(中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院，陜西 西安 710089)

基于遙測(cè)PCM數(shù)據(jù)的多經(jīng)緯儀網(wǎng)絡(luò)同步引導(dǎo)

張杰

(中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院，陜西西安710089)

為提高光電經(jīng)緯儀利用率，充分發(fā)揮光電經(jīng)緯儀的跟蹤測(cè)量能力，減少人工跟蹤所耗精力與失誤率，提出一種基于遙測(cè)PCM數(shù)據(jù)的多站點(diǎn)光電經(jīng)緯儀網(wǎng)絡(luò)同步實(shí)時(shí)引導(dǎo)方法；將試驗(yàn)場(chǎng)現(xiàn)有不同型號(hào)光電經(jīng)緯儀組網(wǎng)，建立與中心機(jī)、遙測(cè)監(jiān)控處信息交聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程中心通訊控制；基于TCP實(shí)現(xiàn)PCM數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)接收，采用三點(diǎn)截止法剔除粗差，組播發(fā)送數(shù)據(jù)至各站點(diǎn)，經(jīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和濾波等處理解算出目標(biāo)相對(duì)于各站點(diǎn)的方位、俯仰和距離值并發(fā)送至主控程序進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)光電經(jīng)緯儀的實(shí)時(shí)同步引導(dǎo)；實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，該方法可實(shí)施性強(qiáng)，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，可靠，目標(biāo)引導(dǎo)跟蹤穩(wěn)定，是實(shí)現(xiàn)多經(jīng) 緯儀組網(wǎng)測(cè)量的有效保證。

自動(dòng)隨動(dòng)系統(tǒng)；多經(jīng)緯儀組網(wǎng)；同步引導(dǎo)；PCM遙測(cè)

0 引言

光電經(jīng)緯儀(簡(jiǎn)稱經(jīng)緯儀)是一種集光機(jī)電技術(shù)于一體的測(cè)量設(shè)備，具有較高的跟蹤、測(cè)量能力，且抗電子干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是我軍各試驗(yàn)靶場(chǎng)廣泛使用的高精度定位測(cè)量設(shè)備，在飛行試驗(yàn)中運(yùn)用于飛機(jī)、導(dǎo)彈、外掛物投放的跟蹤與軌跡、姿態(tài)測(cè)量以及無線電外測(cè)設(shè)備的精度鑒定[1]。經(jīng)緯儀的探測(cè)能力是由長(zhǎng)焦鏡頭和CCD 相機(jī)性能(包括分辨率、靈敏度)等因素決定的。實(shí)際使用中，由于捕獲電視系統(tǒng)的視場(chǎng)大小有限，當(dāng)測(cè)量站距離目標(biāo)較遠(yuǎn)或大氣能見度較低時(shí)，僅依靠人工操作單桿，很難及時(shí)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。因此，為有效發(fā)揮光電經(jīng)緯儀的跟蹤測(cè)量功能，需使其具備接收“外引導(dǎo)”的能力。

所謂外引導(dǎo)是指光電經(jīng)緯儀利用外部設(shè)備發(fā)送的目標(biāo)位置信息，進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)處理，轉(zhuǎn)換成目標(biāo)相對(duì)于光電經(jīng)緯儀的極坐標(biāo)，然后引導(dǎo)控制系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行捕獲[2]。目前，光電經(jīng)緯儀主要有雷達(dá)引導(dǎo)和GPS引導(dǎo)方式。對(duì)于低空目標(biāo)，由于地面雜波及其他干擾的影響，雷達(dá)無法進(jìn)行精確的定位與跟蹤，不能提供有效的引導(dǎo)數(shù)據(jù)；GPS引導(dǎo)的實(shí)現(xiàn)需在機(jī)上和地面分別加裝一些測(cè)試設(shè)備，使用有一定的限制。

