基于二态模型递归树的遥测全帧数据仿真算法.pdf

第 44 卷第 5 期2023 年 9 月Vol.44,No.5Sept.2023遥 测 遥 控Journal of Telemetry,Tracking and CommandWebsite：基于二态模型递归树的遥测全帧数据仿真算法李鑫，尹全，王竞克，谷鹏冲（中国太原卫星发射中心技术部 太原 030031）摘要：由于不同型号飞行器的遥测数据帧格式复杂多变、形式各异，使得工作人员不得不频繁更动遥测数据仿真软件，尤其在面对新型号飞行器时，软件甚至需要重新开发。为此，提出了一种基于二态模型递归树的通用化遥测全帧数据仿真算法。首先，通过对遥测全帧数据的特点进行分析，提出了基于参数数据和结构数据的遥测全帧数据通用化二态表达模型，构建了描述遥测全帧数据的递归树，实现了遥测全帧数据通用化描述。其次，针对遥测全帧数据仿真问题，提出了基于多元函数递归运算的结构数据生成算法，并设计了参数反演算法，实现了遥测全帧数据的通用化仿真。最后，通过算例分析，验证了算法在遥测全帧数据仿真中的实用性和有效性。关键词：遥测全帧数据仿真；二态表达模型；递归树；结构数据生成算法；参数反演算法中图分类号：V557+.3;V448.15+3 文献标志码：A 文章编号：2095-1000(2023)05-0048-11DOI：10.12347/j.ycyk.20230404001引用格式：李鑫，尹全，王竞克，等.基于二态模型递归树的遥测全帧数据仿真算法 J.遥测遥控，2023，44（5）：4858.Telemetry full-frame data simulation algorithm based on two-state model recursion treeLI Xin，YIN Quan，WANG Jingke，GU Pengchong（Technology Department of Taiyuan Launch Center,Taiyuan 030031,China）Abstract:Due to complicated and volatile telemetry full-frame data formats for different types of aircrafts,the telemetry data simulation software has to be changed frequently.Especially for the new type of aircraft,the software even needs to be redeveloped.Therefore,a universal telemetry full-frame data simulation algorithm based on two-state model recursion tree is proposed.Firstly,by analyzing the characteristics of telemetry full-frame data,a universal two-state representation model based on the parameter data and the structure data is proposed.Based on the model,a recursive tree is constructed to realize the universal description of telemetry full-frame data.Secondly,in order to solve the simulation problem of telemetry full-frame data,a structure data generation algorithm using recursive operation of multiple functions is proposed,and a parameter inversion algorithm is designed.Finally,the practicability and effectiveness of the algorithm for the simulation of telemetry full-frame data are verified by an example analysis.Keywords:Telemetry full-frame data simulation;Two-state model;Recursion tree;Structure data generation algorithm;Parameter inversion algorithmCitation:LI Xin,YIN Quan,WANG Jingke,et al.Telemetry full-frame data simulation algorithm based on two-state model recursion tree J.Journal of Telemetry,Tracking and Command,2023,44(5):4858.