载人运载火箭最大化利用有限遥测容量的方法研究

魏 来，严 帅，陈 浩，林 涓，王晓鹏

（北京宇航系统工程研究所，北京，100076）

0 引 言

CZ-2F运载火箭是中国唯一的载人运载火箭型号，自1999年以来已连续完成15次飞行试验任务，火箭遥测系统完整正确地获取了任务的飞行数据，形成S波段、PCM-FM体制、2Mbps码率的遥测体制，有效保障了型号的圆满成功。随着空间站建设和航天员长期驻留任务的开展，载人运载火箭仍将继续服役，陆续开展各项研究试验工作。

“载人航天、人命关天”，作为最重要的运载火箭型号之一，全箭可靠性高于0.97，航天员安全可靠性为0.997，火箭对遥测系统的可靠性提出非常高的要求。同时，随着日新月异的科技发展和技术进步，载人火箭对测量的精细化，飞行判定的准确性的需求不断提高，更多更为准确的获取弹箭上测量信息是全面掌握被测对象的最为直接的需求。本文根据载人运载火箭的任务特点，归纳总结遥测系统的发展需求，并结合当前技术的发展方向，提出了对载人运载火箭最大化利用有限遥测容量的发展建议。

1 载人运载火箭遥测系统容量的特点

1.1 传输频率固定、频段范围有限

按照国际无线电联盟规定，S频段遥测可用带宽范围为2200～2390 MHz，共190 MHz，但是中国电信运营商占用了其中近一半频段（4G信号，中国联通2300～2320 MHz，中国移动2320～2370 MHz，中国电信2370～2390 MHz），能用于无线测控的频段仅剩2200～2300 MHz，共计100 MHz带宽，且该频段集中了卫星、火箭等用户，带宽以及用户的增加使得频谱资源变得极其紧张，甚至各测控信号之间产生了严重的互相干扰。

载人运载火箭飞行任务参与部门众多，火箭、飞船、空间站、测控等单位都对频谱提出需求，国家测控总体部门划分测控频段频率资源的难度越来越大。频谱资源的稀缺性，使提高频带利用率显得尤为重要。

1.2 速变参数数据量大，采集方法复杂

载人运载火箭遥测参数中的速变参数，是指一类变化迅速而不可预知的信号，其实质是随机动态信息。速变参数（10～8000 Hz）是相对缓变参数（0～10 Hz），它具有短期活跃、长期稳定的特点。速变信号一般可分为振动、冲击、噪声3类信号。从系统容量分析，速变参数占用了一级82%和二级30%的系统实时传输容量。

此外，还有大量速变参数数据存储在回收式存储器中，记录时间只有200 s，记录时间短、无法获得实时处理结果、记录方法落后、事后搜寻困难，各种不足，已无法达到现阶段的火箭飞行需求。

1.3 测量参数繁多，需求不断更新

遥测系统的主要工作就是对数据采集、处理、传输，与火箭各个系统都有相关的接口要求，参数种类有数十种，参数数量有上千个。各类参数按照重要程度分为4档，Ⅰ类是用于箭上自动诊断火箭飞行状态的参数，Ⅱ类是用于地面判断火箭飞行状态的参数，Ⅲ类是用于事后评估火箭或逃逸飞行器飞行状态的参数，Ⅳ类是属于研究性的参数。

这些参数数据量多，需要进行统筹考虑，特别对遥测容量占用较多的参数，需要研究其处理方式和传输方法。同时，随着技术进步和关注对象的变化，总体对于火箭的测量需求也在不断变化和升级，这就需要遥测系统具有一定的灵活性和设计余量，以便适应新的发展。

2 遥测容量利用率的提升方法研究

2.1 存量信息传输模式改为增量信息传输模式

在传统遥测系统架构中，箭上数据传输模式为分级综合、双路传输，通过两个相互独立的点频进行数据传输，经过发射机、功放单元、天馈设备将遥测射频信号发出，最终由地面设备完成信号接收，见图1。

图1 遥测系统存量信息传输模式架构组成Fig.1 Telemetry System Stock Information Transmission Mode Architecture

