基于多源數(shù)據(jù)的試飛遙測(cè)天線自動(dòng)引導(dǎo)技術(shù)研究

張國(guó)旺 袁炳南 李儒寬

摘 ?要： 為了進(jìn)一步提升試飛遙測(cè)接收天線對(duì)目標(biāo)飛機(jī)的跟蹤質(zhì)量，提出基于PCM、二次雷達(dá)、北斗短報(bào)文三種互為冗余數(shù)據(jù)同時(shí)引導(dǎo)遙測(cè)天線的空、天、地?cái)?shù)據(jù)鏈路引導(dǎo)模式。并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)最佳數(shù)據(jù)源選擇算法，確保每一時(shí)刻只有一個(gè)較為理想的數(shù)據(jù)引導(dǎo)遙測(cè)接收天線。地面試驗(yàn)證明，此研究對(duì)于進(jìn)一步提升試飛遙測(cè)天線引導(dǎo)質(zhì)量，保障試飛安全具有重要意義。

關(guān)鍵詞： 遙測(cè)天線; 天線引導(dǎo); 目標(biāo)飛機(jī)跟蹤; 試飛; 多源數(shù)據(jù)融合; 數(shù)據(jù)源選擇

中圖分類號(hào)： TN821?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2019）11?0019?05

Abstract： In order to improve the target aircraft tracking quality of telemetry receiving antenna for trial flight， the air?space?ground data link guidance mode to guide telemetry antenna is put forward， which is based on the three mutually redundant data （PCM data， secondary radar data and BeiDou short?message data）. On this basis， the optimal data source selection algorithm of dynamic data was designed to ensure that there is only one ideal data to guide the telemetry receiving antenna in every moment. The ground test results prove this research has a great significance to further improve the guidance quality of the trial flight telemetry receiving antenna， and ensure the safety of the trial flight.

Keywords： telemetry antenna; antenna guidance; target aircraft tracking; trial flight; multisource data fusion; data source selection

0 ?引 ?言

飛行試驗(yàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)一直是國(guó)內(nèi)、外飛行試驗(yàn)領(lǐng)域研究的關(guān)鍵技術(shù)之一，不僅對(duì)于飛行試驗(yàn)探索邊界、挑戰(zhàn)極限、確保試飛安全有重要意義，而且通過飛行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理，可迅速判斷飛行試驗(yàn)的結(jié)果，縮短飛行試驗(yàn)周期，提高試飛效率。實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)以試飛遙測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，關(guān)鍵在于試飛遙測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)性、可靠性、實(shí)時(shí)性，取決于試飛遙測(cè)接收天線對(duì)目標(biāo)飛機(jī)的跟蹤質(zhì)量。

傳統(tǒng)的遙測(cè)跟蹤多采用人工手動(dòng)方式，且依賴于機(jī)載測(cè)試系統(tǒng)將定位數(shù)據(jù)遙測(cè)下傳到地面相關(guān)跟蹤設(shè)備，如遙測(cè)天線、光電經(jīng)緯儀等。其主要存在精準(zhǔn)度較低、易出錯(cuò)、效率低且人工代價(jià)高等問題。隨著無人機(jī)試飛，機(jī)上不攜帶傳統(tǒng)的遙測(cè)傳輸系統(tǒng)，只能依靠衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)完成對(duì)目標(biāo)的跟蹤[1]。

隨著新一代戰(zhàn)機(jī)信息化、自動(dòng)化技術(shù)的全面提升，飛行試驗(yàn)遙測(cè)接收從“單目標(biāo)、人工跟蹤”逐步向“多目標(biāo)、遠(yuǎn)程、自動(dòng)跟蹤”的方向發(fā)展，為了提升可靠性天線引導(dǎo)數(shù)據(jù)也逐步向多源化方向發(fā)展。針對(duì)此需求，本文提出基于PCM、二次雷達(dá)、北斗短報(bào)文的多數(shù)據(jù)源試飛遙測(cè)天線自動(dòng)引導(dǎo)技術(shù)，將三種互為冗余的數(shù)據(jù)按照一定的算法進(jìn)行擇優(yōu)選取，進(jìn)一步提升試飛遙測(cè)天線的跟蹤質(zhì)量[2]。

