基于某型雷達的著陸航跡糾偏監控研究

楊法紅,馬志偉,李 輝,姚 超,陳星光

(1.中國人民解放軍92524部隊，浙江 寧波 315020; 2.中國人民解放軍91428部隊，浙江 寧波 315456;3.中國人民解放軍92919部隊，浙江 寧波 315020; 4.陜西長嶺電子科技有限責任公司，陜西 寶雞 721006)

0 引言

飛機進近著陸階段時間短、任務重、環境復雜，又是飛行員最疲勞的階段,發生事故的概率相對較高。如何立足現役裝備條件，盡量減少飛行事故，是飛行部門各級指揮人員關注的重要問題。某型精密進場雷達是機場用于能見度低、云底較低的復雜氣象條件下引導飛機進場著陸的主要導航設備，能夠實時顯示飛機目標的位置，由地面人員通過人工判讀獲取飛機距跑道入口的距離、下滑偏離以及飛機相對于跑道中心線的方位偏離數據，再通過超短波電臺指揮引導飛機進入和保持在安全的下滑航線上完成進場著陸，這也是地面指揮員唯一能夠實時掌握飛機著陸航跡的導航設備[1]。

在飛機進近著陸階段，指揮員、領航員和操縱員等需兼顧多種通信導航業務和信息，無法做到不間斷地觀測每一架飛機的著陸狀態，特別是多批次、多架次飛機同時加入著陸航線時，飛機偏離預定著陸航線往往就在轉瞬之間，完全依賴人工監視飛機著陸航跡容易出現誤報、漏報等情況，不能做到最大限度地減少飛行事故[2]。

1 航跡糾偏監控設備的組成結構及原理

航跡糾偏監控設備是基于某型精密進場雷達來設計和實現的，主要由硬件設計和軟件開發兩大部分組成，是一套能在地面實時、自動監控飛機著陸航跡的設備[3]，其組成和引接原理如圖1所示。

圖1 航跡糾偏監控設備組成

航跡糾偏監控設備主要包括三大功能模塊，分別是航跡監控、航跡分析和航跡時錄功能。航跡監控是將某型雷達設備進行動目標檢測和數字化處理后的目標跟蹤信號，經串口光收發器和光纖傳輸至塔臺或20 km內的任何地方，在工控機上運行航跡糾偏軟件接收相應目標信息并進行采集和分析，與飛行部門測算的理想下滑數據進行比較、計算，當航向或高度偏差不符合安全著陸要求時，設備按照三級不同的告警門限實時、自動發出不同的告警信號，提醒地面人員及時進行指揮引導，提升了雷達地面監視功能的智能化，可以有效減少或避免著陸階段的飛行事故[4]。航跡分析是將工控機接收的目標信號進行實時采集、記錄并繪制出飛機著陸時不同距離上的航向和高度曲線并進行相應誤差分析，將其偏離程度實時以圖表形式進行直觀展示，以作為飛機著陸階段日常飛行訓練的輔助分析手段，提高飛行訓練效率。航跡時錄是通過視頻光端機和視頻采集卡將雷達最后顯示的VGA信號進行引接和采集后，在工控機上實現雷達威力區內所有飛機的著陸狀態和實施引導過程的同步錄取，即可作為雷達臺站學員的操報訓練手段，又可作為飛機進近著陸階段飛行事故的調查依據。

2 航跡糾偏監控設備的硬件及人機交互設計

航跡糾偏監控設備的數據來源于某型雷達捕捉到的目標點跡及其位置信息，經光端機和光纖送至終端設備進行處理，通過開發航跡糾偏監控軟件對接收到的數據進行采集、顯示，實現航跡監控、航跡記錄和航跡分析等功能[5]。硬件部分主要包括定制工控機、串口光收發器一對、視頻光端機一對、光纖、串口分配器、視頻分配器、雷達視頻采集卡、音頻連接線及轉接頭等，其引接方式如圖1所示。串口光收發器和視頻光端機都支持最大傳輸距離為20 km，以保證該設備能夠安裝于營區內的任何位置，如果臺站需要安裝該設備，則無需使用光端機，可直接將信號引至工控機；串口分配器和視頻分配器建議選用單獨供電，以保證設備工作穩定；雷達視頻采集卡可選用通用型視頻采集卡，視頻采集軟件可根據需要利用其提供的SDK軟件開發包進行二次開發；工控機定制時需增加內置PCI-E擴展槽，用以安裝內置雷達視頻采集卡，其它配置無特殊要求，能正常運行一般軟件即可。

