賀文嬌 ,劉 震,曾 斌

(中國西南電子技術(shù)研究所,成都610036)

1 引 言

飛行試驗(yàn)是在真實(shí)飛行環(huán)境下對(duì)任務(wù)載荷性能進(jìn)行檢測的有效手段,是研制空中偵察平臺(tái)必不可少的試驗(yàn)方法。現(xiàn)代空中偵察平臺(tái)通常是各種偵測手段綜合一體化的產(chǎn)物,具備對(duì)多頻段、多類型、多體制等信號(hào)的偵測手段[1]。目前常見的偵察信號(hào)類型有通信信號(hào)、數(shù)據(jù)鏈信號(hào)、雷達(dá)信號(hào)、非通信號(hào)等;信號(hào)的測向體制有時(shí)差、干涉儀、比幅等;定位方式有單機(jī)多點(diǎn)、單機(jī)快速、雙機(jī)瞬時(shí)等。各類偵測天線也根據(jù)需要有全向天線、扇掃天線、定向天線等,偵測方式各不相同,既可以實(shí)現(xiàn)全空域覆蓋、全頻段普查,也可以針對(duì)特定目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行定點(diǎn)偵測、自動(dòng)跟蹤。

各傳感器系統(tǒng)在不同的高度和不同的航線下對(duì)地面或空中配試的輻射源目標(biāo)進(jìn)行測向和定位。試飛試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理重點(diǎn)在于,對(duì)測向和定位結(jié)果進(jìn)行處理分析,對(duì)傳感器系統(tǒng)方位、俯仰的空域覆蓋和最大作用距離的處理分析。在試飛過程中,偵察平臺(tái)攜帶的多種傳感器同時(shí)工作,將生成海量的原始試驗(yàn)數(shù)據(jù),需要按照一定的規(guī)則進(jìn)行測向精度的統(tǒng)計(jì)分析,以及對(duì)海量測向線交會(huì)出的海量定位結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

試飛過程中,由于受載機(jī)平臺(tái)慣導(dǎo)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、飛行姿態(tài)、試驗(yàn)過程中各種干擾,以及定向天線旁瓣信號(hào)的接收等因素的影響,傳感器系統(tǒng)采集的海量原始數(shù)據(jù)中混疊了大量的無效測向數(shù)據(jù),在事后對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理上需要予以剔除。另外,測向天線受載機(jī)平臺(tái)安裝位置、慣導(dǎo)固有誤差以及偵測系統(tǒng)固有殘留誤差等因素的影響,會(huì)使得測向結(jié)果中存在系統(tǒng)測向誤差,在試飛標(biāo)校階段需要對(duì)不同航線的大量測向數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差統(tǒng)計(jì)分析,消除這一系統(tǒng)測向誤差。

目前,國內(nèi)針對(duì)航空領(lǐng)域試飛數(shù)據(jù)處理的方法較多,但是專門針對(duì)信號(hào)傳感器的處理方法非常少,且大多主要側(cè)重?cái)?shù)據(jù)指標(biāo)的計(jì)算,圖形化功能和相關(guān)性能分析功能較差,不能滿足試飛標(biāo)校的要求。隨著試飛的周期越來越短、測試指標(biāo)越來越多,對(duì)海量試飛數(shù)據(jù)處理的快捷性、準(zhǔn)確性和直觀性的要求越來越高[2]。本文結(jié)合實(shí)際工程,參照GJB4191-2001《機(jī)載技術(shù)偵察系統(tǒng)通用規(guī)范》中的相關(guān)規(guī)定,提出了一種利用地理信息系統(tǒng)(GIS)、Microsoft C++6.0平臺(tái)開發(fā)的試飛數(shù)據(jù)分析處理方法,并編制了試飛數(shù)據(jù)處理軟件,在某型號(hào)偵察飛機(jī)的飛行試驗(yàn)中,成功地處理了幾百萬條試驗(yàn)數(shù)據(jù),以圖形化的方式直觀地展現(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果,并與采用Matlab、Excel等手段的人工計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了充分驗(yàn)證。

