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(guān)監(jiān)視（Automatic Dependent Surveillance-Broadcast，ADS-B）是一種新型的空域飛機監(jiān)視方式，一般由發(fā)射機和接收機組成。發(fā)射機安裝于飛機上，使用機載導(dǎo)航系統(tǒng)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(jīng)度緯度、高度、速度、航向等飛行動態(tài)信息。ADS-B地面接收站通過空地數(shù)據(jù)鏈路接收發(fā)射機的廣播信息，能實現(xiàn)地空監(jiān)視。其他飛機通過空空數(shù)據(jù)鏈路能接收ADS-B廣播信息，實現(xiàn)飛機間的空空監(jiān)視。ADB-S監(jiān)視具有投資成本低、監(jiān)視范圍廣、監(jiān)視精度高以及能夠?qū)崿F(xiàn)飛機間的空空監(jiān)視的優(yōu)勢[1]，可以實現(xiàn)地對空、空對空以及機場場面的一體化監(jiān)視，ADS-B最大的特點就是采用廣播式通信方式[2]。

本文設(shè)計的基于ADS-B引導(dǎo)的飛機起降跟蹤系統(tǒng)能夠以低成本的方式實現(xiàn)晝夜間起飛和降落高清視頻監(jiān)視以及輔助著陸引導(dǎo)。系統(tǒng)通過ADS-B接收機給出機場空域的飛機態(tài)勢，可手動或自動引導(dǎo)光電跟蹤系統(tǒng)對飛機目標進行捕獲、跟蹤以及起落架狀態(tài)識別。結(jié)合ADS-B接收機給出的經(jīng)緯度信息以及跟蹤系統(tǒng)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(tài)識別，給出預(yù)警信息，保障飛機起降過程安全。

2 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要由ADS-B接收機、光電指向器、驅(qū)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(wěn)定平臺，能夠?qū)崿F(xiàn)對飛機起降的晝夜圖像獲??；驅(qū)動控制單元含視頻跟蹤器、綜合控制器、視頻編碼器及數(shù)據(jù)接口單元，主要實現(xiàn)目標自動檢測，輸出目標相對于視場中心的偏差量，驅(qū)動伺服單元完成閉環(huán)跟蹤。顯控終端實現(xiàn)對圖像的實時顯示以及對光電指向器的操控[3]。系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

3 工作原理

視頻跟蹤系統(tǒng)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(tài)。將ADS-B系統(tǒng)與視頻跟蹤系統(tǒng)融合，利用ADS-B空域的監(jiān)控能力以及視頻跟蹤系統(tǒng)直觀的視頻圖像，能夠很好地對飛機起降段實現(xiàn)自動視頻跟蹤。ADS-B引導(dǎo)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(fā)送給起降跟蹤監(jiān)視系統(tǒng)，起降跟蹤監(jiān)視系統(tǒng)接收引導(dǎo)，調(diào)轉(zhuǎn)發(fā)現(xiàn)目標后自動捕獲目標并進行持續(xù)跟蹤，直至飛機遠離機場或者停止滑行。

圖2 ADS-B引導(dǎo)視頻跟蹤工作原理圖

基于ADS-B引導(dǎo)的視頻跟蹤系統(tǒng)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(shè)備分別兼顧起飛和下降段跟蹤監(jiān)視。在中小型機場，跑道利用不特別頻繁時，結(jié)合ADS-B引導(dǎo)數(shù)據(jù)，可以在塔臺頂部安裝1臺視頻跟蹤監(jiān)視系統(tǒng)，滿足起飛和降落段飛機跟蹤的要求。視頻跟蹤系統(tǒng)有兩種工作方式：一是預(yù)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(jié)束后釋放回到預(yù)置位等待；二是接收ADS-B引導(dǎo)數(shù)據(jù)捕獲飛機，視頻跟蹤分系統(tǒng)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(jié)束。

4 主要功能及主要技術(shù)指標

基于ADS-B引導(dǎo)的視頻跟蹤系統(tǒng)具有圖形化的航空活動監(jiān)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(shù)據(jù)與ADS-B數(shù)據(jù)融合功能、起落架狀態(tài)報警功能、實時視頻的錄像、截圖、回放功能以及系統(tǒng)故障檢測反饋功能[4]。ADS-B接收機的主要技術(shù)指標如表1所示。

表1 ADS-B接收機的主要技術(shù)指標

視頻跟蹤系統(tǒng)的技術(shù)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(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)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(dǎo)的視頻跟蹤關(guān)鍵技術(shù)

基于ADS-B引導(dǎo)的關(guān)鍵技術(shù)主要有兩個，一是要能夠?qū)⒛繕艘龑?dǎo)到視頻圖像視場中，二是將目標引導(dǎo)到視場中間后視頻跟蹤系統(tǒng)要能夠迅速對目標進行捕獲進而穩(wěn)定跟蹤。將目標引導(dǎo)到視場中間的關(guān)鍵點在于視頻跟蹤系統(tǒng)與ADS-B系統(tǒng)在時間及空間上要能夠統(tǒng)一，時空統(tǒng)一之后，經(jīng)過誤差校正，一般情況下能夠?qū)⒛繕艘龑?dǎo)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(wěn)定跟蹤包含兩個方面，一是視頻跟蹤器能夠?qū)?fù)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(tǒng)能夠?qū)Ω櫰鬏敵龅哪繕似羁焖夙憫?yīng)，使目標處于視場中心?？刹捎眠吘壐櫡绞浇Y(jié)合基于前饋的大跟蹤角速率控制技術(shù)滿足對復(fù)雜背景下高速目標的穩(wěn)定跟蹤要求。

