CN113934804A - 一种深空探测航天器控制分系统遥测参数自动判读方法 - Google Patents

Abstract

一种深空探测航天器控制分系统遥测参数自动判读方法，包括：A.数据访问层中的数据提取模块获取遥测参数，然后利用基于数据配置的遥测处理方法获取解码遥测；B.业务逻辑层主要是对遥测参数按照专家信息库进行分析判读，数据判读及分析模块自动加载并解析专家信息库，匹配判读规则，然后等待接收遥测数据，执行自动判读分析，最终按照文档库模型自动形成判读报告；存储模块将判读结果及数据结果保存到数据库；C.表现层中的数据显示及报警模块主要用来显示遥测参数的数据信息以及判读结果。本发明能够有效解决传统判读方法覆盖性不足，判读效率低，以及误判、漏判问题，为提升航天器地面判读智能化程度提供了有力支持。

Description

一种深空探测航天器控制分系统遥测参数自动判读方法

技术领域

本发明涉及一种以首次火星探测任务为背景的深空探测航天器控制分系统遥测参数自动判读方法，属于航天器测试技术领域。

背景技术

遥测参数判读是深空探测航天器控制分系统地面测试和在轨过程中的重要环节，遥测数据判读结果是评估控制分系统性能以及单机工作是否正常的重要依据，通过遥测数据判读，能实时发现问题，并通过遥测数据分析排查问题，解决问题。

传统遥测参数判读方法主要依赖人工完成，以实时判读，离线判读两种方式相结合。实时判读是在测试或者在轨期间，对每一拍数据进行实时判读，但考虑到遥测参数数量多，判读时间有限，仅能依据先前经验进行关键遥测的判读，覆盖性严重不足。离线判读是在测试结束或者在轨断电后，将数据库的遥测数据导出，进一步分析，判读。该方法覆盖性强，但判读效率低，累计花费的时间成本比较多，直接影响到多任务的开展和并行进度，严重不符合判读要求。另外通过人工判读，极易出现误判漏判问题，该方法完全依赖于判读人员的经验值以及细致程度，不能完全保证判读的有效性，不能及时发现问题，导致控制分系统出现异常。

深空探测航天器控制分系统在分系统测试、整器测试、靶场测试以及飞控阶段遥测数据量庞大，数据类型繁多，对数据的实时性，一致性和可靠性分析要求极高。另外，通常一个事件是否正确执行需要多个遥测联合判读，提高遥测判读的准确性和有效性，如火星着陆巡视器着陆成功事件的判断，需要速度，触地信号以及加速度等遥测联合判读。目前使用的遥测自动判读方法判读规则过于单一，仅能根据设定的要求值或者区间范围进行数据判读。火星探测器任务期间依次经历近地环境、行星际环境和火星环境，需要多次变轨和制动，探测器状态实时变化，仅依赖于单一的判读规则并不能对遥测正确判读。另外，火星探测器在轨时间长，工况复杂，采用固定的要求值或者区间可能出现误判的情况。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对现有技术的不足，提供了一种深空探测航天器控制分系统遥测参数自动判读方法，能够有效解决传统判读方法覆盖性不足，判读效率低以及误判、漏判问题，为提升航天器地面判读智能化程度提供了有力支持。

本发明的技术方案是：

一种深空探测航天器控制分系统遥测参数自动判读方法，包括步骤如下：

1)接收下传到地面站的遥测参数，对火星进入舱GNC分系统遥测参数进行分类处理，遥测参数的类型包括：模拟量遥测和数字量遥测；模拟量遥测分为：恒定模拟量、区间模拟量和趋势变化模拟量；数字量遥测分为：状态数字量、独立数字量和关联数字量；

