通过数据处理提高遥测精度的方法

2015-03-15成红艳舒传华崔俊峰

无线电工程 2015年8期

关键词：数据处理修正

成红艳,舒传华,崔俊峰

(中国太原卫星发射中心试验技术部，山西太原 030027)

通过数据处理提高遥测精度的方法

成红艳,舒传华,崔俊峰

(中国太原卫星发射中心试验技术部，山西太原 030027)

摘要针对测量误差、传输过程误差等受到技术和设备本身的精度限制从而提高遥测精度难度大的特点，提出从数据处理角度提高遥测精度的方法。阐述遥测精度的内涵，分析影响遥测精度的因素，并分异常值剔除法与精细处理法两大类进行数据处理提高精度的方法探讨，着重对精细处理法的帧计数对准时间法、帧间隔时间修正法、加入修正量法和冗余数据融合法进行详细阐述。这些方法已在数据处理中得到使用，效果良好。

关键词遥测精度；数据处理；异常值；修正

Methods for Enhancing Telemetry Precision through Data Processing

CHENG Hong-yan,SHU Chuan-hua,CUI Jun-feng

(TheTechnologyDepartmentofTaiyuanSatelliteLaunchCenter,TaiyuanShanxi030027,China)

AbstractEnhancing telemetry precision is very difficult due to the measurement error and transmission error caused by the limits of technology and device precision.Considering these conditions,the paper proposes the methods for enhancing telemetry precision through data processing.It introduces the meaning of telemetry precision first,then analyses the factors affecting precision,and finally discusses the methods for enhancing telemetry precision which mainly include abnormal data eliminating and refined data processing.In the method of refined data processing,the methods of adjusting time by frame number,modifying time by frame interval,adding modifying value and fusing redundant data are described in detail.All these methods have been used in data processing and have achieved good effectiveness.

Key wordstelemetry precision;data processing;abnormal data;modifying

0引言

随着新型武器的研制、新材料、新工艺和新技术的发展，遥测精度也在不断提高。通常认为遥测精度由传感器、变换器等器件的精度决定[1,2]，这些器件的测量误差是形成遥测误差的决定因素。除器件的测量误差外，遥测数据还要经过传输和数据处理等过程，遥测数据传输系统主要完成多个数据流中多种数据帧格式的多类型遥测参数的实时挑点、解算、传输和监视功能[3]；遥测数据处理是将测量的原始数据还原成各物理量的过程。此过程中的各个环节都有可能产生误差，在文献[4]中，也得出了我国导弹航天试验场遥测系统精度基本满足用户要求的结论。实际上，追求高精度是导弹发射试验不懈追求的目标，现阶段的新型号任务对遥测精度也提出了更高要求，测量误差、传输过程误差等受到技术和设备本身的精度限制，提高精度的周期长、成本高、难度较大，而从数据处理角度出发进行减小和控制遥测误差的研究，不失为目前阶段提高遥测精度的行之有效的手段。遥测系统是在时间域里完成测量的，遥测数据处理结果精度除了一般意义上的幅值精度外，时间的精度是至关重要的一个方面。本文提出了提高遥测精度的异常值剔除法与精细处理法两大类数据处理方法，并着重阐述了帧计数对准时间法、帧间隔时间修正法和加入修正量法等时间处理方法。

1遥测精度

1.1　精度的含义

精度表示观测结果、计算值或估计值与真值(或被认为是真值)之间的接近程度。精度常使用3种方式来表征：① 最大误差占真实值的百分比，如测量误差3%；② 最大误差，如测量精度±0.02 mm；③ 误差正态分布，如误差0% ~10%占比例65%，误差10%~30%占比例30%，误差30%以上占比例5%。

和精度有关的术语有精密度、准确度和精确度[5]。

① 精密度。精密度表示对同一个量进行重复测量时所得结果之间的接近程度，亦即弥散度。因此精密度是随机误差的反映，通常用标准偏差σ来表征。

② 准确度。准确度至今尚有基本概念上的分歧。一种认为准确度表示测量结果与真值的接近程度；另一种认为这种定义中，准确隐含着精密，准确度高必然精密度高。为了将两者分开并从逻辑上能有2个恰当的术语分别与ξ(为确定性误差)和σ相对应，所以将准确度作为系统误差的反映并以ξ来表征。σ和ξ都小，表示既精密又准确，称之为精确；反之σ、ξ都大，表示既不精密又不准确，称之为不精确。

③ 精确度。精确度反映了测量结果的精密及准确的程度，常称为精度。它可用不确定度来表征。

由于精度一词用的过泛、过滥，有时甚至并非指传统定义，因此，国际上已回避使用，7个国际组织也不再沿用。当要定量表示或定量估计测量结果中可能出现的随机误差时，用标准(偏)差、误差范围等来表示。但由于历史的原因，精度的提法一直存在，本文研究的精度含义指一般意义上的精度。

1.2　遥测系统精度

火箭(导弹)遥测系统包括箭(弹)上遥测设备和地面遥测设备两大部分，完成各种参量的测量、变换和调制、发送、接收、解调、记录、处理和显示，如图1所示。遥测系统的精度是由组成遥测系统的各个环节的精度综合而成。

