實時遙測

實時遙測是將對象參量的近距離測量值同步傳輸至遠距離的測量站來實現遠距離測量的技術。

近年來空間遙測技術的發展、計算機技術及其相應技術發展, 對遙測實時數據系統的需求不斷擴大, 對多數據流遙測和數據實時處理、輸出和要求不斷提高。

基本介紹

• 中文名：實時遙測
• 外文名：real time telemetry
• 套用學科：電氣工程、測繪工程
• 簡介：同步傳輸測量值的遠距離測量技術
• 基本系統：基本型實時計算機遙測數據系統
• 套用：風速、水位檢測、灌溉等

基本型實時計算機遙測數據系統

概述

基本型實時計算機遙測數據系統,是為滿足我國直到21世紀初各類新型戰略戰術武器、空間運載系統及載人空間飛行系統的遙測需求,而研製的新一代通用遙測地面實時數據處理系統。

該系統是可以按用戶要求配置的系列化遙測地面設備,它採用集成式、系列化產品設計,功能可配置、可裁剪和可擴充,向上向後兼容;採用開放式設計、標準化接口,利用相互支拼、系統互連。數據解調採集部分採用功滋模組化設計,兼容多種體制遙測數據實時採集,適應廣泛的遙測套用系統採用數據流體系結構,實現多個遙側數據流並行輸入、實時並行遙測數據處理和輸出。採用最佳化分配和處理負荷的溢出判別等技術,實現多處理器實時處理任務的自動分配和載入。系統採用多視窗圖形工作站、高速實時記錄設備、標準網路接口、數據通信接口,以及多種模擬方式、數字方式遙測數據輸出通道,為用戶提供全面、直觀、快捷、靈活的實時遙測數據服務。

系統體系結構

1.分散式實時遙測數據處理系統

基本型實時遙測數據系統,採用分散式並行處理機制實現遙測數據的實時管理。系統由兩部分組成(如圖l):一部分是遙測實時數據採集管理系統(簡稱遙測前端),這是基於數據流體系結構的遙測專用實時計算機系統;另一部分是由各類通用計算機構成的遙測套用工作站。遙測前端系統實現多數據流的同步解調、信道解碼、數據實時存儲、記錄、處理、輸出和分發等功能。遙測套用工作站通過標準區域網路與遙測前端連線,完成部分遙測數據或某一類套用遙測數據的實時顯示、處理、通訊以及事後遙測參數的處理。

分散式實時遙測數據處理系統示意圖

遙測前端系統與遙測套用工作站的配置數目,可依系統規模靈活配置。從單數據流遙測前端加單一遙測工作站的雙節點網路系統,到多遙測前端加多工作站的多節點分部式網路系統。遙測前端與遙測工作站之間採用標準乙太網連線,採用TCPI/P網路傳輸協定,以支持異種機之間的網路互連。實時狀態下遙測前端將從獲取的遙測數據中選擇需傳送的數據,組成傳送信息包,定時通過網路廣播式傳送,各遙測工作站接收信息包後,對各自需要的遙測數據信息包進行處理和顯示。基於該分散式網路系統平台,可以構成採用CCSDS分包遙測協定的分散式實時遙測數據處理系統。

2.數據流體系結構的遙測實時數據系統

在遙測系統中採用數據流體系結構是美國Lroal公司於08年代初在DFL-100的設計中首先提出的。之所以採用數據流體系結構來構造專用遙測計算機系統,是出於對遙測數據實時處理過程如下特點的考慮:

a.遙測數據的定時性與周期性.數位化遙測系統中,任一遙測參數的採集均是以一定周期定時採樣的,定時關係不依賴地面遙測計算機系統,而由飛行器測量採集系統決定.因此要求地面遙測系統嚴格遵循這一定時關係,才能準確恢復被測量參數。

b.多數據流、多參數遙測數據的異步性.在多數據流遙測、嵌入式遙測與多參數遙測中,各遙測參數的採樣周期不可能是完全一致的,各參數的定時關係是異步的,從而要求遙測系統對各遙測參數的實時處理過程是異步的,即獨立於接收的遙測數據。

c.遙測數據處理形式的多樣性這有兩個方面的含義一是遙測參數的種類多種多樣,決定了各遙測參數操作方法、處理方法和輸出方法各不相同;因而基於陣列處理機或向量處理機,採用規則算法實現對數據塊的並行操作,不適應遙測數據處理過程的需求。另一方面對遙測參數多種處理、輸出方式的要求,如顯示、記錄儀實時記錄、實時處理和實時通訊傳輸等,要求遙測系統具備分散式並行處理的能力。

d.實時多數據流遙測的支持。系統並行操作部件與並行輸出通道支持多數據流的實時處理,多數據流遙測數據可共享系統處理設備和輸出通道.這對於基於通用計算機實現的“指令流體系結構”遙測系統很難實現。

e.遙測數據處理的數據結構簡單。儘管當高速實時多路遙測數據進入處理系統,各遙測參數的處理過程具有多樣性,但就每個參數處理過程本身,一般並不複雜,不存在複雜的數據結構,這也是適應數據流結構的重要特點。

國外發展概況

國外80年代中期,隨著對多數據流實時遙測需求的增加,以及計算機技術與大規模積體電路技術的飛速發展,遙測領域出現了實時遙測系統研製熱潮,國際上先進的遙測廠家競相推出各自的多數據流實時遙測系統最早憑相於市場的有RMPS實時多處理器系統

