遠(yuǎn)程塔臺(tái)全景攝像機(jī)的選址

劉穎LIU Ying；武丁杰WU Ding-jie；董川DONG Chuan

（中國(guó)民用航空飛行學(xué)院空中交通管理學(xué)院，廣漢618307）

0 引言

隨著旅游業(yè)以及航空業(yè)的發(fā)展，許多偏遠(yuǎn)地區(qū)修建了支線機(jī)場(chǎng)，但是在旅游淡季，這些支線機(jī)場(chǎng)的運(yùn)輸量較少，機(jī)場(chǎng)和地方政府收益降低，從而出現(xiàn)了機(jī)場(chǎng)資金虧損、塔臺(tái)管制員數(shù)量不滿足和塔臺(tái)建設(shè)成本較高的情況，給當(dāng)?shù)卣蜋C(jī)場(chǎng)帶來(lái)了經(jīng)濟(jì)壓力。為了降低運(yùn)輸成本和提高民航運(yùn)行安全，我國(guó)引用了遠(yuǎn)程塔臺(tái)的概念。根據(jù)《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》[1]報(bào)道，在挪威目前已經(jīng)關(guān)閉了15 個(gè)支線機(jī)場(chǎng)，將它們的航班管理轉(zhuǎn)移到了遠(yuǎn)程塔臺(tái)管制系統(tǒng)。2019年5月21日，國(guó)內(nèi)首個(gè)運(yùn)輸機(jī)場(chǎng)遠(yuǎn)程塔臺(tái)在新疆成功試運(yùn)行。

遠(yuǎn)程塔臺(tái)技術(shù)是將多個(gè)塔臺(tái)的管制任務(wù)集中在一個(gè)遠(yuǎn)程塔臺(tái)中心運(yùn)行，通過(guò)采用遠(yuǎn)程高清攝像機(jī)、氣象傳感器、音頻和視頻的傳輸、ADS-B、場(chǎng)面監(jiān)視雷達(dá)等設(shè)備，實(shí)時(shí)采集和傳遞機(jī)場(chǎng)內(nèi)部交通信息，將信息處理后傳遞給遠(yuǎn)程塔臺(tái)中心，進(jìn)而為機(jī)場(chǎng)區(qū)域或機(jī)場(chǎng)周邊的航空器提供空中交通管制服務(wù)。

在遠(yuǎn)程塔臺(tái)中，全景攝像機(jī)的安裝要能保證看到機(jī)場(chǎng)及其附近的一些飛行活動(dòng)、車(chē)輛和人員的活動(dòng)及障礙物的位置。高清攝像機(jī)拍攝地視覺(jué)信息需要滿足管制員對(duì)機(jī)動(dòng)區(qū)一覽無(wú)余和對(duì)活動(dòng)區(qū)盡可能的可見(jiàn)，所以遠(yuǎn)程塔臺(tái)攝像機(jī)位置的選擇是十分重要的。在遠(yuǎn)程塔臺(tái)運(yùn)行模式中，全景攝像機(jī)需要滿足的是對(duì)機(jī)場(chǎng)區(qū)域或機(jī)場(chǎng)周?chē)鷧^(qū)域進(jìn)行180°到200°的監(jiān)控，所以遠(yuǎn)程攝像系統(tǒng)由3 到4 個(gè)360X60°的高清攝像機(jī)拼接而成。其次，塔臺(tái)管制員在觀測(cè)遠(yuǎn)處的物體或運(yùn)動(dòng)時(shí)，通常會(huì)使用望遠(yuǎn)鏡去觀測(cè)，所以遠(yuǎn)程攝像系統(tǒng)還需要具備一臺(tái)具有變焦功能的攝像機(jī)，用來(lái)檢測(cè)和識(shí)別的跑道上較小的外來(lái)物或者較遠(yuǎn)處的物體。最后，遠(yuǎn)程攝像系統(tǒng)需要具備紅外線功能，在夜晚降臨的時(shí)候，遠(yuǎn)程塔臺(tái)中心依然能為航空器提供空中交通管制服務(wù)，全景攝像機(jī)技術(shù)已經(jīng)滿足了這些要求。

