CN105450322B - 一种多位流多余度遥测数据流实时融合方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多位流多余度遥测数据流实时融合方法，涉及数据处理技术领域。本发明通过过采样技术把PCM信号转换成数字信号进行处理；通过滑动相关算法对转换后的数字信号进行同步检测；所述同步检测分为同步字检测和帧同步检测；根据检测得到的同步字和帧同步信号完成数据对齐处理；将不同物理通道的数字信号数据映射成逻辑通道数据，进行数据融合处理。本发明解决依靠人工选择切换遥测数据的弊端，主要解决对遥测接收机输出的基带信号进行同步处理，同步处理包括位同步、帧同步检测和数据对齐处理；检测同步信号质量并根据融合条件实现多路数据融合。

Description

一种多位流多余度遥测数据流实时融合方法

技术领域

本发明涉及数据处理技术领域，更具体地说涉及一种多位流多余度遥测数据流实时融合方法。

背景技术

在新机的科研试飞过程中，由于地面站附近树木、建筑物以及地面等对遥测信号遮挡、反射造成的多径效应会影响遥测接收信号质量。另外，飞机在空中做复杂动作时的姿态变换，也会引起遥测站接收信号质量无规律变化，从而使地面站接收系统无法完整、连续、流畅地获取飞机遥测参数信号。为解决遥测信号接收不稳定的现象，通常在地面选择不同地点建立多个地面遥测站同时接收同一目标的遥测数据，确保遥测接收信号有余度备份并在信号不好时切换到相对较好的信号。但这种人工数据切换的方法会引起数据中断，切换过程也有数秒时间。

国家知识产权局于2014年03月26日，公开了一件公开号为CN103679378，名称为“基于遥测数据评估航天器健康状态的方法及装置”的发明专利，该发明专利通过分析历史遥测参数数据的周期性，根据其周期性分别建立历史遥测参数数据各个周期内的分布，对各个周期的多个不同的分布进行检验，确定各个周期的分布，并计算分布的参数值，将待测的遥测参数数据代入各个周期的分布，计算得到相应的参数值，利用KL散度计算待测的遥测参数数据各个周期的分布的参数值与相应的历史遥测参数数据各个周期的分布的参数值差异，确定该待测的遥测参数数据各个周期的健康等级，将多遥测数据的健康等级向量以加权融合方法给出该航天器健康等级。该方法可以将实时遥测数据是否异常、故障定性描述转变为定量的健康指数，提供运管人员对系统的掌控能力。

现有技术中采用人工观察各路遥测信号的质量，手动选择切换质量最好的一路。但是飞机在做复杂动作时，各遥测站的信号质量会无规律变化，人工进行信号切换，反应速度慢，操作人员对信号的判断主观性影响大，不可能进行及时切换，切换过程信号会中断。

发明内容

为了克服上述现有技术中存在的不足，本发明提供了一种多位流多余度遥测数据流实时融合方法，本发明的发明目的旨在于解决依靠人工选择切换遥测数据的弊端，主要解决对遥测接收机输出的基带信号进行同步处理，同步处理包括位同步、帧同步检测和数据对齐处理；检测同步信号质量并根据融合条件实现多路数据融合。

为解决上述现有技术中的不足，本发明是通过下述技术方案实现的：

一种多位流多余度遥测数据流实时融合方法，其特征在于：包括如下步骤：

（一）通过过采样技术把PCM信号转换成数字信号进行处理；

（二）通过滑动相关算法对转换后的数字信号进行同步检测；所述同步检测分为同步字检测和帧同步检测；根据检测得到的同步字和帧同步信号完成数据对齐处理；

（三）将不同物理通道的数字信号数据映射成逻辑通道数据，进行数据融合处理；

物理通道是指实际输入的PCM信息接口；

逻辑通道是指融合后的数据流通道；

物理通道的数字信号数据映射成逻辑通道数据具有四种映射方式：一对一映射、二对二映射、三对一映射和四对一映射；

所述数据融合是指将设置好的映射方式，经多个物理通道的数据进行处理，按照数据融合评估算法得到一个逻辑通道的最优合成数据的过程。

所述数据融合评估算法是对每个物理通道的数据流的子帧的信号质量做评估，从数据失步、ID字的连续性、数据强度三个方面进行评估；从而选出相应的最佳物理通道的子帧数据作为输出，最终融合输出的是融合各个物理通道最优子帧的数据流。

