一種航天器實(shí)時(shí)外測(cè)數(shù)據(jù)處理軟件設(shè)計(jì)與算法

淡 鵬，何曉松，王 丹

（1.宇航動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710043；2.西安衛(wèi)星測(cè)控中心，陜西西安 710043）

0 引言

航天器外測(cè)測(cè)軌數(shù)據(jù)［1-2］是一類(lèi)重要的飛行跟蹤數(shù)據(jù)，在很多任務(wù)的軌道確定計(jì)算中是不可缺少的測(cè)量量。

隨著航天器發(fā)射及在軌數(shù)量的日益增多，地面測(cè)控系統(tǒng)對(duì)大數(shù)據(jù)量、多星并行下的強(qiáng)實(shí)時(shí)［3］、自動(dòng)化外測(cè)數(shù)據(jù)處理的要求不斷提高。

航天器飛行過(guò)程中用于軌道測(cè)量的外測(cè)數(shù)據(jù)主要包含以下幾類(lèi):1）地面雷達(dá)及微波統(tǒng)一測(cè)控系統(tǒng)［4-5］的測(cè)量數(shù)據(jù):測(cè)量元素主要有測(cè)距、測(cè)角（方位角、仰角）、距離變化率（有時(shí)又稱(chēng)測(cè)速）等多類(lèi)參數(shù)，以及深空設(shè)備［6］的距離和、距離和變化率等數(shù)據(jù)；2）光學(xué)設(shè)備測(cè)角數(shù)據(jù)；3）中繼衛(wèi)星四程測(cè)距［7］數(shù)據(jù)；4）甚長(zhǎng)基線(xiàn)干涉測(cè)量數(shù)據(jù)［8］（Very Long Baseline Interferometry，VLBI）；5）星間外測(cè)測(cè)量數(shù)據(jù)等。

這些不同類(lèi)別的外測(cè)數(shù)據(jù)在實(shí)際的傳輸格式（測(cè)量設(shè)備與處理中心之間的傳輸規(guī)定）、測(cè)量量等方面均存在著較大差異。合理地設(shè)計(jì)外測(cè)數(shù)據(jù)處理軟件的架構(gòu)，并進(jìn)行并行化處理等就成為多任務(wù)、大數(shù)據(jù)量下外測(cè)處理軟件設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。同時(shí)，由于外測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理過(guò)程有著明顯區(qū)別于事后處理的一些特點(diǎn)，因而需要建立與實(shí)時(shí)處理要求相適應(yīng)的各類(lèi)算法。

針對(duì)這些問(wèn)題，本文建立了一種強(qiáng)實(shí)時(shí)性的處理框架，并對(duì)其關(guān)鍵處理算法進(jìn)行了闡述。

1 外測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理特點(diǎn)與內(nèi)容

航天器外測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理軟件需要對(duì)火箭發(fā)射、軌道轉(zhuǎn)移與在軌運(yùn)行、再入返回或天體著陸等多種不同場(chǎng)景下的各種類(lèi)型外測(cè)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，這就對(duì)外測(cè)實(shí)時(shí)處理軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)提出了較高要求。

1.1 外測(cè)實(shí)時(shí)處理軟件特點(diǎn)

航天器外測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理軟件具有以下特點(diǎn):

1）強(qiáng)實(shí)時(shí)性:出于對(duì)航天器飛行狀態(tài)監(jiān)視的需要，外測(cè)實(shí)時(shí)處理軟件需要在短時(shí)間內(nèi)快速完成觀測(cè)數(shù)據(jù)的處理工作。

2）高可靠性:外測(cè)實(shí)時(shí)處理軟件必須有強(qiáng)可靠性［9］，不能因某些數(shù)據(jù)的異常等問(wèn)題導(dǎo)致軟件的非正常退出，從而影響其他數(shù)據(jù)的處理。

3）大數(shù)據(jù)量:軟件可能同時(shí)要處理多個(gè)航天器、多臺(tái)設(shè)備的1 s多幀的測(cè)量數(shù)據(jù)，必須具備大數(shù)據(jù)量處理能力。

