北斗三号卫星多源异构遥测数据综合处理方法与流程

本发明属于航天测量与控制技术领域，具体涉及北斗三号卫星多源异构遥测数据综合处理方法。

背景技术：

北斗三号卫星以星座方式在轨运行，为全球提供精确授时和导航业务。卫星从发射到在轨运行期间，都需要通过遥测技术对其工作状态进行密切监视。在不同工作模式下，在轨卫星与在轨卫星之间、在轨卫星与地面测控站之间使用不同测控体制，遥测数据源码通过无线电通信下传至地面数据处理系统。例如，在发射入轨期间，卫星与火箭上面级组合体飞行，下传上面级一体化遥测数据；在轨运行期间，卫星使用不同测控体制，下传s频段非相干遥测数据、测控数传一体化遥测数据等；当卫星建立星间链路工作状态时，单个卫星下传的遥测数据，不仅包含自身遥测数据，而且包含其它卫星遥测数据。北斗三号卫星遥测下传过程如图1所示。

一般情况下，国内学者针对单一卫星或单一测控体制遥测数据处理方法开展了广泛研究。文献^[1]研究了单个卫星高速遥测数据处理技术，设计实现系统软件。文献^[2]研究了单个卫星遥测数据结构描述和通用软件设计。文献^[3]描述了pcm体制卫星遥测帧全分类提取方法，可实现多源pcm体制遥测数据的处理。现有遥测处理方法在北斗三号卫星遥测数据处理方面存在诸多不足。

在北斗三号卫星系统中，遥测下传存在不同测控体制，遥测数据源码的帧结构不同；多个地面测控站对北斗三号星座进行跟踪，存在多个数据来源；卫星之间建立星间链路工作状态时，下传遥测中包含星座内其它卫星遥测数据。针对北斗三号卫星遥测处理的需求，提出一种多源异构遥测数据综合处理方法。

参考文献

[1]李犟,李绪志.高速卫星遥测数据处理系统的设计方案[j].计算机工程与设计,2012,33(1)：198-203.

[2]刘洋,李宗德,丁雪静,戴媛媛，何晓苑.基于xtce的卫星遥测数据处理方法[j].遥测遥控,2017,38(2)：27-31

[3]闫蕾,董房.pcm体制卫星遥测帧全分类提取方法[j].信息技术与网络安全,2019,38(3)：35-39.

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种北斗三号卫星多源异构遥测数据综合处理方法，能够实现对遥测数据的接收、预处理、参数解析、综合选优，解决现有遥测处理方法在多源异构遥测处理、星间遥测处理方面存在的不足。

本发明所采用的技术方案是，北斗三号卫星多源异构遥测数据综合处理方法，具体包括以下步骤：

步骤1、多源遥测数据接收

按照数据源配置，建立与之匹配的接收缓冲区，实时接收各地面测控站传输的卫星遥测数据源码；

步骤2、遥测数据源码预处理

从接收缓冲区提取遥测数据源码，根据不同遥测数据结构，按需对遥测数据源码进行预处理，预处理包括帧排序预处理、位流同步预处理、星间遥测拆分预处理及单星遥测帧格式归一化预处理；

步骤3、单星遥测参数解析处理

经预处理之后的遥测数据源码，按照卫星进行分类，实现遥测参数解析；依据单星遥测数据源码结构描述，从遥测帧提取遥测包，并将遥测包解析为卫星状态的遥测参数；

步骤4、单星遥测处理结果综合选优

由于卫星遥测来自不同的数据源，按照不同测控站的跟踪质量、跟踪开始时间，对遥测参数处理结果进行综合选优。

本发明的特点还在于，

步骤2中，帧排序预处理为：数据处理系统接收的遥测数据源码按照帧方式进行缓存，依次判断缓冲区内遥测帧计数和时间戳，对接收到的遥测帧进行实时排序输出；

具体流程如下：

(1)计算当前帧计数、时间戳

当前帧计数采用上一帧计数增1确定，当前帧时间采用上一帧时间加遥测帧周期确定；遥测帧周期用帧码速率和帧长度计算得到；若为首次计算，则使用帧缓冲区内第一帧数据的帧计数、时间戳作为当前帧计数、时间戳；