这种架构的优势是利用系统级的并行冗余的通路实现相同数据传输，是减少箭上单点失效环节、提高测量系统可靠性，确保箭上遥测数据可靠获取的有效途径。

通过对以往飞行任务和相似型号的考核，由于载人运载火箭的飞行模式和测控体系的完善，过程中双点频都能够采集到数据信息，某个点频单独出现数据丢失的概率较小。随着任务的不断增多，传统箭上架构的弊端逐渐凸显。在测控体系限制的大背景下，Ⅳ类参数重复传输的意义降低，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类参数的冗余传输的必要性升高。传统存量信息传输模式需要进行更改，实现对增量信息的传输，如图2所示。

图2 遥测系统增量信息传输模式架构组成Fig.2 Telemetry System Incremental Information Transmission Mode Architecture

增量信息传输模式充分考虑到对传统架构的继承性，以最小的改动实现有效数据信息的倍增，并具备以下优点：

a）不改变现有测控体系、传输方式和地面设备，依然使用AB双点频传输，但两者数据不再一样，新的架构数据量是以前的2倍，各地面接收站的设备只需按照新的数据处理要求将增量信息处理出来即可；

b）核心设备的改动较小，由于载人运载火箭对可靠性和继承性具有非常高的要求，新的架构基本沿用经过多次飞行任务考核过的产品，主要对部分接口电路硬件和软件进行修改，特别是关键的射频相关设备不发生变化；

c）保留关键信息的冗余双点频传输方法，新的增量信息传输模式依然留出一部分的数据通道，用于对远置单元、指令、GPS、计算机字、脉冲数等重要数据进行冗余备份传输，这些数据通过主中心程序器进行筛选挑出，然后发送给副中心程序器；

d）增量信息的充分利用，由于打开了新的数据通道，因此可以通过副中心程序器配置更多的新型设备，依照信号需要，可以新增图像设备、参数测点、外系统数据等，提高遥测系统的灵活性和重要性。

2.2 关键信息存储重发的准实时传输模式

运载火箭对遥测系统的要求越来越高，特别体现在测量数据量大、需尽量全时段获取数据、要求测量实时性高等方面。在目前限制条件下，这些要求对测量系统的方案相互影响甚至相互制约，也给测量系统设计增大了难度。例如，遥测系统在船箭分离时刻需要获取大量的冲击参数信息，是判断载人飞船分离时刻的环境状况的重要依据，属于短时瞬态的大数据，但是由于遥测容量较小，因此通过存储重发变帧机制实现该数据的获取和下传，能够提高数据获取时段完整性并实现存储数据准实时获取。存储重发时序及帧标识如图3所示。

图3 存储重发时序及帧标识Fig.3 Timing Sequence and Frame Identification of Store & Retransmission

存储重发由箭上重要产品中心程序器实现，接收系统起飞及启动记录信号，实现对存储重发和变帧格式的控制；中心程序器上电后存储重发模块启动自检、擦除，预留的速变参数波道实时采集并传输振动传感器数据，全帧帧头标识为“AA”；中心程序器接收到启动记录信号后，启动数据存储，直至存储空间记满。当接收到“变帧”指令时，全帧帧头标识改为“BB”，开始以固定格式循环发送冲击数据，占用以前的振动数据波道，实现对遥测容量的充分利用。

根据识别帧标识可确定存储和重发时段。将重发数据和测试模拟输入源数据进行对比，可对重发数据正确性进行验证。

2.3 图像新型压缩算法和可变帧率传输

载人运载火箭是中国第1个实现图像测量的火箭型号，图像测量技术经过近十年的发展已基本满足关键动作及工作状况等方面的监测需求。图像测量技术需深入研究，不断拓展其应用方向，挖掘其内在潜力，更好地发挥其非接触、实时性、高效率等测量优势。

图像测量技术逐渐向大视场、高分辨率等方向发展，必然带来数据量的显著增加，给遥测信道带来巨大压力。如何在保证视频质量的前提下，实现大数据量图像数据的传输，需要研究能够适应测量需求的高效的压缩算法。

