多目標(biāo)試驗(yàn)機(jī)試飛態(tài)勢監(jiān)視系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

， ，

(中國飛行試驗(yàn)研究院，西安 710089)

0 引言

在飛行試驗(yàn)中，當(dāng)遙測目標(biāo)丟失后，遙測人員需要重新搜索目標(biāo)。如果僅憑個人工作經(jīng)驗(yàn)，則存在時間長、難度大等缺點(diǎn)，這對飛行試驗(yàn)構(gòu)成了嚴(yán)重的安全隱患。如果，遙測人員能夠?qū)崟r掌握試驗(yàn)機(jī)的狀態(tài)和形勢的態(tài)勢信息，則能夠快速、準(zhǔn)確的重新定位到測試目標(biāo)。所以，對試驗(yàn)機(jī)的態(tài)勢監(jiān)視是保障遙測信號穩(wěn)定的重要方法。電子地圖是目前態(tài)勢監(jiān)視的主要工具。

電子地圖是傳統(tǒng)地圖與計算機(jī)技術(shù)、GIS(地理信息系統(tǒng) Geographic Information System)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相融合的產(chǎn)物，以數(shù)字圖形的方式來描述試驗(yàn)對象的地理信息，如GPS(全球定位系統(tǒng) Global Positioning System)位置、高度等。隨著GPS技術(shù)的成熟，電子地圖得到了廣泛的應(yīng)用。機(jī)載采集設(shè)備實(shí)時獲取飛機(jī)的GPS經(jīng)度、緯度、高度、速度等信息，并通過機(jī)載遙測天線實(shí)時發(fā)送至地面接收設(shè)備，最終采用網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)及時顯示在電子地圖上，可以幫助地面監(jiān)控任務(wù)直觀地掌握試驗(yàn)機(jī)的的飛行狀態(tài)，有效防止偏航、迷航，為試飛安全提供了重要的保障。MapX是MapInfo公司向用戶提供的具有強(qiáng)大地圖分析功能的ActiveX控件產(chǎn)品。在開發(fā)過程中可以選用自己最熟悉的開發(fā)語言，如VC++、VB、Delphi、PowerBuilder等語言，只需在設(shè)計階段將MapX控件放入窗體中，并對其進(jìn)行編程，設(shè)置屬性或調(diào)用方法或相應(yīng)事件，即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化，專題分析，地理查詢，地理編碼等豐富的地圖信息系統(tǒng)功能。利用MapX能夠簡單快速地在應(yīng)用中嵌入地圖功能。

目前，態(tài)勢監(jiān)視軟件主要是單目標(biāo)電子地圖，該軟件在保障試驗(yàn)機(jī)試飛安全起到了積極的作用。但結(jié)合當(dāng)前遙測專業(yè)實(shí)際情況，如果使用該軟件輔助遙測跟蹤，則存在一下幾個問題：①每天飛行架次較多，并且多架同時試飛，如果要掌握所有飛機(jī)的態(tài)勢信息，則需要在單目標(biāo)電子地圖上進(jìn)行頻繁的切換，如果一架試驗(yàn)機(jī)的PCM中斷后再去切換，也就沒有態(tài)勢信息了。②由于部分飛機(jī)機(jī)動型太強(qiáng)，僅靠PCM中斷前的態(tài)勢信息，也不一定能及時重新鎖定目標(biāo)。③天線方向?qū)b測信號質(zhì)量影響較大，如果能準(zhǔn)確計算天線相對飛機(jī)的角度，則能夠及時準(zhǔn)確的鎖定目標(biāo)。綜合以上三點(diǎn)，單目標(biāo)電子地圖不適合目前遙測監(jiān)控的實(shí)際情況。

本文通過對實(shí)時遙測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理進(jìn)行了研究，設(shè)計并開發(fā)了具有多目標(biāo)監(jiān)視功能的試驗(yàn)機(jī)試飛態(tài)勢監(jiān)控系統(tǒng)。為了滿足目前飛行試驗(yàn)的實(shí)際需求，系統(tǒng)有一下特點(diǎn)：①多目標(biāo)的監(jiān)視模式，系統(tǒng)能同時監(jiān)視所有遙測試驗(yàn)機(jī)的試飛態(tài)勢。②通過引入二次雷達(dá)數(shù)據(jù)，解決了部分飛機(jī)PCM中斷后不能及時重新鎖定的問題。③計算飛機(jī)相對遙測天線的水平和垂直角度，實(shí)現(xiàn)對遙測天線的精確性指引。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 總體設(shè)計

