一种多站测控设备分时自助式联调检查方法与流程

本发明涉及一种支持多站测控设备并行测试的分时自助式联调检查方案，用于提升航天任务中测控设备状态设置正确性检验的自动化水平。

背景技术：

航天测控设备是连接各类空间航天器与地面测控中心的纽带，承担着通信、跟踪、遥测和发送指令等重要工作。我国航天测控地面系统目前有s频段、c频段等各种类型的测控设备近百台套，分布在全国十多个测控站点以及一些国外测控站，这些设备组成了一个地面测控网，共同承担着我国所有航天器发射早期测控和长期在轨管理段的跟踪测控任务。

每一套航天测控设备都是一个独立的系统，不仅包括塔架、天线、供配电等硬件设备，还包括基带、dte等软件系统。在参加每一个航天器的跟踪测控任务之前，除硬件日常维护之外，最重要的工作就是对测控设备的软件系统进行参数装订，然后参加测控中心统一组织的联调检查，验证设备状态设置的正确性。一旦验证通过，有关技术状态将被自动保存，今后该设备就可以根据计划长期承担该航天器的跟踪测控任务。因此，在每个航天器发射之前，对所有测控设备的状态设置进行联调检查是一项非常关键的工作，关系到每套测控设备能否正常完成航天测控任务。

根据传统的工作模式，测控设备的联调检查由测控中心统一组织实施。中心根据任务需求向各测控站下发设备状态设置规定，各测站的相关测控设备根据规定完成设备状态的设置，然后根据中心下达的计划在规定的时间一同参加专项联调。联调过程中各单位相关岗位人员协同工作，逐项完成各类信息的检查工作，从而验证所有设备技术状态设置的正确性。上述整个过程均由人工组织，需要中心与各测控站岗位人员大力协同，其工作模式如图1所示。这种人工组织模式在以往航天器发射和在轨管理任务较少、测控设备数量不多的情况下是比较有效的。但是随着近年来我国航天测控任务频度的增大和新建测控设备的不断入网，在轨卫星数量和测控设备数量都在迅速增长，一方面每套测控设备承担的在轨卫星日常测控工作越来越重，另一方面每个型号任务参与的测控设备也是越来越多。在这种形势下，由中心统一组织针对新型号任务的联调检查势必影响到每套测控设备承担的日常测控工作，因参试设备众多，每次联调检查都需要对正常的测控网管计划进行大面积的调整，组织协调难度很大。同时，由于联调检查过程参与的设备数量多，人工检查确认费时费力，出现问题时又相互影响，联调检查的效率非常低。可见，这种传统的工作模式已经严重制约了工作效率的提升，不能适应航天事业高速发展的要求。为了有效解决这一难题，改进联调组织模式、提升联调检查的自动化水平成为一个迫切的需求。

该问题是我国航天测控领域近年来面临的紧迫问题，据查阅没有相关报道和资料涉及到该问题的解决手段。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种以自动化运行为基础的分时自助式联调检查方案，以达到提升测控设备联调检查的自动化水平，进而提高航天测控任务准备效率的目的。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

步骤1，中心和各测控站测控设备分别独立完成任务联调技术状态的设置，中心的设置包括联调任务自动化运行环境、本任务支持的自动化联调检查项目、每个项目的联调检查参数以及评判标准；测控设备的设置包括测控设备联调检查项目和每个项目的联调装订参数；

步骤2，在设定时间段内，各站测控设备以分时的方式与中心开展信息联调检查，首先由测控设备根据需求主动发起联调检查请求，完成与中心的信息收发，然后中心响应测控设备的请求，完成与各测控设备联调中的信息处理；

