PAR辅助光电设备的飞机着陆监测与评估系统设计
2016-11-18王永庆代传金赵修斌许云达金子岳
王永庆， 代传金， 赵修斌， 许云达， 金子岳
1.空军工程大学 信息与导航学院， 西安 710077 2.空军大连通信士官学校， 大连 116600
PAR辅助光电设备的飞机着陆监测与评估系统设计
王永庆1,*， 代传金1， 赵修斌1， 许云达2， 金子岳2
1.空军工程大学 信息与导航学院， 西安 710077 2.空军大连通信士官学校， 大连 116600
针对数据链在着陆阶段存在盲区和塔台无法获得着陆飞机实时姿态、接地参数等问题，提出利用多功能光电跟踪技术建立飞机着陆实时监测与评估系统，设计出飞机着陆监测与评估系统的技术方案。由于光电跟踪平台的视场有界，无法保证着陆飞机准确进入光电设备视场，采用精密进场雷达(PAR)牵引光电转台对准即将着陆飞机的方式，辅助光电设备捕获目标飞机，再经过图像检测算法处理，检测出目标飞机，进而转入跟踪锁定，计算出最终下降阶段目标飞机的姿态和偏航信息。详细阐述了该系统的PAR初始化光电设备的方法、步骤。该系统在飞机下降阶段辅助塔台指挥，实现整个着陆过程的监视与评估，满足未来作战飞机精密进近引导的着陆保障和训练要求，具有很高的实用价值。
精密进场雷达； 光电设备； 着陆监测； 接地检测； 着陆评估
着陆是飞机飞行过程中最为危险的阶段，统计显示，飞行事故中50%以上发生在该阶段，为了减少这种飞行事故的发生，塔台需要实时掌握着陆飞机的姿态、偏离下滑线位置、起落架释放等多项数据，并依据这些数据给出复飞和降落指令。在着陆阶段，仪表着陆系统[1](Instrument Landing System,ILS)可以引导飞行员安全准确地降落，但未将机上着陆信息下传至塔台，指挥员无法判断飞机是否处在下滑道上。由于雷达情报、数据链覆盖存在盲区[2]，近年来依靠卫星导航系统快速发展的广播式自动相关监视[3-4](Automatic Dependent Surveillance Broadcast，ADS-B)实现了对无雷达覆盖区飞机的监视，但仍然未计算出飞机偏离下滑道的相关信息，未实现飞机着陆阶段的视频监视。目前，塔台仅能够依据精密进场雷达(Precision Approach Radar，PAR)获得飞机偏离下滑线位置数据[5]，依靠望远镜判读起落架释放情况。而PAR的引导等级为I类，在最后着陆的关键阶段引导精度非常有限，数据可信度大大下降，因此，塔台在飞机着陆关键阶段是无法向飞行员给出准确指令的。除此之外，飞行员也无法发现自己驾驶技术存在的缺陷，仅依据自己的习惯完成着陆过程，在接地迎角、接地速度等参数调整不良情况下，容易造成接地事故。为解决该问题，提出利用多功能光电跟踪技术构建飞机着陆实时监测系统，依据监测数据向塔台指挥人员提供文字和语音告警。但光电跟踪平台视场有界，无法保证着陆飞机准确进入光电设备视场[6-7]。
本文采用PAR牵引光电转台对准即将着陆飞机的方式，辅助光电设备捕获目标飞机，再经过图像检测算法处理，检测出飞机目标，继而转入跟踪锁定，计算出最终下降阶段目标飞机的姿态和偏航信息。在文献[8]中，使用预警雷达引导光学跟踪仪实现低空目标监视，算法设计比较优，但精度不够高，未计算偏离正常航道的误差，不能直接用于着陆监视与指挥。在文献[9]中，使用ADS-B与雷达组合监视，也未研究着陆阶段的应用。本文研究的内容已经在国内机场通过了飞行验证，PAR与光电视频跟踪平台的有效结合，可以提升飞机着陆安全性和飞行员驾驶水平。同时，也为中国低空开放条件下的空中交通管制提供了可行的手段。
1 系统组成原理
1.1 设备整体布局
系统主要由PAR监测单元、多功能高精度光电跟踪分系统、接地参数检测分系统和智能处理控制分系统4个部分组成。PAR监测单元包括数据采集平台、调制解调器，主要是实现PAR目标探测与情报数据处理，并通过调制解调器发送至智能处理控制分系统中的初始光电控制平台，辅助光电设备捕获即将着陆飞机。
