基于遥测PCM数据的多经纬仪网络同步引导

(中国飞行试验研究院，陕西 西安 710089)

基于遥测PCM数据的多经纬仪网络同步引导

张杰

(中国飞行试验研究院，陕西西安710089)

为提高光电经纬仪利用率，充分发挥光电经纬仪的跟踪测量能力，减少人工跟踪所耗精力与失误率，提出一种基于遥测PCM数据的多站点光电经纬仪网络同步实时引导方法；将试验场现有不同型号光电经纬仪组网，建立与中心机、遥测监控处信息交联的网络结构，实现远程中心通讯控制；基于TCP实现PCM数据网络接收，采用三点截止法剔除粗差，组播发送数据至各站点，经坐标转换和滤波等处理解算出目标相对于各站点的方位、俯仰和距离值并发送至主控程序进行驱动，从而实现光电经纬仪的实时同步引导；实际应用结果表明，该方法可实施性强，数据准确，可靠，目标引导跟踪稳定，是实现多经 纬仪组网测量的有效保证。

自动随动系统；多经纬仪组网；同步引导；PCM遥测

0 引言

光电经纬仪(简称经纬仪)是一种集光机电技术于一体的测量设备，具有较高的跟踪、测量能力，且抗电子干扰能力强等优点，是我军各试验靶场广泛使用的高精度定位测量设备，在飞行试验中运用于飞机、导弹、外挂物投放的跟踪与轨迹、姿态测量以及无线电外测设备的精度鉴定[1]。经纬仪的探测能力是由长焦镜头和CCD 相机性能(包括分辨率、灵敏度)等因素决定的。实际使用中，由于捕获电视系统的视场大小有限，当测量站距离目标较远或大气能见度较低时，仅依靠人工操作单杆，很难及时发现目标。因此，为有效发挥光电经纬仪的跟踪测量功能，需使其具备接收“外引导”的能力。

所谓外引导是指光电经纬仪利用外部设备发送的目标位置信息，进行必要的数据处理，转换成目标相对于光电经纬仪的极坐标，然后引导控制系统对目标进行捕获[2]。目前，光电经纬仪主要有雷达引导和GPS引导方式。对于低空目标，由于地面杂波及其他干扰的影响，雷达无法进行精确的定位与跟踪，不能提供有效的引导数据；GPS引导的实现需在机上和地面分别加装一些测试设备，使用有一定的限制。

基于遥测PCM数据的多站经纬仪网络同步引导是考虑现有试飞测试中大部分飞机都有遥测监控，遥测PCM数据获取方便，无需附加测试设备即可实现引导，且数据采样率与可靠性高，因此，以遥测PCM数据作为光电经纬仪外引导源数据，能有效保证设备跟踪目标的稳定性。从遥测PCM数据流中提取时间、位置、速度等信息，经滤波处理向同一网络中所有经纬仪发送数据，在经纬仪各站进行数据处理得到目标相对于光电经纬仪的极坐标信息并发送给主控计算机，从而实现多站经纬仪的同步实时引导，为多站经纬仪组网跟踪测量提供了有效技术保障。

1 多经纬仪网络同步引导系统结构

舰载机飞行试验时，为了精确测量舰载机进近段轨迹和特征点信息，一般采用舰载光电经纬仪。它采用自主方式工作，依据自身观测系统测得的目标位置信息和视频图像信息，在甲板坐标系下解算，获得目标精确的运动轨迹。但由于光电经纬仪易受天气影响，作用距离短且视场小，当飞机进入它的工作域内时，经常来不及跟踪。国内外在该方面进行报道的论文资料比较少，针对这个问题，业界常根据舰上和机上装备情况采用红外引导[1]、互引导和外引导等工作方式，当有目标信号时，引导经纬仪主镜朝向目标方向，一旦目标进入试验区域则及时捕获。目前，国内外研究的视轴稳定技术主要有两种：一是采用机械稳定平台的反方向摇摆克服舰艇的纵摇、横摇和艏摇，为光电跟踪测量设备提供近似水平的安装基础，如我国远望号测量船上的光电经纬仪的稳像平台。另一种是直接把光电经纬仪安装在甲板上,通过船姿测量仪测量出船体摆动，从而实时计算出视轴在大地坐标系中的偏离误差，并对俯仰轴和方位轴进行船摇姿态角的实时补偿。这种方法取消了笨重的机械稳定平台和中间测控环节，可以保证视轴的指向准确度。