步骤3，对联调检查中收集的数据进行正确性评判，包括：

1)比较实际发送帧频是否在设置帧频容差范围内；

2)对数据按照设定间隔分段，计算实际帧频，然后比较分段帧频的分散度，判别数据是否稳定；

3)提取前s帧数据的发送时刻ts，计算平均值，得到理论的发送帧延时d0；然后计算每帧的发送帧延时是否在容差范围△t内，从而判断出是否丢帧；

4)对遥测固定码、遥控指令、气象数据以及进站点瞬时轨道根数的数据格式进行正确性比判；

5)采用均值偏差和标准差来比较中心收到的测量值是否与测控设备设置的值一致，系统误差和随机误差是否符合指标要求。

所述的步骤2中，中心和各站测控设备之间收发的信息包括任务联调数据和自动化联调检查交互协议，自动化联调检查交互协议的外部封装上沿用任务联调数据的通信协议，内部数据字段包括发出信息的日期、时间和信息类别，所述的信息类别包括测控设备向中心发送联调检查申请时每个单项联调对应的申请标识、中心向测控设备发送的响应信息、中心与测控设备互发的每个单项联调对应的数据结束标志以及中心向测控设备反馈的每个单项联调对应的检查结果。

所述的步骤2中，如果是进行测控设备向中心发送数据的检查，则测控设备向中心发送相应的数据，到达设定时长后发送对应的结束标志，然后结束本项检查；如果是进行中心向测控设备发送数据的检查，则测控设备等待接收来自中心的数据，每收到一帧数据自动完成比判和应答，收到中心发送的数据结束标志时，结束本项检查。

所述的步骤2中，中心自动响应和处理测控设备发出的申请，如果本地尚未准备好包括未配置对应的任务或者联调检查项，则拒绝申请；否则，启动一个独立的进程来处理该项检查；如果是进行测控设备向中心发送数据的检查，则中心自动接收来自测控设备端的数据帧，并实时进行记录，在收到数据结束标志时，或者数据中断达到设定时长时，停止记录接收数据，转入步骤3进行数据正确性评判；如果是进行中心向测控设备发送数据的检查，则中心构造对应的数据帧并按任务要求向测控设备发送，同时接收来自测控设备的应答信息，数据发送完毕后向测控设备发送数据结束标志，停止记录应答数据，转入步骤3进行数据正确性评判。

各测控设备的联调检查结束后，所有最终生成的单项联调检查结果以xml文件的形式保存，每项结果中包含了设备编码、数据类型、数据时间以及数据比判中给出的帧频、丢帧、错帧指标信息。

本发明的有益效果是：

1)设计了多站测控设备分时自助联调模式，支持多站并行、分时开展测控信息联调并自主排查问题。各测控站可以根据测控设备承担日常测控任务的情况，自行选择合适时段完成测控信息的联调检查，解决了以往多站测控设备联调与实时测控任务资源冲突的难题，节约了组织管理成本。同时，在自助联调的模式下不同测控设备的信息联调检查分时进行、互不影响，还可以避免以往统一组织联调时因排查个别设备问题影响到整体效率的问题。

2)设计了一套适应自动化联调检查的交互协议和工作流程。根据该流程，所有的联调检查项目由测控设备端发起申请并主动实施，中心系统自动响应申请并完成与相应的数据处理，即时将每个项目的检查结果反馈给测控设备端，使得测控设备端能自主、高效地开展联调检查，及时发现并排查联调中存在的问题，从而保证联调检查的针对性和有效性。

3)制定了测控设备联调检查项目的正确性评判准则。在联调中，依据准则由软件来对记录的数据进行自动统计分析，其结果作为确认设备技术状态、分析设备问题的依据，从而可以显著提升工作效率。

4)本发明能够满足现有测控设备常规信息联调检查的要求，而且具备可扩充性，通过增加数据类型和有关算法模块，可以适应以后新增设备的联调检查要求。

附图说明

图1是传统的联调检查工作模式示意图；

图2是分时自助式联调检查组织模式示意图；

图3是分时自助式联调检查工作流程示意图；

图4是联调数据自动化分析评判通用流程图，其中，a)是数据分析主流程示意图，b)是数据分析各子主流程示意图；

图5是自动化联调检查系统硬件环境示意图；

图6是自动化联调检查系统软件结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明的核心要义是建立中心与各站测控设备之间联调检查的交互协议，制定各类检查项目的正确性评判标准，由各测控站根据自身情况自主地安排测控设备开展分时、自助式的联调检查，在中心建一个独立的联调检查系统来自动进行数据的收发、处理及正确性评判，最终辅助生成检查结果报告。该方案设计的工作模式如图2所示，整个过程不再需要统一的组织协调以及人工的检查评判，从而大幅度节约人力资源投入和组织管理的成本，提高工作效率。

