馮巧寧++吳立巍++惠廣裕

摘 要：飛機(jī)著陸時的軌跡姿態(tài)參數(shù)是新機(jī)設(shè)計鑒定和定型的重要參考依據(jù)，采取合理的測量手段獲取這些參數(shù)至關(guān)重要。本文根據(jù)任務(wù)需求，構(gòu)建了一套實用的飛機(jī)著陸軌跡姿態(tài)測量及監(jiān)控系統(tǒng)，采用光纖傳輸進(jìn)行遠(yuǎn)程控制與數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)多臺高速攝像機(jī)的遠(yuǎn)距離集中控制、統(tǒng)一授時、同步采集、測量數(shù)據(jù)快速下載處理，實現(xiàn)飛機(jī)著陸時軌跡、速度、飛機(jī)偏航位移、飛機(jī)姿態(tài)等參數(shù)的精確解算和實時監(jiān)控。經(jīng)飛行試驗驗證，結(jié)果表明本系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、處理結(jié)果精度高，滿足任務(wù)要求；同時該測量方法具有較高的實際工程應(yīng)用價值，不僅適用于飛行目標(biāo)的軌跡姿態(tài)測量和其他類似運動物體的運動參數(shù)解算，其數(shù)學(xué)模型還具有多種型號的推廣性。

關(guān)鍵詞：著陸 軌跡 姿態(tài) 測量 監(jiān)控

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

飛機(jī)著陸性能是新機(jī)鑒定試飛中一個重要的考核指標(biāo)[1]。飛機(jī)著陸時的軌跡及姿態(tài)測量是新機(jī)設(shè)計鑒定和定型試飛中不可或缺的課題之一，也是考核飛機(jī)性能/品質(zhì)，進(jìn)行飛行員訓(xùn)練講評、飛行效果評估及飛行指揮輔助決策的重要依據(jù)。

傳統(tǒng)的飛機(jī)著陸過程中軌跡和姿態(tài)等參數(shù)的測量借助于傳感器、機(jī)載像機(jī)、地面光電經(jīng)緯儀等進(jìn)行，但是其測量精度易受自身設(shè)備精度、飛機(jī)空間等因素的制約，對飛機(jī)整體及其關(guān)鍵部位的運動細(xì)節(jié)關(guān)注度較低。

根據(jù)某型飛機(jī)的著陸試飛測試需求，在同一個測量系統(tǒng)中不僅需要獲取該機(jī)著陸過程中全面的、高精度的軌跡及姿態(tài)數(shù)據(jù)，而且需要關(guān)注飛機(jī)關(guān)鍵部位的狀態(tài)變化，提供著陸過程中飛機(jī)及其關(guān)鍵部位的高分辨率數(shù)字影像，及時為試飛工程師和飛行員提供判決依據(jù)和指揮決策，同時系統(tǒng)還需兼顧不同試飛階段的任務(wù)變化需要。

據(jù)此，該文根據(jù)工程應(yīng)用經(jīng)驗，在充分研究、借鑒已有測量手段的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種實用的飛機(jī)著陸軌跡姿態(tài)測量及監(jiān)控系統(tǒng)，保證了飛機(jī)著陸全過程的實時監(jiān)控與測量，實現(xiàn)了飛機(jī)著陸時軌跡、姿態(tài)、速度、飛機(jī)偏航位移等參數(shù)的精確解算，從而為該機(jī)設(shè)計定型提供了可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)，為今后類似任務(wù)的開展奠定了一定的基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)組成與功能

根據(jù)任務(wù)需求和功能定位需要，需要完成飛機(jī)著陸道面段運動參數(shù)的測量，在實時狀態(tài)下遠(yuǎn)程進(jìn)行設(shè)備協(xié)同管理和狀態(tài)檢測，獲取高分辨率的數(shù)字影像信息，事后完成數(shù)據(jù)分析處理，提供飛機(jī)著陸影像及高精度測試數(shù)據(jù)。為此，該文設(shè)計并構(gòu)建了完整的滿足任務(wù)需求的測量系統(tǒng)。系統(tǒng)主要以高速高分辨率攝像機(jī)為主要信息源，以現(xiàn)代光纖網(wǎng)絡(luò)為傳輸媒介，設(shè)計適合使用要求的優(yōu)化聯(lián)合組網(wǎng)布控，進(jìn)行高速攝像機(jī)的快速、高精度標(biāo)校，建設(shè)控制處理中心提供系統(tǒng)各測試裝備數(shù)據(jù)的時間同步，實現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)管理、遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)存儲管理，以攝影測量原理為理論基礎(chǔ)，完成事后數(shù)據(jù)處理分析，實現(xiàn)飛機(jī)著陸時的軌跡、姿態(tài)、速度、飛機(jī)偏航位移等參數(shù)的精確解算。