图像实时压缩的特殊性主要表现为：

a）在飞行出现异常时确保图像质量，在图像突变时算法要有适应性；

b）确保可靠性，即执行任务时，尤其是出现飞行异常时不允许图像丢帧；

c）受工业级处理器性能及器件降额设计的限制，压缩算法要具有复杂度低、计算量少等特点；

d）受遥测信道容量限制，压缩算法必须有高效率。

图像压缩算法应根据图像传输容量、技术成熟度和图像质量要求进行选择，一般采用H.264算法，并根据图像传输容量和图像质量要求确定压缩比。随着图像技术的发展，H.265算法已日臻成熟。

1.现实的社会危害。“两童”群体的存在具有现实的社会危害，会导致以下令人担忧的严重问题出现：（1）未成年人成为黑恶势力等犯罪的工具或受害者。由于监护缺位，未成年人极易被黑恶势力或其他犯罪分子所利用。实践中，未成年人成为黑恶势力犯罪、毒品犯罪、涉财犯罪、强迫组织卖淫犯罪的工具或受害者，这已成为一个相当严重的问题；（2）被邪教势力所侵蚀。未成年人缺乏独立判断是非的能力，在某些利益诱惑下，很容易被洗脑；（3）被暴力恐怖犯罪分子、民族分裂犯罪势力所利用。在某些地区，这些敌对势力已经开始在未成年人中培养恐怖分子和分裂势力。

HEVC/H.265主要针对分辨率从320×240到7680×4320的视频压缩，相对于之前的视频压缩标准在高分辨率的视频压缩上有了较好的补充。HEVC/H.265沿袭了H.26x和MPEG系列基于块的联合预测熵编码混合模型，采用了新的编码基本单元结构，增强的运动估计策略和提高运动补偿精度，获得比当前的H.264/AVC标准更高的编码性能和效率，并具备以下特点：

a）压缩效率更高，相对于H.264/AVC的高档次， HEVC/H.265在视频质量相同的情况下，比特率更低。

b）支持高分辨率、超高分辨率的视频图像格式。

c）支持帧率在20～60 帧/s的视频图像编解码，并像H.264/AVC一样灵活，支持高达172 帧/s的帧率。

d）支持低延时编码模式、全帧内编码模式以及随机接入编码模式，同时支持并行编解码。

e）具有较好的网络友好性和较强的网络纠错恢复功能，并能根据要求，较好地平衡复杂度、视频质量、压缩效率、纠错能力以及延时等各个方面。

遥测系统当前的摄像装置的帧率为25 帧/s，但是对于分离等关键动作要求能清晰反映整个过程的图像数据，100 帧/s的高速摄像具有更高的参考价值。由于遥测系统容量有限，采用可变帧的高速图像传输系统是后续重要的发展方向。

a）图像装置采用摄像压缩一体化设计，利用HEVC/H.265算法进行图像压缩编码，具备100 帧/s的高速摄像能力；

b）图像装置接收遥测系统的起飞信号，按照预置的飞行时序对各个分离时刻开展变帧传输，常态飞行时段采用25 帧/s帧率传输，分离时刻的-2～8 s采用100 帧/s高帧率传输；

c）箭上中心程序器接收图像数据，对于帧率增多的图像信息，采用存储重发的方式进行下传，提高遥测容量的使用效率。

综上所述，使用压缩效率更高的算法，一方面可以节省当前的数据通道，另一方面可以进一步提高当前图像数据的分辨率，使用高清摄像装置对现有产品进行替代，更能通过高速摄像和帧率变换实现对关键分离时刻数据的获取能力。

2.4 速变参数数据压缩编码

为了提高遥测系统容量的有效数据占比，遥测系统主要从数据压缩方法对速变参数进行研究。

从压缩可行性上分析，速变信号具有短时相关性或紧邻相关性，可以借鉴现有的压缩编码技术进行实时压缩和预处理。从系统可靠性分析，速变参数种类仅占全部遥测参数的10%左右，且大部分为Ⅳ类参数。从压缩效果分析，速变参数能够取得2∶1的压缩比，就能为系统节约30%左右的容量，压缩的贡献明显。