引 言遥测数据仿真1作为发射场测试系统2、联调联试系统、飞行器模拟系统的重要组成部分，是飞行器发射前准备过程中一项十分重要的工作。然而，由于不同型号飞行器的遥测数据帧格式复杂多变、形式各异，即使同型号不同批次飞行器的遥测数据格式和内容也不尽相同3，使得工作人员不得不频繁更动遥测数据仿真软件4,5，尤其面对新型号飞行器时，甚至需要重新开发，以满足不同条件下遥测数据仿真的需求。因此，亟需研发一套与飞行器无关的通用化遥测数据仿真软件，而研发通用化遥测数据仿真软件的关键在于通用化遥测全帧数据6,7仿真算法的设计。为了解决这一关键性课题，许多学者都做了比较深入的研究，并取得了一定的成果。文献8收稿日期：2023-04-04 修回日期：2023-05-252023 年 9 月遥 测 遥 控给出了面向测控系统的运载火箭仿真系统设计、软硬件构成，从系统功能的角度说明了遥测数据仿真的重要作用。文献9提出了遥测参数计算的通用化模型和方法，有效解决了参数计算过程中配置文件与代码紧耦合的问题，但缺少对遥测参数组帧算法的设计。文献10虽然提到了在遥测数据组帧方法中采用递归的思路，但并没有给出具体的模型和算法。文献11虽然从遥测数据的特点、数据描述、系统功能与结构等方面给出了遥测数据仿真系统的设计和实现过程，但同样没有给出遥测数据的仿真算法。可见，现有方法要么从系统硬件的角度描述，要么从仿真原理的角度描述，并没有一种用于描述各型号飞行器遥测全帧数据的通用化表达模型和仿真算法，通用化遥测全帧数据仿真算法依然是制约通用化遥测数据仿真软件研发的瓶颈。为此，本文对遥测全帧数据的通用化仿真方法进行了研究。首先，通过对各型号飞行器遥测全帧数据的特点进行分析，建立了遥测全帧数据的通用化表达模型；其次，利用该模型，设计了基于结构递归运算和参数反演运算的遥测全帧数据通用化仿真算法。最后，通过算例分析，验证了模型和算法的实用性和有效性。1遥测全帧数据特点遥测全帧数据是飞行器上测量参数的载体，虽然不同飞行器甚至同一型号飞行器不同批次的遥测全帧数据格式和内容不尽相同，但本质上可将其归纳为在某种通用协议下定义的格式数据，其特点可归纳为1114：遥测全帧数据都具有一些基本属性信息：帧周期、帧长、帧计数、同步码等信息。遥测全帧数据均是按照比特、字节、结构和帧等4个元素逐层次生成的数据流。遥测全帧数据中结构数据又是由比特、字节、结构或者三者的任意组合组成。遥测参数虽然种类繁多、性质各异，但归根结底参数要么以比特形式存在于遥测全帧数据中，要么以字节形式存在于遥测全帧数据中。正是由于遥测全帧数据具有以上特点，使得建立通用化遥测全帧数据表达模型成为可能。2模型建立基于遥测全帧数据的特点分析可知，无论遥测全帧数据的内容和格式如何复杂多变，均可将其分解为相对全帧结构位置固定的参数数据和结构数据，结构数据又可进一步分解为相对该结构位置固定的参数数据或结构数据或此二者的组合，以此类推，直到将所有结构数据分解到仅由相对该结构位置固定的参数数据组成，最终得到如图1所示的遥测全帧结构数据树状分解图。需要说明的是，无论是帧计数，还是同步码、特征码等，本质上都是一种参数。由此可见，遥测全帧数据通用化表达模型设计的关键在于结构数据和参数数据的描述，为此，本文提出了基于二态表达模型的通用化遥测全帧图1遥测全帧结构数据树状分解图Fig.1The tree decomposition of the telemetry full-frame data49第 44 卷第 5 期李鑫等，基于二态模型递归树的遥测全帧数据仿真算法数据描述方法。2.1参数数据参数数据包括字节型参数数据和比特型参数数据。其中，字节型参数是指参数由字节构成，其基本组成单元为字节；比特型参数是指参数由比特构成，其基本组成单元为比特。表1给出了描述参数数据的属性信息。由表1可知：参数数据由基本属性、结果属性、运算属性及编码属性四类属性描述。基本属性用于描述参数的基本信息，包括参数名称，对于比特型参数还包括参数编码名称。结果属性用于获取参数的仿真数值，包括仿真数值表、插值方法、开始时间、结束时间、仿真数值。其中，仿真数值表指明了参数仿真数值的时间序列链表，表中内容包括时间和量值，插值方法则给出了从仿真数值表中获取任意时刻参数值所采用的插值方法，如常量插值、一阶多项式插值等方法。运算属性用于从参数仿真数值到编码值的反演计算，包括计算方法、计算系数，计算方法给出了反演计算所使用的公式，计算系数则依据计算方法而定。