所述数据失步是指数据丢失同步字；如丢失同步字，则判断为已失步，未失步的通道数据为可信数据。

所述ID字的连续性是指根据当前ID字与前一帧ID字的连续性，如果其中一路的数据ID字非连续，另一路的数据ID字连续，则判断为ID字连续的数据质量更好。

所述数据强度是对每一路PCM数据的同步字采用8倍过采样，与已知的同步字进行比较，将比较结果相同位数对应的结果记为1，对结果进行累加，若结果越大，则表示数据强度越好；若数据强度相同时，则进行帧计数判断；所述帧计数判断是对除同步字后的数据进行8倍过采样，取过采样后的数据的后3位数做参考，后3位数相同时则判决为1，然后对判决结果进行累加，累加结果越大，则标识帧数据质量越好。

所述滑动相关算法是指：将样本数字信号和采集到的数字信号按位对齐并不断滑动取异或之和计算相关值，寻找相关值最大时对应的数值。

所述同步字检测是指：对单路输入的数据信号进行串并转换，将信号存入同步移位寄存器，同时将预设同步字采用多位扩展方式与同步移位寄存器里的数据进行移位同或计算，同或结果为真值的数据即为同步字。

所述帧同步检测包括短帧同步和长帧同步，检测过程由FPGA的状态机实现，具体步骤如下：

S1状态：搜索同步字状态，如果收到同步信号，完成短帧同步，状态从S0转到S1状态；同时打开开窗计数器使能，开始计数，计数到预设帧长度值后，开窗计数器溢出信号有效，转到S2状态；

S2状态：等待同步字，确定是否为同步字还是误检测；关闭开窗计数器，使能窗宽计数器，搜索到同步信号后跳转到S3状态，否则收到窗宽计数器的溢出信号后返回S0状态，此时为误检测；

S3状态：同步锁定状态，下一个时钟转到S4状态进行数据处理；

S4状态：数据处理状态，使能开窗计数器，等待开窗计数器溢出信号，转到S5；

S5状态：同步锁定情况下的校核状态，当为正确的同步锁定状态时，仍然需要对帧同步码进行检测，关闭开窗计数器，使能窗宽计数器，搜索到同步信号后跳转到S3状态，否则收到窗宽计数器的溢出信号后跳转到S6状态；

S6状态：丢失一帧同步字，此时仍然按照正常帧同步锁定的情况下进行数据处理，同时打开开窗计数器使能，开始计数，开窗计数器溢出，转到S7状态；

S7状态：同步状态后的第二个校核状态，防止漏检测；关闭开窗计数器，使能窗宽计数器，搜索到同步信号后跳转到S3状态，否则收到窗宽计数器的溢出信号后跳转到S8状态，此时为误检测；

S8状态：连续两次没有检测到同步字，此时仍然进行数据处理，同时打开开窗计数器使能，开始计数，开窗计数器溢出，转到S9状态；

S9状态：最后一个校核态，如果仍检测不到同步字，就转入S10失步状态；

S10状态：失步状态，下一状态转到S0。

与现有技术相比，本发明所带来的有益的技术效果表现在：

1、本发明根据过采样定理：2倍采样频率可不失真地恢复被采样的模拟信号。由于遥测信号在受环境或其他因素影响下，信号会有一定程度的畸变。为了能更准确地将模拟信号数字化，同时，也为后续对每个通道信号质量的判别，本发明采用8倍过采样技术。一方面通过8倍采样综合判断信号电平的高低属性，保证了原始信号的信息完整；另一方面，通过每个通道的同一位信号采样结果的比较，对通道的信号接收质量提供判据。