目前，全景攝像機(jī)位置直接安裝在原機(jī)場(chǎng)塔臺(tái)的頂部，沒(méi)有考慮顯示系統(tǒng)的分辨率問(wèn)題。為了解決問(wèn)題，根據(jù)民航局塔臺(tái)規(guī)定要求，從塔臺(tái)最低視線角和跑道的通視性、ILS 障礙物評(píng)定面和顯示系統(tǒng)的分辨率這3 方面考慮，提出較為科學(xué)的全景攝像機(jī)選址方案。

1 遠(yuǎn)程塔臺(tái)全景攝像機(jī)選址和高度的要求

根據(jù)2014年民航局空管行業(yè)管理辦公室發(fā)布的《塔臺(tái)管制室位置和高度技術(shù)論證方法》（AC-93-TM-2014-01）[2]，對(duì)傳統(tǒng)塔臺(tái)管制室的位置和高度進(jìn)行技術(shù)管理、技術(shù)規(guī)范等要求，為選址工作提供了依據(jù)。

塔臺(tái)管制員的視線與跑道道面的夾角叫做視線角[7]，視線角能夠使塔臺(tái)管制員能夠準(zhǔn)確地判斷出航空器與機(jī)場(chǎng)場(chǎng)道邊界、與關(guān)鍵點(diǎn)、與航空器和車(chē)輛之間的相對(duì)位置關(guān)系。全景攝像機(jī)的視線角與塔臺(tái)到機(jī)動(dòng)區(qū)關(guān)鍵點(diǎn)的距離和高度有關(guān)，所以適當(dāng)?shù)卦黾舆h(yuǎn)程攝像機(jī)的高度和縮短攝像機(jī)到跑道中心線的距離，能夠提高塔臺(tái)管制員判斷航空器與機(jī)場(chǎng)場(chǎng)道邊界、與關(guān)鍵點(diǎn)、與航空器和車(chē)輛之間的相對(duì)位置關(guān)系的能力。在美國(guó)聯(lián)邦航空局對(duì)塔臺(tái)最低視線角的研究實(shí)驗(yàn)中，得知：塔臺(tái)滿足監(jiān)視區(qū)域內(nèi)與車(chē)輛和航空器的視線角不得小于0.8°[3]，在支線機(jī)場(chǎng)機(jī)動(dòng)區(qū)監(jiān)視區(qū)域內(nèi)，跑道兩端距離觀測(cè)點(diǎn)是最遠(yuǎn)的關(guān)鍵點(diǎn)，在計(jì)算視線角時(shí)，只需計(jì)算跑道兩端的視線角。

為了方便地求解攝像機(jī)的位置和高度，建立機(jī)場(chǎng)直角坐標(biāo)系，以跑道入口做為坐標(biāo)的原點(diǎn)，航空器進(jìn)近的方向?yàn)閄 軸的負(fù)值，入口之前為X 軸的正值，Y 軸垂直飛行方向且左為負(fù)值、右為正值，Z 軸垂直向上。為了計(jì)算方便，此處Y 軸均為正值，如圖1 所示。

圖1 機(jī)場(chǎng)直角坐標(biāo)系

假設(shè)攝像機(jī)的坐標(biāo)為（X，Y，Z），跑道入口坐標(biāo)為（0，0，h），跑道末端坐標(biāo)為（x2，0，h2），得到最低視線角方程：

塔臺(tái)的選址既要滿足視線角，又要滿足跑道的通視性。在國(guó)內(nèi)支線機(jī)場(chǎng)，跑道大多數(shù)為單跑道和單航站樓，布局相對(duì)簡(jiǎn)單[8]。所以，跑道的通視性在遠(yuǎn)程塔臺(tái)攝像機(jī)選址方面，沒(méi)有關(guān)鍵的影響，因此，不考慮障礙物的遮蔽問(wèn)題。

