遠程塔臺全景攝像機的選址

劉穎LIU Ying；武丁杰WU Ding-jie；董川DONG Chuan

（中國民用航空飛行學(xué)院空中交通管理學(xué)院，廣漢618307）

0 引言

隨著旅游業(yè)以及航空業(yè)的發(fā)展，許多偏遠地區(qū)修建了支線機場，但是在旅游淡季，這些支線機場的運輸量較少，機場和地方政府收益降低，從而出現(xiàn)了機場資金虧損、塔臺管制員數(shù)量不滿足和塔臺建設(shè)成本較高的情況，給當(dāng)?shù)卣蜋C場帶來了經(jīng)濟壓力。為了降低運輸成本和提高民航運行安全，我國引用了遠程塔臺的概念。根據(jù)《經(jīng)濟學(xué)人》[1]報道，在挪威目前已經(jīng)關(guān)閉了15 個支線機場，將它們的航班管理轉(zhuǎn)移到了遠程塔臺管制系統(tǒng)。2019年5月21日，國內(nèi)首個運輸機場遠程塔臺在新疆成功試運行。

遠程塔臺技術(shù)是將多個塔臺的管制任務(wù)集中在一個遠程塔臺中心運行，通過采用遠程高清攝像機、氣象傳感器、音頻和視頻的傳輸、ADS-B、場面監(jiān)視雷達等設(shè)備，實時采集和傳遞機場內(nèi)部交通信息，將信息處理后傳遞給遠程塔臺中心，進而為機場區(qū)域或機場周邊的航空器提供空中交通管制服務(wù)。

在遠程塔臺中，全景攝像機的安裝要能保證看到機場及其附近的一些飛行活動、車輛和人員的活動及障礙物的位置。高清攝像機拍攝地視覺信息需要滿足管制員對機動區(qū)一覽無余和對活動區(qū)盡可能的可見，所以遠程塔臺攝像機位置的選擇是十分重要的。在遠程塔臺運行模式中，全景攝像機需要滿足的是對機場區(qū)域或機場周圍區(qū)域進行180°到200°的監(jiān)控，所以遠程攝像系統(tǒng)由3 到4 個360X60°的高清攝像機拼接而成。其次，塔臺管制員在觀測遠處的物體或運動時，通常會使用望遠鏡去觀測，所以遠程攝像系統(tǒng)還需要具備一臺具有變焦功能的攝像機，用來檢測和識別的跑道上較小的外來物或者較遠處的物體。最后，遠程攝像系統(tǒng)需要具備紅外線功能，在夜晚降臨的時候，遠程塔臺中心依然能為航空器提供空中交通管制服務(wù)，全景攝像機技術(shù)已經(jīng)滿足了這些要求。

目前，全景攝像機位置直接安裝在原機場塔臺的頂部，沒有考慮顯示系統(tǒng)的分辨率問題。為了解決問題，根據(jù)民航局塔臺規(guī)定要求，從塔臺最低視線角和跑道的通視性、ILS 障礙物評定面和顯示系統(tǒng)的分辨率這3 方面考慮，提出較為科學(xué)的全景攝像機選址方案。

1 遠程塔臺全景攝像機選址和高度的要求

根據(jù)2014年民航局空管行業(yè)管理辦公室發(fā)布的《塔臺管制室位置和高度技術(shù)論證方法》（AC-93-TM-2014-01）[2]，對傳統(tǒng)塔臺管制室的位置和高度進行技術(shù)管理、技術(shù)規(guī)范等要求，為選址工作提供了依據(jù)。

塔臺管制員的視線與跑道道面的夾角叫做視線角[7]，視線角能夠使塔臺管制員能夠準(zhǔn)確地判斷出航空器與機場場道邊界、與關(guān)鍵點、與航空器和車輛之間的相對位置關(guān)系。全景攝像機的視線角與塔臺到機動區(qū)關(guān)鍵點的距離和高度有關(guān)，所以適當(dāng)?shù)卦黾舆h程攝像機的高度和縮短攝像機到跑道中心線的距離，能夠提高塔臺管制員判斷航空器與機場場道邊界、與關(guān)鍵點、與航空器和車輛之間的相對位置關(guān)系的能力。在美國聯(lián)邦航空局對塔臺最低視線角的研究實驗中，得知：塔臺滿足監(jiān)視區(qū)域內(nèi)與車輛和航空器的視線角不得小于0.8°[3]，在支線機場機動區(qū)監(jiān)視區(qū)域內(nèi)，跑道兩端距離觀測點是最遠的關(guān)鍵點，在計算視線角時，只需計算跑道兩端的視線角。