基于遙測(cè)PCM數(shù)據(jù)的多站經(jīng)緯儀網(wǎng)絡(luò)同步引導(dǎo)是考慮現(xiàn)有試飛測(cè)試中大部分飛機(jī)都有遙測(cè)監(jiān)控，遙測(cè)PCM數(shù)據(jù)獲取方便，無需附加測(cè)試設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)引導(dǎo)，且數(shù)據(jù)采樣率與可靠性高，因此，以遙測(cè)PCM數(shù)據(jù)作為光電經(jīng)緯儀外引導(dǎo)源數(shù)據(jù)，能有效保證設(shè)備跟蹤目標(biāo)的穩(wěn)定性。從遙測(cè)PCM數(shù)據(jù)流中提取時(shí)間、位置、速度等信息，經(jīng)濾波處理向同一網(wǎng)絡(luò)中所有經(jīng)緯儀發(fā)送數(shù)據(jù)，在經(jīng)緯儀各站進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得到目標(biāo)相對(duì)于光電經(jīng)緯儀的極坐標(biāo)信息并發(fā)送給主控計(jì)算機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)多站經(jīng)緯儀的同步實(shí)時(shí)引導(dǎo)，為多站經(jīng)緯儀組網(wǎng)跟蹤測(cè)量提供了有效技術(shù)保障。

1 多經(jīng)緯儀網(wǎng)絡(luò)同步引導(dǎo)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

艦載機(jī)飛行試驗(yàn)時(shí)，為了精確測(cè)量艦載機(jī)進(jìn)近段軌跡和特征點(diǎn)信息，一般采用艦載光電經(jīng)緯儀。它采用自主方式工作，依據(jù)自身觀測(cè)系統(tǒng)測(cè)得的目標(biāo)位置信息和視頻圖像信息，在甲板坐標(biāo)系下解算，獲得目標(biāo)精確的運(yùn)動(dòng)軌跡。但由于光電經(jīng)緯儀易受天氣影響，作用距離短且視場(chǎng)小，當(dāng)飛機(jī)進(jìn)入它的工作域內(nèi)時(shí)，經(jīng)常來不及跟蹤。國(guó)內(nèi)外在該方面進(jìn)行報(bào)道的論文資料比較少，針對(duì)這個(gè)問題，業(yè)界常根據(jù)艦上和機(jī)上裝備情況采用紅外引導(dǎo)[1]、互引導(dǎo)和外引導(dǎo)等工作方式，當(dāng)有目標(biāo)信號(hào)時(shí)，引導(dǎo)經(jīng)緯儀主鏡朝向目標(biāo)方向，一旦目標(biāo)進(jìn)入試驗(yàn)區(qū)域則及時(shí)捕獲。目前，國(guó)內(nèi)外研究的視軸穩(wěn)定技術(shù)主要有兩種：一是采用機(jī)械穩(wěn)定平臺(tái)的反方向搖擺克服艦艇的縱搖、橫搖和艏搖，為光電跟蹤測(cè)量設(shè)備提供近似水平的安裝基礎(chǔ)，如我國(guó)遠(yuǎn)望號(hào)測(cè)量船上的光電經(jīng)緯儀的穩(wěn)像平臺(tái)。另一種是直接把光電經(jīng)緯儀安裝在甲板上,通過船姿測(cè)量?jī)x測(cè)量出船體擺動(dòng)，從而實(shí)時(shí)計(jì)算出視軸在大地坐標(biāo)系中的偏離誤差，并對(duì)俯仰軸和方位軸進(jìn)行船搖姿態(tài)角的實(shí)時(shí)補(bǔ)償。這種方法取消了笨重的機(jī)械穩(wěn)定平臺(tái)和中間測(cè)控環(huán)節(jié)，可以保證視軸的指向準(zhǔn)確度。

試驗(yàn)場(chǎng)中各經(jīng)緯儀站點(diǎn)與中心機(jī)房采用光纖網(wǎng)絡(luò)通訊，中心機(jī)房與遙測(cè)監(jiān)控機(jī)房通過遙測(cè)核心交換機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，以獲得遙測(cè)PCM數(shù)據(jù)，然后通過處理機(jī)對(duì)PCM數(shù)據(jù)中大地坐標(biāo)數(shù)據(jù)和飛機(jī)速度數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，進(jìn)而通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)和光端機(jī)向各經(jīng)緯儀站點(diǎn)上的引導(dǎo)計(jì)算機(jī)分發(fā)數(shù)據(jù)，在引導(dǎo)計(jì)算機(jī)進(jìn)行時(shí)間配準(zhǔn)、引導(dǎo)坐標(biāo)計(jì)算、數(shù)據(jù)濾波、插值、預(yù)測(cè)等處理，再通過串口或網(wǎng)絡(luò)向主控計(jì)算機(jī)發(fā)送引導(dǎo)數(shù)據(jù)，以驅(qū)動(dòng)經(jīng)緯儀進(jìn)行目標(biāo)捕獲。其網(wǎng)絡(luò)通訊結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)信息交聯(lián)情況如圖1和圖2所示。圖一為多臺(tái)經(jīng)緯儀與光端機(jī)通信情況，中心機(jī)房與遙測(cè)監(jiān)控機(jī)房通過遙測(cè)核心交換機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，以獲得遙測(cè)PCM數(shù)據(jù)，然后通過處理機(jī)對(duì)PCM數(shù)據(jù)中大地坐標(biāo)數(shù)據(jù)和飛機(jī)速度數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，各臺(tái)經(jīng)緯儀獲得大地坐標(biāo)后進(jìn)行自動(dòng)引導(dǎo)。圖2為PCM轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后到達(dá)經(jīng)緯儀的處理流程。