2)根据火星进入舱GNC分系统遥测参数类型，设计专家信息库；获得遥测参数对应的判读规则，实现自动判读，获得判读结果；

3)在测试结束后，获得所有判读结果，利用专家信息库对判读结果进行统计，获得火星进入舱GNC分系统最终的测试判读结果。

本发明与现有技术相比优点在于：

1)本发明申请针对深空探测航天器控制分系统遥测参数种类多，一致性要求高的特点，建立了专家信息库。专家信息库包含基础判读规则以及定制判读规则，按照不同型号的特殊要求实时更新专家信息库，使判读规则更加精细化。现有的判读方式过于简单，仅定义遥测参数的参数范围进行数判读，不适应于所有遥测参数。特别是深空探测航天器实时动态变化，固定的遥测范围并不适用。通过建立专家信息库，提高了判读的准确性以及通用性。

2)本发明申请针对遥测参数数据量庞大，遥测处理快速性的要求高的特点，采用基于数据配置的遥测数据处理方法。利用协议配置模块，添加遥测参数的代号、字节长度以及数据类型，自动完成封装，编译成单独的XML文件。不同的航天器遥测数据定义的XML应用格式和方法一致。测试软件可共用，仅需要加载相关型号的XML文件即可，通用性强。传统的遥测数据处理方式需要软件开发单位基于XML语言编写解码协议，数据格式的变更会造成测试软件的频繁更新升级，操作流程复杂，通用性差。通过数据配置的遥测数据方法，可以在线实现遥测格式的修改，提高遥测解码的有效性和可靠性。

3)本发明申请针对测试数据判读的实时性要求高的特点，利用数据判读及分析模块对遥测参数进行自动判读，并根据文档库模型自动生成数据分析报告。传统的方法需要人工对数据进行分析统计，按照用户要求编写报告。效率低，累计花费的时间较长，无法满足深空探测航天器的高效判读要求。通过该方法，可以在数据接收完毕后迅速完成数据分析报告。

附图说明

图1在轨程序维护系统组成图。

图2在轨维护及验证系统流程图。

具体实施方式

本发明一种深空探测航天器控制分系统遥测参数自动判读方法，包括步骤如下：

1)接收下传到地面站的遥测参数，对火星进入舱GNC分系统遥测参数进行分类处理，遥测参数的类型包括：模拟量遥测和数字量遥测；模拟量遥测分为：恒定模拟量、区间模拟量和趋势变化模拟量；数字量遥测分为：状态数字量、独立数字量和关联数字量；

2)根据火星进入舱GNC分系统遥测参数类型，设计专家信息库；获得遥测参数对应的判读规则，实现自动判读，获得判读结果；

所述专家信息库的设计方法具体为：

专家信息库主要包含实现功能、遥测参数类型、遥测参数代号、遥测参数名称、遥测参数判读规则。

实现功能包含数据实时判读结果和数据统计分析结果。遥测参数代号由型号确认，从MARS0001到MARS1000依次编号。遥测参数名称由型号确认，按照其表征的含义进行自定义。

遥测参数判读规则按照火星探测器型号任务需要，对每种遥测参数类型设计了判读规则。

步骤2)所述自动判读的方法，具体为：

2.0)若遥测参数类型为恒定模拟量或状态数字量则转入步骤2.1)；若遥测参数类型为区间模拟量或独立数字量则转入步骤2.3)；若遥测参数类型为关联数字量则转入步骤2.5)；若遥测参数类型为趋势变化模拟量则转入步骤2.6)。

2.1)根据通信协议和指标要求，获得正常状态对应的唯一性判读阈值；

2.2)根据唯一性判读阈值，判读遥测数据是否满足条件，若满足条件则将遥测参数放入正常参数序列，并进入步骤2.9)，反之，则判定数据异常进行报警，将遥测参数放入错误参数序列，并进入步骤2.9)；

2.3)获得标称工况下的设计范围并作为第一包络范围，获得历史数据统计得到的包络范围作为第二包络范围；取第一包络范围和第二包络范围中范围较小的作为数据包络判读阈值；