航跡糾偏監控設備人機交互界面的設計是在充分調研各機場雷達使用需求的基礎上，將距離分段和加權系數全部以可修改的方式呈現給用戶，以適應不同機型在不同機場執行不同任務時調整使用；為使門限約束盡量準確可靠，不同距離段的加權系數均可設置為百分比后的一位小數點；在監控結果顯示區域，跟蹤幾批目標就顯示幾批，最多顯示十批，并以不同顏色區分不同告警門限等級，在20 km以外只設置防止急墜門限，也就是門限三[6]。

在工控機上運行航跡糾偏監控軟件，主界面的操作菜單如圖2所示。主界面顯示的內容包括軟件名稱、著陸方向、主批次號、距離、高度及線路狀態。主界面包括量程切換、機型切換、門限設置、航跡分析和退出按鈕共5種按鍵，若處于工作狀態時，畫面會顯示目標位置和信息及主批次的批號、距離 、高度和線路通斷顯示情況。門限參數設置頁面包括，距離段設置，對應距離段下3種門限參數設置，每種門限設置又包括下滑門限和航向門限兩種設置。航跡繪制頁面包括，下滑航跡繪制、下滑航跡偏差繪制，航向航跡繪制、航向航跡偏差繪制。點擊航跡繪制按鈕，將選擇的航跡記錄文件進行繪制。

圖2 軟件人機交

雷達視頻采集軟件功能相對簡單，只涉及信號格式、視頻格式選擇和錄取存儲功能，這里采用視頻采集卡自帶軟件，經多次驗證，該軟件允許穩定可靠，操作方便，人機界面友好。

3 航跡糾偏監控軟件設計及開發

3.1 航跡糾偏監控軟件的總體設計

航跡糾偏監控軟件通過RS232串口接收點跡信息，將目標數據顯示在顯示界面上，對偏離目標航跡門限進行設置，并對已保存的航跡記錄數據進行輔助分析，將偏離程度以圖表形式進行展示。軟件總體設計如圖3所示。軟件主要包括初始化模塊、數據接收模塊、數據處理模塊和顯示模塊，其中航跡記錄保存和超出門限判斷功能隸屬數據處理模塊，航跡偏差繪制功能隸屬顯示模塊[7]。

圖3 航跡糾偏監控軟件總體設計

3.2 航跡糾偏監控軟件的流程圖

航跡糾偏監控軟件的流程如圖4所示。航跡糾偏軟件主要有初始化、待機和工作3種工作模式。啟動航跡糾偏軟件后，軟件完成初始化，進入主界面，根據串口通信狀態自動進行工作模式的選擇。待機模式下航跡糾偏軟件可控制量程切換、機型切換，用戶可以在操作界面進行門限設置，查看對應航跡記錄文件航跡繪制內容。工作模式下航跡糾偏軟件可進行串口通信處理，對串口通信內容進行監聽和解析，并對目標航跡進行記錄，對超門限情況進行告警提示[8]。

圖4 航跡糾偏監控軟件流程圖

3.3 航跡糾偏監控軟件的編碼實現

航跡糾偏監控軟件是在Windows環境下，采用Microsoft Visual Studio 10.0開發工具，用C#語言開發而成的[9]。

3.3.1 下滑或航向偏差計算

下滑偏差計算，根據串口傳送過來信息按協議對距離和高度進行解析，得到目標距離hx和目標實際高度hy，根據當前機型選擇按鈕顯示具體機型，畫面對應顯示機型下滑線，根據目標距離hx帶入對應理想下滑線的分段函數中，計算出理想高度，并用實際高度減去理想高度計算出下滑偏差即可[10]。

hx= ((dataR2[3] / 2) * 256 + dataR2[3] % 2 * 128 + dataR2[4]) * 40;//處理距離高字;

hy= (int)(Math.Tan(Math.PI / 180 * ((442 - ((dataR2[5] / 2) * 256 + dataR2[5] % 2 * 128 + dataR2[6])) / 45.4 - 0.02)) * (hx + dis1)) + dis3;//處理高度高字節