在飛行試驗(yàn)中，通常在飛機(jī)上加裝遙測天線用來發(fā)射無線遙測PCM(pulse code modulation)信號。地面遙測接收機(jī)接收無線遙測PCM信號并將其解調(diào)后送往實(shí)時處理服務(wù)器，服務(wù)器經(jīng)過處理送往試飛監(jiān)控客戶端，從而實(shí)現(xiàn)飛行試驗(yàn)的實(shí)時監(jiān)控。因此飛行試驗(yàn)實(shí)時遙測系統(tǒng)通常可分為機(jī)載數(shù)據(jù)發(fā)送、地面遙測接收、前端實(shí)時處理和視圖驅(qū)動顯示客戶端顯示四部分[1]，如圖1所示。

圖1 總體設(shè)計原理圖

通過對飛行試驗(yàn)實(shí)時遙測系統(tǒng)的研究，系統(tǒng)采用服務(wù)器/客戶端的網(wǎng)絡(luò)模式。服務(wù)器通過獲取飛機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)信息，并通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到系統(tǒng)客戶端?？蛻舳藢邮盏男畔⑦M(jìn)行計算并根據(jù)需要進(jìn)行顯示。

為了提高設(shè)備利用率，減少重復(fù)工作，在現(xiàn)有的實(shí)時處理服務(wù)器軟件的基礎(chǔ)上，通過增加相關(guān)模塊，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)服務(wù)器所需功能。即在前端實(shí)時處理服務(wù)器軟件增加關(guān)鍵參數(shù)發(fā)送功能，對不能增加發(fā)送功能的可通過視圖驅(qū)動客戶端以及關(guān)鍵參數(shù)轉(zhuǎn)發(fā)軟件轉(zhuǎn)發(fā)。

為及時準(zhǔn)確鎖定遙測目標(biāo)，提高系統(tǒng)的可靠性。系統(tǒng)除了接收PCM數(shù)據(jù)外，還接收并解析飛機(jī)的二次雷達(dá)數(shù)據(jù)，并將相應(yīng)的關(guān)鍵參數(shù)發(fā)送到試飛態(tài)勢監(jiān)視系統(tǒng)客戶端。

二次雷達(dá)SSR(secordary surveillance radar)，起初主要用于軍事監(jiān)測和打擊，其工作模式是地面雷達(dá)向目標(biāo)飛機(jī)發(fā)射雷達(dá)波，目標(biāo)飛機(jī)以相應(yīng)的方式應(yīng)答。隨著民用航空的發(fā)展，二次雷達(dá)被廣泛的應(yīng)用在航空飛行管控中。由于二次雷達(dá)探測距離一般在3 000～3 700公里，遠(yuǎn)高于遙測天線300公里的跟蹤距離，因此能夠有效的保證試驗(yàn)機(jī)態(tài)勢信息的及時獲取。

總體來說，本系統(tǒng)由前端實(shí)時處理服務(wù)器、視圖驅(qū)動客戶端、關(guān)鍵參數(shù)轉(zhuǎn)發(fā)軟件、二次雷達(dá)數(shù)據(jù)解析軟件以及試飛態(tài)勢監(jiān)視系統(tǒng)客戶端組成，即圖1虛線框內(nèi)部分。

1.2 功能設(shè)計

1)服務(wù)器端。

服務(wù)器端主要功能從遙測接收機(jī)獲取飛行基本數(shù)據(jù)并發(fā)送到客戶端。獲取二次雷達(dá)數(shù)據(jù)的處理軟件也可認(rèn)為是一種服務(wù)器。根據(jù)目前我院數(shù)據(jù)處理服務(wù)器的不同相應(yīng)的可以分為3種：①服務(wù)器發(fā)送關(guān)鍵參數(shù)；②服務(wù)器無法直接發(fā)送的，可由關(guān)鍵參數(shù)轉(zhuǎn)發(fā)軟件從視圖驅(qū)動客戶端獲取數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)發(fā)；③二次雷達(dá)數(shù)據(jù)解析軟件，通過接收二次雷達(dá)數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵參數(shù)的發(fā)送。

