CN115541187A - 一种高动态条件下的机载光电系统测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高动态条件下的机载光电系统测试方法，通过建立简化的载机六自由度运动模型，实现载机按预期机动动作进行的姿态模拟；采用仿真软件工具包进行红外视景的开发和渲染，并通过红外动态目标模拟器将数字仿真场景转换为红外物理光信号投射出来；采用自定义消息格式进行数据传输，以仿真综合控制系统为时间基准，通过PTP方式对其他工作站进行时间同步，并使用VxWorks、Windows RTX实时操作系统，完成实时仿真和数据采集；构建高动态条件下的半实物仿真平台，可支持机载光电系统的动态跟踪性能测试。本发明使光电系统的测试流程更完整，对其跟踪性能的验证评估更全面。

Description

一种高动态条件下的机载光电系统测试方法

技术领域

本发明属于光电测试技术领域，具体涉及一种机载光电系统测试方法。

背景技术

世界各国在军用光电产品的研制过程中，都特别重视系统的仿真及测试研究，将测试验证作为系统研制和生产过程的重要环节，甚至要求武器系统验证与武器研制平行发展。而国内在光电系统的测试技术方面起步较晚，对考核机载光电系统性能的测试手段还不全面。尤其从未来实战需求出发，机载光电系统对战场目标跟踪将面临强对抗、复杂场景的严峻考验，如何依靠地面测试，全面考核机载光电系统在高动态条件下的跟踪性能，成为目前国内亟需深入研究的关键技术。

使用红外场景仿真的方法，对作战环境进行建模，动态产生作战使用的态势和信号激励，随着光电系统观察方位的变化，红外场景仿真调整观察视角，产生与观察角度匹配的场景图像，取代以往的静态单目标模拟方法，使光电系统验证评估更加科学，更加贴近实际使用情况，是亟需解决的问题。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种高动态条件下的机载光电系统测试方法，通过建立简化的载机六自由度运动模型，实现载机按预期机动动作进行的姿态模拟；采用仿真软件工具包进行红外视景的开发和渲染，并通过红外动态目标模拟器将数字仿真场景转换为红外物理光信号投射出来；采用自定义消息格式进行数据传输，以仿真综合控制系统为时间基准，通过PTP方式对其他工作站进行时间同步，并使用VxWorks、WindowsRTX实时操作系统，完成实时仿真和数据采集；构建高动态条件下的半实物仿真平台，可支持机载光电系统的动态跟踪性能测试。本发明使光电系统的测试流程更完整，对其跟踪性能的验证评估更全面。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括如下步骤：

步骤1：定义坐标系；

载机地理系记作坐标系g，载机地理系原点位于地面任意选定的固定点，z轴与过原点的参考椭球面的法向重合，指向天顶；y轴垂直于z轴指向参考椭球的短半轴；x轴由右手定则判定；

机体系记作坐标系b，机体系的原点位于飞机质心，x轴垂直于飞机对称平面，指向右；y轴在飞机对称平面内，平行于机身轴线，指向前；z轴由右手定则判定；

气流系记作坐标系a，气流系的原点位于飞机质心，y轴始终指向飞机的空速方向；z轴位于对称平面内，垂直于y轴，指向上；x轴由右手定则判定；

航迹系记作坐标系h，航迹系的原点位于飞机质心，y轴始终指向飞机的地速方向；z轴位于包含y轴的铅垂平面内，垂直于y轴，指向上；x轴由右手定则判定；

步骤2：载机飞行态势模拟；

步骤2-1：由于飞机采用倾斜转弯BTT控制技术，故略去侧滑角β和侧力项的影响，对应航迹系h的质点动力学方程组即载机六自由度仿真模型为：

式中，v为飞机地速，g为重力加速度，n_x为飞机轴向过载，n_y为飞机法向过载；θ为航迹倾角，ψ_s为航迹偏角，是载机地理系g与航迹系h间的欧拉角；γ_s为速度滚转角，是航迹系h与气流系a之间的欧拉角；

