， ，

(中國洛陽電子裝備試驗中心，河南 洛陽 471003)

0 引言

飛行試驗中，一般需要多套不同原理、體制、性能的測量裝備同時跟蹤、測量飛行目標，這些裝備的測量方式、測量能力、部署地域存在差異。從測量方式看，有雷達測量、光學測量、衛(wèi)星測量；從測量精度看，光學、衛(wèi)星測量能達到厘米級，精測雷達能達到米級，而一些目標指示雷達則只能達到百米級；從測試距離看，光學測量依賴大氣能見度，衛(wèi)星測量取決于基準站的基線長度，雷達測量則能達到幾百千米；另外，根據(jù)試驗的需要，這些裝備可能部署在自然環(huán)境差異較大的地域。由于上述這些原因，各裝備對目標的捕獲、跟蹤、丟失的時間不盡相同，因此，當一臺測量裝備未捕獲或者丟失目標時，如果有其他裝備的數(shù)據(jù)為其引導，將會大大縮短其捕獲目標的時間，從而使各裝備為試驗提供更多的測試數(shù)據(jù)。本文考慮通過對多臺測量裝備組網(wǎng)的方式形成一個有效的測量引導網(wǎng)，實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)實時共享，數(shù)據(jù)自動驅(qū)動裝備捕獲目標，提高整體測量能力。

1 網(wǎng)絡構(gòu)建思路

引導網(wǎng)由數(shù)據(jù)采集引導終端、實時處理終端、服務器三塊組成。數(shù)據(jù)采集引導終端和測量裝備連接，可以根據(jù)入網(wǎng)的測量裝備數(shù)量設置多個節(jié)點；實時處理終端和服務器可以設置在指控場所，便于操控以及為指控系統(tǒng)提供航跡顯示數(shù)據(jù)等信息，網(wǎng)絡構(gòu)建如圖1所示。

圖1 測量引導網(wǎng)構(gòu)建示意圖

數(shù)據(jù)采集引導終端主要功能是根據(jù)實時處理終端的需求接收測量裝備采集到的數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)發(fā)到目的終端，同時在本地測量裝備沒有跟蹤上飛行目標時，向?qū)崟r處理終端發(fā)出請求，接收引導數(shù)據(jù)后將其注入測量裝備，驅(qū)動天線朝目標方向轉(zhuǎn)動，特別的，GNSS測量系統(tǒng)只需作為引導源的提供者而不需要引導；實時處理終端是引導網(wǎng)絡的核心，監(jiān)控各節(jié)點的數(shù)據(jù)狀態(tài)，調(diào)配數(shù)據(jù)資源，根據(jù)需求生成引導數(shù)據(jù)，并能夠為外圍指控系統(tǒng)提供航跡顯示數(shù)據(jù)等服務；服務器主要存儲裝備坐標點位、相關(guān)的配置信息，備份各測量裝備的數(shù)據(jù)。

2 數(shù)學模型

對引導源數(shù)據(jù)進行優(yōu)化后才能生成引導數(shù)據(jù)，主要經(jīng)過平滑剔點、坐標轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)外推幾個步驟，平滑剔點完成對數(shù)據(jù)源野值點的剔除，提供可靠有效的數(shù)據(jù)源[1]；坐標轉(zhuǎn)換完成不同坐標系下的坐標值的轉(zhuǎn)換；數(shù)據(jù)融合根據(jù)實際要求對同時錄取的幾批數(shù)據(jù)進行有效融合，生成更精確的數(shù)據(jù)；坐標外推是為了解決數(shù)據(jù)處理和傳輸過程產(chǎn)生的時間延遲帶來的誤差，將數(shù)據(jù)外推到延遲時間之后的一個點，使引導數(shù)據(jù)更接近飛行目標的真實位置。

2.1 平滑剔點

為討論方便，所有測量值都統(tǒng)一到大地直角坐標系下，設飛行目標最大速度為v0，可以看成一個常量，設某臺裝備某時間片的速度變化為：

若vi≤v0，則默認該點正常，可以作為引導數(shù)據(jù)；若vi>v0則判斷(Xi,Yi,Zi)可能是野值點，將其剔除。同時，外推一個擬合點(X,Y,Z)替代，設(Xi,Yi,Zi)前三個連續(xù)的點分別為(X0,Y0,Z0,t0)、(X1,Y1,Z1,t1)、(X2,Y2,Z2,t2)，這里將三個坐標值看作時間的函數(shù)，則根據(jù)拉格朗日插值多項式[2-3]可以得到：