為了方便地求解攝像機的位置和高度，建立機場直角坐標(biāo)系，以跑道入口做為坐標(biāo)的原點，航空器進近的方向為X 軸的負值，入口之前為X 軸的正值，Y 軸垂直飛行方向且左為負值、右為正值，Z 軸垂直向上。為了計算方便，此處Y 軸均為正值，如圖1 所示。

圖1 機場直角坐標(biāo)系

假設(shè)攝像機的坐標(biāo)為（X，Y，Z），跑道入口坐標(biāo)為（0，0，h），跑道末端坐標(biāo)為（x2，0，h2），得到最低視線角方程：

塔臺的選址既要滿足視線角，又要滿足跑道的通視性。在國內(nèi)支線機場，跑道大多數(shù)為單跑道和單航站樓，布局相對簡單[8]。所以，跑道的通視性在遠程塔臺攝像機選址方面，沒有關(guān)鍵的影響，因此，不考慮障礙物的遮蔽問題。

2 全景攝像機最高高度限制

為了保證機場凈空要求，不同的區(qū)域內(nèi)有不同的障礙物限定高/高度，在儀表精密進近程序中，評價障礙物的方法[4]有：ILS 障礙物評價法，OAS 障礙物評價法和使用碰撞危險模式評價障礙物。

需要注意的是，雖然OAS 障礙物評定法估計障礙物要精確，但是基本的ILS 面是用來限制障礙物高和機場凈空的，比OAS 更靠近跑道，所以選用ILS 面對全景攝像頭的高度進行評估。

2.1 ILS 面的構(gòu)成

ILS 面是在附件14 面的基礎(chǔ)上進行繪制的，它由起降帶、進近面、復(fù)飛面、過渡面組成。起降帶是指從跑道入口前60m 到跑道入口后900m，寬度為300m，與跑道入口同平面。進近面從跑道入口前60m開始，以300m 寬度向兩側(cè)擴且擴張率為15%，進近面分為兩個部分，第一部分是從跑道入口前60m處以2%的梯度上升至60m，第二部分從60m 高度以2.5%的梯度上升至最后進近定位點。復(fù)飛面從跑道入口900m 處開始，以2.5%的梯度面上升至內(nèi)水平面的高度且以17.48%的擴張率從寬度300m 開始擴張，之后以25%的擴張率到精密航段的終點。過渡面沿著y 軸以14.3%的梯度上升到高度300m 處。ILS 的評價透視圖[4]如圖2 所示，平面圖[4]如圖3 所示。

根據(jù)ILS 面的各項標(biāo)準(zhǔn)，可以計算出每一個面的高度表達式，假設(shè)跑道是水平的，障礙物的位置和高度為（x，y，z），在計算時，y 均取正值，從左到右平面表達式組[4]為：

2.2 遠程攝像機高度限制

根據(jù)遠程攝像機的位置（X，Y），與關(guān)鍵點進行比較，判斷其位于哪一個面下，則Z 應(yīng)滿足以下要求：

若Z≥zi，攝像機的高度超過障礙物限定面，不符合規(guī)定，若Z＜zi，攝像機的高度合適，對飛行安全無影響。

2.3 攝像機位置要求

遠程塔臺情景顯示是由遠程攝像系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)組成的，對于遠距離的目標(biāo)監(jiān)控，顯示系統(tǒng)的分辨率也是非常重要的，而物體的大小和距離限制了顯示系統(tǒng)的分辨率。在理想情況下，顯示系統(tǒng)的極限分辨率應(yīng)該至少等于管制員感知細小物體的分辨率，對細小物體的感知用視覺敏銳度表示。管制員的最小視覺敏感度在10 到40 弧秒，但在場景復(fù)雜的情況下，管制員的視覺敏感度為1 弧分，也就是說，在這個基礎(chǔ)之上，認為極限分辨率約為每度60條線。然而，為了彌補圖像處理系統(tǒng)中的損失，將極限分辨率除以0.7，得到顯示系統(tǒng)中所需分辨率86 像素/度。

圖2 ILS 障礙物評價透視圖

圖3 ILS 障礙物評價平面圖

在從管制員的基礎(chǔ)任務(wù)[6]分析，列舉了30 條視覺特征，7 名管制員通過他們的相關(guān)經(jīng)驗對30 條視覺特征進行排序，選擇了5 個最重要的目標(biāo)：