2.4)根据数据包络判读阈值，判读遥测数据是否满足条件，若满足条件则将遥测参数放入正常参数序列，并进入步骤2.8)，反之，则判定数据异常进行报警，将遥测参数放入错误参数序列，并进入步骤2.8)；

2.5)若当前遥测参数所表征的状态性能正常，则判读与当前遥测参数相关事件的性能是否表征当前遥测参数所表征的状态性能正确，若是则将遥测参数放入正常参数序列，并进入步骤2.9)，反之，则判定数据异常进行报警，将遥测参数放入错误参数序列，并进入步骤2.9)；若当前遥测参数所表征的状态性能不正常，则判定数据异常进行报警，将遥测参数放入错误参数序列，并进入步骤2.9)；

2.6)利用最小二乘法，获得历史数据拟合出的一条曲线作为理论参考曲线；

2.7)根据数据曲线相似度，结合有限回卷时间，在有限时间窗口内判断遥测数据变化趋势是否满足条件，若满足条件则将遥测参数放入正常参数序列，并进入步骤2.9)，反之，则判定数据异常进行报警，将遥测参数放入错误参数序列，并进入步骤2.9)；

2.8)根据获得所有遥测参数当拍数据，实时更新数据包络判读阈值；比如控制计算机二次电压大小与控制计算机的温度有关，控制计算机温度遥测包络范围为[-40℃，60℃]，地面测试温度遥测一般为[10℃，30℃]，得到的控制计算机二次电压遥测最小包络范围为[3.50V，3.56V]，并以此作为包络判读阈值的初值。当进行热试验时，控制计算机温度遥测包络范围[-40℃，60℃]，通过得到的温度遥测，根据搜素算法得到对应的二次电压遥测阈值为[3.40V，3.60V]，实时更新数据包络判读阈值，从而对二次电压遥测给出正确的判读结果。

2.9)重复步骤2.1)～2.8)，获得所有遥测参数对应的正常参数序列和错误参数序列；将正常参数序列和错误参数序列作为判读结果。

3)在测试结束后，获得所有判读结果，利用专家信息库对判读结果进行统计，获得火星进入舱GNC分系统最终的测试判读结果。

利用专家信息库对判读结果进行统计的方法，具体为：

数据统计规则主要有：均值、方差、变化锐度、跳变次数。

遥测参数数据统计按照火星探测器型号任务需要，设计了统计规则。若遥测参数类型为恒定模拟量或状态数字量则转入步骤3.1)；若遥测参数类型为独立数字量则转入步骤3.2)；若遥测参数类型为区间模拟量则转入步骤3.3)。其余类型遥测参数不再进行数据统计分析。

3.1)按照迭代方法，统计前后拍遥测参数数据的跳变次数，判断跳变次数是否为0，若跳变次数为0且遥测参数在错误参数序列，则将该遥测参数移入待定参数序列，并进入步骤3.4)；反之，不改变遥测参数所属序列，并进入步骤3.4)。

3.2)计算遥测参数的均值和方差。方差诊断阈值以0.02为限。若遥测数据变化方差不在方差诊断阈值以内且在正常序列，则将该遥测参数移入待定参数序列，并进入步骤3.4)；反之，不改变遥测参数位置，并进入步骤3.4)。

3.3)按照迭代方法，计算设定间隔时间内(火星进入舱设定为40s)计算遥测数据变化锐度，诊断阈值为区间范围的0.2倍为限。若遥测数据变化锐度不在诊断阈值以内且在正常序列，则将该遥测参数移入待定参数序列，并进入步骤3.4)；反之，不改变遥测参数位置，并进入步骤3.4)。

3.4)根据获得所有遥测参数对应的正常参数序列、待定参数序列和错误参数序列，获得火星进入舱GNC分系统最终测试结果。正常参数序列表征：位于正常参数序列的遥测参数表明测试正常，满足测试要求。待定参数序列表征：位于待定参数序列的遥测参数需要人工进行判断确认，最终给出判读结果。错误参数序列表征：位于错误参数序列的遥测参数表明测试异常，不满足测试要求。