试验场中各经纬仪站点与中心机房采用光纤网络通讯，中心机房与遥测监控机房通过遥测核心交换机进行数据通讯，以获得遥测PCM数据，然后通过处理机对PCM数据中大地坐标数据和飞机速度数据进行滤波处理，进而通过网络交换机和光端机向各经纬仪站点上的引导计算机分发数据，在引导计算机进行时间配准、引导坐标计算、数据滤波、插值、预测等处理，再通过串口或网络向主控计算机发送引导数据，以驱动经纬仪进行目标捕获。其网络通讯结构和系统信息交联情况如图1和图2所示。图一为多台经纬仪与光端机通信情况，中心机房与遥测监控机房通过遥测核心交换机进行数据通讯，以获得遥测PCM数据，然后通过处理机对PCM数据中大地坐标数据和飞机速度数据进行滤波处理，各台经纬仪获得大地坐标后进行自动引导。图2为PCM转发的数据经过数据处理后到达经纬仪的处理流程。

图1 多经纬仪同步引导系统网络通讯结构

图2 多经纬仪同步引导系统信息交联

2 数据引导方法

2.1 数据收发

系统涉及三部分通信：

1)系统服务器端(中心机房)与遥测监控客户端间的通信，通过TCP的socket编程[5]实现与遥测PCM数据客户端之间的通信连接，之后向遥测PCM数据客户端发送所需提取的参数名，即可获得目标时间、位置坐标与三向速度等引导源数据；也可通过组播方式接收网络上数据包，提取数据包中引导源数据[3]。

2)系统服务器(中心机房)与系统客户端(经纬仪站点的引导计算机)之间以组播方式进行通信，可使同一网络的多站经纬仪站点同步获得引导源数据；

3)由于经纬仪设备研制时期不同，引导计算机与主控计算机间的通讯也不尽相同，因此，根据现有配置可通过串口或网络通讯向主控程序发送引导信息，以驱动系统对目标进行捕获与跟踪。

2.2 引导源数据异常剔除

通过实际数据分析，中心机房接收到的引导源PCM数据有以下特点：一是该数据含有偏离正常航迹不大的小野点且常以单点的形式出现；二是一组数据中的各变量出错无相关性，即纬度B出错，经度L可能正确；三是东北天三向速度Ve,Vn,Vu相比大地坐标来说异值较少，因此，为尽量保留正确数据，采用三点截止法剔除掉粗差。

2.2.1 算法

第二步连续只执行三次，第四次跳过第二步直接执行第三步。式中fabs表示取绝对值。λ由试验确定，试验表明：对经度和纬度处理取5，高程处理取20。

2.2.2Dt,dB的确定

Dt表示当前接收时刻与上次接收时刻之间所经过的时间周期数，可由接收数据的计算机时刻决定。dB表示Dt内目标的位置变化，可由目标的速度估计得到，采用五点中位数法估计，设：Vx(k-4),Vx(k-3),Vx(k-2),Vx(k-1),Vx(k)表示Tk时刻已采集到的速度的前5个采样值，则：

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

(1)

(2)

2.3 引导参数计算与预测

在引导计算机上进行坐标转换、数据滤波、插值与预测处理，得到目标相对于光电经纬仪的极坐标，即目标引导信息，其坐标转换过程包括：

2.3.1 大地坐标转地心空间直角坐标系坐标

(3)

其中：

2.3.2 地心空间直角坐标系坐标转垂线测量坐标系坐标

(4)

其中：(XG,YG,ZG)，(XG0,YG0,ZG0)分别为目标点和垂线测量坐标系原点的地心空间直角坐标；(XC,YC,ZC)为目标点的垂线测量坐标系坐标，B0,L0分别为垂线测量坐标系原点的大地纬度和经度。