编码属性用于参数的数值编码，包括编码字节长度、编码字节顺序、编码类型，对于比特型参数还包括比特位置。其中，编码字节顺序指明了编码时字节的高低顺序，编码类型指明了编码时所采用的数据类型，如 char、ushort、int、float、double等，比特位置指明了比特型参数所在编码的比特位置，可以是一位，也可以是某几位。可以看出，相比字节型参数的属性，比特型参数的属性中增加了用于描述比特和字节的关系属性，即参数编码名称和比特位置。2.2结构数据结构数据包括全帧结构数据和通用结构数据。其中，全帧结构数据属性用于描述全帧数据的格式信息；通用结构数据属性用于描述全帧数据中所包含子结构的格式信息。表2给出了描述结构数据的属性信息。由表2可知：结构数据由基本属性、位置属性、运算属性三类属性描述。基本属性仅包括数据名称，位置属性用于描述数据所在的位置。对于全帧结构，采用二维描述方式，其位置属性包括子帧波道位置、副帧波道位置、延时子帧波道位置、延时副帧波道位置1517；对于通用结构，采用一维描述方式，其位置属性仅包括数据起始位置。运算属性用于数据的递归运算，包括数据类型、数据长度、下级结构表、结构长度，其中，数据类型指明了数据的性质，包括字节型参数、比特型参数和结构三种。当数据类型为字节型参数时，下级结构表为字节型参数所对应的属性链表，结构长度对应参数所占字节数，数据长度为当前结构中参数所占字节数；当数据类型为比特型参数时，下级结构表为比特型参数所对应的属性链表，结构长度对应参数编码所占字节数，数据长度为当前结构中参数编码所占字节数；当数据类型为结构数据时，下级结构表为下级结构数据所对应的属性链表，结构长度对应该结构所占字节数，数据长表2结构数据属性表Table 2Structure data attributes性质基本属性位置属性运算属性属性数据名称子帧波道位置副帧波道位置延时子帧波道位置延时副帧波道位置数据起始位置数据长度数据类型下级结构表结构长度全帧结构通用结构表1参数数据属性表Table 1Parameter data attributes性质基本属性结果属性运算属性编码属性属性参数名称参数编码名称仿真数值表插值方法开始时间结束时间仿真数值计算方法系数编码字节长度编码字节顺序编码类型比特位置字节型参数比特型参数502023 年 9 月遥 测 遥 控度为当前结构中该结构所占字节数。可以看出，全帧结构和通用结构数据的属性区别仅在于位置信息的描述方式不同。3算法设计通过上述分析可知，遥测全帧数据仿真就是从全帧结构数据开始，按照其树状分解图对遥测全帧数据进行递归解析1821，直至将每个结构数据解析至仅存在相对该结构位置固定的参数数据。对于参数数据，其内容可直接由参数仿真数值反演运算得到；对于结构数据，其内容则需要通过逐级递归运算得到。因此，遥测全帧数据仿真的核心问题在于如何实现结构的递归运算和参数的反演运算。3.1结构递归算法图2给出了相邻结构递归算法示意图。由图2可知：无论是参数的反演运算还是结构的递归运算，要想实现参数数据或结构数据的仿真，都需要知道结构或参数的起始计数、结束计数、数据长度、结构长度、起始位置偏差和周期这六要素。为此，本文提出了基于多元函数递归运算的结构数据生成算法。设当前结构的仿真计数为n，周期为Tc，下级结构或参数的数据长度为Ld，结构长度为Ls，则下级结构或参数的起始计数ns为：ns=floor()(n-1)LdLs+1（1）结束计数ne为：ne=ceil()nLdLs（2）起始位置偏差ps为：ps=(n-1)Ld-(ns-1)Ls（3）周期为Tcn：Tcn=TcLsLd（4）其中，floor表示向下取整，ceil表示向上取整，数据长度Ld和结构长度Ls可通过当前结构数据属性表获得。如图3给出的结构递归算法流程图所示，利用公式(1)公式(4)，基于当前结构的起始计数、结束计数、数据长度、结构长度、起始位置偏差和周期的结构递归算法为：依据当前结构的起始计数、结束计数逐一实现各计数值对应当前结构数据的仿真，从而获取需要仿真的所有当前结构数据，其中，每个计数值对应的当前结构数据仿真过程如下：1)依据当前结构长度构造数据缓冲区。2)依据当前结构数据属性表中数据的属性内容，逐一实现当前结构中各数据的仿真，每个数据的仿真过程如下：i 依据当前结构数据属性表确定下级结构或参数的数据长度和结构长度。ii 依据当前结构仿真计数值、周期和下级结构或参数的数据长度、结构长度，利用公式(1)公式(4)计算下级结构或参数的起始计数、结束计数、起始位置偏差和周期。