(中國飛行試驗研究院，陜西 西安 710089)

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

張杰

(中國飛行試驗研究院，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PCM數(shù)據(jù)的多站點光電經(jīng)緯儀網(wǎng)絡(luò)同步實時引導(dǎo)方法；將試驗場現(xiàn)有不同型號光電經(jīng)緯儀組網(wǎng)，建立與中心機、遙測監(jiān)控處信息交聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)遠程中心通訊控制；基于TCP實現(xiàn)PCM數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)接收，采用三點截止法剔除粗差，組播發(fā)送數(shù)據(jù)至各站點，經(jīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和濾波等處理解算出目標(biāo)相對于各站點的方位、俯仰和距離值并發(fā)送至主控程序進行驅(qū)動，從而實現(xiàn)光電經(jīng)緯儀的實時同步引導(dǎo)；實際應(yīng)用結(jié)果表明，該方法可實施性強，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，可靠，目標(biāo)引導(dǎo)跟蹤穩(wěn)定，是實現(xiàn)多經(jīng) 緯儀組網(wǎng)測量的有效保證。

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

0 引言

光電經(jīng)緯儀(簡稱經(jīng)緯儀)是一種集光機電技術(shù)于一體的測量設(shè)備，具有較高的跟蹤、測量能力，且抗電子干擾能力強等優(yōu)點，是我軍各試驗靶場廣泛使用的高精度定位測量設(shè)備，在飛行試驗中運用于飛機、導(dǎo)彈、外掛物投放的跟蹤與軌跡、姿態(tài)測量以及無線電外測設(shè)備的精度鑒定[1]。經(jīng)緯儀的探測能力是由長焦鏡頭和CCD 相機性能(包括分辨率、靈敏度)等因素決定的。實際使用中，由于捕獲電視系統(tǒng)的視場大小有限，當(dāng)測量站距離目標(biāo)較遠或大氣能見度較低時，僅依靠人工操作單桿，很難及時發(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，進行必要的數(shù)據(jù)處理，轉(zhuǎn)換成目標(biāo)相對于光電經(jīng)緯儀的極坐標(biāo)，然后引導(dǎo)控制系統(tǒng)對目標(biāo)進行捕獲[2]。目前，光電經(jīng)緯儀主要有雷達引導(dǎo)和GPS引導(dǎo)方式。對于低空目標(biāo)，由于地面雜波及其他干擾的影響，雷達無法進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)的實現(xiàn)需在機上和地面分別加裝一些測試設(shè)備，使用有一定的限制。

基于遙測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)有試飛測試中大部分飛機都有遙測監(jiān)控，遙測PCM數(shù)據(jù)獲取方便，無需附加測試設(shè)備即可實現(xiàn)引導(dǎo)，且數(shù)據(jù)采樣率與可靠性高，因此，以遙測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PCM數(shù)據(jù)流中提取時間、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)緯儀各站進行數(shù)據(jù)處理得到目標(biāo)相對于光電經(jīng)緯儀的極坐標(biāo)信息并發(fā)送給主控計算機，從而實現(xiàn)多站經(jīng)緯儀的同步實時引導(dǎo)，為多站經(jīng)緯儀組網(wǎng)跟蹤測量提供了有效技術(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)

艦載機飛行試驗時，為了精確測量艦載機進近段軌跡和特征點信息，一般采用艦載光電經(jīng)緯儀。它采用自主方式工作，依據(jù)自身觀測系統(tǒng)測得的目標(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)精確的運動軌跡。但由于光電經(jīng)緯儀易受天氣影響，作用距離短且視場小，當(dāng)飛機進入它的工作域內(nèi)時，經(jīng)常來不及跟蹤。國內(nèi)外在該方面進行報道的論文資料比較少，針對這個問題，業(yè)界常根據(jù)艦上和機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)信號時，引導(dǎo)經(jīng)緯儀主鏡朝向目標(biāo)方向，一旦目標(biāo)進入試驗區(qū)域則及時捕獲。目前，國內(nèi)外研究的視軸穩(wěn)定技術(shù)主要有兩種：一是采用機械穩(wěn)定平臺的反方向搖擺克服艦艇的縱搖、橫搖和艏搖，為光電跟蹤測量設(shè)備提供近似水平的安裝基礎(chǔ)，如我國遠望號測量船上的光電經(jīng)緯儀的穩(wěn)像平臺。另一種是直接把光電經(jīng)緯儀安裝在甲板上,通過船姿測量儀測量出船體擺動，從而實時計算出視軸在大地坐標(biāo)系中的偏離誤差，并對俯仰軸和方位軸進行船搖姿態(tài)角的實時補償。這種方法取消了笨重的機械穩(wěn)定平臺和中間測控環(huán)節(jié)，可以保證視軸的指向準(zhǔn)確度。

