一種用于遙外測聯合可視化的尺度變換方法

王 瑋

（91550部隊 大連 116023）

1 引言

飛行器飛行試驗是由國家靶場組織實施，用以考核評定飛行器戰術、技術指標的權威方式［1］。飛行器飛行試驗遙測數據，是指遙測系統在試驗中獲取的如控制、壓力、振動等飛行器相關參數［2～3］；飛行器飛行試驗外測數據，是指外彈道測量系統獲取的飛行器位置、速度、姿態數據［4］，遙外測數據是評定飛行器各項性能指標的重要數據依據［5］。

傳統的遙測數據分析方式，是從傳感器測量數據的角度，以“時間-測量值”二維曲線為主［6～7］。其主要缺點是關聯信息匱乏，僅僅顯示了傳感器測量值，沒能顯示該傳感器所在飛行器上的安裝位置，更無法反映該采樣時刻飛行器外測位置和姿態信息。隨著飛行器性能的日趨增強，很多性能指標的評定，需要綜合分析上述數據才能得以進行［8］，故需要遙外聯合可視化功能的提升，輔助相應分析工作的開展［9～10］。

遙外測數據的聯合可視化，需要同時實現遙測測量數據、外測位置數據、空間姿態數據三大類數據的可視化。遙測測量數據，包括力學、溫度等數十個測量物理量［11］，需要將傳感器數值與飛行器姿態綜合到外測發射坐標系下，要解決飛行器模型坐標、傳感器測量數值與外測發射坐標系顯示數值之間的數值差；而外測位置數據自身轉換到發射坐標系下，其X、Y方向與Z方向也存在巨大的數值差，如果以常規的等尺度方式對位置數據進行三維可視化，將完全無法描述Z方向的數值變化，也就喪失了聯合可視化的意義，故需要通過可視尺度變換來解決這種數據差異［12］。

為此，本文提出一種用于飛行器飛行試驗遙外測聯合數據分析的可視尺度變換方法，該方法針對遙測測量數據、外測位置數據、姿態角數據三大類數據的數值差異問題，給出了可視尺度變換方法，在可視元素層次，實現了遙測數據與飛行器空間位置、姿態的有機融合。仿真實驗表明，在該方法支持下，相比傳統的二維曲線數據分析方式，能顯著提升遙外測聯合數據分析的信息綜合程度。

2 遙外測聯合數據可視化技術流程

遙外測聯合數據可視化，其技術流程包括需求分析、功能分解、數據組織、可視編碼四個階段。流程從遙測數據處理技術人員與試驗評估、研制部門等領域用戶進行需求分析開始，依次經功能分解、數據組織、可視編碼四個階段，形成可視化結果。流程第一輪結束后，將初步結果提交用戶，根據用戶反饋，從需求分析環節重新開始流程步驟，通過流程的多輪循環迭代，逐步求精，最終形成用戶滿意的可視產品。

2.1 需求分析

飛行器飛行試驗的遙測數據，涉及十余個技術領域。需要在需求分析階段，由數據處理技術人員與相應技術領域用戶共同分析、理解該領域用戶的可視化需求。各領域通常有其特定術語來描述數據和問題，也有一些固定的工作流程來描述數據是如何用于解決領域問題，故該環節主要用于了解各領域用戶的任務需求以及常用數據描述。

2.2 功能分解

功能分解階段，要求數據技術人員將需求分析階段確定的任務和數據描述，從領域特定的專用名詞描述，轉化為試驗數據資源庫能夠提供支撐的具體數據對象。如試驗遙測振動數據、壓力數據、控制數據、時序數據、姿態角數據、外彈道位置、速度等結構化數據，以及傳感器編號、傳感器坐標、坐標系統定義等輔助數據。

2.3 數據組織

數據組織是方法的關鍵階段。數據組織階段，需要將功能分解得到的任務與數據描述，轉換成試驗數據資源庫內的具體數據、數據屬性及適于可視化的數據形式，需要對數據資源庫進行檢索與提取操作，并對提取出的數據進行預處理、標準化、坐標轉換、尺度變換等計算，使數據具備進行可視編碼的數據結構與形式。

2.4 可視編碼

可視編碼階段，根據數據組織階段形成的數據基礎，采用“點、線、面、體”等二維、三維圖形組件及組件控制技術，選取適合遙測數據應用內容的可視化元素，完成遙測數據可視化呈現。常用圖形組件點元素如圖1所示。

