李喜龙+范海震+李强

摘 要 针对现阶段机场目视助航系统存在的问题和缺陷，提出了一种新的辅助着陆助航方法。该系统采用雷达引导、光电精确目标提取和高精度光学指示技术，为进近中的飞机提供高精度下滑坡度指示和方位指示；与现行的进近助航灯光系统相比，该系统具有智能化，航道指示精度高，引导距离远，气象适应性更好，使用布置简单等诸多优点，具有很高的工程应用价值。

【关键词】目视助航设备 精密进近航道指示 图像提取 雷达引导

随着我国综合国力提高，各种军、民用飞机作业活动日益频繁；但受环境恶化的影响，我国中东部地区雾霾范围和程度不断加大，气象条件越来越恶劣，对机场飞行活动影响很大。而且大部分机场基础设施陈旧，未配置仪表着陆系统（INS）或微波着陆系统（IRS），地面进近灯光系统简易，飞行员主要靠目视完成进近下滑着陆，当能见度低时，飞行员无法及时确定自身偏离下滑航道的情况，飞行员目视进近着陆安全受到严重威胁。

在目视飞行中，驾驶飞机最困难的工作是在飞机进近、着陆时，建立和保持与跑道的动态三维相对角度关系（主要是下滑角和航向角）。飞机的进近速度很高、进近时间越来越短，且气象环境复杂，在没有目视助航系统的帮助的情况下飞机既要保持准确的进近方向又要保持准确的进近坡度就变得更加困难。

现有通用目视进近坡度指示器（PAPI）和进近助航灯光系统存在指示信号少、精度低、进近航道窄、作用距离有限等问题；本系统在航道指示上，能够提供横、纵两个方向上的偏差指示，且角度指示精度至少可达7级以上；且系统安装调试简单、光能利用率高，使得光束指向精度高，实现了低功率及高精度的航向偏差指示；系统常规气象条件下作用距离可达10公里，在雾霾天气条件下亦可达数公里，可有效保证飞行进近着陆的安全性。

1 助航系统构建

1.1 助航系统模型建立

系统放置在飞机下滑面与跑道面交线上，位于跑道一侧的固定位置。系统模型示意如图1所示。

飞机进场后，距离跑道入口约10km，此时，飞行员通过目视无法看到跑道入口，系统通过引导雷达来搜索飞机并获取飞机位置信息，之后再通过光电跟踪仪完成飞机眼位的精确提取和跟踪，此时，航道指示器发射的指示光束覆盖飞机眼位，飞行员可根据航道光束信息提示调整飞机航向和姿态，对准下滑通道安全进近，直到飞行员可观察到跑道入口。

1.2 系统基本流程

助航系统主要包括引导雷达、光电跟踪仪、航道指示器、精密伺服设备和数据融合控制单元。引导雷达、光电跟踪器和航道指示器均安装在伺服转台上，并将零位调校一致，光电跟踪仪包括红外成像和可见光数字成像两种工作模式，在常规气象条件下可采用高清可见光数字成像系统，可获得在夜间或雾霾情况下可启用红外跟踪模式。

助航系统总体数据流程如图2所示。

2 目标搜索和跟踪

为了辅助着陆助航系统尽可能的全天候、全天时有效地工作，将进场引导雷达与光电跟踪仪配合使用，引导雷达波束较宽，具有很强的空域搜索能力，能够及时发现进场飞机，而光电传感器测量精度比引导雷达高，但目标搜索能力较弱，故系统采用雷达引导光电传感器的这一基本协调方式。雷达引导光电跟踪仪是指通过雷达锁定目标并引导光电跟踪仪伺服转台转动指向向目标，通过雷达观测数据与光电跟踪仪探测数据融合，获取飞机眼位精确位置信息，并可在终端操控界面显示融合后的飞机下滑航线偏差信息。

