遙測定位信息網絡傳輸間斷問題的解決方法

馬方遠，王西泉，郭新楠，李 建

(中國兵器工業試驗測試研究院，陜西 華陰 714200)

0 引言

在武器系統飛行試驗中，目標遙測軌跡是掌握目標飛行狀態和實現安全控制的重要依據，使用遙測定位信息作為引導跟蹤源，具有精度高、誤差穩定、不受天氣影響等特點[1]，已被各個靶場作為組網測試的首選方案。但是在現有的遙測系統網絡數據傳輸機制下，遙測定位信息在測試網絡內不能等間隔傳輸，導致中心機接收遙測定位數據時發生時延漂移[2]，后幀數據覆蓋前幀數據，遙測定位數據元素不完整[3]，影響目標軌跡形成與引導效率。

目前，從文獻資料中查到，通過中心機處理系統增加容錯處理方式成為主流，主要包括增加遙測數據處理結構，改變遙測數據存儲策略以及改變遙測數據處理過程三種方法[4]。其在解決目標軌跡形成以及目標軌跡外推方面，均可以達到良好的處理效果。如文獻[4]通過改變遙測數的存儲結構與數據處理過程，解決遙測數據間斷傳輸時遙測軌跡遙測軌跡形成丟數問題，文獻[4—5]主要是解決遙測定位數據作為引導源時，由網絡傳輸帶來的時效性與有效性問題，其都未涉及遙測數據間斷傳輸帶來的多幀遙測定位數據同時到達，造成被引導的測試設備天線跟蹤不流暢問題。

針對上述問題，對整個遙測數據流的處理過程進行了分析，在不改變硬件系統的前提下，通過改進遙測數據處理過程，增加冗余處理、時效性處理以及插值處理步驟解決上述問題，并取得良好的效果。

1 遙測定位數據的實時處理過程

1.1 遙測地面接收站的遙測數據網絡發送模式

首先遙測地面站接收解調遙測信號，當遙測數據填滿遙測綜合解調板上半個內存或整個內存時，開放內存讀取功能，允許遙測計算機訪問遙測綜合解調板上半個內存數據或下半個內存數據，遙測計算機將讀取到的遙測原碼數據通過UDP協議，以單點或是組播方式發送到指控網絡，發送頻率、發送數據幀數與遙測地面站綜合解調板內存大小、碼速率以及遙測數據幀格式有關[5]。其關系可用式(1)表示：

(1)

式(1)中，s為遙測解調器的發包內存大小，m為遙測數據的碼速率，f為遙測地面站發包頻率，n為遙測地面站發送整幀個數，l為遙測數據整幀長(含時碼)。

通過設置綜合解調板內存大小，可以一定程度改變遙測地面站對外發送頻率與內容大小，綜合解調板內存大小設置越大，遙測地面站網絡傳輸數據頻率越低，一次發送的遙測整幀數據越多，當設置過大時，一次發送數據容量將超出UDP協議發送數據包容量上限，導致數據發送失??；綜合解調板內存大小設置越小，遙測地面站網絡傳輸數據頻率越高，遙測計算機訪問遙測綜合解調板內存頻繁，遙測解調數據系統任務繁重，嚴重時將影響正常的遙測數據解調功能。一般情況下，遙測地面站的網絡數據傳輸頻率一般為4～10 Hz。

1.2 中心機對遙測定位數據的處理過程

中心機通過網絡接收遙測數據原碼：將遙測數據原碼中的定位數據實時解析出來，一是形成遙測軌跡用于態勢顯示，二是按照指控協議發送給指控中心，用于引導測試。

遙測定位數據主要有兩個來源：一是來自衛星導航信息，其數據刷新率多為10～20 Hz；二是來自導航計算機字，其數據刷新率多為200～250 Hz。遙測定位數據數據率與遙測地面站網絡數據發送率不匹配，例如，所選取的遙測定位數據數據率為200 Hz，遙測地面站以10 Hz的頻率發送遙測數據原碼時，導致20個遙測定位數據同時到達中心機，按照中心機的數據處理策略，后一幀數據將覆蓋前一幀數據，造成遙測軌跡信息丟失。針對此問題，從中心機接收的原始數據中截取代表性的一段數據如表1所示。

表1 原始數據包結構示意表Tab.1 The original packet structure diagram

表1中所截取的數據包為衛星導航數據包，數據率為20 Hz，遙測地面站的發送頻率為10 Hz，包計數是指衛星導航包計數，當前時間是指中心機從網絡接收到當前包的間斷時間，設備時間是指衛星導航包內的附加時間信息。表中的t1表示數據包210到達中心計算機時，中心計算機對其打的時間標識，t2表示數據包210產生的時刻，對于數據包211與212，其同時到達中心機，按照中心機的數據存儲策略，212包的數據將會覆蓋211包的數據，造成遙測軌跡數據缺失。

1.3 指控中心的引導測試流程

指控中心接收網絡內的目標位置信息，打上時標，按照引導協議將數據分發給指控網絡內的所有測試設備，測試設備接收目標時空位置信息，根據時差，外推目標位置信息，指引天線指向測試目標。

當多包遙測定位數據同時到達測試設備時，測試設備對網絡延時進行判斷，外推當前目標位置，控制天線指向目標，截取代表性的一段數據如表2所示。測試設備在同一時刻會指向不同方向，另外，測試設備的引導數據刷新率一般要求為40 Hz，引導數據刷新率過低，天線系統運行流暢性將降低。

表2 測試設備接收引導數據結構與天線指向示意表Tab.2 The test equipment receives guidance data and antenna pointing diagram