①車輛在機動區(qū)（1700m）；

②飛機上跑道（1400m）；

③飛機在空中盤旋（4000m）；

④動物在機動區(qū)或者跑道上（1500m）；

⑤飛機起飛時起落架離地（1000m）。

為了對目標(biāo)物體識別，管制員們的最佳識別分辨率為2 弧分，也就意味著限制分辨率每度240 條線，得到顯示系統(tǒng)中所需分辨率343 像素/度。然而，考慮實際情景的復(fù)雜，對顯示系統(tǒng)中所需分辨率放松要求[6]：

可尋址分辨率=0.14×（物體距離÷物體尺寸） （4）

所以計算，在不同位置，不同物體被發(fā)現(xiàn)和察覺的可尋址分辨率（像素/度），如表1 所示。

表1 重要視覺特征被發(fā)覺和識別的分辨率

普通的相機和投影系統(tǒng)可以提供30 到40 像素/度的分辨率，從表中可知，當(dāng)1 米觀測物到觀測點的距離小于1700m 時，顯示系統(tǒng)的分辨率足以滿足遠程塔臺管制員觀察到重要視覺特征。而對于相對較小的物體，顯示系統(tǒng)需要增加變焦攝像頭和自動跟蹤技術(shù)。即得到全景攝像機的位置約束方程：

2.4 遠程塔臺攝像機選址和高度的約束方程組

假設(shè)攝像機的坐標(biāo)為（X，Y，Z），跑道入口坐標(biāo)為（0，0，h1），跑道末端坐標(biāo)為（x2，0，h2），則攝像機位置需要滿足的方程組（單位均為m）：

3 實例驗證

以某機場為例，該機場為4D 級支線機場，每天有6 班左右的航班，跑道全長3200m，寬50m，機場標(biāo)高1423.8m，滑行道A、B、D、E 不可用，11 號跑道頭標(biāo)高1405.9m，進近類型為ILS 精密進近，29 號跑道頭標(biāo)高1423.8m，進近類型為一類精密進近，停機坪距跑道中心線大約600m，機場圖如圖4 所示。

在國內(nèi)機場塔臺選址的一般原則中[5]：單跑道機場塔臺所處的位置應(yīng)盡可能位于跑道兩進近端等距離的地方，并且根據(jù)無障礙通視的要求，塔臺距跑道中心線距離控制在400～800m 之間。由于該跑道兩端均可以進行航空器的起落，所以假設(shè)將遠程塔臺攝像頭安裝在跑道中心垂直于跑道中心線的延長線上，則X=-1600m，根據(jù)公式（5），可知Ymax=500m。根據(jù)機場圖，假設(shè)11 號跑道頭為坐標(biāo)系起點，則11 號跑道頭坐標(biāo)為（0，0，1405.9），29 號跑道頭坐標(biāo)為（-3200，0，1423.8），根據(jù)公式（1）可知Z=23m。若攝像機位置坐標(biāo)為（-1600，500），帶入ILS 障礙物評定面與關(guān)鍵點比較后，可知其位于過渡面（4）下，計算可得Z8=96.28＞23m，則其高度沒有穿過障礙物評定面，高度符合要求。

由上述計算得到攝像機的位置為（-1600，500，23），根據(jù)FAA 塔臺視覺評估軟件，對11 號跑道和29 號跑道的可視性和通透性進行評估，仿真結(jié)果如圖5 和圖6 所示，其分析結(jié)果均滿足要求。

4 結(jié)束語

圖4 機場圖

當(dāng)前遠程塔臺全景攝像機選址具有經(jīng)驗性的情況，本文提出了一套全景攝像機位置和高度的約束方案。根據(jù)民航局規(guī)章和視覺特性，從塔臺最低視線角和跑道的通視性、ILS 面評定和OAS 面評定和顯示系統(tǒng)的分辨率這3 方面進行考慮。根據(jù)管制員的極限分辨率和識別分辨率，并且彌補圖像處理的損失后，得到在不同位置時，不同視覺特征需要的可尋址分辨率，對全景攝像機的位置進行約束。最后，從航空安全的角度對某機場攝像頭位置和高度進行論證，得到結(jié)果對航空安全無影響，且滿足遠程塔臺管制要求。

圖5 11 號跑道仿真圖

圖6 29 號跑道仿真圖