基于ADS-B引導的飛機起降視頻跟蹤系統設計

葉 艷，劉 菲，辛林杰

（中國電子科技集團公司第三研究所，北京 100015）

1 概 述

廣播式自動相關監視（Automatic Dependent Surveillance-Broadcast，ADS-B）是一種新型的空域飛機監視方式，一般由發射機和接收機組成。發射機安裝于飛機上，使用機載導航系統得到飛機的精確位置和速度信息[1]，周期性地向外廣播飛機的國際民用航空組織（International Civil Aviation Organization，ICAO）地址碼、經度緯度、高度、速度、航向等飛行動態信息。ADS-B地面接收站通過空地數據鏈路接收發射機的廣播信息，能實現地空監視。其他飛機通過空空數據鏈路能接收ADS-B廣播信息，實現飛機間的空空監視。ADB-S監視具有投資成本低、監視范圍廣、監視精度高以及能夠實現飛機間的空空監視的優勢[1]，可以實現地對空、空對空以及機場場面的一體化監視，ADS-B最大的特點就是采用廣播式通信方式[2]。

本文設計的基于ADS-B引導的飛機起降跟蹤系統能夠以低成本的方式實現晝夜間起飛和降落高清視頻監視以及輔助著陸引導。系統通過ADS-B接收機給出機場空域的飛機態勢，可手動或自動引導光電跟蹤系統對飛機目標進行捕獲、跟蹤以及起落架狀態識別。結合ADS-B接收機給出的經緯度信息以及跟蹤系統給出的方位俯仰信息，能在視頻圖像上繪制飛機降落的下滑線。通過與標準下滑線比較以及飛機起落架狀態識別，給出預警信息，保障飛機起降過程安全。

2 系統組成

系統主要由ADS-B接收機、光電指向器、驅動控制單元及顯控終端等組成。光電指向器含高清可見光攝像機、長焦制冷紅外熱像儀、伺服穩定平臺，能夠實現對飛機起降的晝夜圖像獲取；驅動控制單元含視頻跟蹤器、綜合控制器、視頻編碼器及數據接口單元，主要實現目標自動檢測，輸出目標相對于視場中心的偏差量，驅動伺服單元完成閉環跟蹤。顯控終端實現對圖像的實時顯示以及對光電指向器的操控[3]。系統組成如圖1所示。

圖1 系統組成框圖

3 工作原理

視頻跟蹤系統由于視場角比較小，無法兼顧整個機場范圍空域的飛機狀態。將ADS-B系統與視頻跟蹤系統融合，利用ADS-B空域的監控能力以及視頻跟蹤系統直觀的視頻圖像，能夠很好地對飛機起降段實現自動視頻跟蹤。ADS-B引導視頻跟蹤的原理如圖2所示，ADS-B地面站接收飛機廣播的各種信息，將飛機的位置、速度等信息實時發送給起降跟蹤監視系統，起降跟蹤監視系統接收引導，調轉發現目標后自動捕獲目標并進行持續跟蹤，直至飛機遠離機場或者停止滑行。

圖2 ADS-B引導視頻跟蹤工作原理圖

基于ADS-B引導的視頻跟蹤系統一般在在機場部署一套ADS-B地面接收站，部署兩套視頻跟蹤設備分別兼顧起飛和下降段跟蹤監視。在中小型機場，跑道利用不特別頻繁時，結合ADS-B引導數據，可以在塔臺頂部安裝1臺視頻跟蹤監視系統，滿足起飛和降落段飛機跟蹤的要求。視頻跟蹤系統有兩種工作方式：一是預置位自動捕獲飛機，自動跟蹤目標至飛機上升到安全高度或下降到跑道滑行結束后釋放回到預置位等待；二是接收ADS-B引導數據捕獲飛機，視頻跟蹤分系統對準起飛或下降飛機，自動捕獲跟蹤飛機直至起飛或下降段結束。

4 主要功能及主要技術指標

基于ADS-B引導的視頻跟蹤系統具有圖形化的航空活動監視能力，具有航跡顯示功能、全天時目標高清視頻顯示功能、視頻跟蹤數據與ADS-B數據融合功能、起落架狀態報警功能、實時視頻的錄像、截圖、回放功能以及系統故障檢測反饋功能[4]。ADS-B接收機的主要技術指標如表1所示。