2.1 雷达引导

进场引导雷达，将飞机引导到机场和最后的下滑航线上。进场监视雷达的天线不停地旋转扫描，发送一串超高频无线电波，无线电波碰触到目标反射回来，并在雷达显示器的屏幕上显示出来，高大建筑物、桥、高地等的反射波表现为一些小的亮点；飞行中的飞机的反射波表现为一条变弱的光迹，借以辨明飞行方向，精密进场雷达测量飞机目标距离和方位角度信息。

相应的，光学跟踪仪器协同低空进场雷达，或实现目标监视接力，与进场雷达的信息实现多源融合，从而更好的掌握各类低空航空器的飞行动态，保障低空空域畅通有序。总而言之，低空雷达与光学跟踪仪器融合有利于实现资源共享、功能互补，提升空中管制与低空监视的综合效能，如图3所示。

光电跟踪仪和引导雷达协同工作，只有目标进入其作用距离范围内，设备才能检测到目标并实施跟踪，光学跟踪仪器需要引导雷达作为目标指示设备加以引导，这样才可以对目标的快速精确捕捉和跟踪。引导光学跟踪仪器伺服转台转向雷达显示界面上被选中感兴趣的目标位置，以便观察人员通过光学跟踪仪器进行进一步的细节分析和判断。在雷达显示界面上移动雷达光标至选中目标，通过网络或串口把雷达的距离方位和高度数据传送给光学跟踪仪器，计算出伺服转台所对应的角度，将伺服转台引导到指定位置对应的伺服转台角度，引导伺服转台转向指定位置。

2.2 机头眼位的精确提取和跟踪

由于搜索雷达的有效搜索高度有限，且目标被搜索雷达发现时距离较远，目标的高低角和方位角变化缓慢，这为光电跟踪仪在小范围内移动光学镜头搜索目标提供了前提条件。由上可知，滤波器的运算需要一定的时间成本，而在这段时间内，高度估计值的精度往往不足以用来引导光电跟踪仪，如果变光电跟踪仪的被动跟踪为依据某一策略的主动搜索，则有可能提前捕捉到目标。

目標局部特征提取是关键点，对应迎头进近飞行的飞机来说，目标左右的几何特征是接近对称的分布，通过形状中心的提取及识别，可获得较为准确的飞机眼位位置目标点的图像像素位置坐标（如图4所示），进而完成眼位的提取和跟踪，详细流程如下图5所示。

光学跟踪仪仅能输出目标的高低角、方位角信息，目标距离是缺失的。引导雷达观测误差较大，只能给出目标的大致位置。为确定精确的目标位置，光学跟踪仪和引导雷达布置在同一承载小车上，目标指引数据和距离信息可方便的传输至光电跟踪仪。必须指出，本文的方法是基于目标沿下滑道进近飞行的假设前提的，对目标通场、过顶等其他飞行情形不予考虑。

3 下滑道指示

3.1 下滑指示器

当光电跟踪系统精确跟踪飞机眼位后，即可通过下滑道指示器发射指示光束，引导飞机目视进近下滑。下滑指示器由光学控制系统、光源组件、合光器件和光学系统组成。

半导体激光二极管能量利用率高、指向性好，可大幅度提高助航灯光系统的能量利用效率，降低机场能耗，具有良好的发展前景和广阔的市场空间；本系统采用多个LD集成的方式将单个小功率光源耦合进单根光纤，在通过后端光学系统将出光角度压缩至合适的数值，既要满足光束指示强度和一定穿透雾霾的要求，还要满足对飞机目标跟踪时，飞行员眼睛能够持续观察到指示光束（即在跟踪过程中光束能够一直覆盖到飞机眼位位置）；通过计算分析可得光学系统最终出光角度范围约为10ˊ，如图6所示。

从理论上说，一个灯具的光学系统，它发出的光在任何一条确定的进近路线和任何一个给定的大气环境条件下，光束的强度是恒定的；但随着飞机的进近，飞机和指示灯之间的距离的减小，飞行员观察到的指示光束的亮度会增强，为了使飞行员观察指示效果舒适，指示灯光的强度要随飞机进近距离做适当调整。光强调节等级可通过光学控制单元根据实际使用情况来确定，一般可根据雷达距离数据，飞机每进近200m～400m调节一次，调节刻度跨度亦不能太大，避免造成飞行员眼睛的不适。