1 ?試飛遙測(cè)天線跟蹤原理分析

試飛遙測(cè)接收天線自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的主要作用是進(jìn)一步提升遙測(cè)接收天線跟蹤目標(biāo)飛機(jī)的質(zhì)量，在有限遙測(cè)距離內(nèi)（約300 km）使目標(biāo)飛機(jī)始終處于遙測(cè)接收天線的主瓣區(qū)域（理論上，旁瓣也能接收到信號(hào)，但是信號(hào)質(zhì)量不如主瓣，數(shù)據(jù)可能不穩(wěn)定），確保機(jī)載測(cè)試系統(tǒng)的其他數(shù)據(jù)（PCM、視頻數(shù)據(jù)等）能夠穩(wěn)定可靠地實(shí)時(shí)遙測(cè)下傳至地面遙測(cè)接收天線。因此，目標(biāo)飛機(jī)的定位數(shù)據(jù)在整個(gè)系統(tǒng)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，并且對(duì)定位數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性也有一定的要求。如果數(shù)據(jù)的更新頻率太低，則會(huì)造成目標(biāo)飛機(jī)飛出遙測(cè)接收天線的主瓣區(qū)域，造成遙測(cè)下傳的其他數(shù)據(jù)不穩(wěn)定或中斷等問題，嚴(yán)重影響地面實(shí)時(shí)監(jiān)控的質(zhì)量和效果，影響試飛科目尤其是風(fēng)險(xiǎn)科目的試飛動(dòng)作質(zhì)量及試飛安全。因此，本文主要分析引導(dǎo)數(shù)據(jù)更新頻率與目標(biāo)距離及速度間的關(guān)系[3]。

目前在飛行試驗(yàn)領(lǐng)域，用于PCM遙測(cè)接收的遙測(cè)天線主要分為全向天線和定向天線兩種。全向天線增益小，跟蹤距離較近（約200 km），定向天線增益較大，跟蹤距離較遠(yuǎn)（約300 km）。目前試飛遙測(cè)中以使用定向天線為主，在此以試飛中應(yīng)用的1.8 m拋物面定向天線為例，其主瓣角最大為3.8°，將飛機(jī)看作質(zhì)點(diǎn)，計(jì)算飛機(jī)在距接收天線一定距離外，從天線主瓣中心點(diǎn)以幾種不同的速度飛出主瓣區(qū)域所用的時(shí)間模型如圖1所示。[∠AOB]表示整個(gè)主瓣扇面，[OC]表示某方向主瓣扇面中心線，在此假設(shè)理想狀態(tài)下，飛機(jī)目標(biāo)位于主瓣區(qū)域中心點(diǎn)且傳輸延遲及天線響應(yīng)時(shí)間都忽略不計(jì)。

圖1 ?接收天線主瓣與目標(biāo)飛機(jī)距離及速度關(guān)系模型圖

表1 ?目標(biāo)飛機(jī)在不同距離和不同速度下飛

從表1可以看出，距離接收天線越近，目標(biāo)飛機(jī)速度越快，則飛出天線主瓣區(qū)域所需時(shí)間越短。作為遙測(cè)天線引導(dǎo)數(shù)據(jù)，如果更新頻率低于4次/s，在距離較近時(shí)（100 km以內(nèi)），目標(biāo)飛機(jī)速度超過800 km/h，目標(biāo)飛機(jī)會(huì)飛出接收天線的主瓣區(qū)域。這也證明了本場(chǎng)附近飛機(jī)起降過程中遙測(cè)信號(hào)不穩(wěn)定的原因，對(duì)此一般都采用自動(dòng)跟蹤結(jié)合人工修正的模式跟蹤以確保遙測(cè)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的質(zhì)量。

2 ?系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)充分利用現(xiàn)有系統(tǒng)、設(shè)備及資源，突破傳統(tǒng)使用方法，將北斗短報(bào)文、二次雷達(dá)等獨(dú)立使用的系統(tǒng)數(shù)據(jù)引入本系統(tǒng)并綜合應(yīng)用，形成空、天、地三種不同傳輸鏈路的天線引導(dǎo)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)組成框圖如圖2所示。

