一种实用的飞机着陆轨迹姿态测量及监控系统

冯巧宁++吴立巍++惠广裕

摘 要：飞机着陆时的轨迹姿态参数是新机设计鉴定和定型的重要参考依据，采取合理的测量手段获取这些参数至关重要。本文根据任务需求，构建了一套实用的飞机着陆轨迹姿态测量及监控系统，采用光纤传输进行远程控制与数据交互，实现多台高速摄像机的远距离集中控制、统一授时、同步采集、测量数据快速下载处理，实现飞机着陆时轨迹、速度、飞机偏航位移、飞机姿态等参数的精确解算和实时监控。经飞行试验验证，结果表明本系统稳定可靠、处理结果精度高，满足任务要求；同时该测量方法具有较高的实际工程应用价值，不仅适用于飞行目标的轨迹姿态测量和其他类似运动物体的运动参数解算，其数学模型还具有多种型号的推广性。

关键词：着陆 轨迹 姿态 测量 监控

中图分类号：V217.2 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）02（a）-0004-04

飞机着陆性能是新机鉴定试飞中一个重要的考核指标[1]。飞机着陆时的轨迹及姿态测量是新机设计鉴定和定型试飞中不可或缺的课题之一，也是考核飞机性能/品质，进行飞行员训练讲评、飞行效果评估及飞行指挥辅助决策的重要依据。

传统的飞机着陆过程中轨迹和姿态等参数的测量借助于传感器、机载像机、地面光电经纬仪等进行，但是其测量精度易受自身设备精度、飞机空间等因素的制约，对飞机整体及其关键部位的运动细节关注度较低。

根据某型飞机的着陆试飞测试需求，在同一个测量系统中不仅需要获取该机着陆过程中全面的、高精度的轨迹及姿态数据，而且需要关注飞机关键部位的状态变化，提供着陆过程中飞机及其关键部位的高分辨率数字影像，及时为试飞工程师和飞行员提供判决依据和指挥决策，同时系统还需兼顾不同试飞阶段的任务变化需要。

据此，该文根据工程应用经验，在充分研究、借鉴已有测量手段的基础上，设计了一种实用的飞机着陆轨迹姿态测量及监控系统，保证了飞机着陆全过程的实时监控与测量，实现了飞机着陆时轨迹、姿态、速度、飞机偏航位移等参数的精确解算，从而为该机设计定型提供了可靠的数据依据，为今后类似任务的开展奠定了一定的基础。

1 系统组成与功能

根据任务需求和功能定位需要，需要完成飞机着陆道面段运动参数的测量，在实时状态下远程进行设备协同管理和状态检测，获取高分辨率的数字影像信息，事后完成数据分析处理，提供飞机着陆影像及高精度测试数据。为此，该文设计并构建了完整的满足任务需求的测量系统。系统主要以高速高分辨率摄像机为主要信息源，以现代光纤网络为传输媒介，设计适合使用要求的优化联合组网布控，进行高速摄像机的快速、高精度标校，建设控制处理中心提供系统各测试装备数据的时间同步，实现系统状态管理、远程控制、数据存储管理，以摄影测量原理为理论基础，完成事后数据处理分析，实现飞机着陆时的轨迹、姿态、速度、飞机偏航位移等参数的精确解算。

1.1 系统组成

测量系统方案设计从实际出发，在优质高效完成任务的同时，充分考虑系统的开放性和扩展性，如图1系统组成框图所示，系统主要由高速摄影测量单元、信息传输单元、远程控制单元和数据处理分析单元四大部分组成。

高速摄影测量单元的影像信息通过信息传输单元送至控制处理中心，控制处理中心是系统控制和处理的中枢机构，它以网络为连接平台，提供系统各测试装备数据的时间同步，保证系统内部数据解算、信息分发等时序的一致性，通过远程控制单元实现高速摄像机的参数加载、状态管理、试验控制、数据采集、远程下载，飞行间隙或飞行结束后数据分析处理单元完成事后数据分析处理，完成飞机着陆轨迹姿态的解算，同时进行视频数据及解算数据的存储及管理等功能。此外，控制处理中心还可通过信息传输单元将内部数据送至外部。

1.2 各组成部分功能及工作流程

1.2.1 高速摄影测量单元

如图2所示，高速摄影测量单元以5台分布在跑道同侧的高速数字摄像机、像机标校处理设备组成，5台像机联合组网、两两备份。此单元为高速摄像机配置符合视场、靶面尺寸和口径要求的合适镜头，利用测量标校棋盘格、电子全站速测仪、大地型GPS等多种辅助测量设备，完成高速摄像机的内外方位元素和畸变参数的高精度标校，捕获飞机及其关键部位的高分辨率影像信息。