圖1 常用圖形組件“點”元素

3 可視尺度變換關鍵技術

可視尺度變換屬于遙外測聯合數據可視化的數據組織階段，是數據組織的最后計算環節，其主要目的，是解決遙外測數據在可視化中的數值差距問題。如某型飛行器外測位置數據的三維可視化過程中，發射坐標系下X、Y、Z三個方向位置數據之間存在較大的數值差距，X方向最大達到800km，Z最大僅有5km，如果以常規的相同坐標比例尺度進行可視繪圖，小尺度數值變化將完全被大尺度數值變化掩蓋，即從可視化上將觀察不到Z軸方向變化（如圖2所示），三維可視“退化”為二維可視，喪失了可視化的信息含量。

本文結合遙外聯合數據可視化的應用需求，首先給出外測位置數據的可視尺度變換方法，再利用獲得的外測可視尺度數據，進行遙測數據的可視尺度變換。

圖2 等尺度三維飛行位置可視繪圖

3.1 外測位置數據可視尺度變換方法

外測位置數據的可視尺度變換方法，方法的輸入，分別為X、Y、Z三個方向位置數據，首先獲取某方向外測位置數據的最大、最小值；結合最值進行尺度變換，獲取坐標尺度；再分別根據最值情況設定可視區域的顯示范圍。方法的輸出為X、Y、Z三個方向變換尺度Scale和坐標范圍Ax。

以X方向位置數據序列為例，外測位置數據可視尺度變換方法流程如圖3所示。使用該方法重新處理圖2的外測位置數據，結果如圖4所示。

圖3 外測位置數據可視尺度變換方法流程

圖4 外測位置數據可視尺度變換可視化結果

3.2 遙測力學傳感器數據可視尺度變換方法

遙測力學數據是遙測數據的重要組成，根據遙外聯合數據可視化的應用需求，以及遙測力學數據的物理特性，選擇“箭頭”作為主要可視化元素。

圖5 箭頭可視元素的4個控制參數

首先需設定“箭頭”可視元素的5個控制參數，如圖5所示。箭頭頭部為橢圓錐，AWidthL、AWidthS分別為錐底橢圓的長軸和短軸。首先獲得該遙測傳感器數據序列Cdata的最大、最小值，根據外測位置數據可視尺度變換獲得的發射坐標系X、Y、Z三個方向變換尺度XScale、YScale、ZScale，計算遙測力學數據的變換尺度CScale，使該遙測傳感器的最值，能夠在外測發射系可視空間里有效顯示；再根據發射坐標系X、Y、Z三個方向的坐標范圍，結合該遙測傳感器數據序列中的具體數值cdata，計算獲取遙測箭頭可視元素的5個控制參數數值，方法流程如圖6所示。

圖6 遙測力學數據可視尺度變換方法流程

4 仿真實驗

本文采用仿真實驗驗證該方法的有效性，仿真數據包括某型飛行器某采樣時刻的遙測瞬時沖擊數據；該傳感器觸點在飛行器體坐標系上的安裝位置；該采樣時刻飛行器外測位置坐標、空間姿態數據（俯仰、偏航、滾動三個姿態角），如表1所示。

表1 采樣時刻數據表

圖7 遙外測聯合數據可視化仿真結果

通過文中的可視尺度變換方法，進行遙外測數據的聯合可視化仿真，結果如圖7所示。其中，飛行器尾翼紅色箭頭，表示遙測沖擊數據；空間三維曲線，表示外測位置數據；飛行器模型姿態，表示空間姿態數據。實驗結果顯示，該方法實現了遙測沖擊數據與飛行器外測位置、姿態數據的聯合可視化，可視結果符合物理實際與專業人員觀察習慣，具有較好的分析輔助作用，實現了遙外測數據的可視信息融合。

5 結語

為此，本文提出一種用于飛行器飛行試驗遙外測聯合數據分析的可視尺度變換方法，有效地抑制了遙測測量數據、外測位置數據、姿態角數據之間的數值差異，實現了遙測數據與飛行器空間位置、姿態的可視信息融合，相比傳統的二維曲線數據分析方式，顯著提升了遙外測聯合數據分析的信息綜合程度，具有較大的推廣價值。