圖2 ?系統(tǒng)組成框圖

系統(tǒng)主要由三路數(shù)據(jù)（PCM、二次雷達(dá)、北斗短報(bào)文）、地面接收解析子系統(tǒng)、天線自動(dòng)跟蹤及控制子系統(tǒng)等組成。其中，PCM數(shù)據(jù)是通過接收北斗/GPS導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)經(jīng)過目標(biāo)飛機(jī)機(jī)載采集器采集并經(jīng)過PCM遙測(cè)鏈路下傳至地面接收解析系統(tǒng);北斗短報(bào)文數(shù)據(jù)是通過接收北斗導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)經(jīng)過北斗機(jī)載設(shè)備再經(jīng)過北斗通信衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)至地面接收解析系統(tǒng);二次雷達(dá)數(shù)據(jù)是直接引入地面接收解析系統(tǒng)進(jìn)行解析。地面接收解析子系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)三種數(shù)據(jù)的接收和解析，以及數(shù)據(jù)的擇優(yōu)選擇并轉(zhuǎn)發(fā)至天線自動(dòng)跟蹤及控制子系統(tǒng)。天線自動(dòng)跟蹤及控制子系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)擇優(yōu)選擇結(jié)果換算成天線控制的相關(guān)參數(shù)并發(fā)送天線控制指令給遙測(cè)接收天線等功能[4]。

3 ?關(guān)鍵技術(shù)

3.1 ?北斗短報(bào)文數(shù)據(jù)解析

采用將北斗1和北斗2芯片集成在一起，同時(shí)支持定位和發(fā)送位置信息功能的成熟北斗產(chǎn)品。需要在機(jī)上、地面分別安裝北斗天線和設(shè)備，用于接收北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的定位信息以及將自身位置信息以短報(bào)文方式通過衛(wèi)星發(fā)送到地面[5]。需要在地面接收解析軟件中實(shí)現(xiàn)對(duì)北斗短報(bào)文信息的解析功能。地面北斗接收模塊通過串口與地面接收解析計(jì)算機(jī)連接，以標(biāo)準(zhǔn)的串口通信方式與解析計(jì)算機(jī)通信，通信采用標(biāo)準(zhǔn)的串口通信。數(shù)據(jù)解析協(xié)議 （不同產(chǎn)品可能略有不同）如圖3所示。

圖3 ?北斗短報(bào)文數(shù)據(jù)解析協(xié)議

根據(jù)通信協(xié)議及數(shù)據(jù)解析協(xié)議即可解析出遙測(cè)天線引導(dǎo)所需目標(biāo)飛機(jī)的經(jīng)緯度位置信息[6]。作為試驗(yàn)驗(yàn)證，采用的北斗芯片報(bào)文發(fā)送頻率為2次/min;作為實(shí)際引導(dǎo)應(yīng)用，報(bào)文更新頻率應(yīng)至少選擇4次/min以上。

3.2 ?二次雷達(dá)數(shù)據(jù)解析

二次雷達(dá)又稱為航空交通管制雷達(dá)信標(biāo)系統(tǒng)，二次雷達(dá)采用應(yīng)答方式，其回波中包含目標(biāo)飛機(jī)的距離及位置信息、氣壓高度信息等可用于軍民用飛機(jī)目標(biāo)識(shí)別、實(shí)時(shí)跟蹤詢問目標(biāo)等。但二次雷達(dá)數(shù)據(jù)信息量較大，數(shù)據(jù)處理較為復(fù)雜。二次雷達(dá)數(shù)據(jù)通過RS 232串口通信方式傳輸?shù)綌?shù)據(jù)解析計(jì)算機(jī)，其通信采用標(biāo)準(zhǔn)的串口通信。因二次雷達(dá)數(shù)據(jù)具有包含多個(gè)飛機(jī)位置信息、信息長(zhǎng)度不固定、干擾信息較多等特點(diǎn)，其數(shù)據(jù)解析協(xié)議主要利用同步字找到有效數(shù)據(jù)的開始，根據(jù)飛機(jī)號(hào)判斷是否是所需飛機(jī)的數(shù)據(jù)，再根據(jù)具體的數(shù)據(jù)位置解析出所需要的位置信息[7]。其數(shù)據(jù)解析協(xié)議如圖4所示。

