吳衡，韓濤

（中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院 陜西 西安　710089）

光電經(jīng)緯儀可視化仿真在飛行試驗(yàn)中運(yùn)用

吳衡，韓濤

（中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院 陜西 西安710089）

文中利用虛擬測(cè)試技術(shù)，對(duì)光電經(jīng)緯儀在飛行試驗(yàn)的應(yīng)用進(jìn)行可視化仿真。在任務(wù)準(zhǔn)備階段，通過(guò)優(yōu)化光電經(jīng)緯儀的布站，獲得最佳捕獲跟蹤效率，同時(shí)在試驗(yàn)任務(wù)執(zhí)行階段，有效規(guī)避光電測(cè)試風(fēng)險(xiǎn)，合理安排任務(wù)執(zhí)行時(shí)間，可得到評(píng)估光電測(cè)試精度的結(jié)論。

虛擬測(cè)試；太陽(yáng)角規(guī)避；光電測(cè)試；可視化仿真

光電經(jīng)緯儀是高精度非接觸測(cè)試的保障，但由于在試驗(yàn)過(guò)程中，由于面臨著很多光學(xué)測(cè)量不可避免的問(wèn)題，比如太陽(yáng)光線的影響，將影響系統(tǒng)的跟蹤及記錄的圖像質(zhì)量，以及可能導(dǎo)致跟蹤丟失目標(biāo)，造成飛行試驗(yàn)架次的浪費(fèi)；又比如光電經(jīng)緯儀在布站、使用過(guò)程中也會(huì)面臨很多實(shí)際的問(wèn)題，例如布站地點(diǎn)及飛行航線帶來(lái)的交會(huì)角度變化等，均會(huì)對(duì)光電測(cè)量的精度以及光電跟蹤的可靠性帶來(lái)影響[1]。

如今虛擬測(cè)試技術(shù)、三維仿真技術(shù)日趨成熟，結(jié)合飛行試驗(yàn)光電測(cè)試的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)構(gòu)建光電經(jīng)緯儀可視化仿真平臺(tái)，設(shè)計(jì)前期預(yù)演以及后期驗(yàn)證模塊，可以有效規(guī)避光電測(cè)試過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)，縮短了光電測(cè)試的周期，提高了光電測(cè)試的成功率，將會(huì)有效降低科研成本及提高工作效率。

文中通過(guò)實(shí)時(shí)三維視景仿真軟件MultiGen-Vega及OpenGL開(kāi)發(fā)場(chǎng)景仿真平臺(tái)，通過(guò)用OpenGL著色語(yǔ)言（GLSL）編寫的著色器為場(chǎng)景實(shí)時(shí)添加仿真所需圖像效果；建立經(jīng)緯儀跟蹤控制系統(tǒng)simulink模型，并通過(guò)Real-Time Workshop（RTW）生成模型代碼，對(duì)代碼進(jìn)行改寫最終生成跟蹤狀態(tài)解算模塊；建立布站模型以及太陽(yáng)高角規(guī)避原則，模擬經(jīng)緯儀跟蹤過(guò)程[2]。

1　設(shè)計(jì)方案

1.1設(shè)計(jì)需求

對(duì)于多站交會(huì)測(cè)量軌跡的飛行試驗(yàn)時(shí)，需要面臨以下需求：

1）設(shè)備布站對(duì)于測(cè)量精度的影響，一般要求交會(huì)角度為大于30°，小于150°正交時(shí)候，交會(huì)精度最高；

2）太陽(yáng)光線的不同照射角度，對(duì)光電測(cè)量及跟蹤影響較大，背光測(cè)量或者陰天測(cè)量最適合光電測(cè)量。不同飛行時(shí)間段的選擇，對(duì)于提升圖像質(zhì)量，提高跟蹤效率有幫助；

依據(jù)上述的任務(wù)需求，建立了虛擬光電測(cè)試試驗(yàn)平臺(tái)：利用仿真技術(shù)，加入算法模塊，實(shí)時(shí)呈現(xiàn)布站系統(tǒng)對(duì)于精度譜分析，建立太陽(yáng)高角計(jì)算模塊，給出影響飛行試驗(yàn)的時(shí)間段以及給出最佳試驗(yàn)時(shí)間段要求[3]。