图2相邻结构递归算法示意图Fig.2The schematic diagram of recursive algorithm for adjacent structures51第 44 卷第 5 期李鑫等，基于二态模型递归树的遥测全帧数据仿真算法图3结构递归算法流程图Fig.3The flow chart of recursive algorithm for structures522023 年 9 月遥 测 遥 控iii 依据当前仿真数据的数据类型实现数据的仿真：当数据类型为字节型参数时：(a)依据参数的起始计数、结束计数、周期及下级结构表中字节型参数属性信息，利用字节型参数反演计算方法，逐一实现各计数值对应参数数据的仿真，从而获取当前结构中需要仿真的所有参数数据。(b)依据参数在当前结构中的数据长度和起始位置偏差，从所有参数数据中获取当前结构中所需要的数据。(c)依据当前结构中参数的数据起始位置，将当前结构中所需要的参数数据填充至当前结构数据缓冲区的相应位置。当数据类型为比特型参数时：(a)依据参数编码的起始计数、结束计数、周期及下级结构表中比特型参数属性信息，利用比特型参数反演计算方法，逐一实现各计数值对应参数编码数据的仿真，从而获取当前结构中需要仿真的所有参数编码数据。(b)依据参数编码在当前结构中的数据长度和起始位置偏差，从所有参数编码数据中获取当前结构中所需要的数据。(c)依据当前结构中参数编码的数据起始位置，将当前结构中所需要的参数编码数据填充至当前结构数据缓冲区的相应位置。当数据类型为结构时：(a)利用下级结构起始计数、结束计数、数据长度、结构长度、起始位置偏差、周期，重复步骤步骤，直至获取当前结构中所需要的下级结构数据。(b)依据当前结构中下级结构数据起始位置，将当前结构中所需要的下级结构数据填充至当前结构数据缓冲区的相应位置。依据当前结构的起始位置偏差和数据长度，从所有当前结构数据中获取上级结构所需要的数据。返回上级结构中所需要的当前结构数据。这样，当仿真时刻到来时，通过当前仿真时间和帧周期，确定当前时刻需要仿真的全帧计数，再根据全帧结构数据属性表中各数据下级结构或参数数据长度和结构长度，利用公式(1)公式(4)获取下级结构或参数的起始计数、结束计数、起始位置偏差和周期，采用结构递归算法便可实现当前时刻遥测全帧数据的仿真。3.2参数反演算法无论是字节型参数还是比特型参数，其反演运算均包含3个过程：参数值计算、编码值计算、编码。二者区别在于：当进行结构递归运算时，对于字节型参数，结构数据属性表中的数据名称与参数数据属性表中的参数名称对应；对于比特型参数，结构数据属性表中的数据名称与参数数据属性表中的参数编码名称对应。3.2.1字节型参数反演算法图4给出了字节型参数反演算法的过程为：利用参数的周期和仿真计数值计算参数的仿真时刻。从字节型参数属性表中获取参数的属性信息。利用插值方法从仿真数值表中计算仿真时刻的参数值或通过开始时间、结束时间、仿真数值确定仿真时刻的参数值。利用参数的计算方法和系数，将参数值转化为编码值。依据参数编码类型和编码字节长度对参数编码值进行编码运算。依据编码字节顺序进行编码重组。3.2.2比特型参数反演算法图5给出了比特型参数反演算法的过程为：图4字节型参数反演算法流程图Fig.4The flow chart of inversion algorithm for the byte type parameter53第 44 卷第 5 期李鑫等，基于二态模型递归树的遥测全帧数据仿真算法 依据参数编码数据的周期和仿真计数值计算参数编码数据的仿真时刻。从比特型参数属性表中获取参数编码数据的属性信息。依据比特型参数数据属性表中参数编码名称和参数名称的关系，确定参数编码数据中所包含的参数，并逐一对各参数进行编码，过程如下：1）利用插值方法从仿真数值表中计算仿真时刻的参数值或通过开始时间、结束时间、仿真数值确定仿真时刻的参数值。2）利用参数的计算方法和系数，将参数值转化为编码值。3）依据参数编码类型对参数编码值进行编码运算。依据参数编码数据中各参数所在的比特位置，对所有参数进行组码。依据编码字节顺序进行编码重组。4算例分析为了评估本文所提出的仿真算法，以某飞行器遥测全帧数据仿真为例，对模型的实用性和算法的有效性进行了详细检验和分析。设飞行器遥测全帧数据的帧周期为10秒，子帧长为10，副帧长为 5，子帧同步码为 0 xAAAA，副帧同步码为0 xBBBB。依据遥测全帧数据的内容及本文所提出的通用化二态表达模型，得到了如表3表9所示的仿真信息表。其中，在插值方法中，0表示常量插值，1表示一阶多项式插值；在计算方法中，0表示编码值即为参数值，1 表示编码值为等差数列，其中，第一个系数表示初值，第二个系数表示步长，2表示编码值为参数值的一阶多项式计算结果，其中，第一个系数表示截距，第二个系数表示斜率(详见表4)。由表3所示的全帧结构数据信息表可以看出，该飞行器遥测全帧数据由7种数据组成，分别为子帧同步码、副帧同步码、帧计数、参数1、参数2、参数编码1和结构1。