本发明提出的技术方案主要包括以下4个步骤：

步骤1：中心和各测控站测控设备完成联调前的任务技术状态准备。

中心和各测控站相关岗位人员依据任务技术状态设置规定，分别在中心系统和测控设备系统上以“背靠背”的方式完成任务联调技术状态的设置，作为后续自动化联调检查的依据。

中心需要设置的状态包括：1)联调任务自动化运行环境；2)本任务支持的自动化联调检查项目；3)每个项目的联调检查参数设置、评判标准设置。测控设备在完成正常任务技术状态准备的基础上，需要设置的联调状态包括：1)测控设备联调检查项目；2)每个项目的联调装订参数。

步骤2：在给定时间段内，各站测控设备以分时、自助的方式与中心开展信息联调检查，完成各类数据的发送和接收。

在中心和各站测控设备都完成技术状态准备的情况下，由测控设备分时、自助地开展联调检查是降低组织管理成本、提高工作效率的重要途径，也是本方案的核心。这种新的工作模式包括两个方面：一是由测控设备方自主安排、主动发起联调检查请求，并自动完成与中心的信息收发；二是中心自动响应各测控设备的请求，自动完成与各测控设备联调中的信息处理。

为实现这种新的工作模式，中心和各站测控设备之间除正常的任务联调数据交互之外，还需要传递一些控制命令和响应类信息。这些新增的信息称为自动化联调检查交互协议，该协议规定的数据格式在外部封装上沿用原有的通信协议，并利用原有的通信链路来互相传递，内部数据字段包括日期、时间、信息类别等，具体格式定义见表1，该协议是实现自动化联调检查的基础。

表1自动化联调检查交互协议的内容概要

每一项联调检查均由测控设备端主动发起。设备操作人员利用设备dte软件客户端发送一个联调检查申请，中心系统服务器端给出应答。如果同意，则开始进行此项联调检查，具体分两种情况：

1)如果是进行测控设备向中心发送数据的检查，则驱动dte软件按规定自动向中心发送相应的数据，到达规定时间长后，发送对应的结束标志，然后结束本项检查；

2)如果是进行中心向测控设备发送数据的检查，则等待接收来自中心的数据，每收到一帧数据自动完成比判和应答，收到中心发送的数据结束标志时，结束本项检查。

在联调检查过程中，中心系统服务器端处于自动运行状态，自动响应和处理测控设备端发出的申请。如果本地尚未准备好(未配置对应的任务或者联调检查项)则拒绝申请；否则，启动一个独立的进程来处理该项检查，此处也分两种情况：

1)如果是进行测控设备向中心发送数据的检查，则自动接收来自测控设备端的数据帧，并实时进行记录，在收到数据结束标志时，或者数据中断连续60秒时，关闭记录的接收数据文件，转入步骤3进行数据正确性评判，最后将评判结果实时反馈给测控设备dte软件的客户端。

2)如果是进行中心向测控设备发送数据的检查，则按照数据格式规程要求以及事先装订的参数，自动构造对应的数据帧并按任务要求向测控设备发送，同时自动接收来自测控设备的应答信息，数据发送完毕后向测控设备发送数据结束标志，然后关闭记录的应答数据文件，转入步骤3进行数据正确性评判，最后将评判结果反馈给客户端。

一个单项联调检查的过程可以用图3进行表示。每一项联调检查的过程都由测控设备操作人员控制，如果从反馈结果看本项检查不正常，则应当排查解决问题，然后再次进行这个过程，直到本项检查通过。

中心系统服务器端支持多设备、多种数据的并行检查。测控设备端在支持单项检查的基础上，也支持“一键式”的快捷操作，操作人员在选择联调内容和检查顺序之后，可以一键启动自动完成联调检查的整个流程，从而进一步减少人工操作。

