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1、(10)申请公布号 CN 102938011 A(43)申请公布日 2013.02.20CN102938011A*CN102938011A*(21)申请号 201110233858.9(22)申请日 2011.08.16G06F 19/00(2006.01)G06F 17/40(2006.01)(71)申请人上海航天测控通信研究所地址 200086 上海市虹口区天宝路881号(72)发明人张合生(74)专利代理机构上海航天局专利中心 31107代理人金家山(54) 发明名称一种基于LMS算法的航天数据采集设备精度考核方法(57) 摘要本发明涉及一种航天数据采集设备的数据采集精度考核方法。这种方。
2、法以有限冲击响应滤波器为数据采集系统的数学模型，以正弦信号为输入信号，采集目标数据为输出信号，利用最小均方算法的基本原理，反推系统通道模型参数，并利用通道模型参数计算数据采集系统对正弦信号的传输特性，从而对航天数据采集设备的采集精度进行考核，并给出详细的量化指标，考核指标包括相对于正弦信号的幅值衰减和相位平移两个方面。本方法所需的设备包括一台数字信号发生器、一台包含LMS算法和精度考核指标计算方法的计算机、一台显示器和被测的数据采集设备。(51)Int.Cl.权利要求书2页 说明书4页 附图3页(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书 2 页 说明书 4 页 附图 3。
3、 页1/2页21.一种基于LMS算法的航天数据采集设备精度考核方法，基于FIR滤波器模型，利用信号发生器、LMS算法器、数据采集器组成数据采集设备精度考核的硬件平台，并利用该硬件平台测量数据采集系统FIR模型对应的通道参数，最后利用求得的通道参数实现数据采集系统采集精度指标的获取；其特征在于：如下：(1)基于FIR滤波器建立数据采集设备的数学模型，并用下式描述：yjWXj其中Ww1，w2，wNT，Xjx1j，x2j，xNkT，wi表示权系数，j表示时间下标，xNj表示时刻j之前的N-1个时刻的系统输入，yj表示系统的输出；(2)建立数据采集精度考核平台建立数据采集设备的数学模型后，依据系统模型。
4、建立数据采集设备精度考核平台，(3)利用通道参数求得数据采集精度指标设通道模型识别过程中输入信号(标准信号)频率为f，数据采集周期为T，易知，每次信号采集周期内，信号的时间轴变化量为2fT，则其正弦响应为：其中，C为采集系统对正弦输入信号的幅度衰减信息，D为采集系统对正弦输入信号的相位平移信息。2.根据权利1所述的一种基于LMS算法的航天数据采集设备精度考核方法，其特征在于：利用LMS算法获取模型通道参数，具体过程如下：(1)设定权值矩阵W初始值为随机值，设定算法步长u(2)系统的实际输出与计算输出之间的误差ejejzj-WXj(3)依据误差变换权值矩阵W*j+1W*j+2uejXj(4)判定。
5、算法是否收敛算法收敛条件为：ej连续小于设定临界值emin。3.根据权利1所述的一种基于LMS算法的航天数据采集设备精度考核方法，其特征在于：利用通道参数求得数据采集精度指标，具体方法如下：设通道模型识别过程中输入信号(标准信号)频率为f，数据采集周期为T，易知，每次信号采集周期内，信号的时间轴变化量为2fT，且设：(1)幅度衰减指标计算(2)相位平移指标计算权 利 要 求 书CN 102938011 A2/2页34.根据权利1所述的一种基于LMS算法的航天数据采集设备精度考核方法，其特征在于：所述的考核平台由三部分组成：数字信号发生器、数据采集设备和精度考核算法器。 权 利 要 求 书CN 。
6、102938011 A1/4页4一种基于 LMS 算法的航天数据采集设备精度考核方法 技术领域0001 本发明涉及一种基于LMS算法的数据采集设备精度考核方法，特别是一种航天数据采集设备的数据采集精度考核方法。 背景技术0002 航天器数据采集系统对于航天器的安全运行起着关键作用，一个安全的、能够准确、实时采集数据的航天器平台，对于保障航天器的使用寿命具有重要意义。当前随着卫星平台结构日益复杂以及控制算法精度不断提高，航天器对数据采集的精度需求也随之提高，例如对于某些快速轨道机动飞行器，不但要保证数据的精确度，同时也要保证数据的实时性，这不仅对航天器数据采集系统的设计提出了更高的要求，也为如何。
