一种多冗余遥测数据处理系统的设计

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(中国飞行试验研究院,西安 710089)

一种多冗余遥测数据处理系统的设计

刘升护,贾雨,杨哲

(中国飞行试验研究院,西安710089)

为解决现有实时遥测数据处理系统存在的可靠性低、操作性差等问题，通过分析实时遥测数据处理系统的原理和结构，设计了一套新型的多冗余遥测数据处理系统；通过对现有系统的服务器和客户端软件进行改造，增加服务器和客户端软件之间的状态信息交互功能，提出并使用了一种高效的遥测信号评估方法，从而实现监控终端软件对实时监控数据的最佳源选择，进而保证了遥测数据传输的稳定和可靠；经过多次飞行试验的测试，表明新系统完全满足目前试飞监控的需求，提高了遥测数据处理系统运行的可靠性和智能化，为试飞安全提供了坚实的保障。

飞行试验；多冗余；遥测数据处理系统；最佳源选择

0 引言

试飞安全是保证试飞活动的前提条件，而遥测监控是保证试飞安全的重要手段。在飞行试验中[1-2]，遥测天线跟踪飞行目标并接收其发射的遥测PCM (pulse code modulation)信号，然后通过遥测数据处理系统实现飞行试验的实时监控。因此遥测数据处理系统在航空飞行试验中具有重要的位置，是确保现代飞机试飞安全、提高试飞效率、缩短试飞周期、实现综合试飞的重要手段。

遥测数据处理系统的设计一直是遥测数据处理系统研发中的关键技术之一。随着目前试飞架次的增多和试飞科目的风险增大，以及遥测资源的变化，现有的实时数据处理系统存在可靠性低，操纵性差等缺点，已不能满足试飞监控的需求，因此急需对现有系统进行改造升级。本文通过研究现有遥测处理系统的结构，分析其中的不足之处，及由此而带来的操作性差问题，和其对试飞安全产生的影响。最后结合目前遥测监控的实际情况，对现有遥测数据处理系统进行了改进，从而设计了一套新型多冗余遥测数据处理系统。

1 现有遥测数据处理系统结构

在飞行试验中[3-4]，通常在飞机上加装遥测天线来发射无线遥测信号，将机载实时数据传输到地面。地面遥测接收机接收无线遥测信号，将其解调后送往实时处理服务器，服务器经过处理相关数据然后以组播的网络方式将数据送往视图驱动客户端，这时监控人员就可以通过客户端安装的监控软件实时观察飞机性能、位置等信息。因此飞行试验实时遥测系统通常可分为机载数据发送、地面遥测接收、前端实时处理和视图驱动显示客户端显示四部分，其中后三部分又组成遥测数据处理系统。系统数据传输如图1所示。

图1 现有遥测数据处理系统结构

现有遥测数据处理系统在保障我院科研试飞中起到了重要的作用，但依然存在一下问题：

①单链路传输模式，可靠性低。遥测接收机、前端处理服务器和视图驱动客户端为一一对应关系，在该链路上的每个设备出现故障都有可能影响遥测数据的质量。随着设备使用年限的不断增长，部分设备的可靠性程快速下降趋势，设备的维修率也不断增长。根据网络可靠性理论[5]，串联系统可靠性为该系统上的所有设备可靠性的乘积，因此随着各个设备可靠性的快速降低，系统可靠性成指数下滑，严重影响试飞安全的顺利进行。

②手动切换设备，占用时间长，操作性差。当遥测链路上的某一设备出现问题，需要切换其他设备时，则需要手动切换。如图1所示，假如数据处理服务器出现问题，不能正常工作，则需要其他服务器替代，工作人员除了在新服务器上设置相关操作，还需要在客户端进行相关操作，因此系统切换占用较长时间。在飞行试验中，有些动作就在瞬间完成，因此手动切换占用时间较长，不利于试飞安全。

③没有实现最佳数据源的选择。在遥测资源较多时候或者某一重要科目试飞，通常需要多个天线同时跟踪一个目标或者多个处理服务器处理同一个接收机的数据。由于设备的差异性，每个天线或者处理计算机都有其难以预料的问题，如延时、丢点等。因此在多个数据链路下寻找最佳数据源就显得至关重要。

2 新型多冗余遥测数据处理系统结构设计

为提高系统可靠性，新系统必须是多冗余链路，即从遥测数据发出到客户端接收到数据之间至少有不少于2条链路。然而在实际情况中，由于部分设备较为昂贵，数量有限，所以根据实际需求，设计了两种冗余模式：完全冗余链路模式和部分冗余链路模式。

