通過數(shù)據(jù)處理提高遙測精度的方法

成紅艷,舒?zhèn)魅A,崔俊峰

(中國太原衛(wèi)星發(fā)射中心試驗技術(shù)部，山西 太原 030027)

通過數(shù)據(jù)處理提高遙測精度的方法

成紅艷,舒?zhèn)魅A,崔俊峰

(中國太原衛(wèi)星發(fā)射中心試驗技術(shù)部，山西 太原 030027)

摘要針對測量誤差、傳輸過程誤差等受到技術(shù)和設備本身的精度限制從而提高遙測精度難度大的特點，提出從數(shù)據(jù)處理角度提高遙測精度的方法。闡述遙測精度的內(nèi)涵，分析影響遙測精度的因素，并分異常值剔除法與精細處理法兩大類進行數(shù)據(jù)處理提高精度的方法探討，著重對精細處理法的幀計數(shù)對準時間法、幀間隔時間修正法、加入修正量法和冗余數(shù)據(jù)融合法進行詳細闡述。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，遙測精度也在不斷提高。通常認為遙測精度由傳感器、變換器等器件的精度決定[1,2]，這些器件的測量誤差是形成遙測誤差的決定因素。除器件的測量誤差外，遙測數(shù)據(jù)還要經(jīng)過傳輸和數(shù)據(jù)處理等過程，遙測數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)主要完成多個數(shù)據(jù)流中多種數(shù)據(jù)幀格式的多類型遙測參數(shù)的實時挑點、解算、傳輸和監(jiān)視功能[3]；遙測數(shù)據(jù)處理是將測量的原始數(shù)據(jù)還原成各物理量的過程。此過程中的各個環(huán)節(jié)都有可能產(chǎn)生誤差，在文獻[4]中，也得出了我國導彈航天試驗場遙測系統(tǒng)精度基本滿足用戶要求的結(jié)論。實際上，追求高精度是導彈發(fā)射試驗不懈追求的目標，現(xiàn)階段的新型號任務對遙測精度也提出了更高要求，測量誤差、傳輸過程誤差等受到技術(shù)和設備本身的精度限制，提高精度的周期長、成本高、難度較大，而從數(shù)據(jù)處理角度出發(fā)進行減小和控制遙測誤差的研究，不失為目前階段提高遙測精度的行之有效的手段。遙測系統(tǒng)是在時間域里完成測量的，遙測數(shù)據(jù)處理結(jié)果精度除了一般意義上的幅值精度外，時間的精度是至關(guān)重要的一個方面。本文提出了提高遙測精度的異常值剔除法與精細處理法兩大類數(shù)據(jù)處理方法，并著重闡述了幀計數(shù)對準時間法、幀間隔時間修正法和加入修正量法等時間處理方法。

1遙測精度

1.1　精度的含義

精度表示觀測結(jié)果、計算值或估計值與真值(或被認為是真值)之間的接近程度。精度常使用3種方式來表征：① 最大誤差占真實值的百分比，如測量誤差3%；② 最大誤差，如測量精度±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)語有精密度、準確度和精確度[5]。

① 精密度。精密度表示對同一個量進行重復測量時所得結(jié)果之間的接近程度，亦即彌散度。因此精密度是隨機誤差的反映，通常用標準偏差σ來表征。

② 準確度。準確度至今尚有基本概念上的分歧。一種認為準確度表示測量結(jié)果與真值的接近程度；另一種認為這種定義中，準確隱含著精密，準確度高必然精密度高。為了將兩者分開并從邏輯上能有2個恰當?shù)男g(shù)語分別與ξ(為確定性誤差)和σ相對應，所以將準確度作為系統(tǒng)誤差的反映并以ξ來表征。σ和ξ都小，表示既精密又準確，稱之為精確；反之σ、ξ都大，表示既不精密又不準確，稱之為不精確。

