CN105447120B - 综合射频传感器数据分析系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出的一种综合射频传感器数据分析系统。利用本发明可以解决综合射频传感器在试飞过程中工作参数验证、功能性能评估的问题。本发明通过下述技术方案予以实现：异构数据入库单元将飞行数据按照统一总线消息格式，通过数据访问接口单元存储到数据存储管理单元，数据存储管理单元通过数据访问接口单元提供数据检索服务；接口控制文件定义规范对飞机接口控制文件进行建模，按照接口控制文件定义规范，解析数据存储管理单元里飞行数据；传感器模型评估系统对传感器建立评估模型，解析输入接口控制文件单元数据，将地理坐标变化单元地理坐标转换到对应综合射频传感器坐标系下，导出综合射频传感器评估结果表格，通过Origin软件分析综合射频传感器绘图数据。

Description

综合射频传感器数据分析系统
技术领域
本发明涉及一种主要应用于雷达、通信、导航、识别(CNI)综合射频传感器系统的飞机传感器数据分析系统，特别是用于分析评估飞机传感器工作参数及其功能性能指标。
背景技术
当今世界信息时代，在利用信息的过程中首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目都离不开各种各样的传感器。传感器技术已经对大量不同应用领域，如航空、远距离探测、医疗及工业自动化等领域的信号探测系统产生了深远影响。目前开发并进入实用阶段的微型传感器已可以用来测量各种物理量、化学量和生物量，如位移、速度/加速度、压力、应力、应变、声、光、电、磁、热、PH值、离子浓度及生物分子浓度等。
随着传感器体积、重量、功耗急剧增加，可靠性和可维护性问题日益突出，而且带来一系列新的技术问题。传感器作为长期测量或反复使用的器件，其稳定性显得特别重要，其重要性甚至胜过精度指标，尤其是对那些很难或无法定期鉴定的场合。造成传感器性能不稳定的原因是：随着时间的推移和环境条件的变化，构成传感器的各种材料与元器件性能将发生变化。由于近年来我国在航空电子方面的快速发展，对传感器的性能、种类要求也越来越高，其结果是使得航空电子设备的成本、体积、重量、功率急剧增加及可靠性大幅下降，而传感器系统几乎占整个航空电子设备成本的50％～60％。成本、重量、体积和功率等方面的限制。就目前而言,传感器是航电系统实现上述功能的瓶颈。航空电子传感器的综合化程度是随着航空电子系统的综合化进程而逐步向前推进的。随着飞机承担任务不断多样化、复杂化，飞机上装载的电子系统不断不增加，并且越来越复杂，面对的显示和控制装置越来越多。此外，航空电子系统越来越复杂，综合程度越来越高。综合已从显示器推进到数据处理，又推进到传感器系统。机载电子设备的传感器数量和种类越来越多，设备间的信号传递都采用点对点传输，互联电缆多，重量大，占用空间大，对飞机平台造成很不利的影响。
综合射频传感器系统(IRFS)解决了分离式传感器数据采集的诸多缺点。射频综合的目的是降低成本、重量和体积，同时提高系统的可用性、可靠性和扩展性。综合射频传感器系统是软件无线电技术的一种具体实现方式。软件综合是指利用软件无线电技术开发具有高度灵活性和开放性的航电系统。在尽可能靠近天线的地方利用宽带模数(A/D)转换器完成信号的数字化，再利用软件定义实现系统功能。综合射频传感器系统共用信号的设计直接决定了系统的功能及其实现方式。共用信号设计的主要目的是在发射端把通信信号与雷达信号进行融合，而在接收端通过信号识别在不同的系统中提取所需信号。目前，共用信号的设计主要是基于伪随机序列原理而进行的，如线性调频信号、直接序列超宽带合成信号等。