机载测试系统发展与应用研究

机载测试系统发展与应用研究（共13篇）

1.机载测试系统发展与应用研究 篇一

机载增强型近地警告系统发展概述

EGPWS使用其内部自带的.嵌入式全球地形数据库、机场位置数据库和人工障碍物数据库,并且利用飞机当前位置、无线电高度、气压高度和飞行航姿等信息来确定潜在的撞地危险,以增加飞行安全性.

作 者：许卫东 呼曦 Xu Weidong Hu Xi  作者单位：中国一航陕西宝成航空仪表有限责任公司 刊 名：航空制造技术  ISTIC英文刊名：AERONAUTICAL MANUFACTURING TECHNOLOGY 年，卷(期)： “”(16) 分类号：V2 关键词： 

2.机载测试系统发展与应用研究 篇二

1.1 PCM系统架构

1.1.1系统级联原理框图

以3台采集器进行数据传输链路为例进行说明 (图1) 。其中辅采1将采集卡的参数经过编码卡输出一条PCM12数据流, 然后和辅采2输出的PCM11数据流一并进入主采的解码卡, 编码输出之后以主PCM1流输出。依据测试任务的实际需求, 系统可以按此模式进行相应扩展。

1.1.2系统特点及不足

良好的系统兼容性:基于IRIG-106 PCM标准协议研发的采集器子系统、记录器及遥测等设备, 在搭建整套机载测试系统及地面配套设备时具备很好的系统兼容性、可靠性以及稳定性。

精确的时间相关性:在使用过程中, 可在主帧中某个位置打上时间标记。由于每秒中PCM位速率固定且有时标, 可以严格推算出每一个参数准确的采样时间, 这对于准确分析具有时间相关性参数尤为重要和关键。

遥测数据的实时性:经采集器输出的PCM监控数据经机载遥测设备发射至地面, 经地面接收站解调之后传送至监控大厅。

1.2以太网技术

1.2.1系统框图

图2是一个简单的分布式网络采集系统:4台采集器单元分别挂接在网络交换机的各个输入端口, GPS时间源连接至网络交换机[1]。而挂接在端口输出端的网络记录器必须实现对全部采集参数的记录;其次交换机另外一端口输出的监控网络数据包发送至采集器4#解析板卡, 将其网络数据包转换为PCM格式进行遥测监控;为便于实时检查系统工作状态及参数, 交换机输出端口还应连接笔记本。

1.2.2网络传输协议及数据结构

当前投入使用的网络化测试系统中, 基于UDP协议 (即用户数据包协议) 的数据传输模式是最为常见且具有广泛代表性。它由四个部分组成:源端端口Source Port、目的地端口Destination Port、用户数据包长度Length以及检查和Checksum。相比较常用的TCP协议, 它是一种无连接的协议方式, 在传输数据之前源端和终端不建立连接, 在传送时尽可能快地将数据传输到网络上, 而终端最终是否能正确无误地接收到数据, 也不会对源端做出任何回馈信息。从传输原理的基础上分析, 该协议方式会在网络包发送的源端采集器至终端的网络记录器之间, 有丢失数据的风险性且数据无法复原。

二、机载测试技术发展

基于PCM架构下的采集系统因其技术成熟度高且丰富的使用经验, 在我院的型号试飞中仍占主流模式且多集中于中小型测试任务。而分布式网络测试系统因其良好的可拓展性、高自由度及大带宽, 且数据传输能力远优于PCM, 多集中于大型机载测试任务。当前在机载数据采集器上使用以太网技术也符号试飞测试领域的发展潮流, 它要求数据采集器具有更多的互动能力。在网络化实际使用过程中, 由于采用良好的网络包设计原则及系统构建, 整体提升了系统的测试能力及试飞效率。

三、结束语

在搭建系统之前, 首先应对测试任务进行合理的划类分解, 详细梳理出不同类型及数量的测试参数, 准确估算出最终的数据流带宽及兼顾试飞需求等。这多个分析环节则是整个系统构建的基础工作, 同时也决定了系统的设计架构是采用以往的PCM系统还是趋于以太网等新技术。这些都需要根据任务进行科学的全盘考虑, 避免盲目追求测试系统的新技术、高起点等不合理设计目标。其次在满足任务的前提下, 应将系统定位在技术成熟度较高的基础之上。然后尽可能地将整个系统设计的简洁紧凑, 以提高在飞行试验过程中的高度稳定性及可靠性。

摘要：机载测试系统是获取试飞数据的重要手段, 一个高效可靠的测试系统不仅可节约系统构建成本, 而且还能为推进型号试飞进度及其效率提供强有力的测试保障。纵观当前主流技术则是大家耳熟能详的经典且技术成熟度很高的IRIG-106 PCM系统架构, 而近年来以太网技术的发展又为机载测试系统提供了一个新的发展方向和系统解决方案。在此将对这两种截然不同的系统做个比较详细的介绍, 讨论其存在的优缺点及适用范围。

关键词：机载测试系统,PCM架构,以太网技术

参考文献

3.大型客机机载导航系统技术研究① 篇三

关键词：大型客机 导航系统 无线电导航 飞行管理 综合监视 大气数据 惯性基准 技术 集成

中图分类号：TH6 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）08（c）-0021-01

大型客机通常指的是承载150人次以上的干线客机，大型客机与支线客机、通用航空飞机由于市场定位的不同，在导航系统的组成和架构上也有所不同。由于导航系统担负着引领飞机安全、准确地沿着所选定的路线，按时、准确地到达目的地的责任，保障着飞机的飞行安全，因此其值得我们进行深入研究。该文结合当前航空技术的发展现状，分析了大型客机机载导航系统的相关技术。

1 大型客机导航系统构成

导航系统相当于飞机的眼睛，它将传感器数据处理并综合，向机组人员提供飞机的即时地理位置、姿态、航向、速度以及飞行环境数据，引导飞机按规定的航线，安全、准确、可靠地从一个机场飞到另一个机场。一般民用客机的导航系统通常由六类分系统组成——飞行环境数据系统、姿态和指引系统、着陆与滑行系统、自主式定位系统、非自主式定位系统以及飞行管理计算系统。飞行环境数据系统主要包括全静压和温度敏感系统以及大气数据计算机，该系统为飞机在飞行过程中提供大气数据信息。着陆和滑行系统则主要为飞机在进近着陆期间提供航向信标以及下滑道信息。自主式定位系统指运动体完全依靠所载的设备，自主地完成导航任务，和外界不发生任何光、电联系，主要包括气象雷达（WXR）、无线电高度表（RA）、地形提示和警告系统（TAWS）以及交通告警和防撞系统（TCAS）。相应地，非自主式定位系统主要是以地面的辅助设施或者卫星导航系统来进行导航，主要包括全球定位系统（GPS）、指点信标（MB）、测距器（DME）、空中交通管制应答机（ATC TDR）等。而在大型客机上，这些系统功能相互交融、相互集成，如综合监视系统将ATC TDR、TCAS、WXR以及TAWS四种功能融为一体，而大气数据系统（ADS）和惯性基准系统（IRS）也经常合二为一。

2 大型客机导航系统介绍

2.1 无线电导航系统概述

无线电导航系统主要为大型客机提供数据导航，为飞机提供本机位置。无线电导航系统中包括多种分系统，如甚高频全向信标（VOR）、测距器、自动定向仪（ADF）、无线电高度表、仪表着陆系统（ILS）等等。目前，在主流大型客机上使用的综合集成化程度最高的两大系统主要为由Rockwell Collins公司开发的多模接收机（MMR）和由Honeywell公司开发的综合导航接收机（INR）。其中，多模接收机集成了GPS、ILS以及卫星着陆系统（GLS）多种功能，被广泛装备在空客A320/A330/A380机型以及波音B737/B777机型上。而波音787客机则是采用Honeywell公司生产的综合导航接收机，其集成了ILS、GPS、GLS、VOR以及MB这多种功能。

2.2 大气数据惯性基准系统

在早期的民用客机上，大气数据系统与惯性基准系统属于两个独立的系统。大气数据系统主要为飞机提供大气高度以及空速，而惯性基准系统则可为飞机提供飞机的姿态、航向、位置以及地速等参数。随着科学技术的发展，这两种系统被结合起来，取各自的长处，规避其短处，然后形成优势缺点互补，逐渐成为了当前大型客机上被广泛使用的大气数据惯性基准系统。这种融合之后的系统相较之前的独立系统来说其系统性能更加优秀，测定的数据精度更高，提供的数据也更为可靠。目前空客客机和波音客机一般都采用这种集成的大气数据惯性基准系统。

2.3 综合监视系统概述

客机的机载监视系统一般都具备TAWS、WXR、TCAS以及S模式应答机这四种系统功能。TAWS为飞机提供地形提示和告警、WXR为飞机提供气象提示，TCAS和S模式应答机联合工作，在本机与其他飞机之间存在潜在碰撞冲突时，提供交通提示和告警。随着机载系统集成化的程度提高，这几个分系统被集成为一个系统——综合监视系统。目前，被广泛使用在空客和波音大型客机上的综合监视系统主要有Honeywell公司开发的AESS系统和Rockwell Collins公司开发的ISS系统。不论是AESS，还是ISS，他们都将TAWS，WXR，TCAS以及S模式应答机这四个子系统集成于一体，大大减少了四个子系统独立时其彼此之间线路的交联、缩小了系统的体积、减轻了系统的重量。

2.4 飞行管理系统概述

飞行管理系统（FMS）是大型客机数字化电子系统的核心，它为巡航、终端、非精密进场空域导航提供横向和垂直导航能力，为自动转换到精密进场提供耦合横向导航以及耦合和非耦合垂直导航能力。FMS的核心是飞行管理计算机（FMC），飞行管理计算机一般包含两个数据库：导航数据库和性能数据库。导航数据库可以在飞机正常飞行区域内，为飞机提供从起飞到降落的闭环横线制导的功能；而性能数据库能提供节约燃油、降低直接运行成本的垂直制导能力。目前大型客机上采用的新一代的飞行管理系统，可集导航、制导、控制、显示、性能优化与管理功能为一体，实现飞机在整个飞行过程中的自动管理与控制，不仅可以大量节省燃油，保证飞机的飞行安全和飞行品质，而且可以大大提高驾驶舱的综合化、自动化程度，减轻驾驶员的工作负担，带来巨大的经济效益。

3 结语

随着航空技术的不断发展，大型客机机载导航系统也取得了长足的进步，从过去功能单一相互独立的多个子系统走向功能高度综合化模块化的集成系统，不仅减小了体积、减轻了重量，而且提高了性能以及客户化灵活度，进一步保障了飞机的飞行安全，同时提高了飞行的舒适性与经济性。

参考文献

[1]方习高.大型客机导航监视系统的技术及其发展[J].科技信息，2013（11）：118-119.

