基于单帧质量最优的遥测多站数据自动对接方法

舒传华， 孙 喜， 崔俊峰， 成红艳

(太原卫星发射中心技术部 太原 030027)

基于单帧质量最优的遥测多站数据自动对接方法

舒传华， 孙 喜， 崔俊峰， 成红艳

(太原卫星发射中心技术部 太原 030027)

在卫星发射等测控任务中，遥测数据包含的副帧量大，可又要数据处理速度快、处理结果质量好。针对这种情况，首次提出并实现基于单帧质量最优的多站数据自动对接方法，给出其中的关键步骤和单帧质量的判别准则，并对方法的应用效果进行全面分析。方法克服以往对接方法中的对接过程复杂、人工参与较多和多站数据无法最优利用等不足，有效缩短数据处理时间，充分挖掘了多站数据优势，较好修正电磁波传输延时。应用分析表明，方法具有有效性和可靠性，已多次应用于飞行任务数据处理中，效果良好。

遥测单帧； 副帧； 优先级； 自动对接； 对接数据

引 言

在卫星发射等测控任务中，地面各站遥测设备以接力方式接收记录遥测信息，其中很多遥测信息采用以特定遥测帧结构[1]数据块(副帧)为单位的循环帧序列数据结构。在地面作遥测数据处理[1～3]时，先获取各设备记录的原始数据，并对各个数据流进行质量检查，检查主要包括时码、帧同步码、副帧计数和乱散段等；接着根据检查结果对多站数据进行对接，形成一套完整的遥测全程记录数据即对接数据；再利用对接数据进行各类参数或块数据的原码分路；最后，由分路数据计算各类型参数结果。从处理流程可知，遥测数据处理结果使用的原码来源于对接数据，对接数据中每帧质量的好坏都直接体现在某些参数的处理结果上，可以说，对接数据的质量决定了处理参数结果的质量。因此，对接数据中每一个完整副帧的选择都至关重要，需要控制对接中每一个单帧的质量，即需要从多站数据流中识别出质量最好的那个全帧，使得对接数据中每一帧质量都是最好的，从而实现多站数据的最优利用和处理结果质量的最高。

在以往数据处理时，常采用基于遥测地面时间的分时段对接方法或后来改进的基于副帧计数的多站数据对接方法。其中分时段对接方法是设定在某一时段采用某站数据流，然后把各时段首尾连接起来最终接成对接数据。由于单帧量大而采纳的时段短，该方法无法控制对接数据中每一个单帧的选择，且分段时间设置和各段之间的时间衔接修正都需人工参与，因此对接过程变得复杂，速度受到较大影响；基于副帧计数的多站数据对接方法则没有考虑到在多站数据同时存在某一副帧时的副帧选择问题，因此没有充分利用多站数据优势，无法保证对接数据中每一帧质量都是最好的。当前面临的任务要求是数据处理速度快、处理结果质量好，为此本文提出了基于单帧质量最优的遥测多站数据自动对接方法。本文首先分析了影响数据帧质量的因子，然后提出了数据流中单帧质量优先级的自动判别方法，在多站数据对接时，先检查和修正各站数据流的副帧计数[4]，针对每一副帧数据，先判断各站该帧数据的优先级，再选用优先级最高的那站单帧数据，最终自动建立按照帧计数递增的每帧数据优先级都最高的帧序列数据文件，即多站数据的对接数据，供下一步数据分路使用。本文方法克服了以往对接方法中对接过程复杂、人工参与较多和多站数据无法最优利用等不足，确保了对接数据中每一全帧数据的质量和整个对接速度，为遥测数据又好又快处理奠定坚实基础。

1 多站数据自动对接方法流程与关键步骤

1.1 对接前的预处理工作

在多站数据对接前，需要对获取的各站原始记录数据进行一些必要的加工，即对接前的预处理工作[3]。如需要对各站数据流进行副帧质量检查并记录检查结果，其中副帧[1]是具有特定遥测帧结构的数据块，它主要包括子帧长、副帧长、子帧同步码、副帧同步码和副帧周期等状态参数，对于在两副帧同步码之间的某数据块副帧，副帧数据可能受飞行器尾焰影响、收发天线相对位置、电波传输等干扰，使得副帧结构不完整，主要表现在副帧数据块中丢失部分子帧，甚至直接丢失部分副帧，这种数据块副帧称为不完整副帧或乱散数据。通过检查副帧是否完整，获取全部完整副帧数据流，并按帧头时间依次记录下来，作为该站的预处理数据。对各站的预处理数据，统计每一副帧帧计数的正确与否，并记录下来，称之为原始帧计数质量；针对副帧计数在起飞时常常清零和副帧计数在计满后重新归零计数的问题，利用各帧帧头时间进行多站预处理数据各完整帧帧计数的统一修正[4]，以消除帧计数清零或帧计数误码带来的帧计数与数据帧可能不一一对应情况，确保一个帧计数对应一个数据帧，各预处理数据的同一帧对应的帧计数也相同。