圖4 ?二次雷達(dá)數(shù)據(jù)解析協(xié)議

利用GetPortOpen函數(shù)對(duì)串口資源使用情況進(jìn)行檢測(cè)，使端口資源處于釋放狀態(tài)。用SetInBufferSize函數(shù)設(shè)置接收緩存的大小（以字節(jié)為單位），應(yīng)大于實(shí)際通信中最大一幀數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度，以防止數(shù)據(jù)溢出。由于數(shù)據(jù)中含有不可見字符，所以數(shù)據(jù)檢取應(yīng)采用二進(jìn)制方式，即SetInputMode（1）。針對(duì)二次雷達(dá)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，SetRThreshold（1）表示當(dāng)接收緩存區(qū)有1個(gè)及以上字符時(shí)將觸發(fā)接收事件，以提高數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性。最后，用SetPortOpen（TRUE）函數(shù)打開端口，完成串口的設(shè)置。值得注意的是，在通信之前常常需要調(diào)用SetInputLen（0）函數(shù)，它將引起MSComm讀取整個(gè)接收緩存區(qū)，以清空緩存中初始的隨機(jī)內(nèi)容。數(shù)據(jù)發(fā)送頻率為4次/s。

3.3 ?多源數(shù)據(jù)優(yōu)選算法設(shè)計(jì)

該技術(shù)的關(guān)鍵在于對(duì)解析出來的三種數(shù)據(jù)源進(jìn)行擇優(yōu)選擇，選擇算法的質(zhì)量直接影響著遙測(cè)天線引導(dǎo)數(shù)據(jù)的質(zhì)量。該算法是在地面解析軟件中實(shí)現(xiàn)，直接對(duì)解析出來的三種數(shù)據(jù)按照算法流程進(jìn)行選擇，選擇后的結(jié)果數(shù)據(jù)以網(wǎng)絡(luò)方式發(fā)送給天線跟蹤及控制子系統(tǒng)，換算為天線的俯仰、方位等量值即可通過天線伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)天線從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤的功能[8]。

設(shè)計(jì)基于動(dòng)態(tài)計(jì)算的最佳數(shù)據(jù)源選擇算法進(jìn)行最優(yōu)數(shù)據(jù)源選擇。所謂動(dòng)態(tài)計(jì)算是指算法基于實(shí)時(shí)數(shù)，動(dòng)態(tài)地根據(jù)當(dāng)前數(shù)據(jù)的特征進(jìn)行計(jì)算、選擇最佳的數(shù)據(jù)源作為天線自動(dòng)引導(dǎo)的數(shù)據(jù)源。

經(jīng)過前期實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，數(shù)據(jù)源選擇算法的設(shè)計(jì)必須考慮到以下因素：

1） 數(shù)據(jù)源信號(hào)的發(fā)送頻率。在數(shù)據(jù)源信號(hào)其他條件基本相同時(shí)，優(yōu)先選擇數(shù)據(jù)發(fā)送頻率較高者。因?yàn)榘l(fā)送頻率較高的數(shù)據(jù)源其目標(biāo)位置精度較高。

2） 不同數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)的時(shí)間。多個(gè)數(shù)據(jù)源雖然都是同一個(gè)目標(biāo)的位置數(shù)據(jù)，但因每個(gè)數(shù)據(jù)源系統(tǒng)之間不是建立在同一系統(tǒng)之上，也沒有時(shí)間同步機(jī)制，并且經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)傳輸、計(jì)算機(jī)處理后根本無法保證各數(shù)據(jù)具有時(shí)間相關(guān)性。為了防止有的數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)“遲到”造成數(shù)據(jù)過期現(xiàn)象，必須考慮數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)的時(shí)間，以確保數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。以當(dāng)前在用數(shù)據(jù)時(shí)間為準(zhǔn)，離該數(shù)據(jù)時(shí)間最近的數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)優(yōu)先選擇。

3） 數(shù)據(jù)有效性判斷。數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)有時(shí)會(huì)因信號(hào)較弱或者異常而產(chǎn)生一些異常跳點(diǎn)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)往往會(huì)對(duì)天線自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重的誤導(dǎo)作用。因此必須設(shè)計(jì)算法剔除跳點(diǎn)數(shù)據(jù)和異常數(shù)據(jù)。方法是利用每種數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)發(fā)送頻率，通過對(duì)目標(biāo)飛機(jī)速度及位置關(guān)系的計(jì)算，再結(jié)合當(dāng)前引導(dǎo)數(shù)據(jù)值的歷史數(shù)據(jù)（至少3個(gè)點(diǎn)）得出經(jīng)緯度變化上限值[9]。將每個(gè)數(shù)據(jù)源的位置信息和此上限值對(duì)比，超過了就認(rèn)為該數(shù)據(jù)是跳點(diǎn)直接舍棄。按照PCM數(shù)據(jù)16次/s，二次雷達(dá)數(shù)據(jù)4次/s，北斗短報(bào)文數(shù)據(jù)2次/min。