[2]赵群力.航空科学技术学科发展现状与前景展望[R].航空科学技术学科发展报告（2008-2009），2009：35.

[3]程学军.新航行系统及其在航空电子系统中的应用[J].电讯技术，2009（5）：101-107.

4.机载测试系统发展与应用研究 篇四

机载光电系统中四轴陀螺稳定平台设计

在长距离和高可靠的机载光电系统中,高精密的稳定平台承担极其重要的作用.提出使用四轴复合粗精组合的.控制系统实现微弧级稳定精度.建立稳定平台机电系统的仿真模型.对两种不同结构的复合轴控制系统进行仿真设计,从仿真结果看,复合轴控制比单轴控制在动静态特性上均有较大的改善.

作 者：武斌 作者单位：华中光电技术研究所,武汉,430074刊 名：中国仪器仪表英文刊名：CHINA INSTRUMENTATION年，卷(期)：2009“”(4)分类号：V2关键词：激光通信系统 伺服系统 四轴稳定平台 仿真

5.机载测试系统发展与应用研究 篇五

［摘要］铁路为实现高速、高密度和重载运输的需要，积极引进采用新技术，大幅度提高了

现代化通信信号设备的装备水平，新型技术系统不断涌现。［关键词］故障-安全技术、实时操作系统开发平台、数字信号处理、计算机网络技术的应用、通信技术与控制技术的结

合、通信信号一体化近10多年来，运输市场竞争激烈，各国铁路，特别是我国

铁路为实现高速、高密度和重载运输的需要，积极引进采用新技术，大幅度提高了现代化通

信信号设备的装备水平，新型技术系统不断涌现。

一、故障-安全技术的发展随着计算机技术、微电子技术和新材料的发展，故障—安全技术得到了飞速发展。高可靠性、高安全性的故障—安全核心设备出现了“二取二”、“二乘二取二”和“三取二”等不同结构

形式，其同步方式有软同步和硬同步。西门子公司、阿尔斯通公司、日本日信公司等推出了

不同类型的采用硬件同步方式的安全型计算机。故障—安全技术的提高为高可靠和高安全的铁路信号系统的发展打下坚实的基础。

二、高水平的实时操作系统开发平台实时操作系统（RTOS,Real Time Operation System）是当今流行的嵌入式系统的软件开发平

台。RTOS最关键的部分是实时多任务内核，它的基本功能包括任务管理、定时器管理、存储

器管理、资源管理、事件管理、系统管理、消息管理、队列管理、旗语管理等，这些管理功

能是通过内核服务函数形式交给用户调用的。在铁路、航空航天以及核反应堆等安全性要求

很高的系统中引入RTOS，可以有效地解决系统的安全性和嵌入式软件开发标准化的难题。随

着嵌入式系统中软件应用程序越来越大，对开发人员、应用程序接口、程序档案的组织管理

成为一个大的课题。在这种情况下，如何保证系统的容错性和故障—安全性成为一个亟待解

决的难题。基于RTOS开发出的程序，具有较高的可移植性，可实现90%以上设备独立，从而

有利于系统故障—安全的实现。另外一些成熟的通用程序可以作为专家库函数产品推向社会，嵌入式软件的函数化、产品化能够促进行业交流以及社会分工专业化，减少重复劳动，提高

知识创新的效率。

三、数字信号处理新技术的应用随着铁路运输发

展，基于分立元器件和模拟信号处理技术的传统铁路信号设备越来越满足不了铁路运输的安

全性和实时性。因此，引进计算机技术，利用计算机的高速分析计算功能，来提高信号设备的技术水平已非常紧迫。数字信号处理技术（DSP,Digital Signal Pr ocessing）的出现为

铁路信号信息处理提供了很好的解决方法。与模拟信号处理技术相比较，数字信号处理技术

具有更高的可靠性和实时性。数字信号处理的频域分析和时域分析的两种传统分析方法有着

各自的优缺点。频域分析的优点是运算精度高和抗干扰性能好，而缺点是在强干扰中提取信

号时容易造成解码倍频现象，例如将移频的低频11Hz误解成22Hz；时域分析的优点是定型

准确，而缺点是定量精确地剔除带内干扰难度大。随着数字信号处理技术的新发展，在铁路

信号处理中引入了新的实用技术，如ZFFT（ZOOM-FFT）、小波信号处理技术、现代谱分析技

术等。目前，我国区间采用的ZPW2000-A信号发送、接收以及机车信号的接收都采用了数字

信号处理技术，日本的数字ATC和法国UM2000数字编码轨道电路也都采用了数字信号处理技

术。

四、计算机网络技术的发展 随着计算机网络技术的飞速发展，实施企业网

络化管理已成为企业实现管理现代化的客观要求和必然趋势。铁路信号系

统网络化是铁路运输综合调度指挥的基础。在网络化的基础上实现信息化，从而实现集中、智能管理。

（一）网络化，现代铁路信号系统不是各种信号设备的简单组合，而是功

能完善、层次分明的控制系统。系统内部各功能单元之间独立工作，同时又互相联系，交换

信息，构成复杂的网络化结构，使指挥者能够全面了解辖区内的各种情况，灵活配置系统资

源，保证铁路系统的安全、高效运行。

（二）信息化，以信息化带动铁路产业现代化，是铁路发展的必然趋势。全面、准确获得线路上的信息是高速列车安全运行的保证。因而现

代铁路信号系统采用了许多先进的通信技术，如光纤通信、无线通信、卫星通信与定位技术

等。

（三）智能化，智能化包括系统的智能化与控制设备的智能化。系统智能化是指

上层管理部门根据铁路系统的实际情况，借助先进的计算机技术来合理规划列车的运行，使

整个铁路系统达到最优化；控制设备的智能化则是指采用智能化的执行机构，来准确、快速

地获得指挥者所需的信息，并根据指令来指挥、控制列车的运行。近年来，我国铁路行业已

成功地推广应用了原TMIS和DMIS（现称TDCS）等系统，在利用信息技术方面取得了长足的进步。具有代表性的列车调度指挥系统TDCS，以现代信息技术为基础，综合运用通信、信号、计算机网络、多媒体技术，建立了新型现代化运输调度指挥系统（铁道部、铁路局、基层信

息采集网）。

五、通信技术与控制技术相结合随着计算机技术

（Computer）、通信技术（Communication）和控制技术（Control）的飞跃发展，向传统的以

轨道电路作为信息传输媒体的列车运行控制系统提出了新的挑战。综合利用3C（Computer、Communication、Control）技术代替轨道电路技术，构成新型列车控制系统已成必然。用3C

技术代替轨道电路的核心是通信技术的应用，目前计算机和控制技术已经渗透到列控系统中，称为“基于通信的列车运行控制系统”（CBTC，Communication Based Train Control）。其具

有以下特点：列车与地面之间有各种类型的无线双向通信。可分为连续式和点式的。其中又

可分为短距离传输（指1m以内）和较长距离传输（远至几公里至几十公里）的移动通信。它

们仍然保留闭塞分区，其中最简易方式CBTC仍采用固定的闭塞分区，但是闭塞分区的分隔点

不是用轨道电路的机械绝缘节或电气绝缘节（如无绝缘轨道电路），而是用应答器或计轴器，或其他能传送无线信号的装置构成分隔点，这种简易形式仍然保留固定长度的闭塞分区（FAS，Fixed Autoblock System），简称为CBTC—MAS。在CBTC中进一步发展的闭塞分区不是固定的,而是移动的(MAS,Moving Autoblock System),简称CBTC-MAS。

