面向故障分析的遥测参数可视化平台_郑丹.pdf

测试与故障诊断计算机测量与控制 （）收稿日期：；修回日期：。作者简介：郑丹（），女，吉林吉林人，博士，高级工程师，主要从事航天测试发射技术方向的研究。引用格式：郑丹面向故障分析的遥测参数可视化平台计算机测量与控制，（）：文章编号：（）：中图分类号：文献标识码：面向故障分析的遥测参数可视化平台郑丹（中国酒泉卫星发射中心 技术部，兰州 ）摘要：随着国内商业航天的快速发展，各种新型飞行器逐渐进入发射场开展飞行试验；为对飞行试验故障进行分析，以通用性和便捷性为目标，使用 开发了遥测参数可视化平台；平台实现了同时动态演示飞行过程和动态绘制遥测参数曲线的功能，能够把飞行器弹道姿态与遥测数据直接关联起来；实现了自动标识关键飞行时刻、自动计算极值、矩形放大、全部遥测数据的快速分析显示等功能，提高了故障分析工作的效率；平台能够读取多种飞行器三维模型文件，能够自动设置显示界面，增强了通用性；平台具有遥测参数实时添加功能和坐标轴自动计算等功能，显著减少了准备工作；平台能够独立运行于笔记本电脑，适用于各种新型飞行试验的故障初步分析工作。关键词：飞行试验；故障分析；遥测数据；动态演示；可视化 （，）：，：；引言随着国内商业航天的快速发展，各种新型飞行器（商业火箭、重复使用运载器）逐渐进入发射场开展验证性飞行试验。这些试验具有技术状态新、试验风险高、飞行次数少等特点。飞行试验出现故障后，需要在发射场根据遥测数据开展故障分析工作。由于新型飞行试验的规划次数较少（通常到次），研制单位通常不开发相应的遥测参数可视化软件，飞行试验出现故障后，使用 、等商业软件分析遥测数据，由于需要逐个绘制遥测参数，故障分析工作的效率较低。遥测参数的可视化程度对故障分析工作的效率具有重要影响，随着计算机可视化技术的发展，国内外开展了大量遥测参数可视化的研究工作，不仅实现了飞行器弹道和姿态的三维实时演示功能，还实现了关键遥测参数的三维矢量显示方法，能够直观地辅助试验指挥人员判断飞行状态。这些软件通常针对重大或者成熟的型号开发，具有功能强大、开发周期长、型号专用等特点。如果发射场针对每种新型飞行器都开发相应的遥测数据可视化软件，则需要耗费大量时间和经费，也没有必要：一是由于这些新型飞行试验规划次数少，一般仅进行次至次；二是随着发射场试验任务逐年增多，分配到每个任务的时间和人力有限；三是新型飞行试验缺少历史数据，各种基于历史数据的智能故障分析方法 无法应用。因此，有必要开发一款型号通用、准备工作少的遥测参数可视化分析软件，提高发射场对新型飞行试验的故障分析效率。以往的遥测数据分析软件通常使用服务器客户端模式，部署于固定场所的特定设备，限制了故障分析的人数和工作地点。随着计算机硬件技术的提高，飞行器的三维动态绘制可以在笔记本电脑中完成，因此开发基于笔记本电脑的通用故障分析平台，可以随时随地开展故障分析工作，提高故障分析工作的灵活性。本文针对故障分析工作的通用性和便捷性需求，使用 ，应用敏捷软件开发技术，开发了遥测参数可视化软件。文中详细介绍了软件的需求分析、总体设计、关投稿网址：计算机测量与控制第 卷 键技术、使用方法和应用情况。需求分析 遥测参数的动态绘制功能在故障分析时，通常需要重点分析故障时段的遥测值，一般的遥测参数可视化平台通常绘制全部飞行时段的遥测曲线，故障分析人员需要逐个定位每个遥测参数的故障时刻，然后才能对比分析，降低了故障分析工作的效率。因此，平台需要根据飞行时间逐步绘制遥测曲线的功能，以及把遥测参数直接绘制到指定时刻的功能。飞行器弹道姿态的三维动态演示功能飞行过程的三维动态演示能够直观显示飞行器的弹道和姿态，有利于故障分析工作。具体功能包括：读取和绘制飞行器三维模型文件由于飞行器三维模型文件由不同的研制单位提供，通常格式不同，为满足平台的通用性，平台需要读取和绘制多种格式的三维模型文件的功能 。典型格式包括 格式、格式、格式、格式等。三维视景的旋转、缩放和平移功能具有三维视景的旋转、缩放和平移等功能，且具有相应的快捷键。