2、本发明采用滑动相关算法进行同步检测,一方面根据滑动相关算法确定同步字位置，另一方面根据数据帧长度，在下一个同步字应该出现的位置的前后几个时钟周期窗口内，搜索同步字。在搜索状态，定时电路被屏蔽，因而在每个时钟周期都检测是否搜索到帧同步码。一旦接收到帧同步码，则由搜索状态转入校核态。在校核态定时电路开始工作，计数到一帧的时刻再次检测是否搜索到同步码。若没有检测到同步信号，则前一次搜索到的判定为假同步码。此时定时电路再次被屏蔽，重新开始搜索帧同步码。在校核态，当连续通过预定的校核数3，都能搜索帧同步码时，帧同步器进入同步状态。在同步状态，即使帧同步码发生漏检的情况，保护网络也能让帧同步器继续输出脉冲，而连续2此没有检测到同步码，即超过预定的后方保护次数时，帧同步器失去同步，重新返回搜索态。校核数和后方保护次数直接影响同步速度和失步后能否快速同步。滑动有两重含义，一方面指的是帧同步过程中搜索窗的滑动，另一方面指的是前面数据位同步模块依次移入移位寄存器，与预设值做异或，算出相关峰值，找到同步字位置，数据在移位寄存器内是滑动的，串并转换后进行同步检测。

3、有效抵抗多径信号衰减带来的影响，提高冗余通道信号切换速度；现有技术采用人工观察信号质量进行通道切换，平均切换时间约2~5秒。本发明的技术方案用FPGA实现多通道信号之间的相关性处理和融合，使得多径信号衰减时的冗余通道信号切换时间在0.1秒之内。提高信号切换的速度。

4、降低误码率，提高信号稳定性和质量。现有技术人工观察信号质量进行通道切换的时间约2~5秒，如果按一个全帧含32个子帧，每秒32个全帧的常用PCM帧格式编排，2秒的切换时间内已输出2048个低质量的子帧。本发明的技术方案的冗余通道信号切换时间按0.1秒计算，只输出了102个低质量的子帧。可见，相同的时间内，误码数量减少很多，因此降低了误码率。另外，人工操作会受环境、个人对信号质量判断标准差异等条件影响，信号切换时间和准确性都无法保证，本发明的技术方案完全不受上述条件的影响，可以提高信号稳定性和质量。

附图说明

图1为实施例2系统信号传输流程图；

图2 为实施例2同步字识别流程图；

图3 为实施例2帧同步检测状态图；

图4 为实施例2数据融合流程图。

具体实施方式

实施例1

作为本发明一较佳实施例，本实施例公开了：

一种多位流多余度遥测数据流实时融合方法，包括如下步骤：

（一）通过过采样技术把PCM信号转换成数字信号进行处理；

（二）通过滑动相关算法对转换后的数字信号进行同步检测；所述同步检测分为同步字检测和帧同步检测；根据检测得到的同步字和帧同步信号完成数据对齐处理；

（三）将不同物理通道的数字信号数据映射成逻辑通道数据，进行数据融合处理；

物理通道是指实际输入的PCM信息接口；

逻辑通道是指融合后的数据流通道；

物理通道的数字信号数据映射成逻辑通道数据具有四种映射方式：一对一映射、二对二映射、三对一映射和四对一映射；

所述数据融合是指将设置好的映射方式，经多个物理通道的数据进行处理，按照数据融合评估算法得到一个逻辑通道的最优合成数据的过程。

所述数据融合评估算法是对每个物理通道的数据流的子帧的信号质量做评估，从数据失步、ID字的连续性、数据强度三个方面进行评估；从而选出相应的最佳物理通道的子帧数据作为输出，最终融合输出的是融合各个物理通道最优子帧的数据流。