航向偏差計算，根據協議解析得到目標距離hx和目標航向畫面像素點縱坐標位置hy，根據雷達航向畫面0°線所在像素點位置為764，根據公式利用764減去縱坐標h得出差除以代表1度的像素點22.7，得出雷達航向角，利用公式將其轉為跑道航向角，即為距離跑道中心線的航向角偏差。

跑道航向角=Atan(((目標距離hx+后撤距離)*tan(雷達航向角)-跑道距離)/(目標距離hx+后撤距離) )

3.3.2 門限比對算法

該算法主要完成超出3個門限的亮燈警告，其中距離段分為0～10公里和10～20公里兩個距離段，距離值可進行自主定義，門限參數設置框中完成，其中textBox27.Text、textBox25.Text、textBox34.Text和textBox33.Text分別為4個距離輸入值來完成對這兩個距離段的限制，其中textBox29.Text、textBox42.Text、textBox45.Text為10～20 km距離段下滑畫面3個門限值，當目標距離處于10～20 km范圍內時，代碼將計算出來的下滑偏差值與這3個設置值進行比對，看下滑偏差值在設置的門限當中所處的是什么范圍，若未超出門限一則對應批次亮燈警告顯示為綠色，若超出門限一但未超出門限二顯示為黃色，若超出門限二且未超出門限三顯示為紫色，若超出門限三則顯示為紅色[11]。當目標距離處于0～10 km范圍內時，算法一致。

3.3.3 急墜判斷方法

該算法主要實現急墜判斷并作出報警音提示，hy值代表當前實際所處高度值，然后根據距離值hx和裝訂參數中此機型的理想下滑線計算出當前理想高度值，然后對理想高度值和實際所處高度值作差，計算出偏差值，用變量n[dataR2[2] - 1]標識，當距離大于20 km時，若偏差值n[dataR2[2] - 1]小于距離與比例系數(20 km以外的門限三系數)的乘積a*hx/100，則表示下墜值過大，對飛行造成威脅，則進行報警提示，textBox47.Text為20 km以外的門限三系數。

3.4 關鍵難點

3.4.1 門限告警實時響應

門限告警實時性不佳，一開始使用計時器原理進行門限告警功能設置，發現實時性無法得到保證，計時器時間太長容易延后，太短過于占CPU資源，后在串口響應函數中實時進行處理，問題解決。

3.4.2 航跡分析數據保存

航跡記錄保存時，數據保存問題，目的是將一批次同一批號航跡數據保存在一個TXT文件中，因保存數據的TXT文件名稱為批次號，文件名無法區分當批號相同下一批次航跡數據，容易將兩批次航跡數據保存在同一TXT文件中，后加更改當檢測到距離小于1 km時，默認著陸已完成，將TXT文件進行封裝保存，TXT文件名稱更改為批次號加當前系統時間(即著陸時間)，對下一批號進行區分。

航跡記錄保存時，若出現目標突然消失，當重新出現目標距離上一位置過遠時，數據連續性無法得到保障，航跡偏差也會繪制不完整，經考慮當同一批號連續位置距離大于2 km時，對已經保存的數據TXT文件名進行批次號加當前時間命名，對新數據重新建立TXT文件進行存儲。

航跡記錄保存時，若出現目標丟失，將當前批次號賦值給新目標，一般新目標距離值會大于丟失目標的距離，給用戶一種飛機突然“倒飛”的感覺，此時加上判斷若出現此種情況，則對前后數據進行分別存儲，以免有誤[12]。

3.4.3 三類告警門限設置

我們知道，飛機著陸階段，距跑道端越近要求越高，如果在所有的距離上采用一個門限進行監控，勢必會造成遠距離合適、近距離不合要求的情況，經多次實驗和論證，三類門限分別按距離分成三段進行限制，每一段用距離乘系數進行約束，類似于一個3×3的矩陣，從而實現遠距離和近距離按不同要求進行門限設置。

