一種新的機場助航系統設計

李喜龍+范海震+李強

摘 要 針對現階段機場目視助航系統存在的問題和缺陷，提出了一種新的輔助著陸助航方法。該系統采用雷達引導、光電精確目標提取和高精度光學指示技術，為進近中的飛機提供高精度下滑坡度指示和方位指示；與現行的進近助航燈光系統相比，該系統具有智能化，航道指示精度高，引導距離遠，氣象適應性更好，使用布置簡單等諸多優點，具有很高的工程應用價值。

【關鍵詞】目視助航設備 精密進近航道指示 圖像提取 雷達引導

隨著我國綜合國力提高，各種軍、民用飛機作業活動日益頻繁；但受環境惡化的影響，我國中東部地區霧霾范圍和程度不斷加大，氣象條件越來越惡劣，對機場飛行活動影響很大。而且大部分機場基礎設施陳舊，未配置儀表著陸系統（INS）或微波著陸系統（IRS），地面進近燈光系統簡易，飛行員主要靠目視完成進近下滑著陸，當能見度低時，飛行員無法及時確定自身偏離下滑航道的情況，飛行員目視進近著陸安全受到嚴重威脅。

在目視飛行中，駕駛飛機最困難的工作是在飛機進近、著陸時，建立和保持與跑道的動態三維相對角度關系（主要是下滑角和航向角）。飛機的進近速度很高、進近時間越來越短，且氣象環境復雜，在沒有目視助航系統的幫助的情況下飛機既要保持準確的進近方向又要保持準確的進近坡度就變得更加困難。

現有通用目視進近坡度指示器（PAPI）和進近助航燈光系統存在指示信號少、精度低、進近航道窄、作用距離有限等問題；本系統在航道指示上，能夠提供橫、縱兩個方向上的偏差指示，且角度指示精度至少可達7級以上；且系統安裝調試簡單、光能利用率高，使得光束指向精度高，實現了低功率及高精度的航向偏差指示；系統常規氣象條件下作用距離可達10公里，在霧霾天氣條件下亦可達數公里，可有效保證飛行進近著陸的安全性。

1 助航系統構建

1.1 助航系統模型建立

系統放置在飛機下滑面與跑道面交線上，位于跑道一側的固定位置。系統模型示意如圖1所示。

飛機進場后，距離跑道入口約10km，此時，飛行員通過目視無法看到跑道入口，系統通過引導雷達來搜索飛機并獲取飛機位置信息，之后再通過光電跟蹤儀完成飛機眼位的精確提取和跟蹤，此時，航道指示器發射的指示光束覆蓋飛機眼位，飛行員可根據航道光束信息提示調整飛機航向和姿態，對準下滑通道安全進近，直到飛行員可觀察到跑道入口。

1.2 系統基本流程

助航系統主要包括引導雷達、光電跟蹤儀、航道指示器、精密伺服設備和數據融合控制單元。引導雷達、光電跟蹤器和航道指示器均安裝在伺服轉臺上，并將零位調校一致，光電跟蹤儀包括紅外成像和可見光數字成像兩種工作模式，在常規氣象條件下可采用高清可見光數字成像系統，可獲得在夜間或霧霾情況下可啟用紅外跟蹤模式。

助航系統總體數據流程如圖2所示。

2 目標搜索和跟蹤

為了輔助著陸助航系統盡可能的全天候、全天時有效地工作，將進場引導雷達與光電跟蹤儀配合使用，引導雷達波束較寬，具有很強的空域搜索能力，能夠及時發現進場飛機，而光電傳感器測量精度比引導雷達高，但目標搜索能力較弱，故系統采用雷達引導光電傳感器的這一基本協調方式。雷達引導光電跟蹤儀是指通過雷達鎖定目標并引導光電跟蹤儀伺服轉臺轉動指向向目標，通過雷達觀測數據與光電跟蹤儀探測數據融合，獲取飛機眼位精確位置信息，并可在終端操控界面顯示融合后的飛機下滑航線偏差信息。

