李喜龍+范海震+李強(qiáng)

摘 要 針對現(xiàn)階段機(jī)場目視助航系統(tǒng)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(tǒng)采用雷達(dá)引導(dǎo)、光電精確目標(biāo)提取和高精度光學(xué)指示技術(shù)，為進(jìn)近中的飛機(jī)提供高精度下滑坡度指示和方位指示；與現(xiàn)行的進(jìn)近助航燈光系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)具有智能化，航道指示精度高，引導(dǎo)距離遠(yuǎn)，氣象適應(yīng)性更好，使用布置簡單等諸多優(yōu)點(diǎn)，具有很高的工程應(yīng)用價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】目視助航設(shè)備 精密進(jìn)近航道指示 圖像提取 雷達(dá)引導(dǎo)

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

在目視飛行中，駕駛飛機(jī)最困難的工作是在飛機(jī)進(jìn)近、著陸時(shí)，建立和保持與跑道的動態(tài)三維相對角度關(guān)系（主要是下滑角和航向角）。飛機(jī)的進(jìn)近速度很高、進(jìn)近時(shí)間越來越短，且氣象環(huán)境復(fù)雜，在沒有目視助航系統(tǒng)的幫助的情況下飛機(jī)既要保持準(zhǔn)確的進(jìn)近方向又要保持準(zhǔn)確的進(jìn)近坡度就變得更加困難。

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

1 助航系統(tǒng)構(gòu)建

1.1 助航系統(tǒng)模型建立

系統(tǒng)放置在飛機(jī)下滑面與跑道面交線上，位于跑道一側(cè)的固定位置。系統(tǒng)模型示意如圖1所示。

飛機(jī)進(jìn)場后，距離跑道入口約10km，此時(shí)，飛行員通過目視無法看到跑道入口，系統(tǒng)通過引導(dǎo)雷達(dá)來搜索飛機(jī)并獲取飛機(jī)位置信息，之后再通過光電跟蹤儀完成飛機(jī)眼位的精確提取和跟蹤，此時(shí)，航道指示器發(fā)射的指示光束覆蓋飛機(jī)眼位，飛行員可根據(jù)航道光束信息提示調(diào)整飛機(jī)航向和姿態(tài)，對準(zhǔn)下滑通道安全進(jìn)近，直到飛行員可觀察到跑道入口。

1.2 系統(tǒng)基本流程

助航系統(tǒng)主要包括引導(dǎo)雷達(dá)、光電跟蹤儀、航道指示器、精密伺服設(shè)備和數(shù)據(jù)融合控制單元。引導(dǎo)雷達(dá)、光電跟蹤器和航道指示器均安裝在伺服轉(zhuǎn)臺上，并將零位調(diào)校一致，光電跟蹤儀包括紅外成像和可見光數(shù)字成像兩種工作模式，在常規(guī)氣象條件下可采用高清可見光數(shù)字成像系統(tǒng)，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(tǒng)總體數(shù)據(jù)流程如圖2所示。

2 目標(biāo)搜索和跟蹤

為了輔助著陸助航系統(tǒng)盡可能的全天候、全天時(shí)有效地工作，將進(jìn)場引導(dǎo)雷達(dá)與光電跟蹤儀配合使用，引導(dǎo)雷達(dá)波束較寬，具有很強(qiáng)的空域搜索能力，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)進(jìn)場飛機(jī)，而光電傳感器測量精度比引導(dǎo)雷達(dá)高，但目標(biāo)搜索能力較弱，故系統(tǒng)采用雷達(dá)引導(dǎo)光電傳感器的這一基本協(xié)調(diào)方式。雷達(dá)引導(dǎo)光電跟蹤儀是指通過雷達(dá)鎖定目標(biāo)并引導(dǎo)光電跟蹤儀伺服轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動指向向目標(biāo)，通過雷達(dá)觀測數(shù)據(jù)與光電跟蹤儀探測數(shù)據(jù)融合，獲取飛機(jī)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(jī)下滑航線偏差信息。

2.1 雷達(dá)引導(dǎo)

進(jìn)場引導(dǎo)雷達(dá)，將飛機(jī)引導(dǎo)到機(jī)場和最后的下滑航線上。進(jìn)場監(jiān)視雷達(dá)的天線不停地旋轉(zhuǎn)掃描，發(fā)送一串超高頻無線電波，無線電波碰觸到目標(biāo)反射回來，并在雷達(dá)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(xiàn)為一些小的亮點(diǎn)；飛行中的飛機(jī)的反射波表現(xiàn)為一條變?nèi)醯墓廑E，借以辨明飛行方向，精密進(jìn)場雷達(dá)測量飛機(jī)目標(biāo)距離和方位角度信息。

相應(yīng)的，光學(xué)跟蹤儀器協(xié)同低空進(jìn)場雷達(dá)，或?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)監(jiān)視接力，與進(jìn)場雷達(dá)的信息實(shí)現(xiàn)多源融合，從而更好的掌握各類低空航空器的飛行動態(tài)，保障低空空域暢通有序?？偠灾涂绽走_(dá)與光學(xué)跟蹤儀器融合有利于實(shí)現(xiàn)資源共享、功能互補(bǔ)，提升空中管制與低空監(jiān)視的綜合效能，如圖3所示。

