王永慶， 代傳金， 趙修斌， 許云達， 金子岳

1.空軍工程大學(xué) 信息與導(dǎo)航學(xué)院， 西安 710077 2.空軍大連通信士官學(xué)校， 大連 116600

PAR輔助光電設(shè)備的飛機著陸監(jiān)測與評估系統(tǒng)設(shè)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(xué) 信息與導(dǎo)航學(xué)院， 西安 710077 2.空軍大連通信士官學(xué)校， 大連 116600

針對數(shù)據(jù)鏈在著陸階段存在盲區(qū)和塔臺無法獲得著陸飛機實時姿態(tài)、接地參數(shù)等問題，提出利用多功能光電跟蹤技術(shù)建立飛機著陸實時監(jiān)測與評估系統(tǒng)，設(shè)計出飛機著陸監(jiān)測與評估系統(tǒng)的技術(shù)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(shè)備視場，采用精密進場雷達(PAR)牽引光電轉(zhuǎn)臺對準即將著陸飛機的方式，輔助光電設(shè)備捕獲目標飛機，再經(jīng)過圖像檢測算法處理，檢測出目標飛機，進而轉(zhuǎn)入跟蹤鎖定，計算出最終下降階段目標飛機的姿態(tài)和偏航信息。詳細闡述了該系統(tǒng)的PAR初始化光電設(shè)備的方法、步驟。該系統(tǒng)在飛機下降階段輔助塔臺指揮，實現(xiàn)整個著陸過程的監(jiān)視與評估，滿足未來作戰(zhàn)飛機精密進近引導(dǎo)的著陸保障和訓(xùn)練要求，具有很高的實用價值。

精密進場雷達； 光電設(shè)備； 著陸監(jiān)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(tǒng)計顯示，飛行事故中50%以上發(fā)生在該階段，為了減少這種飛行事故的發(fā)生，塔臺需要實時掌握著陸飛機的姿態(tài)、偏離下滑線位置、起落架釋放等多項數(shù)據(jù)，并依據(jù)這些數(shù)據(jù)給出復(fù)飛和降落指令。在著陸階段，儀表著陸系統(tǒng)[1](Instrument Landing System,ILS)可以引導(dǎo)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(shù)據(jù)鏈覆蓋存在盲區(qū)[2]，近年來依靠衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)快速發(fā)展的廣播式自動相關(guān)監(jiān)視[3-4](Automatic Dependent Surveillance Broadcast，ADS-B)實現(xiàn)了對無雷達覆蓋區(qū)飛機的監(jiān)視，但仍然未計算出飛機偏離下滑道的相關(guān)信息，未實現(xiàn)飛機著陸階段的視頻監(jiān)視。目前，塔臺僅能夠依據(jù)精密進場雷達(Precision Approach Radar，PAR)獲得飛機偏離下滑線位置數(shù)據(jù)[5]，依靠望遠鏡判讀起落架釋放情況。而PAR的引導(dǎo)等級為I類，在最后著陸的關(guān)鍵階段引導(dǎo)精度非常有限，數(shù)據(jù)可信度大大下降，因此，塔臺在飛機著陸關(guān)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(fā)現(xiàn)自己駕駛技術(shù)存在的缺陷，僅依據(jù)自己的習(xí)慣完成著陸過程，在接地迎角、接地速度等參數(shù)調(diào)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(shù)構(gòu)建飛機著陸實時監(jiān)測系統(tǒng)，依據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)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(shè)備視場[6-7]。

本文采用PAR牽引光電轉(zhuǎn)臺對準即將著陸飛機的方式，輔助光電設(shè)備捕獲目標飛機，再經(jīng)過圖像檢測算法處理，檢測出飛機目標，繼而轉(zhuǎn)入跟蹤鎖定，計算出最終下降階段目標飛機的姿態(tài)和偏航信息。在文獻[8]中，使用預(yù)警雷達引導(dǎo)光學(xué)跟蹤儀實現(xiàn)低空目標監(jiān)視，算法設(shè)計比較優(yōu)，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(jiān)視與指揮。在文獻[9]中，使用ADS-B與雷達組合監(jiān)視，也未研究著陸階段的應(yīng)用。本文研究的內(nèi)容已經(jīng)在國內(nèi)機場通過了飛行驗證，PAR與光電視頻跟蹤平臺的有效結(jié)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(tǒng)組成原理