同理可以得到Y(jié)(t)、Z(t)。對于周期連續(xù)的數(shù)據(jù)，可以令t1-t0=t2-t1=1，若Δt=t-t2，則擬合點的求解可以簡化為下列方便編程實踐的公式：

這種方法通過判斷速度大小來取舍坐標點比較簡便，但也比較粗略，尤其是飛行目標起降時的速度要小得多，但是僅作為引導數(shù)據(jù)而非評估真值，其精度是能夠滿足要求的。

2.2 坐標轉(zhuǎn)換

具體的坐標轉(zhuǎn)換公式很容易在相關(guān)文獻上查到，本文僅簡單討論一下轉(zhuǎn)換關(guān)系。測量裝備常見的坐標系主要有以裝備所在點為原點的測站中心坐標系和以地球質(zhì)心為原點(橢球中心)的地心坐標系兩大類。測站中心坐標系常用的有球坐標系(r,e,a)和直角坐標系(x,y,z)兩種，地心坐標系常用的有空間大地直角坐標系(X,Y,Z)和大地坐標系(L,B,H)兩種。兩類四種坐標系的轉(zhuǎn)換關(guān)系[4-5]如圖2所示。

圖2 不同坐標系之間轉(zhuǎn)換關(guān)系示意圖

舉例對同類內(nèi)和不同類之間的坐標轉(zhuǎn)換作一說明，一個點(r,e,a)在以O1、O2為原點的兩個球坐標系之間的轉(zhuǎn)換步驟為：

一個以O1為橢球中心的大地坐標點(L,B,H)轉(zhuǎn)換到以O2為原點的球坐標點的轉(zhuǎn)換步驟為：

2.3 數(shù)據(jù)融合

如果多套測量裝備同時有可以作為引導的數(shù)據(jù)，但這些數(shù)據(jù)的精度不同，就必須進行數(shù)據(jù)融合[6]。數(shù)據(jù)融合收集、處理多個測量設備數(shù)據(jù)，通過設備之間的性能互補和相互協(xié)調(diào)，克服單個設備的不確定性和局限性，具有降低虛警率、增大數(shù)據(jù)覆蓋面、提高目標探測識別與跟蹤能力、增強系統(tǒng)故障容錯與魯棒性等優(yōu)點[7]。當引導系統(tǒng)接收多個測量設備數(shù)據(jù)時，通過數(shù)據(jù)融合，可以獲得更為可靠、更大覆蓋范圍的融合引導數(shù)據(jù)。

單臺經(jīng)緯儀測量時只能提供方位角和俯仰角，其測角精度比較高，但不能測距，可以考慮將其他裝備的測距轉(zhuǎn)換到經(jīng)緯儀的測量坐標系內(nèi)，就能得到更優(yōu)的坐標值。設某測量裝備的測距為D0，其位置點在經(jīng)緯儀測量坐標系下的距離、方位、俯仰值分別為D*、β*、ε*,經(jīng)緯儀測得的方位、俯仰值為α1、λ1，則D0轉(zhuǎn)換到經(jīng)緯儀測量坐標系下的距離D1可通過如下公式[10]算出：

Q1=cos-1(cosε*cosλ1cos(α1-β*)+sinε*sinλ1)

于是就得到一個融合優(yōu)化點(D0,α1,λ1)，即可作為引導數(shù)據(jù)。需要指出的是，求解角度Q2時，已經(jīng)假定Q2是銳角，否則會出錯，當然，如果經(jīng)緯儀和提供距離的測量裝備相距不是太遠，飛行目標就不可能飛行到以兩者為直徑的球體內(nèi)，也就不會出現(xiàn)上述情況。

