陳洋+王小龍+胡斌+肖遙+劉奎

摘 要：文章研究了當(dāng)前國內(nèi)低空空域監(jiān)管方式的優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了北斗二代、低空雷達(dá)協(xié)同監(jiān)視的數(shù)據(jù)融合架構(gòu)，特別是設(shè)計(jì)了北斗二代與低空雷達(dá)協(xié)同監(jiān)視的航跡融合方式，分析了通用航空器的場面行為，優(yōu)化了視頻與北斗二代協(xié)同監(jiān)視的算法結(jié)構(gòu)。通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本套系統(tǒng)使用成本低、監(jiān)視精度高、易于推廣。

關(guān)鍵詞：低空監(jiān)視；北斗二代；低空雷達(dá)；視頻；協(xié)同監(jiān)視

引言

低空空域監(jiān)視系統(tǒng)是保障通航運(yùn)輸安全高效有序運(yùn)行的核心系統(tǒng)。隨著通航事業(yè)的快速發(fā)展及低空空域的逐漸開放，針對低空空域監(jiān)視技術(shù)研究也日益增加。低空雷達(dá)監(jiān)視精度高，但在雷達(dá)上空存在監(jiān)視盲區(qū)，基于北斗二代的星基監(jiān)視獲取飛機(jī)自身的信息，其精確度有待進(jìn)一步確認(rèn)，視頻監(jiān)視僅能捕捉航空器的場面行為。因此，作者設(shè)計(jì)了一種用于低空空域的多源監(jiān)視系統(tǒng)，在地側(cè)利用北斗二代與視頻協(xié)同監(jiān)視，在空側(cè)利用北斗二代與低空雷達(dá)協(xié)同監(jiān)視，再利用C#編程語言編寫軟件界面，從而制成一套精度高、成本低、易于推廣的低空空域監(jiān)視系統(tǒng)。

針對當(dāng)前低空空域監(jiān)視設(shè)備精度低，無法完全覆蓋低空空域的現(xiàn)狀，本系統(tǒng)采用多雷達(dá)航跡與北斗二代星基導(dǎo)航航跡相結(jié)合，再利用北斗二代與視頻協(xié)同分析機(jī)場的場面行為，從而實(shí)現(xiàn)對整個(gè)飛行剖面的高精度實(shí)時(shí)監(jiān)控。同時(shí)，飛行員與監(jiān)管人員也可根據(jù)這些信息利用4G網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)溝通，從而在低空空域進(jìn)一步推進(jìn)由空中交通管制向空中交通服務(wù)的轉(zhuǎn)變。

1 北斗二代與雷達(dá)數(shù)據(jù)融合架構(gòu)

本系統(tǒng)升級了初始化、航跡管理和濾波系統(tǒng)，以接收北斗數(shù)據(jù)并管理多傳感器航跡。這種監(jiān)視方法可降低多雷達(dá)監(jiān)視能力衰退的風(fēng)險(xiǎn)。

北斗二代分支：北斗二代分支通過預(yù)關(guān)聯(lián)和關(guān)聯(lián)對北斗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并生成多傳感器監(jiān)視航跡，預(yù)處理以運(yùn)動學(xué)窗體和航空器航跡配對為基礎(chǔ)，聯(lián)系過程將為航跡管理過程找出最好的航跡配對。測量模塊將給出航空器的位置，所有處理過程都建立在由WGS-84坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的笛卡爾坐標(biāo)系中。

通用分支：通用分支原則與多雷達(dá)監(jiān)視系統(tǒng)相似，初始化過程允許用雷達(dá)數(shù)據(jù)模擬航跡，此時(shí)的航跡管理可管理多傳感器數(shù)據(jù)。對于這種傳感器，狀態(tài)方程可表示為：

