一種實用的飛機著陸軌跡姿態測量及監控系統

馮巧寧++吳立巍++惠廣裕

摘 要：飛機著陸時的軌跡姿態參數是新機設計鑒定和定型的重要參考依據，采取合理的測量手段獲取這些參數至關重要。本文根據任務需求，構建了一套實用的飛機著陸軌跡姿態測量及監控系統，采用光纖傳輸進行遠程控制與數據交互，實現多臺高速攝像機的遠距離集中控制、統一授時、同步采集、測量數據快速下載處理，實現飛機著陸時軌跡、速度、飛機偏航位移、飛機姿態等參數的精確解算和實時監控。經飛行試驗驗證，結果表明本系統穩定可靠、處理結果精度高，滿足任務要求；同時該測量方法具有較高的實際工程應用價值，不僅適用于飛行目標的軌跡姿態測量和其他類似運動物體的運動參數解算，其數學模型還具有多種型號的推廣性。

關鍵詞：著陸 軌跡 姿態 測量 監控

中圖分類號：V217.2 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）02（a）-0004-04

飛機著陸性能是新機鑒定試飛中一個重要的考核指標[1]。飛機著陸時的軌跡及姿態測量是新機設計鑒定和定型試飛中不可或缺的課題之一，也是考核飛機性能/品質，進行飛行員訓練講評、飛行效果評估及飛行指揮輔助決策的重要依據。

傳統的飛機著陸過程中軌跡和姿態等參數的測量借助于傳感器、機載像機、地面光電經緯儀等進行，但是其測量精度易受自身設備精度、飛機空間等因素的制約，對飛機整體及其關鍵部位的運動細節關注度較低。

根據某型飛機的著陸試飛測試需求，在同一個測量系統中不僅需要獲取該機著陸過程中全面的、高精度的軌跡及姿態數據，而且需要關注飛機關鍵部位的狀態變化，提供著陸過程中飛機及其關鍵部位的高分辨率數字影像，及時為試飛工程師和飛行員提供判決依據和指揮決策，同時系統還需兼顧不同試飛階段的任務變化需要。

據此，該文根據工程應用經驗，在充分研究、借鑒已有測量手段的基礎上，設計了一種實用的飛機著陸軌跡姿態測量及監控系統，保證了飛機著陸全過程的實時監控與測量，實現了飛機著陸時軌跡、姿態、速度、飛機偏航位移等參數的精確解算，從而為該機設計定型提供了可靠的數據依據，為今后類似任務的開展奠定了一定的基礎。

1 系統組成與功能

根據任務需求和功能定位需要，需要完成飛機著陸道面段運動參數的測量，在實時狀態下遠程進行設備協同管理和狀態檢測，獲取高分辨率的數字影像信息，事后完成數據分析處理，提供飛機著陸影像及高精度測試數據。為此，該文設計并構建了完整的滿足任務需求的測量系統。系統主要以高速高分辨率攝像機為主要信息源，以現代光纖網絡為傳輸媒介，設計適合使用要求的優化聯合組網布控，進行高速攝像機的快速、高精度標校，建設控制處理中心提供系統各測試裝備數據的時間同步，實現系統狀態管理、遠程控制、數據存儲管理，以攝影測量原理為理論基礎，完成事后數據處理分析，實現飛機著陸時的軌跡、姿態、速度、飛機偏航位移等參數的精確解算。

1.1 系統組成

測量系統方案設計從實際出發，在優質高效完成任務的同時，充分考慮系統的開放性和擴展性，如圖1系統組成框圖所示，系統主要由高速攝影測量單元、信息傳輸單元、遠程控制單元和數據處理分析單元四大部分組成。

高速攝影測量單元的影像信息通過信息傳輸單元送至控制處理中心，控制處理中心是系統控制和處理的中樞機構，它以網絡為連接平臺，提供系統各測試裝備數據的時間同步，保證系統內部數據解算、信息分發等時序的一致性，通過遠程控制單元實現高速攝像機的參數加載、狀態管理、試驗控制、數據采集、遠程下載，飛行間隙或飛行結束后數據分析處理單元完成事后數據分析處理，完成飛機著陸軌跡姿態的解算，同時進行視頻數據及解算數據的存儲及管理等功能。此外，控制處理中心還可通過信息傳輸單元將內部數據送至外部。