飞行器模型的在线放大缩小功能平台不仅可以在动态演示前设置飞行器的大小，还可以在动态飞行演示过程时，在保持背景不变的情况下，通过快捷键在线放大和缩小飞行器仿真模型，便于实时查看飞行器的姿态和弹道。动态演示时间控制功能飞行器弹道姿态的三维动态绘制具有“重放”、“前进”、“快进”、“步前”、“暂停”、“步退”、“快退”、“后退”、“终点”、“（指定飞行时刻）”等时间控制功能，并且具有动态演示时间步长和速度的设置功能。能够通过反复播放故障时段，有利于故障分析工作。弹道姿态的坐标系转换功能平台在发射坐标系下绘制飞行器的弹道和姿态。而遥测数据中通常包含 位置和速度信息，因此，平台需要把 位置和速度转换到发射坐标系下的功能，以及姿态角的坐标系转换功能。为了在平面地图上绘制弹下点轨迹，平台同时需要计算飞行器弹下点经纬度的功能。图片和视频保存功能为便于故障交流和汇报，平台能够把动态演示过程保存为视频（格式或者 格式），或者图片（格式）。弹道姿态与关键遥测参数的联合动态演示功能一般的遥测参数可视化平台中，飞行过程三维演示和遥测曲线绘制通常在不同的显示页面内，在故障分析时，需要不断切换页面，为便于故障分析工作，平台需要在同一页面内动态演示飞行过程和动态绘制关键遥测曲线。通过平台的动态演示时间控制功能（前进、后退、暂停、单步、指定时刻等）同时控制飞行器弹道姿态的三维动态演示和关键遥测曲线绘制，实现自动定位到指定时刻的弹道姿态和遥测数据的功能，无需人工定位，提高故障分析工作的效率。动态演示界面的自动设置功能为了实现平台的通用性，平台的全部界面与飞行器型号无关。但是，不同的飞行器需要动态演示的关键遥测参数并不相同。因此，平台采用定制文件的方式实现不同型号的差异性。只需把动态绘制的关键遥测参数信息输入到平台的定制文件中，平台在启动时自动读入定制文件，然后自动设置动态演示界面。动态绘制遥测参数的实时添加和保存功能一次飞行试验的遥测参数通常具有数百个，其中一些关键的遥测参数（姿态参数、发动机参数、电池电压、气瓶贮箱压力等）能够直接反应飞行试验故障的原因。在平台初始运行时，没有必要对全部遥测参数实现动态绘制功能，仅对关键遥测参数实现动态绘制功能即可，剩余的遥测参数，可以在平台运行时，根据故障分析的需求由故障分析人员实时添加。既可以在当前视图内添加，以方便与视图中现有的遥测参数进行对比，也可以添加新的视图，然后在新视图中添加遥测参数，也可以添加新的动态演示界面，然后在新界面的任意视图中添加遥测参数。并且在平台关闭时，可以保存遥测参数的添加结果到定制文件中，以便平台下次启动时，自动按新设置显示界面。实时添加遥测参数的多步后退和前进功能一般的数据分析显示软件，在添加遥测参数后，删除遥测参数并不方便，有的甚至需要修改程序。在故障分析时，可能需要在遥测曲线视图中，随时添加或者删除遥测参数，并能快速地来回切换。因此，平台需要在视图中添加或者删除遥测参数的多步后退和前进功能，提高故障分析工作的效率。并且，通过快捷键“”后退到上一步显示结果，通过“”前进到下一步显示结果。定制文件的极小化功能动态演示飞行器弹道和姿态需要飞行器的位置、速度、姿态角遥测参数信息。因此，平台的定制文件包含个遥测参数（位置、速度、姿态角各个）即可保证平台初始运行，其余的遥测参数，可以在平台运行时由故障分析人员按需添加。该功能可以显著减少平台的准备工作：在新型号任务准备过程中，平台的定制文件仅包含个遥测参数即可。平台定制文件的自动生成功能平台的定制文件采用 工作簿，给出了动态绘制关键遥测参数的全部信息。定制文件不仅可以通过 编辑器直接输入，也可以利用平台的动态演示遥测参数的实时添加和保存功能自动生成，提高了定制文件的准备效率。全部遥测参数的快速分析显示功能在故障分析时，需要随时能够查看和分析全部遥测参数，因此，平台需要提供全部遥测参数的快速分析显示功能，以对话框的形式，可以随时打开或者关闭。具体功能包括：）遥测参数的快速读取和绘制功能。