1.1 設(shè)備整體布局

系統(tǒng)主要由PAR監(jiān)測單元、多功能高精度光電跟蹤分系統(tǒng)、接地參數(shù)檢測分系統(tǒng)和智能處理控制分系統(tǒng)4個部分組成。PAR監(jiān)測單元包括數(shù)據(jù)采集平臺、調(diào)制解調(diào)器，主要是實現(xiàn)PAR目標探測與情報數(shù)據(jù)處理，并通過調(diào)制解調(diào)器發(fā)送至智能處理控制分系統(tǒng)中的初始光電控制平臺，輔助光電設(shè)備捕獲即將著陸飛機。

多功能高精度光電跟蹤分系統(tǒng)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(xù)精確變焦鏡頭、跟蹤儀以及高精、高穩(wěn)定度伺服轉(zhuǎn)臺組成，最大限度提升光電設(shè)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(tǒng)，在近距離和能見度高的情況下，采用可見光探測系統(tǒng)，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(xiàn)光電設(shè)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(wěn)定跟蹤，在風(fēng)吹、震動等擾動條件下通過穩(wěn)定轉(zhuǎn)臺可保持畫面穩(wěn)定，再將數(shù)據(jù)送至智能處理控制分系統(tǒng)，在監(jiān)視畫面中給出目標飛機的姿態(tài)和偏航數(shù)據(jù)，依據(jù)理想下滑線信息給出文字和語音告警。

接地參數(shù)檢測分系統(tǒng)由高清、高幀率攝像機和視頻拼接、編碼及預(yù)處理設(shè)備等部分組成，采用多個畫面拼接技術(shù)覆蓋整個著陸區(qū)域，實現(xiàn)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(shù)。

智能處理控制分系統(tǒng)是整個系統(tǒng)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(wù)器、調(diào)制解調(diào)器和網(wǎng)關(guān)組成，實現(xiàn)探測數(shù)據(jù)處理、光電轉(zhuǎn)臺控制和監(jiān)視畫面采集與記錄、顯示等功能。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

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

1.2 PAR監(jiān)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(qū)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(shù)據(jù)與下滑數(shù)據(jù)分別在PAR顯示畫面中顯示[5]。同時，利用加裝的數(shù)據(jù)采集平臺采集航向和下滑數(shù)據(jù)，通過調(diào)制解調(diào)器連接光纖網(wǎng)傳送至智能處理控制分系統(tǒng)中的監(jiān)控終端，同時，通過RS-232接口將PAR探測情報送至服務(wù)器，在軟件內(nèi)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(shù)據(jù)[10]。

2 PAR初始化光電跟蹤平臺控制

由于光電設(shè)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(zhuǎn)臺初始化探測視場，保證目標飛機可靠的進入光電設(shè)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(jù)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(dāng)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(dāng)前到來情報是下滑情報，則在緩存中查找航向情報。當(dāng)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(nèi)符合合批準則的雷達情報時，合不成一個目標，則將當(dāng)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(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換至光電跟蹤平臺坐標系統(tǒng)中，初始化光電設(shè)備視場，牽引光電轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)向。同時，為了避免著陸飛機與落地飛機批號的重復(fù)使用，設(shè)置一定的刷新時間，在刷新時間內(nèi)即將著陸目標飛機數(shù)據(jù)不發(fā)生改變， 則需要對此批號進行消除。

2.2 坐標統(tǒng)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(shù)據(jù)，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(cè)為正值，右側(cè)為負值。而光電設(shè)備探測目標飛機數(shù)據(jù)是以光電轉(zhuǎn)臺為坐標原點的坐標系，水平面內(nèi)可以進行0°～360°轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向的問題，所以必須將PAR探測即將著陸的目標位置統(tǒng)一到光電跟蹤平臺坐標系下，才能實現(xiàn)初始化轉(zhuǎn)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(zhuǎn)臺中心的經(jīng)度、緯度和高度，依據(jù)坐標轉(zhuǎn)換公式可得光電設(shè)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(jù)式(1)將東北天的坐標旋轉(zhuǎn)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(gòu)成右手系。

(1)

步驟3將PAR探測即將著陸目標飛機數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到PAR跑道坐標系；由PAR探測目標情報數(shù)據(jù)及跑道坐標定義可知，當(dāng)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(dāng)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(guān)，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(zhuǎn)換到光電轉(zhuǎn)臺的跑道坐標系；光電轉(zhuǎn)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(zhuǎn)臺，且光電轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動角度沒有負值，若經(jīng)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(zhuǎn)臺跑道坐標系的位置數(shù)據(jù)送給光電轉(zhuǎn)臺的控制模塊，使光電設(shè)備的視場對準目標飛機，實現(xiàn)對光電設(shè)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(tǒng)設(shè)計

