某型遥测地面站实时处理系统设计与实现

卢长海，张梦堃

(中国人民解放军91550部队，辽宁 大连 116023)

0 引言

遥测系统是航空、航天飞行器的重要组成部分，是飞行器不可缺少的重要分系统。在飞行试验的故障分析中，需要从遥测地面站获取的遥测数据中查找故障原因，确定故障部位。

遥测地面站主要用于获取目标飞行器的遥测参数[1-2]，经遥测处理终端挑点处理后把关键遥测参数送指挥控制中心进行实时显示，为地面指挥人员实时掌握目标飞行器的飞行状态、飞行轨迹提供关键信息。由于飞行试验的不可逆、高消耗等特点，快速、可靠地对飞行遥测数据进行实时处理对试验任务来说至关重要，是确保飞行试验安全、缩短研制周期、保证飞行试验成功的重要手段。同时，由于关键参数的实时解析，为装备操作手提供了直观的目标飞行状态和飞行轨迹，对丢失目标后的重新捕获奠定了基础。

1 系统组成与功能

遥测地面站主要由天线和信道部分、遥测接收基带和遥测解密预处理单元、GNSS外测分系统和对外数据交互和轨迹显示监控台组成，如图1所示。系统基于以太网转发的PCM数据流进行数据存盘、全帧数据显示、挑路数据的显示以及关键参数解析、参数阈值自动判决、参数的列表显示和曲线显示等功能。GNSS分系统用于接收遥测分路的卫星导航数据，包括伪距、伪距变化率、载波相位等信息，经差分解算完成目标定位、测速信息。若含有遥测图像信息，视频原始数据流经挑点送视频解码设备恢复出每秒25帧的模拟视频信息。

图1 实时处理系统的组成框图

2 系统特点

2.1 实时性强[3]

遥测地面站作为外场主要测控装备，是测量数据的重要来源，其特点是处理和测量同时进行，要求处理速度快、处理方法尽量简单。特别是特征点参数的判读，目标飞行状态的显示及舱内、外视频图像的实时传递，为飞行指挥、控制提供决策支撑。

2.2 信息量大

目前飞行器被测参数多达上千个，参数种类繁多，遥测传输码率普遍达到5～10 Mb/s，一个全帧大于16 KB，数据传输对装备内、外网传输造成一定的压力，若根据实时传递周期50 ms，每两个全帧数据一包发送会造成丢包现象。为解决该问题，需要从软硬件两方面着手，硬件方面把遥测接收、传输、处理通过同一高性能网络交换机来进行数据交互；软件方面在系统设计过程中要考虑避免软件嵌套，采用事件机制、多线程处理、大包分片等处理流程。

3 系统实现

3.1 软件设计需求

为兼顾多种型号任务的实时处理需求，实时处理功能模块要尽可能做到通用化，所以需采用模块化设计，使用统一的接口标准，方便系统功能扩展及二次开发。对各软件通用功能需进行统一设计、各功能模块单独封装，功能模块不进行功能组合，采用独立模块、独立功能方式设计[4]。软件采用C/S架构，可单机应用，也可实现基于网络的处理服务及多客户端显示形式的分布式升级拓展。图2所示为该遥测处理软件结构图。

图2 遥测处理软件结构

数据处理子系统配备数据分发子系统，可将处理前或者处理后的参数/数据块以点对点或者广播的形式分发，将部分参数分配给其他计算机处理，也有利于相关数据分配各个专业技术人员进行独立数据处理显示。如果部分数据需要用到用户自己专业的数据处理系统，通过此方法也可方便地实现对接。

3.2 数据处理需求

遥测参数可分为事件参数、模拟参数和数字量参数三类。事件参数又称为时间参数，反映事件的发生及发生时刻。模拟参数习惯上分为缓变参数和速变参数。按国军标《遥测系统术语》(GJB727-89)的定义，缓变参数通常指信号变化频率低于10 Hz的遥测参数[1-2]。速变参数一般可分为振动参数、冲击参数、脉动压力参数和噪声参数等，其中振动参数又包括低频振动、高频振动和POGO振动参数[4]。数字量参数指数字化的信息，如计算机输出的数据、图像以及以频率反映参数值的信号。

实时处理由于通信带宽等条件限制，实时处理参数也受到一定限制，一般只对时间指令参数和计算机字等进行处理，其他缓变参数只进行挑点处理[5]。速变参数在数据实时处理中一般不做要求，因此本文不涉及速变参数处理。

时间指令参数是反映某一事件或控制指令是否发生及发生时刻的参数，如火箭起飞触点接通时间、耗尽关机信号时间及爆炸螺栓起爆时间等；另一个是控制系统发出控制命令时间,如发动机点火指令时间、星箭分离指令时间和发动机关机时间等。

指令参数通常有电平跳变类型指令、位控类型指令和数字量指令等表现形式。

遥测数据分路后，每路模拟量、帧计数等参数在任一时刻对应的数值均为0～255之中的一个十进制数，将其称为分层值，用X表示。

模拟量的计算公式为：Y=A1X+A0，其中Y为被测模拟量信号，A1、A0为公式的系数。

数字量参数也叫计算机字[1]，指采用数字计算机进行制导计算的飞行器，在飞行中将弹上计算机计算的秒节点时间、特征点时刻、视速度、视位置、姿态角等结果，以一定速率经数字变换器送给遥测系统。计算机字的处理一般按照专用遥测参数处理要求和方法进行，通常按照字拼接、字识别、参数计算等几个步骤进行。

3.3 设计实现

遥测实时处理软件功能模块组成框图如图3所示，包含遥测数据收发模块，数据挑路处理模块，模拟量、开关量、数字量处理模块以及物理量恢复模块等，根据实时任务特点进行配置。