1.2.2 控制处理中心

控制处理中心是系统控制和处理的中枢机构，控制着整个系统的协调一致运行，主要完成系统的远程控制、数据交换、统一授时、数据处理及管理等功能，远程控制单元和数据分析处理单元都设置在控制处理中心。

在测量实施过程中，高速数字摄像机每一个测量站点都由控制处理中心的远程控制终端控制上电、除湿、温度调节，根据飞行当日能见度等气象信息，通过高速摄像机管理界面对高速摄像机进行曝光时间的设置，同时设置拍摄时间间隔、数据存储路径等性能参数，飞行过程中当飞机进入摄像机拍摄范围内后对摄像机进行触发并记录数据。

由于高速摄像机拍摄到的高分辨率影像数据信息量特别大，这些影像数据在测量过程中无法进行远程实时下载，只能通过摄像机本身配备的RAM和FLASH进行实时存储记录。飞行间隙或飞行任务结束后，由控制处理中心对系统记录的高速视频信息及数据进行下载。下载后的高速摄像机视频信息存储在磁盘阵列上，供事后判读与分析。数据处理分析单元对图像信息进行图像预处理和判读，各个高速摄像机站点的数据信息统一到同一个坐标系下，然后进行数据分析解算。解算完成后，图像数据经过压缩存储于磁盘阵列上，数据信息用来和光电经纬仪等其他设备进行二次分析。

飞行试验结束后，由控制处理中心发出断电信号关闭高速摄像机电源。

1.2.3 信息传输单元

此单元采用光纤作为传输媒介，在高速摄像机各个站点和控制处理中心之间进行控制信息、视频信息和数据信息的有效传输。模拟视频信号经视频电缆传输至视频采集编码器进行压缩，远程控制单元发出的控制信号经普通双绞线传送至光端机，转换成光脉冲经光缆传送至各个测量站点，再由各测量站的光端机转换成电平信号传送至高速摄像机，完成其远程控制；各个测站的视频和数据信号经光端机转换后再传回控制处理中心。图3给出了高速摄像机数据传输流向图，红色的为影像信息，蓝色的为数据信息。endprint

2 关键技术及测量原理

2.1 测量基准统一

测量基准的统一是系统进行测量、解算与监控的关键，其主要包括时间统一和空间统一。

2.1.1 时间统一

由于本系统中涉及较多分布于不同站点的测量设备，为使所有系统能够系统协调一致工作，就必须保证这些测量系统的时间基准一致。本系统为分布式[2]测试系统，控制处理中心很重要的一个功能就是为系统提供统一的GPS时码进行精确授时。中心处理服务器接收高精度GPS时码发生器产生的IRIG-B码时间，信号经放大、分配后输送至光端机（发送）转换成光信号，经光纤网络将该光信号传送到每个测量站点的光端机（接收）进行光电转换，还原后的IRIG-B码信号由控制中心统一向所有测量站点的高速摄像机发送，该时间信息既可以叠加在每一帧序列图像上，也可以作为视频文件的附加信息存储在视频文件中，通过事后处理播放软件可以实现时间信息与每一帧图像的严格对应。

2.1.2 空间基准

飞机着陆轨迹姿态的测量解算必须在特定的统一坐标系下进行，建立空间基准将不同坐标系中测到的各种参数转换到同一个坐标系中至关重要[3]。此工作的核心是尽可能地消除系统误差、测量噪声以及模型转换误差，保证在进行数据处理后得到目标的精确的状态。

先利用全站速测仪、大地型GPS等进行设备的标校，把所有设备的测量到统一到指定坐标系下，通过标校控制点获得设备配准的系统误差，然后利用外推算法进行动态跟踪配准。

2.2 摄像机的精确标校

像机的内外方位元素[4]是被测目标参数解算的基础，且直接决定了解算精度。利用摄影机进行目标空间位置解算时，首先要对像机的进行标校，确定物点与相对应像点的关系。其中摄像机的内方位元素[4]）和镜头畸变参数）可以在实验室标校得到，而表示摄影机内部坐标系与外部测量坐标系的平移和旋转变换参数的外方位元素[4]则需要在测量现场进行标定和解算得到。该文针对摄像机的标校，首先将检校控制标架设在高速摄像机前方，使其充满像机视场并清晰成像，利用全站仪测量得到控制点及公共控制点的坐标。获取的检校控制标图像作为检校片，而后利用三维直接线性变换[5]解法解算摄像机的内外方位元素初值，采用光束法平差[5]实现内外方位元素的精确求解，从而实现高速摄像机的精确标校。