表1 ADS-B接收機的主要技術指標

視頻跟蹤系統的技術指標主要有3個。

（1）晝間跟蹤距離。在大氣能見度≥23.5 km的情況下，對空中目標尺寸不小于28 m×11 m（翼展×高度）航空器的搜索發現距離不小于25 km，跟蹤距離不小于20 km；

（2）夜間跟蹤距離。在天氣晴朗的情況下，對空中目標尺寸不小于28 m×11 m（翼展×高度）航空器的搜索距離不小于20 km，發現跟蹤距離不小于15 km。

（3）跟蹤精度為0.5 mrad。

5 基于ADS-B引導的視頻跟蹤關鍵技術

基于ADS-B引導的關鍵技術主要有兩個，一是要能夠將目標引導到視頻圖像視場中，二是將目標引導到視場中間后視頻跟蹤系統要能夠迅速對目標進行捕獲進而穩定跟蹤。將目標引導到視場中間的關鍵點在于視頻跟蹤系統與ADS-B系統在時間及空間上要能夠統一，時空統一之后，經過誤差校正，一般情況下能夠將目標引導到視場中。

飛機目標具有相對速度高的特點，對飛機目標的捕獲及穩定跟蹤包含兩個方面，一是視頻跟蹤器能夠對復雜場景下的實時視頻中的目標快速檢測出來；二是伺服系統能夠對跟蹤器輸出的目標偏差快速響應，使目標處于視場中心。可采用邊緣跟蹤方式結合基于前饋的大跟蹤角速率控制技術滿足對復雜背景下高速目標的穩定跟蹤要求。

5.1 時間及空間統一

5.1.1 空間統一

通過分析ADS-B接收數據可知，ADS-B探測到的目標位置是以空間坐標系經緯高輸出的，而視頻跟蹤系統一般使用以轉臺為原點的極坐標系。為正確接收ADS-B引導，首先需要有高精度差分GPS獲得視頻跟蹤系統安裝位置經緯高坐標。接收到ADS-B發出的目標經緯高數據之后，需要目標將經緯高轉換為轉臺的方位、俯仰以及距離數據，完成視頻跟蹤系統調轉以及焦距、聚焦設定。可用直角坐標系法完成經緯高坐標到方位、俯仰以及距離的計算。

已知目標點的經緯度為Jm、Wm、Hm，地球半徑為R，利用式（1）將經緯高坐標轉換為目標直角坐標(Xm,Ym,Zm)。光電設備經緯度坐標為Jb,Wb,Hb，利用式（2）將經緯高坐標轉換為光電設備在直角坐標系下的坐標(Xb,Yb,Zb)。

求出目標與光電設備在直角坐標系下的數據差：Δx=Xm-Xb,Δy=Ym-Yb,Δz=Zm-Zb.利用式（3）可以求得目標相對于視頻跟蹤系統的方位、俯仰、距離（A、E、L）。

5.1.2 時間統一

一般航空器飛行速度較快，為使視頻跟蹤系統接收到目標引導數據調舷后能夠發現目標，需將視頻跟蹤系統與ADS-B發出數據進行時間對準。ADS-B發出的信息中一般含時間戳，即輸出報文包含精確的UTC時間信息，精度≤0.1 μs，數據頻率一般為2 Hz。視頻跟蹤系統可接收差分GPS時間，將系統數據時間統一為GPS時間。通過解析ADS-B報文數據中的時間戳信息，將視頻跟蹤系統與ADS-B接收器進行時間對準。ADS-B數據傳輸延時為2 ms，視頻跟蹤系統時間周期為20 ms，所以將視頻跟蹤系統與ADS-B時間統一后，可正確接受引導，及時發現目標。

5.2 機場起降視頻跟蹤關鍵技術

5.2.1 高速目標穩定跟蹤技術

對于高速運動目標，傳統的PID控制器存在嚴重的跟蹤滯后，無法滿足使用要求。本系統通過ADS-B解算飛機運動軌跡，得到飛機相對轉臺的速度及加速度等信息，將其引入伺服系統跟蹤控制環路，通過前饋補償，實現轉臺瞄準線對飛機的高精度跟蹤[3-4]。伺服控制系統框圖如圖3所示。