4）長(zhǎng)期自動(dòng)化運(yùn)行:外測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理軟件常常需要服務(wù)于航天器整個(gè)壽命過(guò)程，需要其具有較高的適應(yīng)能力和自動(dòng)化運(yùn)行能力。

5）數(shù)據(jù)處理差異性:外測(cè)數(shù)據(jù)包含測(cè)距、測(cè)角、測(cè)速，及其他多種類(lèi)型的測(cè)量元素，這些元素的處理要求有著較大差異。

1.2 數(shù)據(jù)處理內(nèi)容

航天器外測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理的主要內(nèi)容有:

1）數(shù)據(jù)接收與解算:實(shí)時(shí)接收各種類(lèi)型外測(cè)測(cè)量數(shù)據(jù)，按照對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)的傳輸格式及處理方法進(jìn)行數(shù)值解算。

2）數(shù)據(jù)檢擇:主要進(jìn)行數(shù)據(jù)的設(shè)備狀態(tài)碼檢驗(yàn)、合理性檢驗(yàn)［10］與野值剔除［11］等。

3）測(cè)距解模糊:當(dāng)跟蹤目標(biāo)距離超出設(shè)備的最大無(wú)模糊距離時(shí)，需要利用衛(wèi)星星歷或軌道數(shù)據(jù)等對(duì)距離量進(jìn)行解模糊［12］處理，以得到正確的值。

4）數(shù)據(jù)修正:完成地面設(shè)備距離零值修正、測(cè)角軸系誤差修正、衛(wèi)星應(yīng)答機(jī)零值修正等。

5）時(shí)標(biāo)修正:根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)標(biāo)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻對(duì)測(cè)距、測(cè)角、測(cè)速進(jìn)行空間傳播時(shí)延修正，測(cè)速數(shù)據(jù)還包含積分時(shí)間修正，以及深空三向測(cè)距的鐘差［13］修正等。

6）電波折射修正:電波在目標(biāo)和測(cè)控站之間傳播時(shí)，由于穿過(guò)大氣層的不均勻介質(zhì)，使電波傳播路徑發(fā)生彎曲，而且是非勻速的傳播，使得觀測(cè)量出現(xiàn)折射誤差。大氣折射效應(yīng)對(duì)無(wú)線(xiàn)電波的角度、距離、速度等測(cè)量值都會(huì)帶來(lái)誤差，電波折射修正主要完成此類(lèi)修正處理，它包含了對(duì)流層［14］、電離層［15］等多類(lèi)型的修正處理。

7）數(shù)據(jù)平滑處理:測(cè)量數(shù)據(jù)幀頻較大時(shí)，有時(shí)需要利用多幀數(shù)據(jù)平滑處理出單幀數(shù)據(jù)，達(dá)到減少數(shù)據(jù)量的目的。

8）拼幀處理:有些應(yīng)用場(chǎng)合需要將測(cè)距、測(cè)角、測(cè)速等不在同一幀的數(shù)據(jù)拼接成一幀數(shù)據(jù)（例如有的定位算法需要將火箭跟蹤的測(cè)距與測(cè)角數(shù)據(jù)一起使用來(lái)計(jì)算出其位置信息）。

9）數(shù)據(jù)記錄與發(fā)送:將處理后的結(jié)果按規(guī)定接口發(fā)送給其他軟件，并完成必要的數(shù)據(jù)記錄。

2 并行處理設(shè)計(jì)

外測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理軟件具有數(shù)據(jù)量大、類(lèi)型復(fù)雜、實(shí)時(shí)性及可靠性要求高等特點(diǎn)，同時(shí)不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)在處理內(nèi)容上有較大差異，為此本文將綜合采用多線(xiàn)程與多進(jìn)程相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)并行化的設(shè)計(jì)與處理。

2.1 軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

為簡(jiǎn)化軟件開(kāi)發(fā)，以及方便后期的維護(hù)和擴(kuò)展，將處理軟件劃分為公共服務(wù)層、基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)層、處理部件層、應(yīng)用層等多個(gè)不同層級(jí)，如圖1所示。