圖1 多經(jīng)緯儀同步引導(dǎo)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通訊結(jié)構(gòu)

圖2 多經(jīng)緯儀同步引導(dǎo)系統(tǒng)信息交聯(lián)

2 數(shù)據(jù)引導(dǎo)方法

2.1 數(shù)據(jù)收發(fā)

系統(tǒng)涉及三部分通信：

1)系統(tǒng)服務(wù)器端(中心機(jī)房)與遙測(cè)監(jiān)控客戶端間的通信，通過TCP的socket編程[5]實(shí)現(xiàn)與遙測(cè)PCM數(shù)據(jù)客戶端之間的通信連接，之后向遙測(cè)PCM數(shù)據(jù)客戶端發(fā)送所需提取的參數(shù)名，即可獲得目標(biāo)時(shí)間、位置坐標(biāo)與三向速度等引導(dǎo)源數(shù)據(jù)；也可通過組播方式接收網(wǎng)絡(luò)上數(shù)據(jù)包，提取數(shù)據(jù)包中引導(dǎo)源數(shù)據(jù)[3]。

2)系統(tǒng)服務(wù)器(中心機(jī)房)與系統(tǒng)客戶端(經(jīng)緯儀站點(diǎn)的引導(dǎo)計(jì)算機(jī))之間以組播方式進(jìn)行通信，可使同一網(wǎng)絡(luò)的多站經(jīng)緯儀站點(diǎn)同步獲得引導(dǎo)源數(shù)據(jù)；

3)由于經(jīng)緯儀設(shè)備研制時(shí)期不同，引導(dǎo)計(jì)算機(jī)與主控計(jì)算機(jī)間的通訊也不盡相同，因此，根據(jù)現(xiàn)有配置可通過串口或網(wǎng)絡(luò)通訊向主控程序發(fā)送引導(dǎo)信息，以驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行捕獲與跟蹤。

2.2 引導(dǎo)源數(shù)據(jù)異常剔除

通過實(shí)際數(shù)據(jù)分析，中心機(jī)房接收到的引導(dǎo)源PCM數(shù)據(jù)有以下特點(diǎn)：一是該數(shù)據(jù)含有偏離正常航跡不大的小野點(diǎn)且常以單點(diǎn)的形式出現(xiàn)；二是一組數(shù)據(jù)中的各變量出錯(cuò)無相關(guān)性，即緯度B出錯(cuò)，經(jīng)度L可能正確；三是東北天三向速度Ve,Vn,Vu相比大地坐標(biāo)來說異值較少，因此，為盡量保留正確數(shù)據(jù)，采用三點(diǎn)截止法剔除掉粗差。

2.2.1 算法

第二步連續(xù)只執(zhí)行三次，第四次跳過第二步直接執(zhí)行第三步。式中fabs表示取絕對(duì)值。λ由試驗(yàn)確定，試驗(yàn)表明：對(duì)經(jīng)度和緯度處理取5，高程處理取20。

2.2.2Dt,dB的確定

Dt表示當(dāng)前接收時(shí)刻與上次接收時(shí)刻之間所經(jīng)過的時(shí)間周期數(shù)，可由接收數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)時(shí)刻決定。dB表示Dt內(nèi)目標(biāo)的位置變化，可由目標(biāo)的速度估計(jì)得到，采用五點(diǎn)中位數(shù)法估計(jì)，設(shè)：Vx(k-4),Vx(k-3),Vx(k-2),Vx(k-1),Vx(k)表示Tk時(shí)刻已采集到的速度的前5個(gè)采樣值，則：