2 分析處理方法

2.1 制定統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集格式

要對(duì)不同手段的傳感器測向性能進(jìn)行處理,首先要制定統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集格式,涵蓋考核測試指標(biāo)需要用到的信息(示向度、測向時(shí)間、頻率、偵察平臺(tái)的位置姿態(tài)信息等),要求各傳感器在工作過程中,采集測向機(jī)和導(dǎo)航系統(tǒng)的有關(guān)數(shù)據(jù),按照統(tǒng)一格式存放到.txt文件中。

2.2 剔除無效的測向線

由于不同的傳感器其工作特性和考評(píng)要求各不相同,那么就要求數(shù)據(jù)處理軟件能靈活地改變篩選條件。本方法提供用戶交互界面,根據(jù)用戶輸入的篩選參數(shù),剔除無效測向線。

假定用戶輸入的篩選參數(shù)值如表1所示。

表1 剔除無效值參數(shù)表Table 1 Parameter of invalid values

計(jì)算被測目標(biāo)與偵察平臺(tái)飛行航向的夾角,主要是考察被測目標(biāo)是否在對(duì)應(yīng)天線的覆蓋范圍之內(nèi)。下面介紹計(jì)算方法。

令偵察平臺(tái)在測向時(shí)刻所處的經(jīng)緯度為(Li,λi)度,被測目標(biāo)的經(jīng)緯度為(LT,λT)度,計(jì)算被測目標(biāo)與偵察平臺(tái)之間真實(shí)方位角θ1,以真北為參考方向。

計(jì)算被測目標(biāo)與偵察平臺(tái)飛行航向的夾角θ2∈[0°,180°],其中偵察平臺(tái)真航向 θ3∈[0°,360°]。 θ2= θ1-θ3,令測向誤差 θ= θ1-θ4,θ4為實(shí)測角度 ,當(dāng) θ<180°時(shí),θ=θ;當(dāng) θ≥180°時(shí),θ=360°-θ。

2.3 計(jì)算測向精度

按照均方根誤差的方式來計(jì)算測向精度s:

其中,θi表示第i次的測向誤差, θ表示平均測向誤差,n表示測向線條數(shù)。

剔除無效值和計(jì)算測向精度的實(shí)現(xiàn)算法如圖1所示。

圖1 剔除無效測向線、測向精度計(jì)算算法實(shí)現(xiàn)方法Fig.1 The method of eliminating invalid lines and calculating azimuth precision

2.4 統(tǒng)計(jì)定位精度

本文對(duì)三角交叉定位法[3]進(jìn)行了改進(jìn),可以對(duì)用戶選取的大量測向線進(jìn)行自動(dòng)分組,分組原則為:同一載機(jī)平臺(tái)的測向線,測向角度較大的為一組,測向角度較小的為一組;不同載機(jī)平臺(tái)的測向線,同一平臺(tái)的為一組。再將兩組之間的測向線進(jìn)行交叉定位,得出一組定位點(diǎn)跡。

在已知被測目標(biāo)位置的情況下,利用下面的定位誤差計(jì)算公式,計(jì)算每個(gè)定位點(diǎn)的定位誤差。這個(gè)公式同樣可以用于計(jì)算兩點(diǎn)間距離。

式中,Er為單個(gè)定位點(diǎn)的定位誤差,單位km;LT、λT分別為被測目標(biāo)所處的緯度和經(jīng)度,單位(°);Lt、λt分別為定位計(jì)算出的被測目標(biāo)的緯度和經(jīng)度,單位(°);R為地球的半徑,單位km。

定位誤差

式中, E表示平均定位誤差,取全部定位誤差的算術(shù)平均值。

計(jì)算每一條測向線測向時(shí)刻平臺(tái)位置與目標(biāo)位置的距離,統(tǒng)計(jì)出目標(biāo)與平臺(tái)之間的最大距離。取距離的算術(shù)平均值,作為平臺(tái)位置與目標(biāo)的距離。統(tǒng)計(jì)落入平均距離10%范圍和5%范圍內(nèi)的定位點(diǎn)個(gè)數(shù),計(jì)算圓概率誤差(CEP)。本文統(tǒng)計(jì)CEP值的實(shí)現(xiàn)方法為:假設(shè)共計(jì)算出m個(gè)定位點(diǎn),計(jì)算每一個(gè)定位點(diǎn)與實(shí)際目標(biāo)之間的定位誤差,將定位誤差值按升序排列,如果m為偶數(shù),那么定位誤差數(shù)列的m/2個(gè)誤差值即為CEP值,如果m為奇數(shù),那么(m+1)/2個(gè)誤差值為CEP值。

