成紅艷,舒?zhèn)魅A,崔俊峰
(中國(guó)太原衛(wèi)星發(fā)射中心試驗(yàn)技術(shù)部,山西 太原 030027)
通過(guò)數(shù)據(jù)處理提高遙測(cè)精度的方法
成紅艷,舒?zhèn)魅A,崔俊峰
(中國(guó)太原衛(wèi)星發(fā)射中心試驗(yàn)技術(shù)部,山西 太原 030027)
摘要針對(duì)測(cè)量誤差、傳輸過(guò)程誤差等受到技術(shù)和設(shè)備本身的精度限制從而提高遙測(cè)精度難度大的特點(diǎn),提出從數(shù)據(jù)處理角度提高遙測(cè)精度的方法。闡述遙測(cè)精度的內(nèi)涵,分析影響遙測(cè)精度的因素,并分異常值剔除法與精細(xì)處理法兩大類進(jìn)行數(shù)據(jù)處理提高精度的方法探討,著重對(duì)精細(xì)處理法的幀計(jì)數(shù)對(duì)準(zhǔn)時(shí)間法、幀間隔時(shí)間修正法、加入修正量法和冗余數(shù)據(jù)融合法進(jìn)行詳細(xì)闡述。這些方法已在數(shù)據(jù)處理中得到使用,效果良好。
關(guān)鍵詞遙測(cè)精度;數(shù)據(jù)處理;異常值;修正
Methods for Enhancing Telemetry Precision through Data Processing
CHENG Hong-yan,SHU Chuan-hua,CUI Jun-feng
(TheTechnologyDepartmentofTaiyuanSatelliteLaunchCenter,TaiyuanShanxi030027,China)
AbstractEnhancing telemetry precision is very difficult due to the measurement error and transmission error caused by the limits of technology and device precision.Considering these conditions,the paper proposes the methods for enhancing telemetry precision through data processing.It introduces the meaning of telemetry precision first,then analyses the factors affecting precision,and finally discusses the methods for enhancing telemetry precision which mainly include abnormal data eliminating and refined data processing.In the method of refined data processing,the methods of adjusting time by frame number,modifying time by frame interval,adding modifying value and fusing redundant data are described in detail.All these methods have been used in data processing and have achieved good effectiveness.
Key wordstelemetry precision;data processing;abnormal data;modifying
0引言
