基于某型雷达的着陆航迹纠偏监控研究

杨法红,马志伟,李 辉,姚 超,陈星光

(1.中国人民解放军92524部队，浙江 宁波 315020; 2.中国人民解放军91428部队，浙江 宁波 315456;3.中国人民解放军92919部队，浙江 宁波 315020; 4.陕西长岭电子科技有限责任公司，陕西 宝鸡 721006)

0 引言

飞机进近着陆阶段时间短、任务重、环境复杂，又是飞行员最疲劳的阶段,发生事故的概率相对较高。如何立足现役装备条件，尽量减少飞行事故，是飞行部门各级指挥人员关注的重要问题。某型精密进场雷达是机场用于能见度低、云底较低的复杂气象条件下引导飞机进场着陆的主要导航设备，能够实时显示飞机目标的位置，由地面人员通过人工判读获取飞机距跑道入口的距离、下滑偏离以及飞机相对于跑道中心线的方位偏离数据，再通过超短波电台指挥引导飞机进入和保持在安全的下滑航线上完成进场着陆，这也是地面指挥员唯一能够实时掌握飞机着陆航迹的导航设备[1]。

在飞机进近着陆阶段，指挥员、领航员和操纵员等需兼顾多种通信导航业务和信息，无法做到不间断地观测每一架飞机的着陆状态，特别是多批次、多架次飞机同时加入着陆航线时，飞机偏离预定着陆航线往往就在转瞬之间，完全依赖人工监视飞机着陆航迹容易出现误报、漏报等情况，不能做到最大限度地减少飞行事故[2]。

1 航迹纠偏监控设备的组成结构及原理

航迹纠偏监控设备是基于某型精密进场雷达来设计和实现的，主要由硬件设计和软件开发两大部分组成，是一套能在地面实时、自动监控飞机着陆航迹的设备[3]，其组成和引接原理如图1所示。

图1 航迹纠偏监控设备组成

航迹纠偏监控设备主要包括三大功能模块，分别是航迹监控、航迹分析和航迹时录功能。航迹监控是将某型雷达设备进行动目标检测和数字化处理后的目标跟踪信号，经串口光收发器和光纤传输至塔台或20 km内的任何地方，在工控机上运行航迹纠偏软件接收相应目标信息并进行采集和分析，与飞行部门测算的理想下滑数据进行比较、计算，当航向或高度偏差不符合安全着陆要求时，设备按照三级不同的告警门限实时、自动发出不同的告警信号，提醒地面人员及时进行指挥引导，提升了雷达地面监视功能的智能化，可以有效减少或避免着陆阶段的飞行事故[4]。航迹分析是将工控机接收的目标信号进行实时采集、记录并绘制出飞机着陆时不同距离上的航向和高度曲线并进行相应误差分析，将其偏离程度实时以图表形式进行直观展示，以作为飞机着陆阶段日常飞行训练的辅助分析手段，提高飞行训练效率。航迹时录是通过视频光端机和视频采集卡将雷达最后显示的VGA信号进行引接和采集后，在工控机上实现雷达威力区内所有飞机的着陆状态和实施引导过程的同步录取，即可作为雷达台站学员的操报训练手段，又可作为飞机进近着陆阶段飞行事故的调查依据。

2 航迹纠偏监控设备的硬件及人机交互设计

航迹纠偏监控设备的数据来源于某型雷达捕捉到的目标点迹及其位置信息，经光端机和光纤送至终端设备进行处理，通过开发航迹纠偏监控软件对接收到的数据进行采集、显示，实现航迹监控、航迹记录和航迹分析等功能[5]。硬件部分主要包括定制工控机、串口光收发器一对、视频光端机一对、光纤、串口分配器、视频分配器、雷达视频采集卡、音频连接线及转接头等，其引接方式如图1所示。串口光收发器和视频光端机都支持最大传输距离为20 km，以保证该设备能够安装于营区内的任何位置，如果台站需要安装该设备，则无需使用光端机，可直接将信号引至工控机；串口分配器和视频分配器建议选用单独供电，以保证设备工作稳定；雷达视频采集卡可选用通用型视频采集卡，视频采集软件可根据需要利用其提供的SDK软件开发包进行二次开发；工控机定制时需增加内置PCI-E扩展槽，用以安装内置雷达视频采集卡，其它配置无特殊要求，能正常运行一般软件即可。