实施例

一种深空探测航天器控制分系统遥测参数自动判读方法，根据遥测参数的特点及判读要求，提供了数据判读，一致性分析等功能。该系统包括：数据访问层，业务逻辑层以及表现层。数据访问层获取遥测源码，并对其按照遥测协议解码成工程值。业务逻辑层主要是对数据访问层中的工程值进行处理操作，自动调用专家信息库，按照对应的判读规则进行严格判读，按照文档库模型自动形成数据分析报告。遥测参数工程值和判读结果发送到表现层，即人工交互界面，用户可在界面上直观查看判读结果。同时，设计了广播发送模块，将遥测显示及判读结果广播给其他外部订阅系统。

本发明公布了一种深空探测航天器控制分系统遥测参数自动判读方法，系统组成及软件方案如图1和图2所示。

(一)数据访问层

数据访问层由两个模块组成，数据提取模块和数据配置处理模块。数据提取模块，根据规定的航天器编号、数据标识、信息标识以及数据帧结构等完成数据交互配置，从而获取控制分系统相关的遥测参数源码，并将遥测参数源码发送至数据配置遥测处理模块等待处理。数据配置遥测处理模块，利用协议配置软件定义遥测参数格式，然后利用测试软件在线或者离线解析遥测参数得到工程值。协议配置软件和测试软件独立执行。在线或者离线修改遥测参数格式时，不会影响测试软件的正常执行。

(二)业务逻辑层

数据访问层获取的遥测工程值发送至业务逻辑层进行自动判读。业务逻辑层包括数据判读及分析模块以及存储模块。数据判读及分析模块，自动调用专家信息库对遥测数据进行判读分析，并将分析结果按照文档库模型自动生成数据分析报告。存储模块将遥测参数的工程值以及遥测判读结果保存到数据库，供用户查询数据以及测试结果。根据遥测判读的特点，将遥测数据判读方法分为基础判读和定制判读，基础判读包括唯一性判读和数据包络判读判读。定制判读包括事件判读、数据曲线相似度判读和一致性判读。测试结束后，对测试数据进行统计分析，最终给出判读结果。判读方法具体为：：

1)唯一性判读

唯一性判读是按照参数的理论值进行判读，即通过判读遥测参数X工程值是否为a的判读规则进行判读。多适用于判断航天器产品状态。

2)区间性判读

区间性判读是按照给定的区间范围以及包络范围进行判读。给定的区间范围一般覆盖航天器整个研制及在轨期间的所有工况，区间范围比较大。仅仅依据给定的区间范围并不能及时发现遥测参数发生的细微异常变化。本发明申请在满足给定区间范围的基础上增加了包络范围判断，结合研制过程中的最大值和最小值得到包络区间，判断该遥测是否在其区间范围，并给出判断结论。

3)关联参数判读

通常判断在轨动作是否执行时，需要对多个相关遥测进行联合判读，仅给出单一遥测数据无法说明航天器状态是否正常。传统的判读规则并没有涉及到关联性参数判读，容易造成分系统性能和单机性能判读不够准确，出现漏判、漏判问题。例如，火星探测器配平翼展开是否正确执行，需要判断配平翼展开标志，配平翼展开有效标志以及马赫数等遥测，通过对相关遥测进行联合分析得出配平翼展开是否正确执行。考虑到深空探测航天器在轨动作多，状态复杂，关联参数较多，本发明申请提出了关联性参数判读。以在轨动作或者指令为核心，自动调用其关联参数进行联合判读，最终给出判读结果。