1.2 单帧质量的因素分析

多站数据对接时，以各站形成的预处理数据为基础，再判别各站预处理流中某单帧的优先级。因此这里单帧均指完整的副帧，其结构是一个分别以子帧长和副帧长为长和宽的矩形块，其中子帧是以特定的子帧同步码结尾，副帧数据块是以特定的副帧同步码结尾，副帧计数位于矩形中特定位置。根据遥测副帧结构的特点，提出以统一修正过的帧计数、原始帧计数质量和工作弧段为优先级因子，衡量某单帧质量的优先级。测站中某副帧计数是否存在是相应完整副帧是否存在的标志，只在该帧存在的前提下才考虑帧数据的具体质量，通常情况下完整副帧数据的质量是完全可信的，是未受到干扰的，但受某些飞行动作或无线电传输干扰等方面的影响，完整副帧中部分数据也可能产生乱码，所以又增加了原始帧计数质量和工作弧段两个衡量因子；原始帧计数是具体存在于该副帧中的数据，它是否正确或出现乱散在一定程度上表征了该帧数据是否乱散；工作弧段是根据设备长期工作统计出来的一个良好工作时间段的先验值，利用某副帧所在的时间是否在该设备的弧段内这一简单判别法则，既节省了良好数据帧的搜索时间，又有效加快了对接速度。综上，优先级的制定原则为：三者都满足的优先级最高、帧计数和原始帧计数质量二者均满足的优先级次之，帧计数和工作弧段二者均满足的优先级再次之，只有帧计数满足的最次，各站对帧计数均不满足时不再考虑该帧计数对应的单帧。具体的基于单帧质量最优原则搜索判别某一副帧算法将在对接方法中给出。

1.3 自动对接方法流程

本文提出的基于单帧质量最优的遥测多站数据自动对接方法流程如下：

①设置对接数据时段为数据处理方案中预定的处理时段；

②设置各站预处理数据的时段为对接数据时段；

③配置各站已知的测量工作弧段；

④对各站数据流进行副帧质量检查，并生成该站在相应时段内的预处理数据；

⑤统计各站预处理数据原始帧计数的质量并记录；

⑥统一修正各站预处理数据的帧计数，并记录修正结果；

⑦统计所有测站预处理数据统一修正过的帧计数的共同最大、最小值；

⑧按照帧计数从小到大顺序，从各站中选用优先级最高的相应站单帧，按照一个浮点型的帧头时间和一个完整副帧数据块的格式写入对接数据文件。

其中在从各站中选用优先级最高的相应站单帧时，按照各站开始接收到遥测信息的先后顺序依次循环，具体到某一帧计数对应的单帧判别时，当前的搜索站为对接数据中上一帧计数单帧使用的测站，以此测站为起始点，按照各站开始接收到遥测信息的先后顺序循环判别，当碰到优先级比较起来最高的测站就终止搜索，记下该测站，同时将该站单帧写入对接数据，若各站对优先级最低(即只有帧计数满足条件)都不成立，则表明该帧计数对应的单帧在各站预处理数据中均不存在，不再考虑该帧数据，进入到下一帧计数搜索判别。具体的基于单帧质量最优的搜索判别某一副帧算法在下文中叙述。

已知按照各站开始能接收到遥测信息的先后顺序排列的四个测站依次为A、B、C、D四站，当前已对接到帧计数为N的副帧，且该副帧用的是B站单帧，对于帧计数为N+1的副帧搜索判别算法为：

①以B、C、D、A的搜索顺序判别各站，四站中哪一个先同时满足帧计数、原始帧计数质量和工作弧段三个因子，就用那站单帧数据，该帧搜索结束，接着搜索下一帧；

②若四站均不能同时满足步骤①中三个因子，以B、C、D、A的搜索顺序判别各站，哪一个先同时满足帧计数和原始帧计数质量两个因子，就用那站单帧数据，该帧搜索结束，接着搜索下一帧；

③若四站均不能同时满足步骤②中两个因子，以B、C、D、A的搜索顺序判别各站，哪一个先同时满足帧计数和工作弧段两个因子，就用那站单帧数据，该帧搜索结束，接着搜索下一帧；

④若四站均不能同时满足步骤③中两个因子，以B、C、D、A的搜索顺序判别各站，哪一个先满足帧计数这个因子，就用那站单帧数据，该帧搜索结束，接着搜索下一帧；

⑤若四站均不能满足帧计数因子，该帧搜索结束，接着搜索下一帧。

该方法的简单流程如图1所示。

1.4 对接方法中的关键步骤

1.4.1 各站乱散数据的自动判别方法

乱散数据是指不完整副帧组成的数据，而完整副帧是指两副帧同步码之间的数据块副帧在时间上和长度上分别满足副帧周期和副帧长两个条件。根据完整副帧判别标准，对各测站数据流中完整副帧进行自动判别、标识和记录，供形成预处理数据时使用。