③ 精確度。精確度反映了測量結(jié)果的精密及準確的程度，常稱為精度。它可用不確定度來表征。

由于精度一詞用的過泛、過濫，有時甚至并非指傳統(tǒng)定義，因此，國際上已回避使用，7個國際組織也不再沿用。當要定量表示或定量估計測量結(jié)果中可能出現(xiàn)的隨機誤差時，用標準(偏)差、誤差范圍等來表示。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。

1.2　遙測系統(tǒng)精度

火箭(導彈)遙測系統(tǒng)包括箭(彈)上遙測設備和地面遙測設備兩大部分，完成各種參量的測量、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。遙測系統(tǒng)的精度是由組成遙測系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)的精度綜合而成。

圖1　無線電遙測系統(tǒng)組成原理

遙測系統(tǒng)是在時間域里完成測量的，其數(shù)據(jù)處理結(jié)果一般均以參數(shù)—時間函數(shù)值表和參數(shù)—時間函數(shù)曲線圖給出。因此，遙測參數(shù)精度的涵義應包括時間坐標精度和參數(shù)幅值精度2個方面[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，如果對同樣的幅值，提高了該幅值對應的時間精度，也對遙測精度做出了貢獻；另外，如果通過不同的數(shù)據(jù)源處理出相同的參數(shù)，會綜合得到密度更高的時間數(shù)據(jù)對，也會提高遙測精度。

在遙測系統(tǒng)中，對于不同類型的參數(shù)，測量精度的要求及表示方法是不同的。時間指令參數(shù)的精度及其發(fā)生時間采用相對于起飛零點的絕對誤差值表示；數(shù)字量參數(shù)的測量精度采用誤碼率來表示，緩變模擬參數(shù)以其相對于量程的百分比誤差來表示；速變參數(shù)大多數(shù)為隨機量，因此，它的測量精度經(jīng)常采用均方根誤差來表示[1]。遙測參數(shù)精度評定中，誤差引用均值、子樣標準差和極限誤差表征。對遙測數(shù)據(jù)處理結(jié)果精度要求，目前火箭一般保留小數(shù)點后3位，導彈一般保留小數(shù)點后4位，一些型號非時間參數(shù)要求保留小數(shù)點后6位。

2數(shù)據(jù)處理提高遙測精度的方法

2.1　影響遙測精度的因素

由圖1可知，遙測誤差來源于信號流經(jīng)的各個環(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計、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，需要采用先進技術(shù)、先進工藝，應用新材料，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)的誤碼率與信號形式(調(diào)制方式)、噪聲的統(tǒng)計特性、解調(diào)及譯碼判決方式有關(guān)，要傳輸系統(tǒng)提高測量精度，需要增加字長或提高采樣率。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。同時為了降低誤碼率就需要提高信噪比，而提高了信噪比又會影響到遙測系統(tǒng)的傳輸距離。因此，傳輸系統(tǒng)的精度是一個需要綜合考慮的問題，其一旦確定，精度也是固定的。

遙測數(shù)據(jù)的處理精度和準確性，主要依賴于遙測數(shù)據(jù)的測量記錄質(zhì)量。但是在產(chǎn)品飛行過程中由于火焰干擾、電磁波干擾以及記錄過程中設備的不穩(wěn)定性和磁粉脫落等原因，會造成遙測數(shù)據(jù)的誤碼，即出現(xiàn)跳點(野值)；另外，通過精細處理，也可以提高遙測數(shù)據(jù)的處理精度。本文旨在研究硬件誤差確定的情況下，通過數(shù)據(jù)處理提高精度的方法。

2.2　數(shù)據(jù)處理提高遙測精度的方法

誤差可按隨機誤差、系統(tǒng)誤差、過失誤差(異常值或野值)來區(qū)分。數(shù)據(jù)處理提高遙測精度的方法有很多，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處理法。異常值剔除法主要用于消除過失誤差，而精細處理法主要用于減少隨機誤差。