Vx(k-2),Vx(k-1),Vx(k))

(1)

(2)

2.3 引導(dǎo)參數(shù)計(jì)算與預(yù)測(cè)

在引導(dǎo)計(jì)算機(jī)上進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)濾波、插值與預(yù)測(cè)處理，得到目標(biāo)相對(duì)于光電經(jīng)緯儀的極坐標(biāo)，即目標(biāo)引導(dǎo)信息，其坐標(biāo)轉(zhuǎn)換過程包括：

2.3.1 大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)地心空間直角坐標(biāo)系坐標(biāo)

(3)

其中：

2.3.2 地心空間直角坐標(biāo)系坐標(biāo)轉(zhuǎn)垂線測(cè)量坐標(biāo)系坐標(biāo)

(4)

其中：(XG,YG,ZG)，(XG0,YG0,ZG0)分別為目標(biāo)點(diǎn)和垂線測(cè)量坐標(biāo)系原點(diǎn)的地心空間直角坐標(biāo)；(XC,YC,ZC)為目標(biāo)點(diǎn)的垂線測(cè)量坐標(biāo)系坐標(biāo)，B0,L0分別為垂線測(cè)量坐標(biāo)系原點(diǎn)的大地緯度和經(jīng)度。

2.3.3 數(shù)據(jù)濾波和插值

在數(shù)據(jù)濾波的順序上，通常是將大地極坐標(biāo)系B,L,H轉(zhuǎn)換到地心空間直角坐標(biāo)系或垂線測(cè)量坐標(biāo)系后再利用常規(guī)的濾波方法進(jìn)行數(shù)據(jù)濾波[4]。此處采用對(duì)垂線測(cè)量坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，由于PCM數(shù)據(jù)的采樣率較高，數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定，采用滑窗式最小二乘法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑和插值[6-7]。

2.3.4 垂線測(cè)量坐標(biāo)系坐標(biāo)轉(zhuǎn)極坐標(biāo)系坐標(biāo)(目標(biāo)的方位A和俯仰角E)

目標(biāo)方位角A的計(jì)算公式為：

A=tg-1(ZC/XC)

(5)

目標(biāo)俯仰角E的計(jì)算公式為：

(6)

目標(biāo)距離R的計(jì)算公式為：

(7)

通過上述計(jì)算得到的方位應(yīng)按空間目標(biāo)在測(cè)量坐標(biāo)系中的投影象限轉(zhuǎn)為工作范圍之內(nèi)的值：

第二象限：A=A+180；第三象限：A=A+180；第四象限：A=A+360。

2.3.5 數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)

在實(shí)際使用中往往不能將目標(biāo)引導(dǎo)至視場(chǎng)中心，主要原因是目標(biāo)位置信息經(jīng)遙測(cè)下傳、中心機(jī)房網(wǎng)絡(luò)接收再至主控計(jì)算機(jī)，需要一定的時(shí)間，造成信息滯后。為將目標(biāo)盡可能引入視場(chǎng)中心，需進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)[5]。通過式(4)的坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)關(guān)系可計(jì)算垂線測(cè)量坐標(biāo)系下的飛機(jī)速度(VXC,VYC,VZC)，從而可求得目標(biāo)的角速度，根據(jù)試驗(yàn)，估計(jì)出一個(gè)延時(shí)值，以便對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤預(yù)測(cè)。

目標(biāo)方位角速度為：

VA=(VZCcosA-VXCsinA)/(RcosE)

(8)

目標(biāo)俯仰角速度為：

VE=(VYCcosE-(VXCcosA+VZCsinA)sinE)/R

(9)

3 試驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證基于遙測(cè)PCM數(shù)據(jù)的多經(jīng)緯儀網(wǎng)絡(luò)同步引導(dǎo)方法的可行性與可靠性，開發(fā)了基于VC++的經(jīng)緯儀同步引導(dǎo)系統(tǒng)，在某日飛行試驗(yàn)時(shí)，通過引導(dǎo)系統(tǒng)，能有效剔除PCM數(shù)據(jù)中的異常值，很好地實(shí)現(xiàn)了雙站光電經(jīng)緯儀的目標(biāo)捕獲與同步跟蹤[6]；以其中一站為例，根據(jù)接收的PCM數(shù)據(jù)計(jì)算得到的經(jīng)緯儀引導(dǎo)數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 經(jīng)緯儀引導(dǎo)參數(shù)計(jì)算與濾波預(yù)測(cè)效果