光学控制单元通过分析伺服測量飞机的角度和引导雷达测量的飞机距离信息，确定飞机相对于下滑道的位置，从而控制光源组件，发出指定颜色、强度（可通过占空比确定）和闪烁频率的指示光束。其工作流程如图7所示。

3.2 下滑指示原理

本方法的下滑指示器与常规的目视下滑坡度进近指示系统（PAPI）不同，PAPI系统是通过固定安装的几个不同颜色指示灯在空中覆盖确定角度的指示光束；而本方法通过光电跟踪来确定目标的相对于下滑道的偏差俯仰和方位角度，进而提供事先规定好光束颜色和闪烁频率配置的指示光束，使得飞行员能够确定自身相对于下滑道的位置。下滑道指示器横向和纵向光束配置及覆盖情况如图8和图9所示。

对于纵向指示，红色最外侧的两灯与黄色最外层两灯有闪烁效果，提示飞行员下滑侧偏较大；根据飞行员的视觉习惯及航空标准，光束闪烁速率在50～120次/分钟范围内可调。总体覆盖角度可在较大范围内（大于30°）进行灵活调节，一般配置在在1°～5°的范围即可，中间稳定绿色光束可按PAPI灯的下滑指示标准来确定，一般不大于0.5°。

对于横向指示，左边红色最外侧的两灯与右边黄色最外层两灯有闪烁效果，提示飞行员航向侧偏较大；根据飞行员的视觉习惯及航空标准，光束闪烁速率在50～120次/分钟范围内可调。总体覆盖角度也可进行灵活调节，横向偏差角度范围较大，可配置为20°，中间稳定绿色光束可按跑道宽度与飞机宽度尺寸来确定。

4 指示精度分析

系统引导机理是向飞行员提供反映飞机当前高低和方位的偏差量和纠偏速率的光学指示信号，指导飞行员进行对中操纵。系统的引导精度首先取决于下滑道横向和纵向的指示光束的精度，而光束指示精度主要由目标提取和跟踪精度决定。

目前较常用的光电探测系统精度均可满足使用要求，总体跟踪精度与后端光学下滑道指示系统精度相配合的，下滑道指示灯的发散角度要远大于总体的跟踪精度，以满足光电跟踪系统跟踪飞机眼位的同时，飞行员能够观察到下滑指示光束，但发散角度易不能做得太大，若角度大对于光学指示亮度和雾霾透过效果影响较大，只要满足在光电跟踪时，光束能够覆盖到飞机整体即可，约为30ˊ。光电跟踪的总体精度选取在2ˊ左右即可，实际使用中较容易满足。

影响下滑道指示精度还有指示光束光轴与目标跟踪系统视场中心的离轴距；指示光束灯箱可制成口径为100mm左右的尺寸，而光电跟踪系统口径则在160mm左右，所以，离轴距约为130mm。此距离相对于引导距离范围10km～2km来说很小，角度误差偏差在0.004°（0.22ˊ）对于飞机引导下滑效果的影响可忽略。

从上述分析可以看出，系统总体的下滑道指示精度主要为光电跟踪部分的精度。对于系统总体引导效果还需要实际飞行试验验证，其影响因素主要有飞行气象条件尤其是能见度条件，飞行员的操作熟练水平以及飞行航线规划等。

5 总结

本文给出了一种新的飞机进近对准下滑道的解决方法，适用于各类飞机的目视进近着陆引导；该指示方法使飞行员对进近下滑偏差判别更加简单、明了，可显著提高辅助着陆正确率，确保飞机进近着陆的安全。系统设备耗能低、成本低廉，使用简单，引导和指示精度高，使用后可回收，系统气象和场景适应能力强，适用于各级军民用机场，具有广泛的应用前景。

参考文献

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