光電經(jīng)緯儀可視化仿真在飛行試驗中運用

吳衡，韓濤

（中國飛行試驗研究院 陜西 西安　710089）

光電經(jīng)緯儀可視化仿真在飛行試驗中運用

吳衡，韓濤

（中國飛行試驗研究院 陜西 西安710089）

文中利用虛擬測試技術(shù)，對光電經(jīng)緯儀在飛行試驗的應(yīng)用進行可視化仿真。在任務(wù)準備階段，通過優(yōu)化光電經(jīng)緯儀的布站，獲得最佳捕獲跟蹤效率，同時在試驗任務(wù)執(zhí)行階段，有效規(guī)避光電測試風險，合理安排任務(wù)執(zhí)行時間，可得到評估光電測試精度的結(jié)論。

虛擬測試；太陽角規(guī)避；光電測試；可視化仿真

光電經(jīng)緯儀是高精度非接觸測試的保障，但由于在試驗過程中，由于面臨著很多光學測量不可避免的問題，比如太陽光線的影響，將影響系統(tǒng)的跟蹤及記錄的圖像質(zhì)量，以及可能導致跟蹤丟失目標，造成飛行試驗架次的浪費；又比如光電經(jīng)緯儀在布站、使用過程中也會面臨很多實際的問題，例如布站地點及飛行航線帶來的交會角度變化等，均會對光電測量的精度以及光電跟蹤的可靠性帶來影響[1]。

如今虛擬測試技術(shù)、三維仿真技術(shù)日趨成熟，結(jié)合飛行試驗光電測試的實際經(jīng)驗，通過構(gòu)建光電經(jīng)緯儀可視化仿真平臺，設(shè)計前期預(yù)演以及后期驗證模塊，可以有效規(guī)避光電測試過程中的風險，縮短了光電測試的周期，提高了光電測試的成功率，將會有效降低科研成本及提高工作效率。

文中通過實時三維視景仿真軟件MultiGen-Vega及OpenGL開發(fā)場景仿真平臺，通過用OpenGL著色語言（GLSL）編寫的著色器為場景實時添加仿真所需圖像效果；建立經(jīng)緯儀跟蹤控制系統(tǒng)simulink模型，并通過Real-Time Workshop（RTW）生成模型代碼，對代碼進行改寫最終生成跟蹤狀態(tài)解算模塊；建立布站模型以及太陽高角規(guī)避原則，模擬經(jīng)緯儀跟蹤過程[2]。

1　設(shè)計方案

1.1設(shè)計需求

對于多站交會測量軌跡的飛行試驗時，需要面臨以下需求：

1）設(shè)備布站對于測量精度的影響，一般要求交會角度為大于30°，小于150°正交時候，交會精度最高；

2）太陽光線的不同照射角度，對光電測量及跟蹤影響較大，背光測量或者陰天測量最適合光電測量。不同飛行時間段的選擇，對于提升圖像質(zhì)量，提高跟蹤效率有幫助；

依據(jù)上述的任務(wù)需求，建立了虛擬光電測試試驗平臺：利用仿真技術(shù)，加入算法模塊，實時呈現(xiàn)布站系統(tǒng)對于精度譜分析，建立太陽高角計算模塊，給出影響飛行試驗的時間段以及給出最佳試驗時間段要求[3]。

1.2系統(tǒng)軟件模塊

預(yù)演仿真程序設(shè)計模塊如圖1所示。

1.3系統(tǒng)運行環(huán)境

1）硬件設(shè)備

圖形工作站兩臺，配置要求為：

主機：CPU雙核頻率2.5 GHz，CPU架構(gòu)X86（32bit）

內(nèi)存：2GB

外存：200GB

顯卡：OpenGL 2.0兼容，專業(yè)顯卡512 M獨立顯存

2）支持軟件

操作系統(tǒng):Windows XP Professional（32bit）

編程語言：VC++2003，QT4.5，ACE5.7，VP2.2

運行環(huán)境：Windows XP（32bit）

圖1　預(yù)演仿真程序設(shè)計模塊Fig.1　Rehearsal simulation program design module

2　可視化仿真

2.1相機特性仿真

光電經(jīng)緯儀通過CCD相機對目標進行拍攝，即仿真場景必須符合CCD相機的成像特性。利用矩陣變換將三維圖像變換為二維圖像，成像公式如下：

M是模型矩陣，將目標模型的三維坐標通過旋轉(zhuǎn)、平移、縮放轉(zhuǎn)換為二維坐標；

P是投影變換矩陣，將物方坐標轉(zhuǎn)化為像平面坐標的投影轉(zhuǎn)換；

F是視點變換矩陣，利用透視算法和視點變換可以獲得二維平面顯示坐標

OpenGL與攝影測量的成像過程完全一致，首先將相機的焦距f、分辨率（rx，ry）、窗口尺寸（lx，ly）代入到視椎體設(shè)置函數(shù)glFrustum（left，bottom，right，top，near，far）中，得到如式（2）所示的透視投影變換矩陣P。

其中D，d分別為視椎體遠、近剪裁面距離視點的距離；x0，y0為顯示窗口左下角坐標；

2.2目標軌跡仿真

利用Vega進行場景渲染時可以方便地載入目標三維模型，并可控制三維世界中模型與視點的位置和姿態(tài)。針對不同的目的，建立不同的目標軌跡仿真方法如圖2所示。

第一種方法：直接根據(jù)實際外場試驗數(shù)據(jù)得到軌跡。經(jīng)緯儀的外場試驗數(shù)據(jù)包含了時間、目標相對儀器的方位角A，俯仰角E以及斜距R，測量模型如圖1所示。通過坐標變換可以得出對應(yīng)時間序列的目標軌跡坐標。變換公式如式（3）。

