CN116800785A - 一种空中飞行目标的测量设备相互引导平台的构建方法 - Google Patents

Abstract

一种空中飞行目标的测量设备相互引导平台的构建方法，包括硬件系统和软件系统；所述的硬件系统由节点计算机和网络链路构成；所述的节点计算机包括终端计算机、服务器和实时处理计算机；所述的软件系统由设备终端分系统、数据库分系统和实时处理分系统三部分组成，终端计算机作为设备终端分系统软件的运行平台，服务器作为数据库分系统软件的运行平台；实时处理计算机作为实时处理分系统软件的运行平台；本发明实现了设备之间实时相互引导和自动搜索跟踪飞行目标的功能，极大缩短了参试设备发现、跟踪和测量飞行目标的时间，提高了参试设备整体时效性。

Description

一种空中飞行目标的测量设备相互引导平台的构建方法

技术领域

本发明涉及空中监测技术领域，尤其涉及一种空中飞行目标的测量设备相互引导平台的构建方法。

背景技术

在很多大型机载飞行试验中，飞行目标按预设航线飞行，在预设航线的地面指定位置布设有若干类型的跟踪测量设备，这些设备按测量方式基本上分为三类：雷达测量、光学测量及卫星测量(GNSS测量)，这些设备的工作原理、实际用途以及承担的角色各不相同。从工作原理看，雷达设备的捕获时间短、作用距离长，但精度低，而且不同体制雷达的捕获和跟踪能力以及测量精度也存在较大差别；光学设备的作用距离短，但精度高；卫星测量是通过架设于飞行目标上的GNSS设备来测量，只要GNSS设备能够接收到卫星信号就能测量，但其下行数据受数传电台的作用距离和通视条件影响很大，而且数传电台容易被雷达和通信设备的电磁波干扰，从而造成下传数据失帧。从实际用途看，有的用于提供飞行目标的空间坐标、有的用于测量飞行目标的空中姿态、有的用于构建信号环境，不论哪种用途都需要在捕获跟踪飞行目标的基础上实施。从承担角色看，分为被试设备和陪试设备两大类，陪试设备是参与对被试设备的检验，优先等级高；被试设备会被设置很多干扰因素，因而增加了捕获跟踪飞行目标的难度，任务中需要针对性地对其进行引导。另外，这些设备布设环境的通视条件和设备状态对其捕获和跟踪能力也有一定影响。由于上述原因，在实际任务中的同一时刻，常常有设备不能及时捕获或者跟踪过程中丢失了飞行目标，如果其他测量设备能够根据保障人员的实际需求实时提供飞行目标的坐标信息作为引导，将极大提高整体设备的工作效能。

鉴于上述原因，现研发出一种空中飞行目标的测量设备相互引导平台的构建方法。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种空中飞行目标的测量设备相互引导平台的构建方法，构建了一种基于网络的引导平台，将所有参试设备接入网络化的引导平台中，通过数字通信技术实现了参试设备之间测量数据的实时交互共享，运用数学方法对引导源数据进行优化，使得网络中每一个需要引导的节点可以快速得到其他设备的最优引导数据，以最短的时间捕获跟踪上飞行目标，实现了设备之间实时相互引导和自动搜索跟踪飞行目标的功能，极大缩短了参试设备发现、跟踪和测量飞行目标的时间，提高了参试设备整体时效性。

为实现上述目的，本发明提供的一种空中飞行目标的测量设备相互引导平台的构建方法，包括硬件系统和软件系统；所述的硬件系统由节点计算机和网络链路构成；节点计算机与网络链路之间有线连接或无线连接，所述的节点计算机包括终端计算机、服务器和实时处理计算机；

所述的软件系统由设备终端分系统、数据库分系统和实时处理分系统三部分组成，所述的设备终端分系统用于接收测量设备的坐标数据和向需要引导的测量设备发送引导数据，是各测量设备和引导平台的数据交互枢纽，是所有测量数据的信息处理中心；所述的数据库分系统用于存储和备份相关配置信息、预设口令和飞行目标坐标数据；实时处理分系统用于控制其他分系统、调配资源、转发坐标信息以及实时航迹显示，是引导平台的核心节点；