完全冗余链路就是整个链路上的设备都有冗余，如图2所示，飞机的遥测数据通过两条完全独立的链路传到视图驱动客户端。由于两条链路完全独立，因而完全冗余链路的系统可靠性相比于单连璐系统正好提高了一倍。

图2 完全冗余链路模式系统结构

部分冗余链路模式即系统中只有部分设备采用冗余模式。如图3所示，该系统下只有数据处理服务器采用冗余模式，其他设备依然使用单连璐模式。在实际情况下，由于科研经费以及设备的可靠性程度差异较大，比如遥测天线和接收机的成本要比用于数据处理的台式机成本高得多，并且可靠性也高出不少，因此将数据处理服务器进行冗余备份，能够明显提高系统的总体可靠性，并且所需成本也最为适当。简而言之，部分冗余链路模式主题思路就是将系统中可靠性低的设备冗余备份，以提高整个系统的整体可靠性。部分冗余链路模式的可靠性介于单链路模式和完全冗余链路模式之间。

图3 部分冗余链路模式系统结构

总体来说，相比于完全冗余链路模式，部分冗余链路模式显的更为灵活，操作方便，可行性高，是未来新型系统的主要发展方向。

此外，冗余链路带来的一个问题就是最佳源选择，如何快速的在各个数据链路上进行切换，而又不影响遥测数据的准确性和及时性是接下来需要解决的又一个问题。本文分析如图2和图3所示的两种常用冗余链路模式，它们的最佳源选择主要在于视图驱动客户端对数据服务器的选择。显然传统的服务器和客户端已不能满足新系统的需求，因此需要重新设计基于冗余遥测网络的数据处理服务器和视图驱动客户端软件。

3 新型多冗余遥测数据处理系统的软件设计

3.1 系统软件结构

系统的软件主要由数据处理服务器软件和视图驱动客户端软件组成。数据处理服务器的主要功能是获取接收机数据，并依照格式格栅配置文件，对相关参数进行解算，最终将解算好的数据以及采集参数的参数名以组播的网络协议发送到视图驱动客户端。根据设计需求，新型视图驱动客户端需要在多个数据处理服务器之间进行最佳源选择，而选择的依据就是各个数据处理服务器的处理数据性能的好坏。因此，相比于现有前端实时数据处理服务器，新型服务器不仅发送参数名和工程数据，还要获取当前处理的数据质量状况，并与飞机信息等组成状态信息发送。该状态数据包括服务器名和当前飞机号以及接收到的遥测数据质量等信息。视图驱动客户端接收到服务器发送的状态数据，从中获取当前需要显示的飞机信息，通过判断遥测数据的质量好坏，决定使用那一台服务器发送的数据，从而获得最佳源数据。结构原理如图4所示。

图4 服务器和客户端软件结构原理图

3.2 服务器端数据质量的评估

如何正确评估数据处理服务器处理遥测数据的质量是系统实现的重要环节。正确的评估方法有利于客户端做出正确的选择。

目前，评估数据质量的方法有多种，主要如下两种：

①获取遥测接收机中信号的强度信号。一般情况下，信号强度越强，信号质量越好，数据处理的质量也越好。但也不是绝对成立的。这种方法较为简单，但是并不是所有接收机的信号强度信息都可以获取，并且部分飞机还存在信号强而质量差。因为信号强度只能表征接收数据的能力，并不能完全代表数据质量的好坏。

②统计最近一段时间内完整数据包的个数，计算数据的瞬时完整率。既然是计算瞬时完整率，则统计的时间不能过长，一般5～10秒钟就可以了。假设时间段为△t，则根据带头文件算出来每秒应收到的包数或者短帧数为M，在△t时间内实际接收到完整的数据包或者短帧为N。则该飞机在当前服务器上的瞬时数据完整率R的计算公式为：

R=(个/秒)

显然，瞬时完整率能够真实的反映在当前服务器上处理的数据质量。本文也采用这种评估方法。

3.3 服务器端软件设计

数据处理服务器软件由数据接收、参数提取、参数计算与存储、数据发送以及网络通信等模块组成。其运行流程图如图5所示。

图5 数据处理服务器软件设计流程图

软件接收到PCM数据，按PCM带头文件规定的数据存放位置，依次提取参数的码值，然后通过事先定义的算法将参数码值转换成实际物理量，即工程数据。服务器共发出两种数据，且都采用网络UDP组播的方式，一种是包括参数名和参数值的工程数据，另一种就是该服务器的状态数据。工程数据只需按规则打包处理过的数据，并使用该服务器的唯一地址和端口号进行发送。状态数据则需要被各个客户端接收，因此所有服务器的状态数据应该采用相同的组播地址和端口号。