航迹纠偏监控设备人机交互界面的设计是在充分调研各机场雷达使用需求的基础上，将距离分段和加权系数全部以可修改的方式呈现给用户，以适应不同机型在不同机场执行不同任务时调整使用；为使门限约束尽量准确可靠，不同距离段的加权系数均可设置为百分比后的一位小数点；在监控结果显示区域，跟踪几批目标就显示几批，最多显示十批，并以不同颜色区分不同告警门限等级，在20 km以外只设置防止急坠门限，也就是门限三[6]。

在工控机上运行航迹纠偏监控软件，主界面的操作菜单如图2所示。主界面显示的内容包括软件名称、着陆方向、主批次号、距离、高度及线路状态。主界面包括量程切换、机型切换、门限设置、航迹分析和退出按钮共5种按键，若处于工作状态时，画面会显示目标位置和信息及主批次的批号、距离 、高度和线路通断显示情况。门限参数设置页面包括，距离段设置，对应距离段下3种门限参数设置，每种门限设置又包括下滑门限和航向门限两种设置。航迹绘制页面包括，下滑航迹绘制、下滑航迹偏差绘制，航向航迹绘制、航向航迹偏差绘制。点击航迹绘制按钮，将选择的航迹记录文件进行绘制。

图2 软件人机交

雷达视频采集软件功能相对简单，只涉及信号格式、视频格式选择和录取存储功能，这里采用视频采集卡自带软件，经多次验证，该软件允许稳定可靠，操作方便，人机界面友好。

3 航迹纠偏监控软件设计及开发

3.1 航迹纠偏监控软件的总体设计

航迹纠偏监控软件通过RS232串口接收点迹信息，将目标数据显示在显示界面上，对偏离目标航迹门限进行设置，并对已保存的航迹记录数据进行辅助分析，将偏离程度以图表形式进行展示。软件总体设计如图3所示。软件主要包括初始化模块、数据接收模块、数据处理模块和显示模块，其中航迹记录保存和超出门限判断功能隶属数据处理模块，航迹偏差绘制功能隶属显示模块[7]。

图3 航迹纠偏监控软件总体设计

3.2 航迹纠偏监控软件的流程图

航迹纠偏监控软件的流程如图4所示。航迹纠偏软件主要有初始化、待机和工作3种工作模式。启动航迹纠偏软件后，软件完成初始化，进入主界面，根据串口通信状态自动进行工作模式的选择。待机模式下航迹纠偏软件可控制量程切换、机型切换，用户可以在操作界面进行门限设置，查看对应航迹记录文件航迹绘制内容。工作模式下航迹纠偏软件可进行串口通信处理，对串口通信内容进行监听和解析，并对目标航迹进行记录，对超门限情况进行告警提示[8]。

图4 航迹纠偏监控软件流程图

3.3 航迹纠偏监控软件的编码实现

航迹纠偏监控软件是在Windows环境下，采用Microsoft Visual Studio 10.0开发工具，用C#语言开发而成的[9]。

3.3.1 下滑或航向偏差计算

下滑偏差计算，根据串口传送过来信息按协议对距离和高度进行解析，得到目标距离hx和目标实际高度hy，根据当前机型选择按钮显示具体机型，画面对应显示机型下滑线，根据目标距离hx带入对应理想下滑线的分段函数中，计算出理想高度，并用实际高度减去理想高度计算出下滑偏差即可[10]。

hx= ((dataR2[3] / 2) * 256 + dataR2[3] % 2 * 128 + dataR2[4]) * 40;//处理距离高字;