隨著新型武器的研制、新材料、新工藝和新技術(shù)的發(fā)展,遙測(cè)精度也在不斷提高。通常認(rèn)為遙測(cè)精度由傳感器、變換器等器件的精度決定[1,2],這些器件的測(cè)量誤差是形成遙測(cè)誤差的決定因素。除器件的測(cè)量誤差外,遙測(cè)數(shù)據(jù)還要經(jīng)過(guò)傳輸和數(shù)據(jù)處理等過(guò)程,遙測(cè)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)主要完成多個(gè)數(shù)據(jù)流中多種數(shù)據(jù)幀格式的多類型遙測(cè)參數(shù)的實(shí)時(shí)挑點(diǎn)、解算、傳輸和監(jiān)視功能[3];遙測(cè)數(shù)據(jù)處理是將測(cè)量的原始數(shù)據(jù)還原成各物理量的過(guò)程。此過(guò)程中的各個(gè)環(huán)節(jié)都有可能產(chǎn)生誤差,在文獻(xiàn)[4]中,也得出了我國(guó)導(dǎo)彈航天試驗(yàn)場(chǎng)遙測(cè)系統(tǒng)精度基本滿足用戶要求的結(jié)論。實(shí)際上,追求高精度是導(dǎo)彈發(fā)射試驗(yàn)不懈追求的目標(biāo),現(xiàn)階段的新型號(hào)任務(wù)對(duì)遙測(cè)精度也提出了更高要求,測(cè)量誤差、傳輸過(guò)程誤差等受到技術(shù)和設(shè)備本身的精度限制,提高精度的周期長(zhǎng)、成本高、難度較大,而從數(shù)據(jù)處理角度出發(fā)進(jìn)行減小和控制遙測(cè)誤差的研究,不失為目前階段提高遙測(cè)精度的行之有效的手段。遙測(cè)系統(tǒng)是在時(shí)間域里完成測(cè)量的,遙測(cè)數(shù)據(jù)處理結(jié)果精度除了一般意義上的幅值精度外,時(shí)間的精度是至關(guān)重要的一個(gè)方面。本文提出了提高遙測(cè)精度的異常值剔除法與精細(xì)處理法兩大類數(shù)據(jù)處理方法,并著重闡述了幀計(jì)數(shù)對(duì)準(zhǔn)時(shí)間法、幀間隔時(shí)間修正法和加入修正量法等時(shí)間處理方法。
1遙測(cè)精度
精度表示觀測(cè)結(jié)果、計(jì)算值或估計(jì)值與真值(或被認(rèn)為是真值)之間的接近程度。精度常使用3種方式來(lái)表征:① 最大誤差占真實(shí)值的百分比,如測(cè)量誤差3%;② 最大誤差,如測(cè)量精度±0.02 mm;③ 誤差正態(tài)分布,如誤差0% ~10%占比例65%,誤差10%~30%占比例30%,誤差30%以上占比例5%。
和精度有關(guān)的術(shù)語(yǔ)有精密度、準(zhǔn)確度和精確度[5]。
① 精密度。精密度表示對(duì)同一個(gè)量進(jìn)行重復(fù)測(cè)量時(shí)所得結(jié)果之間的接近程度,亦即彌散度。因此精密度是隨機(jī)誤差的反映,通常用標(biāo)準(zhǔn)偏差σ來(lái)表征。
② 準(zhǔn)確度。準(zhǔn)確度至今尚有基本概念上的分歧。一種認(rèn)為準(zhǔn)確度表示測(cè)量結(jié)果與真值的接近程度;另一種認(rèn)為這種定義中,準(zhǔn)確隱含著精密,準(zhǔn)確度高必然精密度高。為了將兩者分開(kāi)并從邏輯上能有2個(gè)恰當(dāng)?shù)男g(shù)語(yǔ)分別與ξ(為確定性誤差)和σ相對(duì)應(yīng),所以將準(zhǔn)確度作為系統(tǒng)誤差的反映并以ξ來(lái)表征。σ和ξ都小,表示既精密又準(zhǔn)確,稱之為精確;反之σ、ξ都大,表示既不精密又不準(zhǔn)確,稱之為不精確。
③ 精確度。精確度反映了測(cè)量結(jié)果的精密及準(zhǔn)確的程度,常稱為精度。它可用不確定度來(lái)表征。
由于精度一詞用的過(guò)泛、過(guò)濫,有時(shí)甚至并非指?jìng)鹘y(tǒng)定義,因此,國(guó)際上已回避使用,7個(gè)國(guó)際組織也不再沿用。當(dāng)要定量表示或定量估計(jì)測(cè)量結(jié)果中可能出現(xiàn)的隨機(jī)誤差時(shí),用標(biāo)準(zhǔn)(偏)差、誤差范圍等來(lái)表示。但由于歷史的原因,精度的提法一直存在,本文研究的精度含義指一般意義上的精度。
火箭(導(dǎo)彈)遙測(cè)系統(tǒng)包括箭(彈)上遙測(cè)設(shè)備和地面遙測(cè)設(shè)備兩大部分,完成各種參量的測(cè)量、變換和調(diào)制、發(fā)送、接收、解調(diào)、記錄、處理和顯示,如圖1所示。遙測(cè)系統(tǒng)的精度是由組成遙測(cè)系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)的精度綜合而成。