圖1 外測(cè)軟件的層次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

公共服務(wù)層主要實(shí)現(xiàn)一些底層的公用服務(wù)，包括消息通信、日志服務(wù)、線(xiàn)程、數(shù)據(jù)及軌道動(dòng)力學(xué)算法等，該層部件以動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的形式提供給上層軟件調(diào)用。其中，數(shù)據(jù)及軌道動(dòng)力學(xué)算法庫(kù)實(shí)現(xiàn)了各類(lèi)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換、軌道外推計(jì)算、時(shí)間轉(zhuǎn)換、測(cè)站觀測(cè)量計(jì)算、軌道攝動(dòng)力計(jì)算、矢量及矩陣運(yùn)算、插值算法、積分算法、方程組求解方法、數(shù)據(jù)擬合算法、數(shù)值統(tǒng)計(jì)算法等。

在公共服務(wù)層基礎(chǔ)上，外測(cè)處理基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)層完成了各類(lèi)型外測(cè)數(shù)據(jù)的主要處理過(guò)程實(shí)現(xiàn)。由于不同地基設(shè)備、天基測(cè)量、移動(dòng)測(cè)量設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸類(lèi)型不一致、所包含的測(cè)量量不盡相同、處理要求不同，因而需要實(shí)現(xiàn)不同的處理過(guò)程。本基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)層即對(duì)每種不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)分別提供不同的算法及處理線(xiàn)程實(shí)現(xiàn)，以供外測(cè)處理部件層的各軟件調(diào)用。

處理部件層為實(shí)際的可執(zhí)行軟件層。外測(cè)數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)在邏輯結(jié)構(gòu)上劃分為數(shù)據(jù)分類(lèi)處理軟件、數(shù)據(jù)補(bǔ)充處理軟件、VLBI 處理軟件、深空外測(cè)處理軟件等多個(gè)可執(zhí)行部件?？筛鶕?jù)處理需要為不同的航天器創(chuàng)建不同的部件執(zhí)行映像，實(shí)現(xiàn)各航天器數(shù)據(jù)的并行處理。

數(shù)據(jù)分類(lèi)處理軟件實(shí)時(shí)接收各類(lèi)外測(cè)原始數(shù)據(jù)、航天器時(shí)間信息等，根據(jù)配置信息設(shè)置為各設(shè)備信源及數(shù)據(jù)類(lèi)型的組合動(dòng)態(tài)創(chuàng)建處理對(duì)象（各對(duì)象為一個(gè)處理線(xiàn)程，如圖2所示），并將外測(cè)原始數(shù)據(jù)分發(fā)給相應(yīng)的處理對(duì)象進(jìn)行分類(lèi)處理。該軟件同時(shí)接收航時(shí)等公用信息，維護(hù)一個(gè)公用信息共享內(nèi)存，以加鎖的方式供各處理線(xiàn)程并發(fā)訪(fǎng)問(wèn)。

圖2 分類(lèi)處理軟件線(xiàn)程示意圖

數(shù)據(jù)補(bǔ)充處理軟件實(shí)時(shí)接收測(cè)元不在同一幀的部分分類(lèi)處理結(jié)果數(shù)據(jù)（有的數(shù)據(jù)類(lèi)型處理完后可直接打包發(fā)送），進(jìn)行拼幀處理及電波折射等修正后，將結(jié)果數(shù)據(jù)打包發(fā)送出去。

雷達(dá)及統(tǒng)一測(cè)控系統(tǒng)等普通類(lèi)型外測(cè)觀測(cè)數(shù)據(jù)在各軟部件間的流動(dòng)如圖3所示。

圖3 雷達(dá)數(shù)據(jù)處理流程

VLBI 處理、深空數(shù)據(jù)處理等其他類(lèi)復(fù)雜類(lèi)型數(shù)據(jù)的處理部件主要完成一些專(zhuān)用類(lèi)型數(shù)據(jù)的處理工作。

應(yīng)用層主要是各類(lèi)外測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理結(jié)果的應(yīng)用計(jì)算軟件，例如各類(lèi)定位計(jì)算等。

