场面监视技术在深圳机场应用展望

目前,国内外机场场面监视系统实现的主要方式包括：SMR（场面监视雷达）、ADS-B（广播式自动相关监视）、MLAT（多点定位）。本文主要通过描述几种技术的工作原理及在国内外机场的应用,对三者未来在深圳机场的应用进行了展望总结。     

机场场面移动目标监控终端显示平台设计与实现

为了进一步提高机场场面监视能力,基于广播式自动相关监视系统提供的定位监视数据,设计并开发了一套应用于机场场面运动目标监控的终端显示平台。首先介绍了机场场面监控系统的组成与原理,然后详细讨论了显示平台下电子地图调用显示、数据解析与存储、目标动态定位跟踪、历史轨迹分析等实现方案。机场场面仿真实验表明在该平台下系统利用广播式自动相关监视系统提供的监视数据可对机场场面移动目标进行有效监视,实现移动目标动态跟踪、历史轨迹分析等功能,一定程度上提高了场面运行效率,具有实际应用价值。     

场面监视雷达系统的设计与优化分析

场面监视雷达是我国航空机场内部必不可少的雷达监视设备之一,该设备与对空监视系统、地面雷达系统等共同组成航空监控系统,可进一步提升机场内的航行安全性,是保证我国航空业稳定发展的关键因素。基于此,本文针对场面监视雷达系统的具体设计内容、系统故障以及优化和维护策略等进行了分析与研究,为推动我国航空业稳定发展提供依据。     

基于自适应坏点剔除的多点定位技术

对机场入侵无人机进行监视优化定位,可降低机场运行安全风险。由于无人机飞行具有低、慢、小等特征,机场场面监视信号容易被地面障碍物遮挡。传统定位方法主要采用参考特征点定位,对于参考特征不同的非移动目标,在迭代过程中会产生大量定位误差。根据入侵无人机特征,提出一种基于自适应坏点剔除的泰勒级数展开TDOA定位算法。采用TDOA测量值进行多点定位,构建自适应滤波器对泰勒级数展开初始参考点进行剔除坏点处理,有效地改善了算法收敛性和求解效率。仿真结果表明,自适应坏点剔除算法的定位精度接近基于实际位置的泰勒级数展开算法,收敛速度更快,在地面站相对无人机位置不佳时,新算法的稳定性和定位精度更优,满足机场对入侵无人机监视定位精度要求。     

机场场面监视技术的比较及发展

本文主要介绍了现在机场四种主要使用的场面监视技术的工作原理,即一次雷达技术、二次雷达技术、广播式自动相关监视ADS-B和多点定位系统,并根据它们的工作原理及性能对其进行分析和比较,最后介绍了场面监视技术未来的发展方向。     

基于ADS-B数据的机场场面多目标行为识别

针对机场场面监控视频中存在多个飞机目标,且各种行为轨迹相似,难以通过轨迹进行行为判断的问题,提出了一种基于广播式自动相关监视(automatic dependent surveillance-broadcast, ADS-B)数据的机场场面多目标行为识别。首先,利用ADS-B信息通过透视变换的方法对视频中的所有飞机进行定位;其次,利用历史轨迹预测飞机一定距离之后未来时刻的位置,通过历史以及预测的目标位置划定每一架飞机的运动区域;最后,将多目标行为识别转换为多个单目标行为识别任务。在每一架飞机的运动区域中,通过多时间尺度的融合卷积完成对所有飞机的行为识别。针对性地制作了一个包含飞机各种行为的小型数据集为基于融合卷积的行为识别算法提供训练和测试,同时在多个具有ADS-B数据以及相应标定数据的场面监控视频中进行了验证,实验结果表明本文方法可以满足包含多个目标的机场场面飞机行为识别任务。     

基于视频图像处理的机场航空器冲突检测

 针对场面监视雷达成本较高、不适用于流量较小的中小机场等问题, 采用多摄像机对机场场面航空器进行动态跟踪, 采用图像边缘检测和形态学处理方法对目标进行识别, 跟踪和提取航空器的飞行轨迹并分析其位置和速度参数, 提出了运动目标跟踪算法和基于DCPA 和TCPA 的滑行冲突检测模型, 开发了基于视频图像处理的机场航空器冲突检测原型系统, 并应用于西南某通航机场。实验表明, 视频图像处理技术和冲突检测模型可用于中小机场的航空器识别和冲突检测, 提高机场安全运行水平。     