圖2　經(jīng)緯儀測量模型Fig.2　Theodolite measuring model

時間序列間隔與仿真幀率不一致時，需要利用插值算法，將目標軌跡時間間隔調(diào)整一致。

第二種方法：利用運動模型設(shè)計目標的運動軌跡。依據(jù)目標的運動特點，建立不用的運動模型，對目標的運動方向、目標的姿態(tài)、目標的運動速度以及目標的初始狀態(tài)進行設(shè)定，得到符合運動趨勢的目標軌跡仿真數(shù)據(jù)。運動模型公式如式（4）。

式中Δt為時間間隔；Vx、Vy、Vz為目標三向速度

目標的姿態(tài)在該仿真試驗過程中均定義為水平方向，在運動方程中不做考慮。在經(jīng)緯儀的跟蹤過程中，伺服驅(qū)動模塊與電視跟蹤模塊組合，會將目標自動拉到電視跟蹤視場的中心，因此對于目標跟蹤仿真而言，需要實時依據(jù)目標軌跡仿真的結(jié)果，實時給出跟蹤范圍的調(diào)整[4]。

2.3太陽仿真

1）太陽角運算軌跡仿真計算

依據(jù)太陽能學報《太陽方位角的公式及其求解》以及國土資源遙感1995年第二期《太陽角的計算方法及其在遙感中的應(yīng)用》文章介紹，基于“天球理論”所推到出的太陽方位角與經(jīng)緯度、時間等參量關(guān)系曲線，給出太陽方位角的求解公式[5]。

2）太陽角報警機制

依據(jù)經(jīng)緯儀的測量電視、跟蹤電視視場角的限制，以及工程試驗中的驗證，太陽角報警原則如圖3所示。

圖3　太陽角規(guī)避示意圖Fig.3　Schematic diagram of solar angle

測量設(shè)備主光軸與太陽角偏差必須大于10°才能夠保證太陽角對光電跟蹤測量設(shè)備不帶來影像[6]。

3　仿真效果評估

3.1經(jīng)緯儀跟蹤仿真

經(jīng)緯儀三維仿真跟蹤示意圖如圖4所示。

圖4　經(jīng)緯儀三維仿真跟蹤示意圖Fig.4　Schematic diagram of theodolite tracking 3D simulation

3.2太陽高角規(guī)避分析

依據(jù)任務(wù)需求，需要對不同高度通場進行試驗的目標進行光電測量，由于太陽角度是隨著時間在不斷變化的，因此需要對不同高度的虛擬軌跡與飛行日當天的太陽角運行軌跡進行綜合評估，分析適合光電測量設(shè)備工作的時間段。依據(jù)太陽規(guī)避原則，在2013年4月7日9：30以后，均滿足100～300 m高度表驗證飛行試驗光電測量任務(wù)，不會產(chǎn)生光線影響，如紅線與綠線交叉區(qū)域，如果增加了1 000 m高度的試驗后，如果需要兼顧4個高度的飛行試驗，則需要在綠線右側(cè)區(qū)域可以滿足該試驗任務(wù)，時間段為2013年4月7 日15：06以后。

4　結(jié)　論

虛擬測試引入光電測試，依據(jù)測試要求布站完成后，提前預(yù)判太陽光對光電設(shè)備的干擾，避免了太陽光對光電測試的影響問題，通過三維仿真平臺，可以依據(jù)任務(wù)需求預(yù)設(shè)航跡，建立合理可行的測試方案。

[1]邸彥強，朱元昌.防空武器系統(tǒng)仿真中的三維圖形實時成像技術(shù)[J].火力與指揮控制，2000（3）:72-75.

[2]趙汝明.虛擬場景成像技術(shù)的研究[D].青島：青島大學，2006.

[3]崔紅梅.基于LabVIEW&LabWindows/CVI平臺的虛擬測試與分析儀的研究與開發(fā)[D].呼和浩特：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學，2004年.

[4]郭天太.基于VR的虛擬測試技術(shù)及其應(yīng)用基礎(chǔ)研究[D].杭州：浙江大學，2005.

[5]李光亞.基于LabVIEW的模擬實驗數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)開發(fā)[J].電子測試，2008（160）:52-55.

[6]王昀希.三坐標測量機精度檢測及動態(tài)誤差分析研究[D].西安：西安電子科技大學，2007.

Application of photoelectric theodolite visualization simulation in flight test

WU Heng，HAN Tao
（Chinese Flight Test Establishment，Xi’an 710089，China）

Visual simulation application in flight test of virtual testing technology of photoelectric theodolite is studied in the paper.In the preparation stage，through the optimization of the photoelectric theodolite station distribution，obtains the best acquisition and tracking efficiency，at the same time in the phase of the execution of test task，avoids the photoelectric test risk effectively，arrange task execution time reasonable，gets the evaluation of optoelectronic the accuracy of the test conclusion.

virtual test；avoiding sun angle；the photoelectric test；visualization simulation

TN919.81

A

1674－6236（2016）01-0118-03

2015-03-06稿件編號：201503086

航空基金（2010ZD30004）

吳 衡（1974—），男，陜西安康人，碩士研究生，高級工程師。研究方向：光電測試。