步骤3：对联调检查中收集的数据自动进行正确性评判。

在每一项联调的数据收集完毕后，以自动化的方式完成正确性评判是本方案实施中的关键，而实现自动评判的前提和基础，就是要针对每一个检查项目给出正确性评判标准。联调检查中各测控设备与中心交换的数据从特性上看可分为连续测量数据和固定格式数据两类，对数据的正确性评判从算法模型上可归纳为以下5个：

1)帧频分析与比判

通过对帧频的分析可以检查设备外测数据帧频设置，也可以检查设备遥测码速率设置，其标准主要是比较实际发送帧频是否在设置帧频容差范围。用公式表示就是：

fs∈fi(1±△)

其中fs为实际发送帧频，fi为设置的理论帧频，△为设计的容差，定为20％。当实际帧频超出理论帧频容差范围，就判定帧频设置错误。fs是不可知的，采用实际接收帧频fr＝fr/t近似估计(fr为实际接收帧计数，t为首帧与末帧数据的时间间隔)，得到分析标准为：

fr∈fi(1±△)(1)

fs与f的关系为：

fr＝fs－fl/t(2)

其中fl为丢帧计数。fr与fs的相对偏差与fl/t相关，fl/t越大，偏差越大。

2)数据连续性分析与比判

数据连续性分析主要关注的是帧频的稳定性，所以在连续性分析中我们对数据分段计算实际帧频，一般以1秒为间隔进行分段，然后比较分段帧频的分散度，判别数据是否稳定。这个标准可以用下式表示：

其中errmax为各分段帧频frj与实际接收帧频fr的相对误差，errmax＜△为最终的判别标准，n表示分段数。

3)丢帧数分析与比判

一般的丢帧分析策略是建立在对发送方发送数据总数已知的基础上的，然后通过收到的数据帧数与理论帧数比较，计算丢帧数。这个标准可以用下式表示：

fl＝t·fi－fr

其中fl为丢帧计数。但这种标准在联调检查中有一个问题，它成立的前提是fi与fs(实际发送帧频)是一致的，如果不一致，这就使得帧频错误与丢帧错误耦合在了一起。当fs＜fi，即使网络传输稳定，依然会触发丢帧错误，混淆错误定位分析。并且即使标称fi＝fs，实际实现时这两个量也是可能存在微小偏差的。设fi＝10帧/s，t＝100s，fs哪怕发生0.1％的偏差，也会造成1帧的计算误差。

根据系统内部的通信协议，在包头中包含了数据帧打包发送的时刻，本发明认为若要严格正确计算丢帧，需要用到发送时刻，因为这个时刻与网络无关，理论是严格均匀的。于是，提取前s帧数据的发送时刻ts，计算平均值，得到理论的发送帧延时d0。然后计算每帧的发送帧延时是否在容差范围△t内，从而判断出是否丢帧。

tsk-tsk-1∈m·d0±△t,m＝0,1,...k＝1,2,...s(4)

其中tsk为当前帧发送时刻，tsk-1为前一帧发送时刻。若m＝0，则说明不存在丢帧，m＞0则m即为丢帧数。

4)格式正确性分析与比判

格式正确性分析是最基本的一项标准，用来判断一些固定格式数据加工、发送和解析的正确性，其标准就是按照数据格式规程的定义，每个字段严格与预先装订的参数一致。本方案根据航天测控系统的数据格式规程的定义对遥测固定码、遥控指令、气象数据以及进站点瞬时轨道根数等4种格式的数据进行严格的正确性比判。

5)数据准确度分析与比判

对于设备产生的连续测量数据的检查则要用到准确度分析和比判标准。通常情况下需要比较中心收到的测量值是否与测控设备设置的值一致，系统误差和随机误差是否符合指标要求。

样本均方根误差是用来衡量测量值同真值偏差的常用标准，可以用下式表示：

其中n代表接收到需要分析的数据总个数，xi代表每次收到的数据，x0代表设置值均方根误差既反映了测量值的均值偏差，也反映了测量值的分散程度，计算实现简单，应用的很广泛。但如果用来做联调对标数据的分析，则把系统误差和随机误差耦合到了一起，数据超差后难以准确定位问题。比如测角数据超差了，究竟是角度修正系数发生变化了还是设备随机差超差，测距超差了，究竟是测距随机差超差了还是零值填写错误，这些从均方根误差是分辨不出来的。所以为替代样本均方根误差，本发明采用更传统的均值偏差和标准差来衡量对标数据的准确度，对于真值是固定数值的对标数据而言，既能达到与均方根误差一样的效果，能够更清楚反应出数据偏差性质，准确定位是系统误差还是随机误差，快速排查问题解决故障。