步骤2-2：将飞机质心的速度矢量投影到载机地理系，则飞机质心坐标x、y、z由以下方程组得到：

在上述运动方程组积分的过程中，飞行器运动的状态变量为v、θ、ψ_s、x、y、z，控制变量为n_x、n_y、γ_s；

步骤2-3：由动力学方程求得的航迹角θ和ψ_s，根据载机地理系g到机体系b的转换关系可得：

式中，

分别为载机地理系到机体系、气流系到机体系、航迹系到气流系、载机地理系到航迹系的转换矩阵；

步骤2-4：由坐标系间的转换关系，确定飞机姿态参数：

式中，

ψ、γ分别为飞机的俯仰角、偏航角、横滚角；α为飞行迎角；

步骤3：数字化场景仿真；

采用JRM作为红外视景仿真工具，通过高程数据建立三维地形，在三维地形上对应坐标设置高分辨率卫星航拍图片，构成可见光视景模型；对视景中存在的建筑物、道路、树木建立三维模型，使用矢量地图将建立的三维模型与视景中的坐标位置进行关联，生成详细的三维场景模型；在三维场景模型中对场景贴图的卫星航拍图片划分图层，分别设置其材质属性，达到仿真效果；

进行想定场景的二次开发，通过接收载机、目标的位置和姿态，更新观察方向对应的视景，得到不同时段内的作战场景；

步骤4：仿真同步控制、实时传输及采集；

构建高动态飞行仿真测试系统，包括飞行仿真工作站、仿真试验综合控制系统、飞行仿真转台控制台、场景仿真工作站和飞行仿真转台；

所述飞行仿真工作站对载机的飞行过程进行仿真，根据步骤2的载机飞行态势模拟，获得载机的位置和姿态数据，数据发送到仿真试验综合控制系统；

所述仿真试验综合控制系统根据载机和目标的相对位置，计算观察角度，将数据分发给飞行仿真转台控制台、动态目标模拟器和场景仿真工作站；

所述飞行仿真转台控制台根据要求的角度，驱动飞行仿真转台的三轴飞行转台对光电产品施加姿态激励，驱动飞行仿真转台的二轴目标转台转动到观察角度；

所述场景仿真工作站根据载机位置数据，设置视点在场景中的位置，根据观察角度数据，设置视点的观察方向，仿真光电产品观察的红外视景，通过DVI视频接口传输到动态目标模拟器中，动态目标模拟器将红外视景转换为红外辐射信号发射出来，用以激励光电系统的红外传感器成像；

步骤4：动态跟踪性能测试；

飞行仿真转台包括三轴飞行转台和二轴目标转台；三轴飞行转台用于复现载机姿态，二轴目标转台用于复现目标相对于载机的两个视线角；

为模拟不同的战场态势，分别设定载机的机动形式和机动参数n_x、n_y、γ_s，作为载机六自由度仿真模型的输入，由飞行仿真工作站解算获得载机的位置和姿态数据，载机姿态数据用于驱动三轴飞行转台运动，模拟一个高动态飞行环境；结合目标运动得到地理系下目标相对于载机的两个视线角度，用于驱动二轴目标转台运动。

本发明的有益效果如下：

采用本发明的测试方法，可以动态模拟载机机动对光电系统性能的影响，且通过对作战场景进行建模，根据载机与目标的空间态势变化，动态调整观察视角，产生与光电系统观察角度匹配的场景图像。通过增加红外场景和载机机动模拟，将作战态势、场景激励、光电产品、操作反馈构成闭环系统，使光电系统的测试流程更完整，对其跟踪性能的验证评估更全面。

附图说明

图1为本发明的机载光电系统高动态跟踪测试数据流图。

图2为本发明的中波红外作战场景仿真图，其中(a)夜晚0点，(b)早晨8点，(c)中午12点，(d)下午16点。

图3为本发明的高动态飞行仿真测试系统组成示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本发明的目的在于设计一种高动态条件下的机载光电产品测试方法，构建完善的半实物仿真测试平台，能够针对机载光电产品开展想定战场态势下的作战任务仿真，通过增加红外场景和载机机动模拟，评估产品在高动态、大机动条件下的跟踪性能，支持图像处理和数据处理算法的改进提升，进一步提高光电产品的跟踪稳定性和精度。