所述的终端计算机放置于测量设备现场，作为设备终端分系统软件的运行平台，用数据传输线与测量设备的监控计算机相连，实现引导平台与设备的数据交互；服务器和实时处理计算机放置于指挥所或者移动方舱内，服务器作为数据库分系统软件的运行平台；实时处理计算机作为实时处理分系统软件的运行平台，实时处理计算机通过有线连接方式或无线连接方式与终端计算机相连；

设备终端分系统和实时处理分系统从服务器中读取相关配置信息，完成系统初始化；某一个测量设备跟踪上飞行目标，其终端的设备终端分系统软件将飞行目标坐标数据进行提取处理后，通过网路传送至实时处理分系统；实时处理分系统接收各测量设备测量的目标数据，按照各测量设备的测量精度自动对测量数据排序，排首位的测量设备生成引导数据并通过网路分别发送至其设备终端分系统和数据库分系统；设备终端分系统将引导数据传送给测量设备的监控计算机驱动设备完成对目标的捕获。

所述的设备终端分系统包括链路通信模块、网络数据收发模块、数据处理模块、信息通信模块、数据显示记录模块；设备终端分系统作为提供引导源时的流程为：

1.接收测量设备发送的飞行目标原始坐标数据；

2.对原始坐标数据进行平滑剔点；

3.将平滑剔点后的数据转换为网络传输的通用格式；

4.将数据打包，通过UDP发送至实时处理计算机；

设备终端分系统作为被引导时的流程为：

1.向实时处理计算机发送引导申请；

2.接收实时处理计算机发来的数据；

3.将数据的通用格式转换为测量设备的站心坐标系下的坐标；

4.计算延迟时间，并外推；

5.打包成测量设备能够识别的引导数据格式，并发送至测量设备数据接口；

6.测量设备稳定跟踪后，向实时处理计算机发送引导中断申请。

所述的实时处理分系统包括系统初始化模块、网络通信模块、数据处理模块、数据库管理模块、数据显示模块；

系统初始化模块实现操作人员登录和相关配置信息的读取，操作人员的用户名和密码必须正确才能启动系统，系统启动后，从服务器中读取各测量设备的编码、IP地址、站点坐标、精度等级配置信息完成初始化；

网络通信模块完成引导源数据读取和引导数据的发送，采用UDP方式传输，同时接收测量设备的状态信息；

数据处理模块完成对引导源数据优先等级排序和必要的数据融合优化，生成最优引导数据，根据设备的引导请求情况，发送至指定IP；

数据显示模块实现测量数据显示、飞行航迹显示和装备设备状态显示，显示所有互联测量设备编号以及是否被引导状态，显示最终引导数据及其源头测量设备编号，在二维地图上显示精度最高的数据生成的轨迹；

数据库管理模块实现对数据库的管理，包括信息添加、信息修改、信息删除、数据备份。

有益效果在于：本发明构建了一种基于网络的引导平台，将所有参试设备接入网络化的引导平台中，通过数字通信技术实现了参试设备之间测量数据的实时交互共享，运用数学方法对引导源数据进行优化，使得网络中每一个需要引导的节点可以快速得到其他设备的最优引导数据，以最短的时间捕获跟踪上飞行目标，实现了设备之间实时相互引导和自动搜索跟踪飞行目标的功能，极大缩短了参试设备发现、跟踪和测量飞行目标的时间，提高了参试设备整体时效性；本发明未详细介绍处为现有常用技术。

附图说明

图1是引导平台整体结构组成；

图2是引导平台整体网络拓扑图

图3是引导平台的软件系统流程及数据交互示意图；

图4是数据库表格组成；

图5是设备终端数据传输示意图；

图6是设备终端分系统功能模块；

图7实时处理分系统功能模块；

图8是引导平台整体流程图；

图9是测距设备、飞行目标以及经纬仪三者的空间位置关系图；

图10是两类四种坐标系的转换关系图；

图11是引导数据流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

如图1-图7所示，设备终端分系统和实时处理分系统从服务器中读取相关配置信息，完成系统初始化；某一个测量设备跟踪上飞行目标，其终端的设备终端分系统软件接收到测量设备发送的飞行目标原始坐标数据；设备终端分系统对原始坐标数据进行平滑剔点；具体步骤如下：设t_i时刻某测量设备的测量值为(x_i,y_i,z_i,t_i)，真值为测量误差为/>得到

