面向低轨卫星的多通道数据实时比对方法研究
2017-06-01史向东储海洋
史向东 储海洋 杜 朝
面向低轨卫星的多通道数据实时比对方法研究
史向东 储海洋 杜 朝
（北京空间飞行器总体设计部，北京100094）
针对测试过程中，低轨卫星下行数据种类繁多、信息量大，在测试中，数据判读人员常常只能监视其中某一通道的数据，其他通道数据的正确性只能在测试之后，人工进行比对判读，工作量大、效率低，采取面向低轨卫星的多通道数据实时比对方法，能够帮助测试人员在测试中实时对多通道数据的一致性进行比对，提升测试效率。
低轨卫星；多通道数据；实时比对
1 引言
随着卫星技术的不断发展，低轨卫星机动性越来越强，对可靠性的要求也越来越高。为达到全面、准确监视卫星状态的要求，下行遥测数据的信息量也与日剧增，成千上万的实时和延时遥测参数令人眼花缭乱；卫星搭载的载荷下传数据也包括大量记录卫星工作状态的辅助数据；地面电性能测试中，会产生以有线数据为代表的地面设备采集数据。数据种类繁多，信息量大，给卫星测试人员的数据判读工作带来了困难。
在目前测试中，测试人员通常只能监视某一通道数据，其他通道的数据正确性只能在测试之后，人工进行比对判断。判读工作量大、效率低，已经成为制约测试能力提升的瓶颈之一。本文研究一种面向低轨卫星多通道数据实时自动比对技术，对卫星下传中不同通道数据（如实时遥测、延时遥测、载荷辅助数据、有线数据等）的相同信号进行一致性智能比对，以帮助测试人员在测试进行中实时判读多通道数据，提升测试效率。
2 下行数据分析
图1 低轨卫星下行数据分类
低轨卫星下行数据主要包括遥测数据和载荷数据，地面测试时，还会有一些地面设备采集数据，如图1所示。
2.1 遥测数据
在测控弧段内，遥测接收机接收到的下行遥测数据为实时遥测数据。
由于我国测控站资源有限，低轨卫星多数时间里处于测控可见弧段外，为了监视卫星在境外的状态，卫星会记录过去一段时间内卫星的状态和工作情况，称为延时遥测数据，其采样点稀疏，能够记录长时间的卫星遥测数据，在测控可见弧度内，通过数传通道将遥测数据下传。
2.2 载荷数据
载荷是卫星执行任务的关键，载荷工作后，将其得到的数据通过数传通道下传，其数据量大，码速率高，由专用地面设备接收后，用于地面应用。在下传载荷数据时，一般也会下传一些辅助数据，这些辅助数据中记录了当时卫星的工作状态，包括：星时、数传主备份状态、固存主备份状态等。
2.3 地面设备采集数据
在地面综合测试时，地面设备通过有线电缆与卫星分离插头、星表插头相连，能够实时获取卫星通过插头下传的有线采集数据，这些数据也从不同的角度反映了卫星的工作状态。
2.4 关联性分析
地面电测时，由于不受测控弧段的约束，能够接收到卫星实时遥测数据，因此任何延时遥测数据都能够找到其对应的实时遥测数据，两者之间数据逻辑上一致，都反应卫星在一个时刻的状态；载荷数据中的辅助数据与卫星的遥测数据理论上具有一致性；地面采集数据与卫星遥测数据也存在一致性，比如，有线数据和卫星遥测数据中都包括卫星母线电压这样的重要参数，这些记录相同状态的参数应该是相同的。
3 总体思路
从上节关联性分析可知，低轨卫星实时遥测、延时遥测、地面采集数据、载荷辅助这四种通道下行数据之间存在联系，具有自动比对的条件。面对数据量庞大的下行判读数据，如果能自动比对不同通道间的数据的一致性，能够节省测试人员的判读时间，减轻测试人员数据判读的压力，防止数据漏判误判，提高数据判读的准确性。
对低轨卫星下行数据进行归类，分析其关联性后，结合目前综合测试的工作流程，提出了多通道数据实时比对的方法——采集到的整星下行数据经过整星数据帧解码后，根据下行通道不同，分类对下行数据进行解析；以信号为单位，按照星时顺序缓存在信号消息队列中；利用多通道数据实时智能比对算法，对同一信号在不同通道中的数据进行比对；数据内容与比对结果根据监视需要，以曲线、表格形式显示出来。该方法主要包括数据采集、解码、解析、组织、比对、显示6个部分，流程如图2所示。
图2 多通道数据实时比对流程
数据采集：由测试设备接收卫星多通道下行数据，供后续解析。
数据解码：下行数据由通信传送帧作为载体传送。为避免信道长时间出现0或者1，组帧时要进行加扰。数据解帧时，要进行去扰处理，需用伪随机序列与同步码以外的每一位数据进行异或，从而恢复数据。假设原始数为D，用来加扰的伪随机序列为R，加扰后的数据为P，则解扰为P⊕R=(D⊕R)⊕R=D⊕(R⊕R)=D⊕0=D。
数据解析：解扰后的传送帧是由帧同步码、帧主导头、帧数据域及RS校验填充4部分组成，数据包按照一定的规则填充在帧数据域中，数据包按照CCSDS源包结构定义。源包数据域中存放着不同信号的遥测数据以及对应的卫星时间。通过对源包数据域的解析，可以得到数据包的星时数据以及遥测参数
数据组织：根据数据下行通道，判定获取数据是实时、延时、载荷辅助数据、地面采集数据，将接收到的数据
数据比对：实时读取缓冲区中的数据，基于智能比对算法，与其他通道数据进行比对。
数据显示：判读结果显示，包括曲线、表格两种形式。曲线显示将监视信号渲染成为一条曲线，曲线以卫星时间作为曲线的轴，以参数的工程值作为曲线的轴，方便用户直观观测信号变化情况。表格显示能够满足在同一屏幕上显示多个信号，对多个信号的变化一目了然，为观测数据提供了另一种有效、实用手段。
