基于某型雷達(dá)的著陸航跡糾偏監(jiān)控研究

楊法紅,馬志偉,李 輝,姚 超,陳星光

(1.中國人民解放軍92524部隊，浙江 寧波 315020; 2.中國人民解放軍91428部隊，浙江 寧波 315456;3.中國人民解放軍92919部隊，浙江 寧波 315020; 4.陜西長嶺電子科技有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721006)

0 引言

飛機(jī)進(jìn)近著陸階段時間短、任務(wù)重、環(huán)境復(fù)雜，又是飛行員最疲勞的階段,發(fā)生事故的概率相對較高。如何立足現(xiàn)役裝備條件，盡量減少飛行事故，是飛行部門各級指揮人員關(guān)注的重要問題。某型精密進(jìn)場雷達(dá)是機(jī)場用于能見度低、云底較低的復(fù)雜氣象條件下引導(dǎo)飛機(jī)進(jìn)場著陸的主要導(dǎo)航設(shè)備，能夠?qū)崟r顯示飛機(jī)目標(biāo)的位置，由地面人員通過人工判讀獲取飛機(jī)距跑道入口的距離、下滑偏離以及飛機(jī)相對于跑道中心線的方位偏離數(shù)據(jù)，再通過超短波電臺指揮引導(dǎo)飛機(jī)進(jìn)入和保持在安全的下滑航線上完成進(jìn)場著陸，這也是地面指揮員唯一能夠?qū)崟r掌握飛機(jī)著陸航跡的導(dǎo)航設(shè)備[1]。

在飛機(jī)進(jìn)近著陸階段，指揮員、領(lǐng)航員和操縱員等需兼顧多種通信導(dǎo)航業(yè)務(wù)和信息，無法做到不間斷地觀測每一架飛機(jī)的著陸狀態(tài)，特別是多批次、多架次飛機(jī)同時加入著陸航線時，飛機(jī)偏離預(yù)定著陸航線往往就在轉(zhuǎn)瞬之間，完全依賴人工監(jiān)視飛機(jī)著陸航跡容易出現(xiàn)誤報、漏報等情況，不能做到最大限度地減少飛行事故[2]。

1 航跡糾偏監(jiān)控設(shè)備的組成結(jié)構(gòu)及原理

航跡糾偏監(jiān)控設(shè)備是基于某型精密進(jìn)場雷達(dá)來設(shè)計和實現(xiàn)的，主要由硬件設(shè)計和軟件開發(fā)兩大部分組成，是一套能在地面實時、自動監(jiān)控飛機(jī)著陸航跡的設(shè)備[3]，其組成和引接原理如圖1所示。

圖1 航跡糾偏監(jiān)控設(shè)備組成

航跡糾偏監(jiān)控設(shè)備主要包括三大功能模塊，分別是航跡監(jiān)控、航跡分析和航跡時錄功能。航跡監(jiān)控是將某型雷達(dá)設(shè)備進(jìn)行動目標(biāo)檢測和數(shù)字化處理后的目標(biāo)跟蹤信號，經(jīng)串口光收發(fā)器和光纖傳輸至塔臺或20 km內(nèi)的任何地方，在工控機(jī)上運(yùn)行航跡糾偏軟件接收相應(yīng)目標(biāo)信息并進(jìn)行采集和分析，與飛行部門測算的理想下滑數(shù)據(jù)進(jìn)行比較、計算，當(dāng)航向或高度偏差不符合安全著陸要求時，設(shè)備按照三級不同的告警門限實時、自動發(fā)出不同的告警信號，提醒地面人員及時進(jìn)行指揮引導(dǎo)，提升了雷達(dá)地面監(jiān)視功能的智能化，可以有效減少或避免著陸階段的飛行事故[4]。航跡分析是將工控機(jī)接收的目標(biāo)信號進(jìn)行實時采集、記錄并繪制出飛機(jī)著陸時不同距離上的航向和高度曲線并進(jìn)行相應(yīng)誤差分析，將其偏離程度實時以圖表形式進(jìn)行直觀展示，以作為飛機(jī)著陸階段日常飛行訓(xùn)練的輔助分析手段，提高飛行訓(xùn)練效率。航跡時錄是通過視頻光端機(jī)和視頻采集卡將雷達(dá)最后顯示的VGA信號進(jìn)行引接和采集后，在工控機(jī)上實現(xiàn)雷達(dá)威力區(qū)內(nèi)所有飛機(jī)的著陸狀態(tài)和實施引導(dǎo)過程的同步錄取，即可作為雷達(dá)臺站學(xué)員的操報訓(xùn)練手段，又可作為飛機(jī)進(jìn)近著陸階段飛行事故的調(diào)查依據(jù)。