1.4.2 副帧原始帧计数质量统计方法

副帧原始帧计数质量统计利用上下帧帧头时间差与上下帧帧计数差之间的关系进行判别。在判断当前帧的原始副帧计数时，需利用上一原始帧计数正确的副帧，当这两帧帧头时间差正好是副帧周期的n整数倍时，若副帧帧计数差也为n，则判别该帧原始帧计数正确。这里，需要注意清零帧的影响，因为它和上下帧之间并不满足上述关系，虽然在清零帧时副帧计数突变为零，但仍然认为该帧原始计数正确。

图1 基于单帧质量最优的遥测多站数据自动对接方法流程

1.4.3 基于地面接收时间的多站数据帧计数统一修正方法[4]

对多站预处理数据进行帧计数统一修正时，通常以最先能接收到遥测信息的测站为基站，对基站先进行帧计数修正，若遇到帧计数清零，则修正过的帧计数不再为零，而是继续累加，后面的帧计数根据其与上一帧的帧个数差继续累加，其中帧个数差为两帧帧头时间差对于帧周期的倍数；接着再对下一个最先能接收到遥测信息的测站进行帧计数修正，对它的第一个副帧帧计数，利用上一个已修测站在该副帧计数附近的副帧，根据这两帧帧头时间差完成该测站第一个副帧帧计数修正，之后，与基站处理过程一样，再利用上下帧帧头时间差与上下帧帧计数差之间的关系进行其它帧修正。对其它测站依次类推进行修正。

1.4.4 基于飞行器内时统的对接数据时间统一修正方法

通常数据处理要求方案中提出对数据时间进行电磁波传输延时修正，各站数据时间除了受电磁波传输影响外，还受到各站时统零点不一致(传输延时)等多方面的影响，这些都使各站数据时间不完全一致。在对接时，依据飞行器内时统的原理[2]，利用副帧计数对帧头时间进行统一修正，即在确定第一副帧的帧头时间后，其它帧头时间按照统一修正过的帧计数之间的关系进行修正。该修正方法消除了电磁波传输延时等多方面的影响，使各连续副帧的时间差正好是内时统规定的副帧周期。

2 应用分析

已在多次飞行任务遥测数据处理中运用该方法，大大提高了对接数据的质量，有效缩短了数据处理时间，且充分利用了多站数据优势，使对接数据质量达到最好，从而提高了处理结果的质量。下面以示例分析该方法在实际应用中的效果。

2.1 对接数据的帧计数质量情况分析

数据流中帧计数情况基本上反映了数据流的乱散情况，这是因为帧计数丢失或跳变即说明数据流中该帧数据丢失或乱散。图2～图5是某次数据处理中各遥测设备预处理数据帧计数情况，图6是对接后数据的帧计数情况和对接时各站数据帧的使用情况，其中左边纵坐标表示对接数据的帧计数，右边纵坐标为各测站标识，共有4个测站，分别用1～4表示。由各图可知，各测站数据都存在较严重的帧计数丢失或跳变的现象，即各站数据都存在乱散段；而对接数据除在两个极短时段内存在帧计数丢失或跳变的现象外(各站数据均在该帧存在帧计数丢失或跳变的现象)，其它时段帧计数均以公差1递增(帧计数清零除外)，即帧计数无丢失或跳变现象，说明对接数据整体质量较好；且各测站的交替使用表明对接数据充分利用了各站数据。

图2 测站1帧计数情况

图3 测站2帧计数情况

图4 测站3帧计数情况

图5 测站4帧计数情况

2.2 原始帧计数质量因子对对接数据质量的作用分析

对接时，把原始帧计数质量作为优先级因子是提高对接数据质量的有效途径，其影响直接反映在参数处理结果上。同对接时利用原始帧计数质量因子相比，从不利用该因子的对接数据中处理出的部分结果参数常常存在较多异常跳点，如图7所示，用两种不同线型分别表示同一参数在用与不用原始帧计数质量因子对接后在某一时段的处理结果。不用原始帧计数质量因子时参数明显存在较多异常点，其它一部分参数也存在类似情况。所以原始帧计数质量因子是对接数据时不可忽视的因素，它的使用能减少参数结果异常点，充分利用多站数据优势，是提高参数处理结果质量的有效途径。

