摘 要： 針對(duì)全彈道全過程動(dòng)態(tài)飛行參數(shù)高密度采樣帶來的大量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)難題，提出一種數(shù)字變頻采樣與數(shù)據(jù)壓縮相結(jié)合的優(yōu)化存儲(chǔ)方法。該方法根據(jù)全過程飛行參數(shù)變化特點(diǎn)將飛行試驗(yàn)劃分為5個(gè)過程：準(zhǔn)備過程、內(nèi)彈道過程、外彈道過程、落地撞擊過程、落地靜止過程，通過分析加速度參數(shù)、角速度參數(shù)、溫度參數(shù)在各過程的信號(hào)特征，利用數(shù)字變頻采樣方法降低各參數(shù)在各過程的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量，再對(duì)動(dòng)態(tài)變化過程中的非關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行無失真數(shù)據(jù)壓縮，從而進(jìn)一步降低數(shù)據(jù)量。最后通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，經(jīng)過數(shù)字變頻與數(shù)據(jù)壓縮，加速度參數(shù)、角速度參數(shù)、溫度參數(shù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大幅降低，各過程數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)也更加合理，通過數(shù)據(jù)重建，完整還原了試驗(yàn)過程，驗(yàn)證了方法的可行性。

　　關(guān)鍵詞： 飛行試驗(yàn); 優(yōu)化存儲(chǔ); 數(shù)據(jù)壓縮; 全彈道過程; 多參數(shù); LZW算法

　　《氣體物理》(雙月刊)由中國航天科技集團(tuán)公司主管、中同航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院(主要主辦單位)、中國宇航出版有限責(zé)任公司共同主辦的綜合性學(xué)術(shù)期刊。

　　0 引 言

　　目前，伴隨著精確制導(dǎo)武器的發(fā)展，全彈道全過程動(dòng)態(tài)飛行參數(shù)的獲取對(duì)武器研制有著至關(guān)重要的作用，利用微體積、大容量的彈載數(shù)據(jù)記錄儀隨彈體進(jìn)行發(fā)射試驗(yàn)已成為現(xiàn)代武器研制的重要手段[1?3]。為實(shí)現(xiàn)對(duì)全彈道全過程動(dòng)態(tài)飛行參數(shù)的完整獲取，需要對(duì)彈體發(fā)射試驗(yàn)的膛內(nèi)、膛外、落地撞擊的動(dòng)態(tài)變化過程進(jìn)行高密度采樣，高密度采樣帶來的大量數(shù)據(jù)導(dǎo)致彈載存儲(chǔ)介質(zhì)容量不斷提高。彈載存儲(chǔ)介質(zhì)容量的增大不僅給測(cè)試系統(tǒng)小型化帶來困難，也給后期數(shù)據(jù)回讀與分析過程增加了許多不便。

　　為解決傳統(tǒng)彈體發(fā)射試驗(yàn)存在的龐大數(shù)據(jù)量問題，國內(nèi)許多單位都進(jìn)行了降低數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量的優(yōu)化方法研究。為解決采樣率不合理的問題，文獻(xiàn)[4]對(duì)ADC變頻采樣策略進(jìn)行研究，但改變ADC采樣頻率的方法易丟失部分關(guān)鍵數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)[5]通過數(shù)字變頻采樣策略，通過對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字變頻存儲(chǔ)減少數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量，但文中僅對(duì)加速度參數(shù)進(jìn)行分析，對(duì)其他參數(shù)未進(jìn)行深入研究。除了變頻采樣存儲(chǔ)，國內(nèi)其他單位也進(jìn)行了數(shù)據(jù)壓縮方法的研究[6?8]，但對(duì)多參數(shù)、全過程動(dòng)態(tài)飛行參數(shù)存儲(chǔ)方法的研究相對(duì)較少。

　　本文針對(duì)全彈道全過程動(dòng)態(tài)飛行高密度參數(shù)的存儲(chǔ)難題，提出一種數(shù)字變頻采樣與數(shù)據(jù)壓縮相結(jié)合的優(yōu)化存儲(chǔ)方法，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)證明了該方法的可行性。

　　1 全彈道全過程動(dòng)態(tài)飛行參數(shù)分析

　　在彈體飛行試驗(yàn)中，發(fā)射過載、飛行速度、姿態(tài)角變化、溫度變化都是需要觀測(cè)的參量，隨彈飛行的數(shù)據(jù)記錄儀要實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)動(dòng)態(tài)飛行參數(shù)的記錄。與常規(guī)環(huán)境下的數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)不同，全過程全彈道的存儲(chǔ)環(huán)境更加復(fù)雜，信號(hào)規(guī)律更加多變，給彈載記錄儀的設(shè)計(jì)也帶來了更大挑戰(zhàn)。由文獻(xiàn)[9]以及彈體飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)研究分析可知，全彈道全過程飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)可分為以下幾個(gè)過程：

　　1) 準(zhǔn)備過程

　　準(zhǔn)備過程指數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)裝置從上電后到發(fā)射前的時(shí)間段。彈載記錄裝置調(diào)試完成后，內(nèi)部電源供電開始記錄數(shù)據(jù)，經(jīng)歷機(jī)械結(jié)構(gòu)裝配、調(diào)試臺(tái)到炮位的運(yùn)輸、上膛、裝藥等過程，由經(jīng)驗(yàn)得，準(zhǔn)備階段約占4～6 min。準(zhǔn)備階段數(shù)據(jù)不是飛行試驗(yàn)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，卻是飛行參數(shù)獲取過程中不可忽略的一個(gè)環(huán)節(jié)。