2.2 分類(lèi)處理及數(shù)據(jù)映射

對(duì)各類(lèi)測(cè)量數(shù)據(jù)的處理方法庫(kù)實(shí)現(xiàn)了指定類(lèi)型數(shù)據(jù)的解析、處理流程、打包發(fā)送、線(xiàn)程創(chuàng)建與運(yùn)行等方法。同一類(lèi)的或相似的測(cè)量數(shù)據(jù)只需設(shè)計(jì)一種處理方法庫(kù)，在調(diào)用軟件的配置信息中設(shè)置有各類(lèi)測(cè)量數(shù)據(jù)與處理方法庫(kù)的映射關(guān)系，如其中一個(gè)記錄{type1,lib1.so;}就表示了類(lèi)型type1與處理方法庫(kù)lib1.so之間的映射。

各種處理方法庫(kù)從統(tǒng)一的處理方法基類(lèi)繼承，并重載必需的處理函數(shù)。

2.3 數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了滿(mǎn)足不同的應(yīng)用場(chǎng)合，軟件對(duì)雷達(dá)與統(tǒng)一測(cè)控設(shè)備的處理結(jié)果設(shè)計(jì)了兩類(lèi)結(jié)果幀格式，一類(lèi)是非拼幀格式，另一類(lèi)是拼幀結(jié)果格式。

拼幀格式的結(jié)果幀包含的數(shù)據(jù)內(nèi)容有:測(cè)量設(shè)備編碼、數(shù)據(jù)類(lèi)型編碼、測(cè)距、方位角、仰角、測(cè)距變化率值、收端時(shí)標(biāo)、數(shù)據(jù)時(shí)標(biāo)、數(shù)據(jù)有效位、站址坐標(biāo)等信息。

其中，使用了1 個(gè)字節(jié)的8 個(gè)比特位表示各個(gè)測(cè)量元素的有效性，如圖4所示。

圖4 比特位示意圖

定義B0 位表示測(cè)距有效性；B1 位表示方位角有效性；B2 位表示仰角有效性；B3 位表示測(cè)距變化率的有效性；B4 位表示測(cè)距類(lèi)型:單程測(cè)距、雙程測(cè)距等；B5 位表示測(cè)速類(lèi)型:測(cè)距變化率、距離和變化率等；B6～B7位用于擴(kuò)展其他測(cè)量元素的表示。B1～B3 比特位初始化賦值為0，當(dāng)同時(shí)滿(mǎn)足下列條件時(shí)在處理結(jié)果中將對(duì)應(yīng)比特位的值置為1（代表相應(yīng)值有效）:1）一幀測(cè)量數(shù)據(jù)中有相應(yīng)的測(cè)量元素；2）測(cè)量元素的值在事先給定的值域范圍內(nèi)；3）設(shè)備狀態(tài)碼校驗(yàn)有效。

相對(duì)拼幀格式，非拼幀格式的結(jié)果中僅包含一種或幾種測(cè)量元素（測(cè)角幀一般同時(shí)包含方位角、仰角）。

中繼星四程距離和數(shù)據(jù)、VLBI時(shí)延、時(shí)延率，赤經(jīng)、赤緯等其他類(lèi)外測(cè)數(shù)據(jù)采用單獨(dú)的幀格式傳輸。

2.4 信息維護(hù)

軟件以加鎖的方式維護(hù)了包括航天器的名稱(chēng)、狀態(tài)信息、精密軌道等各類(lèi)公用信息。

軟件單獨(dú)使用一個(gè)線(xiàn)程外推出每秒鐘的衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)，并保存到緩沖區(qū)中，供各設(shè)備的處理線(xiàn)程解模糊時(shí)使用。當(dāng)維護(hù)線(xiàn)程檢測(cè)到定軌結(jié)果更新時(shí)，清除緩沖區(qū)，重新存儲(chǔ)星歷數(shù)據(jù)。