圖1 無(wú)線電遙測(cè)系統(tǒng)組成原理
遙測(cè)系統(tǒng)是在時(shí)間域里完成測(cè)量的,其數(shù)據(jù)處理結(jié)果一般均以參數(shù)—時(shí)間函數(shù)值表和參數(shù)—時(shí)間函數(shù)曲線圖給出。因此,遙測(cè)參數(shù)精度的涵義應(yīng)包括時(shí)間坐標(biāo)精度和參數(shù)幅值精度2個(gè)方面[4],這與傳統(tǒng)意義上的精度只關(guān)注幅值有很大區(qū)別。換言之,如果對(duì)同樣的幅值,提高了該幅值對(duì)應(yīng)的時(shí)間精度,也對(duì)遙測(cè)精度做出了貢獻(xiàn);另外,如果通過(guò)不同的數(shù)據(jù)源處理出相同的參數(shù),會(huì)綜合得到密度更高的時(shí)間數(shù)據(jù)對(duì),也會(huì)提高遙測(cè)精度。
在遙測(cè)系統(tǒng)中,對(duì)于不同類型的參數(shù),測(cè)量精度的要求及表示方法是不同的。時(shí)間指令參數(shù)的精度及其發(fā)生時(shí)間采用相對(duì)于起飛零點(diǎn)的絕對(duì)誤差值表示;數(shù)字量參數(shù)的測(cè)量精度采用誤碼率來(lái)表示,緩變模擬參數(shù)以其相對(duì)于量程的百分比誤差來(lái)表示;速變參數(shù)大多數(shù)為隨機(jī)量,因此,它的測(cè)量精度經(jīng)常采用均方根誤差來(lái)表示[1]。遙測(cè)參數(shù)精度評(píng)定中,誤差引用均值、子樣標(biāo)準(zhǔn)差和極限誤差表征。對(duì)遙測(cè)數(shù)據(jù)處理結(jié)果精度要求,目前火箭一般保留小數(shù)點(diǎn)后3位,導(dǎo)彈一般保留小數(shù)點(diǎn)后4位,一些型號(hào)非時(shí)間參數(shù)要求保留小數(shù)點(diǎn)后6位。
2數(shù)據(jù)處理提高遙測(cè)精度的方法
由圖1可知,遙測(cè)誤差來(lái)源于信號(hào)流經(jīng)的各個(gè)環(huán)節(jié),如傳感器、變換器、傳輸系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理等。傳感器、變換器和傳輸系統(tǒng)等與設(shè)備關(guān)聯(lián)產(chǎn)生的誤差是硬件所固有的。傳感器、變換器等器件的精度由儀器本身的設(shè)計(jì)、制造、裝配以及儀器的工作環(huán)境所決定,一旦選擇,精度是固定的,要從器件本身著手提高精度,需要采用先進(jìn)技術(shù)、先進(jìn)工藝,應(yīng)用新材料,并根據(jù)器件工作環(huán)境采取改善環(huán)境的措施。傳輸系統(tǒng)的誤碼率與信號(hào)形式(調(diào)制方式)、噪聲的統(tǒng)計(jì)特性、解調(diào)及譯碼判決方式有關(guān),要傳輸系統(tǒng)提高測(cè)量精度,需要增加字長(zhǎng)或提高采樣率。在系統(tǒng)容量不變的情況下,要提高采樣率,就要降低通道的數(shù)量。同時(shí)為了降低誤碼率就需要提高信噪比,而提高了信噪比又會(huì)影響到遙測(cè)系統(tǒng)的傳輸距離。因此,傳輸系統(tǒng)的精度是一個(gè)需要綜合考慮的問(wèn)題,其一旦確定,精度也是固定的。
遙測(cè)數(shù)據(jù)的處理精度和準(zhǔn)確性,主要依賴于遙測(cè)數(shù)據(jù)的測(cè)量記錄質(zhì)量。但是在產(chǎn)品飛行過(guò)程中由于火焰干擾、電磁波干擾以及記錄過(guò)程中設(shè)備的不穩(wěn)定性和磁粉脫落等原因,會(huì)造成遙測(cè)數(shù)據(jù)的誤碼,即出現(xiàn)跳點(diǎn)(野值);另外,通過(guò)精細(xì)處理,也可以提高遙測(cè)數(shù)據(jù)的處理精度。本文旨在研究硬件誤差確定的情況下,通過(guò)數(shù)據(jù)處理提高精度的方法。
