楊法紅,馬志偉,李 輝,姚 超,陳星光
(1.中國(guó)人民解放軍92524部隊(duì),浙江 寧波 315020; 2.中國(guó)人民解放軍91428部隊(duì),浙江 寧波 315456;3.中國(guó)人民解放軍92919部隊(duì),浙江 寧波 315020; 4.陜西長(zhǎng)嶺電子科技有限責(zé)任公司,陜西 寶雞 721006)
飛機(jī)進(jìn)近著陸階段時(shí)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(duì)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(jí)指揮人員關(guān)注的重要問(wèn)題。某型精密進(jìn)場(chǎng)雷達(dá)是機(jī)場(chǎng)用于能見(jiàn)度低、云底較低的復(fù)雜氣象條件下引導(dǎo)飛機(jī)進(jìn)場(chǎng)著陸的主要導(dǎo)航設(shè)備,能夠?qū)崟r(shí)顯示飛機(jī)目標(biāo)的位置,由地面人員通過(guò)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(duì)于跑道中心線的方位偏離數(shù)據(jù),再通過(guò)超短波電臺(tái)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(chǎng)著陸,這也是地面指揮員唯一能夠?qū)崟r(shí)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(wú)法做到不間斷地觀測(cè)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(shí)加入著陸航線時(shí),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(bào)、漏報(bào)等情況,不能做到最大限度地減少飛行事故[2]。
航跡糾偏監(jiān)控設(shè)備是基于某型精密進(jìn)場(chǎng)雷達(dá)來(lái)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的,主要由硬件設(shè)計(jì)和軟件開(kāi)發(fā)兩大部分組成,是一套能在地面實(shí)時(shí)、自動(dòng)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(shí)錄功能。航跡監(jiān)控是將某型雷達(dá)設(shè)備進(jìn)行動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)和數(shù)字化處理后的目標(biāo)跟蹤信號(hào),經(jīng)串口光收發(fā)器和光纖傳輸至塔臺(tái)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(cè)算的理想下滑數(shù)據(jù)進(jìn)行比較、計(jì)算,當(dāng)航向或高度偏差不符合安全著陸要求時(shí),設(shè)備按照三級(jí)不同的告警門限實(shí)時(shí)、自動(dòng)發(fā)出不同的告警信號(hào),提醒地面人員及時(shí)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(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、記錄并繪制出飛機(jī)著陸時(shí)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(shí)時(shí)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(shí)錄是通過(guò)視頻光端機(jī)和視頻采集卡將雷達(dá)最后顯示的VGA信號(hào)進(jìn)行引接和采集后,在工控機(jī)上實(shí)現(xiàn)雷達(dá)威力區(qū)內(nèi)所有飛機(jī)的著陸狀態(tài)和實(shí)施引導(dǎo)過(guò)程的同步錄取,即可作為雷達(dá)臺(tái)站學(xué)員的操報(bào)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)。
航跡糾偏監(jiān)控設(shè)備的數(shù)據(jù)來(lái)源于某型雷達(dá)捕捉到的目標(biāo)點(diǎn)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(guò)開(kāi)發(fā)航跡糾偏監(jiān)控軟件對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、顯示,實(shí)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(duì)、視頻光端機(jī)一對(duì)、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(yíng)區(qū)內(nèi)的任何位置,如果臺(tái)站需要安裝該設(shè)備,則無(wú)需使用光端機(jī),可直接將信號(hào)引至工控機(jī);串口分配器和視頻分配器建議選用單獨(dú)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(kāi)發(fā)包進(jìn)行二次開(kāi)發(fā);工控機(jī)定制時(shí)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(wú)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(jì)是在充分調(diào)研各機(jī)場(chǎng)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(chǎng)執(zhí)行不同任務(wù)時(shí)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(diǎn);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(jí),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(hào)、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(shí),畫(huà)面會(huì)顯示目標(biāo)位置和信息及主批次的批號(hào)、距離 、高度和線路通斷顯示情況。門限參數(shù)設(shè)置頁(yè)面包括,距離段設(shè)置,對(duì)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(yè)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(diǎn)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(duì)簡(jiǎn)單,只涉及信號(hào)格式、視頻格式選擇和錄取存儲(chǔ)功能,這里采用視頻采集卡自帶軟件,經(jīng)多次驗(yàn)證,該軟件允許穩(wěn)定可靠,操作方便,人機(jī)界面友好。