2.4 數(shù)據(jù)外推

引導數(shù)據(jù)經(jīng)過各種換算并傳到被引導裝備點位時，因為延時的影響導致引導數(shù)據(jù)的誤差增大，可以考慮通過數(shù)據(jù)外推來彌補。試驗中，各測量裝備都是通過衛(wèi)星時間進行同步[11]，如圖3所示，設引導源裝備A在t1時刻測得目標數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)過一系列變換處理后，t2時刻傳輸?shù)奖灰龑аb備B的計算機，此時可以先將引導數(shù)據(jù)外推延遲時間(t2-t1)后再注入被引導裝備驅(qū)動天線。外推模型可以采用本文3.1所述的拉格朗日插值方法[12]。

圖3 引導數(shù)據(jù)時間延遲示意圖

3 軟件架構(gòu)

軟件系統(tǒng)開發(fā)平臺采用Visual Studio 2010和SQL Server 2008，開發(fā)語言為C#。軟件系統(tǒng)是整個試驗引導平臺的核心，是所有數(shù)據(jù)接收、處理、發(fā)送、存儲的中心。軟件系統(tǒng)根據(jù)硬件系統(tǒng)的架構(gòu)形式也對應地設計為三個部分：數(shù)據(jù)采集引導終端分系統(tǒng)、實時處理終端分系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫分系統(tǒng)，三者之間的數(shù)據(jù)處理、信息交互如圖4所示。

圖4 引導網(wǎng)數(shù)據(jù)處理、信息交互示意圖

3.1 數(shù)據(jù)采集引導終端分系統(tǒng)

整套系統(tǒng)有多個數(shù)據(jù)采集引導終端，與裝備直連，主要功能可以概括為兩個方面，一是采集裝備數(shù)據(jù)并向?qū)崟r處理終端發(fā)送，作為生成其他裝備引導數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)源；二是向?qū)崟r處理終端發(fā)送引導請求，接收引導數(shù)據(jù)，處理后注入裝備天線伺服系統(tǒng)。作為數(shù)據(jù)源采集時，其基本流程是：①接收裝備原始數(shù)據(jù)；②剔除數(shù)據(jù)中的野值點；③將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為大地直角坐標，為數(shù)據(jù)處理方便，把網(wǎng)絡傳輸?shù)臄?shù)據(jù)統(tǒng)一為大地直角坐標，特別的，因單臺光學經(jīng)緯儀測得的數(shù)據(jù)只有方位角和俯仰角，可以先請求實時處理終端轉(zhuǎn)發(fā)其他裝備數(shù)據(jù)過來，數(shù)據(jù)融合優(yōu)化后再進行坐標轉(zhuǎn)換；④將數(shù)據(jù)打包并發(fā)送至實時處理終端和服務器。作為接收引導數(shù)據(jù)時，其基本流程是：①提取實時處理終端發(fā)來的數(shù)據(jù)；②將大地直角坐標轉(zhuǎn)換為裝備的站心坐標；③計算延遲時間，并外推；④打包成網(wǎng)絡傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式，發(fā)送至裝備數(shù)據(jù)接口。網(wǎng)絡傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包格式可以簡要定義為表1形式。

表1 網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)包格式

數(shù)據(jù)采集引導終端分系統(tǒng)主要功能模塊如圖5所示。

3.2 實時處理終端分系統(tǒng)

整套系統(tǒng)只有一個實時處理終端，處于核心地位，所有信息都要經(jīng)過它處理、授權(quán)，所有資源都由它調(diào)度、分配?？梢?/p>

圖5 數(shù)據(jù)采集引導終端分系統(tǒng)功能模塊結(jié)構(gòu)圖

對其附加很多功能，最基本的應包括：①管理數(shù)據(jù)庫，如系統(tǒng)初始化，數(shù)據(jù)的存儲與否，等；②監(jiān)控測量裝備的狀態(tài)，如是否有數(shù)據(jù)、是否需要引導、是否丟失數(shù)據(jù)、是否終止引導，等；③調(diào)度分配資源，如根據(jù)裝備的測量精度等級劃分引導源的優(yōu)先順序、根據(jù)需求融合多批數(shù)據(jù)、生成引導數(shù)據(jù)等。

這些功能里面最為關(guān)鍵的是引導數(shù)據(jù)的生成，系統(tǒng)運行時，實時處理終端一方面掃描數(shù)據(jù)源情況，生成引導數(shù)據(jù)；另一方面掃描引導請求情況，向發(fā)出引導請求的裝備發(fā)送引導數(shù)據(jù)或等待消息。實時處理終端分系統(tǒng)主要由六大模塊組成：人員登錄、網(wǎng)絡通信、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)庫管理和系統(tǒng)控制模塊，各個模塊又分為多個子模塊，實現(xiàn)各具體功能，如圖6所示。