2)客戶端。

客戶端是最終展示在使用者面前，客戶端可以是多目標(biāo)畫面或者地圖等等?？傊?，客戶端就是將服務(wù)器發(fā)出的態(tài)勢信息以數(shù)字或者圖表的方式展示給用戶，可以是各種不同的軟件。

為了直觀的顯示試驗(yàn)機(jī)的試飛態(tài)勢，本系統(tǒng)的客戶端使用基于多目標(biāo)的飛行試驗(yàn)電子地圖軟件。軟件采用MapX組件與面向?qū)ο罂梢暬幊陶Z言VC++集成的二次開發(fā)模式，具有電子地圖所必備的基本功能；同時該軟件還具有可擴(kuò)展性，根據(jù)多目標(biāo)飛行監(jiān)控特點(diǎn)，增加了飛機(jī)軌跡選擇、飛機(jī)中心點(diǎn)、飛機(jī)選擇和繪制飛行半徑等實(shí)用功能[2]。軟件功能模塊如圖2所示。

圖2 客戶端功能設(shè)計

軟件的主要功能模塊包括設(shè)置、操作以及顯示三部分。

設(shè)置部分包含基本設(shè)置、航路點(diǎn)管理、遙測站選擇等功能，其中基本設(shè)置中應(yīng)該包含數(shù)據(jù)源的選擇，即選擇接收PCM數(shù)據(jù)還是二次雷達(dá)數(shù)據(jù)，或者PCM數(shù)據(jù)和二次雷達(dá)的混合數(shù)據(jù)。航路點(diǎn)管理包括航路點(diǎn)的新建、導(dǎo)入、刪除、修改、選擇、加載以及繪制等操作，實(shí)現(xiàn)了飛行的導(dǎo)航功能。遙測站選擇主要是為遙測人員提供服務(wù)，通過選擇當(dāng)前跟蹤試驗(yàn)機(jī)的遙測天線，軟件就可以計算出該試驗(yàn)機(jī)相對該遙測站的水平和垂直方位角，并將該信息實(shí)時顯示在地圖，極大的方便遙測人員的工作，對遙測信號的穩(wěn)定起到了積極作用。

操作部分包含飛機(jī)隱藏、地圖基本操作、距離測定、飛機(jī)中心點(diǎn)以及繪制飛行半徑等功能。其中地圖操作包含放大、縮小、居中、漫游、平移、點(diǎn)選圖元等基本功能。此外，針對實(shí)時飛行特點(diǎn)，提供了測距、飛機(jī)中心點(diǎn)、繪制飛行半徑、飛機(jī)隱藏、軌跡選擇等功能。其中飛機(jī)隱藏功能只要是屏蔽一些不關(guān)注的飛機(jī)信息，使試飛工程師能夠很好的將注意了集中在所關(guān)注的試驗(yàn)機(jī)。軌跡選擇功能提供兩種軌跡顯示方式，所有軌跡顯示和部分軌跡顯示，方便使用者查看飛機(jī)整個飛行過程的歷史態(tài)勢。

顯示部分包含飛行軌跡顯示和飛行信息顯示功能。飛行軌跡顯示功能顯示飛機(jī)位置、軌跡以及遙測天線角度；飛行信息顯示功能是將所有飛機(jī)的基本參數(shù)通過列表的方式顯示在地圖下方，方便遙測人員及時了解到其他相關(guān)信息，如航向、俯仰、橫滾、油量等影響試飛安全的關(guān)鍵參數(shù)。軟件采用靈活配置方式，用戶可通過相關(guān)設(shè)置，配置自己關(guān)心的參數(shù)。

