CN111555791B - 一种高可靠高频率的卫星无线数据采集系统及方法 - Google Patents

一种高可靠高频率的卫星无线数据采集系统及方法 Download PDF

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Abstract

一种高可靠高频率的卫星无线数据采集系统及方法，属于空间技术领域。本发明包括采集单元和若干敏感单元，所述采集单元与敏感单元之间通过无线网络进行通信；每个敏感单元包括敏感部件和至少四个存储缓冲区。采集单元和敏感单元的频率不同，两级频率解决了高速采集与无线时延大之间的矛盾，四区缓存解决了无线时延波动大会引起数据丢拍、重拍的问题，该方法能够应用于大挠性体卫星及其部件的振动测量系统中，满足了挠性辨识算法的需求，实现了数据高可靠高频率采集。

Description

一种高可靠高频率的卫星无线数据采集系统及方法
技术领域
本发明涉及一种高可靠高频率的卫星无线数据采集系统及方法，属于空间技术领域。
背景技术
卫星上传统的通信接口为RS422、1553总线、CAN总线等有线通信接口，虽然传输时序稳定可靠，但是需要铺设电缆网，既增加了系统重量又无法满足特定应用场景不能铺设电缆的需求。传统的无线数据采集技术大都应用于工业领域，对采集数据的可靠性、等周期性、实时性、采集频率要求不高。在航空航天等军工领域中，一般对数据的可靠性、等周期性、实时性、更新频率有较高的要求，比如振动测量、姿态测量、位置测量等，传统的无线数据采集技术无法满足在这些领域的应用需求。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种高可靠高频率的卫星无线数据采集系统及方法，两级频率解决了高速采集与无线时延大之间的矛盾，四区缓存解决了无线时延波动大会引起数据丢拍、重拍的问题，该方法能够应用于振动测量系统中，满足了挠性辨识算法的需求。
本发明的技术解决方案是：一种高可靠高频率的卫星无线数据采集系统，包括采集单元和若干敏感单元，所述采集单元与敏感单元之间通过无线网络进行通信；每个敏感单元包括敏感部件和至少四个存储缓冲区；
所述采集单元按采集单元采集周期向敏感部件发送采集指令，以及接收敏感部件发送的数据；
所述敏感部件用于按敏感单元采集周期进行每一拍数据的采集，并将采集到的每一拍数据依次存储在存储缓冲区中，当且仅当当前存储缓冲区存满数据时进入相邻的下一个存储缓冲区进行存储，若存储缓冲区中已有数据，则用新数据进行覆盖；同时将此时刻正在写入数据的存储缓冲区确定为写缓冲区，将与此时刻写缓冲区间隔一个存储缓冲区的存储缓冲区确定为读缓冲区；在接收到采集指令时，判断采集指令是否为第一次发送；若是，则将当前时刻的读缓冲区的数据发送至采集单元；若不是，则将与上一次采集指令时提取数据的存储缓冲区相邻的下一个存储缓冲区的数据发送至采集单元。
进一步地，所述采集单元采集周期不小于无线网络通信的最大时延。
进一步地，所述采集单元采集周期是敏感单元采集周期的整数倍。
进一步地，所述存储缓冲区存储的数据的拍数为采集单元采集周期/敏感单元采集周期。
进一步地，所述存储缓冲区的个数为四。
进一步地，根据所述的卫星无线数据采集系统实现的卫星无线数据采集方法，包括如下步骤：
采集单元按采集单元采集周期向敏感部件发送采集指令；
敏感部件按敏感单元采集周期进行每一拍数据的采集，并将采集到的每一拍数据依次存储在存储缓冲区中，当且仅当当前存储缓冲区存满数据时进入相邻的下一个存储缓冲区进行存储；若存储缓冲区中已有数据，则用新数据进行覆盖；同时将此时刻正在写入数据的存储缓冲区确定为写缓冲区，将与此时刻写缓冲区间隔一个存储缓冲区的存储缓冲区确定为读缓冲区；
敏感部件接收到采集指令时，判断采集指令是否为第一次发送；若是，则将当前时刻的读缓冲区的数据发送至采集单元；若不是，则将与上一次采集指令时提取数据的存储缓冲区相邻的下一个存储缓冲区的数据发送至采集单元。