2 全景攝像機(jī)最高高度限制

為了保證機(jī)場(chǎng)凈空要求，不同的區(qū)域內(nèi)有不同的障礙物限定高/高度，在儀表精密進(jìn)近程序中，評(píng)價(jià)障礙物的方法[4]有：ILS 障礙物評(píng)價(jià)法，OAS 障礙物評(píng)價(jià)法和使用碰撞危險(xiǎn)模式評(píng)價(jià)障礙物。

需要注意的是，雖然OAS 障礙物評(píng)定法估計(jì)障礙物要精確，但是基本的ILS 面是用來(lái)限制障礙物高和機(jī)場(chǎng)凈空的，比OAS 更靠近跑道，所以選用ILS 面對(duì)全景攝像頭的高度進(jìn)行評(píng)估。

2.1 ILS 面的構(gòu)成

ILS 面是在附件14 面的基礎(chǔ)上進(jìn)行繪制的，它由起降帶、進(jìn)近面、復(fù)飛面、過(guò)渡面組成。起降帶是指從跑道入口前60m 到跑道入口后900m，寬度為300m，與跑道入口同平面。進(jìn)近面從跑道入口前60m開(kāi)始，以300m 寬度向兩側(cè)擴(kuò)且擴(kuò)張率為15%，進(jìn)近面分為兩個(gè)部分，第一部分是從跑道入口前60m處以2%的梯度上升至60m，第二部分從60m 高度以2.5%的梯度上升至最后進(jìn)近定位點(diǎn)。復(fù)飛面從跑道入口900m 處開(kāi)始，以2.5%的梯度面上升至內(nèi)水平面的高度且以17.48%的擴(kuò)張率從寬度300m 開(kāi)始擴(kuò)張，之后以25%的擴(kuò)張率到精密航段的終點(diǎn)。過(guò)渡面沿著y 軸以14.3%的梯度上升到高度300m 處。ILS 的評(píng)價(jià)透視圖[4]如圖2 所示，平面圖[4]如圖3 所示。

根據(jù)ILS 面的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，可以計(jì)算出每一個(gè)面的高度表達(dá)式，假設(shè)跑道是水平的，障礙物的位置和高度為（x，y，z），在計(jì)算時(shí)，y 均取正值，從左到右平面表達(dá)式組[4]為：

2.2 遠(yuǎn)程攝像機(jī)高度限制

根據(jù)遠(yuǎn)程攝像機(jī)的位置（X，Y），與關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行比較，判斷其位于哪一個(gè)面下，則Z 應(yīng)滿足以下要求：

若Z≥zi，攝像機(jī)的高度超過(guò)障礙物限定面，不符合規(guī)定，若Z＜zi，攝像機(jī)的高度合適，對(duì)飛行安全無(wú)影響。

2.3 攝像機(jī)位置要求

遠(yuǎn)程塔臺(tái)情景顯示是由遠(yuǎn)程攝像系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)組成的，對(duì)于遠(yuǎn)距離的目標(biāo)監(jiān)控，顯示系統(tǒng)的分辨率也是非常重要的，而物體的大小和距離限制了顯示系統(tǒng)的分辨率。在理想情況下，顯示系統(tǒng)的極限分辨率應(yīng)該至少等于管制員感知細(xì)小物體的分辨率，對(duì)細(xì)小物體的感知用視覺(jué)敏銳度表示。管制員的最小視覺(jué)敏感度在10 到40 弧秒，但在場(chǎng)景復(fù)雜的情況下，管制員的視覺(jué)敏感度為1 弧分，也就是說(shuō)，在這個(gè)基礎(chǔ)之上，認(rèn)為極限分辨率約為每度60條線。然而，為了彌補(bǔ)圖像處理系統(tǒng)中的損失，將極限分辨率除以0.7，得到顯示系統(tǒng)中所需分辨率86 像素/度。

