航管系統(tǒng)區(qū)域入侵告警預(yù)警模塊的研究與實(shí)現(xiàn)

上官紅斌（四川大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，成都　610065)

航管系統(tǒng)區(qū)域入侵告警預(yù)警模塊的研究與實(shí)現(xiàn)

上官紅斌
（四川大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，成都610065)

0　引言

航空母艦，簡(jiǎn)稱“航母”，是一種以艦載機(jī)為主要作戰(zhàn)武器的大型水面艦艇，可以提供艦載機(jī)的起飛和降落[1]。航母造價(jià)昂貴，目標(biāo)大且很容易被發(fā)現(xiàn)，在執(zhí)行任務(wù)時(shí)保障航母和各艦載機(jī)的安全至關(guān)重要。航管系統(tǒng)主要用于保證航母運(yùn)行期間和艦載機(jī)飛行期間安全，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。航管系統(tǒng)中預(yù)警和告警主要包括最低安全高度預(yù)警與告警（SAW）、短期沖突預(yù)警與告警（STCA）、航跡偏離告警、特殊SSR代碼告警、回收油量告警以及對(duì)禁區(qū)、限制區(qū)、危險(xiǎn)區(qū)的侵入預(yù)警與告警。航管系統(tǒng)中不僅有固定空域，還有移動(dòng)空域，飛行器對(duì)空域的入侵告警預(yù)警最難判定。

1　坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

系統(tǒng)中采用三維的球面來(lái)定義地球上的位置，也就是使用經(jīng)緯度坐標(biāo)（L，B，H）來(lái)表示地理位置。為了將經(jīng)緯度坐標(biāo)表示的空中目標(biāo)顯示到平面顯示器上,需要進(jìn)行投影變換，系統(tǒng)中采用球心方位投影的方式把地理坐標(biāo)系投影到平面直角坐標(biāo)系中。球心方位透視是透視方位投影中的一種，透視方位投影根據(jù)視點(diǎn)的位置不同又分為正射、外心、球面和球心投影[2]。透視方位投影如圖1所示：

圖1　透視方位投影

圖1中1為正射投影，視點(diǎn)在無(wú)窮遠(yuǎn)處；圖中2為外心投影，視點(diǎn)位于離球面的有限距離；圖中3為球面投影視點(diǎn)位于球面；圖中4為球心投影，視點(diǎn)位于球心。

透視方位投影以u(píng)1和u2表示垂直圈與登高全長(zhǎng)度比，根據(jù)透視關(guān)系與長(zhǎng)度比定義可得[3]：

D表示視點(diǎn)到球心的距離，L表示視點(diǎn)到投影面之間的距離，R為球心的半徑，P為面積變形,w為角度變形，ρ為球面上圓弧長(zhǎng)度，球心投影時(shí)，D=0，L=R，由此可得：

球心投影因具有唯一的特點(diǎn)，即任何大圓投影后為直線，常用于編制航空?qǐng)D或航海圖[4]。在這種圖上，用直線連接起始點(diǎn)和終結(jié)點(diǎn)，就可求得航線上兩點(diǎn)之間的大圓航線，即為大圓弧的投影，該直線與各經(jīng)緯線的交點(diǎn)即為大圓航線應(yīng)通過(guò)的點(diǎn)。采用球心投影后的地圖如圖2所示：

圖2　采用球心方位投影后的中國(guó)地圖

2　空域劃分及表示

航管系統(tǒng)中空域一般有空域代碼、空域名稱、空域類型、空域?qū)傩浴⒖沼蛐螤?、空域狀態(tài)以及所屬單位等信息，如圖3所示。空域形狀通常是一塊立體的三維圖形，采用平面區(qū)域加低高和頂高的表示方式。平面區(qū)域有多邊形、圓形、橢圓形、扇形、長(zhǎng)方形五種形狀來(lái)表示，如圖4所示?？沼驙顟B(tài)有激活和靜止兩種狀態(tài)，如果當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間在空域的激活起始時(shí)間和空域的激活結(jié)束時(shí)間之內(nèi)，空域才處于激活狀態(tài)，否則處于靜止?fàn)顟B(tài)。空域按類型劃分為禁區(qū)、限制區(qū)、危險(xiǎn)區(qū)和責(zé)任區(qū)四種，其中禁區(qū)的禁入沒(méi)有時(shí)間限制。一般采用不同的空域代碼開(kāi)頭字母以及不同顏色來(lái)區(qū)別不同空域。