一种高动态条件下的机载光电系统测试方法，包括如下步骤：

步骤1：载机飞行态势模拟

将飞机空战机动运动分解为飞行速度、过载以及过载方向的描述，为此建立用速度、过载等参数作为模型输入量的载机飞行仿真模型；

依据建立的载机飞行仿真模型，在载机典型机动的计算方法中，采用轴向过载n_x、法向过载n_y、速度滚转角γ_s作为控制变量输入，实现每一典型机动飞行动作的具体算法思路为：首先根据飞行经验确定完成此机动飞行时控制变量的要求值，然后从限制条件出发进行检查，从中确定控制变量的可用值，再将可用值代入运动方程组积分而得飞机不同瞬时的位置和姿态参数；

本发明中由飞行仿真工作站对载机的飞行过程进行仿真，获得载机的位置和姿态数据，并将数据分发给飞行仿真转台控制台和场景仿真工作站；

步骤2：数字化场景仿真

数字化场景仿真模型包含三维模型、材质模型、温度模型、大气模型等多个方面；采用成熟的商用红外仿真软件作为红外视景仿真工具，通过高程数据建立三维地形，在三维地形上对应坐标设置高分辨率卫星航拍图片，构成可见光视景模型，对视景中存在的建筑物、道路、树木等建立三维模型，使用矢量地图将建立的三维模型与视景中的坐标位置进行关联，生成详细的三维场景模型。在三维场景模型中对场景贴图的卫星航拍图片划分图层，分别设置其材质属性，达到逼真的仿真效果；

依据步骤1得到载机位置数据，并结合目标的位置和姿态数据，对JRM建立的场景进行二次开发，由仿真工作站设置视点在场景中的位置，并根据观察角度数据，更新视点的观察方向，仿真出光电产品应该观察到的红外视景；

步骤3：仿真同步控制、实时传输及采集

系统各节点间采用高速全双工以太网，提高数据传输速率，采用全速交换机，保障每个端口均有全速的数据带宽；采用UDP网络协议、自定义消息格式进行数据传输；以仿真综合控制系统为时间基准，在其他每个仿真节点计算机上安装PTP270PEX对时板卡，获取高精度时钟同步；并通过VxWorks、Windows RTX实时操作系统，完成实时仿真和数据采集；

步骤4：动态跟踪性能测试

由飞行仿真工作站解算获得载机的位置和姿态数据，载机姿态数据用于驱动三轴飞行转台运动，模拟一个接近真实的高动态飞行环境；结合目标运动可以获得地理系下目标相对于载机的两个视线角度，用于二轴目标转台运动；场景仿真工作站输出对应观察视角下的红外视景，通过DVI视频接口传输到动态目标模拟器中，动态目标模拟器将红外视景转换为红外辐射信号发射出来，用以激励被测光电系统的红外传感器成像，实现在高动态条件下对机载光电系统的探测、跟踪性能测试；

建立以轴向过载n_x、法向过载n_y、速度滚转角γ_s作为控制变量的六自由度载机飞行仿真模型，不仅简化了运算，还解决了从机动动作描述到用速度、过载描述的一致性问题，能够实现飞机按预期机动进行的运动仿真；

使用商用红外仿真软件建立三维红外视景模型，并结合战场态势想定，对仿真软件进行二次开发，能够根据载机与目标的空间态势变化，动态调整观察视角，产生与光电系统观察角度匹配的场景图像；

使用五轴转台的内三轴对被测光电系统施加姿态激励，使用五轴转台的内两轴模拟目标与载机的相对位置变化，通过控制转台运动能够更准确地反映出不同态势下载机机动对光电系统造成的影响；

使用动态目标模拟器实现数字仿真场景的物理光信号转换，将接收到的视频信号转换成对应的红外热像，为被测光电系统提供目标和背景图像激励，取代静态单目标模拟方法，使光电系统验证评估更加贴近实际作战场景。