2.1 雷達引導

進場引導雷達，將飛機引導到機場和最后的下滑航線上。進場監視雷達的天線不停地旋轉掃描，發送一串超高頻無線電波，無線電波碰觸到目標反射回來，并在雷達顯示器的屏幕上顯示出來，高大建筑物、橋、高地等的反射波表現為一些小的亮點；飛行中的飛機的反射波表現為一條變弱的光跡，借以辨明飛行方向，精密進場雷達測量飛機目標距離和方位角度信息。

相應的，光學跟蹤儀器協同低空進場雷達，或實現目標監視接力，與進場雷達的信息實現多源融合，從而更好的掌握各類低空航空器的飛行動態，保障低空空域暢通有序。總而言之，低空雷達與光學跟蹤儀器融合有利于實現資源共享、功能互補，提升空中管制與低空監視的綜合效能，如圖3所示。

光電跟蹤儀和引導雷達協同工作，只有目標進入其作用距離范圍內，設備才能檢測到目標并實施跟蹤，光學跟蹤儀器需要引導雷達作為目標指示設備加以引導，這樣才可以對目標的快速精確捕捉和跟蹤。引導光學跟蹤儀器伺服轉臺轉向雷達顯示界面上被選中感興趣的目標位置，以便觀察人員通過光學跟蹤儀器進行進一步的細節分析和判斷。在雷達顯示界面上移動雷達光標至選中目標，通過網絡或串口把雷達的距離方位和高度數據傳送給光學跟蹤儀器，計算出伺服轉臺所對應的角度，將伺服轉臺引導到指定位置對應的伺服轉臺角度，引導伺服轉臺轉向指定位置。

2.2 機頭眼位的精確提取和跟蹤

由于搜索雷達的有效搜索高度有限，且目標被搜索雷達發現時距離較遠，目標的高低角和方位角變化緩慢，這為光電跟蹤儀在小范圍內移動光學鏡頭搜索目標提供了前提條件。由上可知，濾波器的運算需要一定的時間成本，而在這段時間內，高度估計值的精度往往不足以用來引導光電跟蹤儀，如果變光電跟蹤儀的被動跟蹤為依據某一策略的主動搜索，則有可能提前捕捉到目標。

目標局部特征提取是關鍵點，對應迎頭進近飛行的飛機來說，目標左右的幾何特征是接近對稱的分布，通過形狀中心的提取及識別，可獲得較為準確的飛機眼位位置目標點的圖像像素位置坐標（如圖4所示），進而完成眼位的提取和跟蹤，詳細流程如下圖5所示。

光學跟蹤儀僅能輸出目標的高低角、方位角信息，目標距離是缺失的。引導雷達觀測誤差較大，只能給出目標的大致位置。為確定精確的目標位置，光學跟蹤儀和引導雷達布置在同一承載小車上，目標指引數據和距離信息可方便的傳輸至光電跟蹤儀。必須指出，本文的方法是基于目標沿下滑道進近飛行的假設前提的，對目標通場、過頂等其他飛行情形不予考慮。

3 下滑道指示

3.1 下滑指示器

當光電跟蹤系統精確跟蹤飛機眼位后，即可通過下滑道指示器發射指示光束，引導飛機目視進近下滑。下滑指示器由光學控制系統、光源組件、合光器件和光學系統組成。

半導體激光二極管能量利用率高、指向性好，可大幅度提高助航燈光系統的能量利用效率，降低機場能耗，具有良好的發展前景和廣闊的市場空間；本系統采用多個LD集成的方式將單個小功率光源耦合進單根光纖，在通過后端光學系統將出光角度壓縮至合適的數值，既要滿足光束指示強度和一定穿透霧霾的要求，還要滿足對飛機目標跟蹤時，飛行員眼睛能夠持續觀察到指示光束（即在跟蹤過程中光束能夠一直覆蓋到飛機眼位位置）；通過計算分析可得光學系統最終出光角度范圍約為10ˊ，如圖6所示。

從理論上說，一個燈具的光學系統，它發出的光在任何一條確定的進近路線和任何一個給定的大氣環境條件下，光束的強度是恒定的；但隨著飛機的進近，飛機和指示燈之間的距離的減小，飛行員觀察到的指示光束的亮度會增強，為了使飛行員觀察指示效果舒適，指示燈光的強度要隨飛機進近距離做適當調整。光強調節等級可通過光學控制單元根據實際使用情況來確定，一般可根據雷達距離數據，飛機每進近200m～400m調節一次，調節刻度跨度亦不能太大，避免造成飛行員眼睛的不適。