3 VC++6.0的實(shí)現(xiàn)方法

3.1 數(shù)據(jù)導(dǎo)入功能

原始數(shù)據(jù)包含偵察平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)軌跡、測向線、被測目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡等,采用多線程方式導(dǎo)入不同類型的原始數(shù)據(jù),線程的數(shù)量取決于數(shù)據(jù)類別,如圖2所示。

圖2 多線程文件導(dǎo)入模型Pic.2 A model for files input by muti-thread

采用這種方式,可以同步導(dǎo)入不同類型的數(shù)據(jù),并同時(shí)顯示在地圖上。對(duì)同類型的數(shù)據(jù),通過同一個(gè)線程導(dǎo)入,即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的更新。

3.2 地圖繪制

為了保證地圖顯示的連續(xù)性,采用定時(shí)重繪和事件觸發(fā)相結(jié)合的繪制方式。具體的繪制方法[4]由電子地圖開發(fā)平臺(tái)提供,在此不再贅述。

由多線程導(dǎo)入內(nèi)存的數(shù)據(jù),分類型、分圖層、分顏色繪制。每條數(shù)據(jù)增加顯示標(biāo)識(shí),通過不同的顏色區(qū)分不同狀態(tài),以增加圖形顯示的真實(shí)感。

3.3 多傳感器偵測性能計(jì)算

針對(duì)多載機(jī)平臺(tái)多傳感器的試飛試驗(yàn)數(shù)據(jù),采用“分組計(jì)算,再綜合”的分析方法。例如:對(duì)固定輻射源目標(biāo)進(jìn)行測向時(shí),首先將每兩個(gè)傳感器分為一組,每一組分析得出測向精度和定位精度,再利用如下公式,計(jì)算兩組測向線的平均測向精度s和平均定位精度s。最后將各組的平均測向精度和平均定位精度利用如下公式,得出總的測向精度和定位精度。

式中,假設(shè)傳感器1共有m條測向線,測向精度(或定位精度)為s1,傳感器2共有n條測向線,測向精度(或定位精度)為 s2。

3.4 多偵察平臺(tái)偵測性能估計(jì)

利用改進(jìn)后的三角交叉定位法對(duì)測向線進(jìn)行定位精度評(píng)估。根據(jù)實(shí)際需要選取具有代表性的測向線(例如測向誤差分布概率最大范圍內(nèi)的測向線)來進(jìn)行交叉定位。

本文設(shè)計(jì)了兩種測向線選取方法:鼠標(biāo)框選法和測向誤差篩選法。用戶可以直接從地圖上用鼠標(biāo)方式批量框選測向線,也可以通過輸入測向誤差范圍值,來批量選取測向誤差滿足條件的測向線。

3.5 真實(shí)場景回放

對(duì)試飛過程的重演,最大限度地還原飛行試驗(yàn)全過程,是非常重要的一種分析手段。本文以時(shí)刻點(diǎn)信息為索引,以時(shí)間先后順序?yàn)檩S線,實(shí)現(xiàn)多類型數(shù)據(jù)的同步重演功能。

以偵察平臺(tái)對(duì)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行偵測試飛為例,包含3種原始數(shù)據(jù):偵察平臺(tái)的航線、測向線和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的軌跡。將這3種數(shù)據(jù)導(dǎo)入各自的存儲(chǔ)器,建立時(shí)間索引表(以秒為單位)。當(dāng)重演開始的時(shí)候,將所有數(shù)據(jù)的顯示狀態(tài)設(shè)置為“不顯示”。獲取偵察平臺(tái)的航跡點(diǎn)信息,提取時(shí)刻點(diǎn)信息,通過時(shí)間索引表檢索當(dāng)前時(shí)刻運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的位置,繪制從試飛起始點(diǎn)到當(dāng)前時(shí)刻的航跡信息。檢索當(dāng)前時(shí)刻的測向線,如果檢索成功,將本條測向線的顯示狀態(tài)設(shè)置為“顯示”,如圖3所示。