誤差可按隨機(jī)誤差、系統(tǒng)誤差、過(guò)失誤差(異常值或野值)來(lái)區(qū)分。數(shù)據(jù)處理提高遙測(cè)精度的方法有很多,從誤差性質(zhì)角度考慮,筆者把它分類為異常值剔除法與精細(xì)處理法。異常值剔除法主要用于消除過(guò)失誤差,而精細(xì)處理法主要用于減少隨機(jī)誤差。
2.2.1異常值剔除法
偏離被測(cè)信號(hào)變化規(guī)律的數(shù)據(jù)點(diǎn),稱之為野值點(diǎn)[6]。信號(hào)在測(cè)量和傳輸過(guò)程中,有時(shí)會(huì)產(chǎn)生一些野值。野值的存在會(huì)產(chǎn)生虛偽的諧頻率成分,提高了噪聲總量級(jí)。較多較大的野值還會(huì)淹沒(méi)有效信號(hào),對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的總能量給出偏大的錯(cuò)誤估計(jì)。因此,剔除野值是遙測(cè)參數(shù)處理中的重要環(huán)節(jié)。目前,剔除野值的方法很多,也比較成熟,經(jīng)常使用的有目測(cè)法、均方值法、肖維涅法。野值的剔除應(yīng)首先建立在對(duì)其正確判別的基礎(chǔ)上[7],針對(duì)不同類型參數(shù)使用的異常值剔除方法也各有不同。中值濾波方法處理前后的參數(shù)曲線比對(duì)圖如圖2所示(中值濾波窗口A長(zhǎng)度選擇為5)。不同參數(shù)經(jīng)常使用的異常值剔除方法如表1所示。具體方法參考文獻(xiàn)[8]。
圖2 中值濾波方法處理前后的參數(shù)曲線比對(duì)
參數(shù)類型特定方法通用方法緩變連續(xù)參數(shù)多點(diǎn)平均法、中點(diǎn)平滑法、門限法、3σ法、拉依特準(zhǔn)則判別法、三點(diǎn)預(yù)報(bào)方法、中值濾波法數(shù)字量參數(shù)位糾錯(cuò)法、差分法、比對(duì)法脈沖參數(shù)二值法速變參數(shù)小波閾值方法、薩維茲凱-戈雷平滑濾目測(cè)法、均方值法、肖維涅法
2.2.2精細(xì)處理法
(1)幀計(jì)數(shù)對(duì)準(zhǔn)時(shí)間法
對(duì)于遙測(cè)參數(shù)數(shù)據(jù)處理來(lái)說(shuō),起飛零點(diǎn)具有決定意義,在此基礎(chǔ)上,每個(gè)參數(shù)值的時(shí)間都是相對(duì)此起飛零點(diǎn)的相對(duì)時(shí)間。沒(méi)有精度的遙測(cè)零點(diǎn)時(shí)間是沒(méi)有意義的,精度不高的遙測(cè)零點(diǎn)時(shí)間其使用價(jià)值也會(huì)明顯降低[9]。遙測(cè)設(shè)備接收到遙測(cè)數(shù)據(jù)幀后,打上設(shè)備的接收時(shí)間,而數(shù)據(jù)幀中包含起飛零點(diǎn)接通時(shí)間標(biāo)識(shí)、幀計(jì)數(shù)等,幀計(jì)數(shù)[8]指的是彈(箭)上的幀計(jì)數(shù)器,它以16位或32位二進(jìn)制碼記錄,并和參數(shù)一樣,每8位占用一個(gè)數(shù)據(jù)通道傳輸記錄。幀計(jì)數(shù)計(jì)滿后,又重新從零開(kāi)始累加計(jì)數(shù)。幀計(jì)數(shù)值是以航天器的內(nèi)部時(shí)鐘為基準(zhǔn),當(dāng)內(nèi)部計(jì)算機(jī)生成一個(gè)副幀(即一個(gè)副幀周期)時(shí)就累加一次,依次從小到大,逐漸增加。
確定起飛零點(diǎn)后,可以用遙測(cè)設(shè)備接收時(shí)間計(jì)算遙測(cè)參數(shù)的相對(duì)時(shí)間,但需要進(jìn)行電磁波傳播時(shí)間延遲修正,電磁波傳播時(shí)間又與導(dǎo)彈距遙測(cè)設(shè)備的距離有關(guān),可以采用理論彈道對(duì)遙測(cè)幀時(shí)間進(jìn)行電波延遲修正[10],但理論彈道又會(huì)帶入新的誤差,利用幀計(jì)數(shù)計(jì)算時(shí)間,不需要考慮遙測(cè)設(shè)備接收數(shù)據(jù)的時(shí)間,也不用考慮電磁波傳播時(shí)間延遲修正,處理過(guò)程比較簡(jiǎn)單,時(shí)間值也更加準(zhǔn)確。