图1　无线电遥测系统组成原理

遥测系统是在时间域里完成测量的，其数据处理结果一般均以参数—时间函数值表和参数—时间函数曲线图给出。因此，遥测参数精度的涵义应包括时间坐标精度和参数幅值精度2个方面[4],这与传统意义上的精度只关注幅值有很大区别。换言之，如果对同样的幅值，提高了该幅值对应的时间精度，也对遥测精度做出了贡献；另外，如果通过不同的数据源处理出相同的参数，会综合得到密度更高的时间数据对，也会提高遥测精度。

在遥测系统中，对于不同类型的参数，测量精度的要求及表示方法是不同的。时间指令参数的精度及其发生时间采用相对于起飞零点的绝对误差值表示；数字量参数的测量精度采用误码率来表示，缓变模拟参数以其相对于量程的百分比误差来表示；速变参数大多数为随机量，因此，它的测量精度经常采用均方根误差来表示[1]。遥测参数精度评定中，误差引用均值、子样标准差和极限误差表征。对遥测数据处理结果精度要求，目前火箭一般保留小数点后3位，导弹一般保留小数点后4位，一些型号非时间参数要求保留小数点后6位。

2数据处理提高遥测精度的方法

2.1　影响遥测精度的因素

由图1可知，遥测误差来源于信号流经的各个环节，如传感器、变换器、传输系统和数据处理等。传感器、变换器和传输系统等与设备关联产生的误差是硬件所固有的。传感器、变换器等器件的精度由仪器本身的设计、制造、装配以及仪器的工作环境所决定，一旦选择，精度是固定的，要从器件本身着手提高精度，需要采用先进技术、先进工艺，应用新材料，并根据器件工作环境采取改善环境的措施。传输系统的误码率与信号形式(调制方式)、噪声的统计特性、解调及译码判决方式有关，要传输系统提高测量精度，需要增加字长或提高采样率。在系统容量不变的情况下，要提高采样率，就要降低通道的数量。同时为了降低误码率就需要提高信噪比，而提高了信噪比又会影响到遥测系统的传输距离。因此，传输系统的精度是一个需要综合考虑的问题，其一旦确定，精度也是固定的。

遥测数据的处理精度和准确性，主要依赖于遥测数据的测量记录质量。但是在产品飞行过程中由于火焰干扰、电磁波干扰以及记录过程中设备的不稳定性和磁粉脱落等原因，会造成遥测数据的误码，即出现跳点(野值)；另外，通过精细处理，也可以提高遥测数据的处理精度。本文旨在研究硬件误差确定的情况下，通过数据处理提高精度的方法。

2.2　数据处理提高遥测精度的方法

误差可按随机误差、系统误差、过失误差(异常值或野值)来区分。数据处理提高遥测精度的方法有很多，从误差性质角度考虑，笔者把它分类为异常值剔除法与精细处理法。异常值剔除法主要用于消除过失误差，而精细处理法主要用于减少随机误差。

2.2.1异常值剔除法

偏离被测信号变化规律的数据点，称之为野值点[6]。信号在测量和传输过程中，有时会产生一些野值。野值的存在会产生虚伪的谐频率成分，提高了噪声总量级。较多较大的野值还会淹没有效信号，对测量数据的总能量给出偏大的错误估计。因此，剔除野值是遥测参数处理中的重要环节。目前，剔除野值的方法很多，也比较成熟，经常使用的有目测法、均方值法、肖维涅法。野值的剔除应首先建立在对其正确判别的基础上[7]，针对不同类型参数使用的异常值剔除方法也各有不同。中值滤波方法处理前后的参数曲线比对图如图2所示(中值滤波窗口A长度选择为5)。不同参数经常使用的异常值剔除方法如表1所示。具体方法参考文献[8]。

图2　中值滤波方法处理前后的参数曲线比对

参数类型特定方法通用方法缓变连续参数多点平均法、中点平滑法、门限法、3σ法、拉依特准则判别法、三点预报方法、中值滤波法数字量参数位纠错法、差分法、比对法脉冲参数二值法速变参数小波阈值方法、萨维兹凯-戈雷平滑滤目测法、均方值法、肖维涅法

2.2.2精细处理法

(1)帧计数对准时间法

对于遥测参数数据处理来说，起飞零点具有决定意义，在此基础上，每个参数值的时间都是相对此起飞零点的相对时间。没有精度的遥测零点时间是没有意义的，精度不高的遥测零点时间其使用价值也会明显降低[9]。遥测设备接收到遥测数据帧后，打上设备的接收时间，而数据帧中包含起飞零点接通时间标识、帧计数等，帧计数[8]指的是弹(箭)上的帧计数器，它以16位或32位二进制码记录，并和参数一样，每8位占用一个数据通道传输记录。帧计数计满后，又重新从零开始累加计数。帧计数值是以航天器的内部时钟为基准，当内部计算机生成一个副帧(即一个副帧周期)时就累加一次，依次从小到大，逐渐增加。