基于交互式多模型扩展维特比容积卡尔曼滤波机场场面运动目标跟踪

根据先进场面运动引导控制系统(advanced surface movement guidance and control system,A-SMGCS)的监视要求,提出一种基于交互式多模型扩展维特比算法(interactive multi-model extended viterbi algorithm,IMMEV)与容积卡尔曼滤波(CKF)相结合的目标跟踪算法,以实现机场场面目标的跟踪。根据机场场面运动目标的运动建立相应的运动模型集,采用交互式多模型算法(IMM)实现目标跟踪;模型集中过多的模型会导致运算复杂性增加,且不能真实反映目标的运动,采用扩展维特比(extended viterbi,EV)算法对IMM进行优化,简化模型集;容积卡尔曼滤波器(cubature Kalman filter,CKF)较传统的滤波算法具有更高的滤波精度和稳定性,将其与IMMEV相结合形成IMMEV-CKF跟踪算法。为了验证所提出的IMMEV-CKF对场面运动目标跟踪性能,仿真研究IMMEV-CKF算法、IMM-UKF和当前统计模型对同一目标的跟踪。仿真结果表明,IMMEVCKF在跟踪精度性能方面要优于IMM-UKF和改进后的当前统计模型。因此,IMMEV-CKF更能满足机场场面运动目标跟踪要求。     

基于HLA的三维空管监视系统仿真

针对空管监视系统界面显示直观性不强的问题,应用三维仿真软件开发出了三维空管监视系统,并基于高级体系结构(HLA,High Level Architecture)技术实现,开发了出了三维监视环境下的空管系统仿真平台.论述了该仿真平台的构成、开发过程及关键技术,包括HLA、基于FEDEP(Federation Development and Execution Process)模式的开发过程、VirtoolsSDK开发及三维交互设计.实现了空管监视系统的三维化显示.仿真运行结果表明,三维化的空管监视系统提高了空管监视界面的直观性,方便了地面管制人员的信息获取,为空管监视系统终端提供了一种新的显示方式.     

终端区航空器飞行间隔研究

针对终端区不合理的航空器飞行间隔严重影响飞行安全和机场吞吐量的问题,提出了基于场面监视雷达历史运行数据的终端区航空器飞行间隔算法。通过分析离散的场监雷达点迹数据,可获得航空器的历史轨迹。基于航空器起飞时刻和降落时刻提出了航空器间在不同起降序列下的时间、距离间隔计算方法。研究了机场流量、航空器起降序列、跑道的使用方向变化对航空器飞行间隔的影响。实践结果表明,场面监视雷达数据可以有效地用于分析航空器间的时间和距离间隔;机场流量与终端区航空器飞行间隔负相关,航空器间的时间间隔和距离间隔正相关,飞行间隔与跑道使用方向变化无关。合理的起降次序和良好的管制习惯可有效地缩小终端区航空器飞行间隔。     

一种ADS-B信号真伪验证方法的设计

ADS-B系统是基于卫星定位系统和无线数据链技术的新型空管监视系统。相比起传统的二次雷达监视系统,它具有建设与运行成本低、监视精度高、定位速度快、监视范围广等突出优势[1]。因此,它被认为是在未来取代二次雷达监视技术的理想方案。针对ADS-B系统一个重要的安全隐患,即ADS-B信息可能被伪造的问题展开讨论并探寻一条可行的解决途径。     

先进机场场面导向和控制系统:(A-SMGCS)分析与实现

放眼全球化的当今社会,航空交通密度日益增大,一些具备传统SMGCS(Surface Movement Guidance and Control System机场导向和控制系统)系统的机场运营过于繁忙,趋近饱和。本课题的研究目的在于找到一种方法,对这种困境提出缓解方案。与SMGCS相比较,A-SMGCS(Advanced-Surface Movement Guidance and Control System,先进机场场面导向和控制系统)拥有更为先进的功能,具体分为四部分:监视,路由,导向,控制。本文将对A-SMGCS的应用背景和发展状况给出较为全面的调研总结,并结合ICAO(International Civil Aero-nautics Organization,国际民间航空组织)A-SMGCS手册的论述对A-SMGCS提出详细性能需求,最后在此基础上提出A-SMGCS的系统功能架构和初步实现方法。A-SMGCS的引入可以有效地提高机场运营效率,降低事故率。     

机载综合监视系统概论

机载综合监视系统(I S S)作为目前先进大型客机航空电子系统的重要组成部分,主要实现气象、交通、地形监视功能。本文简单介绍了综合监视系统的功能和组成,并对其原理和特点进行了分析和阐述,给出了遵循ARINC 768标准的综合监视系统架构,并对综合监视系统的现状和发展趋势进行了探讨。     

基于概率修正的机场场面运动航空器跟踪算法

基于光电设备的航空器识别跟踪是机场场面监视的重要手段。针对机场场面全景视频监视中运动航空器跟踪算法存在的计算效率低、目标丢失等缺点,提出了基于概率修正的场面运动航空器跟踪算法。首先,预先估计出运动航空器目标概率图,降低在搜索区域内搜索目标时的计算量。通过引入干扰项抑制后,降低对真实目标的干扰。其次,在当前搜索区域内滑动窗口依次计算候选窗口是航空器目标的得分,选取得分最高的候选窗口作为新的航空器目标位置。再次,根据航空器目标位置更新概率图。最后,在多个场面监控视频图像序列上进行测试,对比分析了算法对目标周围出现的相似的区域有较好的抵抗力,在跟踪所得目标区域与真实目标区域的重叠面积率方面具有显著优势,验证了算法能够在目标尺度变化较大的情况下较好的实现对运动航空器的连续准确跟踪,能够满足对场面运动航空器跟踪的有效性和稳定性要求。     