2.5 特殊類(lèi)型數(shù)據(jù)的處理

深空數(shù)據(jù)處理部件需要適應(yīng)距離和數(shù)據(jù)、雙向測(cè)量、三向測(cè)量等不同測(cè)距類(lèi)型，適應(yīng)單向、雙向、三向等深空測(cè)速數(shù)據(jù)，并完成必要的修正處理和拼幀處理等。

為便于應(yīng)用層軟件使用，軟件內(nèi)部定義了統(tǒng)一的深空數(shù)據(jù)輸出幀格式，其在主要測(cè)元量基礎(chǔ)上，增加了信號(hào)發(fā)端站坐標(biāo)、發(fā)端時(shí)間、信號(hào)收端站坐標(biāo)、收端時(shí)間，以及測(cè)元類(lèi)型等信息。信號(hào)收端和發(fā)端的時(shí)標(biāo)可通過(guò)迭代算法計(jì)算得出［10］。當(dāng)收端站與發(fā)端站一致時(shí)，三向測(cè)量［10］即變?yōu)殡p向測(cè)量。

同樣中繼四程測(cè)距處理軟件除必須的修正處理外，也需要加上跟蹤站坐標(biāo)、中繼星當(dāng)前瞬時(shí)坐標(biāo)（經(jīng)緯高等，由中繼星軌道外推獲得當(dāng)前幀歷元處的坐標(biāo)數(shù)據(jù)）等，同時(shí)利用各個(gè)中繼星的軌道外推結(jié)果完成測(cè)距的解模糊處理。VLBI測(cè)量數(shù)據(jù)處理軟件除必要的處理外，也需要增加其基線(xiàn)兩端站的瞬時(shí)坐標(biāo)等。

2.6 常駐運(yùn)行模式

外測(cè)實(shí)時(shí)處理軟件調(diào)度執(zhí)行的一種傳統(tǒng)方式是通過(guò)測(cè)控計(jì)劃進(jìn)行啟停管理，但由于一些近地衛(wèi)星運(yùn)行圈次和測(cè)站跟蹤計(jì)劃切換較為頻繁，而且多任務(wù)并行處理時(shí)各任務(wù)跟蹤測(cè)控方式也不盡相同，采用這種方式會(huì)為操作帶來(lái)諸多不便，且啟停時(shí)可能造成數(shù)據(jù)處理的中斷。

為解決這一問(wèn)題，此處設(shè)計(jì)了“常駐運(yùn)行”模式，即外測(cè)實(shí)時(shí)處理軟件啟動(dòng)后將持續(xù)運(yùn)行；同時(shí)軟件將衛(wèi)星中與具體跟蹤弧段和測(cè)控事件有關(guān)的參數(shù)分離出來(lái)，通過(guò)共享內(nèi)存方式來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)視這些參數(shù)的變化，進(jìn)而確定跟蹤弧段和跟蹤計(jì)劃是否變化。一旦發(fā)生變化，實(shí)時(shí)處理軟件執(zhí)行相應(yīng)的初始化操作，更新相關(guān)參數(shù)，創(chuàng)建有關(guān)設(shè)備測(cè)量數(shù)據(jù)的處理對(duì)象。

考慮到不同時(shí)段可能使用不同的設(shè)備進(jìn)行航天器的跟蹤測(cè)量，故采用常駐模式運(yùn)行時(shí)如果不能合理管理所生成的處理線(xiàn)程，可能造成某些線(xiàn)程成為“僵尸”線(xiàn)程。為此軟件在檢索到某個(gè)處理線(xiàn)程已經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間不處理數(shù)據(jù)，會(huì)將其銷(xiāo)毀，以釋放相應(yīng)的資源。

此種常駐運(yùn)行模式支持跟蹤弧段和測(cè)控計(jì)劃的無(wú)縫切換，滿(mǎn)足了數(shù)據(jù)處理的連續(xù)性要求，在該模式下可實(shí)現(xiàn)處理軟件的“自動(dòng)運(yùn)行、無(wú)人職守”。