2 航跡糾偏監(jiān)控設(shè)備的硬件及人機(jī)交互設(shè)計

航跡糾偏監(jiān)控設(shè)備的數(shù)據(jù)來源于某型雷達(dá)捕捉到的目標(biāo)點跡及其位置信息，經(jīng)光端機(jī)和光纖送至終端設(shè)備進(jìn)行處理，通過開發(fā)航跡糾偏監(jiān)控軟件對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、顯示，實現(xiàn)航跡監(jiān)控、航跡記錄和航跡分析等功能[5]。硬件部分主要包括定制工控機(jī)、串口光收發(fā)器一對、視頻光端機(jī)一對、光纖、串口分配器、視頻分配器、雷達(dá)視頻采集卡、音頻連接線及轉(zhuǎn)接頭等，其引接方式如圖1所示。串口光收發(fā)器和視頻光端機(jī)都支持最大傳輸距離為20 km，以保證該設(shè)備能夠安裝于營區(qū)內(nèi)的任何位置，如果臺站需要安裝該設(shè)備，則無需使用光端機(jī)，可直接將信號引至工控機(jī)；串口分配器和視頻分配器建議選用單獨供電，以保證設(shè)備工作穩(wěn)定；雷達(dá)視頻采集卡可選用通用型視頻采集卡，視頻采集軟件可根據(jù)需要利用其提供的SDK軟件開發(fā)包進(jìn)行二次開發(fā)；工控機(jī)定制時需增加內(nèi)置PCI-E擴(kuò)展槽，用以安裝內(nèi)置雷達(dá)視頻采集卡，其它配置無特殊要求，能正常運(yùn)行一般軟件即可。

航跡糾偏監(jiān)控設(shè)備人機(jī)交互界面的設(shè)計是在充分調(diào)研各機(jī)場雷達(dá)使用需求的基礎(chǔ)上，將距離分段和加權(quán)系數(shù)全部以可修改的方式呈現(xiàn)給用戶，以適應(yīng)不同機(jī)型在不同機(jī)場執(zhí)行不同任務(wù)時調(diào)整使用；為使門限約束盡量準(zhǔn)確可靠，不同距離段的加權(quán)系數(shù)均可設(shè)置為百分比后的一位小數(shù)點；在監(jiān)控結(jié)果顯示區(qū)域，跟蹤幾批目標(biāo)就顯示幾批，最多顯示十批，并以不同顏色區(qū)分不同告警門限等級，在20 km以外只設(shè)置防止急墜門限，也就是門限三[6]。

在工控機(jī)上運(yùn)行航跡糾偏監(jiān)控軟件，主界面的操作菜單如圖2所示。主界面顯示的內(nèi)容包括軟件名稱、著陸方向、主批次號、距離、高度及線路狀態(tài)。主界面包括量程切換、機(jī)型切換、門限設(shè)置、航跡分析和退出按鈕共5種按鍵，若處于工作狀態(tài)時，畫面會顯示目標(biāo)位置和信息及主批次的批號、距離 、高度和線路通斷顯示情況。門限參數(shù)設(shè)置頁面包括，距離段設(shè)置，對應(yīng)距離段下3種門限參數(shù)設(shè)置，每種門限設(shè)置又包括下滑門限和航向門限兩種設(shè)置。航跡繪制頁面包括，下滑航跡繪制、下滑航跡偏差繪制，航向航跡繪制、航向航跡偏差繪制。點擊航跡繪制按鈕，將選擇的航跡記錄文件進(jìn)行繪制。

圖2 軟件人機(jī)交

雷達(dá)視頻采集軟件功能相對簡單，只涉及信號格式、視頻格式選擇和錄取存儲功能，這里采用視頻采集卡自帶軟件，經(jīng)多次驗證，該軟件允許穩(wěn)定可靠，操作方便，人機(jī)界面友好。

3 航跡糾偏監(jiān)控軟件設(shè)計及開發(fā)

3.1 航跡糾偏監(jiān)控軟件的總體設(shè)計

航跡糾偏監(jiān)控軟件通過RS232串口接收點跡信息，將目標(biāo)數(shù)據(jù)顯示在顯示界面上，對偏離目標(biāo)航跡門限進(jìn)行設(shè)置，并對已保存的航跡記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行輔助分析，將偏離程度以圖表形式進(jìn)行展示。軟件總體設(shè)計如圖3所示。軟件主要包括初始化模塊、數(shù)據(jù)接收模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和顯示模塊，其中航跡記錄保存和超出門限判斷功能隸屬數(shù)據(jù)處理模塊，航跡偏差繪制功能隸屬顯示模塊[7]。

