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PAR輔助光電設備的飛機著陸監測與評估系統設計

2016-11-18 02:19:33王永慶代傳金趙修斌許云達金子岳
航空學報 2016年12期
關鍵詞:飛機設備檢測

王永慶, 代傳金, 趙修斌, 許云達, 金子岳

1.空軍工程大學 信息與導航學院, 西安 710077 2.空軍大連通信士官學校, 大連 116600

PAR輔助光電設備的飛機著陸監測與評估系統設計

王永慶1,*, 代傳金1, 趙修斌1, 許云達2, 金子岳2

1.空軍工程大學 信息與導航學院, 西安 710077 2.空軍大連通信士官學校, 大連 116600

針對數據鏈在著陸階段存在盲區和塔臺無法獲得著陸飛機實時姿態、接地參數等問題,提出利用多功能光電跟蹤技術建立飛機著陸實時監測與評估系統,設計出飛機著陸監測與評估系統的技術方案。由于光電跟蹤平臺的視場有界,無法保證著陸飛機準確進入光電設備視場,采用精密進場雷達(PAR)牽引光電轉臺對準即將著陸飛機的方式,輔助光電設備捕獲目標飛機,再經過圖像檢測算法處理,檢測出目標飛機,進而轉入跟蹤鎖定,計算出最終下降階段目標飛機的姿態和偏航信息。詳細闡述了該系統的PAR初始化光電設備的方法、步驟。該系統在飛機下降階段輔助塔臺指揮,實現整個著陸過程的監視與評估,滿足未來作戰飛機精密進近引導的著陸保障和訓練要求,具有很高的實用價值。

精密進場雷達; 光電設備; 著陸監測; 接地檢測; 著陸評估

著陸是飛機飛行過程中最為危險的階段,統計顯示,飛行事故中50%以上發生在該階段,為了減少這種飛行事故的發生,塔臺需要實時掌握著陸飛機的姿態、偏離下滑線位置、起落架釋放等多項數據,并依據這些數據給出復飛和降落指令。在著陸階段,儀表著陸系統[1](Instrument Landing System,ILS)可以引導飛行員安全準確地降落,但未將機上著陸信息下傳至塔臺,指揮員無法判斷飛機是否處在下滑道上。由于雷達情報、數據鏈覆蓋存在盲區[2],近年來依靠衛星導航系統快速發展的廣播式自動相關監視[3-4](Automatic Dependent Surveillance Broadcast,ADS-B)實現了對無雷達覆蓋區飛機的監視,但仍然未計算出飛機偏離下滑道的相關信息,未實現飛機著陸階段的視頻監視。目前,塔臺僅能夠依據精密進場雷達(Precision Approach Radar,PAR)獲得飛機偏離下滑線位置數據[5],依靠望遠鏡判讀起落架釋放情況。而PAR的引導等級為I類,在最后著陸的關鍵階段引導精度非常有限,數據可信度大大下降,因此,塔臺在飛機著陸關鍵階段是無法向飛行員給出準確指令的。除此之外,飛行員也無法發現自己駕駛技術存在的缺陷,僅依據自己的習慣完成著陸過程,在接地迎角、接地速度等參數調整不良情況下,容易造成接地事故。為解決該問題,提出利用多功能光電跟蹤技術構建飛機著陸實時監測系統,依據監測數據向塔臺指揮人員提供文字和語音告警。但光電跟蹤平臺視場有界,無法保證著陸飛機準確進入光電設備視場[6-7]。

本文采用PAR牽引光電轉臺對準即將著陸飛機的方式,輔助光電設備捕獲目標飛機,再經過圖像檢測算法處理,檢測出飛機目標,繼而轉入跟蹤鎖定,計算出最終下降階段目標飛機的姿態和偏航信息。在文獻[8]中,使用預警雷達引導光學跟蹤儀實現低空目標監視,算法設計比較優,但精度不夠高,未計算偏離正常航道的誤差,不能直接用于著陸監視與指揮。在文獻[9]中,使用ADS-B與雷達組合監視,也未研究著陸階段的應用。本文研究的內容已經在國內機場通過了飛行驗證,PAR與光電視頻跟蹤平臺的有效結合,可以提升飛機著陸安全性和飛行員駕駛水平。同時,也為中國低空開放條件下的空中交通管制提供了可行的手段。