其中，子帧同步图5比特型参数反演算法流程图Fig.5The flow chart of inversion algorithm for the bit type parameter表3全帧结构数据信息表Table 3The information of the full-frame structure data数据名称子帧同步码副帧同步码帧计数参数1参数2参数编码1结构1子帧波道位置6,76,751-41-458-10副帧波道位置1-45512-511-5延时子帧波道位置延时副帧波道位置数据长度/byte821416115数据类型字节型参数字节型参数字节型参数字节型参数字节型参数比特型参数结构下级结构表全帧结构数据_字节型全帧结构数据_字节型全帧结构数据_字节型全帧结构数据_字节型全帧结构数据_字节型全帧结构数据_比特型结构1数据结构长度2214415542023 年 9 月遥 测 遥 控表8结构1数据_比特型参数信息表Table 8The information of bit type parameter for the structure 1 data参数编码名称参数编码2参数编码2参数编码2参数编码2参数编码2参数编码2参数名称参数6参数6参数7参数7参数8参数8插值标志falsefalsefalsefalsefalsefalse仿真数值表插值方法开始时间/s010001300115结束时间/s100150130150115150仿真数值010101计算方法000000系数编码字节长度111111编码字节顺序序1序1序1序1序1序1比特位置776655编码类型ucharucharucharucharucharuchar表7结构1数据_字节型参数信息表Table 7The information of byte type parameter for the structure 1 data参数名称结构头结构尾插值标志falsefalse仿真数值表插值方法开始时间/s00结束时间/s150150仿真数值0 xEEEE0 xFFFF计算方法00系数编码字节长度22编码字节顺序序21序21编码类型ushortushort表4全帧结构数据_字节型参数信息表Table 4The information of byte type parameter for the full-frame structure data参数名称子帧同步码副帧同步码帧计数参数1参数2插值标志falsefalsefalsetruetrue仿真数值表参数参数插值方法01开始时间/s00000结束时间/s150150150150150仿真数值0 xAAAA0 xBBBB计算方法00120系数1,11,0.1编码字节长度22144编码字节顺序序21序21序1序1234序4321编码类型ushortushortucharfloatfloat表5全帧结构数据_比特型参数信息表Table 5The information of bit type parameter for the full-frame structure data参数编码名称参数编码1参数编码1参数编码1参数编码1参数编码1参数编码1参数名称参数3参数3参数4参数4参数5参数5插值标志falsefalsefalsefalsefalsefalse仿真数值表插值方法开始时间/s012001200120结束时间/s120150120150120150仿真数值011001计算方法000000系数编码字节长度111111编码字节顺序序1序1序1序1序1序1比特位置776655编码类型ucharucharucharucharucharuchar表6结构1数据信息表Table 6The information of the structure 1 data数据名称结构头参数编码2结构尾数据起始位置023数据长度/byte212数据类型字节型参数比特型参数字节型参数下级结构表结构1数据_字节型结构1数据_比特型结构1数据_字节型结构长度21255第 44 卷第 5 期李鑫等，基于二态模型递归树的遥测全帧数据仿真算法码、副帧同步码、帧计数、参数1、参数2为字节型参数数据，其数据的属性信息如表4所示；参数编码1为比特型参数数据，其数据的属性信息如表5所示；结构1为结构数据，其内容由表6给出的结构1数据信息表所示，可以看出，该结构又由3种数据组成，分别为结构头、参数编码 2和结构尾，且数据类型仅包含字节型参数和比特型参数数据。因此，结合表7给出的结构1数据字节型参数信息表和表8给出的结构1数据比特型参数信息表，便可实现该结构数据的描述，从而实现了飞行器遥测全帧数据的描述。图6给出了当仿真时间为120秒，帧计数为12时，采用结构递归运算和参数反演运算得到的遥测全帧数据仿真结果。从图6中可以直观看出，该遥测全帧数据的子帧同步码为 0 xAAAA，副帧同步码为 0 xBBBB，帧计数为 0 x0C，即 12，符合设计要求。