多功能高精度光电跟踪分系统由高清可见光CCD(Charge Coupled Device)——电荷耦合器件图像传感器、非冷凝红外CCD、激光测距机、大倍率连续精确变焦镜头、跟踪仪以及高精、高稳定度伺服转台组成，最大限度提升光电设备探测距离。在距离较远和气象条件差的情况下，采用红外探测系统，在近距离和能见度高的情况下，采用可见光探测系统，在最后着陆阶段采用保护性激光探测(保护性激光不会对飞行员眼睛造成伤害)，实现光电设备捕获目标后，检测出目标图像，对目标飞机进行可见光或红外等方式的稳定跟踪，在风吹、震动等扰动条件下通过稳定转台可保持画面稳定，再将数据送至智能处理控制分系统，在监视画面中给出目标飞机的姿态和偏航数据，依据理想下滑线信息给出文字和语音告警。
接地参数检测分系统由高清、高帧率摄像机和视频拼接、编码及预处理设备等部分组成，采用多个画面拼接技术覆盖整个着陆区域，实现在昼间和夜间飞机的接地视频采集和记录，同时采用图像识别算法计算着陆飞机的横滚角、接地迎角、接地位置和接地速度等参数。
智能处理控制分系统是整个系统的核心，是由一台安装了飞机起降安全管理与评估软件的服务器、调制解调器和网关组成，实现探测数据处理、光电转台控制和监视画面采集与记录、显示等功能。系统组成框图如图1所示。
图1 飞机着陆监测与评估系统组成框图Fig.1 Aircraft landing detection and evaluation system architecture frame
1.2 PAR监测单元
PAR是一种时分体制的三坐标雷达，用于在机场终端区探测准备着陆的飞机，测定飞机在空中位置以及偏离理想下滑航迹情况，其探测距离达20～40 km。PAR的航向和下滑两幅扫描天线分别按照1 s的扫描周期进行时分机械扫描，航向扫描后输出距离及航向角度，下滑扫描后输出距离及下滑角度，航向数据与下滑数据分别在PAR显示画面中显示[5]。同时，利用加装的数据采集平台采集航向和下滑数据，通过调制解调器连接光纤网传送至智能处理控制分系统中的监控终端，同时，通过RS-232接口将PAR探测情报送至服务器，在软件内完成对PAR情报的合批、查找离跑道最近的着陆飞机和消批等工作，获取即将着陆的目标飞机相对于PAR的位置数据[10]。
2 PAR初始化光电跟踪平台控制
由于光电设备探测视场存在局限性，在捕获目标飞机时，需要借助PAR情报牵引光电伺服转台初始化探测视场，保证目标飞机可靠的进入光电设备视场[11-12]。
2.1 PAR情报处理
由于PAR的时分体制，对同一个目标飞机可探测得到两类情报，分别为下滑情报与航向情报，因此需要对两类情报批号进行合批，才能得到同一个目标信息，其合批准则为：批号相同，距离相差200 m为同一批目标[5，13]。但PAR最多同时能探测4批目标得到8组情报，其中合批流程如图2所示。
图2 精密进场雷达(PAR)情报处理流程 Fig.2 Precision approach radar (PAR) information processing scheme
具体过程如下：依次缓存4批情报，这4批情报不分航向与下滑情报，下一批情报到来时，依据合批准则在缓存中查找同一批号的能够符合合批准则的情报，如若当前到来情报是航向情报，则在缓存中查找符合合批准则的下滑情报，如若当前到来情报是下滑情报，则在缓存中查找航向情报。当查找到符合合批准则的雷达情报时，合成目标，取下滑情报距离为目标距离，而合成目标的航向情报角度为目标方位角度以及目标批号，而查找不到缓存内符合合批准则的雷达情报时，合不成一个目标，则将当前到来的雷达情报更新缓存中批号相同的雷达情报，等待下一帧雷达情报到来再进行合批。待情报合成目标后，需要在合成目标中查找出即将着陆目标飞机数据，并将该数据转换至光电跟踪平台坐标系统中，初始化光电设备视场，牵引光电转台转向。同时，为了避免着陆飞机与落地飞机批号的重复使用，设置一定的刷新时间，在刷新时间内即将着陆目标飞机数据不发生改变， 则需要对此批号进行消除。
2.2 坐标统一
由于PAR探测情报是以雷达天线电中心点为坐标原点的跑道坐标系下的坐标数据，其下滑仰角描述是目标飞机相对下滑天线水平阵面的角度，而方位角则描述的是目标飞机偏移航向天线中心线的角度，中心线左侧为正值，右侧为负值。而光电设备探测目标飞机数据是以光电转台为坐标原点的坐标系，水平面内可以进行0°～360°转动。由于两者定义的坐标系和坐标原点不同，方位角度定义不同，且PAR存在主次着陆方向转向的问题，所以必须将PAR探测即将着陆的目标位置统一到光电跟踪平台坐标系下，才能实现初始化转台控制。具体方法步骤如下。