7、考核数据采集系统的精度提出了新的研究课题。利用一定的手段来考核航天器数据采集系统的精确度和实时性，除了可以在设备调试阶段了解数据采集系统的性能，及时发现问题和隐患，还可以为采集设备的设计改进提供试验数据和理论依据。 0003 现有技术中，数据采集设备数据采集精度评估考核的方法有：是利用信号发生器产生标准电压，然后利用地面测试设备采集此信号，手工进行数据比对，重复试验得出数据采集的有效精度；利用基于验前信息的元器件性能评估算法，实现航天设备特别是元器件的性能评估。这些数据采集精度考核方法或者费时费力，仅检验数据采集的静态特性，无法对数据采集实时性做出考核，或者针对元器件及硬件电路进行性能评估，不。
8、能直接通过实验得出数据采集设备的采集精度，导致其不能适用于精度要求较为苛刻的航天数据采集设备的数据采集精度考核。 发明内容0004 本发明的目的在于提供一种航天数据采集设备的数据采集精度考核方法，对航天数据采集设备的采集精度进行考核，并给出详细的量化指标。这种方法以有限冲击响应(FIR)滤波器为数据采集系统的数学模型，以正弦信号为输入信号，采集目标数据为输出信号，利用最小均方(LMS)算法的基本原理，反推系统通道模型参数，并利用通道模型参数计算数据采集系统对正弦信号的传输特性，从而实现了数据采集系统的性能考核。考核指标包括相对于正弦信号的幅值衰减和相位平移两个方面。 0005 为达到上述目的，。
9、本发明采用下述技术方案： 0006 一种航天数据采集设备的数据采集精度考核新方法，其特征是基于FIR滤波器模型，利用信号发生器、LMS算法器、数据采集器组成数据采集设备精度考核的硬件平台，并利用该硬件平台测量数据采集系统FIR模型对应的通道参数，最后利用求得的通道参数实现数据采集系统采集精度指标的获取。 0007 具体步骤为： 0008 (1)建立数据采集设备精度考核硬件平台 0009 从系统角度看，数据采集的精度对应于系统对信号的不失真传输及系统本身的时说 明 书CN 102938011 A2/4页5间稳定性，因此理想的数据采集设备具备线性时不变特性，由此可以把数据采集设备看作一个开环线性时。
10、不变系统，并利用FIR滤波器描述系统模型，把需要采集的信号作为系统的输入，把采集到的数据作为系统的输出。 0010 假设系统的通道模型参数为h(n)，N为通道模型长度，则系统模型可以描述为： 0011 0012 此处im+1，hih(i-1)，xix(n-i+1)。可见，输出y(n)是n个过去输入的线性加权(权系数为hi)和。若用wi表示权系数，用j表示时间下标，则： 0013 0014 其中x1jxj，x2jxj-1，xNjxj-N+1。令Ww1，w2，wNT，Xjx1j,x2j，xNjT，则有： 0015 0016 建立系统模型后，依据系统模型建立数据采集设备精度考核平台，考核平台由三部分。
11、组成：数字信号发生器、数据采集设备和精度考核算法器。三种设备的具体功能如下： 0017 数字信号发生器：负责标准电压信号的产生； 0018 数据采集设备：被考核对象，负责采集标准电压信号； 0019 精度考核算法器：负责LMS算法运算和精度考核指标计算。 0020 考核平台的工作过程是：软件程序产生合适幅度的标准信号(可以是正弦信号、方波信号等)，同时将此信号的数据传给精度考核算法器；数据采集设备采集数字信号发生器的信号，并将采集到的数据传给精度考核算法器；精度考核算法器接收到信号发生器数据和数据采集设备数据后，利用LMS算法逼近系统模型，并在逼近结束后计算数据采集设备的正弦信号传输精度指标。。
12、 0021 (2)利用LMS算法获取模型通道参数 0022 假设W为系统的实际通道模型，W*为识别模型，则LMS算法的工作过程是：对被识别系统与滤波器模型在同一输入作用下的输出进行比较，由比较得出的误差控制滤波器模型使之逼近被识别系统。通道模型参数的识别过程，也是均方差 趋于最小(零)的过程，均方差越接近零，W*也就越接近W。 0023 0024 其中Xj为系统在j时刻的输入，zj为系统的实际输出，E*表示*的期望，ej表示系统的实际输出与计算输出之间的误差。 0025 若要使系统收敛，亦即使W*逐步逼近W，W*必须按照如下策略变换： 0026 W*j+1W*j+2uejXj0027 上式中，。
13、u是一个控制稳定性和收敛速度的参量，理论上讲u越小系统识别的精度越高，相应的识别所需的时间也就越大，因此在实际的考核实验中要综合考虑u的合适取值。 0028 算法运算过程中，亦需确定算法收敛的判别标准，也就是确定ej的最小值emin，也就是说当ej连续小于emin时，可以认为系统通道模型辨识过程已经收敛，算法将转入数据采说 明 书CN 102938011 A3/4页6集精度考核指标计算的过程。 0029 (3)利用通道参数求得数据采集精度指标 0030 设通道模型识别过程中输入信号(标准信号)频率为f，数据采集周期为T，易知，每次信号采集周期内，信号的时间轴变化量为2fT，则其正弦响应为： 0。