样本均值偏差的定义为：

样本标准差定义为：

样本标准差的原始计算量较大，可以采用快速算法处理。上式中也就是说只要计算出数据的累和和平方累和，就可以计算出标准差，同时也计算出了均值。

在联调检查中，对每种数据的正确性评判需要综合运用到上述算法模型。一般情况下的评判流程如图4所示，但不同数据的具体评判要求则各不相同，而且同一种数据针对不同航天任务的状态设置也可能不同，要根据具体的配置来进行正确性评判。现有6类数据的正确性评判模型选择参见表2，对每种数据，相关的分析比判全部通过才能给出检查通过的结论，否则认为检查异常，需要排查解决相应的问题。

表2各类数据正确性评判模型选择

步骤4：联调结束后自动生成检查结果报告。

各测控设备自助式的联调检查结束后，所有最终生成的单项联调检查结果以xml文件的形式保存，每项结果中包含了设备编码、数据类型、数据时间以及数据比判中给出的帧频、丢帧、错帧等指标信息。利用这些信息，结合航天任务测控设备联调检查报告的编写要求，设备总体人员可以通过辅助工具自动汇总生成本任务所有参试测控设备的联调检查报告，最后对报告进行检查、确认并签字即可，从而减轻人工编写文档的工作量。

本发明的实施例提出了一种多站测控设备分时、自助式联调检查方案，用于解决航天任务准备阶段测控设备联调检查组织管理成本高、工作效率低、以及影响卫星长期管理工作的难题，提高联调检查的效率和自动化水平。

为实现上述设计，本方案建立了一套相应的自动化联调检查系统，该系统运行在测控中心专用服务器上，以无人值守和自动化的方式来支持各远程测控设备的联调检查；而在每个测控设备端配备联调客户端，由设备操作人员通过该客户端以自助的方式进行信息联调检查。系统运行的硬件环境如图5所示，系统硬件包括中心服务器端和测控设备端两个部分。中心服务器端配置专用的联调服务器，连接在中心实时任务网上，以便能够模拟任务系统与所有测控设备进行数据收发，对其操作可通过中心任务网内任一台pc机来进行。测控设备端则直接依托于各测控设备dte软件的操作终端来运行，无须配置专用硬件。

该系统软件的构成如图6所示。系统的软件以c/s(client-server)的模式运行，同样包括中心服务器端和测控设备端两部分。中心服务器端软件为server，面向所有测控设备，以无人值守和自动化的方式支持各测控设备的信息联调检查，根据其配置可以自动完成信息联调中各类测控数据的接收、发送以及正确性检查，并实时给出检查结果。测控设备端软件为client，由设备操作人员配置和操作，通过实时任务的测控链路与服务器端进行通信，以自助的方式完成联调检查。此外，中心服务器端软件还提供一个操作客户端，它以文件访问接口来连接服务器，完成软件配置文件的装订、联调检查结果的浏览以及最终检查报告文档的辅助生成。

以下通过自动化联调检查系统，以某型号任务20套s频段测控设备进行6种数据类型的联调检查为例，给出各步骤的实施要点：

1、中心和测控设备联调项目及参数装订

s频段测控设备的联调检查项目对应于6种数据类型，分别是外测对标数据、遥测固定码、气象数据、遥控指令、进站点瞬根数以及链路监视信息。其中，外测和遥测数据的检查还涉及到测控设备的不同工作模式：外测对标数据需要进一步细分为标准模式、扩频模式1(相干扩频模式)、扩频模式2(非相干扩频模式)，遥测固定码分为模式1、模式2两种。而遥控指令针对高轨和低轨航天器在格式上不相同，也需要分别进行处理。各检查项目需要装订的联调参数内容如表3，具体装订哪些要根据型号任务的类型以及测控设备可能使用的工作模式来定。