(2)判断是否存在帧计数符合的数据帧

循环遍历帧缓冲区内的数据帧，检查是否存在与当前帧计数相符的数据帧；如果存在，则将该数据帧输出后，转至步骤(1)；如果不存在，则进入步骤(3)；

(3)判断帧时间戳是否超时

以一个遥测数据帧周期的3-5倍作为判断时延，判断是否达到超时；如果未达到，则转至步骤(2)；如果达到，则进入步骤(4)；

(4)判定当前数据帧丢失

标记当前帧计数的数据帧状态为丢失，并输出；

(5)判断帧排序是否处理完毕

如果帧缓冲区仍存在数据帧，未处理完毕，则转至步骤(1)；若处理完毕，则结束。

步骤2中，位流同步预处理为：采用同步码比对确定位移量，对位流数据进行移位，恢复正确的遥测数据源码；

具体流程如下：

(1)对同步码进行非循环左移位，生成掩码和比对特征码

移位后同步码字节数为k+1，移位数为：0、1、2、3、…、7，生成8组掩码和比对特征码；假设同步码为2字节，则生成8组3字节的掩码和比对特征码；

(2)判断比对特征码，确定位偏移量s

逐字节顺序提取数据源码，依次和掩码进行与运算后，判断比对特征码，判断一致后，确定位偏移量s；

(3)对位流数据依次进行位左移s运算

依次逐帧恢复遥测数据源码；

(4)判断已恢复遥测数据源码帧同步字的正确性

如果同步字比判失败，则转至步骤(2)；如果同步字比判正确，则输出后，转至步骤(5)；

(5)判断位流同步预处理是否完毕

如果缓冲区仍存在数据帧，则转至步骤(3)；如果完成，则退出。

步骤2中，星间遥测拆分为：对于下传的星间遥测数据源码，按照源码帧结构内目标卫星标识字，将遥测帧拆分为目标卫星的遥测数据源码，并按照目标卫星遥测帧格式输出；

步骤2中，单星遥测帧格式归一化为：对于不同测控体制下传的遥测源码，经帧排序、位流同步、星间遥测拆分等预处理后，按照单星遥测帧进行格式的归一化处理。

步骤2中，归一化处理为调整遥测数据源码的帧长度、帧同步字、时间戳信息。

本发明的有益效果是：实现了北斗三号卫星多源异构遥测参数的综合处理，适应不同测控体制下传遥测数据，特别适用于星间链路传输的遥测数据处理。与现有遥测处理技术相比，该技术通用强、灵活性高、扩展性好。

附图说明

图1是北斗三号卫星遥测下传过程；

图2是本发明北斗三号卫星多源异构遥测数据综合处理方法处理流程图；

图3是本发明方法中遥测数据帧排序流程图；

图4是本发明方法中位流编码字节比对；

图5是本发明方法中位流同步预处理流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明北斗三号卫星多源异构遥测数据综合处理方法，如图2所示，具体包括以下步骤：

步骤1、多源遥测数据接收

按照数据源配置，建立与之匹配的接收缓冲区，实时接收各地面测控站传输的卫星遥测数据源码；

北斗三号导航星座由不同轨道的卫星构成，包括中高轨道卫星、倾斜同步轨道卫星和地球静止轨道卫星。单个卫星遥测数据源码可直接下传至地面测控站，也可传输至其它卫星，再由其下传至地面测控站。分布于不同位置的地面测控站，依据测控计划接收北斗三号卫星下传的遥测数据源码。各地面站接收到的遥测数据源码，以网络方式传输至数据处理系统，如图1所示。根据不同地面测控站网络属性，数据处理系统与其建立网络连接，构建与之匹配的接收缓冲区，实时接收地面测控站跟踪接收的遥测数据源码。

一般情况下，遥测数据源码采用固定长度的数据帧传输，不同测控体制下，数据帧速率、长度、结构会有所不同。例如，s频段非相干遥测数据的码速率为数kbps等，帧长度为数百字节；测控数传一体化数据的码速率为几百kbps等，帧长度为几千字节。每个地面测控站可以分时段跟踪不同北斗三号卫星，因此，单个接收缓冲区内存储来自不同卫星的遥测数据源码。

步骤2、遥测数据源码预处理

从接收缓冲区提取遥测数据源码，根据不同遥测数据结构，按需对遥测数据源码进行预处理，预处理包括帧排序预处理、位流同步预处理、星间遥测拆分预处理及单星遥测帧格式归一化预处理；

由于卫星遥测数据源码通过天基星间链路、地面网络传输至处理系统，受链路拓扑、跟踪质量、网络时延等影响，遥测数据源码会出现乱序、丢帧等现象。对于测控数传一体化遥测体制，遥测数据源码采用位流方式传输。在星间链路工作状态时，本星遥测中将包含其它卫星的遥测数据源码。因此，根据遥测数据源码结构描述，按需对其进行帧排序预处理、位流同步预处理、星间遥测拆分预处理及单星遥测帧格式归一化预处理。

(一)帧排序预处理

遥测数据源码由一系列按时间排序的数据帧构成。卫星在生成每一种数据帧时，为每一帧设置帧计数，帧计数每帧自动增加1。不同卫星下传的不同类遥测数据源码均独立增加帧计数。地面测控站在接收到每一帧遥测数据源码后，为每一帧数据加上地面测控站接收时间信息，通过网络向数据处理系统发送。数据处理系统接收的遥测数据源码按照帧方式进行缓存，依次判断缓冲区内遥测帧计数和时间戳，对接收到的遥测帧进行实时排序输出。帧排序预处理如图3所示，流程如下：