2.3 影像特征点图像判读

对高速摄像机获取到的序列图像中飞机上布设的测量特征点进行图像判读[6-7]，可以得到特征点的序列图像坐标。该文采用的算法如下。

首先对图像中特征点进行粗定位，提取区域图像，并进行图像预处理，得到二值化图像。

根据二值化图像，设定合适的阈值T，对其进行边缘检测。

采用Hough变换等精定位方法可以得到这些特征点基于亚像素的坐标。

通过判读数据计算出特征点在图像中位置的变化量，进而计算出飞机的实际运动参数，解算过程如图4所示，实际拍摄图像定位如图5。

2.4 运动参数解算模型

摄像机的内方位元素通过摄像机检校已经获得，采用角锥体法[5]来计算机体坐标系下高速摄像机得外方位元素。

解算飞机运动轨迹，就是要计算每一时刻布设在飞机上的测量特征点的物方空间坐标[5]。通过旋转、平移这些测量特征点的机体坐，可求得这些特征点在跑道坐标系中的坐。其几何关系为：

（1）

只要求解出转换矩以及平移参，就可以进一步解算飞机运动轨迹。由于摄像机在物方空间的外方位元素已经通过光束法平差算法求得，在机体坐标系下的外方位元素也已经采用空间后方交会算法得到，两组角元素所组成的旋转矩阵记为，则有：

（2）

记为

这样，就可以解算出飞机上布设的特征点在每一时刻的机体坐标下系下的物方空间坐标，也就得到了飞机的着陆轨迹数据。

根据前述的步骤解算得到飞机上测量特征点在每一时刻的物方空间坐标，也即得到了飞机的运动轨迹，飞机在水平方向和垂直方向的速度可通过二阶中心平滑算法来进行求解。

（3）

式中表示时间序列；

平滑算法的点数为个；两个方向的速度求取的平滑权系数，摄影机相邻两帧的采样时间为h。

2.5 数据处理

数据解算件以判读得到的二维像空间坐标数据为输入，利用摄像机标校数据，结合运动参数解算数学模型，得到每帧图像上的测量特征点的物方空间坐标的精确解。然后对高速数字摄像机的数据进行数据格式的转换[2][8]、量纲的统一、异常信息的剔除[2][8]、系统误差修正[2][8]、滤波平滑[2][8]、插值处理[2][8]等处理，而后特征点的物方空间坐标经坐标转换计算被统一转换到目标坐标系即跑道坐标系下，获得所需的跑道坐标系下的高精度的空间定位信息、速度信息、姿态参数等，最后可按照要求给出数据结果，并输出曲线。

3 试验结果及数据分析

该论文的研究成果已经应用于某试验场飞机轨迹及姿态系统的建设及多种型号的飞行试验中，完整的测量系统优质高效的完成了多架次的飞行保障任务，图6至图9分别给出了经过误差修正、野值剔除等处理后的飞机着陆段偏航距离、高度、下沉速度和俯仰角随时间变化的数据曲线，测量结果满足任务需求。

4 结论

该文根据飞行试验具体的测试要求及所承担的任务特点，对飞机着陆轨迹姿态测量及监控的关键及难点问题进行了深入研究，研制了一套完整的测量及监控系统，经飞行试验验证，结果表明该方法简便易行、系统稳定可靠、处理结果精度高，满足任务要求；同时该测量方法具有较高的实际工程应用价值，不仅适用于飞行目标的轨迹姿态测量和其它类似运动物体的运动参数解算，其数学模型还具有多种型号的推广性。

参考文献

[1] 航空武器装备飞行试验指南[R].西安：中国飞行试验研究院，2009：55.

[2] 张九宾，张丕状，杜坤坤.无线分布式测试系统时间统一技术的研究[J].核电子学与探测技术，2010，30（3）：380-384.

[3] 刘利生.外弹道测量数据处理[M].北京：国防工业出版社，2002.

[4] 王之卓.摄影测量原理[M].武汉：武汉测绘科技大学出版社，2007.

[5] 冯文灏.近景摄影测量：物体外形与运动状态的摄影法测定[M].武汉：武汉大学出版社，2002.

[6] 张虎龙，李娟妮.头盔瞄准具精度鉴定试飞图像判读技术研究[J].计算机工程与应用，2011，47（24）：157-159.

[7] 张三喜，胡小丽，周志强，等.基于光学图像的目标姿态判读处理[J].应用光学，2011，32（4）：657-661.

[8] 朱丹，徐秦，方建勋.靶场外测数据实时处理软件设计[J].军械工程学院学报，2010，22（1）：53-56.endprint