共用信号以实现将雷达信号隐藏于通信信号之中,提高信号的隐蔽性,并且共用信号可在接收时对宽脉冲信号进行时间压缩,可以降低对目标的分辨力。对于传感器特性，可以找出误差的变化规律，或者测出其大小和方向，采用适当的方法加以补偿或修正。屏蔽、隔离与干扰抑制传感器大都要在现场工作的，现场的条件往往是难以充分预料的，有时是极其恶劣的。各种外界因素要影响传感器的精度与各有关性能的。综合射频传感器系统采用的高度综合化的软硬件架构集成技术复杂，需要多次飞行试验，评估传感器功能和性能，对综合化系统进行验证。飞行试验设计流程复杂、流程相互穿插、试验成本高、测量参数多、跨度大、数据共享困难、资源分散、测试设备种类繁多。现有技术采用的分散数据采集分析方式也不能满足综合射频传感器系统数据记录分析要求，因此需要一种高效传感器数据分析系统，完成试飞经验积累、试验故障排除、功能性能测试、综合传感器性能评估，进行深层次的数据挖掘，验证综合传感器系统的功能性能特性。在现有飞机上采用的1553B总线系统中，所有传感器均采用带宽为1M、数据结构单一的总线互联，对飞行数据分析解算简单。为满足信息交互的实时性、扩展性，数据结构复杂的综合射频传感器系统采用的是多级综合层次，多级总线架构。现有技术数据记录分析方法从性能、架构、综合化方面都不能满足综合射频传感器系统对数据分析解算的要求。
发明内容
本发明的任务是提供一种能够降低操作复杂度，具有可扩展性，支持多种传感器数据，能够适应多机型的综合射频传感器数据分析系统，以解决综合射频传感器系统在试飞过程中工作参数验证、功能性能评估的问题。
本发明的目的可以通过以下措施来达到。一种综合射频传感器数据分析系统，包括：按照功能划分为以下子系统和相关功能单元的数据管理系统、接口控制文件管理系统、传感器模型评估系统、地理坐标变换单元和图表处理单元，其特征在于，数据管理系统包含异构数据入库单元、数据存储管理单元和数据访问接口单元，异构数据入库单元采用数据结构适配器模式，将飞行记录仪采集到的各种异构数据，按照统一总线消息格式，建立存储在数据库中时间戳为索引的数据表，通过数据访问接口控制单元，提交存储到数据存储管理单元；数据存储管理单元采用关系数据库作为数据管理中心，对传感器数据流分析建模，建立以消息为基本记录单元、以时间戳为索引的数据记录表，通过数据访问接口单元提供数据检索服务，数据访问接口单元采用开放数据库互连ODBC技术作为数据库访问接口，解耦合了系统应用与数据库系统之间的关系；接口控制文件处理单元按照接口控制文件定义规范，解析数据存储管理单元中存储的传感器数据，将传感器数据翻译为逻辑语义值；地理坐标变换单元将飞机差分GPS数据从GPS坐标系转换到载机传感器坐标系，计算得出传感器坐标系下的方位、距离信息，利用差分GPS的米级精度优势，作为传感器测量参数性能评估的参考值；传感器模型评估系统以传感器数据和GPS处理数据作为输入，使用雷达、电子战、通信、导航、识别传感器模型评估模型，计算传感器真实测量值、计算评估值,以及影响指标的关联关系；图表处理单元通过专业函数绘图软件完成传感器模型评估结果二三维绘图、数理统计和其它高级数据分析。
本发明具有如下有益效果：
在系统架构上，本发明中数据访问接口单元采用开放数据库互连ODBC技术作为数据库访问接口，解耦合了系统应用与数据库系统之间的关系；数据存储管理单元采用关系数据库作为数据管理中心，对传感器数据流分析建模，建立以消息为基本记录单元、以时间戳为索引的的数据记录表，以结构化查询语言SQL作为数据检索语言，通过数据访问接口单元提供数据检索服务，使综合射频传感器数据分析系统适应传感器综合化、多元化的扩展，并且在数据库选型方面具有极好的扩展性。在企业内部采用大型服务器安装中型数据库Oracle，存储所有试飞数据，积累试飞经验，提供高并发访问能力；在实验外场采用便携式电脑+文件数据库SQLite，易安装、维护和拷贝，可以根据使用需求选择不同规模的数据库。