2.2.1異常值剔除法

偏離被測信號變化規(guī)律的數(shù)據(jù)點，稱之為野值點[6]。信號在測量和傳輸過程中，有時會產(chǎn)生一些野值。野值的存在會產(chǎn)生虛偽的諧頻率成分，提高了噪聲總量級。較多較大的野值還會淹沒有效信號，對測量數(shù)據(jù)的總能量給出偏大的錯誤估計。因此，剔除野值是遙測參數(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)常使用的有目測法、均方值法、肖維涅法。野值的剔除應首先建立在對其正確判別的基礎(chǔ)上[7]，針對不同類型參數(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)曲線比對圖如圖2所示(中值濾波窗口A長度選擇為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[8]。

圖2　中值濾波方法處理前后的參數(shù)曲線比對

參數(shù)類型特定方法通用方法緩變連續(xù)參數(shù)多點平均法、中點平滑法、門限法、3σ法、拉依特準則判別法、三點預報方法、中值濾波法數(shù)字量參數(shù)位糾錯法、差分法、比對法脈沖參數(shù)二值法速變參數(shù)小波閾值方法、薩維茲凱-戈雷平滑濾目測法、均方值法、肖維涅法

2.2.2精細處理法

(1)幀計數(shù)對準時間法

對于遙測參數(shù)數(shù)據(jù)處理來說，起飛零點具有決定意義，在此基礎(chǔ)上，每個參數(shù)值的時間都是相對此起飛零點的相對時間。沒有精度的遙測零點時間是沒有意義的，精度不高的遙測零點時間其使用價值也會明顯降低[9]。遙測設備接收到遙測數(shù)據(jù)幀后，打上設備的接收時間，而數(shù)據(jù)幀中包含起飛零點接通時間標識、幀計數(shù)等，幀計數(shù)[8]指的是彈(箭)上的幀計數(shù)器，它以16位或32位二進制碼記錄，并和參數(shù)一樣，每8位占用一個數(shù)據(jù)通道傳輸記錄。幀計數(shù)計滿后，又重新從零開始累加計數(shù)。幀計數(shù)值是以航天器的內(nèi)部時鐘為基準，當內(nèi)部計算機生成一個副幀(即一個副幀周期)時就累加一次，依次從小到大，逐漸增加。

確定起飛零點后，可以用遙測設備接收時間計算遙測參數(shù)的相對時間，但需要進行電磁波傳播時間延遲修正，電磁波傳播時間又與導彈距遙測設備的距離有關(guān)，可以采用理論彈道對遙測幀時間進行電波延遲修正[10]，但理論彈道又會帶入新的誤差，利用幀計數(shù)計算時間，不需要考慮遙測設備接收數(shù)據(jù)的時間，也不用考慮電磁波傳播時間延遲修正，處理過程比較簡單，時間值也更加準確。

用下述公式，可由幀計數(shù)值換算參數(shù)時間：

(1)

式中，ti為第i幀參數(shù)的時間；Ni為第i幀計數(shù)器值；N0為T0時刻對應的幀計數(shù)器值；T0為零秒幀時間修正量；Δt為幀周期時間。

需要注意的是Ni、N0的計數(shù)值，在計算時要進行溢出修正。對不同的設備數(shù)據(jù)，存在副幀計數(shù)在起飛零點清零與否的情況，也存在沒有時間零點的航區(qū)和落區(qū)數(shù)據(jù)中的原始副幀計數(shù)與有零點數(shù)據(jù)的副幀計數(shù)對接問題，還存在副幀計數(shù)在最大值后重新計數(shù)的問題。文獻[11，12]討論了針對不同情況的數(shù)據(jù)副幀計數(shù)修正方法。

(2)幀間隔時間修正法

遙測幀是以固定周期傳送到地面的，幀與幀之間的間隔時間是固定的。如果某幀接收時間與此周期不同，要進行修正。設連續(xù)接收的4幀數(shù)據(jù)時間為T1、T2、T3和T4，T1為先接收的數(shù)據(jù)時間，T4為后接收的數(shù)據(jù)時間。T2、T3、T4與T1之差分別為Δt1、Δt2、Δt3，即