进一步地，所述采集单元采集周期不小于无线网络通信的最大时延。
进一步地，所述采集单元采集周期是敏感单元采集周期的整数倍。
进一步地，所述存储缓冲区存储的数据的拍数为采集单元采集周期/敏感单元采集周期。
进一步地，所述存储缓冲区的个数为四。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)与传统卫星有线通信相比，该卫星无线数据采集系统通过无线方式通信，不需要铺设电缆，一方面可以大大减轻系统重量，另一方面可以解决某些应用场景无法铺设电缆的难题。
(2)与传统无线数据采集方法相比，本发明通过两级采集频率设计，解决了无线通信时延大无法进行高频率、等周期数据采集的问题。
(3)与传统无线数据采集方法相比，本发明通过四级缓存设计，解决了无线通信时延波动大会造成数据丢拍、重拍的问题，实现了数据高可靠高频率采集。
附图说明
图1为本发明卫星无线通信网络；
图2为本发明两级频率四区缓存无线数据采集原理图；
图3为本发明采集单元的采集时序图；
图4为本发明敏感单元的回数时序图；
图5为本发明敏感单元的测量时序图；
图6为本发明无线时延相对增大的工况时序图；
图7为本发明无线时延相对减小的工况时序图；
图8、9为本发明实施例1仿真结果图；
图10、11为本发明实施例2仿真结果图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明进行进一步解释和说明。
本发明描述了一种高可靠高频率的卫星无线数据采集系统及方法。具有采集测量功能的卫星无线通信网络如图1所示，由一个采集单元和多个敏感单元组成，设备之间的信息交互途径只有无线通信。采集单元负责对各敏感单元数据的采集，同时对采集的数据做存储或计算处理。敏感单元是具有某种测量功能的敏感器，由处理线路和敏感部件组成。该无线通信网络的功能为，实现采集单元对各敏感单元数据的高可靠高频率采集与处理。
一种高可靠高频率的卫星无线数据采集系统，包括采集单元和若干敏感单元，所述采集单元与敏感单元之间通过无线网络进行通信；每个敏感单元包括敏感部件和至少四个存储缓冲区；
所述采集单元按采集单元采集周期向敏感部件发送采集指令，以及接收敏感部件发送的数据；
所述敏感部件用于按敏感单元采集周期进行每一拍数据的采集，并将采集到的每一拍数据依次存储在存储缓冲区中，当且仅当当前存储缓冲区存满数据时进入相邻的下一个存储缓冲区进行存储，若存储缓冲区中已有数据，则用新数据进行覆盖；同时将此时刻正在写入数据的存储缓冲区确定为写缓冲区，将与此时刻写缓冲区间隔一个存储缓冲区的存储缓冲区确定为读缓冲区；在接收到采集指令时，判断采集指令是否为第一次发送；若是，则将当前时刻的读缓冲区的数据发送至采集单元；若不是，则将与上一次采集指令时提取数据的存储缓冲区相邻的下一个存储缓冲区的数据发送至采集单元。
本发明针对上述由采集单元与敏感单元组成的系统，设计了两级频率四区缓存的无线数据采集方法，原理图如图2所示。对该数据采集系统相关时间做如下定义：1)采集单元的采集周期为Tc；2)敏感单元处理线路的采集周期为Ts；3)采集单元发送采集指令时延为Tds；4)敏感单元回数时延为Tdr；5)采集单元采集链路双程的时延为Tda＝Tds+Tdr。
(一)两级频率设计
采集单元与敏感单元之间通过无线方式通信。敏感单元的处理线路以较高频率(周期为Ts)采集敏感部件的测量数据，将采集到的数据写到自身缓冲区中。采集单元以较低频率(周期为Tc)采集敏感单元的数据，每次采集的数据为一个由多拍敏感部件测量数据组成的包。通过这种两级频率采集的方式，解决了无线时延大不能高频率采集的问题。
因采集任务要求一个采集周期内可以收到敏感单元的回数，所以低频采集周期Tc和高频采集周期Ts的选择原则为：
1)Tc要大于最大可能的往返通信时延Tda。
2)Tc要满足具体任务的实时性需求。
3)Ts根据具体任务需要进行选择。
4)Tc应该是Ts的整数倍。