另外，門限過多，提示混亂，特別是多批次目標同時加入著陸航線時，出現告警信號無法區分是哪一批次，經多次實驗論證，在顯示畫面右邊采用不同顏色顯示當前批次的著陸狀態，綠色為正常，黃色為超門限一，紫色為超門限二，紅色為超門限三，同時超門限三時會發出告警音。

對于20 km以外的目標只設置一個急墜門限，無需進行門限一和門限二約束。

4 實驗結果及分析

經實際測試，航跡監控、航跡分析和航跡時錄功能均能達到要求，如圖5所示。圖5(a)為同時監控4批目標的顯示畫面，左邊顯示四批目標的著陸狀態，右邊顯示彩色方塊的區域即為四批目標超限的狀態，從圖中可以看出，第一批目標下滑門限一告警，航向正常；第二批目標下滑、航向均正常；第三批目標下滑正常，航向門限三告警，此時伴有聲音告警，需及時進行指揮引導；第四批目標下滑門限二告警，航向門限三告警，此時伴有聲音告警，需及時進行指揮引導。由此可見，要想獲知目標著陸狀態，只需關注告警區域的顏色和聲音即可，特別是聽到告警音時，一定要及時關注和引導。圖5(b)顯示的是某批目標的航跡分析曲線，上面兩張是下滑的著陸和誤差曲線，下面兩張是航向的著陸和誤差曲線。飛機批次可通過打開的文件號進行區分。

圖5 航跡糾偏監控軟件工作畫面

航跡糾偏監控設備經多次試驗和初步試用，能夠達到預期功能和效果，特別是對于多批次飛機同時加入著陸航線時，領航員能夠輕松兼顧到所有飛機的飛行狀態，提高了工作效率和地面監視功能的可靠性；航跡時錄因為存儲容量和功能的擴展，不僅可替代臺站時錄儀的功能，還能把飛機著陸的全過程進行復盤。

5 結束語

本文針對某型雷達完全依賴人工監視飛機著陸航跡的缺陷和航跡記錄功能受存儲卡容量限制無法正常使用的現狀，通過立足現有裝備實際需求，研制了飛機著陸航跡糾偏監控設備。該設備接收顯示分機發送的數據包并進行處理，對飛機著陸航跡按三類不同告警門限進行糾偏告警，告警門限的設置遵循“距離跑道越近，著陸要求越高”的原則，以距離分段乘不同的百分比系數來進行約束；可對著陸航跡進行輔助分析，將航跡偏差以圖表形式繪制，可供飛行員下次飛行時進行參考調整；考慮到航跡記錄內容的完整性和可參考性，采用視頻采集卡對雷達捕捉到的原始RGB視頻信號和指揮引導語音信號進行同步、實時采集，采集的視頻文件保存在計算機硬盤上，可供隨時復盤查看。

該項研究從提升某型雷達的實戰化保障能力出發，提出了利用雷達捕捉到的目標回波信號實現自動監控飛機著陸航跡，彌補了雷達設備完全依賴人工監視目標的缺陷，向雷達設備的智能化、自動化邁出了一大步，初步勾畫了未來著陸雷達設備的無人值守模式；提出了利用雷達設備捕捉的信號對飛機著陸階段的飛行訓練質量進行輔助分析，該輔助分析手段具有較高的實時性，飛機落地即可出分析結果，無須等待后期復盤；可同步錄取加入著陸航線的所有目標的航跡和指揮引導過程音視頻，并以預定文件名和格式存儲，方便隨時調用查看，可供學員操報訓練之用，同時為著陸階段飛行事故分析提供依據。

該設備突出雷達地面監視功能的智能化、著陸狀態和實施引導過程的可靠性、航跡信息輔助分析的實時性，突出裝備性能的深層挖掘，可在一定程度上預防和減少飛機著陸階段的飛行事故，是一項開創性的研究。該設備可安裝于指揮所、塔臺和雷達站等，適用于任何配備有某型精密進場雷達的機場，且無需增加機載設備，即可服務于所有機型，具有較好的推廣價值和應用前景。