它的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星跟蹤測(cè)控中外測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理軟件的不間斷運(yùn)行，在跟蹤弧段和跟蹤計(jì)劃切換時(shí)，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理工作不受影響，從而實(shí)現(xiàn)了“無(wú)縫”的切換，有效地避免了數(shù)據(jù)丟失等問(wèn)題的發(fā)生。

該模式能夠保證在各類(lèi)情況下實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理的連續(xù)性，為事后采集數(shù)據(jù)進(jìn)行軌道確定和各類(lèi)飛控計(jì)算帶來(lái)了較大方便。

使用該模式后，軟件只在衛(wèi)星環(huán)境建立過(guò)程中啟動(dòng)一次，整個(gè)生命期間將持續(xù)運(yùn)行，工作時(shí)不再需要受跟蹤計(jì)劃和跟蹤弧段約束。這在很大程度上簡(jiǎn)化了相關(guān)的操作，顯著地提高了工作效率。

在該模式下，可根據(jù)環(huán)境需要進(jìn)行靈活配置，滿(mǎn)足不同類(lèi)型航天器的跟蹤測(cè)控需求，具有很強(qiáng)的適應(yīng)性和靈活性。

3 實(shí)時(shí)處理關(guān)鍵算法

3.1 一種基于增量累加的新型解模糊算法

測(cè)控設(shè)備的測(cè)量距離與其信號(hào)發(fā)射頻率是相關(guān)的。受精度限制，測(cè)控設(shè)備的可測(cè)距離（即最大無(wú)模糊距離）是有限的，當(dāng)跟蹤目標(biāo)超越最大無(wú)模糊距離時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)求解真實(shí)距離的問(wèn)題，此過(guò)程稱(chēng)作測(cè)距解模糊。

整周數(shù)Nt計(jì)算時(shí)需要采用軌道或星歷數(shù)據(jù)外推出測(cè)量設(shè)備的理論測(cè)量值Rc，Nt的計(jì)算方法為:

其中，mod 表示取余數(shù)運(yùn)算，int（）表示取整運(yùn)算。

考慮到長(zhǎng)時(shí)間大范圍機(jī)動(dòng)過(guò)程中，采用軌道外推整周數(shù)方法進(jìn)行實(shí)時(shí)解模糊處理時(shí)，有時(shí)可能出現(xiàn)整周數(shù)計(jì)算錯(cuò)誤的情況，為此，本文同時(shí)提供了另一種實(shí)時(shí)解模糊算法，即增量累加算法。

設(shè)t0,t1,…,tn時(shí)刻的設(shè)備距離數(shù)值依次為R0,R1,…,Rn（0

定義各點(diǎn)的增量值為

考慮到整周數(shù)的變化，將上述增量在此基礎(chǔ)上修訂為

定義增量累加值為

該方法受異常數(shù)據(jù)干擾后，僅影響當(dāng)前數(shù)據(jù)的解模糊計(jì)算，而不會(huì)影響到后面的數(shù)據(jù)，因而穩(wěn)定性較好。

增量累加法初始化時(shí)，先采用傳統(tǒng)方法連續(xù)計(jì)算幾點(diǎn)（如取10 點(diǎn)）的整周數(shù)，如果判斷出這些點(diǎn)的整周數(shù)相同，則選定該值為初始整周數(shù)，增量累加算法轉(zhuǎn)入正常運(yùn)行狀態(tài)。

當(dāng)數(shù)據(jù)中斷后，增量累加法需恢復(fù)初始狀態(tài)。

3.2 基于三次多項(xiàng)式及三角函數(shù)轉(zhuǎn)換的插值算法

外測(cè)數(shù)據(jù)的測(cè)距、測(cè)角、測(cè)速等數(shù)據(jù)由于采集及預(yù)處理等方面的原因，其數(shù)據(jù)時(shí)標(biāo)常常存在差異，實(shí)時(shí)處理中經(jīng)常需要進(jìn)行時(shí)標(biāo)的插值對(duì)齊操作，工程上多采用多項(xiàng)式插值［17］、濾波平滑等方法進(jìn)行時(shí)標(biāo)的對(duì)齊處理。