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;//处理高度高字节

航向偏差计算，根据协议解析得到目标距离hx和目标航向画面像素点纵坐标位置hy，根据雷达航向画面0°线所在像素点位置为764，根据公式利用764减去纵坐标h得出差除以代表1度的像素点22.7，得出雷达航向角，利用公式将其转为跑道航向角，即为距离跑道中心线的航向角偏差。

跑道航向角=Atan(((目标距离hx+后撤距离)*tan(雷达航向角)-跑道距离)/(目标距离hx+后撤距离) )

3.3.2 门限比对算法

该算法主要完成超出3个门限的亮灯警告，其中距离段分为0～10公里和10～20公里两个距离段，距离值可进行自主定义，门限参数设置框中完成，其中textBox27.Text、textBox25.Text、textBox34.Text和textBox33.Text分别为4个距离输入值来完成对这两个距离段的限制，其中textBox29.Text、textBox42.Text、textBox45.Text为10～20 km距离段下滑画面3个门限值，当目标距离处于10～20 km范围内时，代码将计算出来的下滑偏差值与这3个设置值进行比对，看下滑偏差值在设置的门限当中所处的是什么范围，若未超出门限一则对应批次亮灯警告显示为绿色，若超出门限一但未超出门限二显示为黄色，若超出门限二且未超出门限三显示为紫色，若超出门限三则显示为红色[11]。当目标距离处于0～10 km范围内时，算法一致。

3.3.3 急坠判断方法

该算法主要实现急坠判断并作出报警音提示，hy值代表当前实际所处高度值，然后根据距离值hx和装订参数中此机型的理想下滑线计算出当前理想高度值，然后对理想高度值和实际所处高度值作差，计算出偏差值，用变量n[dataR2[2] - 1]标识，当距离大于20 km时，若偏差值n[dataR2[2] - 1]小于距离与比例系数(20 km以外的门限三系数)的乘积a*hx/100，则表示下坠值过大，对飞行造成威胁，则进行报警提示，textBox47.Text为20 km以外的门限三系数。

3.4 关键难点

3.4.1 门限告警实时响应

门限告警实时性不佳，一开始使用计时器原理进行门限告警功能设置，发现实时性无法得到保证，计时器时间太长容易延后，太短过于占CPU资源，后在串口响应函数中实时进行处理，问题解决。

3.4.2 航迹分析数据保存

航迹记录保存时，数据保存问题，目的是将一批次同一批号航迹数据保存在一个TXT文件中，因保存数据的TXT文件名称为批次号，文件名无法区分当批号相同下一批次航迹数据，容易将两批次航迹数据保存在同一TXT文件中，后加更改当检测到距离小于1 km时，默认着陆已完成，将TXT文件进行封装保存，TXT文件名称更改为批次号加当前系统时间(即着陆时间)，对下一批号进行区分。

航迹记录保存时，若出现目标突然消失，当重新出现目标距离上一位置过远时，数据连续性无法得到保障，航迹偏差也会绘制不完整，经考虑当同一批号连续位置距离大于2 km时，对已经保存的数据TXT文件名进行批次号加当前时间命名，对新数据重新建立TXT文件进行存储。

航迹记录保存时，若出现目标丢失，将当前批次号赋值给新目标，一般新目标距离值会大于丢失目标的距离，给用户一种飞机突然“倒飞”的感觉，此时加上判断若出现此种情况，则对前后数据进行分别存储，以免有误[12]。

3.4.3 三类告警门限设置

我们知道，飞机着陆阶段，距跑道端越近要求越高，如果在所有的距离上采用一个门限进行监控，势必会造成远距离合适、近距离不合要求的情况，经多次实验和论证，三类门限分别按距离分成三段进行限制，每一段用距离乘系数进行约束，类似于一个3×3的矩阵，从而实现远距离和近距离按不同要求进行门限设置。

