一種用于遙測(cè)數(shù)據(jù)可視化的合成坐標(biāo)變換方法*

王 瑋

（91550部隊(duì) 大連 116023）

1 引言

飛行器飛行試驗(yàn)是由國(guó)家靶場(chǎng)組織實(shí)施，用以考核評(píng)定飛行器戰(zhàn)術(shù)、技術(shù)指標(biāo)的權(quán)威方式［1］。飛行器飛行試驗(yàn)遙測(cè)數(shù)據(jù)［2～3］，是指遙測(cè)系統(tǒng)在試驗(yàn)中獲取的如時(shí)序、控制、動(dòng)力、力學(xué)環(huán)境等飛行器相關(guān)參數(shù)［4］，是評(píng)定飛行器各項(xiàng)性能指標(biāo)的重要數(shù)據(jù)依據(jù)［5～6］。

傳統(tǒng)的遙測(cè)數(shù)據(jù)可視化方式，是基于傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)的“時(shí)間-測(cè)量值”二維曲線［7～8］，如“時(shí)間-壓力”曲線［9］。該方式的主要缺點(diǎn)是關(guān)聯(lián)信息匱乏［10］，僅僅顯示了傳感器測(cè)量值，沒(méi)能顯示該傳感器所處的飛行器部位，更無(wú)法同步反映該采樣時(shí)刻飛行器的空間姿態(tài)。而很多性能指標(biāo)的評(píng)定，需要綜合分析上述數(shù)據(jù)才能得以進(jìn)行［11］，數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)性尤為重要，需要從可視化的角度，對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行可視關(guān)聯(lián)［12］。

此類可視關(guān)聯(lián)的難點(diǎn)在于，可視化的圖形繪制，必須依賴于一定的坐標(biāo)系統(tǒng)，而飛行器飛行試驗(yàn)的遙測(cè)數(shù)據(jù)、位姿數(shù)據(jù)定義在各自的坐標(biāo)系下，其坐標(biāo)系原點(diǎn)、軸向、數(shù)值范圍都有巨大差異。只有在坐標(biāo)系統(tǒng)層次完成一定程度的數(shù)據(jù)一致性構(gòu)建，才能進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的可視關(guān)聯(lián)。

為此，本文提出了一種用于飛行器飛行試驗(yàn)遙測(cè)數(shù)據(jù)可視化的多源數(shù)據(jù)合成坐標(biāo)變換方法，該方法針對(duì)遙測(cè)數(shù)據(jù)、位姿數(shù)據(jù)的可視關(guān)聯(lián)問(wèn)題，提出了“飛行器體發(fā)射坐標(biāo)系”的概念及坐標(biāo)變換算法，以之為核心構(gòu)建了方法的技術(shù)流程，在顯示飛行器位姿的同時(shí)，將遙測(cè)數(shù)據(jù)映射到對(duì)應(yīng)傳感器在飛行器上的安裝部位，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)遙測(cè)數(shù)據(jù)與飛行器空間位姿數(shù)據(jù)的可視關(guān)聯(lián)。

2 遙測(cè)數(shù)據(jù)可視化相關(guān)坐標(biāo)系簡(jiǎn)介

本文提出的遙測(cè)數(shù)據(jù)可視化，涉及三個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)，即傳感器坐標(biāo)系、發(fā)射坐標(biāo)系、飛行器體坐標(biāo)系。

2.1 傳感器坐標(biāo)系

這里的傳感器，主要指遙測(cè)環(huán)境數(shù)據(jù)，即溫度、壓力、振動(dòng)等數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的測(cè)量傳感器。此類傳感器坐標(biāo)系為一維向量坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點(diǎn)為傳感器與飛行器表面的觸點(diǎn)，以觸點(diǎn)所在飛行器表面法線方向?yàn)檎较颉?/p>

2.2 發(fā)射坐標(biāo)系

發(fā)射坐標(biāo)系|O-XYZ|，其定義如下［13］：

原點(diǎn)O為發(fā)射臺(tái)中心在發(fā)射位的地面投影點(diǎn)；

OX軸位于過(guò)原點(diǎn)O的水平面內(nèi)，由原點(diǎn)O指向?qū)椛鋼裘闇?zhǔn)方向（從天文北向東轉(zhuǎn)過(guò)的角度）；