試驗場中各經(jīng)緯儀站點與中心機房采用光纖網(wǎng)絡(luò)通訊，中心機房與遙測監(jiān)控機房通過遙測核心交換機進行數(shù)據(jù)通訊，以獲得遙測PCM數(shù)據(jù)，然后通過處理機對PCM數(shù)據(jù)中大地坐標(biāo)數(shù)據(jù)和飛機速度數(shù)據(jù)進行濾波處理，進而通過網(wǎng)絡(luò)交換機和光端機向各經(jīng)緯儀站點上的引導(dǎo)計算機分發(fā)數(shù)據(jù)，在引導(dǎo)計算機進行時間配準(zhǔn)、引導(dǎo)坐標(biāo)計算、數(shù)據(jù)濾波、插值、預(yù)測等處理，再通過串口或網(wǎng)絡(luò)向主控計算機發(fā)送引導(dǎo)數(shù)據(jù)，以驅(qū)動經(jīng)緯儀進行目標(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。圖一為多臺經(jīng)緯儀與光端機通信情況，中心機房與遙測監(jiān)控機房通過遙測核心交換機進行數(shù)據(jù)通訊，以獲得遙測PCM數(shù)據(jù)，然后通過處理機對PCM數(shù)據(jù)中大地坐標(biāo)數(shù)據(jù)和飛機速度數(shù)據(jù)進行濾波處理，各臺經(jīng)緯儀獲得大地坐標(biāo)后進行自動引導(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(中心機房)與遙測監(jiān)控客戶端間的通信，通過TCP的socket編程[5]實現(xiàn)與遙測PCM數(shù)據(jù)客戶端之間的通信連接，之后向遙測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(中心機房)與系統(tǒng)客戶端(經(jīng)緯儀站點的引導(dǎo)計算機)之間以組播方式進行通信，可使同一網(wǎng)絡(luò)的多站經(jīng)緯儀站點同步獲得引導(dǎo)源數(shù)據(jù)；

3)由于經(jīng)緯儀設(shè)備研制時期不同，引導(dǎo)計算機與主控計算機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)動系統(tǒng)對目標(biāo)進行捕獲與跟蹤。

2.2 引導(dǎo)源數(shù)據(jù)異常剔除

通過實際數(shù)據(jù)分析，中心機房接收到的引導(dǎo)源PCM數(shù)據(jù)有以下特點：一是該數(shù)據(jù)含有偏離正常航跡不大的小野點且常以單點的形式出現(xiàn)；二是一組數(shù)據(jù)中的各變量出錯無相關(guān)性，即緯度B出錯，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表示取絕對值。λ由試驗確定，試驗表明：對經(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)前接收時刻與上次接收時刻之間所經(jīng)過的時間周期數(shù)，可由接收數(shù)據(jù)的計算機時刻決定。dB表示Dt內(nèi)目標(biāo)的位置變化，可由目標(biāo)的速度估計得到，采用五點中位數(shù)法估計，設(shè)：Vx(k-4),Vx(k-3),Vx(k-2),Vx(k-1),Vx(k)表示Tk時刻已采集到的速度的前5個采樣值，則：

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

(1)

(2)

2.3 引導(dǎo)參數(shù)計算與預(yù)測

在引導(dǎo)計算機上進行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)濾波、插值與預(yù)測處理，得到目標(biāo)相對于光電經(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)垂線測量坐標(biāo)系坐標(biāo)

(4)

