摘 要： 基于飛機(jī)著陸下滑引導(dǎo)監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，針對(duì)現(xiàn)有光電經(jīng)緯儀通信的缺陷，通過(guò)分析系統(tǒng)通信物理鏈路，突破了光電經(jīng)緯儀之間通信轉(zhuǎn)換協(xié)議設(shè)計(jì)、查表法CRC碼校驗(yàn)快速計(jì)算、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)濾波模型構(gòu)建等關(guān)鍵技術(shù)，以軟件技術(shù)代替硬件板卡信號(hào)處理，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定可靠且成本低廉的飛機(jī)著陸下滑引導(dǎo)監(jiān)視系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)部分驗(yàn)證了該方法的有效性。目前，該系統(tǒng)已成功應(yīng)用到某型飛機(jī)燈光著陸系統(tǒng)試飛中。

關(guān)鍵詞： 光電經(jīng)緯儀； 數(shù)據(jù)鏈路層通信協(xié)議； 循環(huán)冗余碼校驗(yàn)； 擴(kuò)展卡爾曼濾波

中圖分類(lèi)號(hào)： TN948.64?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）20?0132?04

Abstract： Based on the design demand of guidance and monitoring system for aircraft landing， the key technologies such as protocol design for communication conversion between photoelectric theodolites， rapid computation of CRC codes using table checking method， and filtering model construction for measured data were realized after analyzing physical link of system communication in view of the communication defects of the available photoelectric theodolite. The hardware board is substituted with software technology for signal processing， implementing a reliable and low?cost guidance and monitoring system for aircraft landing. In the experiment， the reliability of the system is verified. Currently， the system has been successfully applied to the trial flight of a certain model aircraft lighting landing system.

Keywords： photoelectric theodolite； DDCMP； CRC； EKF

根據(jù)型號(hào)任務(wù)要求，需要將兩臺(tái)光電經(jīng)緯儀測(cè)量的飛機(jī)下滑的軌跡數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)送到指揮顯控臺(tái)上，為決策指揮提供參考。采用硬件板卡實(shí)現(xiàn)DDCMP數(shù)據(jù)通信開(kāi)發(fā)成本高，且開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，為此開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了經(jīng)緯儀實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平臺(tái)。此平臺(tái)包括硬件平臺(tái)和軟件平臺(tái)兩部分[1]。硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)通信的物理鏈路，軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)接收、處理、顯示及轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)控顯控臺(tái)的功能。

1 系統(tǒng)組成及信號(hào)流程

1.1 系統(tǒng)硬件平臺(tái)

中心站計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)接收兩臺(tái)經(jīng)緯儀的數(shù)據(jù)，然后分別對(duì)兩條數(shù)據(jù)流按各自的通信格式進(jìn)行解包，再進(jìn)行數(shù)據(jù)濾波、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，然后打包成DDCMP格式的數(shù)據(jù)，通過(guò)串口、光端機(jī)發(fā)送到燈光著陸系統(tǒng)的智能通信處理機(jī)（ICP），再通過(guò)ICP的硬件板卡解碼，最后送到監(jiān)控臺(tái)[2]。系統(tǒng)信號(hào)流程如圖1所示。

1.2 軟件功能模塊及信號(hào)流程

軟件按功能模塊劃分主要有9個(gè)，分別為主控模塊、數(shù)據(jù)接收模塊、數(shù)據(jù)濾波模塊、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊、電子地圖顯示模塊、二維曲線(xiàn)顯示模塊、數(shù)據(jù)保存模塊[3]。

軟件總體模塊構(gòu)成如圖2所示。

2 關(guān)鍵技術(shù)及解決方法

2.1 關(guān)鍵技術(shù)

（1） 通信協(xié)議轉(zhuǎn)換。兩臺(tái)經(jīng)緯儀采用各自定義的數(shù)據(jù)格式，監(jiān)控系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議DDCMP，必須要進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換才能進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

（2） CRC軟件實(shí)現(xiàn)。CRC計(jì)算比較復(fù)雜，工程中一般采用高速FPGA實(shí)現(xiàn)，這就需要開(kāi)發(fā)硬件板卡，但是項(xiàng)目時(shí)間不允許；如何通過(guò)軟件法實(shí)現(xiàn)CRC校驗(yàn)的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性及可靠性是技術(shù)難點(diǎn)。

（3） 數(shù)據(jù)濾波算法。在實(shí)際飛行試驗(yàn)中，光電經(jīng)緯儀激光距離值有斷點(diǎn)、跳點(diǎn)、零點(diǎn)，如果把數(shù)據(jù)直接送到監(jiān)控顯控臺(tái)，將影響指揮員決策指揮；而且飛機(jī)是非線(xiàn)性機(jī)動(dòng)飛行，并且濾波算法必須滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性要求[4]。

2.2 解決方法

兩臺(tái)光電經(jīng)緯儀，固定站為1998年設(shè)備，活動(dòng)站為2008年改造后設(shè)備，兩者的數(shù)據(jù)格式不同。固定站數(shù)據(jù)幀格式如圖3所示。

監(jiān)控系統(tǒng)采用DDCMP的數(shù)據(jù)格式，DDCMP傳輸?shù)幕締卧菐瑘D5是每幀的結(jié)構(gòu)情況。它的數(shù)據(jù)必須是8位的整數(shù)倍，即它必須以字節(jié)為單位進(jìn)行傳送。