圖3　空域信息列表

圖4　空域信息地圖上顯示

航管系統(tǒng)中的空域不僅有固定空域，也有移動(dòng)空域，移動(dòng)空域的參照系是航母。固定空域主要由經(jīng)度和緯度信息來(lái)表示，移動(dòng)空域由方位和距離來(lái)表示，方位指該目標(biāo)與航母連線與正東方向所成的夾角，距離指目標(biāo)點(diǎn)與航母之間的直線距離。

3　侵入?yún)^(qū)域告警預(yù)警檢測(cè)

系統(tǒng)對(duì)侵入?yún)^(qū)域告警預(yù)警檢測(cè)處理步驟如下所示：

（1）系統(tǒng)設(shè)置一個(gè)定時(shí)器，每過(guò)一段時(shí)間，從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取最新的空域信息、航母位置信息和飛行器信息。

（2）判定空域是否處于激活狀態(tài)。如果當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間在該空域的激活時(shí)間范圍之內(nèi)，則該空域處于激活狀態(tài)，反之，該空域信息不進(jìn)行處理。

（3）顯示系統(tǒng)中激活的所有空域信息。如果該空域?yàn)楣潭沼颍瑒t把該空域中的經(jīng)緯度度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成平面直角坐標(biāo)；如果該空域?yàn)橐苿?dòng)空域，把該空域中相對(duì)于航母的方位距離信息轉(zhuǎn)化為平面直角坐標(biāo)。

（4）判斷是否有侵入?yún)^(qū)域告警信息。如果該飛行器已經(jīng)處于空域內(nèi)部，則報(bào)告告警信息給管制席。

（5）判斷是否有侵入?yún)^(qū)域預(yù)警信息。如果該飛行器處于空域的外部，判斷該飛行器的方向是否會(huì)和空域所處平面相交。如果不相交，不會(huì)發(fā)生預(yù)警信息；如果相交，計(jì)算出該飛行器和空域的垂直距離和最小水平距離，如果水平距離和垂直距離都小于該空域的預(yù)警參數(shù)，則報(bào)告預(yù)警信息給管制席。

首先需要判斷目標(biāo)點(diǎn)的高度是否在空域的低高和頂高的范圍之間，如果目標(biāo)點(diǎn)的高度不在空域的低高和頂高的范圍之間，則目標(biāo)點(diǎn)不在空域內(nèi)，反之則需要判斷同一水平面下目標(biāo)點(diǎn)是否在空域所示圖形內(nèi)。航管系統(tǒng)中的空域有多邊形、圓形、橢圓形、扇形、長(zhǎng)方形五種形狀，圓形和橢圓可通過(guò)橢圓方程判定，扇形是圓的一部分，可通過(guò)比較半徑和起始角度判定。長(zhǎng)方形是多邊形的一種，可以和多邊形一起處理。

系統(tǒng)中采用點(diǎn)射法的方法來(lái)判定目標(biāo)點(diǎn)是否在多邊形內(nèi)部，如圖5所示：

依此連接多邊形的Vi和Vi+1點(diǎn)，求出這兩點(diǎn)之間的直線方程，如目標(biāo)點(diǎn)在這條直線上直接返回。

從目標(biāo)點(diǎn)沿著X軸向右畫(huà)一條射線，求出該射線和多邊形各邊的交點(diǎn)個(gè)數(shù)。定義多邊形各邊的兩個(gè)端點(diǎn)中，相對(duì)于另一端點(diǎn)在上面的叫做上端點(diǎn)，下面的叫做下端點(diǎn)，只有射線和多邊形的交點(diǎn)是非下端點(diǎn)，才認(rèn)為和多邊形相交。