1.3 接口設(shè)計

為實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)的監(jiān)視模式，系統(tǒng)采用UDP組播發(fā)送和接收。根據(jù)實(shí)際需要，數(shù)據(jù)包應(yīng)該包含以下信息：①同步字和總字長，保證數(shù)據(jù)接收正確；②飛機(jī)號，每架飛機(jī)的唯一區(qū)分；③處理系統(tǒng)類型，不同的服務(wù)器類型，有些參數(shù)的解析也不一樣；④數(shù)據(jù)類型，1表示實(shí)時，0表示回放；⑤時間字，包括時分秒以及毫秒；⑥基本信息，經(jīng)緯度、高度、速度、航向角、橫滾角、俯仰角和剩余油量等。格式如下所示：

typedef struct plane

{

unsigned short tb; //同步字

unsigned short zc; //總字長

unsigned short number; //飛機(jī)編號

unsigned short System_Type; //處理系統(tǒng)類型

unsigned short Date_Type; //數(shù)據(jù)類型 1--實(shí)時，2--回放

float Info[12]; //時間位置狀態(tài)信息

}airplane;

2 關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)現(xiàn)

客戶端軟件是系統(tǒng)的重中之中，客戶端的好壞直接影響用戶對系統(tǒng)的體驗(yàn)，所以本文主要介紹客戶端軟件的實(shí)現(xiàn)方法，即多目標(biāo)電子地圖的實(shí)現(xiàn)。

2.1 多流數(shù)據(jù)的接收方法

為確保數(shù)據(jù)及時接收，采用線程實(shí)現(xiàn)。如圖3所示，開啟網(wǎng)絡(luò)Socket后，軟件從緩沖區(qū)讀取一幀數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過以下幾個步驟：①檢查數(shù)據(jù)是否正確，判斷數(shù)據(jù)同步字是否正確，若同步字正確，則數(shù)據(jù)有效，否則丟棄該數(shù)據(jù)；②讀取飛機(jī)號。軟件為每架飛機(jī)創(chuàng)建一個結(jié)構(gòu)體變量，該變量保存接收到的飛行數(shù)據(jù)；③判斷飛機(jī)是否存在，若已經(jīng)創(chuàng)建該飛機(jī)的結(jié)構(gòu)體變量，則更新該變量的數(shù)據(jù)，否則創(chuàng)建結(jié)構(gòu)體變量保；④送入定時器顯示，最終在定時器中進(jìn)行信息的顯示和操作。

圖3 數(shù)據(jù)接收流程圖

2.2 關(guān)鍵參數(shù)的計算方法

要輔助引導(dǎo)天線就要計算飛機(jī)相對天線的水平和垂直角度。本文通過對實(shí)際飛行情況的分析，得出相關(guān)角度的計算方法如下：

1)水平角度。

假如飛機(jī)在第一象限的水平投影如圖4所示，則β即是水平角度，其計算公式如下：

β=sin-1(Dy/Dxy)*180/3.14(度)

圖4 飛機(jī)水平方向投影

投影若在其他象限，可通過加減90°的倍數(shù)實(shí)現(xiàn)。

2)垂直角度。

假如飛機(jī)在垂直方向上的投影如圖5所示，則天線垂直投影角度為α，其計算公式如下：

β=sin-1[(Dxy/(Hp-Hy)]*180/3.14

圖5 飛機(jī)垂直方向投影

2.3 實(shí)時顯示技術(shù)

實(shí)時顯示主要顯示飛機(jī)位置、基本飛行參數(shù)和飛行軌跡。保證數(shù)據(jù)的及時準(zhǔn)確和界面的整潔友好是實(shí)時顯示技術(shù)的重要指標(biāo)。軟件實(shí)時顯示流程圖如圖6所示，主要用到以下技術(shù)保證系統(tǒng)的各個性能[3-7]：

圖6 實(shí)時顯示模塊處理框圖

1)利用MapX的動態(tài)圖層，保證了數(shù)據(jù)刷新的及時性。顯示飛機(jī)定位信息的圖元所在圖層可以是一個已有的圖層，與其他圖元共同存在，但是這樣在每一次刷新時將要刷新該層中所有的圖元，刷新速度比較慢。因此，采用創(chuàng)建動態(tài)圖層的方式來予以解決。動態(tài)圖層(AnimationLayer)常用于經(jīng)常更新的圖元所在的圖層，將表示飛機(jī)的符號圖元、標(biāo)簽和飛行軌跡置于單獨(dú)的一個圖層中，來快速刷新顯示飛機(jī)定位信息。