1 系統組成原理

1.1 設備整體布局

系統主要由PAR監測單元、多功能高精度光電跟蹤分系統、接地參數檢測分系統和智能處理控制分系統4個部分組成。PAR監測單元包括數據采集平臺、調制解調器,主要是實現PAR目標探測與情報數據處理,并通過調制解調器發送至智能處理控制分系統中的初始光電控制平臺,輔助光電設備捕獲即將著陸飛機。

多功能高精度光電跟蹤分系統由高清可見光CCD(Charge Coupled Device)——電荷耦合器件圖像傳感器、非冷凝紅外CCD、激光測距機、大倍率連續精確變焦鏡頭、跟蹤儀以及高精、高穩定度伺服轉臺組成,最大限度提升光電設備探測距離。在距離較遠和氣象條件差的情況下,采用紅外探測系統,在近距離和能見度高的情況下,采用可見光探測系統,在最后著陸階段采用保護性激光探測(保護性激光不會對飛行員眼睛造成傷害),實現光電設備捕獲目標后,檢測出目標圖像,對目標飛機進行可見光或紅外等方式的穩定跟蹤,在風吹、震動等擾動條件下通過穩定轉臺可保持畫面穩定,再將數據送至智能處理控制分系統,在監視畫面中給出目標飛機的姿態和偏航數據,依據理想下滑線信息給出文字和語音告警。

接地參數檢測分系統由高清、高幀率攝像機和視頻拼接、編碼及預處理設備等部分組成,采用多個畫面拼接技術覆蓋整個著陸區域,實現在晝間和夜間飛機的接地視頻采集和記錄,同時采用圖像識別算法計算著陸飛機的橫滾角、接地迎角、接地位置和接地速度等參數。

智能處理控制分系統是整個系統的核心,是由一臺安裝了飛機起降安全管理與評估軟件的服務器、調制解調器和網關組成,實現探測數據處理、光電轉臺控制和監視畫面采集與記錄、顯示等功能。系統組成框圖如圖1所示。

圖1 飛機著陸監測與評估系統組成框圖Fig.1 Aircraft landing detection and evaluation system architecture frame

1.2 PAR監測單元

PAR是一種時分體制的三坐標雷達,用于在機場終端區探測準備著陸的飛機,測定飛機在空中位置以及偏離理想下滑航跡情況,其探測距離達20~40 km。PAR的航向和下滑兩幅掃描天線分別按照1 s的掃描周期進行時分機械掃描,航向掃描后輸出距離及航向角度,下滑掃描后輸出距離及下滑角度,航向數據與下滑數據分別在PAR顯示畫面中顯示[5]。同時,利用加裝的數據采集平臺采集航向和下滑數據,通過調制解調器連接光纖網傳送至智能處理控制分系統中的監控終端,同時,通過RS-232接口將PAR探測情報送至服務器,在軟件內完成對PAR情報的合批、查找離跑道最近的著陸飛機和消批等工作,獲取即將著陸的目標飛機相對于PAR的位置數據[10]。

2 PAR初始化光電跟蹤平臺控制

由于光電設備探測視場存在局限性,在捕獲目標飛機時,需要借助PAR情報牽引光電伺服轉臺初始化探測視場,保證目標飛機可靠的進入光電設備視場[11-12]。

2.1 PAR情報處理

由于PAR的時分體制,對同一個目標飛機可探測得到兩類情報,分別為下滑情報與航向情報,因此需要對兩類情報批號進行合批,才能得到同一個目標信息,其合批準則為:批號相同,距離相差200 m為同一批目標[5,13]。但PAR最多同時能探測4批目標得到8組情報,其中合批流程如圖2所示。

圖2 精密進場雷達(PAR)情報處理流程 Fig.2 Precision approach radar (PAR) information processing scheme