六、通信信号

一体化随着当代铁路的发展，铁路通信信号技术发生了重大变化，车站、区间和

列车控制的一体化，铁路通信信号技术的相互融合，以及行车调度指挥自动化等技术，冲破

了功能单

一、控制分散、通信信号相对独立的传统技术理念，推动了铁路通信信号技术向数

字化、智能化、网络化和一体化的方向发展。从铁路信号系统纵向发展看，德国已经

形成从LZB、FZB发展到ERTMS的发展趋势。LZB利用轨道电缆环线传输列车运行控制系统行

车指令和速度指令机车信号，取消地面闭塞信号机，保留闭塞分区，列车按固定闭塞方式（即

FAS）运行。FZB是基于无线的列车运行控制系统，是新一代移动自动闭塞系统（即MAS），其

目的是实现低成本、高性能的列车运行控制系统，并已加入ETCS。ERTMS/ETCS（欧洲铁路运

输管理系统/欧洲列车控制系统）是欧盟支持的统一的行车控制系统，采用GSM—R作为传输

系统，其成功应用将进一步推动铁路通信信号的技术进步，加快实现铁路通信信号一体化的进程。从信号系统的横向发展来看，日本新干线在1995年成功开发和投入运行的COSMOS系

统，则是通信信号一体化的又一个成功案例。该系统包含运输计划、运行管理、维护工作管

理、设备管理、集中信息管理、电力系统控制、车辆管理、站内工作管理等8个子系统，以

通信信号一体化技术，实现中心到车站各子系统的信息共享，并使系统达到很高的自动化水

平。另外成功地应用了安全光纤局域网，使之成为联锁系统、列车运行控制系统的安全传输

通道，达到通信技术与信号安全技术的深度结合，实现了通信信号一体化。

七、信号系统的规范化和标准化随着全球经济一体化的发展，铁路信号系统市场也出

现了全球一体化，主要体现在技术规范和安全规范的全球化，如ERTMS/ETCS。“统一规范、统一标准”是铁路信号系统的发展方向。信号系统的规范化和标准化的制定（如欧洲铁路运

输管理系统ERTMS规范），体现了以下的优势：

（一）新产品开发费用低；由于规范化和标

准化的制定考虑了系统的连续性，所以新产品能与老系统兼容；

（二）规范明确定义所有接

口（机械、电器、逻辑）标准，系统实现了模块结构，从而实现设备的互通互连；公开规范

和标准，开放市场，促进竞争，降低成本，从而获取最佳产品和最佳价格。参考

文献马桂贞 微机联锁系统 西南交通大学出版社 2001陈红霞 以微机为基础的铁

路信号设备的可靠性设计与分析西南交通大学图书馆，2005，第5期吴汶麒 城市轨道

交通信号与通信系统 北京 中国铁道出版社,1998.阮春欣 铁路信号容错技术 北京：中

国铁道出版社，1997：50~65［摘要］铁路为实现高速、高密度和重载运输的需要，积极引进采用新技术，大幅度提高了现代化通信信号设备的装备水平，新型技术系统不断涌

现。［关键词］故障-安全技术、实时操作系统开发平台、数字信号处理、计算机网络

技术的应用、通信技术与控制技术的结合、通信信号一体化近10多年来，运输

市场竞争激烈，各国铁路，特别是我国铁路为实现高速、高密度和重载运输的需要，积极引

进采用新技术，大幅度提高了现代化通信信号设备的装备水平，新型技术系统不断涌现。

一、故障-安全技术的发展随着计算机技术、微电子技术和新材料的发展，故障

—安全技术得到了飞速发展。高可靠性、高安全性的故障—安全核心设备出现了“二取二”、“二乘二取二”和“三取二”等不同结构形式，其同步方式有软同步和硬同步。西门子公司、阿尔斯通公司、日本日信公司等推出了不同类型的采用硬件同步方式的安全型计算机。故障

—安全技术的提高为高可靠和高安全的铁路信号系统的发展打下坚实的基础。

二、高水平的实时操作系统开发平台实时操作系统（RTOS,Real Time Operation System）是当今流行的嵌入式系统的软件开发平台。RTOS最关键的部分是实时多任务内核，它的基本功能包括任务管理、定时器管理、存储器管理、资源管理、事件管理、系统管理、消息管理、队列管理、旗语管理等，这些管理功能是通过内核服务函数形式交给用户调用的。在铁路、航空航天以及核反应堆等安全性要求很高的系统中引入RTOS，可以有效地解决系统的安全性和嵌入式软件开发标准化的难题。随着嵌入式系统中软件应用程序越来越大，对开

发人员、应用程序接口、程序档案的组织管理成为一个大的课题。在这种情况下，如何保证

系统的容错性和故障—安全性成为一个亟待解决的难题。基于RTOS开发出的程序，具有较高的可移植性，可实现90%以上设备独立，从而有利于系统故障—安全的实现。另外一些成熟的通用程序可以作为专家库函数产品推向社会，嵌入式软件的函数化、产品化能够促进行业

交流以及社会分工专业化，减少重复劳动，提高知识创新的效率。

三、数字信号

处理新技术的应用随着铁路运输发展，基于分立元器件和模拟信号处理技术的传

统铁路信号设备越来越满足不了铁路运输的安全性和实时性。因此，引进计算机技术，利用

计算机的高速分析计算功能，来提高信号设备的技术水平已非常紧迫。数字信号处理技术

（DSP,Digital Signal Pr ocessing）的出现为铁路信号信息处理提供了很好的解决方法。

与模拟信号处理技术相比较，数字信号处理技术具有更高的可靠性和实时性。数字信号处理的频域分析和时域分析的两种传统分析方法有着各自的优缺点。频域分析的优点是运算精度

高和抗干扰性能好，而缺点是在强干扰中提取信号时容易造成解码倍频现象，例如将移频的低频11Hz误解成22Hz；时域分析的优点是定型准确，而缺点是定量精确地剔除带内干扰难

度大。随着数字信号处理技术的新发展，在铁路信号处理中引入了新的实用技术，如ZFFT

（ZOOM-FFT）、小波信号处理技术、现代谱分析技术等。目前，我国区间采用的ZPW2000-A

信号发送、接收以及机车信号的接收都采用了数字信号处理技术，日本的数字ATC和法国

UM2000数字编码轨道电路也都采用了数字信号处理技术。

四、计算机网络技术的发展 随着计算机网络技术的飞速发展，实施企业网络化管理已成为企业实现管理现

代化的客观要求和必然趋势。铁路信号系统网络化是铁路运输综合调度指挥的基

础。在网络化的基础上实现信息化，从而实现集中、智能管理。

（一）网络化，现代

铁路信号系统不是各种信号设备的简单组合，而是功能完善、层次分明的控制系统。系统内

部各功能单元之间独立工作，同时又互相联系，交换信息，构成复杂的网络化结构，使指挥

者能够全面了解辖区内的各种情况，灵活配置系统资源，保证铁路系统的安全、高效运行。

（二）信息化，以信息化带动铁路产业现代化，是铁路发展的必然趋势。全面、准确获得线

路上的信息是高速列车安全运行的保证。因而现代铁路信号系统采用了许多先进的通信技术，如光纤通信、无线通信、卫星通信与定位技术等。

（三）智能化，智能化包括系统的智能化与控制设备的智能化。系统智能化是指上层管理部门根据铁路系统的实际情况，借助先进的计算机技术来合理规划列车的运行，使整个铁路系统达到最优化；控制设备的智能化则是指采用智能化的执行机构，来准确、快速地获得指挥者所需的信息，并根据指令来指挥、控制列车的运行。近年来，我国铁路行业已成功地推广应用了原TMIS和DMIS（现称TDCS）等系统，在利用信息技术方面取得了长足的进步。具有代表性的列车调度指挥系统TDCS，以现代信息技术为基础，综合运用通信、信号、计算机网络、多媒体技术，建立了新型现代化运输调度指挥系统（铁道部、铁路局、基层信息采集网）。

五、通信技术与控制技术相结合随着计算机技术（Computer）、通信技术（Communication）和控制技术（Control）的飞跃发展，向传统的以轨道电路作为信息传输媒体的列车运行控制系统提出了新的挑战。综合利用3C（Computer、Communication、Control）技术代替轨道电路技术，构成新型列车控制系统已成必然。用3C技术代替轨道电路的核心是通信技术的应用，目前计算机和控制技术已经渗透到列控系统中，称为“基于通信的列车运行控制系统”（CBTC，Communication Based Train Control）。其具有以下特点：列车与地面之间有各种类型的无线双向通信。可分为连续式和点式的。其中又可分为短距离传输（指1m以内）和较长距离传输（远至几公里至几十公里）的移动通信。它们仍然保留闭塞分区，其中最简易方式CBTC仍采用固定的闭塞分区，但是闭塞分区的分隔点不是用轨道电路的机械绝缘节或电气绝缘节（如无绝缘轨道电路），而是用应答器或计轴器，或其他能传送无线信号的装置构成分隔点，这种简易形式仍然保留固定长度的闭塞分区（FAS，Fixed Autoblock System），简称为CBTC—MAS。在CBTC中进一步发展的闭塞分区不是固定的,而是移动的(MAS,Moving Autoblock System),简称CBTC-MAS。

六、通信信号一体化随着当代铁路的发展，铁路通信信号技术发生了重大变化，车站、区间和列车控制的一体化，铁路通信信号技术的相互融合，以及行车调度指挥自动化等技术，冲破了功能单