图3 实时处理软件功能模块组成框图

软件采用多线程机制[6]，遥测信息接收与数据处理、挑点发送分属不同线程并行执行。通过单写多读锁机制来完成读写线程同步，接收端采用网络事件机制来获取网卡读数据的网络通知，发送端依据时码板中断信息发送处理后的挑点数据。这些手段的采用，保证了遥测挑点信息的快速处理与实时传递。关键代码如下：

typedefstructSingleWriterMultiReaderGuard {

HANDLE hMutexNoWriter;

HANDLE hEventNoReaders;

HANDLE hSemNumReaders;

} SWMRG,*PSWMRG;

//读写锁

c_SWMRG.SWMRGWaitToRead()

c_SWMRG.SWMRGDoneReading()

c_SWMRG.SWMRGWaitToWrite()

c_SWMRG.SWMRGDoneWriting()

//多线程处理

CWinThread* m_pRecvThread;

CWinThread* m_pSendThread;

CWinThread* m_pProcessThread;

CWinThread* m_pUIThread;

3.3.1 全帧数据整理

实时处理系统根据接收遥测全帧结构来处理帧数据，首先根据副帧同步码(如0x146F)来确认全帧结构的第一个处理子帧。设子帧长度为LFSP，时码长度为LT，读取长度为LFSP+LT的数据进行判断，若搜索到同步码，则标识为1，若搜到同步码反码，则标识为0。

子帧计数是子帧中专门用来计数的数据字，为循环计数，通常分为高、低位或高、中、低位。以高、低位0～255 循环计数为例，帧计数低位SL取值从0开始至255 后归零；帧计数高位SH取值从0开始，当帧计数低位归零一次后，SH递增1。从图形上看，帧计数低位呈现锯齿状，帧计数高位呈现台阶状。联合帧计数信息一是可以确认全帧是否正常解密，二是可以明确是否为完整全帧。

3.3.2 挑点参数的处理

采用通用遥测挑点技术，应用软件通过加载不同的遥测参数配置，可以方便地完成包括子帧、副帧和特殊副帧等不同挑路类型以及模拟量、数字量和开关量等不同数据类型的遥测参数挑路[7]。对于模拟量、开关量一般按副帧参数处理，在遥测帧的固定位置通过子帧波道号和副帧波道号挑点，按分层值恢复物理量。在挑点过程中，首先读取挑点配置文件信息，根据配置的帧结构信息，确定主帧长、副帧长、主副帧的同步码，先找到副帧同步码组所在的子帧，判断其下一个子帧同步码是否为主帧同步码，这样得到一个全帧的第一子帧，按照帧结构信息判断是否是一个完整全帧。

视频数据和部分特殊数字量信息大都占用多个遥测波道，经挑路处理后通过网络送图像解码器或专用接收终端进行恢复处理，比如某些GNSS数据。

数字量参数处理情况比较复杂一些。首先，读取挑点参数配置文件信息，除了帧结构信息外，还需要知道几种类型的数字量和每个数字量的长度，以及分别所占的波道以及帧头、帧尾信息和参数特征字。然后对全部波道按子帧波道进行重新组帧，若遥测帧有连续多个填充信息，还需根据数据处理要求对遥测数据进行预处理，去掉填充内容，否则易造成挑出数字量信息位置错乱，若填充信息出现在帧头里面，则会造成挑点数据无有效信息。经过预处理后，再通过数字量包含的帧头信息和数字量长度，读取一个完整的数字量帧，经过对帧尾的检验和全帧的校验和判断，找到所需要的数字量帧，这样就可以根据特征字信息对该帧进行解析分解，分解处理流程如图4所示。注意在解析过程中还要判断是否有分帧信息、是否需要解密、传输是大端模式还是小端模式，这些都需要在飞行试验前进行确认。

图4 数字量处理流程图

4 试验验证

系统建成后经过在实验室模拟测试和遥测地面站测试，实时处理软件主要功能满足设计要求，在对外实时传输测试中，主要对软件的健壮性、数据丢包率和传输时延进行测试。在测试中发现，若用数据时间作为对外传输状态码的判断依据，有发送状态码无效情况。经问题排查，主要由下面两方面原因引起：一是遥测基带按全帧发送策略，发送之前需要全帧整理，因此网络发送时间有随机性，不完全按照帧频信息发送，造成数据处理快于数据接收，在等待新数据包情况下，显示遥测状态为失锁；二是由于实时传输数据类型多样，有时该帧可能没有有效数据，这样就造成状态码无效，但此时遥测锁定正常，因此未能实时反映装备状态。在改进版本中，在发送端采用接收数据包作为判断依据，若遥测数据处理终端未收到新的遥测数据包则继续发送前一帧信息，若数据没有更新，则需将发送状态置无效。经模拟测试和飞行试验验证，实时处理系统满足实时性要求，丢包率和对外传输时延满足网络传输要求。数据处理软件界面如图5所示。

图5 数据实时处理软件部分界面

5 结论

该遥测实时处理系统完成了关键参数的采集、处理、显示、存储及网络收发等功能，为目标飞行器提供实时监控和显示，并给出相应的快速判决结果。实时处理系统把遥测解密后的明文数据按实时显现要求，把模拟量、开关量、数字量、卫星导航数据和视频数据流等分路挑出，其中关键遥测参数和数字量信息经重新组帧，按照约定信息格式通过网络发送给指挥控制中心。目前该系统已在多个型号的飞行试验中得到验证，系统根据参数阈值自动判决，在目标发生故障隐患时，可及时做出异常提醒，为决策提供依据，缩短研制周期、保证飞行试验安全。