圖3 航跡糾偏監(jiān)控軟件總體設(shè)計

3.2 航跡糾偏監(jiān)控軟件的流程圖

航跡糾偏監(jiān)控軟件的流程如圖4所示。航跡糾偏軟件主要有初始化、待機(jī)和工作3種工作模式。啟動航跡糾偏軟件后，軟件完成初始化，進(jìn)入主界面，根據(jù)串口通信狀態(tài)自動進(jìn)行工作模式的選擇。待機(jī)模式下航跡糾偏軟件可控制量程切換、機(jī)型切換，用戶可以在操作界面進(jìn)行門限設(shè)置，查看對應(yīng)航跡記錄文件航跡繪制內(nèi)容。工作模式下航跡糾偏軟件可進(jìn)行串口通信處理，對串口通信內(nèi)容進(jìn)行監(jiān)聽和解析，并對目標(biāo)航跡進(jìn)行記錄，對超門限情況進(jìn)行告警提示[8]。

圖4 航跡糾偏監(jiān)控軟件流程圖

3.3 航跡糾偏監(jiān)控軟件的編碼實現(xiàn)

航跡糾偏監(jiān)控軟件是在Windows環(huán)境下，采用Microsoft Visual Studio 10.0開發(fā)工具，用C#語言開發(fā)而成的[9]。

3.3.1 下滑或航向偏差計算

下滑偏差計算，根據(jù)串口傳送過來信息按協(xié)議對距離和高度進(jìn)行解析，得到目標(biāo)距離hx和目標(biāo)實際高度hy，根據(jù)當(dāng)前機(jī)型選擇按鈕顯示具體機(jī)型，畫面對應(yīng)顯示機(jī)型下滑線，根據(jù)目標(biāo)距離hx帶入對應(yīng)理想下滑線的分段函數(shù)中，計算出理想高度，并用實際高度減去理想高度計算出下滑偏差即可[10]。

hx= ((dataR2[3] / 2) * 256 + dataR2[3] % 2 * 128 + dataR2[4]) * 40;//處理距離高字;

hy= (int)(Math.Tan(Math.PI / 180 * ((442 - ((dataR2[5] / 2) * 256 + dataR2[5] % 2 * 128 + dataR2[6])) / 45.4 - 0.02)) * (hx + dis1)) + dis3;//處理高度高字節(jié)

航向偏差計算，根據(jù)協(xié)議解析得到目標(biāo)距離hx和目標(biāo)航向畫面像素點縱坐標(biāo)位置hy，根據(jù)雷達(dá)航向畫面0°線所在像素點位置為764，根據(jù)公式利用764減去縱坐標(biāo)h得出差除以代表1度的像素點22.7，得出雷達(dá)航向角，利用公式將其轉(zhuǎn)為跑道航向角，即為距離跑道中心線的航向角偏差。

跑道航向角=Atan(((目標(biāo)距離hx+后撤距離)*tan(雷達(dá)航向角)-跑道距離)/(目標(biāo)距離hx+后撤距離) )

3.3.2 門限比對算法

該算法主要完成超出3個門限的亮燈警告，其中距離段分為0～10公里和10～20公里兩個距離段，距離值可進(jìn)行自主定義，門限參數(shù)設(shè)置框中完成，其中textBox27.Text、textBox25.Text、textBox34.Text和textBox33.Text分別為4個距離輸入值來完成對這兩個距離段的限制，其中textBox29.Text、textBox42.Text、textBox45.Text為10～20 km距離段下滑畫面3個門限值，當(dāng)目標(biāo)距離處于10～20 km范圍內(nèi)時，代碼將計算出來的下滑偏差值與這3個設(shè)置值進(jìn)行比對，看下滑偏差值在設(shè)置的門限當(dāng)中所處的是什么范圍，若未超出門限一則對應(yīng)批次亮燈警告顯示為綠色，若超出門限一但未超出門限二顯示為黃色，若超出門限二且未超出門限三顯示為紫色，若超出門限三則顯示為紅色[11]。當(dāng)目標(biāo)距離處于0～10 km范圍內(nèi)時，算法一致。