2)剔除跳點(diǎn)，保證數(shù)據(jù)的正確性。采用多種方法實(shí)現(xiàn)：a)判斷數(shù)據(jù)的合法性；b)通過相關(guān)的計算判斷數(shù)據(jù)的合理性，如相鄰兩點(diǎn)之間距離過大，超過理論上飛機(jī)所能達(dá)到的最大速度，則可認(rèn)為該數(shù)據(jù)點(diǎn)為跳點(diǎn)；c)采用常見的均方根值法判斷跳點(diǎn)。

3)軌跡的動態(tài)變化，保證界面的整潔性。多架飛機(jī)同時飛行，如果顯示每架飛機(jī)的完全軌跡則會顯得地圖太亂，系統(tǒng)通過創(chuàng)建動態(tài)數(shù)組，將飛行軌跡保持在一定范圍內(nèi)，從而保證界面的整潔性。

3 應(yīng)用實(shí)例

目前系統(tǒng)已經(jīng)在各個遙測站以及監(jiān)控大廳中使用，對保障重點(diǎn)型號的試飛起到了重要的作用。系統(tǒng)主要軟件包括PCM數(shù)據(jù)發(fā)送軟件、二次雷達(dá)數(shù)據(jù)解析發(fā)送軟件和多目標(biāo)電子地圖軟件。

3.1 服務(wù)器端軟件

圖7為PCM飛參數(shù)據(jù)發(fā)送軟件的參數(shù)配置界面，通過配置飛機(jī)關(guān)鍵參數(shù)名來提取參數(shù)物理量，并通過網(wǎng)絡(luò)組播方式發(fā)送至多目標(biāo)電子地圖。該軟件即可獨(dú)立運(yùn)行，也可嵌入到其他大型軟件中，作為一個功能使用。本系統(tǒng)就采用在前端實(shí)時處理軟件嵌入PCM飛參數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能模塊實(shí)現(xiàn)了PCM數(shù)據(jù)到電子地圖的傳輸。

圖7 PCM數(shù)據(jù)發(fā)送軟件

3.2 客戶端軟件

圖8 多目標(biāo)電子地圖

圖8為多目標(biāo)電子地圖軟件，上部分電子地圖顯示飛機(jī)的位置信息，下部分列表顯示飛機(jī)部分關(guān)鍵參數(shù)信息。在顯示信息最右邊選擇遙測站后，會顯示飛機(jī)相對該遙測站的水平和垂直角度。圖中以機(jī)場為中心顯示坐標(biāo)軸，以每隔100公里繪制飛行半徑。如圖8所示，地圖同時顯示四架飛機(jī)，其中飛機(jī)1顯示了完整軌跡，并用虛線畫出，其余三架僅顯示最近兩分鐘內(nèi)的軌跡。用戶可通過菜單欄的“設(shè)置”功能編輯地圖基本信息以及選擇數(shù)據(jù)源的類型。當(dāng)PCM數(shù)據(jù)中斷時，用戶可通過可在此項(xiàng)設(shè)置中切換數(shù)據(jù)源為二次雷達(dá)類型，從而快速搜索到當(dāng)前跟蹤目標(biāo)。使用表明，使用該軟件后，將丟失目標(biāo)的搜索時間由原來的3～5分鐘縮短至20～30秒，大大提高了跟蹤效率。

4 結(jié)論

系統(tǒng)采用面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計語言VC++，集成MapX控件，并結(jié)合單位型號試飛特點(diǎn)，設(shè)計并實(shí)現(xiàn)的多目標(biāo)試驗(yàn)機(jī)試飛態(tài)勢監(jiān)視系統(tǒng)的開發(fā)。經(jīng)實(shí)際使用表明，軟件簡單易用，完全滿足多目標(biāo)監(jiān)視的需求，由于引入了二次雷達(dá)數(shù)據(jù)以及計算了遙測天線角度，解決了當(dāng)前飛行試驗(yàn)中測試跟蹤目標(biāo)丟失后的重新搜索和跟蹤問題，縮短了目標(biāo)鎖定時間，提升了遙測信號的質(zhì)量，為試飛安全提供了保障。

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