为进一步核实仿真数据的准确性，对该数据进行了解算，得出如表10所示参数解算结果，通过与表4、表5、表8及表9的仿真参数值比对可以看出，二者一致，说明本文所提出的基于二态模型递归树算法能够有效实现遥测全帧数据的仿真。5结束语本文对遥测全帧数据仿真问题进行了深入研究，提出了一种基于二态模型递归树的通用化遥测全帧数据仿真算法。通过对各型号飞行器遥测全帧数据的特点进行分析，提出了基于参数数据和结构数据的遥测全帧数据通用化二态表达模型，构建了描述遥测全帧数据的递归树，实现了遥测全帧数据的通用化描述。同时，针对参数数据的仿真问题，依据参数类型分别设计了字节型参数反演算法和比特型参数反演算法，针对结构数据仿真问题，提出了一种基于起始计数、结束计数、数据长度、结构长度、起始位置偏差、周期的多元函数递归运算方法，从而按照遥测全帧结构数据的树状分解图，逐级实现各级参数数据和结构数据的仿真，进而实现了遥测全帧数据的仿真。算例分析和实践应用表明，本文提出的模型和算法能够有效解决不同型号飞行器的遥测数据通用化仿真问题，为通用化遥测数据仿真系统和模拟源的设计提供了一种有效的技术方法。参考文献1 蔡晓玮,智佳,陈志敏,等.基于关联知识的航天器有效载荷遥测数据仿真方法J.计算机工程与设计,2022,43(7):2095-2101.CAI Xiaowei,ZHI Jia,CHEN Zhimin,et al.Simulation method of spacecraft payload telemetry data based on correlation knowledgeJ.Computer Engineering and Design,2022,43(7):2095-2101.2 杨同智,刘廷玉,王杰,等.面向一体化测试与运管的航表9参数的仿真数值表Table 9The value table of parameter simulation时间/s量值00101202303404505606707808909100101101112012130131401415015图6遥测全帧数据的仿真结果（帧计数为12）Fig.6The simulation result of telemetry full-frame data when frame count is 12表10参数解算结果表Table 10Results of parameter calculation参数名称时间/s结果参数112012参数2112.5、115、117.5、12011.25、11.5、11.75、12参数31200参数41201参数51200参数6113.3、116.7、1201、1、1参数7113.3、116.7、1200、0、0参数8113.3、116.7、1200、1、1562023 年 9 月遥 测 遥 控天器指令技术研究J.遥测遥控,2023,44(3):1-9.YANG Tongzhi,LIU Tingyu,WANG Jie,et al.Research on spacecraft instruction technology for integrated testing and operation managementJ.Journal of Telemetry,Tracking and Command,2023,44(3):1-9.3 谷阳阳,张东.基于规范帧的遥测数据矩阵分路方法研究J.电子测量技术,2020,43(24):108-113.GU Yangyang,ZHANG Dong.Matrix partitioning me-thod of telemetry data on the base of standard framesJ.Electronic Measurement Technology,2020,43(24):108-113.4 吕治国.智能化多站遥测数据处理系统J.遥测遥控,2017,38(4):9-19.LYU Zhiguo.Intelligent multi-station telemetry data processing systemJ.Journal of Telemetry,Tracking and Command,2017,38(4):9-19.5 贾海艳,于瑞年.多任务遥测数据实时处理系统J.探测与控制学报,2020,42(5):102-106.JIA Haiyan,YU Ruinian.Multitask telemetry data real-time processing systemJ.Journal of Detection&Control,2020,42(5):102-106.6 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