以x_i为例，设测量误差/>服从正太分布/>对t_i(i≥3)时刻前后相邻的5个测量值x_i+j(j＝-2,-1,0,1,2)，则可以通过二次多项式拟合出对应的平滑值/>具体计算公式如下：

对上述5点，若成立，则说明x_i+j(-2≤j≤2)正常；否则，找到使/>最大的x_i+j，再对从x_i+j+1开始的5个点进行判别，直至找到5个连续的正常值，同理判断y_i、z_i，如果均正常，则将(x_i,y_i,z_i,t_i)作为引导数据，否则，从异常值的下一个点开始上述计算判断；

设备终端分系统将平滑剔点后的数据转换为网络传输的通用格式；将数据打包，通过UDP发送至实时处理计算机；

实时处理分系统接收测量设备测量的目标数据后，按照各测量设备的测量精度自动对测量数据排序，排首位的测量设备生成引导数据并通过网路分别发送至其设备终端分系统和数据库分系统；某一时刻，引导平台上可能同时有多套测量设备的数据，这些数据的精度差异很大，需要进行优化，通过相关数学模型进行数据融合，考虑到数据处理的实时性要求，并且作为引导数据的精度不需要特别高，最简单，最快捷的方法是根据测量装备的硬件性能和技术指标进行精度优先等级排列，始终把当前时刻精度最高的数据作为引导源，优先等级的识别顺序可以在配置信息中人为设定，系统初始化时由实时处理分系统读取；单台经纬仪的测量数据，缺少高程或距离数据，考虑将其他测量设备的测距转换到经纬仪的测量坐标系内，就能得到更优的坐标值；具体步骤如下：设某测量设备对飞行目标的测量距离为d₀，其测站中心在经纬仪的测量坐标系下的球坐标为(d^*,a^*,e^*)(d为距离、a为方位角、e为俯仰角)，经纬仪对飞行目标的方位角、俯仰角的测量值为(a,e)，测距设备、飞行目标以及经纬仪三者的空间位置关系如图9所示：

将d₀转换到经纬仪测量坐标系下的距离d可通过如下公式算出：

θ₁＝cos^-1(cose^*cosecos(a-a^*)+sine^*sine)

θ₃＝π-θ₁-θ₂

求解角度θ₂时，θ₂是锐角；得到一个融合优化点(d,a,e)，可将其作为引导数据；

接收到引导数据的终端分系统，由于测量设备的数据主要有雷达数据、光测数据、GNSS数据3种，所使用的坐标系不同，必须进行转换才能互为引导，常用坐标系主要有测站中心坐标系和地心坐标系两大类，测站中心坐标系以测量设备所在位置为原点，其坐标原点根据设备位置的不同而变化，可细分为球坐标系(r,a,e)和直角坐标系(x,y,z)两种；地心坐标系以地球质心为原点，即地球椭球中心，其坐标原点固定，可细分为空间大地直角坐标系(X,Y,Z)和大地坐标系(L,B,H)两种，雷达数据和光测数据使用的是以测站中心为原点的球坐标系，GNSS数据使用的是以地球椭球中心为原点的大地坐标系，两类四种坐标系的转换关系如图10所示：

举例说明，如果测站中心A的一个球坐标点(r^*,a^*,e^*)，要转换到以测站中心B为原点的球坐标(r,a,e)，其转换步骤为：

一个以椭球中心为原点的GNSS坐标(L,B,H)，要转换到以测站中心B为原点的球坐标(r,a,e)，其转换步骤为：

终端分系统完成坐标转换后，计算延迟时间，引导数据经过各种换算并传到被引导测量设备点位时，因为延时的影响导致引导数据的误差增大，如图11所示，

通过数据外推来弥补，引导源装备在t_i时刻测得目标数据，数据经过一系列变换处理后，时刻传输到被引导装备的终端计算机，此时先将引导数据外推延迟时间后，具体步骤为：

设时刻设备终端分系统收到的最近三组引导数据为(x_i-2,y_i-2,z_i-2,t_i-2)、(x_i-1,y_i-1,z_i-1,t_i-1)、(x_i,y_i,z_i,t_i)，t_i-2、t_i-1、t_i是提供引导源的设备输出飞行目标坐标值时的卫星时间，/>为设备终端分系统生成引导数据的时间，则坐标数据(x_i,y_i,z_i,t_i)在网络平台的传输处理延迟时间为Δt，将坐标值看作时间的函数，则根据拉格朗日插值多项式可以得到一个外推点/>作为引导数据；