軟件平臺(tái)分別接收固定站和活動(dòng)站數(shù)據(jù)，然后根據(jù)各自格式解包，提取出T，A，E，R，經(jīng)過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，解出目標(biāo)相對(duì)于經(jīng)緯儀的x，y，z，然后進(jìn)行打包處理（轉(zhuǎn)換為DDCMP格式），最后通過(guò)串口光端機(jī)發(fā)送到監(jiān)控。

3 CRC軟件實(shí)現(xiàn)

DDCMP數(shù)據(jù)通信協(xié)議中用到了差錯(cuò)校驗(yàn)碼?循環(huán)校驗(yàn)碼（CRC碼）。CRC校驗(yàn)是利用除法及余數(shù)的原理來(lái)作錯(cuò)誤偵測(cè)的。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，發(fā)送裝置將一段信息看成一個(gè)二進(jìn)制數(shù)，然后用一個(gè)特定的數(shù)（即生成多項(xiàng)式）去除它，計(jì)算出余數(shù)即CRC值作為校驗(yàn)碼并隨數(shù)據(jù)一同發(fā)送給接收裝置，接收裝置對(duì)收到的數(shù)據(jù)重新計(jì)算CRC值并與收到的CRC值相比較，若兩個(gè)CRC值不同，則說(shuō)明數(shù)據(jù)通信出現(xiàn)錯(cuò)誤[5]。

CRC校驗(yàn)碼的產(chǎn)生比較復(fù)雜，計(jì)算量大，數(shù)據(jù)通信過(guò)程中要求有盡可能高的效率，這就要求盡可能縮短編碼時(shí)間。如果在通信過(guò)程中不斷進(jìn)行求余運(yùn)算，那么就要花費(fèi)大量的CPU時(shí)間，為此可采用查表法，如下：

在通信開(kāi)始前，在內(nèi)存中開(kāi)辟一個(gè)區(qū)域（設(shè)首址為table），將預(yù)先計(jì)算好的（n，k）循環(huán)碼信息元m的余式，存放入table+m中，制成余式表。那么，通信過(guò)程中，對(duì)任一信息元M，可立即從表中table+x位置查出其相應(yīng)余式，組成完整碼字，這就是查表法。查表法大大提高了通信的效率校驗(yàn)。

4 數(shù)據(jù)濾波方法實(shí)現(xiàn)

光電經(jīng)緯儀測(cè)量數(shù)據(jù)A，E，R為非線(xiàn)性，且目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度較大，可達(dá)100 m/s，根據(jù)實(shí)際情況，本系統(tǒng)采用了擴(kuò)展卡爾曼濾波（EKF）算法。這是一種適合于非線(xiàn)性系統(tǒng)的自適應(yīng)濾波算法[6]。利用泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)，將非線(xiàn)性函數(shù)線(xiàn)性化，然后應(yīng)用卡爾曼濾波算法，這種處理方法稱(chēng)為擴(kuò)展卡爾曼濾波算法。

4.1 系統(tǒng)建模

4.2 線(xiàn)性化后按卡爾曼算法進(jìn)行迭代計(jì)算

5 飛行試驗(yàn)驗(yàn)證

光電經(jīng)緯儀實(shí)時(shí)測(cè)量飛機(jī)下滑數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)濾波后，得到A，E，R，再經(jīng)過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)到以跑道西原點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，沿跑道方向?yàn)閤軸的直角坐標(biāo)系中。再轉(zhuǎn)換成DDCMP數(shù)據(jù)格式，發(fā)送給監(jiān)控臺(tái)。監(jiān)控臺(tái)接收到經(jīng)緯儀測(cè)量數(shù)據(jù)后在電子地圖上實(shí)時(shí)顯示飛機(jī)的下滑軌跡，并與設(shè)定的飛機(jī)理想下滑軌跡進(jìn)行對(duì)比，可直觀(guān)判斷出飛機(jī)在下滑過(guò)程中是否偏離理想軌跡，以便于指揮員指揮飛行員操縱飛機(jī)，以逼近理想下滑軌跡。對(duì)記錄保存的數(shù)據(jù)進(jìn)行事后數(shù)據(jù)處理，結(jié)果如圖7～圖9所示。

6 結(jié) 論

本文介紹的光電經(jīng)緯儀實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)用軟件法代替了硬件板卡實(shí)現(xiàn)了光電經(jīng)緯儀實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控顯控臺(tái)的功能。而且把光電經(jīng)緯儀的應(yīng)用由單一的事后數(shù)據(jù)處理模式擴(kuò)展到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域，并且把兩臺(tái)獨(dú)立經(jīng)緯儀的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交聯(lián)在一起。如果根據(jù)需要還可以實(shí)時(shí)接收機(jī)載GPS數(shù)據(jù)、引導(dǎo)雷達(dá)數(shù)據(jù)及二次雷達(dá)數(shù)據(jù)，從而形成一個(gè)大的測(cè)試平臺(tái)。在已經(jīng)進(jìn)行的某型飛機(jī)的燈光著陸系統(tǒng)驗(yàn)證試飛科目中，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，能夠滿(mǎn)足著陸系統(tǒng)驗(yàn)證試飛需求。

參考文獻(xiàn)

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