步骤1通过手持的GPS接收机获得PAR天线电中心和光电跟踪转台中心的经度、纬度和高度，依据坐标转换公式可得光电设备以PAR为坐标原点的东北天坐标系坐标。
步骤2读取跑道主着陆方向的跑道真方位角β；依据式(1)将东北天的坐标旋转到PAR跑道坐标系；PAR跑道坐标系定义为：X轴正方向为主着陆方向，Z轴垂直水平面向上为正方向；Y轴正方向构成右手系。
(1)
步骤3将PAR探测即将着陆目标飞机数据转换到PAR跑道坐标系；由PAR探测目标情报数据及跑道坐标定义可知，当飞机沿主着陆方向着陆时，目标在跑道坐标系下，方位角θ等于PAR探测航向角φ；而当飞机沿次着陆方向着陆时，则目标在跑道坐标系下方位角θ=π+φ。下滑角和距离与飞机着陆方向无关，因此目标在跑道坐标系下仰角等于PAR探测下滑角，距离等于PAR探测距离。
步骤4将PAR跑道坐标系下的目标位置转换到光电转台的跑道坐标系；光电转台跑道坐标系定义与PAR跑道坐标系定义相同，不同之处在于坐标原点在光电转台，且光电转台转动角度没有负值，若经过坐标系平移得到方位角度为负值时，则需要加上2π。至此，将得到的目标相对于光电转台跑道坐标系的位置数据送给光电转台的控制模块，使光电设备的视场对准目标飞机，实现对光电设备的初始化，大大提高捕获目标飞机的效率。
3 多功能高精度光电跟踪分系统设计
由于PAR的距离引导精度有限，且无法得到目标飞机着陆的姿态信息，为满足塔台指挥需求，提出利用多功能光电跟踪技术构建飞机着陆实时监测系统，依据监测数据向塔台指挥人员提供文字和语音告警。
多功能高精度光电跟踪分系统的跟踪流程是在起飞时，手动锁定飞机，通过跟踪机制自动控制伺服转台跟踪飞机；降落时通过PAR初始化光电转台，由PAR牵引的伺服转台捕获目标飞机画面，当捕获后自动锁定飞机，并由跟踪仪按跟踪机制自动跟踪。在昼间飞行时采用高清可见光摄像机跟踪飞机，在夜间飞行时或者能见度较低时，采用非冷凝式红外摄像机跟踪飞机。最后着陆阶段采用保护性激光跟踪飞机。
视频跟踪仪是多功能光电跟踪平台的关键设备，能够输出目标位置、姿态和航线偏差，控制指向器对目标进行自动跟踪，并能输出多路原始视频和综合视频信号。视频跟踪仪由高斯滤波、背景统计、边缘检测、目标提取和自动捕获五个部分组成。通过对接收的电视摄像机的视频信号高斯滤波，剔除图像中的散点噪声，同时对视频信号实时统计、处理，计算出黑白目标的切割阀值，将目标从背景中提取出来，形成二值图像[14-16]。二值图像进行实时空间滤波，进一步消除噪声，视频跟踪仪的工作原理如图3所示。
系统在工作窗口内对目标实时自动捕获，将捕获数据送计算机作为跟踪窗口的形成参数，得到目标飞机下降的姿态、位置及偏航信息，依据监测到的这些数据向塔台指挥人员提供文字和语音告警，同时记录与存储监测数据和视频。
4 接地检测分系统
为了检测目标飞机接地情况，设计接地数据检测分系统[17]。利用接地检测分系统和多功能高精度光电分系统可以智能的判断飞机是否接地，并识别和解算出飞机接地位置、接地速度和接地迎角等参数。
多功能高精度光电跟踪分系统在安装时对跑道位置进行定量标定，当其跟踪飞机进近着陆时，通过事先标定好的位置和接地检测分系统摄像机捕获目标飞机情况，就可判断飞机是否接地。该系统采用在跑道一侧固定安装两台辅助高清短焦高帧率摄像机，实时观看跑道的场景(每台摄像机大约覆盖100 m的范围)。当飞机降落时通过图像分析软件，利用多个画面拼接技术覆盖整个着陆区域，实时昼夜测量飞机的接地迎角、接地速度，并存储接地视频信息。具体的安装及测量如图4所示。
图3 多功能高精度光电跟踪分系统工作原理框图Fig.3 Multi-function high precision electro-optical tracking subsystem mechanism frame
图4 接地检测分系统高清摄像机安装及参数测量示意图Fig.4 Grounding detection subsystem high definition cameras installation and parameter measurement diagrammatic sketch
