基于光電經(jīng)緯儀的飛機著陸下滑引導(dǎo)監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)計

摘 要： 基于飛機著陸下滑引導(dǎo)監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)計需求，針對現(xiàn)有光電經(jīng)緯儀通信的缺陷，通過分析系統(tǒng)通信物理鏈路，突破了光電經(jīng)緯儀之間通信轉(zhuǎn)換協(xié)議設(shè)計、查表法CRC碼校驗快速計算、實測數(shù)據(jù)濾波模型構(gòu)建等關(guān)鍵技術(shù)，以軟件技術(shù)代替硬件板卡信號處理，實現(xiàn)了穩(wěn)定可靠且成本低廉的飛機著陸下滑引導(dǎo)監(jiān)視系統(tǒng)，實驗部分驗證了該方法的有效性。目前，該系統(tǒng)已成功應(yīng)用到某型飛機燈光著陸系統(tǒng)試飛中。

關(guān)鍵詞： 光電經(jīng)緯儀； 數(shù)據(jù)鏈路層通信協(xié)議； 循環(huán)冗余碼校驗； 擴展卡爾曼濾波

中圖分類號： TN948.64?34 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）20?0132?04

Abstract： Based on the design demand of guidance and monitoring system for aircraft landing， the key technologies such as protocol design for communication conversion between photoelectric theodolites， rapid computation of CRC codes using table checking method， and filtering model construction for measured data were realized after analyzing physical link of system communication in view of the communication defects of the available photoelectric theodolite. The hardware board is substituted with software technology for signal processing， implementing a reliable and low?cost guidance and monitoring system for aircraft landing. In the experiment， the reliability of the system is verified. Currently， the system has been successfully applied to the trial flight of a certain model aircraft lighting landing system.

Keywords： photoelectric theodolite； DDCMP； CRC； EKF

根據(jù)型號任務(wù)要求，需要將兩臺光電經(jīng)緯儀測量的飛機下滑的軌跡數(shù)據(jù)實時送到指揮顯控臺上，為決策指揮提供參考。采用硬件板卡實現(xiàn)DDCMP數(shù)據(jù)通信開發(fā)成本高，且開發(fā)周期長，為此開發(fā)設(shè)計了經(jīng)緯儀實時數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平臺。此平臺包括硬件平臺和軟件平臺兩部分[1]。硬件平臺實現(xiàn)了數(shù)據(jù)通信的物理鏈路，軟件平臺實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實時接收、處理、顯示及轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)控顯控臺的功能。

1 系統(tǒng)組成及信號流程

1.1 系統(tǒng)硬件平臺

中心站計算機實時接收兩臺經(jīng)緯儀的數(shù)據(jù)，然后分別對兩條數(shù)據(jù)流按各自的通信格式進行解包，再進行數(shù)據(jù)濾波、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，然后打包成DDCMP格式的數(shù)據(jù)，通過串口、光端機發(fā)送到燈光著陸系統(tǒng)的智能通信處理機（ICP），再通過ICP的硬件板卡解碼，最后送到監(jiān)控臺[2]。系統(tǒng)信號流程如圖1所示。

1.2 軟件功能模塊及信號流程

軟件按功能模塊劃分主要有9個，分別為主控模塊、數(shù)據(jù)接收模塊、數(shù)據(jù)濾波模塊、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊、電子地圖顯示模塊、二維曲線顯示模塊、數(shù)據(jù)保存模塊[3]。

軟件總體模塊構(gòu)成如圖2所示。

2 關(guān)鍵技術(shù)及解決方法

2.1 關(guān)鍵技術(shù)

（1） 通信協(xié)議轉(zhuǎn)換。兩臺經(jīng)緯儀采用各自定義的數(shù)據(jù)格式，監(jiān)控系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議DDCMP，必須要進行協(xié)議轉(zhuǎn)換才能進行數(shù)據(jù)通信。

（2） CRC軟件實現(xiàn)。CRC計算比較復(fù)雜，工程中一般采用高速FPGA實現(xiàn)，這就需要開發(fā)硬件板卡，但是項目時間不允許；如何通過軟件法實現(xiàn)CRC校驗的實時性、穩(wěn)定性及可靠性是技術(shù)難點。

（3） 數(shù)據(jù)濾波算法。在實際飛行試驗中，光電經(jīng)緯儀激光距離值有斷點、跳點、零點，如果把數(shù)據(jù)直接送到監(jiān)控顯控臺，將影響指揮員決策指揮；而且飛機是非線性機動飛行，并且濾波算法必須滿足實時性要求[4]。

2.2 解決方法

兩臺光電經(jīng)緯儀，固定站為1998年設(shè)備，活動站為2008年改造后設(shè)備，兩者的數(shù)據(jù)格式不同。固定站數(shù)據(jù)幀格式如圖3所示。