对遥测速变信号的压缩通常可以分为无损压缩和有损压缩两大类。无损压缩利用数据的统计冗余进行压缩，可完全恢复原始数据而不引入任何失真，但压缩率受到数据统计冗余度的理论限制，通常压缩比不高，一般为2∶1至5∶1。无损压缩通常用于压缩对于细节特别关心的数据。常用的无损压缩编码算法包括哈夫曼编码、算术编码、游程编码、LZW（Lempel-Ziv-Welch）编码等。

有损压缩允许压缩过程中损失一定的信息，虽然不能完全恢复原始数据，但是所损失的部分对理解原始数据的影响较小，却换来了大得多的压缩比。常用的有损压缩编码有：离散余弦变换（Discrete Cosine Transform，DCT）、小波变换等。

遥测系统在研究各类算法的基础上提出了一种基于Rice算法的有损压缩算法，结果表明，该算法可以满足系统使用需求。经过仿真，本算法可以满足指标要求。以某一段的速变信号为输入源，图4为基于Rice算法的有损压缩前后数据波形对比，从图4可以看出，解压缩后信号的时域与频域波形分别与无损压缩前的波形一致。

图4 基于Rice算法的有损压缩前后数据波形对比Fig.4 Comparison of Time-domain and Frequency-domain Waveforms of Signals before and after Loss Compression based on Rice Algorithm

2.5 速变参数预处理

遥测系统的速变参数除了占用的通信容量较大之外，还存在一些效费比不高的因素。

a）由于速变参数数量多，对于其中重要的参数，遥测系统通过无线信道实时下传到地面，此外还有大量的环境参数，遥测系统在箭上配置了多台存储器，将速变参数记录在存储器中，再从残骸中回收存储器，进行数据事后处理，带来较大的不确定性和工作难度。

b）所有的速变参数都是以飞行试验全程进行记录和传输的，但是每个速变参数由于其分布的具体位置，具有重点关注的时段，例如起飞时段、分离时段、发动机开关机时段、载荷分离时段等。所以遥测系统传输的大段速变参数中只有一小部分时段是有效的，而其他无效时段数据也占据了大量的遥测容量。

c）速变参数当前主要依靠进行事后处理，例如振动参数，对所有要求处理的时间段，提供时间历程及相应的傅立叶幅值谱和冲击响应谱。进行事后处理后，几十兆的原始数据可以通过1兆以下的频谱图代替，见图5。

图5 某速变参数事后处理结果谱图Fig.5 Spectrum of Post-processing Results of a Rapidly Changing Parameter

基于以上原因，遥测系统开展基于箭载设备的速变参数数据预处理研究，最终目的是使用箭上设备，实现速变参数的采集、存储、处理、发送，以便减少速变参数在遥测通信容量中的占比，具体实现的技术路径如下：

第1阶段，实现对多路速变参数的采集、变帧，以及按照飞行时序，对各路参数进行时序切换，通过对不同时段所关注参数的不同，减少无效参数数据的传输，压缩速变参数所占据的遥测通信容量，减少对箭上存储器的依赖。

第2阶段，对实时性和精度要求不高的速变参数的存储和压缩功能，以DSP为基础平台开展数据压缩算法的开发，对速变参数进行基于Rice算法的有损压缩，将压缩后的数据延时下传，进一步压缩遥测通信容量。

第3阶段，开展基于箭载设备的速变参数处理功能，在箭上直接实现数据频域变换和频谱处理等工作，将处理后的数据结果延时发送到地面，进一步压缩遥测通信容量。同时，实现对箭上状态进行快速的识别和诊断，在任务结束时可立即对飞行过程进行回溯。

3 结束语

本文通过分析总结载人运载火箭在遥测系统领域需求特点，结合相关领域的技术发展变化，提出了适合中国载人运载火箭在有限遥测容量下，利用多种路径实现资源利用的最大化，并总结提炼了几类关键技术——增量信息传输模式、关键信息存储重发的准实时传输模式、图像新型压缩算法和获取方式、速变参数箭上压缩和预处理技术。