本发明采用的数据存储管理单元数据库扩展框架的特点可以用如下表来表示：
本发明接口控制文件定义规范采用可扩展标记语言XML作为飞机接口控制文件的描述载体，对飞机接口控制文件进行建模，建立信号-信号组-消息三级组合模型，信号作为基础元素，组成信号组，信号组组成消息。接口控制文件处理单元实现接口控制文件定义规范的解析，将飞行记录数据(二进制源码)翻译为逻辑信号值，作为传感器评估模型单元的输入。不同任务的飞机接口控制文件是不同的，但相同功能的传感器接口控制文件是类似的，因此只需按照系统的接口控制文件修改消息、信号组和信号，综合射频传感器数据分析系统就可以移植到其他飞机平台，使得该系统具备传感器平台可移植性。
本发明地理坐标变换单元将飞机差分GPS数据从GPS坐标系转换到载机传感器坐标系，计算得出传感器坐标系下的方位、距离信息，利用差分GPS的米级精度优势，作为传感器测量参数性能评估的参考值。
本发明传感器模型评估系统以传感器数据和GPS处理数据作为输入，使用雷达、电子战、通信、导航、识别传感器模型评估模型，计算传感器真实测量值、计算评估值以及影响指标的关联关系；图表处理单元，通过专业函数绘图软件完成传感器模型评估结果二三维绘图、数理统计和其他高级数据分析。
借助本发明可以做到：
1.数据分析可视化。本发明采用图形处理结果作为定性评估输出，将长时间的飞行数据以二三维图形展示，便于直观、快速定位异常情况。
2.数据分析统计脚本化，本发明中图表处理单元采用可编程脚本计算传感器评估数据的数理统计值，既可以使用内置函数计算均值、方差等常用统计，还可以用脚本编写自定义分析方法，多维度表示分析结果。
3.数据分析便携化。本发明采用的系统架构，可以移植在便携式计算机上使用，随机跟飞人员在试飞结束后第一时间使用该系统对试飞科目进行评估，给出图形化的评估结果，便于快速定位故障。
4.数据分析通用化。本发明列出的所有组件单元采用高内聚松耦合的设计思想构建，系统框架保持不变，飞机机型的变化只需更换对应系统的接口控制文件XML；传感器的更换只需更换对应传感器评估模型；实验环境的变化只需更换使用的数据库；评估分析数据采用标准格式图形化。本发明的设计旨在让开发人员只需专注评估模型的开发，免受各种异构数据差异、系统ICD变更、图形化需求对系统开发造成的影响。
附图说明
图1是本发明综合射频传感器数据分析系统平台框架单元的组成示意图。
图2是图1中功能单元的数据流程示意图。
图3是图1中数据管理系统数据库的扩展示意图。
图4是图1中接口控制文件定义规范UML关系图。
图5是图1中地理坐标变换单元中坐标系示意图。
具体实施方式
参阅图1。综合射频传感器数据分析系统按照功能划分为以下子系统和相关功能单元：数据管理系统、接口控制文件管理系统、传感器模型评估系统、地理坐标变换单元和图表处理单元。
数据管理系统包含：异构数据入库单元、数据存储管理单元和数据访问接口单元。数据管理系统对飞机通信数据分析建模，抽象出以消息为基本传输单元，消息内容包含消息生成时间、消息源、消息目的、消息ID、消息长度及消息二进制源码，为数据访问接口单元提供数据检索服务。
异构数据入库单元采用数据结构适配器模式，将飞行记录仪采集到的各种异构数据，统一为消息格式，建立存储在数据库中时间戳为索引的数据表，通过数据访问接口控制单元，提交存储到数据存储管理单元；
数据存储管理单元采用关系数据库存储飞机通信数据。数据存储管理单元可移植到各型数据库，以便于不同使用场景；采用结构化查询语言SQL为其它功能单元提供数据检索服务，作为数据管理中心，对传感器数据流分析建模，建立以消息为基本记录单元、以时间戳为索引的数据记录表，建立试飞数据表存储传感器之间传输的消息，按照时间顺序将消息存储在试飞数据表中，对消息生成时间建立索引，加速数据查询的效率。