所述数据失步是指数据丢失同步字；如丢失同步字，则判断为已失步，未失步的通道数据为可信数据。

所述ID字的连续性是指根据当前ID字与前一帧ID字的连续性，如果其中一路的数据ID字非连续，另一路的数据ID字连续，则判断为ID字连续的数据质量更好。

所述数据强度是对每一路PCM数据的同步字采用8倍过采样，与已知的同步字进行比较，将比较结果相同位数对应的结果记为1，对结果进行累加，若结果越大，则表示数据强度越好；若数据强度相同时，则进行帧计数判断；所述帧计数判断是对除同步字后的数据进行8倍过采样，取过采样后的数据的后3位数做参考，后3位数相同时则判决为1，然后对判决结果进行累加，累加结果越大，则表示帧数据质量越好。

所述滑动相关算法是指：将样本数字信号和采集到的数字信号按位对齐并不断滑动取异或之和计算相关值，寻找相关值最大时对应的数值。

所述同步字检测是指：对单路输入的数据信号进行串并转换，将信号存入同步移位寄存器，同时将预设同步字采用多位扩展方式与同步移位寄存器里的数据进行移位同或计算，同或结果为真值的数据即为同步字。

所述帧同步检测包括短帧同步和长帧同步，检测过程由FPGA的状态机实现，具体步骤如下：

S1状态：搜索同步字状态，如果收到同步信号，完成短帧同步，状态从S0转到S1状态；同时打开开窗计数器使能，开始计数，计数到预设帧长度值后，开窗计数器溢出信号有效，转到S2状态；

S2状态：等待同步字，确定是否为同步字还是误检测；关闭开窗计数器，使能窗宽计数器，搜索到同步信号后跳转到S3状态，否则收到窗宽计数器的溢出信号后返回S0状态，此时为误检测；

S3状态：同步锁定状态，下一个时钟转到S4状态进行数据处理；

S4状态：数据处理状态，使能开窗计数器，等待开窗计数器溢出信号，转到S5；

S5状态：同步锁定情况下的校核状态，当为正确的同步锁定状态时，仍然需要对帧同步码进行检测，关闭开窗计数器，使能窗宽计数器，搜索到同步信号后跳转到S3状态，否则收到窗宽计数器的溢出信号后跳转到S6状态；

S6状态：丢失一帧同步字，此时仍然按照正常帧同步锁定的情况下进行数据处理，同时打开开窗计数器使能，开始计数，开窗计数器溢出，转到S7状态；

S7状态：同步状态后的第二个校核状态，防止漏检测；关闭开窗计数器，使能窗宽计数器，搜索到同步信号后跳转到S3状态，否则收到窗宽计数器的溢出信号后跳转到S8状态，此时为误检测；

S8状态：连续两次没有检测到同步字，此时仍然进行数据处理，同时打开开窗计数器使能，开始计数，开窗计数器溢出，转到S9状态；

S9状态：最后一个校核态，如果仍检测不到同步字，就转入S10失步状态；

S10状态：失步状态，下一状态转到S0。

实施例2

作为本发明又一较佳实施例，参照说明书附图1、2、3和4，本实施例中处理的信号是遥测接收机输出的模拟基带信号，基带信号可以是标准TTL信号，也可以是其他类型的信号；本实施例以对四路基带信号数据融合为例，描述数据融合的实现方法。

（一）通过过采样技术把基带信号转换成数字信号进行处理；

（二）通过滑动相关算法对转换后的数字信号进行同步检测；所述同步检测分为同步字检测和帧同步检测；根据检测得到的同步字和帧同步信号完成数据对齐处理；然后将对齐处理后的数据存储到FIFO存储器中；

所述同步字检测是指：对单路输入的数据信号进行串并转换，将信号存入同步移位寄存器，同时将预设同步字采用多位扩展方式与同步移位寄存器里的数据进行移位同或计算，同或结果为真值的数据即为同步字；

所述帧同步检测包括短帧同步和长帧同步，检测过程由FPGA的状态机实现，具体步骤如下：

S1状态：搜索同步字状态，如果收到同步信号，完成短帧同步，状态从S0转到S1状态；同时打开开窗计数器使能，开始计数，计数到预设帧长度值后，开窗计数器溢出信号有效，转到S2状态；

