飞机精确进场光电引导及全景监视系统方案

1.概述
本节总结目前飞机进场引导的几种方式,以及其优缺点和发展趋势
飞机的起飞与降落是飞行的极为重要的环节,根据世界各地事故调查机构编制的资料来看有48%的事故发生在飞机进场期间,由此可见可靠精确的飞机进场引导系统可以大大提高飞行安全,减少和防止进场事故的发生。

1.1常规的光学助降系统

图1 菲涅尔透镜光学助降系统

如图1所示,菲涅尔透镜光学助降系统地工作原理是基于菲涅尔透镜原理,在不同的高度和角度看到的灯的颜色不同,飞行员依据所观察到的灯的颜色调整飞机进场时的高度和航线,从而获得正确的下滑轨迹。
这种光学助降系统开创了飞机从进场到触地保持等角下滑的带动力的先进着陆模式,它简单可靠、目视直观、技术成熟、成本低、近距离性能好(可一直到决断点)。主要缺点是作用距离较近,特别是在雨雾等不良天气条件下,作用距离将大大降低。为了克服这个缺点,于是便有了全天候雷达引导进场系统。

1.2雷达进场引导系统
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图2 雷达进场引导系统

如图2所示,为一典型的雷达跟踪进场引导系统,它包括精密跟踪雷达、数字计算机、显控台和通信装置组成。当飞机被导航雷达或塔康系统引导到预定进近窗口后,跟踪雷达捕获并跟踪飞机,测出其准确的位置和运动等参数送入计算机,求出飞机的理想下滑位置,然后再由计算机将实际位置与理想位置进行比较 ,求出误差信号,通过通信设备将这些信息发送至飞飞行员。飞行员修正下滑误差,使飞机准确地安全降落。
雷达进场引导系统优点是作用距离远 (可达数十千米),全天候能力强,助降精度较高。其不足之处主要是抗干扰,特别是抗电子战能力差,在要求无线电寂静状态下不能工作。
采用进场引导雷达和常规光学助降系统的等角下滑进近着陆引导体制存在的主要缺点是引导精度不高,抗电子战能力差,不能提供视景。随着光电子技术和装备的发展,20世纪末,人们开始研究将光电系统固有的高分辨率和抗电磁干扰能力用于飞机进场着陆引导

1.3光电进场引导系统
以美国21世纪初研制的进近着舰光电引导系统(Visual)为例说明该系统大致原理和特点。
图3 美国进近着舰光电引导系统(Visual)
图4 Visual系统布局

图5 Visual屏幕显示

如图3到图5所示为美国Visual飞机着舰光电引导系统,基本组成为高精度光电跟踪转台,它内置:
  • TV(CCD)、IR(热像)两种成像设备,以适应对进场飞机的日、夜视频探测。
  • 内置激光测距仪
  • 视频跟踪控制系统。
通过高精度光电跟踪系统及激光测距仪,可以精确探测飞机的位置和姿态,从而判断飞机是否以规定的下滑线进近。因为有视频,所以还可以监视飞机起落架状态。

1.4不同进场引导系统的性能比较
表1 不同体制飞机助降系统的性能比较
  光学助降系统 雷达进场引导系统 光电进场引导系统
作用距离
引导精度 较低
视景
气候适应力
抗电子战能力
技术成熟度
适装性
成本

从表1我们看到:

  • 常规光学助降系统是飞机进场引导系统中最传统但具有生命力的引导装备,迄今仍在使用并不断改进和发展。
  • 雷达引导进场是现阶段飞机进近着陆引导的核心装备,具有全天候、远距离的特点,但引导精度还不够高,易被干扰,不能得到图像信息。
  • 微波着陆系统 (MLS)仍然存在诸多问题。
  • 利用差分全球定位系统 (DGPS) 实现自动着陆具有很好的发展前途,但目前技术还不够成熟。
  • 光电引导是进场引导系统的发展方向,是实现着陆引导特别是自动着陆引导的重要手段。
  • 多种引导手段互相匹配,互补共存,构成完善可靠的进近和着舰引导系统是当前保证着舰安全,提高着舰效率的最佳配置方案。