1.1 系統(tǒng)組成

測量系統(tǒng)方案設(shè)計從實際出發(fā)，在優(yōu)質(zhì)高效完成任務(wù)的同時，充分考慮系統(tǒng)的開放性和擴(kuò)展性，如圖1系統(tǒng)組成框圖所示，系統(tǒng)主要由高速攝影測量單元、信息傳輸單元、遠(yuǎn)程控制單元和數(shù)據(jù)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(tǒng)控制和處理的中樞機(jī)構(gòu)，它以網(wǎng)絡(luò)為連接平臺，提供系統(tǒng)各測試裝備數(shù)據(jù)的時間同步，保證系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)解算、信息分發(fā)等時序的一致性，通過遠(yuǎn)程控制單元實現(xiàn)高速攝像機(jī)的參數(shù)加載、狀態(tài)管理、試驗控制、數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程下載，飛行間隙或飛行結(jié)束后數(shù)據(jù)分析處理單元完成事后數(shù)據(jù)分析處理，完成飛機(jī)著陸軌跡姿態(tài)的解算，同時進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)及解算數(shù)據(jù)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(nèi)部數(shù)據(jù)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(cè)的高速數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、像機(jī)標(biāo)校處理設(shè)備組成，5臺像機(jī)聯(lián)合組網(wǎng)、兩兩備份。此單元為高速攝像機(jī)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(biāo)校棋盤格、電子全站速測儀、大地型GPS等多種輔助測量設(shè)備，完成高速攝像機(jī)的內(nèi)外方位元素和畸變參數(shù)的高精度標(biāo)校，捕獲飛機(jī)及其關(guān)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(tǒng)控制和處理的中樞機(jī)構(gòu)，控制著整個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)一致運行，主要完成系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)交換、統(tǒng)一授時、數(shù)據(jù)處理及管理等功能，遠(yuǎn)程控制單元和數(shù)據(jù)分析處理單元都設(shè)置在控制處理中心。

在測量實施過程中，高速數(shù)字?jǐn)z像機(jī)每一個測量站點都由控制處理中心的遠(yuǎn)程控制終端控制上電、除濕、溫度調(diào)節(jié)，根據(jù)飛行當(dāng)日能見度等氣象信息，通過高速攝像機(jī)管理界面對高速攝像機(jī)進(jìn)行曝光時間的設(shè)置，同時設(shè)置拍攝時間間隔、數(shù)據(jù)存儲路徑等性能參數(shù)，飛行過程中當(dāng)飛機(jī)進(jìn)入攝像機(jī)拍攝范圍內(nèi)后對攝像機(jī)進(jìn)行觸發(fā)并記錄數(shù)據(jù)。

由于高速攝像機(jī)拍攝到的高分辨率影像數(shù)據(jù)信息量特別大，這些影像數(shù)據(jù)在測量過程中無法進(jìn)行遠(yuǎn)程實時下載，只能通過攝像機(jī)本身配備的RAM和FLASH進(jìn)行實時存儲記錄。飛行間隙或飛行任務(wù)結(jié)束后，由控制處理中心對系統(tǒng)記錄的高速視頻信息及數(shù)據(jù)進(jìn)行下載。下載后的高速攝像機(jī)視頻信息存儲在磁盤陣列上，供事后判讀與分析。數(shù)據(jù)處理分析單元對圖像信息進(jìn)行圖像預(yù)處理和判讀，各個高速攝像機(jī)站點的數(shù)據(jù)信息統(tǒng)一到同一個坐標(biāo)系下，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析解算。解算完成后，圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過壓縮存儲于磁盤陣列上，數(shù)據(jù)信息用來和光電經(jīng)緯儀等其他設(shè)備進(jìn)行二次分析。