14、031 0032 若令： 0033 0034 则易得： 0035 0036 其中，C为采集系统对正弦输入信号的幅度衰减信息，D为采集系统对正弦输入信号的相位平移信息，由此可得数据采集设备的采集精度考核指标。 0037 本发明与现有技术相比，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：可以有效实现数据采集设备数据采集的动态特性考核，本发明利用LMS 算法，实现了数据采集设备在不同的采集频率下的动态响应，区别于传统的针对静态数据的人工检测方法，本方法可以实现一段时间序列内的总体采集精度考核，所获得的数据采集设备采集精度指标更具备参考价值；本方法实现了针对幅度衰减和相位平移两方面的量化指标考核，相对。
15、于传统方法更具全面性，特别是相对于基于概率估计的性能考核方法，该方法通过实际的考核实验得出了具体的量化考核指标，从而更具说服力；由于本方法的核心在于系统模型的建立和精度考核算法的实现，而这些方法可以完全实现模块化和标准化，因此基于本方法的数据采集精度考核平台可以较容易的搭建和实现，而相应的精度考核实验也可以容易的进行。总之，本发明方法可以作为数据采集设备的精度考核手段，尤其在航天领域具有较好的工程应用价值。 附图说明0038 图1为本发明的一个优选实施实例结构示意图。 0039 图2为数据采集系统的FIR滤波器模型。 0040 图3为LMS算法工作的原理图。 0041 图4为数据采集考核平台的。
16、工作流程图。 0042 图5为某次考核实验的结果图。 0043 图6为多次考核实验的汇总图。 具体实施方式说 明 书CN 102938011 A4/4页70044 本发明的一个实施例子是对某卫星综合电子系统数据采集设备进行采集精度考核验证。 0045 首先搭建考核系统平台，系统采用如图1所示的结构，包括一台综合电子计算机地面测试设备、一台星载综合电子计算机、一台算法运算计算机和一台显示器。这些设备所提供的具体功能如下： 0046 地面测试设备：提供数字信号发生功能，为数据采集提供原始信号； 0047 综合电子计算机：数据采集设备，采集地面测试设备发生的电压信号并进行预定的数据处理； 0048 。
17、算法运算计算机：负责LMS算法运算和采集精度考核指标计算； 0049 显示器：显示算法运算的过程和精度考核指标计算的结果。 0050 考核平台的FIR数学模型如图2所示，将地面测试设备的电压输出作为模型的信号输入，将采集、处理后的数据作为模型的输出；LMS算法采用迭代运算逐步逼近得出最终的系统模型通道参数，LMS算法的运算原理如图3所示。考核平台从开始运行到得出最终结果一般要经过以下步骤： 0051 (1)系统初始设置：设置输入信号的幅度、频率；设置算法的运算的步长、最小临界误差；设置系统模型的通道长度、数据采集频率；设置采集、处理后输出信号的幅度衰减、相位平移等属性； 0052 (2)启动地。
18、面测试设备：软件开始控制地面测试设备进行电压信号输出，同时记录当前的电压输出值以便给LMS算法器使用； 0053 (3)采集输入数据：综合电子计算机采集地面测试设备输出数据，并按照预定的幅度、相位特性进行采集数据的内部处理，并将处理后的数据传输至LMS算法计算机； 0054 (4)LMS运算：LMS算法获取地面测试设备输出数据和综合电子计算机的输出数据，然后进行迭代运算，直至系统的误差输出连续低于所设置的最小临界误差； 0055 (5)计算考核指标：根据获取的通道模型参数，依据考核指标计算公式计算综合电子计算机数据采集设备相对于正弦信号的幅度衰减和相位平移两方面的传输采集考核指标； 0056 (6)显示运算结果：将上述运算过程数据和结果数据显示在计算机屏幕上，共实验人员记录。 0057 考核平台工作流程见图4所示。 0058 利用上述方法和步骤对综合电子计算机数据采集设备进行了采集精度考核实验，图5为某次实验的结果，图6为多次实验结果的信息汇总图。 说 明 书CN 102938011 A1/3页8图1图2图3说 明 书 附 图CN 102938011 A2/3页9图4说 明 书 附 图CN 102938011 A3/3页10图5图6说 明 书 附 图CN 102938011 A10。