S2状态：等待同步字，确定是否为同步字还是误检测；关闭开窗计数器，使能窗宽计数器，搜索到同步信号后跳转到S3状态，否则收到窗宽计数器的溢出信号后返回S0状态，此时为误检测；

S3状态：同步锁定状态，下一个时钟转到S4状态进行数据处理；

S4状态：数据处理状态，使能开窗计数器，等待开窗计数器溢出信号，转到S5；

S5状态：同步锁定情况下的校核状态，当为正确的同步锁定状态时，仍然需要对帧同步码进行检测，关闭开窗计数器，使能窗宽计数器，搜索到同步信号后跳转到S3状态，否则收到窗宽计数器的溢出信号后跳转到S6状态；

S6状态：丢失一帧同步字，此时仍然按照正常帧同步锁定的情况下进行数据处理，同时打开开窗计数器使能，开始计数，开窗计数器溢出，转到S7状态；

S7状态：同步状态后的第二个校核状态，防止漏检测；关闭开窗计数器，使能窗宽计数器，搜索到同步信号后跳转到S3状态，否则收到窗宽计数器的溢出信号后跳转到S8状态，此时为误检测；

S8状态：连续两次没有检测到同步字，此时仍然进行数据处理，同时打开开窗计数器使能，开始计数，开窗计数器溢出，转到S9状态；

S9状态：最后一个校核态，如果仍检测不到同步字，就转入S10失步状态；

S10状态：失步状态，下一状态转到S0；

通过同步字检测和帧同步检测，可检测到附图1中遥测基带信号的同步字和同步帧即为可靠的数据。

（三）将不同物理通道的数字信号数据映射成逻辑通道数据，进行数据融合处理；即根据遥测信号通道数量建立物理通道数据存储空间（RAM），存储帧同步后的数据。同时根据融合指令建立逻辑通道，完成物理通道到逻辑通道映射，根据同步检测结果和指定的物理通道融合数据，选择信号质量最优的数据传输到地面监控；具体步骤如下：

步骤FF：物理通道映射成逻辑通道具有四种方式：一对一映射、二对一映射、三对一映射和四对一映射；

步骤FH：从逻辑通道上读取数据，处理数据流映射表中的参数，提取逻辑通道中短帧相关峰值最大的数据融合到输出缓冲区并输出。

物理通道是指实际输入的PCM信息接口；

逻辑通道是指融合后的数据流通道；

物理通道的数字信号数据映射成逻辑通道数据具有四种映射方式：一对一映射、二对二映射、三对一映射和四对一映射；

所述数据融合是指将设置好的映射方式，经多个物理通道的数据进行处理，按照数据融合评估算法得到一个逻辑通道的最优合成数据的过程。

数据流映射表中包含的各通道数据参数具体内容包括:

1)状态：短帧粗同步中、短帧细同步中、长帧同步中、已同步、未同步；

2)长帧同步时间基准：每次长帧同步后修改此时间基准；

3)短帧同步时间基准：每次短帧同步后修改此时间基准；

4)前四个短帧相关峰值P4；

5)前三个短帧相关峰值P3；

6)前二个短帧相关峰值P2；

7)前一个短帧相关峰值P1；

8)当前短帧相关峰值P0；

从上面技术方案的描述可以看出，本实施例提供了一种数据融合的方法。本实施例的特性在于，对原有的遥测数据按照信号质量进行实时筛选，选择出最优的遥测数据提供给地面监控。

Claims (6)

1.一种多位流多余度遥测数据流实时融合方法，其特征在于：包括如下步骤：

（一）通过过采样技术把PCM信号转换成数字信号进行处理；

（二）通过滑动相关算法对转换后的数字信号进行同步检测；所述同步检测分为同步字检测和帧同步检测；根据检测得到的同步字和帧同步信号完成数据对齐处理；

（三）将不同物理通道的数字信号数据映射成逻辑通道数据，进行数据融合处理；

物理通道是指实际输入的PCM信息接口；

逻辑通道是指融合后的数据流通道；

物理通道的数字信号数据映射成逻辑通道数据具有四种映射方式：一对一映射、二对二映射、三对一映射和四对一映射；

所述数据融合是指将设置好的映射方式，经多个物理通道的数据进行处理，按照数据融合评估算法得到一个逻辑通道的最优合成数据的过程；

所述数据融合评估算法是对每个物理通道的数据流的子帧的信号质量做评估，从数据失步、ID字的连续性、数据强度三个方面进行评估；从而选出相应的最佳物理通道的子帧数据作为输出，最终融合输出的是融合各个物理通道最优子帧的数据流；