1.2系統(tǒng)軟件模塊

預(yù)演仿真程序設(shè)計(jì)模塊如圖1所示。

1.3系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境

1）硬件設(shè)備

圖形工作站兩臺(tái)，配置要求為：

主機(jī)：CPU雙核頻率2.5 GHz，CPU架構(gòu)X86（32bit）

內(nèi)存：2GB

外存：200GB

顯卡：OpenGL 2.0兼容，專業(yè)顯卡512 M獨(dú)立顯存

2）支持軟件

操作系統(tǒng):Windows XP Professional（32bit）

編程語(yǔ)言：VC++2003，QT4.5，ACE5.7，VP2.2

運(yùn)行環(huán)境：Windows XP（32bit）

圖1　預(yù)演仿真程序設(shè)計(jì)模塊Fig.1　Rehearsal simulation program design module

2　可視化仿真

2.1相機(jī)特性仿真

光電經(jīng)緯儀通過(guò)CCD相機(jī)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行拍攝，即仿真場(chǎng)景必須符合CCD相機(jī)的成像特性。利用矩陣變換將三維圖像變換為二維圖像，成像公式如下：

M是模型矩陣，將目標(biāo)模型的三維坐標(biāo)通過(guò)旋轉(zhuǎn)、平移、縮放轉(zhuǎn)換為二維坐標(biāo)；

P是投影變換矩陣，將物方坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為像平面坐標(biāo)的投影轉(zhuǎn)換；

F是視點(diǎn)變換矩陣，利用透視算法和視點(diǎn)變換可以獲得二維平面顯示坐標(biāo)

OpenGL與攝影測(cè)量的成像過(guò)程完全一致，首先將相機(jī)的焦距f、分辨率（rx，ry）、窗口尺寸（lx，ly）代入到視椎體設(shè)置函數(shù)glFrustum（left，bottom，right，top，near，far）中，得到如式（2）所示的透視投影變換矩陣P。

其中D，d分別為視椎體遠(yuǎn)、近剪裁面距離視點(diǎn)的距離；x0，y0為顯示窗口左下角坐標(biāo)；

2.2目標(biāo)軌跡仿真

利用Vega進(jìn)行場(chǎng)景渲染時(shí)可以方便地載入目標(biāo)三維模型，并可控制三維世界中模型與視點(diǎn)的位置和姿態(tài)。針對(duì)不同的目的，建立不同的目標(biāo)軌跡仿真方法如圖2所示。

第一種方法：直接根據(jù)實(shí)際外場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到軌跡。經(jīng)緯儀的外場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)包含了時(shí)間、目標(biāo)相對(duì)儀器的方位角A，俯仰角E以及斜距R，測(cè)量模型如圖1所示。通過(guò)坐標(biāo)變換可以得出對(duì)應(yīng)時(shí)間序列的目標(biāo)軌跡坐標(biāo)。變換公式如式（3）。

圖2　經(jīng)緯儀測(cè)量模型Fig.2　Theodolite measuring model

時(shí)間序列間隔與仿真幀率不一致時(shí)，需要利用插值算法，將目標(biāo)軌跡時(shí)間間隔調(diào)整一致。

第二種方法：利用運(yùn)動(dòng)模型設(shè)計(jì)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡。依據(jù)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，建立不用的運(yùn)動(dòng)模型，對(duì)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)方向、目標(biāo)的姿態(tài)、目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度以及目標(biāo)的初始狀態(tài)進(jìn)行設(shè)定，得到符合運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的目標(biāo)軌跡仿真數(shù)據(jù)。運(yùn)動(dòng)模型公式如式（4）。

式中Δt為時(shí)間間隔；Vx、Vy、Vz為目標(biāo)三向速度

目標(biāo)的姿態(tài)在該仿真試驗(yàn)過(guò)程中均定義為水平方向，在運(yùn)動(dòng)方程中不做考慮。在經(jīng)緯儀的跟蹤過(guò)程中，伺服驅(qū)動(dòng)模塊與電視跟蹤模塊組合，會(huì)將目標(biāo)自動(dòng)拉到電視跟蹤視場(chǎng)的中心，因此對(duì)于目標(biāo)跟蹤仿真而言，需要實(shí)時(shí)依據(jù)目標(biāo)軌跡仿真的結(jié)果，實(shí)時(shí)給出跟蹤范圍的調(diào)整[4]。

2.3太陽(yáng)仿真

1）太陽(yáng)角運(yùn)算軌跡仿真計(jì)算

依據(jù)太陽(yáng)能學(xué)報(bào)《太陽(yáng)方位角的公式及其求解》以及國(guó)土資源遙感1995年第二期《太陽(yáng)角的計(jì)算方法及其在遙感中的應(yīng)用》文章介紹，基于“天球理論”所推到出的太陽(yáng)方位角與經(jīng)緯度、時(shí)間等參量關(guān)系曲線，給出太陽(yáng)方位角的求解公式[5]。