一、控制分散、通信信号相对独立的传统技术理念，推动了铁路通信信号技术向数字化、智能化、网络化和一体化的方向发展。从铁路信号系统纵向发展看，德国已经形成从LZB、FZB发展到ERTMS的发展趋势。LZB利用轨道电缆环线传输列车运行控制系统行车指令和速度指令机车信号，取消地面闭塞信号机，保留闭塞分区，列车按固定闭塞方式（即FAS）运行。FZB是基于无线的列车运行控制系统，是新一代移动自动闭塞系统（即MAS），其目的是实现低成本、高性能的列车运行控制系统，并已加入ETCS。ERTMS/ETCS（欧洲铁路运输管理系统/欧洲列车控制系统）是欧盟支持的统一的行车控制系统，采用GSM—R作为传输系统，其成功应用将进一步推动铁路通信信号的技术进步，加快实现铁路通信信号一体化的进程。从信号系统的横向发展来看，日本新干线在1995年成功开发和投入运行的COSMOS系统，则是通信信号一体化的又一个成功案例。该系统包含运输计划、运行管理、维护工作管理、设备管理、集中信息管理、电力系统控制、车辆管理、站内工作管理等8个子系统，以通信信号一体化技术，实现中心到车站各子系统的信息共享，并使系统达到很高的自动化水平。另外成功地应用了安全光纤局域网，使之成为联锁系统、列车运行控制系统的安全传输通道，达到通信技术与信号安全技术的深度结合，实现了通信信号一体化。

七、信号系统的规范化和标准化随着全球经济一体化的发展，铁路信号系统市场也出现了全球一体化，主要体现在技术规范和安全规范的全球化，如ERTMS/ETCS。“统一规范、统一标准”是铁路信号系统的发展方向。信号系统的规范化和标准化的制定（如欧洲铁路运输管理系统ERTMS规范），体现了以下的优势：

（一）新产品开发费用低；由于规范化和标准化的制定考虑了系统的连续性，所以新产品能与老系统兼容；

（二）规范明确定义所有接口（机械、电器、逻辑）标准，系统实现了模块结构，从而实现设备的互通互连；公开规范和标准，开放市场，促进竞争，降低成本，从而获取最佳产品和最佳价格。参考文献马桂贞 微机联锁系统 西南交通大学出版社 2001陈红霞 以微机为基础的铁路信号设备的可靠性设计与分析西南交通大

6.机载测试系统发展与应用研究 篇六

机载雷达作为航空电子设备的关键组成部分, 需要满足高可靠性的要求。将系统错误产生的影响降至最低、实现容错的运行机制至关重要。构建容错系统最基本的思想是设置冗余。目前诸多的容错技术通过硬件冗余、软件冗余、信息冗余中的一种或几种来实现错误的检测恢复[1⁃2]。其中一些容错方法具有通用性。如检查点回卷恢复容错方法能够处理绝大多数软硬件暂时性失效导致的错误, 硬件多机冗余方法能解决硬件永久失效的问题[3]。

机载雷达的用途和应用环境决定了其应满足实时性高和体积小的要求, 因此机载雷达系统多构建在分布嵌入式环境下。分布嵌入式环境复杂的软硬件结构使得机载雷达产生的错误具有多样性, 各类错误出现的位置、对系统功能的影响以及影响的严重性各不相同。尽管一些容错方法适用于较多类型的错误处理。然而对出现在不同位置、不同种类的错误采用同一种容错方法是不适当的。因为通用的容错方法的开销相对较大, 对于某些类型的错误不是最优的容错选择, 会增加不必要的容错开销。本文针对机载雷达系统的特点提出一种多层划分的容错体系结构, 致力于减小为原系统实现容错机制所产生的开销, 对于提高雷达可靠性的同时保证雷达的工作性能具有重要意义。在多层划分的容错体系结构下, 需要实现一种能够准确诊断错误、隔离错误、进行重新配置并恢复系统预定状态的方法。为此设计了一种分布式冗余管理协议来实现错误的诊断和隔离, 在确定故障节点的情况下管理冗余接替并进行拓扑重构。考虑到硬件冗余的容错方法具有较高的成本及机载空间占用, 结合低卷回代价的检查点回卷恢复软件容错手段能够平衡系统容错在时间与空间方面的开销。

1 多层划分容错结构

机载雷达系统由天线、发射机、接收机、处理机及它们之间的接口、传输与控制总线构成。各分机功能正常运行以及分机之间协同有序的工作保证了雷达系统的正常运行。容错系统的构建可视为在原系统的基础上实现错误检测机制和一系列错误处理机制的过程。雷达系统可能发生错误的类型、位置、粒度以及对系统功能影响的严重程度多种多样, 针对同一种错误通常有多种错误处理机制能够实现针对该类型错误的容错, 然而采取不同错误处理机制的代价也是不同的。尽管一些容错技术具有通用性, 适用于较多类型的错误处理。然而通用的容错方法的开销相对较大, 对于某些类型的错误不是最优的容错选择, 会增加不必要的容错开销。本文根据容错机制实现的位置将机载雷达容错系统分为三个层次:芯片电路层、节点层和系统层。每个层次都会针对相应的软硬件环境和粒度实现相应层次的故障诊断、故障隔离、重新配置以及状态的复位或恢复。

在设计容错系统时, 首先将系统的容错需求分解到各层次;然后每个层次根据分解的容错需求汇总需处理的故障类型, 并为之设置相应的故障处理方式;最后以每层故障处理结果是否能够满足整个系统的容错需求为评价标准, 设置各层的故障处理结果信息。由于多层划分容错设计追求容错代价的最小化, 系统在实现容错目标的前提下更倾向于在较低的层次解决故障, 因此容错的过程是自底向上的。故障处理结果信息以的方式由低到高在相邻层次之间传递, 其中Fc代表故障类型编码, Rc表示处理结果, R (Rc) ={0, 1}。Rc=1表示故障已处理, Rc=0表示在本层的故障处理结果不能够满足系统容错需求, 故障需要在更高层次上进行处理直至达到容错目标。

多层划分的容错体系结构如图1所示, 其清晰而易维护, 针对容错需求设计的故障处理方式贯穿雷达系统的每一层次。且呈现了多层划分容错系统在每一层可能处理的部分错误类型以及错误处理的结果。低层上报的未解决故障将同相邻高层检测到的故障一同被本层的预定义故障处理流程处理。这种自底向上构建容错系统的方式试图在每一层尽可能的处理相应级别的错误, 避免底层的微小错误导致高代价的故障处理方式的介入。同时这种方式能够整合层级错误类型, 实现层与层之间透明的错误传输和处理, 降低了容错处理的复杂度。

芯片电路层容错机制提供贴近硬件底层的容错措施。如缓存的奇偶校验保护、内存错误检查和纠正 (Error Correcting Codes) 以及晶体管的三重模件冗余 (Triple Modular Redundant) 技术等[4⁃5]。致力于保证构成独立功能的软件节点的容错运行。芯片电路层容错机制对于提高整个系统的可靠性非常重要, 因为越接近底层的错误越难以在高层采取有效措施对错误进行纠正, 高层针对底层错误的解决方式通常是复位或制定相应的冗余接替, 这种方式的代价是很高的。以雷达处理机中实现脉冲压缩功能的某一节点的某关键电子元件故障为例, 通常的容错方法是脉压节点的硬件冗余, 但是如果针对节点内的关键电子元件采用多个冗余元件实现低粒度容错, 即能以更小的空间代价替代节点冗余实现此类错误的容错。如果同时使用这两种方法, 则大大提高了雷达处理机的可靠性。

节点层容错机制实现在构成独立功能的软件节点上, 致力于保证软件相应功能单元的容错运行。节点层的容错机制能够处理多数芯片电路层抛出的无法解决的错误情况, 结合硬件冗余采用诸如看门狗定时器以及检查点备份等软件冗余方法能够复位或恢复节点运行状态, 或提供允许程度内的降级服务。同样以雷达处理机脉冲压缩单元为例, 脉压单元使用n个节点并行工作实现原始数据的分段脉压, 并使用一个脉压冗余节点。如果有两个脉压节点发生故障无法运行, 则节点层容错机制采取相应容错措施保证脉压单元的n-1个有效节点对外提供低速率的脉压处理降级服务。

系统层以整个系统对外提供的功能或服务为对象, 根据节点层的状态选择最优的容错方法并对外反馈错误信息及处理方式。对于非复位类型的容错方法, 系统层容错机制负责各节点间容错运行的一致性状态, 保证整个系统故障与恢复前后的状态一致。系统层容错机制使用分布式冗余管理协议来实现节点的错误诊断和错误隔离, 根据优化的容错策略重新配置以实现系统状态的复位或恢复。系统层负责冗余管理的协调和一致, 使得故障节点本身以及其他相关节点能够在故障处理后协调运行, 对外提供正确的功能和服务。

各层次的容错机制并非孤立的, 而是相互协同实现整个雷达系统的容错功能。低层次容错机制尽可能的解决出现的错误, 如果某些类型的错误无法完全解决, 则将错误抛给高层进行解决。举例来说, 假设雷达系统实现目标检测功能的某个芯片上出现了访存越界错误, 对于此类错误芯片电路层无法进行有效的恢复, 只能将错误类型通知相应的节点层容错机制, 于是节点层的访存异常处理流程将被执行, 终止相应的进程并使用冗余接替, 如果不存在冗余则试图提供降级服务保证节点提供的目标检测功能仍然有效, 最后将节点状态和错误处理方式通知系统层。系统层会根据出错节点的状态通知与之功能相关的节点如目标跟踪节点, 并控制目标跟踪节点更改算法以适应目标检测节点的变化情况。