所述数据强度是对每一路PCM数据的同步字采用8倍过采样，与已知的同步字进行比较，将比较结果相同位数对应的结果记为1，对结果进行累加，若结果越大，则表示数据强度越好；若数据强度相同时，则进行帧计数判断；所述帧计数判断是对除同步字后的数据进行8倍过采样，取过采样后的数据的后3位数做参考，后3位数相同时则判决为1，然后对判决结果进行累加，累加结果越大，则表示帧数据质量越好。

2.如权利要求1所述的一种多位流多余度遥测数据流实时融合方法，其特征在于：所述数据失步是指数据丢失同步字；如丢失同步字，则判断为已失步，未失步的通道数据为可信数据。

3.如权利要求1所述的一种多位流多余度遥测数据流实时融合方法，其特征在于：所述ID字的连续性是指根据当前ID字与前一帧ID字的连续性，如果其中一路的数据ID字非连续，另一路的数据ID字连续，则判断为ID字连续的数据质量更好。

4.如权利要求1所述的一种多位流多余度遥测数据流实时融合方法，其特征在于：所述滑动相关算法是指：将样本数字信号和采集到的数字信号按位对齐并不断滑动取异或之和计算相关值，寻找相关值最大时对应的数值。

5.如权利要求1所述的一种多位流多余度遥测数据流实时融合方法，其特征在于：所述同步字检测是指：对单路输入的数据信号进行串并转换，将信号存入同步移位寄存器，同时将预设同步字采用多位扩展方式与同步移位寄存器里的数据进行移位同或计算，同或结果为真值的数据即为同步字。

6.如权利要求1或5所述的一种多位流多余度遥测数据流实时融合方法，其特征在于：所述帧同步检测包括短帧同步和长帧同步，检测过程由FPGA的状态机实现，具体步骤如下：

S1状态：搜索同步字状态，如果收到同步信号，完成短帧同步，状态从S0转到S1状态；同时打开开窗计数器使能，开始计数，计数到预设帧长度值后，开窗计数器溢出信号有效，转到S2状态；

S2状态：等待同步字，确定是否为同步字还是误检测；关闭开窗计数器，使能窗宽计数器，搜索到同步信号后跳转到S3状态，否则收到窗宽计数器的溢出信号后返回S0状态，此时为误检测；

S3状态：同步锁定状态，下一个时钟转到S4状态进行数据处理；

S4状态：数据处理状态，使能开窗计数器，等待开窗计数器溢出信号，转到S5；

S5状态：同步锁定情况下的校核状态，当为正确的同步锁定状态时，仍然需要对帧同步码进行检测，关闭开窗计数器，使能窗宽计数器，搜索到同步信号后跳转到S3状态，否则收到窗宽计数器的溢出信号后跳转到S6状态；

S6状态：丢失一帧同步字，此时仍然按照正常帧同步锁定的情况下进行数据处理，同时打开开窗计数器使能，开始计数，开窗计数器溢出，转到S7状态；

S7状态：同步状态后的第二个校核状态，防止漏检测；关闭开窗计数器，使能窗宽计数器，搜索到同步信号后跳转到S3状态，否则收到窗宽计数器的溢出信号后跳转到S8状态，此时为误检测；

S8状态：连续两次没有检测到同步字，此时仍然进行数据处理，同时打开开窗计数器使能，开始计数，开窗计数器溢出，转到S9状态；

S9状态：最后一个校核态，如果仍检测不到同步字，就转入S10失步状态；

S10状态：失步状态，下一状态转到S0。

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