1.2 各組成部分功能及工作流程

1.2.1 高速攝影測量單元

如圖2所示，高速攝影測量單元以5臺分布在跑道同側的高速數字攝像機、像機標校處理設備組成，5臺像機聯合組網、兩兩備份。此單元為高速攝像機配置符合視場、靶面尺寸和口徑要求的合適鏡頭，利用測量標校棋盤格、電子全站速測儀、大地型GPS等多種輔助測量設備，完成高速攝像機的內外方位元素和畸變參數的高精度標校，捕獲飛機及其關鍵部位的高分辨率影像信息。

1.2.2 控制處理中心

控制處理中心是系統控制和處理的中樞機構，控制著整個系統的協調一致運行，主要完成系統的遠程控制、數據交換、統一授時、數據處理及管理等功能，遠程控制單元和數據分析處理單元都設置在控制處理中心。

在測量實施過程中，高速數字攝像機每一個測量站點都由控制處理中心的遠程控制終端控制上電、除濕、溫度調節，根據飛行當日能見度等氣象信息，通過高速攝像機管理界面對高速攝像機進行曝光時間的設置，同時設置拍攝時間間隔、數據存儲路徑等性能參數，飛行過程中當飛機進入攝像機拍攝范圍內后對攝像機進行觸發并記錄數據。

由于高速攝像機拍攝到的高分辨率影像數據信息量特別大，這些影像數據在測量過程中無法進行遠程實時下載，只能通過攝像機本身配備的RAM和FLASH進行實時存儲記錄。飛行間隙或飛行任務結束后，由控制處理中心對系統記錄的高速視頻信息及數據進行下載。下載后的高速攝像機視頻信息存儲在磁盤陣列上，供事后判讀與分析。數據處理分析單元對圖像信息進行圖像預處理和判讀，各個高速攝像機站點的數據信息統一到同一個坐標系下，然后進行數據分析解算。解算完成后，圖像數據經過壓縮存儲于磁盤陣列上，數據信息用來和光電經緯儀等其他設備進行二次分析。

飛行試驗結束后，由控制處理中心發出斷電信號關閉高速攝像機電源。

1.2.3 信息傳輸單元

此單元采用光纖作為傳輸媒介，在高速攝像機各個站點和控制處理中心之間進行控制信息、視頻信息和數據信息的有效傳輸。模擬視頻信號經視頻電纜傳輸至視頻采集編碼器進行壓縮，遠程控制單元發出的控制信號經普通雙絞線傳送至光端機，轉換成光脈沖經光纜傳送至各個測量站點，再由各測量站的光端機轉換成電平信號傳送至高速攝像機，完成其遠程控制；各個測站的視頻和數據信號經光端機轉換后再傳回控制處理中心。圖3給出了高速攝像機數據傳輸流向圖，紅色的為影像信息，藍色的為數據信息。endprint

2 關鍵技術及測量原理

2.1 測量基準統一

測量基準的統一是系統進行測量、解算與監控的關鍵，其主要包括時間統一和空間統一。

2.1.1 時間統一

由于本系統中涉及較多分布于不同站點的測量設備，為使所有系統能夠系統協調一致工作，就必須保證這些測量系統的時間基準一致。本系統為分布式[2]測試系統，控制處理中心很重要的一個功能就是為系統提供統一的GPS時碼進行精確授時。中心處理服務器接收高精度GPS時碼發生器產生的IRIG-B碼時間，信號經放大、分配后輸送至光端機（發送）轉換成光信號，經光纖網絡將該光信號傳送到每個測量站點的光端機（接收）進行光電轉換，還原后的IRIG-B碼信號由控制中心統一向所有測量站點的高速攝像機發送，該時間信息既可以疊加在每一幀序列圖像上，也可以作為視頻文件的附加信息存儲在視頻文件中，通過事后處理播放軟件可以實現時間信息與每一幀圖像的嚴格對應。

2.1.2 空間基準

飛機著陸軌跡姿態的測量解算必須在特定的統一坐標系下進行，建立空間基準將不同坐標系中測到的各種參數轉換到同一個坐標系中至關重要[3]。此工作的核心是盡可能地消除系統誤差、測量噪聲以及模型轉換誤差，保證在進行數據處理后得到目標的精確的狀態。

