CN105306526B - 一种大推力火箭大流量遥测数据处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大推力火箭大流量遥测数据处理方法，致力于快速准确地对大流量遥测数据进行解算，在实际应用中效果良好。包括建立遥测数据预处理模型，实时对遥测数据进行拣择分类；建立总线数据实时处理模型，实时解算在遥测数据中占较大流量的总线数据。同时对有效性进行了验证。使用该方法建立的模型同样适用于现役火箭遥测数据处理，在现役火箭实战任务和新一代大推力运载火箭合练任务中均得到了验证，方法准确高效。

Description

一种大推力火箭大流量遥测数据处理方法

技术领域

本发明涉及火箭遥测数据处理领域，具体是一种大推力火箭大流量遥测数据处理方法。

背景技术

新一代大推力运载火箭可以完成近地轨道卫星、地球同步转移轨道卫星、太阳同步轨道卫星、空间站和月球探测器等各类航天器的发射任务，必将成为我国航天领域的主力火箭型号。我国新一代大推力运载火箭的运载能力是现役最大运载火箭的两到三倍，在其测量系统的设计上，遥测数据流量也是现役火箭的数倍。

新一代大推力运载火箭的遥测数据流量很大，按一台设备接收三个点频数据算，最大时达到了16Mbps，按同时四台遥测设备跟踪计算，为保证数据传输可靠性一般采用双路由传输，遥测数据流量的峰值即达到了128Mbps。如此大的数据流量给整个数据处理系统的网络带来了巨大的压力，而大流量遥测数据中大部分是图像信息和要求事后处理的数据，实时能够处理的只是小部分。在网络接口服务器上部署遥测数据预处理模块，将大流量数据在此拣择分流是一种高效实用的方法。另一方面，总线数据是遥测实时处理数据中比重较大的部分，数据量大，参数类型多，帧结构复杂。建立自适应强的处理模型，以相对固定的软件代码和灵活科学的配置文件相结合，可满足总线数据处理的实时性和准确性要求。

发明内容

鉴于以上特点，本发明立足于航天发射数据处理系统，兼顾系统的软硬件设计，在充分掌握新一代大推力运载火箭大流量遥测数据特点的基础上，设计了遥测数据预处理模型和总线数据处理模型，在航天发射数据处理领域实用性强，在同领域很有借鉴和参考意义。

本发明采用的技术方案如下：一种大推力火箭大流量遥测数据处理方法，包括：遥测数据预处理步骤，实时对遥测原码数据进行拣择分类；和总线数据实时处理步骤，实时解算遥测数据中的总线数据。

在本发明的一具体实施例中，上述遥测数据预处理步骤包括：

a)在遥测原码数据中仅拣择出能够实时处理的数据部分，包括缓变参数、指令参数和总线数据，转发到现有的航天发射数据处理系统内部。

b)针对遥测原码数据中要求事后处理的数据进行分类存储，实现事后数据处理的准实时化。

c)遥测原码数据包括全帧原码、挑路原码、挑点原码和遥测下行位流数据格式，将不同格式的遥测原码数据统一起来。全帧原码直接进行上述a)和b)步骤的处理；挑路原码和挑点原码先映射到全帧格式再进行上述a)步骤处理；从遥测下行位流数据中获取完整的全帧遥测数据后再进行上述a)和b)步骤的处理。

本发明另一具体实施例中，总线数据实时处理步骤包括：

总线数据频繁变帧的处理步骤，识别帧格式标识字，根据不同的标识字匹配总线数据在全帧原码副帧波道的配置信息，从而拣择出总线数据进行下一步处理。

总线数据拼帧步骤，从总线数据中解析每一个总线数据子表时通过识别命令字判别该子表是否在本帧中传输完整，如不完整则直接缓存，与下一帧总线数据原码拼接后再重新识别命令字开始解析。

总线数据中的计算机字解析步骤，在解析出的总线数据中识别特征码，判断与对应参数是否匹配，能匹配再进行解算；保留参数的数据类型和起始位置即可完成参数解析。

本发明的有益技术效果包括：对软件而言，减轻了数据处理的复杂度，提高了数据处理的效率。对硬件而言，本系统是航天领域国产化集成应用的开始，由于大大减少了网络流量，一定程度上减轻了对集成系统的网络性能考验，有利于国产化的长期发展。总线数据实时处理模型自适应强，扩展性好，很好地实现了总线数据处理的实时处理和正确解析，解决了总线数据这一瓶颈问题。