OY軸取過(guò)坐標(biāo)系原點(diǎn)O的鉛垂線，向上為正；

OZ軸位于過(guò)坐標(biāo)系原點(diǎn)的水平面內(nèi)，與OX軸OY軸構(gòu)成右手直角坐標(biāo)系。

2.3 飛行器體坐標(biāo)系

飛行器體坐標(biāo)系|O1-X1Y1Z1|固連在飛行器結(jié)構(gòu)體上，隨飛行器運(yùn)動(dòng)，其定義如下［14～15］：

原點(diǎn)O1為飛行器制導(dǎo)系統(tǒng)的平臺(tái)中心；

O1X1軸位于飛行器體縱軸，指向飛行器尖頂；

O1Y1軸位于飛行器縱對(duì)稱面內(nèi)，指向Ⅲ象限；

O1Z1軸與O1X1軸O1Y1軸構(gòu)成右手直角坐標(biāo)系。

3 支持遙測(cè)數(shù)據(jù)可視化的多源信息合成坐標(biāo)變換方法

3.1 方法概述

支持遙測(cè)數(shù)據(jù)可視化的多源信息合成坐標(biāo)變換方法，技術(shù)流程如圖1所示。核心是綜合處理遙測(cè)數(shù)據(jù)、姿態(tài)數(shù)據(jù)、位置數(shù)據(jù)，通過(guò)坐標(biāo)變換技術(shù)，在顯示飛行器姿態(tài)、位置的同時(shí)，將遙測(cè)數(shù)據(jù)映射到對(duì)應(yīng)傳感器在飛行器上的安裝部位，實(shí)現(xiàn)了遙測(cè)數(shù)據(jù)與飛行器空間位置、姿態(tài)數(shù)據(jù)三類數(shù)據(jù)的可視關(guān)聯(lián)。

遙測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)由所在的傳感器坐標(biāo)系，通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換a算式，轉(zhuǎn)換到飛行器體坐標(biāo)系，由于傳感器測(cè)量值是一維向量，僅需要傳感器觸點(diǎn)在飛行器體坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，即可完成轉(zhuǎn)換，這里不再介紹。而發(fā)射坐標(biāo)系與飛行器體坐標(biāo)系，坐標(biāo)系定義和實(shí)際數(shù)值范圍都有巨大的差距，在可視技術(shù)上，很難統(tǒng)一到某個(gè)坐標(biāo)系下，即如果顯示發(fā)射系坐標(biāo)軸，飛行器將近似于一個(gè)點(diǎn)，無(wú)法觀察飛行器姿態(tài)；如果顯示飛行器姿態(tài)，將無(wú)法顯示發(fā)射系坐標(biāo)軸，也就無(wú)法描述飛行器的位置信息。為此，該方法綜合發(fā)射坐標(biāo)系、發(fā)射慣性系與飛行器體坐標(biāo)系三大坐標(biāo)系特點(diǎn)，提出了“飛行器體發(fā)射坐標(biāo)系”的概念，給出了坐標(biāo)轉(zhuǎn)換b算式（圖1），將已轉(zhuǎn)換到飛行器體坐標(biāo)系的遙測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)姿態(tài)數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換到飛行器體發(fā)射坐標(biāo)系，實(shí)現(xiàn)遙測(cè)數(shù)據(jù)與飛行器姿態(tài)的組合映射，最后利用飛行器體發(fā)射坐標(biāo)系和發(fā)射坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)軸平行關(guān)系，實(shí)現(xiàn)可視關(guān)聯(lián)。