2 分布式冗余管理协议

故障检测是实现容错系统非常重要的一环。在多层划分容错机制中, 节点间接口故障是一类特殊的故障。因为这类故障的发生会导致层次之间故障类型及故障处理结果信息传递的失败。接口的故障多与组件的电气特性有关, 往往导致大粒度的冗余接替。为此设计了分布式冗余管理协议, 不仅可以用于节点的故障判定, 并且能够在确定故障节点的情况下管理冗余接替并进行拓扑重构。分布式冗余管理协议在故障检测及隔离方面具有时间复杂度低、实现简单的特点。

协议规定在包含n个节点的系统中, 每个节点向其他k (2≤k≤n-1) 个节点发送周期性的心跳消息, 并假设这些消息能够实现无错传输被其他节点正确的接收到。协议通过消息携带的关于节点自身的运行状态信息来判断相应节点是否发生错误或失效, 并使得相关的无错节点获得系统内出错节点的信息保持一致。任意一个节点发送的心跳消息都需要被系统内其他k个节点所确认并维护, 则系统内的每个节点都负责维护k个不同节点的运行状态信息。同时每个节点自身的运行状态信息也分布在k个不同节点上。其中一定时间内无法收到来自某个节点的信息的情况被认为是节点失效。协议可以保证系统在至多有k-1个节点失效的情况下仍能准确检测到系统内任一节点的运行状态信息, k值可以根据系统设计情况和可靠性需求灵活指定。

2.1 初始化及心跳检测

(1) 对于最多包含n个节点的系统, 系统内的每个节点都维护一个大小为n的环形哈希表, 哈希表的每个位置都与各节点一一对应。定义哈希函数Hash () , 来自节点Ni (1≤i≤n) 的运行状态信息将被写入当前节点哈希表中Hash (Ni) 的位置。定义变量state表示节点的运行状态:state值为1表示节点运行状态正常;state值为0表示节点故障或失效。

(2) 系统初始化时各节点哈希表的所有位置将被置零, 每个节点将设置current指针指向其维护的哈希表中自身的位置;设置start指针指向其维护的哈希表中第k前驱的位置;并设置end指针指向其维护的哈希表中第k后继的位置。其中start= (current-k) %n, end= (current+k) %n。从当前节点出发, 逆时针方向逐个访问处于有效状态的节点直到start指针指向位置可以获得当前节点的k个前驱节点的运行状态信息。

(3) 系统内节点Ni (1≤i≤n) 每经过心跳周期τ向其k个处于有效状态的后继节点S1, S2, ⋯, Sk发送心跳消息。Ni的第i后继节点Si在接收到Ni的消息后, 将其哈希表中Hash (Ni) 的位置写入Ni的运行状态信息。节点状态正常置1, 节点故障置0。

(4) 为节点Ni的k个前驱节点P1, P2, ⋯, Pk设置接收超时时间τ1。如果当前时间t>τ+τ1, Ni仍未接收到其第i前驱节点Pi的消息, 表明节点Pi已经失效。则将Ni哈希表中Hash (Pi) 的位置写入0。

(5) 经过时间τ2 (τ2>τ1) 后, 以k为步长选择系统内任意én kù个节点, 查看这些节点哈希表中的k个前驱节点的运行状态信息, 即可获得整个系统内所有节点的运行状况。

2.2 节点失效的拓扑重构

如果协议通过心跳检测发现某一节点失效, 则需重新建立现存有效节点之间的关系。单点失效的情况将会涉及其k个前驱节点和k个后继节点的拓扑重构。如果节点Ni失效, 则将其k个前驱节点P1, P2, ⋯, Pk的哈希表中的end指针分别移动到下一位置, 即令end= (end+1) %n;并将其k个后继节点S1, S2, ⋯, Sk的哈希表中的start指针分别移动到上一位置, 即令start= (start-1) %n。

图2和图3分别反映了失效节点后继和前驱的拓扑重构操作。

3 检查点回卷恢复容错方法

考虑到机载雷达系统的应用环境和自身特点, 过多采用硬件冗余的容错策略并不合适。因为较多的硬件冗余不仅会占用宝贵的机载空间, 也会提高机载雷达的成本。另外, 在机载雷达的某个子系统故障时采用硬件冗余的容错方式只能恢复到初始状态, 这样会丢失故障前的结果和状态。而雷达系统常常需要跟踪测量多个目标, 从初始状态重新建立目标轨迹跟踪需要相当长的时间, 因此需要寻找一种具有较小回卷代价的容错方法。检查点回卷恢复容错方法为容错系统提供了一种低卷回代价的软件容错手段。

检查点回卷恢复容错方法是一种通过软件冗余实现的容错方法。各节点在雷达运行过程中以同步或异步的方式实时保存单元检查点。如果雷达运行时发生故障, 可以通过各系统备份的满足全局一致性状态的一组检查点将整个雷达软件系统恢复到之前的状态, 并保证恢复前后状态的一致性和数据的完整性。单元检查点的保存在节点层实现, 每个单元的检查点是其所在节点的嵌入式芯片中的关键结构的数据映像文件, 文件内容由各类寄存器、堆栈、只读ROM中的数据按一定格式构成。单元检查点的实现是与硬件体系结构紧密耦合的, 可以通过函数库的方式提供给高级程序调用。目前相关领域技术已比较成熟。

3.1 检查点的一致性状态

检查点的一致性状态是指:如果某一运行实体采取检查点时的状态反映接收到来自另一发送实体的消息, 那么对应的发送实体在某一检查点时的状态也反映此消息已发出, 那么两个状态处于一致性状态, 所属不同实体的两个检查点叫做一致性检查点[6]。如果全局检查点中的任意两个局部检查点都符合一致性约束, 那么全局检查点也是一致的。然而在节点故障时有两类消息会使系统处于不一致的状态, 它们分别是在途消息和孤儿消息。

令Ca, x表示进程Pa的第x个检查点, Sa, x表示检查点Ca, x时的系统状态。

∃进程Pa, Pb, 检查点对 (Ca, x, Cb, y) , 进程Pa发送给进程Pb的消息m, 使得消息已发送状态send (m) ∈Sa, x同时消息已接收状态recv (m) ∈Sb, y, 则称m为在途消息。

∃进程Pa, Pb, 检查点对 (Ca, x, Cb, y) , 进程Pa发送给进程Pb的消息m, 使得recv (m) ∈Sb, y, 同时send (m) ∉Sa, x, 则称m为孤儿消息。

3.2 基于悲观消息日志的异步检查点回卷恢复策略

通过异步方式实现全局检查点备份的方法赋予系统内各节点很高的灵活性, 这种方式允许各节点独立的保存本地检查点, 能够满足机载雷达系统的实时性要求。然而在选择满足一致性状态的全局检查点的过程中容易产生多米诺效应[7]。多米诺效应是指在回卷的过程中为了避免出现孤儿消息或在途消息导致的检查点不一致状态而产生的过度回卷的现象, 极端的情况可能使系统回卷到初始状态, 从而降低恢复的效率。

为了避免异步方式实现全局检查点可能出现的多米诺效应, 可以采取记录消息日志的辅助手段, 对于在程序运行中所遇到的任何一个不确定的消息发送动作, 系统都假设在此动作发生后系统会出现故障。于是在每个不确定的消息发送动作产生结果之前, 将能够复现此消息传输过程的关键信息能够保存到稳定的存储介质中, 然后继续程序的运行。这种策略是工程领域常用的悲观策略, 可以称之为悲观消息日志方法。借助这种手段在系统出现故障, 寻找可恢复的全局一致性状态时能够消除孤儿消息、在途消息以及多米诺效应带来的不利影响。

采用悲观消息日志方法具有以下优点:首先无需为异步实现的全局检查点设计复杂的协议保证其一致性状态, 实现简单;再者在回卷恢复时仅需从最近的全局检查点开始, 并且仅对出错的进程执行回卷操作, 恢复的代价小。

4 仿真实验

实验借助Qui KLab实时嵌入式系统测试工具进行系统的仿真、故障注入及结果分析。实验通过主机开发测试模型对被测系统的交联对象的内特性与外部环境进行仿真, 构建测试环境模型与接口驱动模型。并借助FIU自动测试故障注入箱实现实时环境下的电气故障模拟。表1描述了采用多层划分容错机制实现的系统与采用一般容错方法实现的系统在典型故障输入时的表现。

5 结论

本文针对雷达系统的结构特点提出一种多层划分的容错体系结构, 通过自底向上的方式构建容错系统并试图在每一层尽可能的处理相应级别的错误, 避免底层的微小错误导致高代价的故障处理方式的介入, 由此可以提高容错处理的效率。为容错系统设计的分布式冗余管理协议能够实现节点的错误诊断和错误隔离, 为容错系统节点级的故障检测和重新配置提供了简单有效的方法。最后利用基于悲观日志的异步检查点回卷恢复策略实现程序状态的回卷恢复, 为机载雷达系统提供了一种低卷回代价的软件容错手段。算法具有良好的时间性能和扩展性, 能够满足机载雷达系统应用环境的需求。

摘要：针对机载雷达系统的高可靠性要求, 提出了一种多层划分的容错体系结构。采用自底向上分层的方式构建容错系统并试图在每一层尽可能的处理相应级别的错误, 避免由微小错误导致高代价故障处理方式的介入。在此基础上设计分布式冗余管理协议实现节点的错误诊断、错误隔离以及重新配置, 并采用一种基于悲观消息日志的异步检查点回卷恢复策略用于程序状态的复位或恢复。最后通过系统仿真故障注入的方式验证采用多层划分容错机制设计的系统具有更高的容错效率。

关键词：机载雷达系统,容错体系,多层划分,检查点回卷恢复

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7.空天信息系统发展现状与趋势研究 篇七

现代作战越来越依赖空天信息系统,它已成为关乎作战胜败的重要资源.从信息平台、信息进攻能力、协同作战应用、临近空间飞行器等方面分析了空天信息系统的.发展现状,从平台、组成及应用等方面对空天信息系统的发展趋势做了初步论述.