(二)四区缓存设计
敏感单元内部采用四个缓冲区(A、B、C、D)来存储敏感部件测量数据。每个缓冲区可存储的数据拍数为N＝Tc/Ts，即每Tc周期采集的敏感部件数据数量。敏感单元收到采集指令后会从某个缓冲区中读取数据，此操作使用的缓冲区定义为读缓冲区，敏感单元每Ts周期会采集敏感部件的测量数据并存储到某个缓冲区中，此操作使用的缓冲区定义为写缓冲区。因无线通信存在时延，且时延波动较大，所以采集指令到达敏感单元的时间波动较大。采用四缓冲区解决该问题的方法如下：
1)敏感单元上电后或接收启动指令后，从A区开始存储敏感部件测量数据，测量周期Ts。顺序为：A区存满存B区，B区存满存C区，C区存满存D区，D区存满存A区，如此往复，持续采集，直至敏感单元断电或收到停止指令。
2)采集单元以固定采集周期Tc通过无线向敏感单元发送采集指令。
3)采集单元判断是否第一次发送采集指令，如果不是则立即接收敏感单元回送的数据(即上一个采集指令对应的数据)。
4)敏感单元收到第一个采集指令后，确定读缓冲区与写缓冲区的关系，逻辑如下：
读缓冲区(定义为BUFFc)与写缓冲区(定义为BUFFs)前后分别间隔一个缓冲区，即：if BUFFs＝A则BUFFc＝C，if BUFFs＝B则BUFFc＝D，if BUFFs＝C则BUFFc＝A，if BUFFs＝D则BUFFc＝B。
5)敏感单元从收到第二个采集指令开始，读缓冲区BUFFc按顺序A->B->C->D->A…进行切换。
采集单元的采集时序如图3所示。
敏感单元的回数时序如图4所示。
敏感单元的测量时序如图5所示。
本发明所述的两级频率四区缓存方法能容忍的无线时延特性为：
a)无线通信往返时延Tda最大为Tc；
b)无线通信指令发送时延Tds可以在0～Tc范围内任意幅度波动。
其中a)条已经在第1章(一)两级频率设计中做了分析，下面对b)条做无线时延波动工况下的时序分析：
敏感单元的时序中对缓存有两种操作：写操作(测量时序)和读操作(回数时序)，写操作持续整个采集周期，读操作瞬间完成。根据数据连续完整的要求，在采集指令发送时延Tds在Tc内波动情况下，既不能出现写缓冲区追上读缓冲区的情况，也不能出现读缓冲区追上写缓冲区的情况。
(1)无线时延相对增大的工况(读缓冲区后退一区)
如图6所示的时延情况，具体分析如下：
Figure BDA0002434277930000061
写B区的过程中，收一个采集指令，将D区数据读走；
Figure BDA0002434277930000062
写C区的过程中，没有收到采集指令；
Figure BDA0002434277930000063
写D区的过程中，收到一次采集指令，因四区缓存的逻辑设计，读缓冲区后退一区，将A区数据读走；
Figure BDA0002434277930000064
写D区的过程中，又收到一次采集指令，将B区数据读走，之后恢复正常。
此方法，在时延突然增大时读缓冲区强制后退一区，避免了取数丢包的问题，保证了数据完整连续。
(2)无线时延相对减小的工况(读缓冲区前进一区)
如图7所示的时延情况，具体分析如下：
Figure BDA0002434277930000071
写B区的过程中，收到一个采集指令，将D区数据读走；
Figure BDA0002434277930000072
写C区的过程中，收到一次采集指令，将A区数据读走；
Figure BDA0002434277930000073
写C区的过程中，又收到一次采集指令，因四区缓存的逻辑设计，读缓冲区前进一区，将B区数据读走；
Figure BDA0002434277930000074
D区过程中没有收到采集指令，写A区过程中，收到一次采集指令，将C区数据读走，之后恢复正常。
此方法，在时延突然减小时读缓冲区强制前进一区，避免了读到重复包的问题，保证了数据完整连续。
上述分析结果表明，在无线通信时延大、时延波动大的情况下，采用该两级频率四区缓存的采集方法，可以保证高频率采集的数据实时连续完整，无丢包、无重包。
