CN109962742B - 便携式遥测数据监测平台及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及便携式遥测数据监测平台及监测方法，该监测平台包括发送端和地面接收端两部分，发送端包括传感器、变换器、编码器和发射机等设备，完成数据的采集、编码和发射；接收端包括接收机、数据处理模块、记录模块和显示模块，完成遥测数据的接收、记录、解析、平滑处理和界面显示工作。本发明监测方法通过数据监测平台的软件实现，简化了硬件结构，提高了系统便携性和灵活性；采用改进的Garrote阈值的小波方法进行数据平滑处理，极大地降低了误差带来的影响，使数据测量值更接近真实值，并通过文本界面和曲线界面相结合的方式进行显示，使地面监测人员能够更直观、准确的掌握飞行器运行状态，提高系统维护和故障分析效率。

Description

便携式遥测数据监测平台及监测方法

技术领域

本发明属于遥测参数监测技术范畴，具体涉及一种便携式遥测数据监测平台及监测方法。

背景技术

在飞行器正式飞行前，通常需要做大量的测试验证工作，以对飞行器运行参数进行故障分析，确保实际飞行时的安全。随着科技的发展，各类传感器的增多，在实际的遥测数据监测系统中，所需测量的飞行器运行参数种类越来越多，数据量越来越大，增加了遥测数据监测系统中数据解析和故障监测的难度。

传统遥测数据监测大多采用硬件结构来进行数据采集和处理工作，设备体积较大、不便于携带，且缺乏灵活性。此外，由于振动、电磁干扰及传播途径等因素的影响，飞行器参数记录会不可避免的存在随机测量测量误差，常用遥测参数去噪方法大多存在拟合误差大、适用性弱等缺点，对于同一遥测任务，需要采用多种不同的去噪算法进行数据平滑，加大了系统实现的难度和复杂度。

发明内容

本发明提出了一种便携式遥测数据监测平台及监测方法，解决现有技术中的问题。

为了达到本发明的目的，本发明提出的方案如下：

便携式遥测数据监测平台，包括数据发送端和地面接收端；所述数据发送端包括机上采集模块和发射机，机上采集模块包括多个智能传感器、变换器和编码器，所述多个智能传感器与变换器相连接，变换器与编码器相连接，编码器与发射机相连接；所述接收端包括数据接收模块、数据存储模块、数据处理模块和显示模块，所述数据接收模块与数据处理模块连接，数据接收模块的接收机接收遥测数据包并实时的传输给数据处理模块，数据处理模块与数据存储和数据显示模块相连接，将处理后的参数通过显示模块进行曲线和文本界面显示，或者由存储模块进行保存。

进一步的，所述数据处理模块包括数据解析模板、数据回放模块和平滑处理模块。

进一步的，所述多个智能传感器包括温湿度传感器、空速传感器和方向传感器。

监测平台的监测方法如下：

用户根据任务要求进行工程配置，确定待测特征参量类型和数据帧中所占通道，将基于IRIG 106标准PCM帧格式文件保存在数据库中，该文件供机上采集模块和数据处理模块调取应用；

机上采集模块的多个智能传感器采集设备运行状态的特征参量，并将特征参量实时的传输给变换器；

变换器将信号转换后发送给编码器；

编码器将变换器输出的多路特征参量汇集到一起进行采样和数字化，然后传输给发射机；

发射机将编码器输出的群信号进行载波调制形成遥测电信号发射到空间，供地面接收端接收和处理；

地面接收端的数据接收模块接收遥测电信号，将信号进行载波调制得到原始群信号，并根据数据接收模块的指令要求进行数据传输；

数据接收模块首先对数据帧进行帧同步字完整性判断，然后进行数据分路、浮点数转换和工程量数据转换工作；根据帧同步字位置和帧长度判断数据帧是否完整，并将异常数据帧剔除；通过字符转换算法将16位二进制数字信号转换为浮点型数据，通过不同智能传感器所对应的工程量数据转换模型将物理量转换为实际采集的工程量数据，并将工程量数据发送到平滑处理模块；

