CN109726427A - 结合运载器飞行特征点的动态时间规整计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的结合运载器飞行特征点的动态时间规整计算方法，首先建立动态时间规整模型和建立距离计算模型，然后根据运载器飞行曲线读取飞行历程中的特征点时刻，截取特征点之间的飞行历程数据并进行判断，将正确的数据进行代入建立的动态时间规整模型中计算各分段区间内的DTW距离，最后计算各分段区间的距离的累计和。本发明公开的方法仅保留了原始测量数据关键点时刻的重要信息，同时对时间序列间错位的数据进行了同步化处理，使得匹配后的数据误差降低到最小，提高了后续故障诊断、数据挖掘等数据分析手段的可靠性。

Description

结合运载器飞行特征点的动态时间规整计算方法

技术领域

本发明属于航天测量与控制技术领域，涉及一种结合运载器飞行特征点的动态时间规整计算方法。

背景技术

航天运载器飞行过程中下传的遥测数据是一种典型的时间序列。在对其进行数据分析时，往往要借助距离计算的方法进行比对工作。应用欧式距离进行直接计算的传统方法，对时间曲线的伸缩和偏移的敏感性较大，同时由于时间序列分段处理所导致的数据信息丢失的现象也较为严重。针对以上问题，本申请提出了基于飞行特征点的动态时间规整计算方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种结合运载器飞行特征点的动态时间规整计算方法，解决了传统方法中有严重的数据信息丢失的问题。

本发明所采用的技术方案是，结合运载器飞行特征点的动态时间规整计算方法，具体操作过程包括如下步骤：

步骤1.建立动态时间规整模型；

步骤2.根据运载器在飞行过程中事先程序设定的特征点，如：各级发动机关机、级间分离、星箭分离等，将飞行历程时间序列分割成若干分段曲线，各特征点即为各分段曲线的起止时刻，按照飞行数据依据特征点个数将实际发生时刻分割成多条分段数据，这样可以保证各分段数据提供了相同物理含义的数据内容；

步骤3.在各分段曲线中，依据数据点数是否为零、数据值是否在设计范围内等条件，判断所截取的飞行历程数据是否正确，如果不正确，则直接结束，如果正确，则进行步骤4；

步骤4.将飞行历程数据代入到步骤1的动态时间规整模型公式3中得到各分段区间内的DTW距离，然后在将各分段DTW距离求和，计算得到整条曲线的距离累计和。

本发明的其他特点还在于，

步骤1的具体过程如下：

设某两次任务中，反映箭体飞行姿态的遥测数据时间序列为Q和C，它们的长度分别是n和m，则有：

Q＝q₁,q₂,…,q_i,…,q_n (1)

C＝c₁,c₂,…,c_j,…,c_m (2)

构建一个n×m阶的矩阵，矩阵的第(i,j)个元素就是两个时间序列的点q_i和c_j；

然后，令路径W表示时序Q和C之间的映射，定义第k个元素为w_k＝(i,j)_k，因此，得到一个规整路径集：W＝w₁,w₂,…,w_k,…w_K,max(m,n)≤K＜m+n-1；

寻找距离累计和最小的路径，基于动态最优的原则，在所有的路径中，距离累计和最小的路径可以通过渐增距离公式3得到：

其中：f(i,j)代表了q_i和c_j之间的距离累计和；d(q_i,c_j)为点q_i和c_j之间的欧氏距离，即d(q_i,c_j)＝(q_i-c_j)²；

当时序Q和C具有相同的长度，且i＝j＝k时，则公式3即为欧氏距离的计算公式。

规整后路径要求满足以下条件限制：

(1)边界条件：w₁＝(1,1),w_K＝(m,n)，规整路径必须从矩阵的起始位置处开始，在结束位置处结束；

(2)连续性：给定w_k＝(a,b),w_k-1＝(a',b')，则要求a-a'≤1和b-b'≤1，这要求规整路径每一步的设定都是连续的；

(3)单调性：给定w_k＝(a,b),w_k-1＝(a',b')，要求a-a'≥0和b-b'≥0，即要求路径必须是在时间轴上的单调增长。

本发明的有益效果是，结合运载器飞行特征点的动态时间规整计算方法，解决了传统方法存在严重的数据信息丢失的问题。本发明的方法不仅保留了原始测量数据关键点时刻的重要信息，同时对时间序列间错位的数据进行了同步化处理，使得匹配后的数据误差降低到最小，提高了后续故障诊断、数据挖掘等数据分析手段的可靠性。