　　2) 內(nèi)彈道過程

　　火藥點(diǎn)火后產(chǎn)生高壓氣體推動(dòng)彈體在炮筒加速，到達(dá)炮口達(dá)到最大速度，同時(shí)，炮筒內(nèi)彈體開始旋轉(zhuǎn)，由于型號(hào)不同，彈體飛行試驗(yàn)內(nèi)彈道過程持續(xù)時(shí)間不等。

　　3) 外彈道過程

　　彈體出炮筒時(shí)以最大速度飛向空中，飛行期間受重力和空氣阻力影響，飛行速度與轉(zhuǎn)動(dòng)速度逐漸降低，同時(shí)彈內(nèi)溫度逐漸升高。彈體經(jīng)過上升、下降過程，到達(dá)地面后外彈道過程結(jié)束。

　　4) 落地撞擊過程

　　與內(nèi)彈道過程相似，落地撞擊時(shí)間短暫，彈體加速度、角速度劇烈變化。

　　5) 落地靜止過程

　　彈體落地撞擊完成后會(huì)保持靜止?fàn)顟B(tài)直至內(nèi)部電池耗盡，該段過程與準(zhǔn)備過程相似，數(shù)據(jù)信息量有限，但持續(xù)時(shí)間相對(duì)較長。

　　從表1可以看出，若以單一采樣率對(duì)全過程數(shù)據(jù)進(jìn)行采集存儲(chǔ)，會(huì)將大部分存儲(chǔ)資源分配在信息量較少的非動(dòng)態(tài)過程。

　　1.1 加速度參數(shù)全過程變化特點(diǎn)分析

　　圖 1為典型彈體飛行過程單軸加速度參數(shù)變化示意圖。由圖1可知，加速度信號(hào)在準(zhǔn)備過程變化幅度較小，在上膛、裝藥時(shí)出現(xiàn)波動(dòng)，在發(fā)射時(shí)加速度達(dá)到最大值;內(nèi)彈道過程加速度信號(hào)變化劇烈且持續(xù)時(shí)間較短，在幾十毫秒甚至更短的時(shí)間內(nèi)彈體加速到最大運(yùn)動(dòng)速度，實(shí)際應(yīng)用中需要100 kHz甚至更高的采樣率才能捕獲并且還原信號(hào)變化過程;外彈道飛行過程加速度變化較為規(guī)律，1 kHz采樣率即可滿足復(fù)現(xiàn)外彈道飛行過程的要求。落地撞擊過程與內(nèi)彈道過程類似，持續(xù)時(shí)間較短，信號(hào)發(fā)生突變;落地靜止過程與準(zhǔn)備過程數(shù)據(jù)價(jià)值有限，數(shù)據(jù)在某一范圍內(nèi)波動(dòng)。

　　2.1.2 角速度參量變頻策略

　　角速度參量最大采樣頻率為1 kHz，變頻策略如表3所示。

　　2.1.3 溫度參量變頻策略

　　對(duì)溫度參量采用全過程最大200 Hz進(jìn)行采樣，采樣策略如表4所示。

　　2.2 數(shù)據(jù)壓縮策略

　　經(jīng)過數(shù)字變頻，對(duì)各過程選取合適的采樣存儲(chǔ)頻率，但高密度采樣在動(dòng)態(tài)變化過程依舊會(huì)帶來大量數(shù)據(jù)，通過對(duì)數(shù)據(jù)分析，動(dòng)態(tài)過程包含大量重復(fù)、規(guī)律變化的數(shù)據(jù)，對(duì)于這些非關(guān)鍵數(shù)據(jù)，本文采用無失真的數(shù)據(jù)壓縮方法進(jìn)一步減少數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量。

　　LZW(Lemple?Ziv?Welch)是目前廣泛應(yīng)用于多種領(lǐng)域和通用數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)壓縮方法，具有壓縮和復(fù)原速度快、實(shí)時(shí)性高、算法簡單的特點(diǎn)。它是一種自適應(yīng)壓縮算法，根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)建立一個(gè)實(shí)時(shí)字典，根據(jù)后續(xù)數(shù)據(jù)在該字典中存在與否決定數(shù)據(jù)輸出。在數(shù)據(jù)復(fù)原時(shí)，算法會(huì)通過壓縮數(shù)據(jù)流建立與壓縮過程相同的字典，最終達(dá)到無失真壓縮的目的。

　　LZW的算法流程如圖5所示。

　　3 試驗(yàn)驗(yàn)證

　　采用研制的多通道數(shù)據(jù)記錄儀在靶場(chǎng)對(duì)某型破甲彈進(jìn)行飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集、記錄，并對(duì)獲取的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真分析。從表5可看出，通過數(shù)字變頻技術(shù)，試驗(yàn)準(zhǔn)備過程與落地靜止過程數(shù)據(jù)量占比大幅降低，與全過程單一采樣率記錄存儲(chǔ)相比，加速度、角速度動(dòng)態(tài)飛行過程試驗(yàn)數(shù)據(jù)占比大大增加，優(yōu)化了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，提高了存儲(chǔ)空間利用率。