4 关键技术
4.1 信号存储
解析后的下行数据需要放入存储区，供后续流程读取与比对。信号存储区是一块数据结构为Queue（队列）的内存空间。对信号存储区的读写采用“先入先出”规则，即存储数据时，新获取的数据必须存储在先前存储的数据的后面，读取数据时，按照数据在队列中的先后顺序读取。采用“先入先出”规则保证了解析出信号的星时连续性。
信号存储区的存储单位为一个数据包，保证了解析数据的完整性。对于每个源包数据，首先排列该数据包的星时数据，后面依次排列包内的遥测参数信息（信号S、工程值V、监视通道C），即
图3 多通道数据存储区排序队列示意
4.2 智能比对
实时遥测采集频率高，覆盖信号全，选定实时遥测通道为基准，其他通道数据与其比对，查找同一星时下多通道数据的工程值差值是否超过了正常波动范围，并根据结果决定是否报警。每个监视信号包括星时和工程值信息，由（V-T）键值对表示，用链表存储采集时间段内的信号信息。
比对策略1：接收其他通道的待比对信号信息，获取信号时间，查找实时遥测通道的数据列表，匹配相应信号时间，获取实时遥测数据通道工程值，进行比对。比对策略示意如图4，时间复杂度为()。该策略随着接收到的信号数据增加，比对耗时增长，无法满足实时比对的快速响应时间。
图4 比对策略1示意图
比对策略2：由比对策略1得到的启示，如果信号间具有的时间相同间隔，则不需要一一比对，通过计算比对通道的信号星时与第一个接收的实时遥测通道信号星时的差值，以及已知的时间间隔，就可以找到对应星时的实时遥测通道信号，比对策略如图5所示。
图5 比对策略2示意图
设实时通道时间间隔为，第一次接收到的信号时间为1,当前比对时间为，则比对的信号位置为(-1)/，时间复杂度为(1)，能够满足实时处理的需求。但由于受卫星下传链路带宽限制，不同包的下传频率并不相同，而且在不同的工作模式下的同一个包的下传频率也不相同，导致信号间的间隔并不一致，因此无法采用这种方式。
图6 比对策略3示意图
比对策略3：引入哈希表，将每隔固定时间的信号用hash表索引，hash表中存储着该时间段中第一个信号在列表中的位置。当进行比对的时候，比对通道的信号通过哈希函数能快速找到对应时间段内，实时遥测通道中信号的存储位置。根据hash表中所指向的链表区域，再进行精确比对，找到具有相同卫星时间的实时遥测通道信号，比对策略如图6所示。该策略时间复杂度为(1)，能够满足实时处理的需求，并且固定时间间隔可以人为定义，不受限制。
通过对上述三种比对策略的分析，采用既能满足实时处理要求，又不受源包下传频率变化影响的比对策略3，以实时遥测通道为基准，对多通道下行数据进行智能比对，比对算法的具体流程如图7所示。
图7 智能比对流程
5 结束语
关联性分析低轨卫星下行数据，结合航天器综合测试的特点，提出面向低轨卫星的多通道数据实时比对方法，对卫星下传的不同通道数据（如实时遥测、延时遥测、载荷辅助信息、有线数据等）能够在总控解析后一致性智能比对，帮助测试人员在测试进行中实时对多通道数据的正确性进行判读，提升测试效率。
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Research on Real-time Comparison of Multi-channel Data for Low-orbit Satellites
Shi Xiangdong Chu Haiyang Du Zhao
(Bejing Institute of Spacecraft System Engineering, Beijing 100094)
Downlink data for low-orbit satellite are large and varied. In the test, the data interpreter often can only monitor one of the channels of data，while the correctness of other channels of data can only be compared manually after the test, which is heavy in workload and low efficiency. In this paper, a real-time comparison method is studied and implemented for low-orbit satellite multi-channel data. It can help testers to compare the consistency of multiple channel data in real time and improve the efficiency of the test.
low-orbit satellite；multi-channel；real-time comparison
史向东（1986-），硕士，计算机软件专业；研究方向：工程数字化、信息化。
2017-04-01