試驗(yàn)場(chǎng)中各經(jīng)緯儀站點(diǎn)與中心機(jī)房采用光纖網(wǎng)絡(luò)通訊，中心機(jī)房與遙測(cè)監(jiān)控機(jī)房通過遙測(cè)核心交換機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，以獲得遙測(cè)PCM數(shù)據(jù)，然后通過處理機(jī)對(duì)PCM數(shù)據(jù)中大地坐標(biāo)數(shù)據(jù)和飛機(jī)速度數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，進(jìn)而通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)和光端機(jī)向各經(jīng)緯儀站點(diǎn)上的引導(dǎo)計(jì)算機(jī)分發(fā)數(shù)據(jù)。

步驟如下：首選時(shí)間配準(zhǔn)、然后引導(dǎo)坐標(biāo)計(jì)算和數(shù)據(jù)濾波、接著插值預(yù)測(cè)等處理，最后再通過串口或網(wǎng)絡(luò)向主控計(jì)算機(jī)發(fā)送引導(dǎo)數(shù)據(jù)，以驅(qū)動(dòng)經(jīng)緯儀進(jìn)行目標(biāo)捕獲。

4 結(jié)束語

在試飛遙測(cè)下傳技術(shù)成熟，遙測(cè)監(jiān)控成為試飛安全重要保障的情況下，遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)PCM數(shù)據(jù)獲取更便捷、數(shù)據(jù)質(zhì)量不斷提高，其作為光電經(jīng)緯儀外部引導(dǎo)源數(shù)據(jù)將是現(xiàn)在引導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的首選；相比現(xiàn)有其它引導(dǎo)方式，本方法不需要在飛機(jī)和經(jīng)緯儀上附加測(cè)試設(shè)備，節(jié)省資源，目標(biāo)引導(dǎo)跟蹤更穩(wěn)定可靠；基于遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)PCM數(shù)據(jù)的多經(jīng)緯儀同步引導(dǎo)作為現(xiàn)有引導(dǎo)系統(tǒng)的升級(jí)與擴(kuò)展[7]，提高了試飛測(cè)試數(shù)據(jù)的利用率，節(jié)約了經(jīng)緯儀引導(dǎo)實(shí)現(xiàn)的成本，增強(qiáng)了經(jīng)緯儀的使用效能；同時(shí)通過網(wǎng)絡(luò)通信、串口通信實(shí)現(xiàn)試飛基地內(nèi)所有經(jīng)緯儀站點(diǎn)的信息交聯(lián)，為多站經(jīng)緯儀組網(wǎng)測(cè)量的實(shí)現(xiàn)提供了有效技術(shù)保障。

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NetworkSynchronizationGuidanceofMulti-TheodoliteBasedOnPCMTelemetryData

Zhang Jie,Hu Binghua

(Chinese Flist Test Establishment,Xi’an 710089,China)

In order to improve the photoelectric theodolite utilization, give full play to the tracking and measuring ability of photoelectric theodolite, and reduce the energy and error rate of manual tracking, a real-time guidance method of multi-site photoelectric theodolite network synchronization based on telemetry PCM data is proposed. The different models of photoelectric theodolite network is set up in the test site, and the network structure of the central control unit and the telemetry monitoring unit is established to realize remote central communication control; The PCM data is

through the TCP network , three-point cut-off method is adopted to remove the gross error. Then send the data to each site, calculate the azimuth, pitch and distance values of the target with respect to each site by coordinate transformation and filtering, and send it to the master control program to drive, so as to realize real-time synchronization guidance of the photoelectric theodolite. The practical application results show that the method is feasible, accurate and reliable, and the target guidance and tracking is stable. It is an effective guarantee for multi-theodolite network measurement.

automatic following system;multi-theodolite network; synchronous guidance; PCM telemetry

2017-05-09；

2017-07-13。

航空基金(2010ZD30004)。

張 杰(1983-)，男，江蘇揚(yáng)州人，碩士研究生，高級(jí)工程師，主要從事航空視覺測(cè)量，從事飛行試驗(yàn)光電測(cè)試方向的工作。

1671-4598(2017)11-0224-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.11.057

TP3

A