附图说明

图1是本发明的结合运载器飞行特征点的动态时间规整计算方法的流程图；

图2是两次任务箭载控制系统参数对比图；

图3是结合飞行特征点的动态规整计算结果。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明的结合运载器飞行特征点的动态时间规整计算方法，具体操作过程包括如下步骤：

步骤1.建立动态时间规整模型(DTW)：

对于某次试验任务中特定运载器遥测参数而言，在同前序历史任务中同一参数进行曲线间距离计算，相似性匹配等问题，都归结于两任务间的遥测数据时序距离计算问题。

设某两次任务中，反映箭体飞行姿态的遥测数据时间序列为Q和C，它们的长度分别是n和m，则有：

Q＝q₁,q₂,…,q_i,…,q_n (1)

C＝c₁,c₂,…,c_j,…,c_m (2)

构建一个n×m阶的矩阵，矩阵的第(i,j)个元素就是两个时间序列的点q_i和c_j；

然后，令路径W表示时序Q和C之间的映射，定义第k个元素为w_k＝(i,j)_k，因此，得到一个规整路径集：W＝w₁,w₂,…,w_k,…w_K,max(m,n)≤K＜m+n-1；

规整后路径要求满足以下条件限制：

(1)边界条件：w₁＝(1,1),w_K＝(m,n)，简单地说，规整路径必须从矩阵的起始位置处开始，在结束位置处结束。

(2)连续性：给定w_k＝(a,b),w_k-1＝(a',b')，则要求a-a'≤1和b-b'≤1，这要求规整路径每一步的设定都是连续的。

(3)单调性：给定w_k＝(a,b),w_k-1＝(a',b')，要求a-a'≥0和b-b'≥0，即要求路径必须是在时间轴上的单调增长。

很显然满足上述条件的路径有很多，但是我们的目标是寻找距离累计和最小的路径，基于动态最优的原则，在所有的路径中，距离累计和最小的路径可以通过渐增距离公式3得到：

其中：f(i,j)代表了q_i和c_j之间的距离累计和；d(q_i,c_j)为点q_i和c_j之间的欧氏距离，即d(q_i,c_j)＝(q_i-c_j)²。

当时序Q和C具有相同的长度，且i＝j＝k时，则公式3即为欧氏距离的计算公式。

步骤2.根据运载器在飞行过程中事先程序设定的特征点，如：各级发动机关机、级间分离、星箭分离等，可将飞行历程时间序列分割成若干分段曲线，各特征点即为各分段曲线的起止时刻，按照飞行数据依据特征点个数将实际发生时刻分割成多条分段数据，这样可以保证各分段数据提供了相同物理含义的数据内容；

步骤3.在各分段曲线中，依据数据点数是否为零、数据值是否在设计范围内等条件，判断所截取的飞行历程数据是否正确，如果不正确，则直接结束，如果正确，则进行步骤4；

步骤4.将飞行历程数据代入到步骤1的动态时间规整模型公式3中得到各分段区间内的DTW距离，然后在将各分段DTW距离求和，计算得到整条曲线的距离累计和。

本发明的优势在于充分考虑到了各次飞行任务中，特征点发射时刻因任务实际需要而不尽相同。在计算两条任务曲线间的距离时，把相同物理含义的分段数据进行了计算。而传统的欧氏距离计算方法，仅仅机械性地计算曲线间对应点之间的距离和，没有考虑数据点背后的实际物理含义是否相同。由于各次飞行任务的不同弹道设计，各特征点实际发生时刻往往均不相同，如果采用欧氏距离进行计算时，参与运算的数据点之间不具备相同物理含义作为支持，计算结果不可信，而采用结合特征点的DTW距离计算公式，先把具有相同物理含义的数据点进行了分段，再进行距离计算，充分考虑了运载器飞行实际情况，保证了计算结果的可靠性和正确性。