用下述公式,可由幀計(jì)數(shù)值換算參數(shù)時(shí)間:
(1)
式中,ti為第i幀參數(shù)的時(shí)間;Ni為第i幀計(jì)數(shù)器值;N0為T0時(shí)刻對(duì)應(yīng)的幀計(jì)數(shù)器值;T0為零秒幀時(shí)間修正量;Δt為幀周期時(shí)間。
需要注意的是Ni、N0的計(jì)數(shù)值,在計(jì)算時(shí)要進(jìn)行溢出修正。對(duì)不同的設(shè)備數(shù)據(jù),存在副幀計(jì)數(shù)在起飛零點(diǎn)清零與否的情況,也存在沒(méi)有時(shí)間零點(diǎn)的航區(qū)和落區(qū)數(shù)據(jù)中的原始副幀計(jì)數(shù)與有零點(diǎn)數(shù)據(jù)的副幀計(jì)數(shù)對(duì)接問(wèn)題,還存在副幀計(jì)數(shù)在最大值后重新計(jì)數(shù)的問(wèn)題。文獻(xiàn)[11,12]討論了針對(duì)不同情況的數(shù)據(jù)副幀計(jì)數(shù)修正方法。
(2)幀間隔時(shí)間修正法
遙測(cè)幀是以固定周期傳送到地面的,幀與幀之間的間隔時(shí)間是固定的。如果某幀接收時(shí)間與此周期不同,要進(jìn)行修正。設(shè)連續(xù)接收的4幀數(shù)據(jù)時(shí)間為T1、T2、T3和T4,T1為先接收的數(shù)據(jù)時(shí)間,T4為后接收的數(shù)據(jù)時(shí)間。T2、T3、T4與T1之差分別為Δt1、Δt2、Δt3,即
Δt1=T2-T1,Δt2=T3-T1,Δt3=T4-T1。
設(shè)幀周期為C,則如果有以下條件存在,就要對(duì)時(shí)間T3進(jìn)行修正。
Δt1=1×C,Δt2≠2×C,Δt3=3×C。
修正時(shí)間:T3=T2+C或T3=T4-C。
(3)加入修正量法
加入修正量法主要根據(jù)具體情況進(jìn)行修正,主要包括電磁波傳播時(shí)間延遲修正,另外還有一些特殊修正,包括傳感器、變換器零位修正和環(huán)境大氣壓修正等。
① 電磁波傳播時(shí)間延遲修正。電磁波穿過(guò)大氣層傳播時(shí),由于大氣媒質(zhì)的特殊形狀,致使電波路徑變的彎曲,這樣就產(chǎn)生了電磁波傳播時(shí)間延時(shí)。在數(shù)據(jù)處理中,時(shí)間坐標(biāo)序列需要修正電磁波傳播時(shí)間延遲的時(shí)差,其修正方法為:
(2)
(3)
式中,c為光速;Xi、Yi、Zi為彈道坐標(biāo)數(shù)據(jù);X0、Y0、Z0為遙測(cè)站在發(fā)射坐標(biāo)系的站址坐標(biāo)。
時(shí)間序列中,各點(diǎn)時(shí)間減去對(duì)應(yīng)的電磁波傳播時(shí)間修正量Δti從而得到經(jīng)過(guò)電磁波傳播延時(shí)修正后的時(shí)間序列。
② 零位修正。一般情況下,傳感器(變換器)在出廠前進(jìn)行校準(zhǔn)測(cè)試,其零位可由校準(zhǔn)數(shù)據(jù)計(jì)算得到。但有時(shí)部分傳感器(變換器)由于受環(huán)境等因素的影響,其零位會(huì)發(fā)生漂移,為了減少其帶來(lái)的誤差,需要進(jìn)行零位修正。傳感器(變換器)零位就是在輸入為0時(shí)對(duì)應(yīng)的輸出值。對(duì)于部分傳感器(變換器)來(lái)說(shuō),發(fā)射前的輸入正好為0,所以可以將射前的分層值數(shù)據(jù)換算為相應(yīng)的物理量,將其代替零位。
③ 環(huán)境大氣壓修正。由于部分壓力傳感器測(cè)量的是相對(duì)壓力,但最后的結(jié)果要求是絕對(duì)壓力,所以需要進(jìn)行環(huán)境大氣壓的修正。環(huán)境大氣壓一般由地面氣象站投放氣球?qū)潭ǜ叨鹊拇髿鈮哼M(jìn)行測(cè)量。