圖5　點(diǎn)射法示意圖

如果這條射線和多邊形的交點(diǎn)個(gè)數(shù)總和為偶數(shù)，則在多邊形外部，如果交點(diǎn)為奇數(shù)，則在多邊形內(nèi)部。

4　結(jié)果示意圖

文中所述的告警及預(yù)警檢測(cè)算法在航管系統(tǒng)中得到了很好的應(yīng)用，能夠很好地檢驗(yàn)出飛行器對(duì)空域的侵入狀況，如圖6所示：當(dāng)飛行器侵入空域F0001時(shí)，該飛行器的標(biāo)牌上閃爍，并在屏幕的左上角和飛機(jī)標(biāo)牌上顯示黃色的告警信息。

圖6　侵入?yún)^(qū)域時(shí)的告警示意圖

[1]吳榮寶．航母的艦體結(jié)構(gòu)［J］．海事大觀，2005，9:89-92．

[2]鐘業(yè)勛，胡毓鉅，童新華．基于不同經(jīng)緯線類型組合的地圖投影新定義［J］．海洋測(cè)繪，2012，32（6）:13-16．

[3]孫衛(wèi)新，呂曉華,喬予民．反外心透視方位投影及其應(yīng)用研究[J]．測(cè)繪科學(xué)技術(shù)學(xué)報(bào)，2013,1:95-97.

[4]祝國(guó)瑞著．地圖學(xué)[M]．武漢：武漢大學(xué)出版社，2014.

Carrier Air Traffic Control System;Gnomonic Azimuthal Projection;Airspace;Warning;Predict Warning

Research and Implementation of Area Invasion Warning and Predict Warning Module in Carrier Air Traffic Control System

SHANG GUAN Hong-bin

（College of Computer Science，Sichuan University，Chengdu 610065）

1007-1423（2016）05-0038-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2016.05.008

上官紅斌（1989-），男，河南三門峽人，碩士研究生，研究方向?yàn)閳D形圖像處理

2015-12-15

2016-01-20

航管系統(tǒng)采用球心方位投影的方式把經(jīng)緯度和高度組成的地理坐標(biāo)系投影到平面直角坐標(biāo)系中，該系統(tǒng)中的空域有限制區(qū)、禁區(qū)和危險(xiǎn)區(qū)和責(zé)任區(qū)四種類型，不同類型的空域告警預(yù)警參數(shù)不同。航管系統(tǒng)中空域有固定空域和移動(dòng)空域之分，同時(shí)也都有激活和非激活兩種狀態(tài)。激活狀態(tài)下，系統(tǒng)對(duì)飛行器的當(dāng)前位置和運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視，計(jì)算出該飛行器對(duì)空域的侵入趨勢(shì)以及侵入狀態(tài)。如果已經(jīng)發(fā)生侵入或有侵入趨勢(shì)，系統(tǒng)中該飛行器的標(biāo)牌會(huì)發(fā)生閃爍，并在標(biāo)牌和屏幕左上角顯示告警或者預(yù)警信息。

航管系統(tǒng)；球心方位投影；空域；告警；預(yù)警

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863）（No.2013AA01390）

Carrier Air Traffic Control System uses gnomonic azimuthal projection to transform Geographic coordinates including latitude and longitude and height into Cartesian coordinates.The system has four types of airspace restricted zone,restricted and danger areas and areas of responsibility.Different types of airspace have different warning and predict warning parameters.The system has fixed airspace and moved airspace.There are two states of airspace,active and inactive state.In the active state,the system calculates the trend of airspace intrusion and invasion status according to the real-time monitoring on the current position and movement trends of aircraft.If invasive or intrusive trend has occurred,the aircraft label will flicker and display alarm or warning information in the upper left corner of the screen.