路号即为数据帧中字节序号； 

(2)格式中的每一个字节的含义是固定的，不存在浮动格式，即在每一数据帧的一路字节或多路组成的字节段均代表计算固定遥测参数的原码； 

(3)在传输过程中，格式的每一帧总是具有特定的时间标记TS(时标TimeStamp)，而且时标是累加的，即TS_Frame(n)≥TS_Frame(n-1)。 

(4)格式中帧计数总是累加的，相邻帧计数相差为1。而且存在只有1帧或者1路的格式。 

2.1原码数据块 

为了能够寻址提取特定参数的原码数值，在格式定义的基础上，本方法进一步定义原码数据块RawBlock(简称原码块)。原码块是格式中一段连续的字节段，这些字节段在一个数据帧中由同一个时标和连续的路号确定。由此一个原码块具有如下的数据特征： 

(1)一个原码块不能跨越多个数据帧； 

(2)原码块的字节段是连续的； 

(3)原码块能够由帧号fc，起始路号ln和块长度len完全定义。 

RawBlock＝(fc，ln，lcn) 

如图3所示是3个原码块的实例图。RB1、RB2、RB3分别表示为： 

RB1＝(2，3，4) 

RB2＝(2，9，5) 

RB3＝(3，10，4) 

本方法支持一个遥测参数使用多个原码块，由此可定义原码块集RawBlockSet，原码块集是一组有序的原码块的集合。即 

RawBlockSet＝{RawBlock_i|i＝0，1，2...，n} 

2.2遥测参数与虚参数 

引入原码块集的概念之后，遥测计算公式可以衍化为： 

Vp＝f(Coef，RawBlockSet) 

其中，原码块集为动态提取原码数据提供了所需信息，为了满足实际遥测参数的处理情况，还要考虑以快帧遥测为主的大量遥测参数。这类遥测参数的原码在一个格式中多次传输，需要进行1次以上的计算过程，而且每次计算结果都是该遥测参数的输出。由此进一步引入虚参数的概念，来简化该处理过程。 

虚参数VirtualParam(简写为Vp)表示在一个格式中的一次计算结果，遥测参数TeleParam(简写为Tp)由1个或多个虚参数组合而成，每一个虚参数均代表遥测参数的一次计算。从用户的角度看，遥测参数具有特定的物理含义。如图4所示。 

3格式队列管理与数据帧提取 

3.1确定原码块集提取顺序 

利用前面的数据结构设计，为遥测参数提取原码数据的工作可以简化为从原码数据组中提取虚参数原码块集的过程。下面在此基础上再做进一步的优化。 

考虑一个Vp对应的原码块集RawBlockSet， 

RawBlockSet＝{RawBlock_i|i＝0，1，2，...，n} 

RawBlockSet＝{(fc_i，ln_i，len_i)|i＝0，1，2，...，n} 

因为原码格式的数据是按0～(n-1)帧的顺序依次传入的，为了实现遥测参数处理的及时性，对于虚参数的计算不能等到整个格式准备完整后再开始，而是越快越好，因此对于一个Vp，当帧计数为Fc_max的原码到来后，可启动计算。Fc_max的计算方法为： 

${\mathrm{Fc}}_{\max }=\underset{i=\mathrm{0,1},2,...,n}{\max }\left({\mathrm{fc}}_i\right)$

根据该式可以计算出全部虚参数的Fc_max，并利用Fc_max与原码数据组中的帧进行映射，由此可以获得该原码数据组中的虚参数处理序列表。 

$({(\mathrm{Vpa},\mathrm{Vpb},\mathrm{Vpc},...,\mathrm{Vpx})}_{{\mathrm{Fc}}_{\max }=1},{(\mathrm{Vpl},\mathrm{Vpm},\mathrm{Vpn},...,\mathrm{Vpy})}_{{\mathrm{Fc}}_{\max }=2},...,{(\mathrm{Vpo},\mathrm{Vpp},\mathrm{Vpq},...,\mathrm{Vpz})}_{{\mathrm{Fc}}_{\max }=n-1})$

