航管系统区域入侵告警预警模块的研究与实现

上官红斌（四川大学计算机学院，成都　610065)

航管系统区域入侵告警预警模块的研究与实现

上官红斌
（四川大学计算机学院，成都610065)

0　引言

航空母舰，简称“航母”，是一种以舰载机为主要作战武器的大型水面舰艇，可以提供舰载机的起飞和降落[1]。航母造价昂贵，目标大且很容易被发现，在执行任务时保障航母和各舰载机的安全至关重要。航管系统主要用于保证航母运行期间和舰载机飞行期间安全，具有重要的现实意义。航管系统中预警和告警主要包括最低安全高度预警与告警（SAW）、短期冲突预警与告警（STCA）、航迹偏离告警、特殊SSR代码告警、回收油量告警以及对禁区、限制区、危险区的侵入预警与告警。航管系统中不仅有固定空域，还有移动空域，飞行器对空域的入侵告警预警最难判定。

1　坐标转换

系统中采用三维的球面来定义地球上的位置，也就是使用经纬度坐标（L，B，H）来表示地理位置。为了将经纬度坐标表示的空中目标显示到平面显示器上,需要进行投影变换，系统中采用球心方位投影的方式把地理坐标系投影到平面直角坐标系中。球心方位透视是透视方位投影中的一种，透视方位投影根据视点的位置不同又分为正射、外心、球面和球心投影[2]。透视方位投影如图1所示：

图1　透视方位投影

图1中1为正射投影，视点在无穷远处；图中2为外心投影，视点位于离球面的有限距离；图中3为球面投影视点位于球面；图中4为球心投影，视点位于球心。

透视方位投影以u1和u2表示垂直圈与登高全长度比，根据透视关系与长度比定义可得[3]：

D表示视点到球心的距离，L表示视点到投影面之间的距离，R为球心的半径，P为面积变形,w为角度变形，ρ为球面上圆弧长度，球心投影时，D=0，L=R，由此可得：

球心投影因具有唯一的特点，即任何大圆投影后为直线，常用于编制航空图或航海图[4]。在这种图上，用直线连接起始点和终结点，就可求得航线上两点之间的大圆航线，即为大圆弧的投影，该直线与各经纬线的交点即为大圆航线应通过的点。采用球心投影后的地图如图2所示：

图2　采用球心方位投影后的中国地图

2　空域划分及表示

航管系统中空域一般有空域代码、空域名称、空域类型、空域属性、空域形状、空域状态以及所属单位等信息，如图3所示。空域形状通常是一块立体的三维图形，采用平面区域加低高和顶高的表示方式。平面区域有多边形、圆形、椭圆形、扇形、长方形五种形状来表示，如图4所示。空域状态有激活和静止两种状态，如果当前系统时间在空域的激活起始时间和空域的激活结束时间之内，空域才处于激活状态，否则处于静止状态。空域按类型划分为禁区、限制区、危险区和责任区四种，其中禁区的禁入没有时间限制。一般采用不同的空域代码开头字母以及不同颜色来区别不同空域。

图3　空域信息列表

图4　空域信息地图上显示

航管系统中的空域不仅有固定空域，也有移动空域，移动空域的参照系是航母。固定空域主要由经度和纬度信息来表示，移动空域由方位和距离来表示，方位指该目标与航母连线与正东方向所成的夹角，距离指目标点与航母之间的直线距离。

3　侵入区域告警预警检测

系统对侵入区域告警预警检测处理步骤如下所示：

（1）系统设置一个定时器，每过一段时间，从数据库中读取最新的空域信息、航母位置信息和飞行器信息。

（2）判定空域是否处于激活状态。如果当前系统时间在该空域的激活时间范围之内，则该空域处于激活状态，反之，该空域信息不进行处理。

（3）显示系统中激活的所有空域信息。如果该空域为固定空域，则把该空域中的经纬度度坐标转换成平面直角坐标；如果该空域为移动空域，把该空域中相对于航母的方位距离信息转化为平面直角坐标。

（4）判断是否有侵入区域告警信息。如果该飞行器已经处于空域内部，则报告告警信息给管制席。

（5）判断是否有侵入区域预警信息。如果该飞行器处于空域的外部，判断该飞行器的方向是否会和空域所处平面相交。如果不相交，不会发生预警信息；如果相交，计算出该飞行器和空域的垂直距离和最小水平距离，如果水平距离和垂直距离都小于该空域的预警参数，则报告预警信息给管制席。

首先需要判断目标点的高度是否在空域的低高和顶高的范围之间，如果目标点的高度不在空域的低高和顶高的范围之间，则目标点不在空域内，反之则需要判断同一水平面下目标点是否在空域所示图形内。航管系统中的空域有多边形、圆形、椭圆形、扇形、长方形五种形状，圆形和椭圆可通过椭圆方程判定，扇形是圆的一部分，可通过比较半径和起始角度判定。长方形是多边形的一种，可以和多边形一起处理。

系统中采用点射法的方法来判定目标点是否在多边形内部，如图5所示：

依此连接多边形的Vi和Vi+1点，求出这两点之间的直线方程，如目标点在这条直线上直接返回。

从目标点沿着X轴向右画一条射线，求出该射线和多边形各边的交点个数。定义多边形各边的两个端点中，相对于另一端点在上面的叫做上端点，下面的叫做下端点，只有射线和多边形的交点是非下端点，才认为和多边形相交。

图5　点射法示意图

如果这条射线和多边形的交点个数总和为偶数，则在多边形外部，如果交点为奇数，则在多边形内部。

4　结果示意图

文中所述的告警及预警检测算法在航管系统中得到了很好的应用，能够很好地检验出飞行器对空域的侵入状况，如图6所示：当飞行器侵入空域F0001时，该飞行器的标牌上闪烁，并在屏幕的左上角和飞机标牌上显示黄色的告警信息。

图6　侵入区域时的告警示意图

[1]吴荣宝．航母的舰体结构［J］．海事大观，2005，9:89-92．

[2]钟业勋，胡毓钜，童新华．基于不同经纬线类型组合的地图投影新定义［J］．海洋测绘，2012，32（6）:13-16．

[3]孙卫新，吕晓华,乔予民．反外心透视方位投影及其应用研究[J]．测绘科学技术学报，2013,1:95-97.

[4]祝国瑞著．地图学[M]．武汉：武汉大学出版社，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

上官红斌（1989-），男，河南三门峡人，硕士研究生，研究方向为图形图像处理

2015-12-15

2016-01-20

航管系统采用球心方位投影的方式把经纬度和高度组成的地理坐标系投影到平面直角坐标系中，该系统中的空域有限制区、禁区和危险区和责任区四种类型，不同类型的空域告警预警参数不同。航管系统中空域有固定空域和移动空域之分，同时也都有激活和非激活两种状态。激活状态下，系统对飞行器的当前位置和运动趋势进行实时监视，计算出该飞行器对空域的侵入趋势以及侵入状态。如果已经发生侵入或有侵入趋势，系统中该飞行器的标牌会发生闪烁，并在标牌和屏幕左上角显示告警或者预警信息。

航管系统；球心方位投影；空域；告警；预警

国家高技术研究发展计划（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.