基于笔记本电脑的有限性能，实现大数据量遥测参数投稿网址：第期郑丹：面向故障分析的遥测参数可视化平台 的快速读取和绘制。）多列遥测值的文件预处理功能。平台读入和绘制遥测文件的格式默认为列数据的 文件，其中第列为采样时间，第列为遥测值。但是在遥测数据预处理过程中，有时提供的遥测文件具有多列遥测值。因此，平台需要把多列遥测值的 文件，自动拆分成多个具有列遥测值的文件的功能。）十六进制遥测值的文件预处理功能。在飞行试验中，有时为了节省遥测通道，将多个状态量为或者的遥测值合并为个十六进制遥测值。因此，平台需要把具有十六进制遥测值文件，自动拆分成多个取值为或者的遥测文件的功能。）图像保存功能。图面向故障分析的遥测参数可视化平台的活动图能够把显示结果保存为 图片，或者自动保存到 文件中。关键时刻的自动标识功能飞行器的飞行过程通常分为若干关键阶段，为方便故障分析人员掌握飞行情况，平台需要在遥测曲线上自动标注关键时段。由于不同飞行器的关键阶段划分并不相同，为了保证平台的通用性，关键时刻及其标识字母，以 文件的形式，由平台在启动时自动读入，并在绘制遥测曲线时自动标注。图像放大的多步后退和前进功能商业数据分析软件通常具有图像放大功能。例如 软件，通过快捷键“”和“”，实现了图像放大的多步后退和前进功能。在遥测数据分析时，图像放大的多步后退和前进功能是必要的基础功能。极值点和阶跃点的自动标识功能遥测参数分析时，往往需要计算极值点和阶跃点，因此，平台需要自动计算当前显示区域内的极值点和阶跃点的功能，并且在图像缩放时，自动更新计算结果。平台的总体设计 功能设计平台具有两个主要功能：）飞行器弹道姿态与关键遥测参数的动态联合演示功能；）全部遥测参数的快速分析显示功能。平台的用例图如图所示。平台的用户分为故障分析人员和平台维护人员。故障分析人员使用全部功能；平台维护人员仅需使用动态联合演示功能，利用遥测参数的实时添加功能完成定制文件的自动生成，或者直接在 编辑器中编辑定制文件。图面向故障分析的遥测参数可视化平台的用例图平台的活动图（）如图所示。投稿网址：计算机测量与控制第 卷 图平台的动态演示界面（“电压”页面）界面设计 弹道姿态与关键遥测参数的联合动态演示界面平台的动态演示界面由多个页面组成，每个页面由菜单、工具栏、个飞行弹道视图和 个遥测曲线视图组成，如图所示。图的上方以种方式显示飞行器的弹道姿态：）飞行器在发射坐标系下的位置和速度曲线；）飞行器的三维弹道和姿态；）平面地图上的弹下点轨迹。图下方的 个视图能够按照飞行时间动态绘制遥测参数。每个视图具有左坐标系和右坐标系，每个坐标系至多能够绘制 个遥测参数。图的任意视图都可以双击后全屏放大，如图所示。平台的多个页面通过工具栏上的按钮（“主页面”、“姿控”、“气压”、“电压”、“电流”等）进行切换。页面切换时，图上方的个视图保持不变，下方的 个遥测曲线视图进行切换。点击“”按钮，可以多次随时增加新的空白页面，空白页面具有 个空白的遥测曲线视图，如图所示，可以用来添加新的动态绘制遥测参数。通过工具栏按钮（“重放”、“前进”、“快进”、“步前”、“暂停”、“步退”、“快退”、“后退”、“终点”、“”），实现动态演示过程的控制。通过工具栏的“定时器”按钮，可以设置动态演示的时间步长和速度。全部遥测数据的快速分析显示界面全部遥测数据的分析显示功界面采用对话框，如图所示。在图的“关键时序遥测参数值”区域，平台自动插值计算关键时刻（级间分离、发动机点火、关机等时刻）的遥测值，并在右侧绘制的遥测曲线上自动标识关键时刻。可以通过对话框的“保存关键时刻参数值”按钮，把计算结果保存到 文件中。图全部遥测参数的快速分析显示界面平台自动计算当前显示区域内的全部遥测参数的极大值、极小值和阶跃值，并在绘制的遥测曲线上用“正方形”标识极大值，“圆圈”标识极小值，“三角形”标识阶跃值，如图所示，当遥测参数没有阶跃点时，忽略阶跃点的显示结果。在图中可以设置野值剔除的阈值，平台在读入遥测参数时自动剔除绝