利用该序列表就可以确定按帧进行原码块集的提取处理顺序，所述的虚参数即由数据帧中的字节段所代表的原码。 

3.2格式队列 

为了便于计算机对原码进行按帧寻址和提取，本发明采用队列的形式实现了对帧序列的处理。 

如图5所示，以纵向的矩形表示先进先出(FIFO)的队列，在队列中，帧为最小的存储单元。在不考虑帧数据缺失或重复的情况下，利用帧时标排序方法可以使得图中位于左边的帧，其时标总是大于右边的帧(即左边的数据帧较右边的数据帧更新)，因此可以将所有相邻的帧数据凑成一个完整的格式，每个格式的帧计数都是从0开始循环出现。 

在队列中使用了如下表1所示的3个指针，指针用于标记特定的原码数据帧的位置，通过指针和标记，以及原码块的起始路号ln和块长度len，可以计算出特定原码块的位置，实现对格式里数据帧字节段的提取。 

表1原码流队列使用的指针 

围绕原码流队列数据结构，本方法设计了两个工作流程(若用计算机实现则称为线程)，其中一个线程用于更新外部接收原码数据流队列，另一个用于从新的数据流队列中拣选出参数的原码数据块。两个线程共同作用于原码流队列，形成了一种生产者/消费者模式，从而实现了原码寻址与提取过程，具体方法如下。 

3.3格式队列管理 

该线程负责将最新接收的帧插入队列中(图5最左边)，同时将已处理完毕的帧按整格式进行销毁。该线程的处理流程如下图6所示。 

如图6所示是格式队列管理的处理流程，该流程遵守原码流队列数据结构的特点，将获得的新的原码数据，按帧从图5左边依次插入队列中；同时将使用完毕的原码数据按格式进行销毁。该线程自启动之后以守护线程的形式存在，循环执行，直到数据终止。处理步骤如下： 

1流程开始运行，初始化各种相关参数，开辟一段原码流队列的连续存储空间。 

2当获取到原码流队列中新到来的数据帧时，对数据帧进行正确性检查(例如CRC校验)。 

3为数据帧申请存储空间，新申请的存储空间位于qHead所指向的位置左边，即队列的头部。 

4若为新数据帧申请存储空间失败，则说明现有的存储空间资源不足，需要销毁已经被处理完毕的数据帧所使用的存储空间；销毁方法为，按整格式销毁qTail与队列尾部之间的数据帧所占存储空间(qTail始终处于正在处理中的格式，因此，qTail与队列尾部之间的数据帧为一个已经完全处理完后的格式)。若销毁失败，则线程需要停在此处，并反复尝试，直到qTail与队列尾部之间有可供销毁的数据空间。(因为随着原码提取线程的不断处理，qPrcs会逐渐向qHead方向移动)。销毁成功之后，将qTail重新指向最旧的一帧数据。 

5为新到来的数据帧申请存储空间成功后，将数据帧插入队列，按字节将新数据帧复制到申请的存储空间中。 

6将qHead向左移动，指向队列中新的头部位置，将qHead指针的值设为新原码帧的数据空间地址，指明当前位置是队列的头部。 

3.4数据帧提取 

该线程根据当前数据帧指针qPrcs所指向的位置，对队列中的数据帧进行提取，完成一帧数据的提取后，将指针qPrcs向新的数据帧方向移动。处理流程如图7所示。 

与格式队列管理流程的设计机制相同，该线程自启动之后也是以守护线程的形式存在，循环执行；该线程本身没有设计退出机制，而是随着系统退出而 被操作系统销毁。处理步骤如下： 