光學控制單元通過分析伺服測量飛機的角度和引導雷達測量的飛機距離信息，確定飛機相對于下滑道的位置，從而控制光源組件，發出指定顏色、強度（可通過占空比確定）和閃爍頻率的指示光束。其工作流程如圖7所示。

3.2 下滑指示原理

本方法的下滑指示器與常規的目視下滑坡度進近指示系統（PAPI）不同，PAPI系統是通過固定安裝的幾個不同顏色指示燈在空中覆蓋確定角度的指示光束；而本方法通過光電跟蹤來確定目標的相對于下滑道的偏差俯仰和方位角度，進而提供事先規定好光束顏色和閃爍頻率配置的指示光束，使得飛行員能夠確定自身相對于下滑道的位置。下滑道指示器橫向和縱向光束配置及覆蓋情況如圖8和圖9所示。

對于縱向指示，紅色最外側的兩燈與黃色最外層兩燈有閃爍效果，提示飛行員下滑側偏較大；根據飛行員的視覺習慣及航空標準，光束閃爍速率在50～120次/分鐘范圍內可調。總體覆蓋角度可在較大范圍內（大于30°）進行靈活調節，一般配置在在1°～5°的范圍即可，中間穩定綠色光束可按PAPI燈的下滑指示標準來確定，一般不大于0.5°。

對于橫向指示，左邊紅色最外側的兩燈與右邊黃色最外層兩燈有閃爍效果，提示飛行員航向側偏較大；根據飛行員的視覺習慣及航空標準，光束閃爍速率在50～120次/分鐘范圍內可調。總體覆蓋角度也可進行靈活調節，橫向偏差角度范圍較大，可配置為20°，中間穩定綠色光束可按跑道寬度與飛機寬度尺寸來確定。

4 指示精度分析

系統引導機理是向飛行員提供反映飛機當前高低和方位的偏差量和糾偏速率的光學指示信號，指導飛行員進行對中操縱。系統的引導精度首先取決于下滑道橫向和縱向的指示光束的精度，而光束指示精度主要由目標提取和跟蹤精度決定。

目前較常用的光電探測系統精度均可滿足使用要求，總體跟蹤精度與后端光學下滑道指示系統精度相配合的，下滑道指示燈的發散角度要遠大于總體的跟蹤精度，以滿足光電跟蹤系統跟蹤飛機眼位的同時，飛行員能夠觀察到下滑指示光束，但發散角度易不能做得太大，若角度大對于光學指示亮度和霧霾透過效果影響較大，只要滿足在光電跟蹤時，光束能夠覆蓋到飛機整體即可，約為30ˊ。光電跟蹤的總體精度選取在2ˊ左右即可，實際使用中較容易滿足。

影響下滑道指示精度還有指示光束光軸與目標跟蹤系統視場中心的離軸距；指示光束燈箱可制成口徑為100mm左右的尺寸，而光電跟蹤系統口徑則在160mm左右，所以，離軸距約為130mm。此距離相對于引導距離范圍10km～2km來說很小，角度誤差偏差在0.004°（0.22ˊ）對于飛機引導下滑效果的影響可忽略。

從上述分析可以看出，系統總體的下滑道指示精度主要為光電跟蹤部分的精度。對于系統總體引導效果還需要實際飛行試驗驗證，其影響因素主要有飛行氣象條件尤其是能見度條件，飛行員的操作熟練水平以及飛行航線規劃等。

5 總結

本文給出了一種新的飛機進近對準下滑道的解決方法，適用于各類飛機的目視進近著陸引導；該指示方法使飛行員對進近下滑偏差判別更加簡單、明了，可顯著提高輔助著陸正確率，確保飛機進近著陸的安全。系統設備耗能低、成本低廉，使用簡單，引導和指示精度高，使用后可回收，系統氣象和場景適應能力強，適用于各級軍民用機場，具有廣泛的應用前景。

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