3.3.3 急墜判斷方法

該算法主要實現(xiàn)急墜判斷并作出報警音提示，hy值代表當(dāng)前實際所處高度值，然后根據(jù)距離值hx和裝訂參數(shù)中此機(jī)型的理想下滑線計算出當(dāng)前理想高度值，然后對理想高度值和實際所處高度值作差，計算出偏差值，用變量n[dataR2[2] - 1]標(biāo)識，當(dāng)距離大于20 km時，若偏差值n[dataR2[2] - 1]小于距離與比例系數(shù)(20 km以外的門限三系數(shù))的乘積a*hx/100，則表示下墜值過大，對飛行造成威脅，則進(jìn)行報警提示，textBox47.Text為20 km以外的門限三系數(shù)。

3.4 關(guān)鍵難點

3.4.1 門限告警實時響應(yīng)

門限告警實時性不佳，一開始使用計時器原理進(jìn)行門限告警功能設(shè)置，發(fā)現(xiàn)實時性無法得到保證，計時器時間太長容易延后，太短過于占CPU資源，后在串口響應(yīng)函數(shù)中實時進(jìn)行處理，問題解決。

3.4.2 航跡分析數(shù)據(jù)保存

航跡記錄保存時，數(shù)據(jù)保存問題，目的是將一批次同一批號航跡數(shù)據(jù)保存在一個TXT文件中，因保存數(shù)據(jù)的TXT文件名稱為批次號，文件名無法區(qū)分當(dāng)批號相同下一批次航跡數(shù)據(jù)，容易將兩批次航跡數(shù)據(jù)保存在同一TXT文件中，后加更改當(dāng)檢測到距離小于1 km時，默認(rèn)著陸已完成，將TXT文件進(jìn)行封裝保存，TXT文件名稱更改為批次號加當(dāng)前系統(tǒng)時間(即著陸時間)，對下一批號進(jìn)行區(qū)分。

航跡記錄保存時，若出現(xiàn)目標(biāo)突然消失，當(dāng)重新出現(xiàn)目標(biāo)距離上一位置過遠(yuǎn)時，數(shù)據(jù)連續(xù)性無法得到保障，航跡偏差也會繪制不完整，經(jīng)考慮當(dāng)同一批號連續(xù)位置距離大于2 km時，對已經(jīng)保存的數(shù)據(jù)TXT文件名進(jìn)行批次號加當(dāng)前時間命名，對新數(shù)據(jù)重新建立TXT文件進(jìn)行存儲。

航跡記錄保存時，若出現(xiàn)目標(biāo)丟失，將當(dāng)前批次號賦值給新目標(biāo)，一般新目標(biāo)距離值會大于丟失目標(biāo)的距離，給用戶一種飛機(jī)突然“倒飛”的感覺，此時加上判斷若出現(xiàn)此種情況，則對前后數(shù)據(jù)進(jìn)行分別存儲，以免有誤[12]。

3.4.3 三類告警門限設(shè)置

我們知道，飛機(jī)著陸階段，距跑道端越近要求越高，如果在所有的距離上采用一個門限進(jìn)行監(jiān)控，勢必會造成遠(yuǎn)距離合適、近距離不合要求的情況，經(jīng)多次實驗和論證，三類門限分別按距離分成三段進(jìn)行限制，每一段用距離乘系數(shù)進(jìn)行約束，類似于一個3×3的矩陣，從而實現(xiàn)遠(yuǎn)距離和近距離按不同要求進(jìn)行門限設(shè)置。

另外，門限過多，提示混亂，特別是多批次目標(biāo)同時加入著陸航線時，出現(xiàn)告警信號無法區(qū)分是哪一批次，經(jīng)多次實驗論證，在顯示畫面右邊采用不同顏色顯示當(dāng)前批次的著陸狀態(tài)，綠色為正常，黃色為超門限一，紫色為超門限二，紅色為超門限三，同時超門限三時會發(fā)出告警音。