具體過程如下:依次緩存4批情報,這4批情報不分航向與下滑情報,下一批情報到來時,依據合批準則在緩存中查找同一批號的能夠符合合批準則的情報,如若當前到來情報是航向情報,則在緩存中查找符合合批準則的下滑情報,如若當前到來情報是下滑情報,則在緩存中查找航向情報。當查找到符合合批準則的雷達情報時,合成目標,取下滑情報距離為目標距離,而合成目標的航向情報角度為目標方位角度以及目標批號,而查找不到緩存內符合合批準則的雷達情報時,合不成一個目標,則將當前到來的雷達情報更新緩存中批號相同的雷達情報,等待下一幀雷達情報到來再進行合批。待情報合成目標后,需要在合成目標中查找出即將著陸目標飛機數據,并將該數據轉換至光電跟蹤平臺坐標系統中,初始化光電設備視場,牽引光電轉臺轉向。同時,為了避免著陸飛機與落地飛機批號的重復使用,設置一定的刷新時間,在刷新時間內即將著陸目標飛機數據不發生改變, 則需要對此批號進行消除。

2.2 坐標統一

由于PAR探測情報是以雷達天線電中心點為坐標原點的跑道坐標系下的坐標數據,其下滑仰角描述是目標飛機相對下滑天線水平陣面的角度,而方位角則描述的是目標飛機偏移航向天線中心線的角度,中心線左側為正值,右側為負值。而光電設備探測目標飛機數據是以光電轉臺為坐標原點的坐標系,水平面內可以進行0°~360°轉動。由于兩者定義的坐標系和坐標原點不同,方位角度定義不同,且PAR存在主次著陸方向轉向的問題,所以必須將PAR探測即將著陸的目標位置統一到光電跟蹤平臺坐標系下,才能實現初始化轉臺控制。具體方法步驟如下。

步驟1通過手持的GPS接收機獲得PAR天線電中心和光電跟蹤轉臺中心的經度、緯度和高度,依據坐標轉換公式可得光電設備以PAR為坐標原點的東北天坐標系坐標。

步驟2讀取跑道主著陸方向的跑道真方位角β;依據式(1)將東北天的坐標旋轉到PAR跑道坐標系;PAR跑道坐標系定義為:X軸正方向為主著陸方向,Z軸垂直水平面向上為正方向;Y軸正方向構成右手系。

(1)

步驟3將PAR探測即將著陸目標飛機數據轉換到PAR跑道坐標系;由PAR探測目標情報數據及跑道坐標定義可知,當飛機沿主著陸方向著陸時,目標在跑道坐標系下,方位角θ等于PAR探測航向角φ;而當飛機沿次著陸方向著陸時,則目標在跑道坐標系下方位角θ=π+φ。下滑角和距離與飛機著陸方向無關,因此目標在跑道坐標系下仰角等于PAR探測下滑角,距離等于PAR探測距離。

步驟4將PAR跑道坐標系下的目標位置轉換到光電轉臺的跑道坐標系;光電轉臺跑道坐標系定義與PAR跑道坐標系定義相同,不同之處在于坐標原點在光電轉臺,且光電轉臺轉動角度沒有負值,若經過坐標系平移得到方位角度為負值時,則需要加上2π。至此,將得到的目標相對于光電轉臺跑道坐標系的位置數據送給光電轉臺的控制模塊,使光電設備的視場對準目標飛機,實現對光電設備的初始化,大大提高捕獲目標飛機的效率。

3 多功能高精度光電跟蹤分系統設計

由于PAR的距離引導精度有限,且無法得到目標飛機著陸的姿態信息,為滿足塔臺指揮需求,提出利用多功能光電跟蹤技術構建飛機著陸實時監測系統,依據監測數據向塔臺指揮人員提供文字和語音告警。

多功能高精度光電跟蹤分系統的跟蹤流程是在起飛時,手動鎖定飛機,通過跟蹤機制自動控制伺服轉臺跟蹤飛機;降落時通過PAR初始化光電轉臺,由PAR牽引的伺服轉臺捕獲目標飛機畫面,當捕獲后自動鎖定飛機,并由跟蹤儀按跟蹤機制自動跟蹤。在晝間飛行時采用高清可見光攝像機跟蹤飛機,在夜間飛行時或者能見度較低時,采用非冷凝式紅外攝像機跟蹤飛機。最后著陸階段采用保護性激光跟蹤飛機。