2.飞机精确进场光电引导及监视系统方案

2.1 系统功能
系统具有三大功能:
  1. 进场引导;
  2. 全景监视。
  3. 视频和数据记录和回放,为日后分析和总结提供视频和数据等依据。

2.1.1 进场引导

图6进场引导

如图6所示,由高精度光电跟踪转台跟踪并计算飞机的下滑轨迹,依据理想下滑曲线,提供引导进场信息,如高度,偏航角、下滑角等信息,同时反馈给飞行员,从而精确地引导飞机进场着陆。同时通过视频图像,对飞机起落架状态进行监视和告警。

2.1.2 全景监视
如下图所示,将多个摄像机的视频画面,通过图像处理的方法进行对齐配准,形成一个超视场高分辨率的全景图。这种监视效果,给观察者以非常好的全局感、便于理解视频,视野开阔壮观,从而获得非常好的监视效果。

图7 实时全景拼接


2.2 系统组成
多传感器光电引导系统是以激光测距仪、红外摄像机、电视摄像机,以及视频跟踪器为基础,以精确测量进场航迹对理想下滑道的偏差并增强地面指挥人员对着落飞机飞行情况(主要是飞行姿态、机种和起落架是否放下等) 的监视,从而完成着落态势评估和判决的一种引导体制 。 另外提供机场的全景视频监控 ,同时记录所有的视频和数据,为日后得分析和总结提供参考。其系统组成及原理如下图8所示。

图8 系统组成框图

  1. 多传感器光电转塔:用于跟踪进场或起飞的飞机,作为计算飞机的下滑轨迹所需参数的传感器 。其组成由:高精度转台、CCD摄像机、热像仪、激光测距仪、伺服控制设备等。
  2. 监视摄像机,由6-8个摄像机组成:构成对整个起飞降落空间的无死角监控,多路摄像机输出视频通过图像处理计算机进行拼接显示,形成机场的全景视频监控。
  3. 图像处理计算机:完成图像处理和显示功能,一方面控制多传感器光电转塔对飞机的跟踪测量,一方面实现多摄像机画面的全景拼接。同时对飞机起降视频和有关参数进行记录和回放。为事后进行分析总结提供视频和有关数据。
  4. 进场引导屏:显示光电转塔的飞机视频跟踪视频,用于观察飞机起落架的状态,另有方面显示飞机下滑轨迹,并对有关参数进行告警提示。
  5. 全景监视屏:显示机场的全景实时视频,可用于对飞机整个起降过程的观察。同时也可以用作对机场的日常监视和记录。
光电传感器测得飞机的距离、方位角、高低角和图像,连同其它的雷达数据,送入地面控制站计算机,经过地面控制站综合处理,形成包括图像、图形、数据、字符的综合显示信息,分别发送给地面指挥人员和其它相关的调度人员观看和指挥。在综合处理的过程中,系统进行自动跟踪并实时测量飞机位置、速度、相对理想下滑道的偏差数据,监视飞机的飞行姿态,自动辨别飞机的种类和起落架及挂钩是否放下,将所有这些信息以人机界面友好的方式告知地面指挥人员,地面指挥人员以此通知飞行人员,飞行员据此调整飞机的航线、姿态、速度和高度,准备着落。地面指挥官则根据所掌握的着落情况和其它相关信息指挥着落或令其复飞。
光电多传感器引导系统是一种全新的体制,它既可以测量飞机的精确位置,也可得到飞机的高分辨率图像,方位角和仰角精度分别为±0.6毫弧度和±0.3毫弧度。光电引导系统的另一可贵之处是可在电子战环境下工作,克服了雷达等电子助降系统的致命弱点,这一点对现代战争条件下显得尤为重要。
光电系统并不取代雷达的远距离功能,与雷达引导系统相互配合,引导雷达主要完成全天候、远距离进近阶段的引导,光电引导系统则主要完成精密进场降落阶段的引导,同时兼顾飞机姿态和着落结构(如起落架是否打开)操作状态的监视功能,以降低对飞机起降综合视频监视系统的压力。因此,光电引导系统将在最后的精密进场降落阶段发挥其优势。
全景拼接技术的使用,给操作人员提供了全局的视觉监视能力。
视频和数据记录,为日后的分析和总结提供了直观的参考。

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