表3中心和测站联调参数装订内容

2、自助式联调检查过程

在自助式联调检查过程中，每一项联调检查均由测控设备端主动发起。设备操作人员利用设备dte软件客户端发送一个联调检查申请，中心系统服务器端给出应答，如果同意，则开始进行此项联调检查。具体又分两种情况：

1)如果是进行测控设备向中心发送数据的检查，则驱动dte软件按规定自动向中心发送相应的数据，到达规定时间长后，发送对应的结束标志，然后结束本项检查；

2)如果是进行中心向测控设备发送数据的检查，则等待接收来自中心的数据，每收到一帧数据自动完成比判和应答，收到中心发送的数据结束标志时，结束本项检查。

在上述过程中，中心系统服务器端处于自动运行状态，自动响应和处理测控设备端发出的申请。如果本地尚未准备好(未配置对应的任务或者联调检查项)则拒绝申请；否则，启动一个独立的进程来处理该项检查。此处也分两种情况：

1)如果是进行测控设备向中心发送数据的检查，则自动接收来自测控设备端的数据帧，并实时记录数据接收时间和内容；在收到数据结束标志时，或者数据中断连续60秒时，关闭记录的接收数据文件，进行数据正确性评判；最后将评判结果实时反馈给测控设备dte软件的客户端。

2)如果是进行中心向测控设备发送数据的检查，则按照数据格式规程要求以及事先装订的参数，自动构造对应的数据帧并按任务要求向测控设备发送，同时自动接收和记录来自测控设备的应答信息；数据发送完毕后，向测控设备发送数据结束标志，然后关闭记录的应答数据文件，进行数据正确性评判；最后将评判结果实时反馈给测控设备dte软件的客户端。

每一项联调检查的过程都由测控设备操作人员控制，如果从反馈结果看本项检查不正常，则应当排查解决问题，然后再次进行这个过程，直到本项检查通过。当一个测控设备的所有联调检查项目均通过时，该设备的联调检查才能算完成。

3、对联调检查中收集的数据自动进行正确性评判

在测控设备的联调检查中，对每种类型数据的正确性评判需要综合运用算法模型来评判。本任务中6类数据的正确性评判模型选择配置参见表4，对每种数据，根据配置的正确性比判算法进行分析比判，全部通过才能给出检查通过的结论，否则认为检查异常，需要排查解决相应的问题。

表4各类数据正确性评判模型配置表

4、生成检查结果报告

针对每套设备和每项检查，均自动生成单项检查结果报告，各设备客户单可以通过ftp下载联调结果，方便测站及时了解联调中出现的问题，依据错误报告检查和修改设备状态。最终联调结束后，设备总体总体人员可以一键式生成该任务所有参试测控设备的联调检查报告如表5所示，最后对报告进行审核、确认并签字即可，从而减轻人工统计编写报告的工作量。

表5某型号任务参试设备联调结果报告样表

本发明在西安卫星测控中心及其下属测控站得到应用。中心依据方案开发了自动化联调检查系统，在任务网上部署了专用的联调服务器，各测控站测控设备dte端部署了联调客户端。中心下属的渭南(2套)、喀什(3套)、青岛、厦门、南宁(2套)、佳木斯(3套)、三亚(3套)、第一活动站(2套)、第二活动站(2套)以及着陆场站共计20套s频段统一测控设备在某型号任务前参加了自助式的联调检查，验证了链路监视、气象数据、设备引导、外测对标、遥测固定码以及遥控指令等6类数据(其中外测、遥测支持多种模式)在中心与设备间信息交换的正确性，通过自助联调即时排查解决了任务技术状态设置的问题，最终检查全部通过。方案实施后的检查情况与传统联调方式对比如表6。

表6两种联调模式的对比情况表

应用结果表明，本发明有效解决了测控中心高密度早期测控任务信息联调与测控站承担卫星日常管理任务的资源冲突问题，优化了测控设备信息联调的组织模式，为中心与各测控站节约了组织管理成本，提升了联调检查的自动化水平和工作效率。

以上所述仅是本发明的典型实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。