摘 要： 針對全彈道全過程動態(tài)飛行參數(shù)高密度采樣帶來的大量數(shù)據(jù)存儲難題，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)化存儲方法。該方法根據(jù)全過程飛行參數(shù)變化特點將飛行試驗劃分為5個過程：準備過程、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)存儲量，再對動態(tài)變化過程中的非關(guān)鍵數(shù)據(jù)進行無失真數(shù)據(jù)壓縮，從而進一步降低數(shù)據(jù)量。最后通過試驗數(shù)據(jù)驗證，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)存儲量大幅降低，各過程數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)也更加合理，通過數(shù)據(jù)重建，完整還原了試驗過程，驗證了方法的可行性。

　　關(guān)鍵詞： 飛行試驗; 優(yōu)化存儲; 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公司主管、中同航天空氣動力技術(shù)研究院(主要主辦單位)、中國宇航出版有限責任公司共同主辦的綜合性學術(shù)期刊。

　　0 引 言

　　目前，伴隨著精確制導武器的發(fā)展，全彈道全過程動態(tài)飛行參數(shù)的獲取對武器研制有著至關(guān)重要的作用，利用微體積、大容量的彈載數(shù)據(jù)記錄儀隨彈體進行發(fā)射試驗已成為現(xiàn)代武器研制的重要手段[1?3]。為實現(xiàn)對全彈道全過程動態(tài)飛行參數(shù)的完整獲取，需要對彈體發(fā)射試驗的膛內(nèi)、膛外、落地撞擊的動態(tài)變化過程進行高密度采樣，高密度采樣帶來的大量數(shù)據(jù)導致彈載存儲介質(zhì)容量不斷提高。彈載存儲介質(zhì)容量的增大不僅給測試系統(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)射試驗存在的龐大數(shù)據(jù)量問題，國內(nèi)許多單位都進行了降低數(shù)據(jù)存儲量的優(yōu)化方法研究。為解決采樣率不合理的問題，文獻[4]對ADC變頻采樣策略進行研究，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[5]通過數(shù)字變頻采樣策略，通過對采集到的數(shù)據(jù)進行數(shù)字變頻存儲減少數(shù)據(jù)存儲量，但文中僅對加速度參數(shù)進行分析，對其他參數(shù)未進行深入研究。除了變頻采樣存儲，國內(nèi)其他單位也進行了數(shù)據(jù)壓縮方法的研究[6?8]，但對多參數(shù)、全過程動態(tài)飛行參數(shù)存儲方法的研究相對較少。

　　本文針對全彈道全過程動態(tài)飛行高密度參數(shù)的存儲難題，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)化存儲方法，通過試驗數(shù)據(jù)證明了該方法的可行性。

　　1 全彈道全過程動態(tài)飛行參數(shù)分析

　　在彈體飛行試驗中，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的參量，隨彈飛行的數(shù)據(jù)記錄儀要實現(xiàn)對多個動態(tài)飛行參數(shù)的記錄。與常規(guī)環(huán)境下的數(shù)據(jù)采集存儲不同，全過程全彈道的存儲環(huán)境更加復雜，信號規(guī)律更加多變，給彈載記錄儀的設(shè)計也帶來了更大挑戰(zhàn)。由文獻[9]以及彈體飛行試驗數(shù)據(jù)研究分析可知，全彈道全過程飛行試驗數(shù)據(jù)可分為以下幾個過程：

　　1) 準備過程

　　準備過程指數(shù)據(jù)采集存儲裝置從上電后到發(fā)射前的時間段。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)歷機械結(jié)構(gòu)裝配、調(diào)試臺到炮位的運輸、上膛、裝藥等過程，由經(jīng)驗得，準備階段約占4～6 min。準備階段數(shù)據(jù)不是飛行試驗的關(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環(huán)節(jié)。

　　2) 內(nèi)彈道過程

　　火藥點火后產(chǎn)生高壓氣體推動彈體在炮筒加速，到達炮口達到最大速度，同時，炮筒內(nèi)彈體開始旋轉(zhuǎn)，由于型號不同，彈體飛行試驗內(nèi)彈道過程持續(xù)時間不等。

　　3) 外彈道過程

　　彈體出炮筒時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)動速度逐漸降低，同時彈內(nèi)溫度逐漸升高。彈體經(jīng)過上升、下降過程，到達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保持靜止狀態(tài)直至內(nèi)部電池耗盡，該段過程與準備過程相似，數(shù)據(jù)信息量有限，但持續(xù)時間相對較長。

　　從表1可以看出，若以單一采樣率對全過程數(shù)據(jù)進行采集存儲，會將大部分存儲資源分配在信息量較少的非動態(tài)過程。

　　1.1 加速度參數(shù)全過程變化特點分析

　　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，加速度信號在準備過程變化幅度較小，在上膛、裝藥時出現(xiàn)波動，在發(fā)射時加速度達到最大值;內(nèi)彈道過程加速度信號變化劇烈且持續(xù)時間較短，在幾十毫秒甚至更短的時間內(nèi)彈體加速到最大運動速度，實際應(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)時間較短，信號發(fā)生突變;落地靜止過程與準備過程數(shù)據(jù)價值有限，數(shù)據(jù)在某一范圍內(nèi)波動。

　　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

　　對溫度參量采用全過程最大200 Hz進行采樣，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，對各過程選取合適的采樣存儲頻率，但高密度采樣在動態(tài)變化過程依舊會帶來大量數(shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)分析，動態(tài)過程包含大量重復、規(guī)律變化的數(shù)據(jù)，對于這些非關(guān)鍵數(shù)據(jù)，本文采用無失真的數(shù)據(jù)壓縮方法進一步減少數(shù)據(jù)存儲量。

　　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，具有壓縮和復原速度快、實時性高、算法簡單的特點。它是一種自適應(yīng)壓縮算法，根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)動態(tài)建立一個實時字典，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)復原時，算法會通過壓縮數(shù)據(jù)流建立與壓縮過程相同的字典，最終達到無失真壓縮的目的。

　　LZW的算法流程如圖5所示。

　　3 試驗驗證

　　采用研制的多通道數(shù)據(jù)記錄儀在靶場對某型破甲彈進行飛行試驗數(shù)據(jù)采集、記錄，并對獲取的試驗數(shù)據(jù)進行仿真分析。從表5可看出，通過數(shù)字變頻技術(shù)，試驗準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相比，加速度、角速度動態(tài)飛行過程試驗數(shù)據(jù)占比大大增加，優(yōu)化了數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)，提高了存儲空間利用率。