90年代,EMR進一步採用標準接口和擴展其後端薄弱的網路能力推出Sysetm90,Sysetm90和Sysetm50的技術思路基本上是一致的。1990年前後新打入市場的有DSI和Quad7和VedaSystemIne的ITAS集成式遙測分析系統,Quad7有高碼速率特點,I-TAS有高集成特點。但是90年代的這4個系統在構成原理上是相似的,總的系統能力和技術水平也均未超過Ll的Sysetm500。他們的前端系統均以兩條匯流排為核心構成,一條是管理匯流排,均採用工業標準VME匯流排;另一條高速數據匯流排是各公司自行擴充的專用匯流排。各家擴充的高速數據匯流排的作用是完全一致的,即支持數據流驅動原理。在後端均支持網路連線的多用戶遙測套用工作站,或以數據存儲管理為主要作用的伺服器。

近幾年,各公司均沒有大發展,只是在進一步開發和完善顯示軟體和管理軟體等軟體工作上有進步,因此Ll公司的Sysetm500，仍是當今最具代表性的先進系統。

實時遙測數據融合

定義及意義

目前，“數據融合”的定義為對來自多信息源的數據和信息進行相關、互連和合併處理，以獲得準確的目標信息。這種融合是基於多信息或多感測器的。而本文所要論述的“實時遙測數據融合”基於同一信息源的多路採集數據流，即採用網路技術將多個採集設備連線起來，在接收同一目標發出的PCM數據流時，對多個採集設備所採集到的數據進行實時篩選、擇優和融合，從而獲得實時最佳數據。

實時遙測數據融合器實質上是一個軟體產品。在分散式遙測系統中，它可以任意駐留在採集伺服器或者任一客戶端上。當PCM數據流的位速率很高、處理負荷很大時，它也可以單獨運行在一台數據融合伺服器上。

實時遙測數據融合對於外場試驗具備兩個方面的意義：①有效地提高了靶場遙測地面系統提供的遙測數據的質量，即在多個採集設備中，只要有一個採集設備正常，或者各個採集設備分別在不同時間段內工作正常，就能確保遠程指揮大廳顯示出準確的遙測數據。②從某種意義上來說，可適度減小遙測地面接收系統的壓力，降低遙測成本。接收系統的性能提高到一定程度後，付出的成本將是指數級上升的。實時遙測數據融合的存在讓我們可以考慮在要求的可靠度範圍內不用過多地增加地面接收設備的數量，在遙測地面接收系統指標已經達到一定水平時不必過分強調指標的提升。

結構設計

如圖所示，實時遙測數據融合軟體由三個部分組成：

實時遙測數據融合軟體的結構

①設備管理模組獲得區域網路上採集設備伺服器的位置信息，將各採集伺服器上的數據暫存於相應的緩衝區中。

②數據融合模組根據融合策略對各個設備緩衝區的數據進行判斷、選擇和融合，並將融合結果送往輸出緩衝區。

③效果評估模組對數據融合結果進行評估，並將輸出緩衝區的數據接新地址發往網路。

PCM遙測原理

PCM系統原理如圖所示。

PCM組成原理

國內太空飛行器實時遙測系統傳統設計採用PCM體制，即時分輪巡採集和脈衝編碼調製體制，缺點主要為遙測幀格式預先設計。格式種類有限．難以適應衛星在軌運行的動態變化，特別是故障情況。另一個主要缺點是不同衛星平台的遙測幀格式難以統一，這影響行在設備的通用化。

太空飛行器星載PCM遙測系統主要由模擬量信號採集多路開關、A/D轉換、數字綜合、副載波調製、射頻調製和發射天線功能模組組成。PCM遙測常用主副幀格式和浮動格式，在主副幀格式中以固定周期傳送固定長度的皇幀，通過倍採樣傳送變化頻率更快的數據，通過輪巡實現復用來傳送變化速率更慢的數據。浮動格式僅僅是在豐副幀格式的基礎上劃出一些數據區用於存放格式浮動變化的數字量遙測。

由於幀格式有限、缺少優先權調度機制和分層策略。PCM有以下缺點：

(1)難以適應在軌運行的動態情況}

(2)難以有效利用信道頻寬；

(3)難以實現星載遙測設備軟硬體的通用化；

(4)難以適應多各不同速率的信源；

(5)難以減小遙測數據的信息冗餘度。

分包遙測原理

如圖所示，分包遙測基於星載計算機能力。由信源即用戶計算機將不同傳輸要求的遙測數據打包為不同的遙測源包。由中心計算機利用數據快取建立多個具有不同優先權虛擬信道和主信道實現優先權調度機制。用戶計算機完成包裝層功能。中心計算機完成分段層和傳輸層功能。

分包遙測原理圖

分包遙測基於星載計算機能力，由信源即用戶計算機將不同傳輸要求的遙測數據打包為不同的遙測源包。由中心計算機利用數據快取建立多個具有不同優先權虛擬信道和主信道實現優先權調度機制。用戶計算機完成包裝層功能，中心計算機完成分段層和傳輸層功能。

與PCM相比，分包遙測能更好適應具有長度、速率，信宿、優先權不同的多信源的飛行任務。但從工程實際來看，太空飛行器信源的動態性僅僅存在於設計過程，在軌運行的是強實時系統．各用戶套用均按照約定的時序或者協定運行．遙測周期基本是固定的。動態性主要是在異常或者故障情況F．由地面或者自主計算機主動發出數據請求指令來獲取特殊的數據內容。