当判断出飞机接地时，获取接地检测分系统摄像机的图像，对图像中出现的飞机进行模式识别，智能分析出飞机机头与机尾的连线，其与水平面的夹角就是飞机的接地迎角。通过计算图像中飞机的移动速度，乘以事先标定好的系数就可得到飞机的接地速度。当获取了飞机的接地参数信息和接地视频之后，飞行员可以有针对性的纠正驾驶技术，克服习惯性错误。
将接地检测分系统获得的接地数据、光电设备探测得到的飞机进入下滑道后的数据，以及记录的各类视频数据，通过网络送至智能处理控制分系统，在该分系统依据理想航线数据和飞行训练大纲，判决目标飞机的实时状态是否满足要求，并输出告警信息，在智能处理控制分系统的显示画面上进行显示。同时在飞机起降安全管理与评估软件中进行评估。
5 着陆评估
将获取的PAR数据和光电跟踪数据进行有效融合[18-20]，在二三维地理信息系统(Geographic Information System，GIS)平台上形成唯一的综合航迹，并进行航迹平滑显示[21]。同时，利用融合数据建立着陆评估数据库，根据飞行大纲设置评估标准，将系统检测数据与评估标准相比较，按照不同的权重值，计算每一名飞行员在一次着陆过程中所得的总成绩，同时具有查询、统计和分析的功能，并可生成当天的飞行讲评报告。
在统计分析中，既可以按飞行科目进行，也可以按照飞行员姓名进行(信息分析如图5所示)，便于训练部门及时、全面、客观地掌握本单位的飞行训练水平，有利于驾驶水平的提高，有利于飞行安全的提升。
图5 着陆评估信息分析图Fig.5 Landing evaluation information analysis diagram
6 结 论
设计的飞机着陆监测与评估系统通过对PAR情报的处理，牵引光电跟踪仪对准着陆飞机，将光电跟踪仪的视频图像或红外图像回传给显示终端；同时，检测目标飞机接地参数。
1) 可实现进近着陆飞机的监视与指挥，满足未来作战飞机精密进近引导的着陆和着舰保障要求。
2) 可对飞行员在着陆阶段操控飞机的水平进行评估，同时纠正不良习惯。
3) 可进行信息分发，各级指挥所可获得此信息。
4) 可促进指挥模式和训练模式的转变。
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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；录用日期2016-03-24； < class="emphasis_bold">网络出版时间
时间：2016-03-301350
www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20160330.1350.004.html
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王永庆， 代传金， 赵修斌， 等．PAR辅助光电设备的飞机着陆监测与评估系统设计J． 航空学报,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
王永庆男， 硕士， 讲师。主要研究方向： 军用无线电导航。Tel.: 029-84791513E-mail: 18629633569@126.com
代传金男， 博士， 讲师。主要研究方向： 军用无线电导航。Tel.: 029-84791513E-mail: dcjdai@163.com
赵修斌男， 博士， 教授， 博士生导师。主要研究方向： 军用无线电导航。Tel.: 029-84791501E-mail: Zhaoxiubin926@163.com
许云达男， 硕士， 讲师。主要研究方向： 军用无线电导航。E-mail: xydxch@163.com
金子岳男， 本科， 助教。主要研究方向： 军事指挥。E-mail: jinziyue001@126.com
*Correspondingauthor.Tel.：029-84791513E-mail18629633569@126.com