光電跟蹤儀和引導(dǎo)雷達(dá)協(xié)同工作，只有目標(biāo)進(jìn)入其作用距離范圍內(nèi)，設(shè)備才能檢測到目標(biāo)并實(shí)施跟蹤，光學(xué)跟蹤儀器需要引導(dǎo)雷達(dá)作為目標(biāo)指示設(shè)備加以引導(dǎo)，這樣才可以對目標(biāo)的快速精確捕捉和跟蹤。引導(dǎo)光學(xué)跟蹤儀器伺服轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)向雷達(dá)顯示界面上被選中感興趣的目標(biāo)位置，以便觀察人員通過光學(xué)跟蹤儀器進(jìn)行進(jìn)一步的細(xì)節(jié)分析和判斷。在雷達(dá)顯示界面上移動雷達(dá)光標(biāo)至選中目標(biāo)，通過網(wǎng)絡(luò)或串口把雷達(dá)的距離方位和高度數(shù)據(jù)傳送給光學(xué)跟蹤儀器，計(jì)算出伺服轉(zhuǎn)臺所對應(yīng)的角度，將伺服轉(zhuǎn)臺引導(dǎo)到指定位置對應(yīng)的伺服轉(zhuǎn)臺角度，引導(dǎo)伺服轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)向指定位置。

2.2 機(jī)頭眼位的精確提取和跟蹤

由于搜索雷達(dá)的有效搜索高度有限，且目標(biāo)被搜索雷達(dá)發(fā)現(xiàn)時(shí)距離較遠(yuǎn)，目標(biāo)的高低角和方位角變化緩慢，這為光電跟蹤儀在小范圍內(nèi)移動光學(xué)鏡頭搜索目標(biāo)提供了前提條件。由上可知，濾波器的運(yùn)算需要一定的時(shí)間成本，而在這段時(shí)間內(nèi)，高度估計(jì)值的精度往往不足以用來引導(dǎo)光電跟蹤儀，如果變光電跟蹤儀的被動跟蹤為依據(jù)某一策略的主動搜索，則有可能提前捕捉到目標(biāo)。

目標(biāo)局部特征提取是關(guān)鍵點(diǎn)，對應(yīng)迎頭進(jìn)近飛行的飛機(jī)來說，目標(biāo)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(zhǔn)確的飛機(jī)眼位位置目標(biāo)點(diǎn)的圖像像素位置坐標(biāo)（如圖4所示），進(jìn)而完成眼位的提取和跟蹤，詳細(xì)流程如下圖5所示。

光學(xué)跟蹤儀僅能輸出目標(biāo)的高低角、方位角信息，目標(biāo)距離是缺失的。引導(dǎo)雷達(dá)觀測誤差較大，只能給出目標(biāo)的大致位置。為確定精確的目標(biāo)位置，光學(xué)跟蹤儀和引導(dǎo)雷達(dá)布置在同一承載小車上，目標(biāo)指引數(shù)據(jù)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(biāo)沿下滑道進(jìn)近飛行的假設(shè)前提的，對目標(biāo)通場、過頂?shù)绕渌w行情形不予考慮。

3 下滑道指示

3.1 下滑指示器

當(dāng)光電跟蹤系統(tǒng)精確跟蹤飛機(jī)眼位后，即可通過下滑道指示器發(fā)射指示光束，引導(dǎo)飛機(jī)目視進(jìn)近下滑。下滑指示器由光學(xué)控制系統(tǒng)、光源組件、合光器件和光學(xué)系統(tǒng)組成。

半導(dǎo)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(tǒng)的能量利用效率，降低機(jī)場能耗，具有良好的發(fā)展前景和廣闊的市場空間；本系統(tǒng)采用多個(gè)LD集成的方式將單個(gè)小功率光源耦合進(jìn)單根光纖，在通過后端光學(xué)系統(tǒng)將出光角度壓縮至合適的數(shù)值，既要滿足光束指示強(qiáng)度和一定穿透霧霾的要求，還要滿足對飛機(jī)目標(biāo)跟蹤時(shí)，飛行員眼睛能夠持續(xù)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(jī)眼位位置）；通過計(jì)算分析可得光學(xué)系統(tǒng)最終出光角度范圍約為10ˊ，如圖6所示。

從理論上說，一個(gè)燈具的光學(xué)系統(tǒng)，它發(fā)出的光在任何一條確定的進(jìn)近路線和任何一個(gè)給定的大氣環(huán)境條件下，光束的強(qiáng)度是恒定的；但隨著飛機(jī)的進(jìn)近，飛機(jī)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(qiáng)，為了使飛行員觀察指示效果舒適，指示燈光的強(qiáng)度要隨飛機(jī)進(jìn)近距離做適當(dāng)調(diào)整。光強(qiáng)調(diào)節(jié)等級可通過光學(xué)控制單元根據(jù)實(shí)際使用情況來確定，一般可根據(jù)雷達(dá)距離數(shù)據(jù)，飛機(jī)每進(jìn)近200m～400m調(diào)節(jié)一次，調(diào)節(jié)刻度跨度亦不能太大，避免造成飛行員眼睛的不適。