平滑处理模块采用改进的Garrote阈值小波方法对解析后的遥测参数进行去噪处理，并将平滑后数据值和曲线通过显示模块进行界面显示，或者将平滑后参数保存在存储模块中，供数据回放模块对历史数据库的数据进行回放测试。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明便携式遥测数据监测平台及监测方法将数据帧完整性判断、数据分路、A/D转换和工程量数据转换通过软件实现，简化了遥测数据监测平台的硬件结构，解决了传统遥测数据监测平台体积大，不便携带，灵活性差的问题；通过数字化界面显示和曲线界面显示相结合的方式，供地面监测人员能够更直观、准确的掌握飞行器运行状态，提高系统故障分析效率；

2.本发明便携式遥测数据监测平台的监测方法，基于IRIG 106标准进行遥测参数编码和传输，能够将不同类型的参数基于PCM帧结构进行统一编码，解决了传统多路传输方式存在的参数类型多、数据量大，解析难度大的问题；

3.本发明基于IRIG 106标准的监测方法，采用改进的小波分层Garrote阈值函数进行参数去噪处理，能够同时在时域和频域上进行信号分析，有效分离出真实信号，降低了误差带来的影响，提高了参数测量精度；并且由于小波基函数的种类多的特点，此去噪方法对多类遥测参数均适用，提高了系统的适用性。

附图说明

图1为本发明所述便携式遥测监测平台整体结构的模块连接示意图；

图2为本发明所述便携式遥测监测平台的整体结构工作原理图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。

参见图1，本发明便携式遥测数据监测平台，包括数据发送端和地面接收端；所述数据发送端包括机上采集模块和发射机，机上采集模块包括多个智能传感器、变换器和编码器，所述多个智能传感器与变换器相连接，变换器与编码器相连接，编码器与发射机相连接；所述接收端包括数据接收模块、数据存储模块、数据处理模块和显示模块，所述数据接收模块与数据处理模块连接，数据接收模块的接收机接收遥测数据包并实时的传输给数据处理模块，数据处理模块与数据存储和数据显示模块相连接，将处理后的参数通过显示模块进行曲线和文本界面显示，或者由存储模块进行保存。

数据处理模块包括数据解析模板、数据回放模块和平滑处理模块。

多个智能传感器包括温湿度传感器、空速传感器和方向传感器。

参见图2，本发明监测平台的监测方法如下：

用户根据任务要求进行工程配置，确定待测特征参量类型和数据帧中所占通道，将基于IRIG 106标准PCM帧格式文件保存在数据库中，该文件供机上采集模块和数据处理模块调取应用。

机上采集模块的多个智能传感器采集设备运行状态的特征参量，并将特征参量实时的传输给变换器。

变换器是将传感器输出的信号放大为适合采集的规范化电压信号，并将信号发送到编码器。

编码器将变换器输出的多路信息参量汇集到一起进行采样和数字化，将不同的参量信号按照遥测IRIG 106标准PCM帧格式编辑成适合单一信道传送的群信号，即通过抽样、量化和编码三个过程，将模拟信号转化成二进制数字信号，将来自多个数据源的数据打包到一种基于PCM帧的结构里进行传输，并将采集后的数据传输给发射模块。

发射机将编码器输出的群信号进行载波调制形成遥测电信号发射到空间，供地面接收端接收和处理。

地面接收端的数据接收模块接收遥测电信号，将信号进行载波调制得到原始群信号，并根据数据接收模块的指令要求进行数据传输。

数据接收模块首先对数据帧进行帧同步字完整性判断，然后进行数据分路、浮点数转换和工程量数据转换工作；根据帧同步字位置和帧长度判断数据帧是否完整，并将异常数据帧剔除；通过字符转换算法将16位二进制数字信号转换为浮点型数据，通过不同智能传感器所对应的工程量数据转换模型将物理量转换为实际采集的工程量数据，并将工程量数据发送到平滑处理模块。