對于20 km以外的目標(biāo)只設(shè)置一個急墜門限，無需進(jìn)行門限一和門限二約束。

4 實驗結(jié)果及分析

經(jīng)實際測試，航跡監(jiān)控、航跡分析和航跡時錄功能均能達(dá)到要求，如圖5所示。圖5(a)為同時監(jiān)控4批目標(biāo)的顯示畫面，左邊顯示四批目標(biāo)的著陸狀態(tài)，右邊顯示彩色方塊的區(qū)域即為四批目標(biāo)超限的狀態(tài)，從圖中可以看出，第一批目標(biāo)下滑門限一告警，航向正常；第二批目標(biāo)下滑、航向均正常；第三批目標(biāo)下滑正常，航向門限三告警，此時伴有聲音告警，需及時進(jìn)行指揮引導(dǎo)；第四批目標(biāo)下滑門限二告警，航向門限三告警，此時伴有聲音告警，需及時進(jìn)行指揮引導(dǎo)。由此可見，要想獲知目標(biāo)著陸狀態(tài)，只需關(guān)注告警區(qū)域的顏色和聲音即可，特別是聽到告警音時，一定要及時關(guān)注和引導(dǎo)。圖5(b)顯示的是某批目標(biāo)的航跡分析曲線，上面兩張是下滑的著陸和誤差曲線，下面兩張是航向的著陸和誤差曲線。飛機(jī)批次可通過打開的文件號進(jìn)行區(qū)分。

圖5 航跡糾偏監(jiān)控軟件工作畫面

航跡糾偏監(jiān)控設(shè)備經(jīng)多次試驗和初步試用，能夠達(dá)到預(yù)期功能和效果，特別是對于多批次飛機(jī)同時加入著陸航線時，領(lǐng)航員能夠輕松兼顧到所有飛機(jī)的飛行狀態(tài)，提高了工作效率和地面監(jiān)視功能的可靠性；航跡時錄因為存儲容量和功能的擴(kuò)展，不僅可替代臺站時錄儀的功能，還能把飛機(jī)著陸的全過程進(jìn)行復(fù)盤。

5 結(jié)束語

本文針對某型雷達(dá)完全依賴人工監(jiān)視飛機(jī)著陸航跡的缺陷和航跡記錄功能受存儲卡容量限制無法正常使用的現(xiàn)狀，通過立足現(xiàn)有裝備實際需求，研制了飛機(jī)著陸航跡糾偏監(jiān)控設(shè)備。該設(shè)備接收顯示分機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)包并進(jìn)行處理，對飛機(jī)著陸航跡按三類不同告警門限進(jìn)行糾偏告警，告警門限的設(shè)置遵循“距離跑道越近，著陸要求越高”的原則，以距離分段乘不同的百分比系數(shù)來進(jìn)行約束；可對著陸航跡進(jìn)行輔助分析，將航跡偏差以圖表形式繪制，可供飛行員下次飛行時進(jìn)行參考調(diào)整；考慮到航跡記錄內(nèi)容的完整性和可參考性，采用視頻采集卡對雷達(dá)捕捉到的原始RGB視頻信號和指揮引導(dǎo)語音信號進(jìn)行同步、實時采集，采集的視頻文件保存在計算機(jī)硬盤上，可供隨時復(fù)盤查看。

該項研究從提升某型雷達(dá)的實戰(zhàn)化保障能力出發(fā)，提出了利用雷達(dá)捕捉到的目標(biāo)回波信號實現(xiàn)自動監(jiān)控飛機(jī)著陸航跡，彌補(bǔ)了雷達(dá)設(shè)備完全依賴人工監(jiān)視目標(biāo)的缺陷，向雷達(dá)設(shè)備的智能化、自動化邁出了一大步，初步勾畫了未來著陸雷達(dá)設(shè)備的無人值守模式；提出了利用雷達(dá)設(shè)備捕捉的信號對飛機(jī)著陸階段的飛行訓(xùn)練質(zhì)量進(jìn)行輔助分析，該輔助分析手段具有較高的實時性，飛機(jī)落地即可出分析結(jié)果，無須等待后期復(fù)盤；可同步錄取加入著陸航線的所有目標(biāo)的航跡和指揮引導(dǎo)過程音視頻，并以預(yù)定文件名和格式存儲，方便隨時調(diào)用查看，可供學(xué)員操報訓(xùn)練之用，同時為著陸階段飛行事故分析提供依據(jù)。

該設(shè)備突出雷達(dá)地面監(jiān)視功能的智能化、著陸狀態(tài)和實施引導(dǎo)過程的可靠性、航跡信息輔助分析的實時性，突出裝備性能的深層挖掘，可在一定程度上預(yù)防和減少飛機(jī)著陸階段的飛行事故，是一項開創(chuàng)性的研究。該設(shè)備可安裝于指揮所、塔臺和雷達(dá)站等，適用于任何配備有某型精密進(jìn)場雷達(dá)的機(jī)場，且無需增加機(jī)載設(shè)備，即可服務(wù)于所有機(jī)型，具有較好的推廣價值和應(yīng)用前景。