数据访问接口单元采用开放数据库互连ODBC技术连接数据库，采用开放数据库互连ODBC接口，解耦合数据库与系统之间的关系。数据访问接口单元对开放数据库互连ODBC接口进行再次封装，对系统应用仅提供数据存储、查询接口API，简化了系统应用调用流程，屏蔽了复杂的ODBC数据库访问技术。
接口控制文件管理系统包含：接口控制文件定义规范和接口控制文件处理单元。接口控制文件定义规范采用可扩展标记语言XML作为飞机接口控制文件的描述语言，对飞机数字通信数据进行建模，建立信号-信号组-消息三级组合模型，信号作为基础元素，组成信号组，信号组组成消息，接口控制文件处理单元按照接口控制文件定义规范实现对信号、信号组和消息的解析，递归调用实现传感器消息的解析。
地理坐标变换单元将飞机差分GPS数据从GPS坐标系转换到载机传感器坐标系，计算得出传感器坐标系下的方位、距离信息，利用差分GPS的米级精度优势，作为传感器测量参数性能评估的参考值。
传感器模型评估系统包含：雷达指标评估单元、电子战指标评估单元、通信指标评估单元、导航指标评估单元、识别指标评估单元，雷达主要评估探测方位、俯仰、距离的精度，电子战评估探测方位精度，通信评估通信距离，导航评估导航方位、俯仰、距离的精度，识别评估通信距离等。传感器模型评估系统对雷达、电子战、通信、导航、识别传感器分析建模，建立评估指标和影响因子之间的关联关系。
参阅图2。综合射频传感器数据分析系统使用数据流程如下步骤：
用户将试飞数据输入综合射频传感器数据分析系统，异构数据入库单元将数据统一为标准消息格式，提交给数据访问单元，数据访问单元执行插入数据事务，将数据存储到数据存储管理单元。
用户将需要分析的传感器指标输入综合射频传感器数据分析系统，传感器模型评估单元通过数据访问接口单元，查询用户输入传感器对应数据；传感器模型评估单元通过接口控制文件处理单元，按照接口控制文件定义规范，解析查询到的传感器数据，返回解析后的逻辑语义值；传感器模型评估单元通过数据访问接口单元查询GPS数据，根据飞机的GPS坐标，经由地理坐标变换单元，转换为传感器坐标系下方位和距离参考值；传感器模型评估单元计算出该传感器指标的影响因子、参考指标，将分析结果导出到图表处理单元；图表处理单元根据用户需求对数据作图显示，统计分析。
参阅图3。数据管理系统在软件框架上采用分层架构，从上到下依次为系统应用、数据访问接口单元、数据存储管理单元，系统采用高内聚、低耦合的软件架构，使综合射频传感器数据分析系统数据管理系统具备关系数据库的扩展性。
数据访问接口单元采用开放数据库互连ODBC技术作为不同类型数据存储管理单元的数据访问适配器，ODBC技术访问数据库系统驱动程序(Oracle、SQLServer、SQLite驱动程序)，连接对应数据库；数据访问接口单元对ODBC再次封装，将复杂的ODBC数据库访问接口简化为单一的数据查询接口，既简化了传感器模型评估单元进行数据查询的操作，又使下层关系数据库选取方面具备扩展性，可以适用于不同的应用场景。
数据存储管理单元可以配置成为试飞数据中心、实验外场数据中心、便携移动数据中心。试飞数据中心存储所有飞机的试飞数据，因其数据量大、用户多、并发性高等特点，需采用大型服务器上安装高并发访问能力的Oracle数据库存储飞行数据，满足项目团队成员对数据访问的需求；实验外场数据中心存储单个试飞科目的飞行架次数据，因其数据量中等、少量用户访问、低并发性等特点，采用X86架构的低端服务器安装SQLServer数据库存储单个试飞科目的飞行架次数据，满足参与实验人员对数据分析的需求；便携移动数据中心存储单次飞行数据，因其数据量小、单用户、单用户访问等特点，需使用携式计算机上安装嵌入式SQLite数据库存储单次试飞数据，满足试飞现场人员便携易用，适用于试飞现场第一时间故障排查。