将代入即可得到/>同理可以得到/>再传输给被引导测量设备的驱动天线搜索飞行目标，采用拉格朗日插值方法进行数据外推。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种空中飞行目标的测量设备相互引导平台的构建方法，包括硬件系统和软件系统；其特征在于：所述的硬件系统由节点计算机和网络链路构成；节点计算机与网络链路之间有线连接或无线连接，所述的节点计算机包括终端计算机、服务器和实时处理计算机；

所述的软件系统由设备终端分系统、数据库分系统和实时处理分系统三部分组成，所述的设备终端分系统用于接收测量设备的坐标数据和向需要引导的测量设备发送引导数据，是各测量设备和引导平台的数据交互枢纽，是所有测量数据的信息处理中心；所述的数据库分系统用于存储和备份相关配置信息、预设口令和飞行目标坐标数据；实时处理分系统用于控制其他分系统、调配资源、转发坐标信息以及实时航迹显示，是引导平台的核心节点；

所述的终端计算机放置于测量设备现场，作为设备终端分系统软件的运行平台，用数据传输线与测量设备的监控计算机相连，实现引导平台与设备的数据交互；服务器和实时处理计算机放置于指挥所或者移动方舱内，服务器作为数据库分系统软件的运行平台；实时处理计算机作为实时处理分系统软件的运行平台，实时处理计算机通过有线连接方式或无线连接方式与终端计算机相连；

设备终端分系统和实时处理分系统从服务器中读取相关配置信息，完成系统初始化；某一个测量设备跟踪上飞行目标，其终端的设备终端分系统软件将飞行目标坐标数据进行提取处理后，通过网路传送至实时处理分系统；实时处理分系统接收各测量设备测量的目标数据，按照各测量设备的测量精度自动对测量数据排序，排首位的测量设备生成引导数据并通过网路分别发送至其设备终端分系统和数据库分系统；设备终端分系统将引导数据传送给测量设备的监控计算机驱动设备完成对目标的捕获。

2.根据权利要求1所述的一种空中飞行目标的测量设备相互引导平台的构建方法，其特征在于：所述的设备终端分系统包括链路通信模块、网络数据收发模块、数据处理模块、信息通信模块、数据显示记录模块；设备终端分系统作为提供引导源时的流程为：

1.接收测量设备发送的飞行目标原始坐标数据；

2.对原始坐标数据进行平滑剔点；

3.将平滑剔点后的数据转换为网络传输的通用格式；

4.将数据打包，通过UDP发送至实时处理计算机；

设备终端分系统作为被引导时的流程为：

1.向实时处理计算机发送引导申请；

2.接收实时处理计算机发来的数据；

3.将数据的通用格式转换为测量设备的站心坐标系下的坐标；

4.计算延迟时间，并外推；

5.打包成测量设备能够识别的引导数据格式，并发送至测量设备数据接口；

测量设备稳定跟踪后，向实时处理计算机发送引导中断申请。

3.根据权利要求1所述的一种空中飞行目标的测量设备相互引导平台的构建方法，其特征在于：所述的实时处理分系统包括系统初始化模块、网络通信模块、数据处理模块、数据库管理模块、数据显示模块；

系统初始化模块实现操作人员登录和相关配置信息的读取，操作人员的用户名和密码必须正确才能启动系统，系统启动后，从服务器中读取各测量设备的编码、IP地址、站点坐标、精度等级配置信息完成初始化；

网络通信模块完成引导源数据读取和引导数据的发送，采用UDP方式传输，同时接收测量设备的状态信息；

数据处理模块完成对引导源数据优先等级排序和必要的数据融合优化，生成最优引导数据，根据设备的引导请求情况，发送至指定IP；

数据显示模块实现测量数据显示、飞行航迹显示和装备设备状态显示，显示所有互联测量设备编号以及是否被引导状态，显示最终引导数据及其源头测量设备编号，在二维地图上显示精度最高的数据生成的轨迹；

数据库管理模块实现对数据库的管理，包括信息添加、信息修改、信息删除、数据备份。