4)数据曲线相似度判读

数据曲线相似度判读是按照通过历史数据拟合的理论参考曲线进行判读。根据数据曲线相似度，对有限窗口内的遥测数据变化趋势进行判读。

5)数据统计

在测试完成后，对所有测试数据进行统计分析，一般统计的方法主要有：均值、方差、变化锐度、跳变次数。通过统计分析，能识别出测测试过程出现的跳变异常。

6)一致性判读

一致性判读是将历次测试数据以及在轨数据通过包络线、趋势等判读方法，对数据变化规律进行判断。在对测试数据进行判断且判断正确的基础上，对分系统或者产品的不同阶段的关键参数进行一致性比对分析，识别疑点，及时发现问题。通过一致性判断，能识别出遥测出现的细微变化以及变化趋势。

数据判读结束后，自动形成数据判读报告。数据判读报告可以使用户全面了解分系统性能，利用表格的形式将关键指标进行统计计算，给出正确或者错误的判断结论。利用图的形式，将关键遥测整个过程进行描述，便于用户发现遥测的细小变化或者异常跳动。利用文字的形式详细描述测试环境，测试时间，测试人员等测试基线内容，便于用户完成测试记录。

(三)表现层

表现层包括数据显示及分析模块和广播发送模块。数据显示及分析模块主要是向用户提供遥测参数信息和判读结果，并对超差数据进行报警。根据用户需求可以将遥测参数以图和表等方式显示。遥测参数的信息主要包括遥测参数代号，遥测参数名称，遥测参数工程值。根据数据判读及分析模块输出的判读结果，将异常遥测参数标红报警。根据用户要求，选择一个或者多个遥测实时显示参数曲线，曲线的横纵坐标范围可由用户设定，便于用户直观观察相关遥测变化过程。该数据显示及分析模块可以便于用户实时查看遥测，对异常数据及时发现。同时在测试结束后，基于测试分析报告，能在较短的时间内对测试的有效性以及测试结果全面掌握。同时，表现层的广播发送模块用于将数据显示及分析模块的遥测数据以及数据判读结果通过广播的形式发送给其他订阅的外系统。操作步骤可以概括为以下几步：

1)自动读取数据显示及分析模块中本地IP以及端口号，设定该模块计算机为发送方；

2)添加接收方的传输协议，端口号以及IP地址等相关信息；

3)打开广播建立连接；

操作完毕后，发送方可以向设定的所有接收方发送信息。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

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)

1.一种深空探测航天器控制分系统遥测参数自动判读方法，其特征在于，包括步骤如下：

1)接收下传到地面站的遥测参数，对火星进入舱GNC分系统遥测参数进行分类处理，遥测参数的类型包括：模拟量遥测和数字量遥测；模拟量遥测分为：恒定模拟量、区间模拟量和趋势变化模拟量；数字量遥测分为：状态数字量、独立数字量和关联数字量；

2)根据火星进入舱GNC分系统遥测参数类型，设计专家信息库；获得遥测参数对应的判读规则，实现自动判读，获得判读结果；

3)在测试结束后，获得所有判读结果，利用专家信息库对判读结果进行统计，获得火星进入舱GNC分系统最终的测试判读结果。

2.根据权利要求1所述的一种深空探测航天器控制分系统遥测参数自动判读方法，其特征在于，步骤2)中专家信息库的设计方法具体为：

专家信息库主要包含实现功能、遥测参数类型、遥测参数代号、遥测参数名称、遥测参数判读规则；实现功能包含数据实时判读结果和数据统计分析结果。

3.根据权利要求2所述的一种深空探测航天器控制分系统遥测参数自动判读方法，其特征在于，遥测参数代号由型号确认，从MARS0001到MARS1000依次编号。

4.根据权利要求3所述的一种深空探测航天器控制分系统遥测参数自动判读方法，其特征在于，遥测参数名称由型号确认，按照其表征的含义进行自定义。

5.根据权利要求3或4所述的一种深空探测航天器控制分系统遥测参数自动判读方法，其特征在于，步骤2)所述自动判读的方法，具体为：

2.0)若遥测参数类型为恒定模拟量或状态数字量则转入步骤2.1)；若遥测参数类型为区间模拟量或独立数字量则转入步骤2.3)；若遥测参数类型为关联数字量则转入步骤2.5)；若遥测参数类型为趋势变化模拟量则转入步骤2.6)。