圖1 方法的技術(shù)流程

3.2 飛行器體發(fā)射坐標(biāo)系

飛行器體發(fā)射坐標(biāo)系|O2-X2Y2Z2|（圖2）固連在飛行器結(jié)構(gòu)體上，隨飛行器運(yùn)動(dòng)，其定義如下：

原點(diǎn)O2為飛行器制導(dǎo)系統(tǒng)的平臺(tái)中心；

O2X2軸由原點(diǎn)指向發(fā)射時(shí)刻的射擊瞄準(zhǔn)方向；

O2Y2軸取過(guò)發(fā)射坐標(biāo)系原點(diǎn)的鉛垂線反向，向上為正；

O2Z2軸過(guò)發(fā)射坐標(biāo)系原點(diǎn)的水平面，與O2X2軸O2Y2軸構(gòu)成右手直角坐標(biāo)系。

圖2 飛行器體發(fā)射坐標(biāo)系

飛行器體發(fā)射坐標(biāo)系|O2-X2Y2Z2|，與發(fā)射坐標(biāo)系|O-XYZ|，飛行器體坐標(biāo)系|O1-X1Y1Z1|，三者之間的關(guān)系，如圖3所示。

圖3 三種坐標(biāo)系統(tǒng)空間關(guān)系

3.3 飛行器體坐標(biāo)系到體發(fā)射坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換算式

4 仿真實(shí)驗(yàn)

本文采用仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該方法的有效性，仿真數(shù)據(jù)包括一組某型飛行器遙測(cè)瞬時(shí)沖擊數(shù)據(jù)，該傳感器觸點(diǎn)在飛行器體坐標(biāo)系上的安裝位置；飛行器對(duì)應(yīng)傳感器采樣時(shí)刻的姿態(tài)數(shù)據(jù)，包括俯仰、偏航、滾動(dòng)三個(gè)姿態(tài)角。取t1、t2兩個(gè)時(shí)刻的兩組數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 采樣時(shí)刻數(shù)據(jù)表

將沖擊數(shù)據(jù)在傳感器坐標(biāo)系的測(cè)量值，轉(zhuǎn)換為向量值，以箭頭長(zhǎng)度表示瞬時(shí)沖擊數(shù)值，以箭頭方向表示測(cè)量傳感器坐標(biāo)系的方向。通過(guò)a算式，將遙測(cè)沖擊數(shù)據(jù)的數(shù)值和方向，變換到飛行器體坐標(biāo)系下；再通過(guò)b算式，結(jié)合三個(gè)仿真姿態(tài)角數(shù)據(jù)，變換到飛行器體發(fā)射坐標(biāo)系下，最終結(jié)果如圖4、圖5所示（黑色箭頭為遙測(cè)沖擊數(shù)據(jù)）。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，方法實(shí)現(xiàn)了遙測(cè)數(shù)據(jù)在飛行器安裝位置上的可視化，可視結(jié)果隨飛行器位姿變化而同步變化，即實(shí)現(xiàn)了遙測(cè)數(shù)據(jù)與飛行器空間位姿數(shù)據(jù)的可視關(guān)聯(lián)。

圖4 t1時(shí)刻遙測(cè)數(shù)據(jù)與空間位姿可視關(guān)聯(lián)

圖5 t2時(shí)刻遙測(cè)數(shù)據(jù)與空間位姿可視關(guān)聯(lián)

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種用于飛行器飛行試驗(yàn)遙測(cè)數(shù)據(jù)可視化的多源數(shù)據(jù)合成坐標(biāo)變換方法，該方法提出了飛行器體發(fā)射坐標(biāo)系的概念及相應(yīng)坐標(biāo)變換算式，通過(guò)坐標(biāo)變換技術(shù)，在顯示飛行器姿態(tài)、位置的同時(shí)，將遙測(cè)數(shù)據(jù)映射到對(duì)應(yīng)傳感器在飛行器上的安裝部位，實(shí)現(xiàn)了遙測(cè)數(shù)據(jù)與飛行器空間位置、姿態(tài)數(shù)據(jù)三類數(shù)據(jù)的可視關(guān)聯(lián)。

仿真實(shí)驗(yàn)表明，該方法支持的數(shù)據(jù)可視化，相比傳統(tǒng)的二維曲線方式，能顯著提升遙測(cè)數(shù)據(jù)可視化的信息綜合程度，全面反映指標(biāo)評(píng)估的關(guān)注數(shù)據(jù)，支持試驗(yàn)結(jié)果分析評(píng)估工作的深入開(kāi)展。