参阅图4。飞机的接口控制文件会跟随飞机研发过程不断迭代更新，从软件设计模式角度来看需要综合射频传感器数据分析系统具有高内聚、低耦合的特点，因此需要隔离接口控制文件的迭代过程对综合射频传感器数据分析系统的影响。本发明提出的接口控制文件定义规范，建立信号-信号组-消息三级组合模型，消息由多个信号组组成，信号组由多个信号组成。接口控制文件处理单元按照接口定义规范解析飞机通信数据。
信号作为接口控制文件基础元素，主要属性是名称、标识符、偏移字、偏移位和宽度，主要操作方法是解析信号，解析信号方法按照信号属性，完成二进制数据偏移位计算及解析信号为逻辑语义值；枚举信号继承于信号，其解析信号方法将该信号数值与枚举描述匹配，计算出枚举值；数值信号继承于信号，其解析信号方法按照数据的编码方式(补码、二进码、十进数、BCD码等)和最低有效位计算信号数值，为方便数值信号扩展，引入脚本语言属性，在信号描述中嵌入脚本代码，执行复杂计算。
信号组是接口控制文件基础复用模块，主要属性是名称、标识符、宽度和引用信号列表，其中引用信号列表记录了该信号组包含的所有信号，解析信号组方法遍历所有引用信号的解析信号方法，实现信号组的解析。
消息是飞机进行数字通信的基本单元，也是接口控制文件的基本单元，飞机的接口控制文件由多条消息组成。消息的主要属性是名称、标识符、宽度和引用信号组列表，其中引用信号组列表记录了该消息包含的所有信号组，解析消息方法遍历所有引用信号组的解析信号组方法，实现消息的解析。
参阅图5。地理坐标变换单元，实现飞机GPS\INS(经纬高)坐标转换到飞机与目标的方位、距离。由于差分GPS的精度可以达到米级，因此采用高精度的差分GPS坐标转换到传感器坐标下，作为传感器评估的参考值。以塔康传感器坐标系转换为例，使用公式1将飞机实时位置GPS坐标(B0，L0，H0)和塔康台站GPS坐标(B，L，H)转换为空间直角坐标(X0，Y0，Z0)和(X，Y，Z)，使用公式2将空间直角坐标系下飞机实时位置(X0，Y0，Z0)和塔康台站(X，Y，Z)的关系转换至平面直角坐标系下飞机相对于塔康台站的三个轴向距离(xX，yY，zZ)，飞机与塔康台站连线相对真北的方位通过计算公式tan-1(xX/yY)得到，减去磁偏角即为飞机塔康传感器方位指标的参考值，飞机与塔康台站的空间相对距离通过计算公式得到，即为飞机塔康传感器距离指标的参考值。
式中，B、L、H分别为纬度(度)、经度(度)和高度(米)；N为地心到该空间点对应椭球面上的位置点的空间距离(米)；a为WGS-84坐标系所采用椭球的长半轴，e为WGS-84坐标系所采用椭球的第一偏心率平方，它们的取值分别为：a＝6378137米，e＝0.00669437999014；
(公式2)
式中B0、L0为飞机的实时纬度和经度，(X0，Y0，Z0)、(X，Y，Z)分别为飞机实时位置和塔康台站位置对应的空间直角坐标，xX、yY、zZ为平面直角坐标系中飞机相对于地面站的三个轴向距离。

Claims (8)

1.一种综合射频传感器数据分析系统，包括：按照功能划分为以下子系统和相关功能单元的数据管理系统、接口控制文件管理系统、传感器模型评估系统、地理坐标变换单元和图表处理单元，其特征在于，数据管理系统包含异构数据入库单元、数据存储管理单元和数据访问接口单元，异构数据入库单元采用数据结构适配器模式，将飞行记录仪采集到的各种异构数据，按照统一总线消息格式，建立存储在数据库中时间戳为索引的数据表，通过数据访问接口控制单元，提交存储到数据存储管理单元；数据存储管理单元采用关系数据库作为数据管理中心，对传感器数据流分析建模，建