基于光电经纬仪的飞机着陆下滑引导监视系统设计

摘 要： 基于飞机着陆下滑引导监视系统设计需求，针对现有光电经纬仪通信的缺陷，通过分析系统通信物理链路，突破了光电经纬仪之间通信转换协议设计、查表法CRC码校验快速计算、实测数据滤波模型构建等关键技术，以软件技术代替硬件板卡信号处理，实现了稳定可靠且成本低廉的飞机着陆下滑引导监视系统，实验部分验证了该方法的有效性。目前，该系统已成功应用到某型飞机灯光着陆系统试飞中。

关键词： 光电经纬仪； 数据链路层通信协议； 循环冗余码校验； 扩展卡尔曼滤波

中图分类号： TN948.64?34 文献标识码： A 文章编号： 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

根据型号任务要求，需要将两台光电经纬仪测量的飞机下滑的轨迹数据实时送到指挥显控台上，为决策指挥提供参考。采用硬件板卡实现DDCMP数据通信开发成本高，且开发周期长，为此开发设计了经纬仪实时数据转发平臺。此平台包括硬件平台和软件平台两部分[1]。硬件平台实现了数据通信的物理链路，软件平台实现了数据的实时接收、处理、显示及转发监控显控台的功能。

1 系统组成及信号流程

1.1 系统硬件平台

中心站计算机实时接收两台经纬仪的数据，然后分别对两条数据流按各自的通信格式进行解包，再进行数据滤波、坐标转换，然后打包成DDCMP格式的数据，通过串口、光端机发送到灯光着陆系统的智能通信处理机（ICP），再通过ICP的硬件板卡解码，最后送到监控台[2]。系统信号流程如图1所示。

1.2 软件功能模块及信号流程

软件按功能模块划分主要有9个，分别为主控模块、数据接收模块、数据滤波模块、坐标转换模块、数据显示模块、数据转发模块、电子地图显示模块、二维曲线显示模块、数据保存模块[3]。

软件总体模块构成如图2所示。

2 关键技术及解决方法

2.1 关键技术

（1） 通信协议转换。两台经纬仪采用各自定义的数据格式，监控系统采用数据链路层协议DDCMP，必须要进行协议转换才能进行数据通信。

（2） CRC软件实现。CRC计算比较复杂，工程中一般采用高速FPGA实现，这就需要开发硬件板卡，但是项目时间不允许；如何通过软件法实现CRC校验的实时性、稳定性及可靠性是技术难点。

（3） 数据滤波算法。在实际飞行试验中，光电经纬仪激光距离值有断点、跳点、零点，如果把数据直接送到监控显控台，将影响指挥员决策指挥；而且飞机是非线性机动飞行，并且滤波算法必须满足实时性要求[4]。

2.2 解决方法

两台光电经纬仪，固定站为1998年设备，活动站为2008年改造后设备，两者的数据格式不同。固定站数据帧格式如图3所示。

监控系统采用DDCMP的数据格式，DDCMP传输的基本单元是帧，图5是每帧的结构情况。它的数据必须是8位的整数倍，即它必须以字节为单位进行传送。

软件平台分别接收固定站和活动站数据，然后根据各自格式解包，提取出T，A，E，R，经过坐标转换，解出目标相对于经纬仪的x，y，z，然后进行打包处理（转换为DDCMP格式），最后通过串口光端机发送到监控。

3 CRC软件实现

DDCMP数据通信协议中用到了差错校验码?循环校验码（CRC码）。CRC校验是利用除法及余数的原理来作错误侦测的。实际应用时，发送装置将一段信息看成一个二进制数，然后用一个特定的数（即生成多项式）去除它，计算出余数即CRC值作为校验码并随数据一同发送给接收装置，接收装置对收到的数据重新计算CRC值并与收到的CRC值相比较，若两个CRC值不同，则说明数据通信出现错误[5]。

CRC校验码的产生比较复杂，计算量大，数据通信过程中要求有尽可能高的效率，这就要求尽可能缩短编码时间。如果在通信过程中不断进行求余运算，那么就要花费大量的CPU时间，为此可采用查表法，如下：

在通信开始前，在内存中开辟一个区域（设首址为table），将预先计算好的（n，k）循环码信息元m的余式，存放入table+m中，制成余式表。那么，通信过程中，对任一信息元M，可立即从表中table+x位置查出其相应余式，組成完整码字，这就是查表法。查表法大大提高了通信的效率校验。

4 数据滤波方法实现

光电经纬仪测量数据A，E，R为非线性，且目标运动速度较大，可达100 m/s，根据实际情况，本系统采用了扩展卡尔曼滤波（EKF）算法。这是一种适合于非线性系统的自适应滤波算法[6]。利用泰勒级数展开，将非线性函数线性化，然后应用卡尔曼滤波算法，这种处理方法称为扩展卡尔曼滤波算法。

4.1 系统建模

4.2 线性化后按卡尔曼算法进行迭代计算

5 飞行试验验证

光电经纬仪实时测量飞机下滑数据经过滤波后，得到A，E，R，再经过坐标转换，转到以跑道西原点为坐标原点，沿跑道方向为x轴的直角坐标系中。再转换成DDCMP数据格式，发送给监控台。监控台接收到经纬仪测量数据后在电子地图上实时显示飞机的下滑轨迹，并与设定的飞机理想下滑轨迹进行对比，可直观判断出飞机在下滑过程中是否偏离理想轨迹，以便于指挥员指挥飞行员操纵飞机，以逼近理想下滑轨迹。对记录保存的数据进行事后数据处理，结果如图7～图9所示。

6 结 论

本文介绍的光电经纬仪实时数据转发监控系统用软件法代替了硬件板卡实现了光电经纬仪实时数据发送到监控显控台的功能。而且把光电经纬仪的应用由单一的事后数据处理模式扩展到实时数据处理领域，并且把两台独立经纬仪的实时数据交联在一起。如果根据需要还可以实时接收机载GPS数据、引导雷达数据及二次雷达数据，从而形成一个大的测试平台。在已经进行的某型飞机的灯光着陆系统验证试飞科目中，系统工作稳定可靠，能够满足着陆系统验证试飞需求。

参考文献

[1] 谭顺成，王国宏，王娜，等.改进的交互式当前统计模型算法[J].电光与控制，2011（4）：21?25.

[2] 栾胜利，李洪梅，滕国生，等.基于UKF_IMM的多信源机动目标跟踪研究[J].指挥控制与仿真，2010（3）：36?40.

[3] 孙志雄，谢海霞.基于FPGA的CRC编解码器实现[J].电子器件，2012（6）：657?660.

[4] 赵彩英，张兴国.基于多源信息融合的空中运动目标定位技术[J].测控技术，2012（6）：26?28.

[5] 赵季红，雷佩，王伟华，等.基于小波变换的RLS波束成形算法研究[J].电信科学，2015（2）：109?111.

[6] 陆莹，牛蕊，王伟，等.基于小波变换的图像边缘提取算法[J].测绘与空间地理信息，2015，38（3）：21?24.