插值處理時(shí)，需注意以下幾點(diǎn):1）時(shí)標(biāo)的跨天處理；2）方位角“過(guò)北”［17］的處理；3）角度插值的精度問(wèn)題，如圖5所示“過(guò)頂”附近的插值，本軟件的解決方法之一是采用三角函數(shù)轉(zhuǎn)換測(cè)量后進(jìn)行插值計(jì)算［17］。

圖5 “過(guò)頂”現(xiàn)象及插值誤差示意

方位角的“過(guò)北”和角度插值精度問(wèn)題本質(zhì)上都是由于測(cè)量角度在數(shù)值上的不連續(xù)性造成，為此，本軟件的解決方法是采用三角函數(shù)轉(zhuǎn)換測(cè)量后進(jìn)行插值計(jì)算，最后反解出角度的方法。

如對(duì)某類(lèi)角度序列{t1,a1}、{t2,a2}、{t3,a3}…，要插值t時(shí)刻的值，可利用角度的正弦函數(shù)與余弦函數(shù)的連續(xù)性來(lái)解決。具體地，先對(duì){t1,sin（a1）}、{t2,sin（a2）}、{t3,sin（a3）}…序列插值出t時(shí)刻的值y1，再對(duì){t1,cos（a1）}、{t2,cos（a2）}、{t3,cos（a3）}…序列插值出t時(shí)刻的值y2，則可計(jì)算出t時(shí)刻的角度值為y（t）=atan2（y1,y2），說(shuō)明一下，此處的atan2 為C++語(yǔ)言中的反正切函數(shù)，表示值域在［-π，π］之間的反正切計(jì)算。

對(duì)某一類(lèi)型數(shù)據(jù)的插值計(jì)算可采用多項(xiàng)式擬合的方法進(jìn)行，為了達(dá)到較好的插值精度，本軟件計(jì)算時(shí)使用三次或二次多項(xiàng)式進(jìn)行插值處理。

3.3 時(shí)間實(shí)時(shí)性和數(shù)據(jù)完整性?xún)?yōu)先準(zhǔn)則下的多緩沖搜索拼幀算法

由于有些應(yīng)用層計(jì)算軟件需要將測(cè)距、測(cè)角、測(cè)速等不同測(cè)量元素放在同一幀中，形成測(cè)元完備［16］的觀測(cè)數(shù)據(jù)，此時(shí)往往需要將各種不同類(lèi)型數(shù)據(jù)拼接成測(cè)元完備的數(shù)據(jù)幀，此即拼幀處理。

拼幀處理可采用兩種合成準(zhǔn)則:

1）數(shù)據(jù)完整性?xún)?yōu)先合成準(zhǔn)則，即將幾種數(shù)據(jù)收集完成后，再拼幀輸出，優(yōu)點(diǎn)是每幀數(shù)據(jù)都包含完整信息，缺點(diǎn)在于某一類(lèi)數(shù)據(jù)中斷或延遲會(huì)導(dǎo)致整幀的中斷或延遲，實(shí)時(shí)性較差。

2）數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性?xún)?yōu)先合成原則，將實(shí)時(shí)性作為首要考慮因素，可直接將一種或幾種數(shù)據(jù)合成一幀，此方法的缺點(diǎn)是有些幀的信息可能不完整。

本軟件采用兼顧兩類(lèi)合成準(zhǔn)則的超時(shí)合成策略，預(yù)先設(shè)置一定的時(shí)間限制，在限定時(shí)間內(nèi)采用數(shù)據(jù)完整性合成準(zhǔn)則，超時(shí)時(shí)采用實(shí)時(shí)性?xún)?yōu)先合成準(zhǔn)則。

拼幀時(shí)的處理算法為:為同一設(shè)備的每一類(lèi)數(shù)據(jù)設(shè)置一個(gè)單獨(dú)的緩沖區(qū)（如圖6所示），當(dāng)新數(shù)據(jù)到來(lái)后，先按時(shí)間順序插入相應(yīng)的緩沖區(qū)中，然后遍歷一次緩沖區(qū)，查找時(shí)標(biāo)相同的數(shù)據(jù)，拼幀完成后將相應(yīng)數(shù)據(jù)彈出緩沖區(qū)。