具体实施例如下：

(1)数据准备

图2展示了任务I和任务II中箭载控制系统某参数的飞行曲线，从图上可以看出，由于发射对象不同而导致的飞行控制方案差异，使得控制曲线在趋势上大致相同，但特征点发生时刻不同，在图2中，两次任务虽然运载器飞行时长不同，但在整个飞行过程中，都具有含义和数量均相同的特征点。因此，可以将两次任务的飞行数据依据5个特征点的实际发生时刻分割成6条分段数据。这样可以保证各分段数据提供了相同物理含义的数据内容，如AB和A'B'代表的是一级关机和二级关机之间的该参数的数据表现。

(2)动态时间规整计算

结合运载器飞行控制方案和飞行曲线特征可知，两次任务的飞行特征点如表1所示；

表1两次任务飞行特征点时刻

利用以上的特征点设置，应用DTW技术，可以有效地生成距离计算的合理方案，从而完成曲线之间的动态规整，规整效果如图3所示，从图上可以看出，该计算方法可以有效地减少参与距离计算的数据点个数，从而大大地提高了后续数据挖掘和分析算法的运行效率。

Claims (3)

1.结合运载器飞行特征点的动态时间规整计算方法，其特征在于，具体操作过程包括如下步骤：

步骤1.建立动态时间规整模型；

步骤2.根据运载器在飞行过程中事先程序设定的特征点，如：各级发动机关机、级间分离、星箭分离等，可将飞行历程时间序列分割成若干分段曲线，各特征点即为各分段曲线的起止时刻，按照飞行数据依据特征点个数将实际发生时刻分割成多条分段数据，这样可以保证各分段数据提供了相同物理含义的数据内容；

步骤3.在各分段曲线中，依据数据点数是否为零、数据值是否在设计范围内等条件，判断所截取的飞行历程数据是否正确，如果不正确，则直接结束，如果正确，则进行步骤4；

步骤4.将飞行历程数据代入到步骤1的动态时间规整模型得到各分段区间内的DTW距离，然后在将各分段DTW距离求和，计算得到整条曲线的距离累计和。

2.如权利要求1所述的结合运载器飞行特征点的动态时间规整计算方法，其特征在于，所述步骤1的具体过程如下：

设某两次任务中，反映箭体飞行姿态的遥测数据时间序列为Q和C，它们的长度分别是n和m，则有：

Q＝q₁,q₂,…,q_i,…,q_n (1)

C＝c₁,c₂,…,c_j,…,c_m (2)

构建一个n×m阶的矩阵，矩阵的第(i,j)个元素就是两个时间序列的点q_i和c_j；

然后，令路径W表示时序Q和C之间的映射，定义第k个元素为w_k＝(i,j)_k，因此，得到一个规整路径集：W＝w₁,w₂,…,w_k,…w_K,max(m,n)≤K＜m+n-1；

在规整后的路径中寻找距离累计和最小的路径，基于动态最优的原则，在所有的路径中，距离累计和最小的路径可以通过渐增距离公式3得到：

其中：f(i,j)代表了q_i和c_j之间的距离累计和；d(q_i,c_j)为点q_i和c_j之间的欧氏距离，即d(q_i,c_j)＝(q_i-c_j)²；

当时序Q和C具有相同的长度，且i＝j＝k时，则公式3即为欧氏距离的计算公式。

3.如权利要求2所述的结合运载器飞行特征点的动态时间规整计算方法，其特征在于，规整后路径要求满足以下条件限制：

(1)边界条件：w₁＝(1,1),w_K＝(m,n)，规整路径必须从矩阵的起始位置处开始，在结束位置处结束；

(2)连续性：给定w_k＝(a,b),w_k-1＝(a',b')，则要求a-a'≤1和b-b'≤1，这要求规整路径每一步的设定都是连续的；

(3)单调性：给定w_k＝(a,b),w_k-1＝(a',b')，要求a-a'≥0和b-b'≥0，即要求路径必须是在时间轴上的单调增长。