本发明适用于对实时性、可靠性及准确性要求较高的数据处理系统。数据处理模型已应用于遥测实时数据处理系统，该系统圆满完成了测控设备校飞、CZ-7合练、CZ-5合练、探月工程三期返回飞行试验任务、风云二号、北斗专项试验卫星等多项重大任务，系统的实时性、稳定性、有效性和正确性得到了充分验证。

附图说明

图1是遥测预处理拣择示意图；

图2是滑动窗搜索全帧遥测数据流程；

图3是下行位流数据处理过程示意图；

图4是总线数据变帧处理流程；

图5是总线数据原码跨帧拼帧流程；

图6是计算机字处理流程；

图7是计算机字参数拼帧示意图；

图8是数据处理模型部署图。

具体实施方式

本发明具体建立了新一代大推力运载火箭大流量遥测数据处理模型，包括遥测数据预处理模型和总线数据实时处理模型。

1、建立遥测数据预处理模型，实时对遥测数据进行拣择分类

①在遥测原码数据中仅拣择出能够实时处理的数据部分转发到数据处理系统内部。

如果将遥测原码帧看作是一个二维矩阵，其中能够实时处理的数据部分在遥测帧里排列较为集中，为提高预处理拣择数据的效率，对于包含可实时处理数据的矩阵列整体挑出后重新排列为新的一个较小矩阵，还原为网络数据包格式后向数据处理系统转发。在现役某型火箭遥测处理中应用此方法，如果遥测原码帧二维矩阵有240列，可实时处理的数据仅占不足20列(遥测帧中无总线数据的情况)，将网络流量截流了90％以上。处理过程示意图如图1所示。

新一代大推力运载火箭的遥测流量在16Mbps左右，遥测引起的网络流量达到128Mbps，给整个网络造成了巨大的压力。模型从遥测原码中挑出可以实时处理的缓变参数、指令参数、总线数据等转发到数据处理系统内部，大部分数据(事后处理数据和图像数据等)在网络接口服务器处就被截流，大大提升了系统的网络性能。

②将要求事后处理的数据分类存储，实现事后数据处理的准实时化。

针对要求事后处理的参数，先依据遥测设备选优顺序和帧计数对遥测设备数据进行源码拼接，然后按照对应配置文件规定的参数波道进行分路，将分路结果按参数存储，存储的参数数据文件由事后处理程序进行准实时处理。

要求事后处理的参数大部分是一些高频参数，需要运用统计学方法解算。这类参数用于事后全面判定火箭飞行状态或准实时快速评估火箭飞行异常情况。通过模型将遥测原码中的这类数据拣择出来分类存储，大大提高了事后处理的效率，更为快速评估提供了有力的数据支撑。

③将不同格式的遥测原码数据统一起来。

遥测原码包括全帧原码、挑路原码、挑点原码和遥测下行位流数据等格式。全帧原码可直接进行第①、②项的处理，挑路原码和挑点原码需先映射到全帧格式再进行第①项处理(这两类数据一般无第②项数据)。对于遥测下行位流数据的处理，依据下行传输帧数据域位流数据及遥测全帧的特点，设计三步处理流程，最终形成全帧遥测数据后再进行第①、②项的处理。这样处理的目的是让数据处理系统只需关注数据处理方法和处理过程，保证了处理效率和准确性。

遥测下行位流数据的处理方法简述如下：

ⅰ)位流数据存入缓冲区

要获取一个完整的遥测全帧，往往需要多个下行数传帧。考虑到位流数据和遥测全帧数据的异步性，开辟一定字节的共享内存区(Data_Buf)，用于存储下行数传帧对数据的缓存，不只是把数据写入内存，还要知道数据的读写状态，由于是位流数据，所以设置数据位读写指针(read_p和write_p)，也放入共享内存区，确保可以多进程访问。