确定起飞零点后，可以用遥测设备接收时间计算遥测参数的相对时间，但需要进行电磁波传播时间延迟修正，电磁波传播时间又与导弹距遥测设备的距离有关，可以采用理论弹道对遥测帧时间进行电波延迟修正[10]，但理论弹道又会带入新的误差，利用帧计数计算时间，不需要考虑遥测设备接收数据的时间，也不用考虑电磁波传播时间延迟修正，处理过程比较简单，时间值也更加准确。

用下述公式，可由帧计数值换算参数时间：

(1)

式中，ti为第i帧参数的时间；Ni为第i帧计数器值；N0为T0时刻对应的帧计数器值；T0为零秒帧时间修正量；Δt为帧周期时间。

需要注意的是Ni、N0的计数值，在计算时要进行溢出修正。对不同的设备数据，存在副帧计数在起飞零点清零与否的情况，也存在没有时间零点的航区和落区数据中的原始副帧计数与有零点数据的副帧计数对接问题，还存在副帧计数在最大值后重新计数的问题。文献[11，12]讨论了针对不同情况的数据副帧计数修正方法。

(2)帧间隔时间修正法

遥测帧是以固定周期传送到地面的，帧与帧之间的间隔时间是固定的。如果某帧接收时间与此周期不同，要进行修正。设连续接收的4帧数据时间为T1、T2、T3和T4，T1为先接收的数据时间，T4为后接收的数据时间。T2、T3、T4与T1之差分别为Δt1、Δt2、Δt3，即

Δt1=T2-T1，Δt2=T3-T1，Δt3=T4-T1。

设帧周期为C，则如果有以下条件存在，就要对时间T3进行修正。

Δt1=1×C，Δt2≠2×C，Δt3=3×C。

修正时间：T3=T2+C或T3=T4-C。

(3)加入修正量法

加入修正量法主要根据具体情况进行修正，主要包括电磁波传播时间延迟修正，另外还有一些特殊修正，包括传感器、变换器零位修正和环境大气压修正等。

① 电磁波传播时间延迟修正。电磁波穿过大气层传播时，由于大气媒质的特殊形状，致使电波路径变的弯曲，这样就产生了电磁波传播时间延时。在数据处理中，时间坐标序列需要修正电磁波传播时间延迟的时差，其修正方法为：

(2)

(3)

式中，c为光速；Xi、Yi、Zi为弹道坐标数据；X0、Y0、Z0为遥测站在发射坐标系的站址坐标。

时间序列中，各点时间减去对应的电磁波传播时间修正量Δti从而得到经过电磁波传播延时修正后的时间序列。

② 零位修正。一般情况下，传感器(变换器)在出厂前进行校准测试，其零位可由校准数据计算得到。但有时部分传感器(变换器)由于受环境等因素的影响，其零位会发生漂移，为了减少其带来的误差，需要进行零位修正。传感器(变换器)零位就是在输入为0时对应的输出值。对于部分传感器(变换器)来说，发射前的输入正好为0，所以可以将射前的分层值数据换算为相应的物理量，将其代替零位。

③ 环境大气压修正。由于部分压力传感器测量的是相对压力，但最后的结果要求是绝对压力，所以需要进行环境大气压的修正。环境大气压一般由地面气象站投放气球对固定高度的大气压进行测量。

环境大气压随着高度的变化而变化，所以对压力参数进行环境大气压修正时，必须逐点进行实时修正。首先对应于参数的采样时间，在理论弹道中插值得到该时刻导弹飞行的高度，然后再对应此高度，在大气压表中插值得到该高度的大气压，最后将此大气压作为修正量，对压力参数进行修正。以上插值均可采用Lagrange不等距插值。

④ 冗余数据融合法。为了提高关键器件(比如惯性器件)的精度，有时会采用多安装几个同类型的器件来测量同一个参数；有时候不同的参数可以经过转化归为同样的数据，这些都会产生冗余数据，将这些数据进行融合处理，可得到更高精度的数据。例如秒节点(以及特征点)为遥测弹道数据，利用平台加速度表输出脉冲同样可以计算出遥测弹道，这些弹道数据进行融合可得到更高精度的弹道数据。某弹道参数综合处理结果如表2所示，其中来源中计算机字输出结果为数字量计算出的秒节点弹道数值，由平台加速度表脉冲数据计算为平台加速度表输出脉冲数通过平台当量计算出的同一参数数值，通过增密，得到了步长更小、精度更高的弹道综合数据。

表2　某弹道参数综合结果

3结束语

鉴于技术和设备本身的精度限制，从硬件角度提高遥测精度周期长、成本高、难度大，而从数据处理角度探讨提高遥测精度的方法不失为目前阶段行之有效的手段。通过阐述遥测精度的内涵，分析影响遥测精度的因素，提出了从数据处理角度探讨提高遥测数据处理精度的方法，分为异常值剔除法与精细处理法两大类进行数据处理，并着重对精细处理法的帧计数对准时间法、帧间隔时间修正法、加入修正量法和冗余数据融合法进行详细阐述。当然提高精度并不只限于这些方法，还可研究其他的处理方法。

参考文献

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