圖3 伺服控制系統框圖

根據自動控制原理，令系統跟蹤動態軌跡時，系統動態誤差可表示為：

式中：KP,Kv,Ka是位置、速度、加速度誤差系數的另一種表示形式，即品質因數。式（5）表明，跟蹤誤差包含了參考信號（本系統為飛機運動軌跡）的位置、速度、加速度及更高階導數信息。

傳統的PID控制器可使KP=∞，對于靜止目標可以消除跟蹤誤差，但對于飛機這種高速運動目標，由于存在速度及加速度誤差累積，導致跟蹤誤差較大。為了解決這個問題，本系統采用前饋控制將飛機運動信息加入到控制器，對速度和加速度誤差進行補償，實現對飛機運動軌跡的高精度跟蹤。前饋控制系統結構如圖4所示。

圖4 前饋控制系統簡圖

當前饋控制器表達式如下時，滿足系統不變性條件，即輸出可高精度跟蹤輸入信號。

式中：s代表微分，即前饋控制器是利用了輸入參考信號的各階導數信息。在本系統中，通過ADS-B給出的飛機運動信息進行前饋補償，有效提高了跟蹤精度。

5.2.2 歸一化互相關跟蹤算法及模板更新策略

5.2.2.1 歸一化互相關跟蹤算法

在視頻追蹤飛機起降過程中[5]，目標移動速度非常快，在跟蹤過程中目標變化大、高速運動且背景復雜。因此，采用歸一化互相關的相關跟蹤算法，在滿足系統實時性要求的前提下，盡量提高跟蹤精度。

歸一化互相關匹配算法一般寫為NCC算法，通過計算模板圖像和待匹配圖像的互相關值來確定匹配程度，其定義如下：

式中：T(m,n)為模板圖像，F(m+i,n+j)為實時圖像，(i,j)為實時圖像左上角像素點在實時圖像中的坐標。相關系數滿足0≤N(i,j)≤1，取最大值1時最相似，相關系數的最大值NMAX(i,j)的(i,j)為跟蹤目標位置坐標，即最佳匹配位置。

NCC算法適用于復雜背景，且不受光照變化影響，缺點是圖像中自相關值都比較大，計算出的互相關系數會出現以真實位置為中心的平緩的峰，容易出現無法檢測到準確尖峰位置的情況。因此，在匹配前需先對待匹配圖像進行邊緣處理，將相關性集中在輪廓信息的相關性上，提高目標位置定位的精度。

5.2.2.2 基于比例加權系數的模板更新策略

從相關算法可知，模板的選取決定整個跟蹤過程中跟蹤性能的好壞。在跟蹤過程中，目標形態不可避免地發生著變化，對模板的合理更新是相關跟蹤的關鍵。因此，選擇合適的模板更新策略，可以在一定程度上克服噪聲、形變等的影響。

模板更新策略包括模板更新條件和模板更新方式兩部分。模板更新條件是指模板在何種條件下更新，當相關系數NMAX值較大，說明圖像相似度比較高，模板頻繁更新會產生累計誤差，引起跟蹤漂移，此時不需要更新模板；當某一幀圖像跟蹤質量較差，相關系數值小時，說明圖像相似度比較低，此時更新模板會引入較大的誤差，導致跟蹤失敗。因此，根據實驗獲得的經驗值，選擇0.5≤NMAX≤0.95作為模板更新條件，模板更新條件確定方法如下：

模板更新方式為：將初始模板與當前最匹配位置圖像按一定比例加權更新得到新模板，比例值由相關系數確定。可以表示為：

式中：Mnew(x,y)表示新模板，Mold(x,y)表示當前使用的舊模板，Mcurr(x,y)是當前圖像中的最佳匹配位置的圖像，α表示由相關系數確定的加權值，取值范圍在(0,1)。實驗證明，采用這種目標模板更新策略，可以有效抑制跟蹤誤差的累積以及跟蹤漂移。紅外跟蹤飛機圖片如圖5所示。

圖5 紅外跟蹤飛機圖片

6 結 語

本文描述了ADS-B數據引導飛機起降視頻跟蹤系統的組成、工作原理、關鍵技術指標以及此類系統的關鍵技術，詳細敘述通過前饋補償實現轉臺瞄準線對飛機的高精度跟蹤以及歸一化互相關跟蹤算法和基于加權的模板匹配方法。經過國內某機場實際使用，采用該相關技術能夠實現對飛機起降全過程的穩定跟蹤，能夠實現飛機起降跟蹤監視功能以及輔助著陸引導功能。