本发明较以往的半实物仿真，增加载机姿态模拟，更准确地反映出不同态势下载机机动对光电系统造成的影响，为光电系统性能提升、作战使用研究提供支撑。

具体实施例：

本实施例通过建立简化的载机六自由度运动模型，实现载机按预期机动动作进行姿态模拟；采用仿真软件工具包进行红外视景的开发和渲染，动态生成作战使用的态势和信号激励，并通过红外动态目标模拟器将模拟产生的红外视景投射给被测产品；采用UDP网络协议、自定义消息格式进行数据传输，以仿真综合控制系统为时间基准，通过PTP方式对其他工作站进行时间同步，并使用VxWorks、Windows RTX实时操作系统，完成实时仿真和数据采集；最终构建高动态条件下的半实物仿真平台，可支持机载光电系统的动态跟踪性能测试，为产品开展关键技术研究、关键指标验证、关键功能性能考核提供有力保障。

首先对发明中涉及的坐标系做具体说明，一种高动态条件下的机载光电系统测试方法涉及的坐标系如下：

载机地理系记作坐标系g，载机地理系原点位于地面任意选定的某固定点(例如飞机起飞点)，z轴与过原点的参考椭球面的法向重合，指向天顶；y轴垂直于z轴指向参考椭球的短半轴；x轴由右手定则判定。

机体系记作坐标系b，机体系的原点位于飞机质心，x轴垂直于飞机对称平面，指向右；y轴在飞机对称平面内，平行于机身轴线，指向前；z轴由右手定则判定。

气流系记作坐标系a，气流系的原点位于飞机质心，y轴始终指向飞机的空速方向；z轴位于对称平面内，垂直于y轴，指向上；x轴由右手定则判定。

航迹系记作坐标系h，航迹系的原点位于飞机质心，y轴始终指向飞机的地速方向；z轴位于包含y轴的铅垂平面内，垂直于y轴，指向上；x轴由右手定则判定。

本实施例通过如下措施来实现目标。

1、载机飞行态势模拟；

由于飞机采用倾斜转弯(BTT)控制技术，故可略去侧滑角β和侧力项Z的影响。对应航迹坐标系h的质点动力学方程组为：

式中，v为飞机地速，g为重力加速度，n_x为飞机轴向过载，n_y为飞机法向过载；θ为航迹倾角，ψ_s为航迹偏角，是载机地理系g与航迹系h间的欧拉角；γ_s为速度滚转角，是航迹系h与气流系a之间的欧拉角。

为建立相应的运动学方程组，将飞机质心的速度矢量投影到载机地理坐标系，则飞机质心坐标x、y、z可以由以下方程组得到

在上述运动方程组积分的过程中，飞行器运动的状态变量为v、θ、ψ_s、x、y、z，控制变量为n_x、n_y、γ_s。作为状态控制变量，过载n_x、n_y取决于发动机工作状态和飞行状态参数以及由飞行迎角确定的气动力系数。速度滚转角γ_s与要求的飞行姿态有关，对飞机来说，它还与控制系统的设计(如设置滚转角速度限制器等)有关。

由动力学方程求得的航迹角θ和ψ_s，根据载机地理系g到机体系b的转换关系可得，

式中，

分别为载机地理系到机体系、气流系到机体系、航迹系到气流系、载机地理系到航迹系的转换矩阵。

由坐标系间的转换关系，可以确定飞机姿态参数：

式中，

ψ、γ分别为飞机的俯仰角、偏航角、横滚角；α为飞行迎角。

由以上运动方程组和控制变量可知，在飞机典型机动的计算方法中，采用n_x、n_y、γ_s作为控制变量。实现每一典型机动飞行动作的具体算法思路为：首先根据飞行经验确定完成此机动飞行时控制变量的要求值，然后从限制条件出发进行检查，从中确定控制变量的可用值。再将可用值代入运动方程组积分而得飞机不同瞬时的位置和姿态参数。

测试系统中飞行仿真工作站对载机的飞行过程进行仿真，采用上述六自由度仿真模型，获得载机的位置和姿态数据，将数据分发给飞行仿真转台控制台和场景仿真工作站。

2、数字化场景仿真；

数字化场景仿真模型包含三维模型、材质模型、温度模型、大气模型等多个方面，要结合目标红外特性与场景红外特性进行详细建模。本发明采用成熟的商用软件JRM作为红外视景仿真工具，通过高程数据建立三维地形，在三维地形上对应坐标设置高分辨率卫星航拍图片，构成可见光视景模型。对视景中存在的建筑物、道路、树木等建立三维模型，使用矢量地图将建立的三维模型与视景中的坐标位置进行关联，生成详细的三维场景模型。在三维场景模型中对场景贴图的卫星航拍图片划分图层，分别设置其材质属性，达到逼真的仿真效果。