平滑处理模块采用改进的Garrote阈值小波方法对解析后的遥测参数进行去噪处理，并将平滑后数据值和曲线通过显示模块进行界面显示，或者将平滑后参数保存在存储模块中，供数据回放模块对历史数据库的数据进行回放测试。

本发明的测量原理如下：

由于飞行器遥测参数在采集和传输过程中会受到各种各样的干扰，测量数据不可避免的受到噪声的影响，出现尖点、毛刺等现象，大大影响了系统设备维护和故障分析的效率。为避免数据噪声带来的干扰，使数据显示更加接近真实值，需要将信号中的噪声进行去除，平台采用改进Garrote阈值的小波方法进行参数去噪处理，能够同时在时域和频域上进行局部分析。本发明采用的分层阈值小波去噪包括选取小波基函数、确定分解层数、进行阈值处理及小波信号重构四个模块。首先根据待监测参数处理要求选择合适的小波基函数；然后确定分解层数，由于有用信息的小波系数只聚集在小波空间内的一少部分系数且幅值较大，而噪声的小波系数则遍布整个小波域，并且幅值较小，因此，需要筛选一个适宜的阈值和阈值方程对小波每层分解产生的高频系数进行量化，抑制噪声的小波系数，依据设定的临界值，小波域的阈值方程更趋向于留取阈值方程中幅值大的小波系数，同时更倾向于将噪声的小波系数降为零。最后，对新得到的小波系数进行小波逆变换，即可重构出原始信号估计值，即用小波分解后产生的低频小波系数和各层分解后经过阈值函数量化处理后的高频小波系数来重构信号，完成信号去噪。

平台采用温湿度传感器对飞行器机舱温度、湿度数据进行采集，接收端通过接收机接收PCM编码数据帧，然后通过无线或有线传输方式将数据帧传输到接收端由数据处理模块进行数据帧解析和平滑处理。

软件接收UDP包数据，将接收的数据包存放在缓冲区，为了提高数据处理的时效性，对于缓存区数据读取，通过双指针边读取边写入，平台软件从存储区中读取数据帧，每秒读取帧数为25个，将依次读取到的数据帧存放在Buffer中；接着进行数据解析处理。

软件平台定义帧同步字符号为“Fe6B2840”，用来判断一个数据帧的起始位置，并结合子帧的长度32字节，来判断数据帧是否完整，直到遇到下一个同步字代表一个数据帧读取完成。当遇到下一个同步字时，如果子帧数据长度不够，则代表数据有丢失，则将帧直接删除。

接着，根据软件平台中最初的任务工程文件配置分别将温度数据、湿度数据和空速数据保存在不同的文件中，方便数据转换实现。

数据转换包括字符转换和工程量数据转换。首先将二进制编码格式的数据转换为浮点数，然后，通过公式H＝100*a和H＝100*a-40将电压值转换为湿度值和温度值。

数据解析完成后，采用基于bior5.5的2层阈值小波进行去噪，小波去噪方法一维信号模型为s(k)＝f(k)+δ*e(k)，s(k)为含噪声信号，f(k)为原始信号，e(k)描述的是非高斯噪声信号。