下行数传帧包含的有效数据位数通过位流数据指针来确定，所以存储进共享内存区(Data_Buf)之后不能保证刚好是整字节数据，还有一些剩下的数据位(用last_rest_bit表示，放入共享内存区)。同样下行数传帧也要分为整字节和剩余有效数据位(用rest_bit表示)。这样往共享内存区写入数据的时候，将下行数传帧的整字节拆分成两部分，分别补全前一字节和填入后一字节高位部分(长度依然为last_rest_bit)，然后再根据last_rest_bit和rest_bit的情况，处理剩余位。如果last_rest_bit+rest_bit<8,直接把rest_bit填入前一字节剩余部分，如果last_rest_bit+rest_bit>＝8，就需要把rest_bit拆成两部分，分别补全前一字节和填入后一字节高位部分。数据放入缓冲区后要修正last_rest_bit和数据位写指针write_p。

ⅱ)滑动窗搜索全帧数据

要从位流数据中截取遥测帧，在累积足够数据后(这里设置读写指针差2个全帧以上时，写指针在前，读指针在后)必须首先找到副帧同步码。对于位流数据，副帧同步码只能按位搜索。如果直接逐位搜索，显然效率低下，不适合实时数据处理。这里使用两种方法来保证搜索的快速性：

一是考虑到副帧同步码和子帧同步码的有比较明确的位置关系，这里我们借助搜索子帧同步码实现快速搜索副帧同步码的目的。

二是如果前次已经找到一个全帧数据，下次进入循环搜索前，直接截取一个全帧数据检查，如果检查通过就不用按位搜索同步码。本次任务数据处理表明，只要下行数据稳定，按位搜索到副帧同步码之后，采用这种方法基本不会再按位搜索了，这样就大大提高了处理效率。

采用的搜索流程如图2所示。

ⅲ)全帧数据记录、处理和发送

此步骤同第①、②项。

处理过程示意图如图3所示。

(4)此方法的效果。

本方法启用后对整个数据处理系统的软硬件都很有益处。对软件而言，减轻了数据处理的复杂度，提高了数据处理的效率。对硬件而言，本系统是航天领域国产化集成应用的开始，由于大大减少了网络流量，一定程度上减轻了对集成系统的网络性能考验，有利于国产化的长期发展。

2、建立总线数据实时处理模型，实时解算在遥测数据中占较大流量的总线数据。包括：

(1)总线数据频繁变帧的灵活应对方法。

新一代大推力运载火箭遥测设计了变帧格式，帧格式变化也影响到了总线数据在遥测帧结构中的编排。通过设计二级配置表可自动识别帧格式从而正确拣择出总线数据进行下一步处理。

总线受变帧影响较大，在从遥测全帧原码中拣择总线数据时先识别帧格式标识字，根据不同的标识字匹配总线数据在全帧原码副帧波道的配置信息，从而拣择出正确的原码。处理流程如图4所示。

(2)总线数据拼帧方法。

遥测帧的实时处理一般只对收到的一帧数据进行处理，帧与帧之间相对独立。但是总线数据的编排方式是连续的，出现了同一命令字的总线数据跨帧发送的情况。通过自动识别命令字传输是否完整，对于不完整的命令字设计拼帧算法得到正确的总线数据处理结果。

在系统调试初期并未考虑总线数据拼帧，只对单帧数据单独处理。调试发现总线数据中的计算机字信息中断严重，解析的弹道较为离散，软件调试跟踪发现3个冗余备份的计算机字信息至少有1个计算机字长时间无法组帧。进一步分析原码发现是由总线数据跨帧传输造成的，由于计算机字频率高，信息量大，在总线数据中比重很大，因此计算机字跨帧的概率更大，造成了弹道数据离散的现象。

针对总线数据设计的拼帧处理算法，在从总线数据中解析每一个总线数据子表时通过识别命令字自动判别该子表是否在本帧中传输完整，如不完整则不解析直接缓存，与下一帧总线数据原码拼接后再重新识别命令字开始解析。