实施例
针对该采集方法，利用simulink/StateFlow搭建了仿真模型。本仿真中设定Tc＝1s，Ts＝0.025s(这两个时间可以根据实际需要进行设计)，Tda＝Tds，Tdr＝0。每个采集指令的延时时间Tds可以通过数组配置。
■实施例1：时延相对增大。
时延序列为[0.0,0.0,0.9,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0]。仿真结果如图8和9所示：
■实施例2：时延相对减小。
时延序列为[0.9,0.9,0.9,0.0,0.9,0.9,0.9,0.9,0.9]。仿真结果如图10和11所示：
上述仿真结果波形清楚的展示了，在无线时延相对增大和相对减小时，采集指令时序、数据更新时序、WriteBuff与ReadBuff的关系。仿真结果与第2节中的时序分析结果一致。上述仿真结果表明：在无线通信时延大、时延波动大的情况下，采用该两级频率四区缓存的采集方法，可以保证高频率采集的数据实时连续完整，无丢包、无重包。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种高可靠高频率的卫星无线数据采集系统，其特征在于：包括采集单元和若干敏感单元，所述采集单元与敏感单元之间通过无线网络进行通信；每个敏感单元包括敏感部件和至少四个存储缓冲区；
所述采集单元按采集单元采集周期向敏感部件发送采集指令，以及接收敏感部件发送的数据；
所述敏感部件用于按敏感单元采集周期进行每一拍数据的采集，并将采集到的每一拍数据依次存储在存储缓冲区中，当且仅当当前存储缓冲区存满数据时进入相邻的下一个存储缓冲区进行存储，若存储缓冲区中已有数据，则用新数据进行覆盖；同时将此时刻正在写入数据的存储缓冲区确定为写缓冲区，将与此时刻写缓冲区间隔一个存储缓冲区的存储缓冲区确定为读缓冲区；在接收到采集指令时，判断采集指令是否为第一次发送；若是，则将当前时刻的读缓冲区的数据发送至采集单元；若不是，则将与上一次采集指令时提取数据的存储缓冲区相邻的下一个存储缓冲区的数据发送至采集单元；
所述采集单元采集周期不小于无线网络通信的最大时延；
所述采集单元采集周期是敏感单元采集周期的整数倍。
2.根据权利要求1所述的卫星无线数据采集系统，其特征在于：所述存储缓冲区存储的数据的拍数为采集单元采集周期/敏感单元采集周期。
3.根据权利要求1所述的卫星无线数据采集系统，其特征在于：所述存储缓冲区的个数为四。
4.根据权利要求1所述的卫星无线数据采集系统实现的卫星无线数据采集方法，其特征在于，包括如下步骤：
采集单元按采集单元采集周期向敏感部件发送采集指令；
敏感部件按敏感单元采集周期进行每一拍数据的采集，并将采集到的每一拍数据依次存储在存储缓冲区中，当且仅当当前存储缓冲区存满数据时进入相邻的下一个存储缓冲区进行存储；若存储缓冲区中已有数据，则用新数据进行覆盖；同时将此时刻正在写入数据的存储缓冲区确定为写缓冲区，将与此时刻写缓冲区间隔一个存储缓冲区的存储缓冲区确定为读缓冲区；
敏感部件接收到采集指令时，判断采集指令是否为第一次发送；若是，则将当前时刻的读缓冲区的数据发送至采集单元；若不是，则将与上一次采集指令时提取数据的存储缓冲区相邻的下一个存储缓冲区的数据发送至采集单元。
5.根据权利要求4所述的卫星无线数据采集方法，其特征在于：所述采集单元采集周期不小于无线网络通信的最大时延。
6.根据权利要求4所述的卫星无线数据采集方法，其特征在于：所述采集单元采集周期是敏感单元采集周期的整数倍。
7.根据权利要求6所述的卫星无线数据采集方法，其特征在于：所述存储缓冲区存储的数据的拍数为采集单元采集周期/敏感单元采集周期。
8.根据权利要求4所述的卫星无线数据采集方法，其特征在于：所述存储缓冲区的个数为四。
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