表2中包計數是指測試設備接收的引導數據包計數，當前時間為數據包到達時間，發送時間為指控中心分發數據包時間，目標位置為遙測數據包中的位置信息。t1為引導數據包300的到達時間，t2為引導數據包300從中心計算機發出的時間，X表示引導數據包內的目標位置信息，A、E表示被引導設備根據引導數據包內的目標位置信息計算得到的方位指向信息與俯仰指向信息，對于同時到達的引導數據301包與302包，X1與X2的位置是不一樣的，設備天線同時指向兩個空間位置，有悖常理。

2 解決方案

中心機處理遙測數據時，在一個數據周期內，處理得到的所有遙測定位信息，并打上當前時間，使用當前時間進行遙測軌跡描述，造成后幀覆蓋前幀現象，因此，可以使用設備時間作為信息源進行遙測軌跡描述。但是，當以設備時間作為數據標識時，中心機同時處理得到的遙測定位數據幾乎會同時發送至指控網絡，到達測試設備端，造成測試設備跟蹤天線不平穩的現象，因此，還需要對發往指控中心的遙測定位信息進行下面處理。

圖1 遙測定位數據處理過程Fig.1 Data processing of telemetry location

1) 冗余性處理，就是利用遙測定位數據包同時到達，后幀覆蓋前幀的設計思路，保持網絡發送的遙測定位信息為最新信息，當遙測定位信息數據率小于遙測數據網絡發送頻率時，可跳過，即遙測地面站每次網絡傳輸的遙測數據包最多只有一幀遙測地面數據包。

2) 時效性處理，就是根據當前時間與設備時間的時間差，利用遙測定位數據包內的位置、速度、加速度信息，外推當前時刻目標位置信息[6]?？砂词?2)進行。

x(t1)=x(t2)+v(t2)(t1-t2)+ 0.5×a(t2)(t1-t2)2

(2)

式(2)中，t1為當前時刻；t2為最新設備時間；x(t2)、v(t2)、a(t2)為t2時刻遙測定位數據包的位置、速度、加速度信息，則x(t1)為外推的當前目標位置信息。

3)插值處理[7]，經過冗余性處理后，引導數據的刷新率與遙測地面站的數據發包率相同，最高為10 Hz，遠低于測試設備對引導數據刷新率40 Hz的要求，因此需要對其進行插值。插值方法有兩種：一種是按照測試設備所需的引導數據刷新率，重復發送t1時刻的目標位置x(t1)，引導協議內的數據發送時間填為t1時刻，利用設備內部的外推算法，外推目標空間位置；二是利用式(2)，外推各插值時刻的空間位置，引導協議內的數據發送時間填為當前發送時刻，發送的目標位置可用式(3)表示。

(3)

式(3)中，Δt為測試設備要求的引導數據周期；f1為測試設備要求的引導數據刷新率；f2為原始引導數據的刷新率(遙測地面站的數據發包率)，則第k個引導數據插值發送時刻為t1+kΔt，目標空間位置為x(t1+kΔt)。

3 試驗驗證

以某型號武器200 km飛行試驗數據為例，遙測定位信息采用的為導航計算機的輸出信息，數據周期為5 ms，遙測地面站接收遙測數據，以100 ms一包的時間間隔，將遙測數據原碼發送給中心機，截取中心機處理過程中的代表性一段數據如圖2所示。當前時間是指中心機接收到此包數據時間，為當天時間的累計時間，單位ms，設備時間為導航計算為數據包的附加時間信息，這里指發射零點后的累計時間，單位s。使用設備時間進行遙測軌跡描述，不會丟失數據信息。

圖2 中心機處理得到的數據截圖Fig.2 A screenshot of data processed by the central computer

如圖3所示，當中心機將收到的遙測定位信息，不經過冗余處理、外推處理與插值處理時，直接發送給網絡內的雷達設備，發送頻率為10 Hz，一次發送20組位置信息，雷達設備根據遙測定位信息進行跟蹤，其天線行程出現臺階狀，運行不流暢。

圖3 雷達天線方位角行程分析(直接引導)Fig.3 Analysis of azimuth stroke of radar(direct guidance)

如圖4所示，當中心機將收到的遙測定位信息，經過冗余處理、外推處理與抽值處理后，發送給網絡內的雷達設備，發送頻率為40 Hz，一次發送1組位置信息，雷達設備根據遙測定位信息進行跟蹤，其天線行程平穩光滑。

圖4 雷達天線方位角行程分析(按本文方法處理后引導)Fig.4 Analysis of azimuth stroke of radar antenna

在某型號裝備招標比測試驗中，有5家單位參與競標，總計組織飛行試驗35次，其中2家單位遙測定位數據率為200 Hz，1家單位遙測定位數據率為25 Hz，1家單位遙測定位數據為10 Hz，1家單位遙測定位數據為5 Hz。試驗時，遙測地面站以4 Hz的數據率發送遙測數據原碼，使用本文方法，完成了試驗過程中遙測數據的態勢顯示任務，以定頻40 Hz平穩引導雷達、光電經緯儀的跟蹤任務，測試成功率100%。如圖5所示，雷達在遙測定位數據的引導下，可以穩定跟蹤目標，所選雷達對該類目標的最大跟蹤距離為128 km。

圖5 雷達實際測試數據Fig.5 Actual radar data

4 結論

本文提出的遙測定位數據網絡傳輸間斷問題的解決方法，在不改變現有遙測系統數據傳輸機制的情況下，通過改變中心機軟件對遙測數據處理過程，增加冗余處理、外推處理與插值處理，形成連續平穩的遙測軌跡。通過仿真與試驗證明，該方法既能很好地解決遙測軌跡形成時的丟數問題，又能很好地適應靶場指控引導網絡，引導靶場測試設備平穩跟蹤目標。