作 者：曹裕华 赵玉普 武晓鹏 CAO Yuhua ZHAO Yupu WU Xiaopeng  作者单位：曹裕华,CAO Yuhua(装备指挥技术学院试验指挥系,北京,101416)

赵玉普,ZHAO Yupu(装备指挥技术学院试验指挥系,北京101416;装备指挥技术学院研究生管理大队,北京101416)

8.人工快速渗滤系统的研究与应用 篇八

人工快速渗滤系统(CRI)是在传统的污水快速渗滤处理系统(RI)的基础上发展起来的一种崭新的`污水土地处理技术,阐述了其定义、发展背景、运行方式、作用机理、工艺流程、设计参数以及目前存在的问题和解决措施.指出CRI系统对实现污水无害化、资源化具有重要的现实意义.

作 者：李正昱 何腾兵 杨小毛 潘彩萍 钟佐  作者单位：李正昱,何腾兵(贵州大学,生物与环境科学学院,贵州,贵阳,550025)

杨小毛(北京大学,深圳研究生院,广东深圳518058)

潘彩萍(深港产学研环境技术中心,广东,深圳,518057)

9.机载测试系统发展与应用研究 篇九

关键词：图像拼接,关键帧,SIFT,特征提取,特征匹配

0 引 言

由于天气恶劣导致的海上事故频发,搜救目标的难度加大, 夜晚难度更大,一般不作业。目前国内现有手段是目测,大量资料数据及实际案例表明,在现有可行方案中,红外搜救成像系统有助于发现落水人员( 即弱小目标) ,让小目标的位置标定长时间地显示在上位机上,需要图像拼接来实现。因此将多幅海上搜救红外图像拼接为大视场角的图像对海上搜救有着重要的意义。

在文献[1]中,虽然配准速度有所提高,但是没有对海面杂波进行预处理,拼接处的图像质量不高。在文献[2]中把多种具有代表性的算子( SIFT、不变矩等十种局部描述算子) 总结并进行了实验性对比,在同等条件下,SIFT算子对图像缩放、仿射变换、噪声等具 有良好的 匹配性能,具有最强 的健壮性。 Lowe[3]提出的SIFT算法相比梯度、哈希及Harris而言,对图像缩放和旋转具有不变性,对光照变化、仿射变换以及噪声都具有较强的抵抗性,但由于生成的特征点描述符维数过高,导致计算量太大而无法进行实时匹配。

在深入研究SIFT算法[4]后,本文针对SIFT的图像拼接复杂度高、拼接时间长等问题进行了改进,在既降低复杂度又保证场景信息的基础上,提高了拼接速度并取得了良好的效果。

1 图像拼接算法基本流程

本文图像拼接的流程为: 通过由TMS320F2812DSP控制摆扫系统带动长波红外相机SZ007匀速水平旋转获取序列红外图像,对获取的序列图像进行关键帧提取,然后对预处理之后的关键帧图像进行SIFT特征点的提取与匹配,同时计算出相邻图像间的变换参数,接着利用已得参数对关键帧图像进行拼接,最后是图像融合来消除拼接缝。整个算法的实现流程如图1所示。

2 关键帧的提取

本项目中搜救成像系统采用的长波红外相机SZ007的焦距为f = 100 mm,CCD水平尺寸是16 mm,相机的视场角是9. 15°, 而系统目前的指标要求呈现60°的视场角,与现有相机拍摄单张图像的水平视场角相差甚大。若对所有序列图像进行图像拼接会使拼接效率降低。因此需要提取关键帧为获取大视场角的图像拼接做准备。

所谓关键帧是指在序列图像中能够反映全部图像的主要内容的代表性图像帧,它能有效地降低图像计算的复杂度。序列图像关键帧提取的方法主要分为以下五类[5]: 基于镜头的方法、基于聚类的方法、基于运动分析的方法、基于压缩视频流提取的方法、基于内容分析的方法。这些方法各有优缺点,其中基于镜头的方法的优点是对于内容变化较小的序列图像的关键帧提取具有很好的鲁棒性,一般只要提取首尾帧或者中间帧,缺点是对于内容丰富的序列图像提取出的关键帧的效果不是很好, 漏检率很高。而本项目中所得到的序列图像内容变化不是很大,本文基于此方法提出了改进的关键帧提取方法,方法如下:

由于相机是匀速水平方向拍摄,预设相邻帧的边缘匹配率的阈值为30% ,除首尾帧外,再需7个关键帧可以满足60°视场角的要求。本文为了降低漏检率增加了对序列图像关键帧提取的数量,把每隔1. 7 s( 一个正程14 s) 抽取的图像也作为关键帧。实现本算法的复杂度低,漏检率也低,适用于工程应用。

3 图像的预处理

3. 1 图像畸变预处理

搜救成像系统中相机摆扫模型如图2所示,由于相机匀角速旋转 θ ,两边的图像会产生如图3所示的畸变,图像内容范围呈梯形,对这种图像形变的改正称为图像畸变修复。

图像畸变模型如图3显示了在失真和相应的校正图像中的四边形区域,在1/2θ 处即a和b两条直线称为等角点线[6],即这条线上的点没有产生畸变。a左边的像点朝向等角点线位移,a右边的像点背向等角点线位移。假设四边形的顶点是相应的 “连接点”,四边形区域中的几何变形过程中用双线性方程对来建模,即:

其中h是飞机离海面的高度、相机焦距f和CCD的水平尺寸三者之和,后两者相对较小,可忽略不计,θ 是相机旋转与垂直线之间的角度,x' 和y' 分别是r( x,y) 和s( x,y) 空间变换。在某 θ 角度上由失真图像中的任意点( x0,y0) 带入方程组可求出( x', y') 。在无失真图像中,被映射到( x',y') 点的值是g( x',y') ,令f'( x,y) = g( x',y') ,就得到恢复图像的值。

3. 2 海面背景噪声抑制处理

由于碧波荡漾的波浪反光形成的鱼鳞光使海杂波的特性极为复杂,拍摄距离、浪高和太阳位置都影响着红外图像的信噪比和对比度等信息,非线性非平稳的特点[7,8]。在强海杂波环境下,红外图像中常常有大量图像信息被覆盖,很难将有用的特征点和海杂波二者区分开来,成为本文图像拼接的难点。因此抑制海面杂波成为本文算法的关键。

由于Haar小波函数是一个具有正则性的紧支撑正交小波函数,波形是单个矩形波且具有对称轴,它的支撑域范围是t ∈ [0,1]。利用这种性质抑制本文中的序列红外图像的海面背景噪声,易于获得平滑的重构图像,计算简单,误差小。

二维离散小波变换表示为:

图像经过二维小波变换后,Wφ( j0,m,n) 代表了图像的低频空间,Wiψ( j,m,n) i = H,V,D代表了图像沿水平方向、垂直方向和对角线方向的三个高频细节分量。

Haar小波是用一族函数去表示或逼近一个信号,函数的定义如式( 3) :

其中0 ≤ t ≤1/其中0 ≤ t ≤1 2表示/信号的低频分量,1 2≤ t ≤ 1表示信号的高频细节分量。它常常能在不显著降低质量的前提下对图像信息进行压缩和消噪等处理。其中0 ≤ t ≤1/ 2表示信号的低频分量,1 2≤ t ≤ 1表示信号的高频细节分量。它常常能在不显著降低质量的前提下对图像信息进行压缩和消噪等处理。

为了进一步排除虚假特征点,本文利用SIFT特征检测法检测出真实有效的特征点,进而提高图像拼接的质量。

4 SIFT 算法原理及改进

2004年David. G. Lowe对SIFT算子做了全面的总结及更深入的发展和完善,提出改进的SIFT特征匹配算法,即尺度不变特征变换———对图像旋转、缩放、平移、仿射变换保持不变性的图像局部特征。SIFT算法的思路是,首先提取图像的SIFT特征,即从多幅待匹配图像中提取出对尺度缩放、旋转、亮度变化无关的特征向量; 然后是SIFT特征向量的匹配[3]。

4. 1 提取 SIFT 特征点及改进

4. 1. 1 SIFT 特征点提取原理

图像特征点是图像中灰度变化的明显点,具有线性、平移不变性、旋转不变性和子集特性等特性的可构成多尺度空间的核是高斯核[9]。二维图像I( x,y) 的尺度空间定义如下:

其中 δ 是尺度空间因子,小尺度对应于图像的细节特征,大尺度对应于图像的概貌特征,所以要选择合适的尺度因子来建立二维尺度 空间, 二维尺度 可变高斯 函数G( x,y,δ)=

SIFT算法采用Do G算子来提高尺度空间检测稳定特征点的效率,将图像连续通过不同尺度因子 δ 的高斯函数经过滤波和采样形成高斯金字塔图,每一层相邻尺度因子的两个高斯图像之差构成高斯差分多尺度空间Do G图,如图4所示,其中Do G算子定义如下:

Do G函数在尺度空间的Taylor二级展开式近似为特征点处的拟和函数来去除不稳定的极值点,公式如下:

对上式求导并等于零可以得到局部极值点,将图像的行、列及尺度三个量修正后,得到修正极值点:

在高斯差分尺度空间下,局部极值位置通过每个点逐个与相邻位置的点进行比较得到,该位置是尺度因子 δ 对应的特征点的位置,极值点的方程为:

边缘响应点去除通过下式:

式中,r为控制特征值大小的参数。当不等式成立时,该点是边缘上的点,将其去除掉。

4. 1. 2 特征点提取的改进

传统SIFT算法因特征描述符维数大,检测特征点的过程占据了大部分时间,然而并不是所有的特征点都是有用的,有大量是无用特征点花费了很多搜索时间,所以本文通过限定特征点提取的区域来减少大量无用的计算,提高算法的速度。如图5所示。

假设三个图像A、B、C,区域S1、S2分别为A和B、B和C的重叠区域,不需要把整个区域的特征点都检测出来,只有在S1、 S2的特征点才是有用的特征点,因为其他区域的特征点不可能作为另一图像的匹配点。这样就减少了特征点检测时间。

4. 2 SIFT 特征匹配

本文SIFT特征匹配的步骤如下:

( 1) 采用关键点特征向量的最小欧式距离作为在高维矢量图像的特征点的相似性度量准则。通过相似性的度量就可以得到待配准图像间的潜在匹配点对。采用优先K-D树[10]搜索加快搜索匹配,如果关键点的两个近似最近邻关键点中最近距离除以次近距离的比值小于某个阈值,那么就接受这一匹配点对。 可以适当降低这个比例阈值从而增强匹配点对的稳定性。欧式距离表示如下:

( 2) 经过最小欧氏距离判定后,并不意味着这两个点为正确的匹配点对,还需进一步筛选出精确匹配的特征点对。采用双向匹配法进一步去除误匹配点对,即第一次匹配完后,记录下成功匹配的坐标对,然后交换匹配对的坐标位置,再匹配一次, 如果这两次匹配得到的坐标对是一样的,就接受这一对匹配点。

5 高斯模型的渐入渐出融合

图像配准后,图像间的变换关系就得到了唯一确定,但是常会出现图像的模糊和明显的边界,需选择适当的图像融合技术将配准图像的重合区域进行融合,以消除图像拼接后的拼接缝隙,从而得到拼接重构的平滑曲面全景图像。一般采用的方法有取平均值法、渐入渐出法和多分辨样条发等。

本文采用平均值法和渐入渐出法相结合,其计算原理简单, 计算快,效果好,满足场景需求。该方法主要分为四个步骤[11]: 首先分别计算两幅待拼接图像感兴趣区域灰度值的均值和方差,修正亮度差异大的图像,使图像间的亮度差异降低; 其次计算感兴趣区域的概率分布函数; 然后根据概率分布函数计算感兴趣区域的每一个像素的权值di; 最后根据权值实现像素的重新取值。融合公式为:

其中权值 ω1+ ω2= 1,通过 ω1和 ω2在0 ~ 1之间的渐变来实现图像重叠区域的平滑过渡。

6 实验结果及分析

本文算法实验环境CPU为Intel( R) Core( TM) 3. 0GHz,内存为3. 25G,操作系统为Windows XP。编程工具为Microsoft Visual Studio 2010。实验中相机型号是烟台艾睿光电科技有限公司生产的 长波红外 相机SZ007。摆扫系统 是由TMS320F 2812DSP控制的匀速水平旋转机构,原始待拼接图像是项目组人员到湖面拍摄的大小均为8 bit的640 × 480的bmp图像。本文分别给出6张、4张序列图像的拼接效果图,如图6、图7所示。

图6中的单张图改进前后SIFT特征点提取耗时时间如表1所示。

传统SIFT拼接算法和本文改进SIFT拼接算法的实现过程耗时对比如表2所示。

通过比较本文改进算法的拼接图像和待拼接图像,如图6和图7,可以看出本文拼接算法针对本项目中遇到的复杂海面背景有效抑制、图像内容完整、拼接缝平滑过渡; 表1通过比较改进前后SIFT特征点提取时间,说明限制特征点提取区域可以明显提高拼接效率; 表2通过比较改进前后序列图像拼接算法耗时时间,可以看出本文改进后的算法相较于传统SIFT图像拼接算法拼接效率分别提升了47. 2% 、51. 2% ,因此本文改进的算法具有较高的实时性。

7 结 语

10.机载测试系统发展与应用研究 篇十

Argo数据研究应用现状与发展趋势

海洋在调节大气环流和气候变化中起着非常重要的作用,但是受到技术条件和观测资料的限制,人们对广阔海洋垂直剖面上的温、盐度和海流资料则获之很少,不能满足气候预测的.需求.国际Argo计划的实施,提供了大量、密集的和准同步、准实时的海洋要素资料.有助于准确、全面地了解全球气候的变化;对分析大洋渔场的形成、渔业资源的分布有重大意义.目前,Argo数据已经被广泛地应用于很多领域,取得了不少研究和应用的成果.

作 者：杨胜龙 周d芳 崔雪森 伍玉梅 张晶 YANG Sheng-long ZHOU Su-fang CUI Xue-sen WU Yu-mei ZHANG Jing  作者单位：中国水产科学研究院东海水产研究所,渔业资源与遥感信息技术重点开放实验室,上海,90 刊 名：海洋渔业  ISTIC PKU英文刊名：MARINE FISHERIES 年，卷(期)： 29(4) 分类号：P731 关键词：Argo浮标数据   温度场   流场   海洋资料同化   业务化预报  

11.机载测试系统发展与应用研究 篇十一

机载导航系统主要用于定位空中飞行物, 确定航道以及飞机自身的位置信息, 测算出作用区域内观测物的距离, 协助飞机完成起飞降落以及飞行的导航任务, 通常可通过一组综合指标, 构造一个指标体系对机载导航系统的效能进行综合衡量。机载导航系统的工作环境十分复杂, 它受高速、高温、振动等环境影响[1], 机载导航系统的设计可靠性、可维修性和抗干扰性[2]是必须要考虑的;由于飞机上空间有限, 设备又受到体积、重量等因素限制[3];机载导航系统通过测定物标的方位距离实现导航功能, 所以覆盖范围、响应时间对于导航精度有着最直接的影响[4]。机载导航系统的性能优越与否还取决于与其它设备的兼容使用性、操作复杂程度以及功能的多样性等因素。

2 层次分析法

层次分析法 (AHP) 是由美国运筹学家、匹兹堡大学教授萨蒂于20世纪70年代中期提出的, 是一种定量与定性相结合的多目标决策分析方法。这种方法将决策者的经验判断进行量化, 适用于目标结构复杂且缺乏一定数据的情况。其主要思路就是把复杂问题分解为若干层次的组成因素, 将这些因素进行两两比较, 确定同一层次中诸因素的相对重要性, 然后综合各层次的结果以确定各个因素相对与总体目标的重要性。层次分析法是一种多准则决策方法, 提供了一种求取决策因素测度的基本方法, 它把复杂问题表示为有序的递阶层次结构, 然后对此递阶层次中每一层中元素的相对重要性进行判断、综合, 以达到一个整体的排序。这种方法采用相对标度的形式, 充分利用人的经验与判断能力, 在递阶层次结构下, 根据所规定的相对比例标度, 对同一层次有关因素的相对重要性进行比较, 并按层次从上到下合成方案对目标进行测度, 基本步骤如图1所示[5]。

3 基于层次分析法的机载导航系统模型

运用层次分析法对问题进行分析, 首先要确定问题所包含的因素, 并根据各因素的相互关系将各因素分组、分层, 按照目标层A、准则层B、子准则层C的形式进行排列, 建立反映各因素关联隶属关系的递阶层次结构模型。根据影响机载导航系统的各要素的相互关系, 比较相关因素和标准的相对重要性, 建立效能评价指标体系, 如图2所示[6,7]。

3.1 构成两两判断矩阵

对于给定某一层上的元素, 可由该领域专家对与其有逻辑关系的下层元素进行两两比较判断, 并把判断结果用两两判断矩阵表示出来。进行层次分析就要在建立问题层次结构模型的基础上, 对层次结构中各元素的相对重要性做出判断, 并将判断结果用一定的数值表示出来, 写成矩阵形式, 即所谓的判断矩阵。判断矩阵是进行层次分析的信息和数据来源, 构建判断矩阵是运用层次分析法的关键。根据层次结构模型, 请相关专家按1-9的比率标度, 对同一层次中各要素的相对重要性进行打分, 根据结果构造判断矩阵。

3.2 理论计算方法

1) 构成比较矩阵。

向量W= (ω1ω2…ωn) T即为所求向量的近似值, 即要求的各个因素的相对重要性权重向量。

对于任意的i=1, 2, …, n, 式中 (AW) i为向量AW的第i个元素。

在实际分析中, 由于客观事物的复杂性以及不同专家经验认识上的差异, 使每一个判断矩阵都具有完全一致性是不可能的。为考察判断矩阵能否用以作层次分析, 就要对判断矩阵作一致性检验。为检验判断矩阵的一致性, 需计算一致性指标[9]。