環(huán)境大氣壓隨著高度的變化而變化,所以對(duì)壓力參數(shù)進(jìn)行環(huán)境大氣壓修正時(shí),必須逐點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)修正。首先對(duì)應(yīng)于參數(shù)的采樣時(shí)間,在理論彈道中插值得到該時(shí)刻導(dǎo)彈飛行的高度,然后再對(duì)應(yīng)此高度,在大氣壓表中插值得到該高度的大氣壓,最后將此大氣壓作為修正量,對(duì)壓力參數(shù)進(jìn)行修正。以上插值均可采用Lagrange不等距插值。
④ 冗余數(shù)據(jù)融合法。為了提高關(guān)鍵器件(比如慣性器件)的精度,有時(shí)會(huì)采用多安裝幾個(gè)同類型的器件來(lái)測(cè)量同一個(gè)參數(shù);有時(shí)候不同的參數(shù)可以經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)化歸為同樣的數(shù)據(jù),這些都會(huì)產(chǎn)生冗余數(shù)據(jù),將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理,可得到更高精度的數(shù)據(jù)。例如秒節(jié)點(diǎn)(以及特征點(diǎn))為遙測(cè)彈道數(shù)據(jù),利用平臺(tái)加速度表輸出脈沖同樣可以計(jì)算出遙測(cè)彈道,這些彈道數(shù)據(jù)進(jìn)行融合可得到更高精度的彈道數(shù)據(jù)。某彈道參數(shù)綜合處理結(jié)果如表2所示,其中來(lái)源中計(jì)算機(jī)字輸出結(jié)果為數(shù)字量計(jì)算出的秒節(jié)點(diǎn)彈道數(shù)值,由平臺(tái)加速度表脈沖數(shù)據(jù)計(jì)算為平臺(tái)加速度表輸出脈沖數(shù)通過(guò)平臺(tái)當(dāng)量計(jì)算出的同一參數(shù)數(shù)值,通過(guò)增密,得到了步長(zhǎng)更小、精度更高的彈道綜合數(shù)據(jù)。
表2 某彈道參數(shù)綜合結(jié)果
3結(jié)束語(yǔ)
鑒于技術(shù)和設(shè)備本身的精度限制,從硬件角度提高遙測(cè)精度周期長(zhǎng)、成本高、難度大,而從數(shù)據(jù)處理角度探討提高遙測(cè)精度的方法不失為目前階段行之有效的手段。通過(guò)闡述遙測(cè)精度的內(nèi)涵,分析影響遙測(cè)精度的因素,提出了從數(shù)據(jù)處理角度探討提高遙測(cè)數(shù)據(jù)處理精度的方法,分為異常值剔除法與精細(xì)處理法兩大類進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,并著重對(duì)精細(xì)處理法的幀計(jì)數(shù)對(duì)準(zhǔn)時(shí)間法、幀間隔時(shí)間修正法、加入修正量法和冗余數(shù)據(jù)融合法進(jìn)行詳細(xì)闡述。當(dāng)然提高精度并不只限于這些方法,還可研究其他的處理方法。
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成紅艷女,(1969—),高級(jí)工程師,碩士。主要研究方面:數(shù)據(jù)測(cè)量與處理。
舒?zhèn)魅A女,(1981—),工程師,碩士。主要研究方面:數(shù)據(jù)處理。
作者簡(jiǎn)介
收稿日期:2015-05-04
中圖分類號(hào)V557.3
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A
文章編號(hào)1003-3106(2015)08-0010-05
doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2015.08.04
引用格式:成紅艷,舒?zhèn)魅A,崔俊峰.通過(guò)數(shù)據(jù)處理提高遙測(cè)精度的方法[J].無(wú)線電工程,2015,45(8):10-14.