立以消息为基本记录单元、以时间戳为索引的数据记录表，通过数据访问接口单元提供数据检索服务，数据访问接口单元采用开放数据库互连ODBC技术作为数据库访问接口，解耦合了系统应用与数据库系统之间的关系；接口控制文件管理系统包含接口控制文件定义规范和接口控制文件处理单元，接口控制文件处理单元按照接口控制文件定义规范，解析数据存储管理单元中存储的传感器数据，将传感器数据翻译为逻辑语义值；地理坐标变换单元将飞机差分GPS数据从GPS坐标系转换到载机传感器坐标系，计算得出传感器坐标系下的方位、距离信息，利用差分GPS的米级精度优势，作为传感器测量参数性能评估的参考值；传感器模型评估系统以传感器数据和GPS处理数据作为输入，使用雷达、电子战、通信、导航、识别传感器模型评估模型，计算传感器真实测量值、计算评估值,以及影响指标的关联关系；图表处理单元通过专业函数绘图软件完成传感器模型评估结果二三维绘图、数理统计和其它高级数据分析。
2.如权利要求1所述的综合射频传感器数据分析系统，其特征在于，所述的数据存储管理单元采用关系数据库存储飞行数据，采用SQL语言为数据访问接口单元提供数据检索服务。
3.如权利要求1所述的综合射频传感器数据分析系统，其特征在于，数据管理系统对飞机通信数据分析建模，抽象出以消息为基本传输单元，消息内容包含消息生成时间、消息源、消息目的、消息ID、消息长度及消息二进制源码，为数据访问接口单元提供数据检索服务。
4.如权利要求1所述的综合射频传感器数据分析系统，其特征在于，所述的接口控制文件定义规范，采用可扩展标记语言XML作为飞机接口控制文件的描述语言，对飞机数字通信数据进行建模，建立信号-信号组-消息三级组合模型。
5.如权利要求1所述的综合射频传感器数据分析系统，其特征在于，所述的接口控制文件处理单元按照接口控制文件定义规范，将数据库系统中存储的二进制接口数据，解析为逻辑语义值。
6.如权利要求1所述的综合射频传感器数据分析系统，其特征在于，数据存储管理单元采用关系数据库存储飞机通信数据，采用结构化查询语言SQL为其它功能单元提供数据检索服务，并作为数据管理中心对传感器数据流分析建模，建立以消息为基本记录单元、以时间戳为索引的数据记录表和试飞数据表存储传感器之间传输的消息，按照时间顺序将消息存储在试飞数据表中，对消息生成时间建立索引。
7.如权利要求1所述的综合射频传感器数据分析系统，其特征在于，传感器模型评估系统包含：雷达指标评估单元、电子战指标评估单元、通信指标评估单元、导航指标评估单元和识别指标评估单元，雷达指标评估单元主要评估探测方位、俯仰、距离的精度，电子战指标评估单元评估探测方位精度，通信指标评估单元评估通信距离，导航评估导航方位、俯仰、距离的精度，识别指标评估单元评估通信距离。
8.如权利要求1所述的综合射频传感器数据分析系统，其特征在于， 数据管理系统在软件框架上采用分层架构，从上到下依次为系统应用、数据访问接口单元、数据存储管理单元，数据管理系统采用高内聚、低耦合的软件架构，使综合射频传感器数据分析系统数据管理系统具备关系数据库的扩展性。
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综合射频传感器系统技术及标准体系研究;朱晓飞 等;《航空电子技术》;20130930(第3期);全文 *
航空综合射频传感器研究;李军政;《现代导航》;20121031;第3卷(第5期);全文 *

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CN105447120A (zh) 2016-03-30

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