另外，门限过多，提示混乱，特别是多批次目标同时加入着陆航线时，出现告警信号无法区分是哪一批次，经多次实验论证，在显示画面右边采用不同颜色显示当前批次的着陆状态，绿色为正常，黄色为超门限一，紫色为超门限二，红色为超门限三，同时超门限三时会发出告警音。

对于20 km以外的目标只设置一个急坠门限，无需进行门限一和门限二约束。

4 实验结果及分析

经实际测试，航迹监控、航迹分析和航迹时录功能均能达到要求，如图5所示。图5(a)为同时监控4批目标的显示画面，左边显示四批目标的着陆状态，右边显示彩色方块的区域即为四批目标超限的状态，从图中可以看出，第一批目标下滑门限一告警，航向正常；第二批目标下滑、航向均正常；第三批目标下滑正常，航向门限三告警，此时伴有声音告警，需及时进行指挥引导；第四批目标下滑门限二告警，航向门限三告警，此时伴有声音告警，需及时进行指挥引导。由此可见，要想获知目标着陆状态，只需关注告警区域的颜色和声音即可，特别是听到告警音时，一定要及时关注和引导。图5(b)显示的是某批目标的航迹分析曲线，上面两张是下滑的着陆和误差曲线，下面两张是航向的着陆和误差曲线。飞机批次可通过打开的文件号进行区分。

图5 航迹纠偏监控软件工作画面

航迹纠偏监控设备经多次试验和初步试用，能够达到预期功能和效果，特别是对于多批次飞机同时加入着陆航线时，领航员能够轻松兼顾到所有飞机的飞行状态，提高了工作效率和地面监视功能的可靠性；航迹时录因为存储容量和功能的扩展，不仅可替代台站时录仪的功能，还能把飞机着陆的全过程进行复盘。

5 结束语

本文针对某型雷达完全依赖人工监视飞机着陆航迹的缺陷和航迹记录功能受存储卡容量限制无法正常使用的现状，通过立足现有装备实际需求，研制了飞机着陆航迹纠偏监控设备。该设备接收显示分机发送的数据包并进行处理，对飞机着陆航迹按三类不同告警门限进行纠偏告警，告警门限的设置遵循“距离跑道越近，着陆要求越高”的原则，以距离分段乘不同的百分比系数来进行约束；可对着陆航迹进行辅助分析，将航迹偏差以图表形式绘制，可供飞行员下次飞行时进行参考调整；考虑到航迹记录内容的完整性和可参考性，采用视频采集卡对雷达捕捉到的原始RGB视频信号和指挥引导语音信号进行同步、实时采集，采集的视频文件保存在计算机硬盘上，可供随时复盘查看。

该项研究从提升某型雷达的实战化保障能力出发，提出了利用雷达捕捉到的目标回波信号实现自动监控飞机着陆航迹，弥补了雷达设备完全依赖人工监视目标的缺陷，向雷达设备的智能化、自动化迈出了一大步，初步勾画了未来着陆雷达设备的无人值守模式；提出了利用雷达设备捕捉的信号对飞机着陆阶段的飞行训练质量进行辅助分析，该辅助分析手段具有较高的实时性，飞机落地即可出分析结果，无须等待后期复盘；可同步录取加入着陆航线的所有目标的航迹和指挥引导过程音视频，并以预定文件名和格式存储，方便随时调用查看，可供学员操报训练之用，同时为着陆阶段飞行事故分析提供依据。

该设备突出雷达地面监视功能的智能化、着陆状态和实施引导过程的可靠性、航迹信息辅助分析的实时性，突出装备性能的深层挖掘，可在一定程度上预防和减少飞机着陆阶段的飞行事故，是一项开创性的研究。该设备可安装于指挥所、塔台和雷达站等，适用于任何配备有某型精密进场雷达的机场，且无需增加机载设备，即可服务于所有机型，具有较好的推广价值和应用前景。