σ是XY平面地面加速度的方差，σ是Z平面垂直加速度的方差。

因此卡爾曼濾波可根據(jù)目標(biāo)行為從不同方向進(jìn)行適配：

（1）沿XY平面的變化量：σqk

（2）沿Z軸的變化量：σqk

誤差評價(jià)處理基于一些系統(tǒng)航跡參考系的選擇，不需要更新多傳感器監(jiān)視系統(tǒng)的范圍。

2 北斗二代與視頻協(xié)同監(jiān)視算法

場面視頻與北斗二代協(xié)同監(jiān)視的原理圖如圖1所示：

機(jī)場邊緣的不同位置的多個(gè)攝像頭以不同的方位角捕獲目標(biāo)，通過這些攝像頭的位置和方位角，我們可以推出目標(biāo)和攝像頭群組之間的相對關(guān)系，進(jìn)而計(jì)算出目標(biāo)的位置。理論上，為探測目標(biāo)的空間位置，應(yīng)確保3個(gè)不在同一條直線上的點(diǎn)同時(shí)對目標(biāo)進(jìn)行探測。

影響Pt的主要因素有兩點(diǎn)：（1）目標(biāo)與攝像頭群組的位置關(guān)系；（2）攝像頭的測向精度。因此，準(zhǔn)確定位還需要進(jìn)行誤差分析。

3 地面端軟件設(shè)計(jì)

地面端軟件通過移動網(wǎng)絡(luò)同時(shí)接收地側(cè)監(jiān)視系統(tǒng)和空側(cè)監(jiān)視系統(tǒng)的飛行數(shù)據(jù)源碼，并通過編程語言解析融合的數(shù)據(jù)源碼。

在地側(cè)可實(shí)現(xiàn)把北斗數(shù)據(jù)中的航班標(biāo)識牌信息關(guān)聯(lián)到視頻上實(shí)現(xiàn)自動掛標(biāo)牌。根據(jù)航空器的標(biāo)識、圖像坐標(biāo)、面積、形狀、特征點(diǎn)等信息對目標(biāo)在圖像序列中匹配，完成對運(yùn)動的目標(biāo)跟蹤和軌跡提取。利用提取軌跡的結(jié)果對航空器、車輛、人員等監(jiān)視目標(biāo)的行為進(jìn)行預(yù)測，進(jìn)行道面運(yùn)行沖突分析，避免跑道入侵、飛機(jī)碰撞的發(fā)生。結(jié)合視頻數(shù)據(jù)及航空器信息，計(jì)算出航空器滑行中的等待時(shí)間及燃油消耗，并導(dǎo)入相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫。

在空側(cè)可實(shí)現(xiàn)對每架航空器的掛牌，監(jiān)管人員通過人性化的顯示界面可以對每架航空器進(jìn)行位置監(jiān)視，從而對航線沖突進(jìn)行預(yù)判，提前調(diào)配航路航線。同時(shí)本軟件可記錄全程飛行數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)歷史回放，為以后的研究提供豐富的數(shù)據(jù)支持。航班信息顯示模塊顯示了每架航空器的注冊號、航班號、經(jīng)緯度等信息，實(shí)現(xiàn)對每架航空器高精度監(jiān)視，用戶可以隨時(shí)查看某架航班的信息。航班運(yùn)行信息顯示模塊顯示每架航空器具體信息，包括航班呼號、機(jī)型、當(dāng)前的飛行狀態(tài)等，能夠幫助用戶掌握一定區(qū)域內(nèi)每架航空器的動態(tài)信息，以實(shí)現(xiàn)對本區(qū)域內(nèi)通用航空器的高效監(jiān)視與管理。

4 結(jié)束語

（1）本套在空側(cè)采用優(yōu)化的北斗二代與低空雷達(dá)協(xié)同定位，拓寬了傳統(tǒng)多雷達(dá)監(jiān)視系統(tǒng)在低空的監(jiān)視范圍。同時(shí)，通過融合北斗二代與低空雷達(dá)的監(jiān)視數(shù)據(jù)，進(jìn)一步提高了監(jiān)視精度。

（2）本套系統(tǒng)在地側(cè)采用北斗二代與視頻協(xié)同監(jiān)視算法，通過在機(jī)場指定的位置安插的攝像頭可實(shí)現(xiàn)對場面航空器行為的全面捕捉。

（3）當(dāng)前通航產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展，國家近年來也不斷出臺相關(guān)政策鼓勵(lì)通航發(fā)展，特別是大力興建通航機(jī)場與開放低空空域試點(diǎn)，而當(dāng)前低空空域管理相當(dāng)混亂，特別是無人機(jī)黑飛的現(xiàn)象更是十分嚴(yán)重，因此低空空域監(jiān)視系統(tǒng)在未來將擁有廣闊的應(yīng)用前景。

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