由于PAR的距離引導(dǎo)精度有限，且無法得到目標飛機著陸的姿態(tài)信息，為滿足塔臺指揮需求，提出利用多功能光電跟蹤技術(shù)構(gòu)建飛機著陸實時監(jiān)測系統(tǒng)，依據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)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(tǒng)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(zhuǎn)臺跟蹤飛機；降落時通過PAR初始化光電轉(zhuǎn)臺，由PAR牽引的伺服轉(zhuǎn)臺捕獲目標飛機畫面，當(dāng)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(guān)鍵設(shè)備，能夠輸出目標位置、姿態(tài)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)在工作窗口內(nèi)對目標實時自動捕獲，將捕獲數(shù)據(jù)送計算機作為跟蹤窗口的形成參數(shù)，得到目標飛機下降的姿態(tài)、位置及偏航信息，依據(jù)監(jiān)測到的這些數(shù)據(jù)向塔臺指揮人員提供文字和語音告警，同時記錄與存儲監(jiān)測數(shù)據(jù)和視頻。

4 接地檢測分系統(tǒng)

為了檢測目標飛機接地情況，設(shè)計接地數(shù)據(jù)檢測分系統(tǒng)[17]。利用接地檢測分系統(tǒng)和多功能高精度光電分系統(tǒng)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(shù)。

多功能高精度光電跟蹤分系統(tǒng)在安裝時對跑道位置進行定量標定，當(dāng)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(tǒng)攝像機捕獲目標飛機情況，就可判斷飛機是否接地。該系統(tǒng)采用在跑道一側(cè)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(dāng)飛機降落時通過圖像分析軟件，利用多個畫面拼接技術(shù)覆蓋整個著陸區(qū)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(tǒng)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(tǒng)高清攝像機安裝及參數(shù)測量示意圖Fig.4 Grounding detection subsystem high definition cameras installation and parameter measurement diagrammatic sketch

當(dāng)判斷出飛機接地時，獲取接地檢測分系統(tǒng)攝像機的圖像，對圖像中出現(xiàn)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(shù)就可得到飛機的接地速度。當(dāng)獲取了飛機的接地參數(shù)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(shù)，克服習(xí)慣性錯誤。

將接地檢測分系統(tǒng)獲得的接地數(shù)據(jù)、光電設(shè)備探測得到的飛機進入下滑道后的數(shù)據(jù)，以及記錄的各類視頻數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡(luò)送至智能處理控制分系統(tǒng)，在該分系統(tǒng)依據(jù)理想航線數(shù)據(jù)和飛行訓(xùn)練大綱，判決目標飛機的實時狀態(tài)是否滿足要求，并輸出告警信息，在智能處理控制分系統(tǒng)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(shù)據(jù)和光電跟蹤數(shù)據(jù)進行有效融合[18-20]，在二三維地理信息系統(tǒng)(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(shù)據(jù)建立著陸評估數(shù)據(jù)庫，根據(jù)飛行大綱設(shè)置評估標準，將系統(tǒng)檢測數(shù)據(jù)與評估標準相比較，按照不同的權(quán)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(tǒng)計和分析的功能，并可生成當(dāng)天的飛行講評報告。

在統(tǒng)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(xùn)練部門及時、全面、客觀地掌握本單位的飛行訓(xùn)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(jié) 論

設(shè)計的飛機著陸監(jiān)測與評估系統(tǒng)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(shù)。

1) 可實現(xiàn)進近著陸飛機的監(jiān)視與指揮，滿足未來作戰(zhàn)飛機精密進近引導(dǎo)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(xí)慣。

3) 可進行信息分發(fā)，各級指揮所可獲得此信息。

4) 可促進指揮模式和訓(xùn)練模式的轉(zhuǎn)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(wǎng)絡(luò)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(xué)基金 (61273049，61473308)

*

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

王永慶， 代傳金， 趙修斌， 等．PAR輔助光電設(shè)備的飛機著陸監(jiān)測與評估系統(tǒng)設(shè)計J． 航空學(xué)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(dǎo)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(dǎo)航。Tel.: 029-84791513E-mail: dcjdai@163.com

趙修斌男， 博士， 教授， 博士生導(dǎo)師。主要研究方向： 軍用無線電導(dǎo)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(dǎo)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