1流程开始运行，准备虚参数处理序列表和各虚参数的原码块集。 

2获取qPrcs帧计数，根据帧计数的位置信息(事先准备)，取得数据帧中由帧计数i确定的字节段。 

3取得待计算遥测参数的所需的关联参数序列：根据前面所计算的虚参数处理序列表，得到该帧计数数值i对应的待处理虚参数在数据帧中对应的一个或多个字节段处理序列表 

提取序列表中对应于数据帧中的字节段，当获得序列表中全部虚参数对应的字节段后，即可对遥测参数进行计算。 

4每次完成对数据帧字节段的提取后，比较qPrcs和qHead，若qPrcs和qHead的地址值相等，说明qPrcs已经到达格式队列的头部，当前全部接收到的数据帧已经处理完毕，线程暂停，直到接收到新的数据帧，qHead指向队列新的的头部后，继续开始对数据帧的提前。若qPrcs和qHead的地址值不相等，则将qPrcs左移一位，表明队列中还有未处理的数据帧。进一步判断指向新位置的qPrcs是否进入新的格式，通过新帧的帧计数变化情况，确定新帧是否与刚处理完毕的旧数据帧是否属于同一个格式，若属于同一个格式，则返回第2步对数据帧进行提前。若不属于同一格式，则表明qPrcs进入了新格式，则将qTail指向qPrcs，以此标记当前正在处理的格式的起始位置，同时指明qTail至队列尾部的数据帧已经处理完毕，可以销毁，并返回第2步提取数据帧。 

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。 

Claims (2)

1.一种遥测数据处理方法，其特征在于包括对卫星下传数据原码进行预处理的步骤、根据原码预处理步骤得到的格式进行格式队列管理的步骤和对格式队列中数据帧进行提取的步骤，其中

(1)所述原码预处理步骤为：

按卫星下传数据的原码发送顺序和排列定义，提取下传数据，将原码块中同类数据帧归为一个n×m个数据字节的格式；所述原码块是格式中一段连续的字节段，这些字节段在一个数据帧中由同一个时标和连续的路号确定；所述格式由在下传数据中的数据帧按时间先后顺序进行排列后的数据帧组成，其中，n为格式中的数据帧序号；m为数据帧中字节序号；

(2)所述格式队列管理步骤为：

将经原码预处理得到的格式按照时间顺序形成先入先出的队列，所述队列具有分别指向队列头部指针qHead、指向队列尾部指针qTail和指向当前队列处理位置的指针qPrcs；

当向一个格式中需添加新到来的数据帧时，按数据帧大小分配存储空间，若存储空间分配成功，则将新到来的数据帧添加于队列头部，并将队列头部qHead指针移动至队列中新添加的数据帧；否则，等待数据帧提取线程释放存储空间后，对新到来的数据帧进行存储；

(3)对qPrcs指向的数据帧进行提取的步骤为：

(31)计算机获取qPrcs指向的数据帧；提取数据帧中用于计算遥测参数的字节段，转入步骤(32)；

(32)提取完成后比较qPrcs和qHead在队列中的指向位置：

若qPrcs和qHead指向相同的队列位置，则等待并直到qPrcs和qHead指向队列中的不同位置；若qPrcs和qHead指向不同的队列位置，则将qPrcs移向下一个待处理数据帧，转入步骤(33)；

(33)若qPrcs指向的待处理数据帧与处理完成的数据帧属于相同的格式，则返回步骤(31)；

若qPrcs指向的待处理数据帧与处理完成的数据帧属于不同的格式，则将qTail指向qPrcs相同的位置并返回步骤(31)。

2.根据权利要求1所述的一种遥测数据处理方法，其特征在于：在所述对qPrcs指向的数据帧进行提取的步骤的步骤(31)中提取数据帧中的字节段时，

根据计算遥测参数的所需的一个或多个原码块，确定在同一个格式的不同数据帧中与所述原码相对应的一个或多个所需的字节段；

根据确定的一个或多个字节段，获得提取最后一个所需字节段时，qPrcs指向的队列位置；当qPrcs指向所需的最后一个字节段并完成对字节段的提取后，对遥测参数开始计算。

Images