应用此拼帧方法后解算出的计算字弹道平滑连续，方法应用效果好。跨帧拼帧算法流程如图5所示，图中remain_len表示剩余未组帧的数据长度。

(3)总线数据中的计算机字解析方法。

新一代大推力运载火箭的计算机字参数通过总线数据传输。在解析出的总线数据中自动识别计算机字命令字进行解算。对于总线数据的计算机字解算设计了特征码复用识别和参数跨帧解析算法等。

新一代大推力运载火箭的计算机字存在特征码多处复用的情况。在进行计算机字参数解算时设计了特征码标识字自动匹方法，采用配置文件设计的方式自动识别特征码与对应参数的匹配关系，能匹配再进行解算。处理流程如图6所示。

另外，新一代大推力运载火箭的计算机字还存在参数跨帧的现象，如某参数为64位浮点型，前4个字节在特征码27的数据帧中，后4个字节在特征码28的数据帧中，这8个字节的前四个与后四个之间隔了的校验码和特征码。

针对计算机字存在参数跨帧的现象，为处理简单方便，采取的方法是避开特征字和校验码，将有效数据存储在连续的内存区中。只需配置参数的数据类型和起始位置就可完成参数的解析。示意图如图7所示。

(4)此方法的效果。

新一代大推力运载火箭总线数据量大，参数类型和总数多，是实时数据处理的难点所在。此总线数据实时处理模型自适应强，扩展性好，很好地实现了总线数据处理的实时处理和正确解析，解决了总线数据这一瓶颈问题。

根据以上的描述，本方法在网络接口服务器上实现遥测数据预处理功能，具体做法是采用两台遥测预处理服务器部署远程实时数据交换配置项(下简称DODS)配置项和遥测数据预处理模块。遥测数据预处理模块接收DODS转发的遥测原码数据，进行原码存储、帧信息统计、全帧数据拼帧、实时处理数据挑路转发往遥测数据处理模块、事后处理数据分路存储等。

遥测数据处理模块接收由DODS转发的遥测数据预处理模块拣择出的实时处理数据原码，进行遥测参数处理、选优、存储、发送等，总线数据处理模型部署于遥测数据处理模块，系统结构如图8，包括对遥测原码数据进行处理的遥测实时预处理，软件调度管理配置项给遥测实时预处理和遥测数据处理发送调度指令，总线数据处理模型对遥测挑路数据进行处理。

Claims (4)

1.一种大推力火箭大流量遥测数据处理方法，其特征在于，包括：遥测数据预处理步骤，实时对遥测原码数据进行拣择分类；总线数据实时处理步骤，实时解算遥测数据中的总线数据；

所述遥测数据预处理步骤包括：

a)在遥测原码数据中仅拣择出能够实时处理的数据部分，转发到航天发射数据处理系统内部；

b)针对遥测原码数据中要求事后处理的数据进行分类存储，实现事后数据处理的准实时化；

c)遥测原码数据包括全帧原码、挑路原码、挑点原码和遥测下行位流数据格式，将不同格式的遥测原码数据统一起来。

2.根据权利要求1所述一种大推力火箭大流量遥测数据处理方法，其特征在于：所述遥测原码数据中挑出能够实时处理的数据部分包括缓变参数、指令参数和总线数据。

3.根据权利要求1所述一种大推力火箭大流量遥测数据处理方法，其特征在于：c)中所述全帧原码直接进行a)和b)步骤的处理；挑路原码和挑点原码先映射到全帧格式再进行a)步骤处理；从遥测下行位流数据中获取完整的全帧遥测数据后再进行a)和b)步骤的处理。

4.根据权利要求1所述一种大推力火箭大流量遥测数据处理方法，其特征在于，所述总线数据实时处理步骤包括：

总线数据频繁变帧的处理步骤，识别帧格式标识字，根据不同的标识字匹配总线数据在全帧原码副帧波道的配置信息，从而拣择出总线数据进行下一步处理；

总线数据拼帧步骤，从总线数据中解析每一个总线数据子表时通过识别命令字判别该子表是否在本帧中传输完整，如不完整则不解析直接缓存，与下一帧总线数据原码拼接后再重新识别命令字开始解析；总线数据中的计算机字解析步骤，在解析出的总线数据中识别特征码，判断与对应参数是否匹配，能匹配再进行解算；保留参数的数据类型和起始位置即可完成参数解析。