視頻跟蹤儀是多功能光電跟蹤平臺的關鍵設備,能夠輸出目標位置、姿態和航線偏差,控制指向器對目標進行自動跟蹤,并能輸出多路原始視頻和綜合視頻信號。視頻跟蹤儀由高斯濾波、背景統計、邊緣檢測、目標提取和自動捕獲五個部分組成。通過對接收的電視攝像機的視頻信號高斯濾波,剔除圖像中的散點噪聲,同時對視頻信號實時統計、處理,計算出黑白目標的切割閥值,將目標從背景中提取出來,形成二值圖像[14-16]。二值圖像進行實時空間濾波,進一步消除噪聲,視頻跟蹤儀的工作原理如圖3所示。

系統在工作窗口內對目標實時自動捕獲,將捕獲數據送計算機作為跟蹤窗口的形成參數,得到目標飛機下降的姿態、位置及偏航信息,依據監測到的這些數據向塔臺指揮人員提供文字和語音告警,同時記錄與存儲監測數據和視頻。

4 接地檢測分系統

為了檢測目標飛機接地情況,設計接地數據檢測分系統[17]。利用接地檢測分系統和多功能高精度光電分系統可以智能的判斷飛機是否接地,并識別和解算出飛機接地位置、接地速度和接地迎角等參數。

多功能高精度光電跟蹤分系統在安裝時對跑道位置進行定量標定,當其跟蹤飛機進近著陸時,通過事先標定好的位置和接地檢測分系統攝像機捕獲目標飛機情況,就可判斷飛機是否接地。該系統采用在跑道一側固定安裝兩臺輔助高清短焦高幀率攝像機,實時觀看跑道的場景(每臺攝像機大約覆蓋100 m的范圍)。當飛機降落時通過圖像分析軟件,利用多個畫面拼接技術覆蓋整個著陸區域,實時晝夜測量飛機的接地迎角、接地速度,并存儲接地視頻信息。具體的安裝及測量如圖4所示。

圖3 多功能高精度光電跟蹤分系統工作原理框圖Fig.3 Multi-function high precision electro-optical tracking subsystem mechanism frame

圖4 接地檢測分系統高清攝像機安裝及參數測量示意圖Fig.4 Grounding detection subsystem high definition cameras installation and parameter measurement diagrammatic sketch

當判斷出飛機接地時,獲取接地檢測分系統攝像機的圖像,對圖像中出現的飛機進行模式識別,智能分析出飛機機頭與機尾的連線,其與水平面的夾角就是飛機的接地迎角。通過計算圖像中飛機的移動速度,乘以事先標定好的系數就可得到飛機的接地速度。當獲取了飛機的接地參數信息和接地視頻之后,飛行員可以有針對性的糾正駕駛技術,克服習慣性錯誤。

將接地檢測分系統獲得的接地數據、光電設備探測得到的飛機進入下滑道后的數據,以及記錄的各類視頻數據,通過網絡送至智能處理控制分系統,在該分系統依據理想航線數據和飛行訓練大綱,判決目標飛機的實時狀態是否滿足要求,并輸出告警信息,在智能處理控制分系統的顯示畫面上進行顯示。同時在飛機起降安全管理與評估軟件中進行評估。

5 著陸評估

將獲取的PAR數據和光電跟蹤數據進行有效融合[18-20],在二三維地理信息系統(Geographic Information System,GIS)平臺上形成唯一的綜合航跡,并進行航跡平滑顯示[21]。同時,利用融合數據建立著陸評估數據庫,根據飛行大綱設置評估標準,將系統檢測數據與評估標準相比較,按照不同的權重值,計算每一名飛行員在一次著陸過程中所得的總成績,同時具有查詢、統計和分析的功能,并可生成當天的飛行講評報告。

在統計分析中,既可以按飛行科目進行,也可以按照飛行員姓名進行(信息分析如圖5所示),便于訓練部門及時、全面、客觀地掌握本單位的飛行訓練水平,有利于駕駛水平的提高,有利于飛行安全的提升。