圖6 數(shù)據(jù)拼接緩沖區(qū)示意圖

為防止緩沖區(qū)無(wú)限制增大及影響處理效率，軟件對(duì)各緩沖區(qū)的最大長(zhǎng)度進(jìn)行了限制（如最大保存10 s的數(shù)據(jù)）。

3.4 電波折射修正算法

電磁波通過(guò)對(duì)流層時(shí)傳播速度將發(fā)生變化，路徑也將產(chǎn)生彎曲，此現(xiàn)象稱(chēng)作對(duì)流層折射效應(yīng)。在天頂方向，對(duì)流層引起的距離折射誤差可達(dá)2～3 m，在3°仰角時(shí)，可達(dá)30～40 m。對(duì)流層延遲包括干燥大氣附加延遲、濕潤(rùn)大氣或水蒸氣效應(yīng)影響等。

軟件提供了映射函數(shù)法［14］、球面分層模型［14］等算法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)流層折射效應(yīng)的修正。

電磁波穿越電離層時(shí)，信號(hào)的路徑會(huì)發(fā)生彎曲，傳播速度變化，由此產(chǎn)生的偏差稱(chēng)作電離層折射誤差［18-19］。電離層電子密度是求解電波路徑延遲的關(guān)鍵，它與地理位置、地方時(shí)、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、季節(jié)等因素有關(guān)。電離層具有散射性、互補(bǔ)性、瞬息萬(wàn)變等特點(diǎn)。

本軟件提供了基于電離層格網(wǎng)模型［18-19］、Klobuchar模型［18-19］等的電離層修正算法。

3.5 基于最小二乘的多點(diǎn)數(shù)據(jù)平滑算法

外測(cè)數(shù)據(jù)的測(cè)量幀頻可能較大，為了剔除數(shù)據(jù)中的野值或減少數(shù)據(jù)量，有時(shí)需要使用多點(diǎn)數(shù)據(jù)平滑算法計(jì)算出一點(diǎn)數(shù)據(jù)。此處采用基于多項(xiàng)式擬合和最小二乘估計(jì)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)平滑處理。

然后可繼續(xù)對(duì)樣本序列點(diǎn)的均值和方差σy進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，定義每一點(diǎn)的擬合殘差為εi=yi-f(ti)，當(dāng)時(shí)可認(rèn)為該點(diǎn)在本次迭代計(jì)算中為不合理值，予以舍棄。進(jìn)而使用余下的點(diǎn)重新進(jìn)行多項(xiàng)式最小二乘擬合，然后再次對(duì)所有點(diǎn)進(jìn)行3σ野值剔除（有些點(diǎn)在不同的多項(xiàng)式下可能不一定當(dāng)成野值）。這樣經(jīng)過(guò)多次反復(fù)迭代后，即可得到多點(diǎn)數(shù)據(jù)中心平滑后的值。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種外測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)并行處理軟件的設(shè)計(jì)思路及其實(shí)時(shí)處理的關(guān)鍵算法，該軟件的主要特點(diǎn)如下:

1）聯(lián)合采用多進(jìn)程加多線(xiàn)程的方式進(jìn)行了并行化處理實(shí)現(xiàn)，便于多任務(wù)大數(shù)據(jù)量下的并行處理；

2）采用常駐模式實(shí)現(xiàn)了全過(guò)程自動(dòng)化運(yùn)行；

3）采用了多種強(qiáng)實(shí)時(shí)性算法適應(yīng)各種不同場(chǎng)景下的數(shù)據(jù)處理需求；

4）所提出的基于增量累加的新型解模糊算法解決了大范圍機(jī)動(dòng)過(guò)程中的解模糊難題。

應(yīng)該看到，實(shí)時(shí)性要求下的外測(cè)數(shù)據(jù)處理軟件及處理算法有很多不同于事后處理的地方，下一步還需在精細(xì)化處理等方面進(jìn)行不斷完善。