阈值函数采用改进的Garrote阈值函数，即在改进Garrote函数基础上，对每个分解尺度采用不同的阈值。当|ω_j,k≥λ|时，

当|ω_j,k<λ|时，

其中，λ_j为j尺度的阈值，

j为分解尺度，σ＝median(|ω_j,k|/0.6745)。当ω_j,k→∞时，

说明新函数保留了硬阈值函数的优点；当ω_j,k→±λ时，高阶幂函数

说明新函数在λ_j处连续。由于n是变量，比Garrote阈值函数灵活性好，通过调节它可以获得最好去噪效果。

改进的Garrote阈值函数定义中可以得出，当n→∞时，这种函数趋近于硬阈值函数；当n＝1时，ω_j,k>λ则

而ω_j,k<-λ则

也就是说n＝1时新函数等同于软阈值函数。通常，当信号比较平滑时，n的选取范围在1到2内，去噪性能相对较优，在原始信号不连续的情况下n取大于2的值是合理取值。

接着通过显示模块将经过改进的Garrote阈值小波处理后的飞行器温度数据平滑曲线和文本数据进行界面显示。

本方案所述便携式遥测数据监测平台，通过将遥测技术与计算机技术相结合，实现了地面接收端的软件化设计，基于IRIG 106标准PCM帧格式进行任务软件工程配置，提高了遥测监测系统的灵活性和便携性，解决了传统多路传输方式存在的参数类型多、数据量大，解析难度大的问题；通过采用改进的Garrote阈值小波方法进行参数去噪处理，降低了参数测量误差，能够有效的进行数据平滑曲线显示；并通过文本和曲线相结合的方式显示出来，供地面监测人员能够更直观、准确的掌握飞行器运行状态，提高系统故障分析效率。

上述虽然对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员可作出各种修改、替换或变形。

Claims (1)

1.便携式遥测数据监测平台，其特征在于，包括数据发送端和地面接收端；所述数据发送端包括机上采集模块和发射机，机上采集模块包括多个智能传感器、变换器和编码器，所述多个智能传感器与变换器相连接，变换器与编码器相连接，编码器与发射机相连接；所述接收端包括数据接收模块、数据存储模块、数据处理模块和显示模块，所述数据接收模块与数据处理模块连接，数据接收模块的接收机接收遥测数据包并实时的传输给数据处理模块，数据处理模块与数据存储和数据显示模块相连接，将处理后的参数通过显示模块进行曲线和文本界面显示，或者由存储模块进行保存；

所述数据处理模块包括数据解析模块、数据回放模块和平滑处理模块；

所述多个智能传感器包括温湿度传感器、空速传感器和方向传感器；

所述监测平台的监测方法如下：

用户根据任务要求进行工程配置，确定待测特征参量类型和数据帧中所占通道，将基于IRIG 106标准PCM帧格式文件保存在数据库中，该文件供机上采集模块和数据处理模块调取应用；

机上采集模块的多个智能传感器采集设备运行状态的特征参量，并将特征参量实时的传输给变换器；

变换器将信号转换后发送给编码器；

编码器将变换器输出的多路特征参量汇集到一起进行采样和数字化，然后传输给发射机；

发射机将编码器输出的群信号进行载波调制形成遥测电信号发射到空间，供地面接收端接收和处理；

地面接收端的数据接收模块接收遥测电信号，将信号进行载波解调得到原始群信号，并根据数据接收模块的指令要求进行数据传输；

数据解析模块首先对数据帧进行帧同步字完整性判断，然后进行数据分路、浮点数转换和工程量数据转换工作；根据帧同步字位置和帧长度判断数据帧是否完整，并将异常数据帧剔除；通过字符转换算法将16位二进制数字信号转换为浮点型数据，通过不同智能传感器所对应的工程量数据转换模型将物理量转换为实际采集的工程量数据，并将工程量数据发送到平滑处理模块；

平滑处理模块采用改进的Garrote阈值小波方法对解析后的遥测参数进行去噪处理，并将平滑后数据值和曲线通过显示模块进行界面显示，或者将平滑后参数保存在存储模块中，供数据回放模块对历史数据库的数据进行回放测试；

改进的Garrote阈值小波方法具体为：

在改进Garrote函数基础上，对每个分解尺度采用不同的阈值，当|ω_j,k≥λ|时，

当|ω_j,k＜λ|时，

其中，λ_j为j尺度的阈值，

j为分解尺度，σ＝median(|ω_j,k|/0.6745)， 当ω_j,k→∞时，

当ω_j,k→±λ时，高阶幂函数

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