圖5 著陸評估信息分析圖Fig.5 Landing evaluation information analysis diagram

6 結 論

設計的飛機著陸監測與評估系統通過對PAR情報的處理,牽引光電跟蹤儀對準著陸飛機,將光電跟蹤儀的視頻圖像或紅外圖像回傳給顯示終端;同時,檢測目標飛機接地參數。

1) 可實現進近著陸飛機的監視與指揮,滿足未來作戰飛機精密進近引導的著陸和著艦保障要求。

2) 可對飛行員在著陸階段操控飛機的水平進行評估,同時糾正不良習慣。

3) 可進行信息分發,各級指揮所可獲得此信息。

4) 可促進指揮模式和訓練模式的轉變。

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Designofaircraftlandingdetectionandevaluationsystembasedonelectro-opticalequipmentaidedbyPAR

WANGYongqing1,*,DAIChuanjin1,ZHAOXiubin1,XUYunda2,JINZiyue2

1.InstituteofInformationandNavigation,AirForceEngineeringUniversity,Xi’an710077,China2.DalianAirforceCommunicationNCOAcademy,Dalian116600,China

Tosolvetheproblemsinaircraftapproaching,suchastheblindzoneofdata-linkcoveringandavailabilityofreal-timeattitudeandtouchdownparametersbythecontrol-tower,theaircraftlandingdetectionandevaluationsystemispresentedinthepaper.Thesystemisbuiltbasedonthetechnologyofmulti-functionelectro-opticaltracking.Thecompositestructureanddesignedprinciplearealsoproposed.However,duetothelimitedfieldofelectro-opticaltracking,theelectro-opticalturntableaidedbyprecisionapproachingradar(PAR)isusedtoguidethesearchforthelandingaircraft.Aftertheaircraftiscapturedstably,thetargetaircraftwillbedetectedbytheimageprocessingalgorithm.Then,thesystemswitchestothetrackingmodeandthetargetaircraftwillbelocked.Theattitudeandflightpathoffsetarethencalculated.Inthecontrol-towercommandandlandingdetectionandevaluation,thesystemareprovedtobeofhighpracticalvalue.

precisionapproachingradar;electro-opticalequipment;landingdetection;touchdowndetection;landingevaluation

2015-12-04;Revised2016-02-21;Accepted2016-03-24;Publishedonline2016-03-301350

URL:www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20160330.1350.004.html

s:NationalNaturalScienceFoundationofChina(61273049,61473308)

2015-12-04;退修日期2016-02-21;錄用日期2016-03-24; < class="emphasis_bold">網絡出版時間

時間:2016-03-301350

www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20160330.1350.004.html

國家自然科學基金 (61273049,61473308)

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.Tel.:029-84791513E-mail18629633569@126.com

王永慶, 代傳金, 趙修斌, 等.PAR輔助光電設備的飛機著陸監測與評估系統設計J. 航空學報,2016,37(12):3803-3810.WANGYQ,DAICJ,ZHAOXB,etal.Designofaircraftlandingdetectionandevaluationsystembasedonelectro-opticalequipmentaidedbyPARJ.ActaAeronauticaetAstronauticaSinica,2016,37(12):3803-3810.

http://hkxb.buaa.edu.cnhkxb@buaa.edu.cn

10.7527/S1000-6893.2016.0077

V324; TN98

A

1000-6893(2016)12-3803-08

王永慶男, 碩士, 講師。主要研究方向: 軍用無線電導航。Tel.: 029-84791513E-mail: 18629633569@126.com

代傳金男, 博士, 講師。主要研究方向: 軍用無線電導航。Tel.: 029-84791513E-mail: dcjdai@163.com

趙修斌男, 博士, 教授, 博士生導師。主要研究方向: 軍用無線電導航。Tel.: 029-84791501E-mail: Zhaoxiubin926@163.com

許云達男, 碩士, 講師。主要研究方向: 軍用無線電導航。E-mail: xydxch@163.com

金子岳男, 本科, 助教。主要研究方向: 軍事指揮。E-mail: jinziyue001@126.com

*Correspondingauthor.Tel.:029-84791513E-mail18629633569@126.com

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