圖3 真實(shí)場景回放算法Fig.3 The arithmetic of real-scene replaying

如果試飛過程中還有其他類型的原始數(shù)據(jù),以同樣的方式進(jìn)行檢索,并控制其顯示狀態(tài)。當(dāng)偵察平臺(tái)的航跡回放完畢后,將所有數(shù)據(jù)的顯示狀態(tài)設(shè)置為“顯示”,結(jié)束回放過程。

4 驗(yàn)證

4.1 雙偵察平臺(tái)固定目標(biāo)測向

以雙偵察平臺(tái)對(duì)同一個(gè)固定輻射源目標(biāo)進(jìn)行偵察的飛行試驗(yàn)為例,偵察平臺(tái)1的航線數(shù)據(jù)、測向數(shù)據(jù)、偵察平臺(tái)2的航線數(shù)據(jù)、測向數(shù)據(jù)讀入內(nèi)存后顯示在電子地圖上,如圖4所示。

圖4 雙偵察平臺(tái)對(duì)固定目標(biāo)測向Fig.4 The azimuth measurement of fixed target by double reconnaissance platform

已知輻射源的位置,計(jì)算測向精度。偵察平臺(tái)1的測向精度為0.4°,從機(jī)測向精度為1.23°。選取偵察平臺(tái)1中測向角度較小的一組測向線和偵察平臺(tái)2中測向角度較大的一組測向線,進(jìn)行定位計(jì)算和定位精度統(tǒng)計(jì),如圖5和圖6所示。

圖5 用于定位計(jì)算的兩組測向線Fig.5 Two groups lines for location

圖6 定位精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.6The Statistic result of location precision

圖6 中,由外到內(nèi)3個(gè)同心圓分別表示偵察平臺(tái)到輻射源目標(biāo)之間平均距離的10%、5%以及CEP值,黑色小圓點(diǎn)表示計(jì)算得出的定位點(diǎn)。可以看出,全部的定位點(diǎn)落在5%的范圍之內(nèi),CEP值在5%圓內(nèi),定位精度較高。

4.2 單偵察平臺(tái)對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)測向

以單偵察平臺(tái)對(duì)運(yùn)動(dòng)輻射源目標(biāo)進(jìn)行偵察的飛行試驗(yàn)為例,調(diào)用3個(gè)線程將偵察平臺(tái)的航線數(shù)據(jù)、測向數(shù)據(jù)、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的航線數(shù)據(jù)讀入內(nèi)存,并顯示在電子地圖上,如圖7所示。

圖7 原始數(shù)據(jù)Fig.7 Original data

一共有 2131條測向線,計(jì)算測向精度為1.768°,其中誤差值在[0.0,0.1]范圍內(nèi)的測向線分布最多,有120條。載機(jī)平臺(tái)與被測目標(biāo)的最遠(yuǎn)距離為205.5 km。圖8為按照某種剔除條件剔除后的數(shù)據(jù)。

圖8 篩選后數(shù)據(jù)Fig.8 Data after screened out

對(duì)本次試飛過程進(jìn)行回放,如圖9所示。

圖9 真實(shí)場景回放序列圖Fig.9 A serial pictures in real-scene replaying

5 結(jié)束語

利用電子地圖平臺(tái)開發(fā)的數(shù)據(jù)分析軟件,不僅可以真實(shí)、直觀地展現(xiàn)偵察飛機(jī)各傳感器的工作情況,而且還可以高效、準(zhǔn)確地處理海量原始數(shù)據(jù)。實(shí)踐證明,本方法對(duì)空中偵察平臺(tái)的試飛試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理具有較大的使用價(jià)值。下一步將考慮將本方法用于船載、艦載、車載以及固定站的信號(hào)情報(bào)傳感器的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析處理,并根據(jù)平臺(tái)和傳感器特性的不同進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

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