對(duì)以上三點(diǎn)因素按優(yōu)先級(jí)進(jìn)行排序，依次為數(shù)據(jù)有效性、數(shù)據(jù)時(shí)間、發(fā)送頻率。據(jù)此可設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)計(jì)算的最佳數(shù)據(jù)源選擇算法數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體描述如下：

圖5 ?基于動(dòng)態(tài)計(jì)算的最佳數(shù)據(jù)源選擇算法流程圖

其中當(dāng)前在用數(shù)據(jù)指當(dāng)前時(shí)刻作為引導(dǎo)遙測(cè)天線的數(shù)據(jù)值，可在發(fā)送數(shù)組或變量中獲取。異常處理包含的情況[10]及處理結(jié)果如下：

1） 有效性判斷結(jié)果為無效，則該數(shù)據(jù)狀態(tài)值被設(shè)置為0;

2） 數(shù)據(jù)時(shí)間比較結(jié)果不是最優(yōu)數(shù)據(jù)，則該數(shù)據(jù)狀態(tài)值被設(shè)置為0;

3） 發(fā)送頻率比較結(jié)果不是最優(yōu)數(shù)據(jù)，則該數(shù)據(jù)狀態(tài)值被設(shè)置為0;

4） 經(jīng)過多層選擇后，最終沒有最優(yōu)數(shù)據(jù)或者數(shù)據(jù)都異常，則重復(fù)使用當(dāng)前數(shù)據(jù)。

4 ?試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)整個(gè)系統(tǒng)和軟件進(jìn)行地面跑車驗(yàn)證試驗(yàn)，主要驗(yàn)證實(shí)時(shí)狀態(tài)下多數(shù)據(jù)源擇優(yōu)選擇算法的正確性以及在遙測(cè)傳輸距離、二次雷達(dá)探測(cè)距離邊沿（約300 km），北斗短報(bào)文數(shù)據(jù)的引導(dǎo)效果。地面解析轉(zhuǎn)發(fā)前記錄的數(shù)據(jù)以及監(jiān)控軟件顯示效果如圖6所示。當(dāng)前在用數(shù)據(jù)取決于選擇算法判斷的結(jié)果及數(shù)據(jù)在當(dāng)前時(shí)刻的有效性狀態(tài)值。

圖6 ?地面試驗(yàn)數(shù)據(jù)及監(jiān)控軟件顯示

5 ?結(jié) ?論

試飛遙測(cè)天線自動(dòng)引導(dǎo)技術(shù)是飛行試驗(yàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)之一，引導(dǎo)數(shù)據(jù)的質(zhì)量直接影響實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的質(zhì)量和試飛安全，采用多源冗余數(shù)據(jù)作為引導(dǎo)數(shù)據(jù)無疑可進(jìn)一步提升遙測(cè)天線引導(dǎo)的質(zhì)量和可靠性。本文基于現(xiàn)有常用系統(tǒng)和數(shù)據(jù)，創(chuàng)造性地提出同時(shí)使用PCM、二次雷達(dá)、北斗短報(bào)文三種數(shù)據(jù)作為遙測(cè)天線引導(dǎo)數(shù)據(jù)源，形成空、天、地三種數(shù)據(jù)源引導(dǎo)的模式。設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)最佳數(shù)據(jù)源選擇算法，確保每一時(shí)刻只有一個(gè)最理想的數(shù)據(jù)作為天線引導(dǎo)的數(shù)據(jù)源，為后續(xù)試飛領(lǐng)域目標(biāo)引導(dǎo)、跟蹤提供了良好的借鑒。此技術(shù)研究也可作為后續(xù)多目標(biāo)跟蹤、探測(cè)以及精確引導(dǎo)等技術(shù)的研究基礎(chǔ)。

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