5.1 時間及空間統(tǒng)一

5.1.1 空間統(tǒng)一

通過分析ADS-B接收數(shù)據(jù)可知，ADS-B探測到的目標位置是以空間坐標系經(jīng)緯高輸出的，而視頻跟蹤系統(tǒng)一般使用以轉(zhuǎn)臺為原點的極坐標系。為正確接收ADS-B引導(dǎo)，首先需要有高精度差分GPS獲得視頻跟蹤系統(tǒng)安裝位置經(jīng)緯高坐標。接收到ADS-B發(fā)出的目標經(jīng)緯高數(shù)據(jù)之后，需要目標將經(jīng)緯高轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)臺的方位、俯仰以及距離數(shù)據(jù)，完成視頻跟蹤系統(tǒng)調(diào)轉(zhuǎn)以及焦距、聚焦設(shè)定?？捎弥苯亲鴺讼捣ㄍ瓿山?jīng)緯高坐標到方位、俯仰以及距離的計算。

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

求出目標與光電設(shè)備在直角坐標系下的數(shù)據(jù)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(tǒng)的方位、俯仰、距離（A、E、L）。

5.1.2 時間統(tǒng)一

一般航空器飛行速度較快，為使視頻跟蹤系統(tǒng)接收到目標引導(dǎo)數(shù)據(jù)調(diào)舷后能夠發(fā)現(xiàn)目標，需將視頻跟蹤系統(tǒng)與ADS-B發(fā)出數(shù)據(jù)進行時間對準。ADS-B發(fā)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(shù)據(jù)頻率一般為2 Hz。視頻跟蹤系統(tǒng)可接收差分GPS時間，將系統(tǒng)數(shù)據(jù)時間統(tǒng)一為GPS時間。通過解析ADS-B報文數(shù)據(jù)中的時間戳信息，將視頻跟蹤系統(tǒng)與ADS-B接收器進行時間對準。ADS-B數(shù)據(jù)傳輸延時為2 ms，視頻跟蹤系統(tǒng)時間周期為20 ms，所以將視頻跟蹤系統(tǒng)與ADS-B時間統(tǒng)一后，可正確接受引導(dǎo)，及時發(fā)現(xiàn)目標。

5.2 機場起降視頻跟蹤關(guān)鍵技術(shù)

5.2.1 高速目標穩(wěn)定跟蹤技術(shù)

對于高速運動目標，傳統(tǒng)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(tǒng)通過ADS-B解算飛機運動軌跡，得到飛機相對轉(zhuǎn)臺的速度及加速度等信息，將其引入伺服系統(tǒng)跟蹤控制環(huán)路，通過前饋補償，實現(xiàn)轉(zhuǎn)臺瞄準線對飛機的高精度跟蹤[3-4]。伺服控制系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 伺服控制系統(tǒng)框圖

根據(jù)自動控制原理，令系統(tǒng)跟蹤動態(tài)軌跡時，系統(tǒng)動態(tài)誤差可表示為：

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

傳統(tǒng)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(dǎo)致跟蹤誤差較大。為了解決這個問題，本系統(tǒng)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(xiàn)對飛機運動軌跡的高精度跟蹤。前饋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 前饋控制系統(tǒng)簡圖

當前饋控制器表達式如下時，滿足系統(tǒng)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?yún)⒖夹盘柕母麟A導(dǎo)數(shù)信息。在本系統(tǒng)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(guān)跟蹤算法及模板更新策略

5.2.2.1 歸一化互相關(guān)跟蹤算法

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

歸一化互相關(guān)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(guān)值來確定匹配程度，其定義如下：

式中：T(m,n)為模板圖像，F(xiàn)(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(guān)系數(shù)滿足0≤N(i,j)≤1，取最大值1時最相似，相關(guān)系數(shù)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(fù)雜背景，且不受光照變化影響，缺點是圖像中自相關(guān)值都比較大，計算出的互相關(guān)系數(shù)會出現(xiàn)以真實位置為中心的平緩的峰，容易出現(xiàn)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(guān)性集中在輪廓信息的相關(guān)性上，提高目標位置定位的精度。

5.2.2.2 基于比例加權(quán)系數(shù)的模板更新策略

從相關(guān)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(tài)不可避免地發(fā)生著變化，對模板的合理更新是相關(guān)跟蹤的關(guān)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(guān)系數(shù)NMAX值較大，說明圖像相似度比較高，模板頻繁更新會產(chǎn)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(zhì)量較差，相關(guān)系數(shù)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(dǎo)致跟蹤失敗。因此，根據(jù)實驗獲得的經(jīng)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(quán)更新得到新模板，比例值由相關(guān)系數(shù)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(guān)系數(shù)確定的加權(quán)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(jié) 語

本文描述了ADS-B數(shù)據(jù)引導(dǎo)飛機起降視頻跟蹤系統(tǒng)的組成、工作原理、關(guān)鍵技術(shù)指標以及此類系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，詳細敘述通過前饋補償實現(xiàn)轉(zhuǎn)臺瞄準線對飛機的高精度跟蹤以及歸一化互相關(guān)跟蹤算法和基于加權(quán)的模板匹配方法。經(jīng)過國內(nèi)某機場實際使用，采用該相關(guān)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對飛機起降全過程的穩(wěn)定跟蹤，能夠?qū)崿F(xiàn)飛機起降跟蹤監(jiān)視功能以及輔助著陸引導(dǎo)功能。