其中：(XG,YG,ZG)，(XG0,YG0,ZG0)分別為目標(biāo)點和垂線測量坐標(biāo)系原點的地心空間直角坐標(biāo)；(XC,YC,ZC)為目標(biāo)點的垂線測量坐標(biāo)系坐標(biāo)，B0,L0分別為垂線測量坐標(biāo)系原點的大地緯度和經(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)系或垂線測量坐標(biāo)系后再利用常規(guī)的濾波方法進行數(shù)據(jù)濾波[4]。此處采用對垂線測量坐標(biāo)數(shù)據(jù)進行濾波，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數(shù)據(jù)進行平滑和插值[6-7]。

2.3.4 垂線測量坐標(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的計算公式為：

A=tg-1(ZC/XC)

(5)

目標(biāo)俯仰角E的計算公式為：

(6)

目標(biāo)距離R的計算公式為：

(7)

通過上述計算得到的方位應(yīng)按空間目標(biāo)在測量坐標(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

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

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 試驗結(jié)果

為驗證基于遙測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)，在某日飛行試驗時，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)計算與濾波預(yù)測效果

試驗場中各經(jīng)緯儀站點與中心機房采用光纖網(wǎng)絡(luò)通訊，中心機房與遙測監(jiān)控機房通過遙測核心交換機進行數(shù)據(jù)通訊，以獲得遙測PCM數(shù)據(jù)，然后通過處理機對PCM數(shù)據(jù)中大地坐標(biāo)數(shù)據(jù)和飛機速度數(shù)據(jù)進行濾波處理，進而通過網(wǎng)絡(luò)交換機和光端機向各經(jīng)緯儀站點上的引導(dǎo)計算機分發(fā)數(shù)據(jù)。

步驟如下：首選時間配準(zhǔn)、然后引導(dǎo)坐標(biāo)計算和數(shù)據(jù)濾波、接著插值預(yù)測等處理，最后再通過串口或網(wǎng)絡(luò)向主控計算機發(fā)送引導(dǎo)數(shù)據(jù)，以驅(qū)動經(jīng)緯儀進行目標(biāo)捕獲。

4 結(jié)束語

在試飛遙測下傳技術(shù)成熟，遙測監(jiān)控成為試飛安全重要保障的情況下，遙測網(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)計的首選；相比現(xiàn)有其它引導(dǎo)方式，本方法不需要在飛機和經(jīng)緯儀上附加測試設(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)的升級與擴展[7]，提高了試飛測試數(shù)據(jù)的利用率，節(jié)約了經(jīng)緯儀引導(dǎo)實現(xiàn)的成本，增強了經(jīng)緯儀的使用效能；同時通過網(wǎng)絡(luò)通信、串口通信實現(xiàn)試飛基地內(nèi)所有經(jīng)緯儀站點的信息交聯(lián)，為多站經(jīng)緯儀組網(wǎng)測量的實現(xiàn)提供了有效技術(shù)保障。

[1] 侯海嘯, 賈浩正, 吳 衡. 光電經(jīng)緯儀相機位姿光束法平差外場檢校[J]. 光電工程，2013, 40(5):28-33.

[2] 譚順成，王國宏，王 娜,等. 改進的交互式當(dāng)前統(tǒng)計模型算法. 電光與控制,2011(4):21-25.

[3] 趙季紅,雷 佩,王偉華,等. 基于小波變換的 RLS 波束成形算法研究[J].電信科學(xué),2015,29(3):109-111.

[4] 陸 瑩,牛 蕊,王 偉,等.基于小波變換的圖像邊緣提取算法[J].測繪與空間地理信息,2015,38(3):21-24.

[5] 趙彩英，張興國,等.基于多源信息融合的空中運動目標(biāo)定位技術(shù)[J].測控技術(shù),2012(6):26-28.

[6] 孫志雄，謝海霞,等. 基于FPGA的CRC編解碼器實現(xiàn)[J].電子器件,2012(6):657-660.

[7] 欒勝利，李洪梅，滕國生,等. 基于UKF_IMM的多信源機動目標(biāo)跟蹤研究[J].指揮控制與仿真,2010(3):36-40.

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，江蘇揚州人，碩士研究生，高級工程師，主要從事航空視覺測量，從事飛行試驗光電測試方向的工作。

1671-4598(2017)11-0224-03

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

TP3

A