3.2.1 人員登錄模塊

該模塊主要實現(xiàn)操作人員登錄系統(tǒng)的功能。系統(tǒng)為每一名操作人員設置了權(quán)限，為了系統(tǒng)的安全，操作人員必須輸入正確的用戶名和密碼才能登錄和使用系統(tǒng)的相關(guān)功能。

3.2.2 網(wǎng)絡通信模塊

該模塊主要是實現(xiàn)利用平臺網(wǎng)絡傳輸測量數(shù)據(jù)的功能，其主要分為兩個子模塊：網(wǎng)絡數(shù)據(jù)接收和網(wǎng)絡數(shù)據(jù)發(fā)送。數(shù)據(jù)在平臺網(wǎng)絡中的傳輸方式主要是UDP傳輸，利用Socket編程實現(xiàn)UDP接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的功能，主要由UDPSendRev類實現(xiàn)。數(shù)據(jù)接收的功能利用函數(shù)SendingMsg()實現(xiàn)，數(shù)據(jù)接收的功能利用函數(shù)ReceivingMsg()實現(xiàn)。

“小表姐正生氣二表哥偷懶，卻聽見柴垛的后面有響動，然后，居然聽到了女人的喘息聲。小表姐的臉色變得難看起來，已經(jīng)是大姑娘的她，知道那是什么聲音，于是奔到柴垛后面一看，呆住了。

3.2.3 數(shù)據(jù)處理模塊

該模塊主要是實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的相關(guān)功能，包括數(shù)據(jù)預處理、坐標轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)融合。該功能主要是利用DataPoint類來實現(xiàn)，在DataPoint類中編寫了實現(xiàn)各功能的相關(guān)函數(shù)，如表2所示。

表2 數(shù)據(jù)處理模塊功能實現(xiàn)函數(shù)

3.2.4 數(shù)據(jù)顯示模塊

該模塊主要是實現(xiàn)實時測量數(shù)據(jù)的顯示和飛行目標航跡的二維實時顯示。當系統(tǒng)接收到新的測量數(shù)據(jù)時，在DataGridView控件中插入新的一行并顯示新的接收數(shù)據(jù)，顯示的內(nèi)容包括數(shù)據(jù)錄取時間、數(shù)據(jù)來源、試驗代號、目標批次號、大地直角坐標數(shù)據(jù)、經(jīng)緯度數(shù)據(jù)、球坐標數(shù)據(jù)等。航跡顯示主要是利用ZedGraph.dll來實現(xiàn)。

3.2.5 數(shù)據(jù)庫管理模塊

該模塊主要是實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的管理，包括數(shù)據(jù)插入、數(shù)據(jù)修改、數(shù)據(jù)刪除、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)庫備份和恢復等。系統(tǒng)連接上數(shù)據(jù)庫后，利用DataSet和DataAdapter將數(shù)據(jù)庫所有表的內(nèi)容顯示在DataGridView中。通過對DataGridView操作實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫表數(shù)據(jù)的插入、修改和保存等功能。

3.2.6 系統(tǒng)控制模塊

該模塊主要實現(xiàn)對數(shù)據(jù)采集引導終端分系統(tǒng)的控制和系統(tǒng)操作日志記錄的功能。數(shù)據(jù)采集引導終端分系統(tǒng)是安裝在各裝備的PC端上，由于裝備的位置比較分散，難以集中管控，給試驗引導平臺的維護、管理帶來了困難，也存在著一定的安全隱患。因此為了消除這些困難和隱患，需要在實時處理終端分系統(tǒng)上實現(xiàn)控制功能，使其能夠在一定程度上控制數(shù)據(jù)采集引導終端分系統(tǒng)，保證整個試驗引導平臺安全、有序的進行?？刂品绞街饕前l(fā)送指令，即實時處理終端分系統(tǒng)可以向網(wǎng)絡鏈路中的數(shù)據(jù)采集引導終端分系統(tǒng)發(fā)送控制指令，數(shù)據(jù)采集引導終端分系統(tǒng)接收到指令后根據(jù)預定義規(guī)則執(zhí)行相關(guān)操作。同時，實時處理終端分系統(tǒng)也可以向數(shù)據(jù)采集引導終端分系統(tǒng)發(fā)送相關(guān)信息，以便于雙方操作人員的交流。消息包格式如表3所示。