(1)计算当前帧计数、时间戳

当前帧计数采用上一帧计数增1确定，当前帧时间采用上一帧时间加遥测帧周期确定。遥测帧周期可用帧码速率和帧长度计算得到；若为首次计算，则使用帧缓冲区内第一帧数据的帧计数、时间戳作为当前帧计数、时间戳；

(2)判断是否存在帧计数符合的数据帧

循环遍历帧缓冲区内的数据帧，检查是否存在与当前帧计数相符的数据帧；如果存在，则将该数据帧输出后，转至步骤(1)；如果不存在，则进入步骤(3)；

(3)判断帧时间戳是否超时

以一个遥测数据帧周期的3-5倍作为判断时延，判断是否达到超时；如果未达到，则转至步骤(2)；如果达到，则进入步骤(4)；

(4)判定当前数据帧丢失

标记当前帧计数的数据帧状态为丢失，并输出；

(5)判断帧排序是否处理完毕

如果帧缓冲区仍存在数据帧，未处理完毕，则转至步骤(1)；若处理完毕，则结束。

(二)位流同步预处理

位流传输方式下，由于数据区的字节会有不确定的位移，地面测控站接收到的字节数据与卫星实际输出不一致，如图4所示。遥测数据源码由同步码和数据域构成。未经位流同步预处理的遥测数据源码和卫星输出的遥测数据源码存在位偏移量，需要矫正位偏移量。采用同步码比对确定位偏移量，对位流数据进行移位，恢复正确的遥测数据源码；

一般情况下，遥测帧长为l(l＝128、256、512等)个字节，同步码为长度为k(2≤k≤4)个字节，同步码位于帧内的首部或尾部。确定位偏移量s，并进行位流同步，如图5所示，流程如下：

(1)对同步码进行非循环左移位，生成掩码和比对特征码

移位后同步码字节数为k+1，移位数为：0、1、2、3、…、7，生成8组掩码和比对特征码；假设同步码为2字节(0xeb90)，则生成8组3字节的掩码和比对特征码；

第0组，左位移量为0：

掩码：0x00ffff

比对特征码：{0x00，0xeb，0x90}

第1组，左位移量为1：

掩码：0x01fffe

比对特征码：{0x01，0xd7，0x20}

第2组，左位移量为2：

掩码：0x03fffc

比对特征码：{0x03，0xae，0x40}

第3组，左位移量为3：

掩码：0x07fff8

比对特征码：{0x07，0x5c，0x80}

…

第7组，左位移量为7：

掩码：0x7fff80

比对特征码：{0x75，0xc8，0x00}

(2)判断比对特征码，确定位偏移量s

逐字节顺序提取数据源码，依次和掩码进行与运算后，判断比对特征码，判断一致后，确定位偏移量s；

(3)对位流数据依次进行位左移s运算

依次逐帧恢复遥测数据源码；

(4)判断已恢复遥测数据源码帧同步字的正确性

如果同步字比判失败，则转至步骤(2)；如果同步字比判正确，则输出后，转至步骤(5)；

(5)判断位流同步预处理是否完毕

如果缓冲区仍存在数据帧，则转至步骤(3)；如果完成，则退出。

(三)星间遥测拆分

对于下传的星间遥测数据源码，按照源码帧结构内目标卫星标识字，将遥测帧拆分为目标卫星的遥测数据源码，并按照目标卫星遥测帧格式输出；

(四)单星遥测帧格式归一化

对于不同测控体制下传的遥测源码，经帧排序、位流同步、星间遥测拆分等预处理后，按照单星遥测帧进行格式的归一化处理；归一化处理为调整遥测数据源码的帧长度、帧同步字、时间戳等信息；不同地面站、不同测控体制下的遥测数据源码，经归一化处理之后，遥测帧长度、数据结构达到一致。

步骤3、单星遥测参数解析处理

经预处理之后的遥测数据源码，按照卫星进行分类，实现遥测参数解析；每个卫星的遥测参数解析过程均独立进行；依据单星遥测数据源码结构描述，从遥测帧提取遥测包，并将遥测包解析为卫星状态的遥测参数；

步骤4、单星遥测处理结果综合选优

由于卫星遥测来自不同的数据源，按照不同测控站的跟踪质量、跟踪开始时间等，对遥测参数处理结果进行综合选优。当存在多个测控站时，优先选择跟踪质量较高测控站输出的遥测处理结果；当多个测控站跟踪质量相当时，优先选择跟踪开始时间较早测控站输出的遥测处理结果；按需对外输出单星遥测选优处理结果、单星按测控站遥测处理结果等。