基于多Agent的机场场面冲突检测与解脱算法研究

为了减少机场场面运行冲突,提高机场场面运行效率,提出了基于多Agent的场面冲突检测与解脱算法。该算法以多Agent技术建立场面资源Agent和飞机Agent模型,采用基于滑行路径和实时运动的方法来进行冲突检测,以及通过合同网协作模型进行冲突解脱。最后依据该算法进行仿真分析,验证了该算法的有效性和可行性。     

基于多智能体系统的飞机滑行路径规划

为解决先进场面活动引导与控制系统中的飞机滑行初始路径规划问题,提出一种基于多智能体系统(multi-agent system, MAS)仿真的方法实现飞机在场面上任意起始点到目的地的最短路径规划.首先,针对传统的有向图模型对机场场面运行刻画不足的问题,提出滑行资源图模型对机场控制区进行建模,既能对机场控制区进行高效建模又使模型不过于复杂.其次,设计最短路径规划多智能体系统,通过飞机Agent在资源节点Agent的繁殖能力与对资源的独占属性限制,实现对资源节点遍历并同时又保证每个节点最多被访问一次;最后,利用Anylogic实现机场场面初始路径规划多智能体仿真系统开发.仿真结果表明,设计的多智能体系统不但能快速计算出最短路径,且路径规划过程直观可视,算法复杂度与Dijkstra算法相同,满足初始路径规划要求.     

基于跑滑系统约束的航空器滑行跟踪算法

为解决大型机场场面易冲突的问题,研究了将基于跑滑系统和管制约束的变结构多模型算法应用于机场场面目标的跟踪.本文首先建立了复杂跑滑结构下的数学建模方法、跑滑结构约束下跟踪状态修正方法和基于管制指令约束的航空器与跑滑系统的自适应匹配方法.与传统场面目标跟踪不同,本文利用跑滑系统和管制指令约束的最大后验概率估计来激活和终止模型集,进而解决机场场面航空器跟踪过程中模型集切换和路段匹配问题.基于上述方法,本文通过结合最大后验概率估计提出了一种新的交互式多模型算法,改善了场面目标的跟踪性能.仿真结果表明:与交互式多模型算法和变结构交互式多模型算法相比,本文所提出的方法能有效地跟踪机场场面目标,显著提高了跟踪精度.     

停机位分配的多商品网络流模型及离散粒子群算法

本文建立了停机位分配的多商品网络流模型,并以航空器总场面运行时间最小为目标,建立数学模型。将机场场面分为若干区域,建立区域—机位两级分配策略,以降低问题规模。设置机位外等待时间,以省去区域容量相关约束。在传统粒子群算法的基础上,设计离散粒子群算法,对模型进行求解。选取乌鲁木齐机场某日240架航班和109个机位进行实验,证明了与现有研究中的典型模型相比,多商品网络流模型能使运算时间减少10.1%,并能达到与典型模型相同的精度。全空域和机场模型(total airspace and airport modeller, TAAM)仿真结果表明,和现行机位分配方案相比,多商品网络流模型的机位分配结果能使航空器的场面调配运行时间减少7.49%,延误时间减少8.87%。算例结果进一步表明,提高机场场面运行效率的关键在于均衡航班的进离港滑行距离,同时避免停机位密集分布。     

机场冲突热点识别与等级划设方法研究

针对机场地面运行中航空器之间的潜在冲突区域,提出了基于场面监视雷达数据,提取机场机动区内航空器地面滑行轨迹,分析经过同一滑行道组件的任意两个航空器的滑行路径、滑行时间是否有重合,分析两机航向差绝对值和距离间隔是否满足特定约束条件的机场冲突热点识别方法;提出了基于冲突热点的日平均冲突航空器架次比进行热点的等级划设准则。开发了一套冲突机场热点识别与等级划设系统,并对我国中南某机场冲突热点位置进行识别并划设等级。其结果与专家反馈意见和实际管制运行情况一致,从而验证了热点识别方法与等级划设标准的合理性。机场冲突热点识别与等级划设工作可以有效提醒航空器驾驶员在地面滑行时特别关注"危险地带",降低或杜绝发生跑道入侵或地面冲突的几率,有效地提高机场地面运行安全水平。     

面向机场场面施工的压实度分析方法

为了提高机场场面施工质量的自动化监控水平,给出了面向机场场面施工的压实度分析方法。在分析工程需求的基础上,给出了基于加速度信号分析的场面压实度信号流程,讨论了反映压实度的平均碾压加速度与平均碾压速度的计算方法,即通过对加速度传感器采集的振动加速度信号进行脉冲峰值检测、异常峰值剔除、脉冲间隔提取等数据处理技术,有效地获得平均碾压加速度与平均碾压速度信息,它们将为机场场面压实度的分析与辨别提供可靠的依据。所提出的机场场面压实度分析方法自适应性强,计算速度快,并可以直接应用于压实度分析软件开发,为提高机场场面施工质量提供高效的技术手段。