一般而言CR愈小, 判断矩阵的一致性愈好, 通常认为CR<0.1时, 判断矩阵具有满意一致性。

3.3 根据专家打分进行层次单排序和一致性检验实际计算

1) 根据导航系统对于各种效能影响因素的不同侧重, 由专家打分进行层次单排序。

对与各个判断矩阵的计算结果进行层次单排序和一致性检验。

2) 层次总排序和一致性检验。

层次总排序就是依据层次单排序得到的结果计算同一层次所有因素对于最高层 (目标层) 相对重要性的排序权值。层次总排序要从上到下逐层进行。

从表6影响机载导航系统功能层次总排序表中的数据结果可以看出, 在影响机载导航系统效能的12个要素中, 定位精度, 占36.13%;抗干扰能力, 占16.8%;覆盖范围, 占12.82%。

对总排序判断矩阵的计算结果进行层次单排序和一致性检验, 当CR<0.1时, 认为层次总排序通过一致性检验;否则, 就必须调整各判断矩阵的元素直到层次总排序具有满意的一致性。表6中计算得层次总排序的CR=0.0439<0.1整个系统分析模型中所有判断矩阵都满足一致性要求[5]。

4 总结

本文运用层次分析法建立对机载导航系统功能评估模型, 对导航功能进行评估, 有效减少了许多不确定因素和人为因素造成的不利影响, 用层次分析法量化评估结果, 为导航系统功能评估提供了一个科学、客观的方法, 有利于导航装备的改进和提高。但由于导航系统的复杂性和多样性, 本文中指标体系的建立以及评估方法都有一定的局限性, 有待进一步研究。

参考文献

[1]庄春华, 张益青, 谢静.卫星导航接收机高低温工作环境试验与评定方法研究[J].装备环境工程, 2013, 10 (1) :61-62.

[2]耿宏, 徐科, 董健康.基于OSG的虚拟机载设备维护平台的研究[J].微计算机信息, 2012, 11 (3) :55-57.

[3]郑全普, 雷刚, 张凤伟.机载雷达精度评定方法研究[J].国外电子测量技术, 2013, 13 (11) (11) :36-39.

[4]肖作民, 赵健伟.一种塔康机载设备方位测量方法的研究[J].现代导航, 2012, 12 (1) :86-89.

[5]赵国存.基于AHP-TOPSIS的装备保障信息定量评价研究[J].装备环境工程, 2012, 9 (4) :36-38.

[6]武月琴.典型环境条件下装备环境适应性的评估方法[J].装备环境工程, 2010, 7 (6) :109-112.

12.平板机载天线工艺分析及试验研究 篇十二

平板缝阵天线由于其面积大、厚度小,属于薄壁件,在加工过程中,中心的部分容易被铣穿.以平板缝阵天线的工艺分析为例,进行工艺实验.研究切削参数vf、ae、n对切削力的.影响和刀具螺旋角对切削力的影响,解决了平板缝阵天线在加工时中心被铣穿的问题.

作 者：张佳丽 史耀耀 谢阳平Zhang Jiali Shi Yaoyao Xie Yangping  作者单位：西北工业大学,机电学院,西安,710072 刊 名：机械制造  ISTIC英文刊名：MACHINERY 年，卷(期)： 45(3) 分类号：V243.4 TG54 关键词：平板缝阵天线   工艺分析   工艺实验  

13.机载测试系统发展与应用研究 篇十三

随着航空电子系统的发展, 对航空数据总线的要求越来越高, 加速了航空数据总线的发展, 航空数据总线的发展情况决定了飞机电子系统综合化程度的高低。

机载总线通讯技术的应用可提高整个航电系统的性能、可扩展性、可靠性、可维护性和可升级性。机载RS422是一种协议简单、构建方便的总线, 可满足大多数航电系统的应用需求。因此, 越来越多的航电系统采用了RS422传输协议, 本文描述常见的RS422协议的同时, 还研究了一些特殊的机载RS422协议的采集方式。

RS422串行总线接口标准及协议传输模式

RS422接口支持点对多的全双工通信, 是一种平衡传输标准, RS422数据信号采用差动方式, 其接口需要接一个终端电阻, 以减少信号反射干扰, 并要求其阻值约等于传输电缆的特性阻抗。

RS422是属于通用异步串行接口 (UART) 协议中的一种, 按照标准的波特率完成双向的通讯。其工作原理是将总线数据字符通过起始位标志开始传输, 收到停止位标志停止, 总线数据字符之间不需要固定时间间隔要求。总线传输原理如图1所示。

图1中的数据位, 起始位, 停止位, 奇偶校验位和波特率是RS422总线通讯的几个要素。在KAM500编程中, 需要对上述几个要素进行正确的设置才能够采集到RS422总线通讯数据。

实际试飞中不同类型机载RS422总线信号分析与研究

机载RS422总线通讯消息块分类

根据机载RS422总线通讯协议的特点, 其消息块主要分为以下3种类型:

1.每条总线上只有一个消息块, 其消息块长度为固定值或者可变。

2.每条总线上有多个消息块, 消息块的块标识不同, 每个消息块的长度固定或者长度可变, 每个消息块根据要求有各自独立的结束标识。

总线上消息块长度小于9, 且内容中出现了同步头

机载RS422总线通讯数据块分析

当RS422协议属于第1种的时候, 消息块长度为固定值, 选择采用长度采集的方式, 消息块长度为变长时, 选择块末尾判读的方式, 进行采集;

当RS422属于第2种情况的时候, 则需要在一个通道下编辑多个消息块, 每个消息块选择同一个通道, 依据消息块长度是否可变或数据块是否有结束标志, 选择相应的采集方式;

当RS422属于第3种情况的时候, 本文在下一节会详细介绍。

机载RS422总线通讯协议的同步头研究

RS422总线采集的关键是同步头的设置, 同步头如果没有设置正确, 就会采集不到数据, 而数据块大小设置错误, 一般只是造成部分数据丢失, 造成的后果相对小一些。厂家根据各自通信系统会提供不同类型的同步头, 同步头根据难易程度可以分为以下两大类:

a) 同步头直接给出如:2B、7E、AA55、BB44, 这种情况在软件设置中直接填写就行。此类同步头的优点是同步头简洁, 编写方便;缺点是由于同步头简单数据中出现跟同步头一样的字符概率相对较大, 数据采集出错现象概率高。

b) 同步头需要根据提供的文件协议及KAM500采集器RS422模块的性能换算出合适的同步头。此类协议如SLIP协议其同步头为4个字节, 一些特殊协议的同步头达到了12个字节。同步头占用字节数越多, 数据内容出现跟同步头字符一样的情况就越少, 而KAM500采集器RS422模块同步头最多只能设置8个字节, 当同步头字节数大于8时, 需要根据实际情况缩短同步头并要保证数据采集正确。

机载RS422总线采集的软件编程设置

两种采集模块的主要区别和原理

KAM500采集系统采用数字化背板, 以分布式主辅链接结构、能够有效避免通道之间的干扰, 而每路数据采集通道拥有独立的A/D模块, 能够完美地实现同步采集数据。

机载RS422总线采用KAD/UAR/002和KAD/UAR/102模块进行总线采集, 每种采集模块具有四路数据通道。对于数据块, 当采集到正确的数据同步头时就采集, 并以数据块的长度或结束标识作为采集结束标准。

两种机载RS422总线采集模块区别如下表所示, 原理见图2。

KAM软件中RS422模块的编程方法

在机载KAM软件中, 两种RS422采集模块编程设置如图3所示。

通道:选择板卡中的哪个通道来进行采集设置;

波特率:根据需要采集的RS422总线的通讯波特率进行设置;

比特数:设置采集RS422总线数据的数据位数;

校验方式:主要有无校验, 奇校验及偶校验几种方式。

首先先对上述设置进行编程, 再对数据块名称, 同步头长度或者数据块的结束标志根据被采集的机载RS422总线的ICD文件来确定。

上述的设置可以满足目前绝大多数厂家设计的机载RS422总线协议, 在某型飞机实际测试中, 遇到了同步头比较简单, 且内容中也出现了同步头相同的字节, 导致采集数据出现错误, 这种现象在以前的机载测试中没有遇到过, 当时解决的方法采用了同步头和内容第一个字节组合成同步头, 但这种方法是第一个字节要固定不变才是可行的, 并不能完全解决数据采集故障。

针对这种情况, 在实验室进行了详细仿真分析, 根据KAM软件要求, 机载RS422块长度不能小于9个字节, 在消息块小于九个字节的情况下会出现KAM500采集RS422总线时会出现把内容中与同步头相同字节当做同步头, 从而导致采集出错。

仿真实例:同步头设置55, 块大小为5个字节, 内容第一个字节为44, 采用字递进1的方式仿真, 根据KAM500采集规则, 块大小要大于等于9, 所以设置字节大小为10, 通过仿真界面可以发现第一次采集时为正确数值:

55 54 55 56 57 55 54 55 56 57

接着下一个周期时采集出现错误, 数值为:55 56 5755 54 55 56 57 55 54

通过分析出错情况, 发现主要是采集板卡对于真正同步头的区分没有依据, 针对这个新的问题, 通过重新查看机载RS422 ICD文件, 发现除了同步头、数据块大小、奇偶校验类型和波特率等最基本的要素外, 还有一项数据更新速率40HZ, 但是这个更新速率在以前机载RS422采集测试中没被采用过, 再分析编程界面发现有同步间隔选项 (Sync Interval) , 如图3所示, 在以前机载RS422采集过程是不被采用的一个选项。

是不是可以把更新速率当做一个真正同步头传输的一个判据, 为此本文设置了同步间隔选项, 通过仿真界面发现数据采集正确:

55 54 55 56 57 55 54 55 56 57 55 54 55 56 57 5554 55 56 57……

总结