飛行試驗結(jié)束后，由控制處理中心發(fā)出斷電信號關(guān)閉高速攝像機(jī)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(jī)各個站點和控制處理中心之間進(jìn)行控制信息、視頻信息和數(shù)據(jù)信息的有效傳輸。模擬視頻信號經(jīng)視頻電纜傳輸至視頻采集編碼器進(jìn)行壓縮，遠(yuǎn)程控制單元發(fā)出的控制信號經(jīng)普通雙絞線傳送至光端機(jī)，轉(zhuǎn)換成光脈沖經(jīng)光纜傳送至各個測量站點，再由各測量站的光端機(jī)轉(zhuǎn)換成電平信號傳送至高速攝像機(jī)，完成其遠(yuǎn)程控制；各個測站的視頻和數(shù)據(jù)信號經(jīng)光端機(jī)轉(zhuǎn)換后再傳回控制處理中心。圖3給出了高速攝像機(jī)數(shù)據(jù)傳輸流向圖，紅色的為影像信息，藍(lán)色的為數(shù)據(jù)信息。endprint

2 關(guān)鍵技術(shù)及測量原理

2.1 測量基準(zhǔn)統(tǒng)一

測量基準(zhǔn)的統(tǒng)一是系統(tǒng)進(jìn)行測量、解算與監(jiān)控的關(guān)鍵，其主要包括時間統(tǒng)一和空間統(tǒng)一。

2.1.1 時間統(tǒng)一

由于本系統(tǒng)中涉及較多分布于不同站點的測量設(shè)備，為使所有系統(tǒng)能夠系統(tǒng)協(xié)調(diào)一致工作，就必須保證這些測量系統(tǒng)的時間基準(zhǔn)一致。本系統(tǒng)為分布式[2]測試系統(tǒng)，控制處理中心很重要的一個功能就是為系統(tǒng)提供統(tǒng)一的GPS時碼進(jìn)行精確授時。中心處理服務(wù)器接收高精度GPS時碼發(fā)生器產(chǎn)生的IRIG-B碼時間，信號經(jīng)放大、分配后輸送至光端機(jī)（發(fā)送）轉(zhuǎn)換成光信號，經(jīng)光纖網(wǎng)絡(luò)將該光信號傳送到每個測量站點的光端機(jī)（接收）進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，還原后的IRIG-B碼信號由控制中心統(tǒng)一向所有測量站點的高速攝像機(jī)發(fā)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(xiàn)時間信息與每一幀圖像的嚴(yán)格對應(yīng)。

2.1.2 空間基準(zhǔn)

飛機(jī)著陸軌跡姿態(tài)的測量解算必須在特定的統(tǒng)一坐標(biāo)系下進(jìn)行，建立空間基準(zhǔn)將不同坐標(biāo)系中測到的各種參數(shù)轉(zhuǎn)換到同一個坐標(biāo)系中至關(guān)重要[3]。此工作的核心是盡可能地消除系統(tǒng)誤差、測量噪聲以及模型轉(zhuǎn)換誤差，保證在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后得到目標(biāo)的精確的狀態(tài)。

先利用全站速測儀、大地型GPS等進(jìn)行設(shè)備的標(biāo)校，把所有設(shè)備的測量到統(tǒng)一到指定坐標(biāo)系下，通過標(biāo)?？刂泣c獲得設(shè)備配準(zhǔn)的系統(tǒng)誤差，然后利用外推算法進(jìn)行動態(tài)跟蹤配準(zhǔn)。