表3 實時處理終端分系統(tǒng)發(fā)送消息包格式

其中，同步碼為消息包的包頭，表示這是消息包。

類型分為兩種：控制指令(Control)、信息(Message)。

IP地址為消息發(fā)送目的地的網(wǎng)絡地址。

消息代碼為預定義的控制指令代碼，接收端讀取消息代碼，根據(jù)預定義內(nèi)容執(zhí)行相關(guān)操作。

消息內(nèi)容主要針對發(fā)送的Message內(nèi)容，顯示相關(guān)信息。

說明不是必選項，是對當前消息的情況介紹。

校驗碼是對消息包完整情況的檢查，是對消息包的檢驗。

實時處理終端分系統(tǒng)還具有記錄操作日志的功能。系統(tǒng)會把所有操作的記錄、系統(tǒng)內(nèi)部運行的情況等都顯示在界面上，并備份到本地日志文件中，以便于操作人員實時了解系統(tǒng)的運行狀況，及時發(fā)現(xiàn)問題和解決問題，避免異常情況的發(fā)生。

3.2.7 系統(tǒng)流程

實時處理終端分系統(tǒng)系統(tǒng)流程圖如圖7所示。

圖7 實時處理終端分系統(tǒng)系統(tǒng)流程圖

3.3 數(shù)據(jù)庫分系統(tǒng)

服務器主要作用是集中管理所有信息，概括為兩個方面：一是提供人工控制窗口，存儲各種配置信息，例如裝備的代號、所在點位坐標、IP地址、數(shù)據(jù)優(yōu)先等級、權(quán)值等信息，系統(tǒng)開始運行時，各終端主機自動讀取服務器中的配置信息；二是備份各測量裝備的數(shù)據(jù)。將配置信息的設置權(quán)限集中于服務器，可以避免因其他終端的操作人員無意中更改配置信息產(chǎn)生數(shù)據(jù)解讀錯誤，增強系統(tǒng)運行的安全性和準確性，本項目數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)共包含有五個表，如圖8示。

圖8 數(shù)據(jù)庫分系統(tǒng)表結(jié)構(gòu)

4 測試結(jié)果

測試時，采用GPS定位信息作為引導源，當接收到引導

數(shù)據(jù)時，被引導裝備能夠快速捕獲并跟蹤到飛行目標，從GPS發(fā)送引導數(shù)據(jù)到裝備跟蹤到目標時間統(tǒng)計如表4所示，各裝備在未使用引導平臺情況下，在原有引導模式下各裝備跟蹤到目標的平均用時如表5所示。

表4 GPS為引導源時各裝備跟蹤到目標時間統(tǒng)計表

表5 原引導模式下各裝備跟蹤到目標平均用時統(tǒng)計表

通過測試可以得出，試驗引導平臺作為所有參加裝備測量數(shù)據(jù)交互和共享的平臺，它能夠及時的實現(xiàn)任意兩臺裝備之間測量數(shù)據(jù)的實時傳輸，使得任意一臺裝備都能夠為其它所有裝備提供引導服務，極大的縮短了裝備發(fā)現(xiàn)目標、跟蹤目標和測量目標飛行數(shù)據(jù)的時間，降低了裝備錄取數(shù)據(jù)的丟包率，為事后數(shù)據(jù)處理提供了更加真實、可靠的飛行數(shù)據(jù)。

5 結(jié)束語

本文針對飛行試驗中不同原理、不同體制、不同性能、不同布站環(huán)境的多套參試裝備同時跟蹤測量飛行目標而導致的捕獲、跟蹤、丟失目標時間長短不一的問題，設計了一種基于信息共享的網(wǎng)絡引導平臺，運用數(shù)學方法對引導源數(shù)據(jù)進行優(yōu)化，使得網(wǎng)絡中的每一個節(jié)點可以快速得到其他裝備的最優(yōu)引導數(shù)據(jù)，以最短的時間捕獲跟蹤上飛行目標，從而提高裝備的整體測量能力和使用效率。

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