2.3 工作弧段因子对对接数据质量的作用分析

对接时，利用工作弧段作为优先因子，充分利用了设备的先验信息，节省了良好数据帧的搜索时间，提高了对接数据质量。虽然工作弧段因子不如原始帧计数质量因子作用效果明显(主要指参数结果异常点没有那么多)，但不用弧段因子时，由于利用了不在工作弧段内的测站数据，参数结果中的确多了异常点，如图8所示，用两种不同线型分别表示同一参数在用与不用工作弧段因子对接后的处理结果。不用工作弧段因子时，参数在221.4s左右存在异常点，这是因为此时对接数据利用的测站已超出了工作弧段。通过统计，还有其它参数存在类似这样的异常点，可见采用工作弧段因子也是提高对接数据质量的有效途径。

2.4 对接数据质量精细到每一单帧

在某次数据处理中，7个测站中只有测站3在134.66s附近存在某单帧数据，其它测站均丢失该单帧，如图9所示，对接时自动搜索判别采用了测站3的数据帧，如图10所示(在134.66s附近对接数据帧计数情况)。对接数据对134.66s数据帧的选取充分表明自动对接时具体到了每一个数据帧的识别选用，这对于人工分时段对接来说是难以实现的。

图7 同一参数在是否利用原始帧计数质量因子对接数据情况下的结果比对

图8 同一参数在是否利用工作弧段因子对接数据情况下的结果比对

图9 在134.66s附近各站预处理数据帧计数情况

图10 在134.66s附近对接数据帧计数情况

2.5 对接数据时间加工方法消除了电磁波传输延时等影响

本文方法对电磁波延时等进行了较好修正，并记录了对接时使用的各测站数据的时间修正情况，如图11所示。将对接中各站的使用情况和使用时的时间修正情况放入一张图(图11)中进行比较，其中左边纵坐标表示各站时间修正量，右边纵坐标为各测站标识，共有8个测站，分别用1～8表示。由图11的局部放大图(图12)可以看出，对同一测站，随着时间增长，飞行器与测站的距离增大，时间修正量呈台阶式逐渐增大，换用不同测站数据时，时间修正量就存在一个跳变，这是由于测站站址不同而造成的时间差。

图11 对接时，对各测站数据的时间修正情况

图12 在60s～150s时段对接时，对各测站数据的时间修正情况

3 结束语

本文提出的基于单帧质量最优的遥测多站数据自动对接方法首次使用了遥测单帧质量优先级准则和判别方法，实现了基于单帧质量最优的多站数据自动对接。该方法克服了以往对接方法中对接过程复杂、人工参与较多和多站数据无法最优利用等不足，有效缩短了数据处理时间，充分挖掘了多站数据优势，较好修正了电磁波传输延时，确保了对接数据质量，提高了处理结果的质量，提升了数据处理和分析能力，为遥测数据又好又快处理奠定了坚实基础，为基于遥测信息的飞行试验结果快速分析提供了有力技术保障。

应用分析充分表明了该方法的有效性和可靠性，方法已多次应用于飞行任务数据处理中，效果良好。该方法的提出和运用，是在数据处理实践中不断思考如何充分挖掘利用多站数据每一遥测帧信息的思路总结和应用实现，是不断提高数据处理速度和质量的有效途径。

[1]杨延军.靶场数据处理技术[M].北京：国防工业出版社，2008.

[2]陈以恩.遥测数据处理[M].北京：国防工业出版社，2002.

[3]陈以恩.GJB 2238A-2004遥测数据处理[S].北京：总装备部军标出版发行部，2004.

[4]张向林.遥测数据对接中的副帧计数修正方法[J].导弹试验技术，2011，(03)：62～65.

The M ethod for Connecting Telemetry Data Stream s Automatically Based on Each Top-quality Frame

Shu Chuanhua， Sun Xi， Cui Junfeng， Cheng Hongyan

Telemetry data contain a large number of subframes in the measuring and controlling tasks of launching satellites，and the fast processing speed and good result quality are required.This paper firstly puts forward and carries out the method for connecting telemetry data streams automatically based on each top-quality frame，offers the key steps of themethod and the judgment rule of the frame quality，and generally analyzes the application efficiency of themethod.Themethod overcomes the shortcomings of traditional connection methods，such as complex connecting process，a lot of manual work and being incapable of using multi telemetry data streams effectively，at the same time it shortens the processing time effectively，fully utilizes the superiority ofmulti data streams，modifies the delay of electromagnetic wave，ensures the quality of connected data，and improves the quality of data result.The application analysis fully shows the efficiency and reliability of themethod，which has been used in the data processing ofmany aviation taskswith perfect effect.

Telemetry frame； Subframe； Priority； Connecting automatically； Connected data

V557.3

A

CN11-1780(2014)06-0050-06

舒传华 1981年生，硕士，主要研究方向为数据处理。

孙 喜 1955年生，高工，主要研究方向为数据处理。

崔俊峰 1978年生，硕士，主要研究方向为数据测量与处理。

成红艳 1969年生，高工，主要研究方向为数据测量与处理。

2014-04-15 收修改稿日期：2014-04-23