2）太陽(yáng)角報(bào)警機(jī)制

依據(jù)經(jīng)緯儀的測(cè)量電視、跟蹤電視視場(chǎng)角的限制，以及工程試驗(yàn)中的驗(yàn)證，太陽(yáng)角報(bào)警原則如圖3所示。

圖3　太陽(yáng)角規(guī)避示意圖Fig.3　Schematic diagram of solar angle

測(cè)量設(shè)備主光軸與太陽(yáng)角偏差必須大于10°才能夠保證太陽(yáng)角對(duì)光電跟蹤測(cè)量設(shè)備不帶來(lái)影像[6]。

3　仿真效果評(píng)估

3.1經(jīng)緯儀跟蹤仿真

經(jīng)緯儀三維仿真跟蹤示意圖如圖4所示。

圖4　經(jīng)緯儀三維仿真跟蹤示意圖Fig.4　Schematic diagram of theodolite tracking 3D simulation

3.2太陽(yáng)高角規(guī)避分析

依據(jù)任務(wù)需求，需要對(duì)不同高度通場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)的目標(biāo)進(jìn)行光電測(cè)量，由于太陽(yáng)角度是隨著時(shí)間在不斷變化的，因此需要對(duì)不同高度的虛擬軌跡與飛行日當(dāng)天的太陽(yáng)角運(yùn)行軌跡進(jìn)行綜合評(píng)估，分析適合光電測(cè)量設(shè)備工作的時(shí)間段。依據(jù)太陽(yáng)規(guī)避原則，在2013年4月7日9：30以后，均滿足100～300 m高度表驗(yàn)證飛行試驗(yàn)光電測(cè)量任務(wù)，不會(huì)產(chǎn)生光線影響，如紅線與綠線交叉區(qū)域，如果增加了1 000 m高度的試驗(yàn)后，如果需要兼顧4個(gè)高度的飛行試驗(yàn)，則需要在綠線右側(cè)區(qū)域可以滿足該試驗(yàn)任務(wù)，時(shí)間段為2013年4月7 日15：06以后。

4　結(jié)　論

虛擬測(cè)試引入光電測(cè)試，依據(jù)測(cè)試要求布站完成后，提前預(yù)判太陽(yáng)光對(duì)光電設(shè)備的干擾，避免了太陽(yáng)光對(duì)光電測(cè)試的影響問(wèn)題，通過(guò)三維仿真平臺(tái)，可以依據(jù)任務(wù)需求預(yù)設(shè)航跡，建立合理可行的測(cè)試方案。

[1]邸彥強(qiáng)，朱元昌.防空武器系統(tǒng)仿真中的三維圖形實(shí)時(shí)成像技術(shù)[J].火力與指揮控制，2000（3）:72-75.

[2]趙汝明.虛擬場(chǎng)景成像技術(shù)的研究[D].青島：青島大學(xué)，2006.

[3]崔紅梅.基于LabVIEW&LabWindows/CVI平臺(tái)的虛擬測(cè)試與分析儀的研究與開(kāi)發(fā)[D].呼和浩特：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，2004年.

[4]郭天太.基于VR的虛擬測(cè)試技術(shù)及其應(yīng)用基礎(chǔ)研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2005.

[5]李光亞.基于LabVIEW的模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)開(kāi)發(fā)[J].電子測(cè)試，2008（160）:52-55.

[6]王昀希.三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)精度檢測(cè)及動(dòng)態(tài)誤差分析研究[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2007.

Application of photoelectric theodolite visualization simulation in flight test

WU Heng，HAN Tao
（Chinese Flight Test Establishment，Xi’an 710089，China）

Visual simulation application in flight test of virtual testing technology of photoelectric theodolite is studied in the paper.In the preparation stage，through the optimization of the photoelectric theodolite station distribution，obtains the best acquisition and tracking efficiency，at the same time in the phase of the execution of test task，avoids the photoelectric test risk effectively，arrange task execution time reasonable，gets the evaluation of optoelectronic the accuracy of the test conclusion.

virtual test；avoiding sun angle；the photoelectric test；visualization simulation

TN919.81

A

1674－6236（2016）01-0118-03

2015-03-06稿件編號(hào)：201503086

航空基金（2010ZD30004）

吳 衡（1974—），男，陜西安康人，碩士研究生，高級(jí)工程師。研究方向：光電測(cè)試。