Δt1=T2-T1，Δt2=T3-T1，Δt3=T4-T1。

設幀周期為C，則如果有以下條件存在，就要對時間T3進行修正。

Δt1=1×C，Δt2≠2×C，Δt3=3×C。

修正時間：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)具體情況進行修正，主要包括電磁波傳播時間延遲修正，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 電磁波傳播時間延遲修正。電磁波穿過大氣層傳播時，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)生了電磁波傳播時間延時。在數(shù)據(jù)處理中，時間坐標序列需要修正電磁波傳播時間延遲的時差，其修正方法為：

(2)

(3)

式中，c為光速；Xi、Yi、Zi為彈道坐標數(shù)據(jù)；X0、Y0、Z0為遙測站在發(fā)射坐標系的站址坐標。

時間序列中，各點時間減去對應的電磁波傳播時間修正量Δti從而得到經(jīng)過電磁波傳播延時修正后的時間序列。

② 零位修正。一般情況下，傳感器(變換器)在出廠前進行校準測試，其零位可由校準數(shù)據(jù)計算得到。但有時部分傳感器(變換器)由于受環(huán)境等因素的影響，其零位會發(fā)生漂移，為了減少其帶來的誤差，需要進行零位修正。傳感器(變換器)零位就是在輸入為0時對應的輸出值。對于部分傳感器(變換器)來說，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量的是相對壓力，但最后的結(jié)果要求是絕對壓力，所以需要進行環(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行測量。

環(huán)境大氣壓隨著高度的變化而變化，所以對壓力參數(shù)進行環(huán)境大氣壓修正時，必須逐點進行實時修正。首先對應于參數(shù)的采樣時間，在理論彈道中插值得到該時刻導彈飛行的高度，然后再對應此高度，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，對壓力參數(shù)進行修正。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，有時會采用多安裝幾個同類型的器件來測量同一個參數(shù)；有時候不同的參數(shù)可以經(jīng)過轉(zhuǎn)化歸為同樣的數(shù)據(jù)，這些都會產(chǎn)生冗余數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)進行融合處理，可得到更高精度的數(shù)據(jù)。例如秒節(jié)點(以及特征點)為遙測彈道數(shù)據(jù)，利用平臺加速度表輸出脈沖同樣可以計算出遙測彈道，這些彈道數(shù)據(jù)進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，其中來源中計算機字輸出結(jié)果為數(shù)字量計算出的秒節(jié)點彈道數(shù)值，由平臺加速度表脈沖數(shù)據(jù)計算為平臺加速度表輸出脈沖數(shù)通過平臺當量計算出的同一參數(shù)數(shù)值，通過增密，得到了步長更小、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

鑒于技術(shù)和設備本身的精度限制，從硬件角度提高遙測精度周期長、成本高、難度大，而從數(shù)據(jù)處理角度探討提高遙測精度的方法不失為目前階段行之有效的手段。通過闡述遙測精度的內(nèi)涵，分析影響遙測精度的因素，提出了從數(shù)據(jù)處理角度探討提高遙測數(shù)據(jù)處理精度的方法，分為異常值剔除法與精細處理法兩大類進行數(shù)據(jù)處理，并著重對精細處理法的幀計數(shù)對準時間法、幀間隔時間修正法、加入修正量法和冗余數(shù)據(jù)融合法進行詳細闡述。當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—)，高級工程師，碩士。主要研究方面：數(shù)據(jù)測量與處理。

舒?zhèn)魅A女，(1981—)，工程師，碩士。主要研究方面：數(shù)據(jù)處理。

作者簡介

收稿日期：2015-05-04

中圖分類號V557.3

文獻標識碼A

文章編號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.通過數(shù)據(jù)處理提高遙測精度的方法[J].無線電工程,2015,45(8):10-14.