航跡糾偏監(jiān)控軟件通過(guò)RS232串口接收點(diǎn)跡信息,將目標(biāo)數(shù)據(jù)顯示在顯示界面上,對(duì)偏離目標(biāo)航跡門限進(jìn)行設(shè)置,并對(duì)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(jì)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(jì)
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(dòng)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(dòng)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(duì)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(duì)串口通信內(nèi)容進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)和解析,并對(duì)目標(biāo)航跡進(jìn)行記錄,對(duì)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
航跡糾偏監(jiān)控軟件是在Windows環(huán)境下,采用Microsoft Visual Studio 10.0開(kāi)發(fā)工具,用C#語(yǔ)言開(kāi)發(fā)而成的[9]。
3.3.1 下滑或航向偏差計(jì)算
下滑偏差計(jì)算,根據(jù)串口傳送過(guò)來(lái)信息按協(xié)議對(duì)距離和高度進(jìn)行解析,得到目標(biāo)距離hx和目標(biāo)實(shí)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(huà)面對(duì)應(yīng)顯示機(jī)型下滑線,根據(jù)目標(biāo)距離hx帶入對(duì)應(yīng)理想下滑線的分段函數(shù)中,計(jì)算出理想高度,并用實(shí)際高度減去理想高度計(jì)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(jì)算,根據(jù)協(xié)議解析得到目標(biāo)距離hx和目標(biāo)航向畫(huà)面像素點(diǎn)縱坐標(biāo)位置hy,根據(jù)雷達(dá)航向畫(huà)面0°線所在像素點(diǎn)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(diǎn)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(duì)算法
該算法主要完成超出3個(gè)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(gè)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(gè)距離輸入值來(lái)完成對(duì)這兩個(gè)距離段的限制,其中textBox29.Text、textBox42.Text、textBox45.Text為10~20 km距離段下滑畫(huà)面3個(gè)門限值,當(dāng)目標(biāo)距離處于10~20 km范圍內(nèi)時(shí),代碼將計(jì)算出來(lái)的下滑偏差值與這3個(gè)設(shè)置值進(jìn)行比對(duì),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(duì)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(shí),算法一致。
3.3.3 急墜判斷方法
該算法主要實(shí)現(xiàn)急墜判斷并作出報(bào)警音提示,hy值代表當(dāng)前實(shí)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(jì)算出當(dāng)前理想高度值,然后對(duì)理想高度值和實(shí)際所處高度值作差,計(jì)算出偏差值,用變量n[dataR2[2] - 1]標(biāo)識(shí),當(dāng)距離大于20 km時(shí),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(guò)大,對(duì)飛行造成威脅,則進(jìn)行報(bào)警提示,textBox47.Text為20 km以外的門限三系數(shù)。
3.4.1 門限告警實(shí)時(shí)響應(yīng)
門限告警實(shí)時(shí)性不佳,一開(kāi)始使用計(jì)時(shí)器原理進(jìn)行門限告警功能設(shè)置,發(fā)現(xiàn)實(shí)時(shí)性無(wú)法得到保證,計(jì)時(shí)器時(shí)間太長(zhǎng)容易延后,太短過(guò)于占CPU資源,后在串口響應(yīng)函數(shù)中實(shí)時(shí)進(jìn)行處理,問(wèn)題解決。
3.4.2 航跡分析數(shù)據(jù)保存
航跡記錄保存時(shí),數(shù)據(jù)保存問(wèn)題,目的是將一批次同一批號(hào)航跡數(shù)據(jù)保存在一個(gè)TXT文件中,因保存數(shù)據(jù)的TXT文件名稱為批次號(hào),文件名無(wú)法區(qū)分當(dāng)批號(hào)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(cè)到距離小于1 km時(shí),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(hào)加當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間(即著陸時(shí)間),對(duì)下一批號(hào)進(jìn)行區(qū)分。