2.3.3 数据滤波和插值

在数据滤波的顺序上，通常是将大地极坐标系B,L,H转换到地心空间直角坐标系或垂线测量坐标系后再利用常规的滤波方法进行数据滤波[4]。此处采用对垂线测量坐标数据进行滤波，由于PCM数据的采样率较高，数据比较稳定，采用滑窗式最小二乘法对数据进行平滑和插值[6-7]。

2.3.4 垂线测量坐标系坐标转极坐标系坐标(目标的方位A和俯仰角E)

目标方位角A的计算公式为：

A=tg-1(ZC/XC)

(5)

目标俯仰角E的计算公式为：

(6)

目标距离R的计算公式为：

(7)

通过上述计算得到的方位应按空间目标在测量坐标系中的投影象限转为工作范围之内的值：

第二象限：A=A+180；第三象限：A=A+180；第四象限：A=A+360。

2.3.5 数据预测

在实际使用中往往不能将目标引导至视场中心，主要原因是目标位置信息经遥测下传、中心机房网络接收再至主控计算机，需要一定的时间，造成信息滞后。为将目标尽可能引入视场中心，需进行数据预测[5]。通过式(4)的坐标旋转关系可计算垂线测量坐标系下的飞机速度(VXC,VYC,VZC)，从而可求得目标的角速度，根据试验，估计出一个延时值，以便对目标进行跟踪预测。

目标方位角速度为：

VA=(VZCcosA-VXCsinA)/(RcosE)

(8)

目标俯仰角速度为：

VE=(VYCcosE-(VXCcosA+VZCsinA)sinE)/R

(9)

3 试验结果

为验证基于遥测PCM数据的多经纬仪网络同步引导方法的可行性与可靠性，开发了基于VC++的经纬仪同步引导系统，在某日飞行试验时，通过引导系统，能有效剔除PCM数据中的异常值，很好地实现了双站光电经纬仪的目标捕获与同步跟踪[6]；以其中一站为例，根据接收的PCM数据计算得到的经纬仪引导数据如图3所示。

图3 经纬仪引导参数计算与滤波预测效果

试验场中各经纬仪站点与中心机房采用光纤网络通讯，中心机房与遥测监控机房通过遥测核心交换机进行数据通讯，以获得遥测PCM数据，然后通过处理机对PCM数据中大地坐标数据和飞机速度数据进行滤波处理，进而通过网络交换机和光端机向各经纬仪站点上的引导计算机分发数据。

步骤如下：首选时间配准、然后引导坐标计算和数据滤波、接着插值预测等处理，最后再通过串口或网络向主控计算机发送引导数据，以驱动经纬仪进行目标捕获。

4 结束语

在试飞遥测下传技术成熟，遥测监控成为试飞安全重要保障的情况下，遥测网络PCM数据获取更便捷、数据质量不断提高，其作为光电经纬仪外部引导源数据将是现在引导系统设计的首选；相比现有其它引导方式，本方法不需要在飞机和经纬仪上附加测试设备，节省资源，目标引导跟踪更稳定可靠；基于遥测网络PCM数据的多经纬仪同步引导作为现有引导系统的升级与扩展[7]，提高了试飞测试数据的利用率，节约了经纬仪引导实现的成本，增强了经纬仪的使用效能；同时通过网络通信、串口通信实现试飞基地内所有经纬仪站点的信息交联，为多站经纬仪组网测量的实现提供了有效技术保障。

[1] 侯海啸, 贾浩正, 吴 衡. 光电经纬仪相机位姿光束法平差外场检校[J]. 光电工程，2013, 40(5):28-33.

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

[3] 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,2015,29(3):109-111.

[4] 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.

[5] 赵彩英，张兴国,等.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.

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

[7] 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.

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)。

张 杰(1983-)，男，江苏扬州人，硕士研究生，高级工程师，主要从事航空视觉测量，从事飞行试验光电测试方向的工作。

1671-4598(2017)11-0224-03

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

TP3

A