2.1)根据通信协议和指标要求，获得正常状态对应的唯一性判读阈值；

2.2)根据唯一性判读阈值，判读遥测数据是否满足条件，若满足条件则将遥测参数放入正常参数序列，并进入步骤2.9)，反之，则判定数据异常进行报警，将遥测参数放入错误参数序列，并进入步骤2.9)；

2.3)获得标称工况下的设计范围并作为第一包络范围，获得历史数据统计得到的包络范围作为第二包络范围；取第一包络范围和第二包络范围中范围较小的作为数据包络判读阈值；

2.4)根据数据包络判读阈值，判读遥测数据是否满足条件，若满足条件则将遥测参数放入正常参数序列，并进入步骤2.8)，反之，则判定数据异常进行报警，将遥测参数放入错误参数序列，并进入步骤2.8)；

2.5)若当前遥测参数所表征的状态性能正常，则判读与当前遥测参数相关事件的性能是否表征当前遥测参数所表征的状态性能正确，若是则将遥测参数放入正常参数序列，并进入步骤2.9)，反之，则判定数据异常进行报警，将遥测参数放入错误参数序列，并进入步骤2.9)；若当前遥测参数所表征的状态性能不正常，则判定数据异常进行报警，将遥测参数放入错误参数序列，并进入步骤2.9)；

2.6)利用最小二乘法，获得历史数据拟合出的一条曲线作为理论参考曲线；

2.7)根据数据曲线相似度，结合有限回卷时间，在有限时间窗口内判断遥测数据变化趋势是否满足条件，若满足条件则将遥测参数放入正常参数序列，并进入步骤2.9)，反之，则判定数据异常进行报警，将遥测参数放入错误参数序列，并进入步骤2.9)；

2.8)根据获得所有遥测参数当拍数据，实时更新数据包络判读阈值；

2.9)重复步骤2.1)～2.8)，获得所有遥测参数对应的正常参数序列和错误参数序列；将正常参数序列和错误参数序列作为判读结果。

6.根据权利要求5所述的一种深空探测航天器控制分系统遥测参数自动判读方法，其特征在于，步骤3)中，利用专家信息库对判读结果进行统计的方法，具体为：

3.0)若遥测参数类型为恒定模拟量或状态数字量则转入步骤3.1)；若遥测参数类型为独立数字量则转入步骤3.2)；若遥测参数类型为区间模拟量则转入步骤3.3)；其余类型遥测参数不再进行数据统计分析；

3.1)按照迭代方法，统计前后拍遥测参数数据的跳变次数，判断跳变次数是否为0，若跳变次数为0且遥测参数在错误参数序列，则将该遥测参数移入待定参数序列，并进入步骤3.4)；反之，不改变遥测参数所属序列，并进入步骤3.4)；

3.2)计算遥测参数的均值和方差；若遥测数据变化方差不在方差诊断阈值以内且在正常参数序列，则将该遥测参数移入待定参数序列，并进入步骤3.4)；反之，不改变遥测所属序列，并进入步骤3.4)；

3.3)按照迭代方法，在设定间隔时间内计算遥测数据变化锐度，若遥测数据变化锐度不在诊断阈值以内且在正常参数序列，则将该遥测参数移入待定参数序列，并进入步骤3.4)；反之，不改变遥测参数所属序列，并进入步骤3.4)；

3.4)根据所有遥测参数对应的正常参数序列、待定参数序列和错误参数序列，获得火星进入舱GNC分系统测试判读结果。

7.根据权利要求6所述的一种深空探测航天器控制分系统遥测参数自动判读方法，其特征在于，步骤3.2)中，方差诊断阈值不大于0.02。

8.根据权利要求7所述的一种深空探测航天器控制分系统遥测参数自动判读方法，其特征在于，步骤3.3)中，诊断阈值不大于区间范围的0.2倍。

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