并在visual studio 2010开发环境下进行想定场景的二次开发，通过接收载机、目标的位置和姿态，更新观察方向对应的视景。图2分别假定夜晚0点、早晨8点、中午12点、下午16点四个时间段，对中波红外辐射进行模拟，可得到不同时段内的作战场景。

3、仿真同步控制、实时传输及采集；

图1显示了高动态条件下机载光电系统跟踪测试的详细数据流。

飞行仿真工作站对载机的飞行过程进行仿真，采用六自由度飞行方程模型，获得载机的位置和姿态数据，数据发送到仿真试验综合控制系统。

仿真试验综合控制系统根据载机和目标的相对位置，计算观察角度，将数据分发给飞行仿真转台控制台和场景仿真工作站。

飞行仿真转台控制台根据要求的角度，驱动三轴转台对光电产品施加姿态激励，驱动二轴目标转台转动到观察角度。

场景仿真工作站根据载机位置数据，设置视点在场景中的位置，根据观察角度数据，设置视点的观察方向，仿真出光电产品应该观察到的红外视景，通过DVI视频接口传输到动态目标模拟器中，动态目标模拟器将红外视景转换为红外辐射信号发射出来，用以激励光电系统的红外传感器成像。

整个测试平台的通信网络需按照系统组成、接口和数据交互要求，实现各参试设备及参试光电产品之间的数据通信和资源共享。本发明采用高速全双工以太网，提高数据传输速率，采用全速交换机，保障每个端口均有全速的数据带宽；采用UDP网络协议、自定义消息格式进行数据传输；以仿真综合控制系统为时间基准，在其他每个仿真节点计算机上安装PTP270PEX对时板卡，获取高精度时钟同步；并通过VxWorks、Windows RTX实时操作系统，完成实时仿真和数据采集。

4、动态跟踪性能测试；

五轴转台是为机载光电系统模拟高动态测试环境的最佳设备，由三轴飞行转台和二轴目标转台构成。三轴飞行转台用于复现载机姿态，二轴目标转台用于复现目标相对于载机的两个视线角。在实验室条件下复现载机大机动态势的仿真测试系统由仿真设备、参试部件、各种接口设备、试验控制台、支持服务系统等五部分组成，图3显示了各部分之间的交联关系。

为模拟不同的战场态势，分别设定载机的机动形式和机动参数n_x、n_y、γ_s，作为载机六自由度仿真模型的输入，由飞行仿真工作站解算获得载机的位置和姿态数据，载机姿态数据用于驱动三轴飞行转台运动，可以模拟一个接近真实的高动态飞行环境；结合目标运动可以得到地理系下目标相对于载机的两个视线角度，用于驱动二轴目标转台运动。场景仿真工作站输出对应观察视角下的红外视景，通过DVI视频接口传输到动态目标模拟器中，动态目标模拟器将红外视景转换为红外辐射信号发射出来，用以激励被测光电系统的红外传感器成像，实现在高动态条件下对机载光电系统的探测、跟踪性能测试。

Claims (1)

1.一种高动态条件下的机载光电系统测试方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：定义坐标系；

载机地理系记作坐标系g，载机地理系原点位于地面任意选定的固定点，z轴与过原点的参考椭球面的法向重合，指向天顶；y轴垂直于z轴指向参考椭球的短半轴；x轴由右手定则判定；