根据实际需要，状态数据应该包含以下信息：①同步字和总字长，用于判断数据的合法性和正确性；②飞机号，每架飞机的唯一区分；③处理系统名称，所有服务器的唯一区分；④数据类型，1表示实时，0表示回放；⑤时间字，包括时分秒以及毫秒，判断数据是否延时，保证数据的及时性；⑥其他信息。格式如下所示：

typedef struct plane

{

unsigned short Syn; //同步字

unsigned short Length; //总字长

unsigned short Plane_Number; //飞机编号

unsigned short System_Name; //处理系统名称

unsigned short Date_Type; //数据类型 1--实时，0--回放

float Data_Quality; //信号质量

float Info[12]; //时间等其他信息

}airplane;

3.4 客户端设计

视图驱动客户端是连接数据处理服务器与监控软件的媒介，通过接收服务器发送的工程数据，然后将各个监控软件的需要的数据逐个分发。传统客户端通过设置接收数据的组播地址和端口号，即可接收到指定飞机的工程数据。新型客户端除接收工程数据外，还需要接收内部网络上的所有服务器发送的状态数据，通过状态数据获取正在处理处理指定飞机数据的服务器及该服务器数据的瞬时完整率，通过对比各个服务器的数据瞬时完整率从而选择最佳数据源。客户端设计运行流程图如图6所示。

图6 客户端设计流程图

4 工程应用

目前，该新型数据处理系统已经在某重点型号试飞监控中使用，保障了多个重点科目试飞的顺利进行。通过对新系统的测试发现，采用该系统后，遥测信号中断次数有明显的减少，视图驱动客户端在多个服务器之间进行最佳源选择无延时情况。因此，使用结果表明，系统完全满足实时监控数据的正确性和稳定性，监控质量得到了很好的提升。

5 结束语

本文通过分析现有遥测数据处理系统的不足之处，提出了一种基于多冗余模式的新型遥测处理系统的设计方法和思路，并在局域网中验证了客户端软件能够在多个数据源之间快速选择最优数据。使用表明多冗余的数据处理系统在提高系统运行的可靠性和遥测数据的准确性方面有着良好的表现。除此之外，文章还提出了一种评估实时处理服务器的遥测数据质量的方法，并给出了相关公式。随着型号任务的不断增多，以及对飞行安全的重视程度越来越高，该新型系统在未来的飞行试验中有着广阔的前景。

[1]张国旺,尚丽娜,祁 春,等.基于混合P2P网络的数据处理系统结构设计[J].科学技术与工程,2010(18)：4516-4520.

[2]于 艳,乔东风,张建琳, 分布式网络遥测数据处理系统软件设计[J].测控技术,2006(6):62-64.

[3]白效贤,乔东峰,于 艳,等. 采用C/S结构的遥测数据处理系统及其实现技术[J]. 计算机应用与软件，2006(7):68-70.

[4]黄晓波,杨 哲. 多模式试飞实时监控系统设计[J]. 现代电子技术，2012(22): 113-115.

[5]江逸楠,李瑞莹,黄 宁，等.网络可靠性评估方法综述[J]. 计算机科学，2012(5):9-13.

DesignofaMulti-redundantTelemetryDataProcessingSystem

Liu Shenghu, Jia Yu, Yang Zhe

(Chinese Flight Test Establishment, Xi’an 710089, China)

In order to solve the problem of low reliability and poor operation in the existing real-time telemetry data processing system, a new type of redundant telemetry data processing system is designed by analyzing the principle and structure of real-time telemetry data processing system. Through to transform the existing system's server and client software, and add the state information interaction between the server and the client software. In addition an efficient telemetry signal evaluation method is proposed and used to realize the real-time monitoring data’s best source selection for the monitoring terminal software. Thus the new system ensuring the telemetry data transmission is stable and reliable. After several flight tests, it shows that the new system fully meets the needs of current flight monitoring and improves the reliability and intelligence of telemetry data processing system, which provides a solid guarantee for flight safety.

flight test, multi redundancy, telemetry data processing system, optimal source selection;

2017-05-01；

2017-05-26。

刘升护(1987-)，男，陕西咸阳人，硕士研究生，工程师，主要从事飞行监控与数据处理方向的研究。

1671-4598(2017)11-0190-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.11.048

TP302

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