航跡記錄保存時(shí),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(guò)遠(yuǎn)時(shí),數(shù)據(jù)連續(xù)性無(wú)法得到保障,航跡偏差也會(huì)繪制不完整,經(jīng)考慮當(dāng)同一批號(hào)連續(xù)位置距離大于2 km時(shí),對(duì)已經(jīng)保存的數(shù)據(jù)TXT文件名進(jìn)行批次號(hào)加當(dāng)前時(shí)間命名,對(duì)新數(shù)據(jù)重新建立TXT文件進(jìn)行存儲(chǔ)。
航跡記錄保存時(shí),若出現(xiàn)目標(biāo)丟失,將當(dāng)前批次號(hào)賦值給新目標(biāo),一般新目標(biāo)距離值會(huì)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(jué),此時(shí)加上判斷若出現(xiàn)此種情況,則對(duì)前后數(shù)據(jù)進(jìn)行分別存儲(chǔ),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(gè)門限進(jìn)行監(jiān)控,勢(shì)必會(huì)造成遠(yuǎn)距離合適、近距離不合要求的情況,經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)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(gè)3×3的矩陣,從而實(shí)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(guò)多,提示混亂,特別是多批次目標(biāo)同時(shí)加入著陸航線時(shí),出現(xiàn)告警信號(hào)無(wú)法區(qū)分是哪一批次,經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)論證,在顯示畫(huà)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(shí)超門限三時(shí)會(huì)發(fā)出告警音。
對(duì)于20 km以外的目標(biāo)只設(shè)置一個(gè)急墜門限,無(wú)需進(jìn)行門限一和門限二約束。
經(jīng)實(shí)際測(cè)試,航跡監(jiān)控、航跡分析和航跡時(shí)錄功能均能達(dá)到要求,如圖5所示。圖5(a)為同時(shí)監(jiān)控4批目標(biāo)的顯示畫(huà)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(shí)伴有聲音告警,需及時(shí)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(shí)伴有聲音告警,需及時(shí)進(jìn)行指揮引導(dǎo)。由此可見(jiàn),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(tīng)到告警音時(shí),一定要及時(shí)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(guò)打開(kāi)的文件號(hào)進(jìn)行區(qū)分。
圖5 航跡糾偏監(jiān)控軟件工作畫(huà)面
航跡糾偏監(jiān)控設(shè)備經(jīng)多次試驗(yàn)和初步試用,能夠達(dá)到預(yù)期功能和效果,特別是對(duì)于多批次飛機(jī)同時(shí)加入著陸航線時(shí),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(shí)錄因?yàn)榇鎯?chǔ)容量和功能的擴(kuò)展,不僅可替代臺(tái)站時(shí)錄儀的功能,還能把飛機(jī)著陸的全過(guò)程進(jìn)行復(fù)盤(pán)。
本文針對(duì)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(chǔ)卡容量限制無(wú)法正常使用的現(xiàn)狀,通過(guò)立足現(xiàn)有裝備實(shí)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(duì)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(lái)進(jìn)行約束;可對(duì)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(shí)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(duì)雷達(dá)捕捉到的原始RGB視頻信號(hào)和指揮引導(dǎo)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行同步、實(shí)時(shí)采集,采集的視頻文件保存在計(jì)算機(jī)硬盤(pán)上,可供隨時(shí)復(fù)盤(pán)查看。
該項(xiàng)研究從提升某型雷達(dá)的實(shí)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(hào)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(dòng)化邁出了一大步,初步勾畫(huà)了未來(lái)著陸雷達(dá)設(shè)備的無(wú)人值守模式;提出了利用雷達(dá)設(shè)備捕捉的信號(hào)對(duì)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(shí)時(shí)性,飛機(jī)落地即可出分析結(jié)果,無(wú)須等待后期復(fù)盤(pán);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(guò)程音視頻,并以預(yù)定文件名和格式存儲(chǔ),方便隨時(shí)調(diào)用查看,可供學(xué)員操報(bào)訓(xùn)練之用,同時(shí)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(shí)施引導(dǎo)過(guò)程的可靠性、航跡信息輔助分析的實(shí)時(shí)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(xiàng)開(kāi)創(chuàng)性的研究。該設(shè)備可安裝于指揮所、塔臺(tái)和雷達(dá)站等,適用于任何配備有某型精密進(jìn)場(chǎng)雷達(dá)的機(jī)場(chǎng),且無(wú)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(jià)值和應(yīng)用前景。