光學(xué)控制單元通過分析伺服測量飛機(jī)的角度和引導(dǎo)雷達(dá)測量的飛機(jī)距離信息，確定飛機(jī)相對于下滑道的位置，從而控制光源組件，發(fā)出指定顏色、強(qiáng)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(guī)的目視下滑坡度進(jìn)近指示系統(tǒng)（PAPI）不同，PAPI系統(tǒng)是通過固定安裝的幾個(gè)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(biāo)的相對于下滑道的偏差俯仰和方位角度，進(jìn)而提供事先規(guī)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(cè)的兩燈與黃色最外層兩燈有閃爍效果，提示飛行員下滑側(cè)偏較大；根據(jù)飛行員的視覺習(xí)慣及航空標(biāo)準(zhǔn)，光束閃爍速率在50～120次/分鐘范圍內(nèi)可調(diào)?？傮w覆蓋角度可在較大范圍內(nèi)（大于30°）進(jìn)行靈活調(diào)節(jié)，一般配置在在1°～5°的范圍即可，中間穩(wěn)定綠色光束可按PAPI燈的下滑指示標(biāo)準(zhǔn)來確定，一般不大于0.5°。

對于橫向指示，左邊紅色最外側(cè)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(cè)偏較大；根據(jù)飛行員的視覺習(xí)慣及航空標(biāo)準(zhǔn)，光束閃爍速率在50～120次/分鐘范圍內(nèi)可調(diào)。總體覆蓋角度也可進(jìn)行靈活調(diào)節(jié)，橫向偏差角度范圍較大，可配置為20°，中間穩(wěn)定綠色光束可按跑道寬度與飛機(jī)寬度尺寸來確定。

4 指示精度分析

系統(tǒng)引導(dǎo)機(jī)理是向飛行員提供反映飛機(jī)當(dāng)前高低和方位的偏差量和糾偏速率的光學(xué)指示信號，指導(dǎo)飛行員進(jìn)行對中操縱。系統(tǒng)的引導(dǎo)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(biāo)提取和跟蹤精度決定。

目前較常用的光電探測系統(tǒng)精度均可滿足使用要求，總體跟蹤精度與后端光學(xué)下滑道指示系統(tǒng)精度相配合的，下滑道指示燈的發(fā)散角度要遠(yuǎn)大于總體的跟蹤精度，以滿足光電跟蹤系統(tǒng)跟蹤飛機(jī)眼位的同時(shí)，飛行員能夠觀察到下滑指示光束，但發(fā)散角度易不能做得太大，若角度大對于光學(xué)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(shí)，光束能夠覆蓋到飛機(jī)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(shí)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(biāo)跟蹤系統(tǒng)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(tǒng)口徑則在160mm左右，所以，離軸距約為130mm。此距離相對于引導(dǎo)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(jī)引導(dǎo)下滑效果的影響可忽略。

從上述分析可以看出，系統(tǒng)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(tǒng)總體引導(dǎo)效果還需要實(shí)際飛行試驗(yàn)驗(yàn)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(guī)劃等。

5 總結(jié)

本文給出了一種新的飛機(jī)進(jìn)近對準(zhǔn)下滑道的解決方法，適用于各類飛機(jī)的目視進(jìn)近著陸引導(dǎo)；該指示方法使飛行員對進(jìn)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(jī)進(jìn)近著陸的安全。系統(tǒng)設(shè)備耗能低、成本低廉，使用簡單，引導(dǎo)和指示精度高，使用后可回收，系統(tǒng)氣象和場景適應(yīng)能力強(qiáng)，適用于各級軍民用機(jī)場，具有廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1]張兆陽，趙金，李志斌.LED助航燈的光強(qiáng)控制系統(tǒng)[J].武漢：華中科技大學(xué)，2012.

[2]薛海中.飛機(jī)著艦引導(dǎo)及監(jiān)視系統(tǒng)技術(shù)[M].鄭州：河南科學(xué)技術(shù)出版社，2009.

[3]郝靜如.LED用于機(jī)場道路指示系統(tǒng)的研究[D].上海：復(fù)旦大學(xué)，2012.

[4]蔣先進(jìn).微光與夜視[M].北京：國防工業(yè)出版社，1984.

[5]GB 7256.1-87民用機(jī)場燈具技術(shù)條件通用要求[S].

[6]國際民用航空組織.機(jī)場設(shè)計(jì)手冊：第四部分目視助航設(shè)備[K]，2004.

[7]耿明志.無人機(jī)自動著陸過程中的視覺導(dǎo)航技術(shù)研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文，2007：18-19.

[8]張劍鋒，劉秉華，賈彩娟.無人機(jī)的自動著陸控制[J].控制理論與應(yīng)用，2009，26（12）.