机体系记作坐标系b，机体系的原点位于飞机质心，x轴垂直于飞机对称平面，指向右；y轴在飞机对称平面内，平行于机身轴线，指向前；z轴由右手定则判定；

气流系记作坐标系a，气流系的原点位于飞机质心，y轴始终指向飞机的空速方向；z轴位于对称平面内，垂直于y轴，指向上；x轴由右手定则判定；

航迹系记作坐标系h，航迹系的原点位于飞机质心，y轴始终指向飞机的地速方向；z轴位于包含y轴的铅垂平面内，垂直于y轴，指向上；x轴由右手定则判定；

步骤2：载机飞行态势模拟；

步骤2-1：由于飞机采用倾斜转弯BTT控制技术，故略去侧滑角β和侧力项的影响，对应航迹系h的质点动力学方程组即载机六自由度仿真模型为：

式中，v为飞机地速，g为重力加速度，n_x为飞机轴向过载，n_y为飞机法向过载；θ为航迹倾角，ψ_s为航迹偏角，是载机地理系g与航迹系h间的欧拉角；γ_s为速度滚转角，是航迹系h与气流系a之间的欧拉角；

步骤2-2：将飞机质心的速度矢量投影到载机地理系，则飞机质心坐标x、y、z由以下方程组得到：

在上述运动方程组积分的过程中，飞行器运动的状态变量为v、θ、ψ_s、x、y、z，控制变量为n_x、n_y、γ_s；

步骤2-3：由动力学方程求得的航迹角θ和ψ_s，根据载机地理系g到机体系b的转换关系可得：

式中，

分别为载机地理系到机体系、气流系到机体系、航迹系到气流系、载机地理系到航迹系的转换矩阵；

步骤2-4：由坐标系间的转换关系，确定飞机姿态参数：

sinθ＝sinθcosα+cosθsinαcosγ_s

sinψ＝[-cosθsinψ_scosα+sinα(sinθsinψ_scosγ_s+cosψ_ssinγ_s)]/cosθ

sinγ＝cosθsinγ_s/cosθ

式中，θ、ψ、γ分别为飞机的俯仰角、偏航角、横滚角；α为飞行迎角；

步骤3：数字化场景仿真；

采用JRM作为红外视景仿真工具，通过高程数据建立三维地形，在三维地形上对应坐标设置高分辨率卫星航拍图片，构成可见光视景模型；对视景中存在的建筑物、道路、树木建立三维模型，使用矢量地图将建立的三维模型与视景中的坐标位置进行关联，生成详细的三维场景模型；在三维场景模型中对场景贴图的卫星航拍图片划分图层，分别设置其材质属性，达到仿真效果；

进行想定场景的二次开发，通过接收载机、目标的位置和姿态，更新观察方向对应的视景，得到不同时段内的作战场景；

步骤4：仿真同步控制、实时传输及采集；

构建高动态飞行仿真测试系统，包括飞行仿真工作站、仿真试验综合控制系统、飞行仿真转台控制台、场景仿真工作站和飞行仿真转台；

所述飞行仿真工作站对载机的飞行过程进行仿真，根据步骤2的载机飞行态势模拟，获得载机的位置和姿态数据，数据发送到仿真试验综合控制系统；

所述仿真试验综合控制系统根据载机和目标的相对位置，计算观察角度，将数据分发给飞行仿真转台控制台、动态目标模拟器和场景仿真工作站；

所述飞行仿真转台控制台根据要求的角度，驱动飞行仿真转台的三轴飞行转台对光电产品施加姿态激励，驱动飞行仿真转台的二轴目标转台转动到观察角度；

所述场景仿真工作站根据载机位置数据，设置视点在场景中的位置，根据观察角度数据，设置视点的观察方向，仿真光电产品观察的红外视景，通过DVI视频接口传输到动态目标模拟器中，动态目标模拟器将红外视景转换为红外辐射信号发射出来，用以激励光电系统的红外传感器成像；

步骤4：动态跟踪性能测试；

飞行仿真转台包括三轴飞行转台和二轴目标转台；三轴飞行转台用于复现载机姿态，二轴目标转台用于复现目标相对于载机的两个视线角；

为模拟不同的战场态势，分别设定载机的机动形式和机动参数n_x、n_y、γ_s，作为载机六自由度仿真模型的输入，由飞行仿真工作站解算获得载机的位置和姿态数据，载机姿态数据用于驱动三轴飞行转台运动，模拟一个高动态飞行环境；结合目标运动得到地理系下目标相对于载机的两个视线角度，用于驱动二轴目标转台运动。

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