先利用全站速測儀、大地型GPS等進行設備的標校，把所有設備的測量到統一到指定坐標系下，通過標校控制點獲得設備配準的系統誤差，然后利用外推算法進行動態跟蹤配準。

2.2 攝像機的精確標校

像機的內外方位元素[4]是被測目標參數解算的基礎，且直接決定了解算精度。利用攝影機進行目標空間位置解算時，首先要對像機的進行標校，確定物點與相對應像點的關系。其中攝像機的內方位元素[4]）和鏡頭畸變參數）可以在實驗室標校得到，而表示攝影機內部坐標系與外部測量坐標系的平移和旋轉變換參數的外方位元素[4]則需要在測量現場進行標定和解算得到。該文針對攝像機的標校，首先將檢校控制標架設在高速攝像機前方，使其充滿像機視場并清晰成像，利用全站儀測量得到控制點及公共控制點的坐標。獲取的檢校控制標圖像作為檢校片，而后利用三維直接線性變換[5]解法解算攝像機的內外方位元素初值，采用光束法平差[5]實現內外方位元素的精確求解，從而實現高速攝像機的精確標校。

2.3 影像特征點圖像判讀

對高速攝像機獲取到的序列圖像中飛機上布設的測量特征點進行圖像判讀[6-7]，可以得到特征點的序列圖像坐標。該文采用的算法如下。

首先對圖像中特征點進行粗定位，提取區域圖像，并進行圖像預處理，得到二值化圖像。

根據二值化圖像，設定合適的閾值T，對其進行邊緣檢測。

采用Hough變換等精定位方法可以得到這些特征點基于亞像素的坐標。

通過判讀數據計算出特征點在圖像中位置的變化量，進而計算出飛機的實際運動參數，解算過程如圖4所示，實際拍攝圖像定位如圖5。

2.4 運動參數解算模型

攝像機的內方位元素通過攝像機檢校已經獲得，采用角錐體法[5]來計算機體坐標系下高速攝像機得外方位元素。

解算飛機運動軌跡，就是要計算每一時刻布設在飛機上的測量特征點的物方空間坐標[5]。通過旋轉、平移這些測量特征點的機體坐，可求得這些特征點在跑道坐標系中的坐。其幾何關系為：

（1）

只要求解出轉換矩以及平移參，就可以進一步解算飛機運動軌跡。由于攝像機在物方空間的外方位元素已經通過光束法平差算法求得，在機體坐標系下的外方位元素也已經采用空間后方交會算法得到，兩組角元素所組成的旋轉矩陣記為，則有：

（2）

記為

這樣，就可以解算出飛機上布設的特征點在每一時刻的機體坐標下系下的物方空間坐標，也就得到了飛機的著陸軌跡數據。

根據前述的步驟解算得到飛機上測量特征點在每一時刻的物方空間坐標，也即得到了飛機的運動軌跡，飛機在水平方向和垂直方向的速度可通過二階中心平滑算法來進行求解。

（3）

式中表示時間序列；

平滑算法的點數為個；兩個方向的速度求取的平滑權系數，攝影機相鄰兩幀的采樣時間為h。

2.5 數據處理

數據解算件以判讀得到的二維像空間坐標數據為輸入，利用攝像機標校數據，結合運動參數解算數學模型，得到每幀圖像上的測量特征點的物方空間坐標的精確解。然后對高速數字攝像機的數據進行數據格式的轉換[2][8]、量綱的統一、異常信息的剔除[2][8]、系統誤差修正[2][8]、濾波平滑[2][8]、插值處理[2][8]等處理，而后特征點的物方空間坐標經坐標轉換計算被統一轉換到目標坐標系即跑道坐標系下，獲得所需的跑道坐標系下的高精度的空間定位信息、速度信息、姿態參數等，最后可按照要求給出數據結果，并輸出曲線。

3 試驗結果及數據分析

該論文的研究成果已經應用于某試驗場飛機軌跡及姿態系統的建設及多種型號的飛行試驗中，完整的測量系統優質高效的完成了多架次的飛行保障任務，圖6至圖9分別給出了經過誤差修正、野值剔除等處理后的飛機著陸段偏航距離、高度、下沉速度和俯仰角隨時間變化的數據曲線，測量結果滿足任務需求。

4 結論

該文根據飛行試驗具體的測試要求及所承擔的任務特點，對飛機著陸軌跡姿態測量及監控的關鍵及難點問題進行了深入研究，研制了一套完整的測量及監控系統，經飛行試驗驗證，結果表明該方法簡便易行、系統穩定可靠、處理結果精度高，滿足任務要求；同時該測量方法具有較高的實際工程應用價值，不僅適用于飛行目標的軌跡姿態測量和其它類似運動物體的運動參數解算，其數學模型還具有多種型號的推廣性。

參考文獻

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