2.2 攝像機(jī)的精確標(biāo)校

像機(jī)的內(nèi)外方位元素[4]是被測目標(biāo)參數(shù)解算的基礎(chǔ)，且直接決定了解算精度。利用攝影機(jī)進(jìn)行目標(biāo)空間位置解算時，首先要對像機(jī)的進(jìn)行標(biāo)校，確定物點與相對應(yīng)像點的關(guān)系。其中攝像機(jī)的內(nèi)方位元素[4]）和鏡頭畸變參數(shù)）可以在實驗室標(biāo)校得到，而表示攝影機(jī)內(nèi)部坐標(biāo)系與外部測量坐標(biāo)系的平移和旋轉(zhuǎn)變換參數(shù)的外方位元素[4]則需要在測量現(xiàn)場進(jìn)行標(biāo)定和解算得到。該文針對攝像機(jī)的標(biāo)校，首先將檢?？刂茦?biāo)架設(shè)在高速攝像機(jī)前方，使其充滿像機(jī)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(biāo)。獲取的檢?？刂茦?biāo)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(jī)的內(nèi)外方位元素初值，采用光束法平差[5]實現(xiàn)內(nèi)外方位元素的精確求解，從而實現(xiàn)高速攝像機(jī)的精確標(biāo)校。

2.3 影像特征點圖像判讀

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

首先對圖像中特征點進(jìn)行粗定位，提取區(qū)域圖像，并進(jìn)行圖像預(yù)處理，得到二值化圖像。

根據(jù)二值化圖像，設(shè)定合適的閾值T，對其進(jìn)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(biāo)。

通過判讀數(shù)據(jù)計算出特征點在圖像中位置的變化量，進(jìn)而計算出飛機(jī)的實際運動參數(shù)，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(shù)解算模型

攝像機(jī)的內(nèi)方位元素通過攝像機(jī)檢校已經(jīng)獲得，采用角錐體法[5]來計算機(jī)體坐標(biāo)系下高速攝像機(jī)得外方位元素。

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

（1）

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

（2）

記為

這樣，就可以解算出飛機(jī)上布設(shè)的特征點在每一時刻的機(jī)體坐標(biāo)下系下的物方空間坐標(biāo)，也就得到了飛機(jī)的著陸軌跡數(shù)據(jù)。

根據(jù)前述的步驟解算得到飛機(jī)上測量特征點在每一時刻的物方空間坐標(biāo)，也即得到了飛機(jī)的運動軌跡，飛機(jī)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(jìn)行求解。

（3）

式中表示時間序列；

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

2.5 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)解算件以判讀得到的二維像空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)為輸入，利用攝像機(jī)標(biāo)校數(shù)據(jù)，結(jié)合運動參數(shù)解算數(shù)學(xué)模型，得到每幀圖像上的測量特征點的物方空間坐標(biāo)的精確解。然后對高速數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換[2][8]、量綱的統(tǒng)一、異常信息的剔除[2][8]、系統(tǒng)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(biāo)經(jīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換計算被統(tǒng)一轉(zhuǎn)換到目標(biāo)坐標(biāo)系即跑道坐標(biāo)系下，獲得所需的跑道坐標(biāo)系下的高精度的空間定位信息、速度信息、姿態(tài)參數(shù)等，最后可按照要求給出數(shù)據(jù)結(jié)果，并輸出曲線。

3 試驗結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

該論文的研究成果已經(jīng)應(yīng)用于某試驗場飛機(jī)軌跡及姿態(tài)系統(tǒng)的建設(shè)及多種型號的飛行試驗中，完整的測量系統(tǒng)優(yōu)質(zhì)高效的完成了多架次的飛行保障任務(wù)，圖6至圖9分別給出了經(jīng)過誤差修正、野值剔除等處理后的飛機(jī)著陸段偏航距離、高度、下沉速度和俯仰角隨時間變化的數(shù)據(jù)曲線，測量結(jié)果滿足任務(wù)需求。

4 結(jié)論

該文根據(jù)飛行試驗具體的測試要求及所承擔(dān)的任務(wù)特點，對飛機(jī)著陸軌跡姿態(tài)測量及監(jiān)控的關(guān)鍵及難點問題進(jìn)行了深入研究，研制了一套完整的測量及監(jiān)控系統(tǒng)，經(jīng)飛行試驗驗證，結(jié)果表明該方法簡便易行、系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、處理結(jié)果精度高，滿足任務(wù)要求；同時該測量方法具有較高的實際工程應(yīng)用價值，不僅適用于飛行目標(biāo)的軌跡姿態(tài)測量和其它類似運動物體的運動參數(shù)解算，其數(shù)學(xué)模型還具有多種型號的推廣性。

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