監(jiān)控系統(tǒng)采用DDCMP的數(shù)據(jù)格式，DDCMP傳輸?shù)幕締卧菐?，圖5是每幀的結(jié)構(gòu)情況。它的數(shù)據(jù)必須是8位的整數(shù)倍，即它必須以字節(jié)為單位進行傳送。

軟件平臺分別接收固定站和活動站數(shù)據(jù)，然后根據(jù)各自格式解包，提取出T，A，E，R，經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，解出目標(biāo)相對于經(jīng)緯儀的x，y，z，然后進行打包處理（轉(zhuǎn)換為DDCMP格式），最后通過串口光端機發(fā)送到監(jiān)控。

3 CRC軟件實現(xiàn)

DDCMP數(shù)據(jù)通信協(xié)議中用到了差錯校驗碼?循環(huán)校驗碼（CRC碼）。CRC校驗是利用除法及余數(shù)的原理來作錯誤偵測的。實際應(yīng)用時，發(fā)送裝置將一段信息看成一個二進制數(shù)，然后用一個特定的數(shù)（即生成多項式）去除它，計算出余數(shù)即CRC值作為校驗碼并隨數(shù)據(jù)一同發(fā)送給接收裝置，接收裝置對收到的數(shù)據(jù)重新計算CRC值并與收到的CRC值相比較，若兩個CRC值不同，則說明數(shù)據(jù)通信出現(xiàn)錯誤[5]。

CRC校驗碼的產(chǎn)生比較復(fù)雜，計算量大，數(shù)據(jù)通信過程中要求有盡可能高的效率，這就要求盡可能縮短編碼時間。如果在通信過程中不斷進行求余運算，那么就要花費大量的CPU時間，為此可采用查表法，如下：

在通信開始前，在內(nèi)存中開辟一個區(qū)域（設(shè)首址為table），將預(yù)先計算好的（n，k）循環(huán)碼信息元m的余式，存放入table+m中，制成余式表。那么，通信過程中，對任一信息元M，可立即從表中table+x位置查出其相應(yīng)余式，組成完整碼字，這就是查表法。查表法大大提高了通信的效率校驗。

4 數(shù)據(jù)濾波方法實現(xiàn)

光電經(jīng)緯儀測量數(shù)據(jù)A，E，R為非線性，且目標(biāo)運動速度較大，可達100 m/s，根據(jù)實際情況，本系統(tǒng)采用了擴展卡爾曼濾波（EKF）算法。這是一種適合于非線性系統(tǒng)的自適應(yīng)濾波算法[6]。利用泰勒級數(shù)展開，將非線性函數(shù)線性化，然后應(yīng)用卡爾曼濾波算法，這種處理方法稱為擴展卡爾曼濾波算法。

4.1 系統(tǒng)建模

4.2 線性化后按卡爾曼算法進行迭代計算

5 飛行試驗驗證

光電經(jīng)緯儀實時測量飛機下滑數(shù)據(jù)經(jīng)過濾波后，得到A，E，R，再經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)到以跑道西原點為坐標(biāo)原點，沿跑道方向為x軸的直角坐標(biāo)系中。再轉(zhuǎn)換成DDCMP數(shù)據(jù)格式，發(fā)送給監(jiān)控臺。監(jiān)控臺接收到經(jīng)緯儀測量數(shù)據(jù)后在電子地圖上實時顯示飛機的下滑軌跡，并與設(shè)定的飛機理想下滑軌跡進行對比，可直觀判斷出飛機在下滑過程中是否偏離理想軌跡，以便于指揮員指揮飛行員操縱飛機，以逼近理想下滑軌跡。對記錄保存的數(shù)據(jù)進行事后數(shù)據(jù)處理，結(jié)果如圖7～圖9所示。

6 結(jié) 論

本文介紹的光電經(jīng)緯儀實時數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)用軟件法代替了硬件板卡實現(xiàn)了光電經(jīng)緯儀實時數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控顯控臺的功能。而且把光電經(jīng)緯儀的應(yīng)用由單一的事后數(shù)據(jù)處理模式擴展到實時數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域，并且把兩臺獨立經(jīng)緯儀的實時數(shù)據(jù)交聯(lián)在一起。如果根據(jù)需要還可以實時接收機載GPS數(shù)據(jù)、引導(dǎo)雷達數(shù)據(jù)及二次雷達數(shù)據(jù)，從而形成一個大的測試平臺。在已經(jīng)進行的某型飛機的燈光著陸系統(tǒng)驗證試飛科目中，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，能夠滿足著陸系統(tǒng)驗證試飛需求。

參考文獻

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