圖2 ILS 障礙物評(píng)價(jià)透視圖

圖3 ILS 障礙物評(píng)價(jià)平面圖

在從管制員的基礎(chǔ)任務(wù)[6]分析，列舉了30 條視覺(jué)特征，7 名管制員通過(guò)他們的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)對(duì)30 條視覺(jué)特征進(jìn)行排序，選擇了5 個(gè)最重要的目標(biāo)：

①車(chē)輛在機(jī)動(dòng)區(qū)（1700m）；

②飛機(jī)上跑道（1400m）；

③飛機(jī)在空中盤(pán)旋（4000m）；

④動(dòng)物在機(jī)動(dòng)區(qū)或者跑道上（1500m）；

⑤飛機(jī)起飛時(shí)起落架離地（1000m）。

為了對(duì)目標(biāo)物體識(shí)別，管制員們的最佳識(shí)別分辨率為2 弧分，也就意味著限制分辨率每度240 條線，得到顯示系統(tǒng)中所需分辨率343 像素/度。然而，考慮實(shí)際情景的復(fù)雜，對(duì)顯示系統(tǒng)中所需分辨率放松要求[6]：

可尋址分辨率=0.14×（物體距離÷物體尺寸） （4）

所以計(jì)算，在不同位置，不同物體被發(fā)現(xiàn)和察覺(jué)的可尋址分辨率（像素/度），如表1 所示。

表1 重要視覺(jué)特征被發(fā)覺(jué)和識(shí)別的分辨率

普通的相機(jī)和投影系統(tǒng)可以提供30 到40 像素/度的分辨率，從表中可知，當(dāng)1 米觀測(cè)物到觀測(cè)點(diǎn)的距離小于1700m 時(shí)，顯示系統(tǒng)的分辨率足以滿足遠(yuǎn)程塔臺(tái)管制員觀察到重要視覺(jué)特征。而對(duì)于相對(duì)較小的物體，顯示系統(tǒng)需要增加變焦攝像頭和自動(dòng)跟蹤技術(shù)。即得到全景攝像機(jī)的位置約束方程：

2.4 遠(yuǎn)程塔臺(tái)攝像機(jī)選址和高度的約束方程組

假設(shè)攝像機(jī)的坐標(biāo)為（X，Y，Z），跑道入口坐標(biāo)為（0，0，h1），跑道末端坐標(biāo)為（x2，0，h2），則攝像機(jī)位置需要滿足的方程組（單位均為m）：

3 實(shí)例驗(yàn)證

以某機(jī)場(chǎng)為例，該機(jī)場(chǎng)為4D 級(jí)支線機(jī)場(chǎng)，每天有6 班左右的航班，跑道全長(zhǎng)3200m，寬50m，機(jī)場(chǎng)標(biāo)高1423.8m，滑行道A、B、D、E 不可用，11 號(hào)跑道頭標(biāo)高1405.9m，進(jìn)近類型為ILS 精密進(jìn)近，29 號(hào)跑道頭標(biāo)高1423.8m，進(jìn)近類型為一類精密進(jìn)近，停機(jī)坪距跑道中心線大約600m，機(jī)場(chǎng)圖如圖4 所示。

在國(guó)內(nèi)機(jī)場(chǎng)塔臺(tái)選址的一般原則中[5]：?jiǎn)闻艿罊C(jī)場(chǎng)塔臺(tái)所處的位置應(yīng)盡可能位于跑道兩進(jìn)近端等距離的地方，并且根據(jù)無(wú)障礙通視的要求，塔臺(tái)距跑道中心線距離控制在400～800m 之間。由于該跑道兩端均可以進(jìn)行航空器的起落，所以假設(shè)將遠(yuǎn)程塔臺(tái)攝像頭安裝在跑道中心垂直于跑道中心線的延長(zhǎng)線上，則X=-1600m，根據(jù)公式（5），可知Ymax=500m。根據(jù)機(jī)場(chǎng)圖，假設(shè)11 號(hào)跑道頭為坐標(biāo)系起點(diǎn)，則11 號(hào)跑道頭坐標(biāo)為（0，0，1405.9），29 號(hào)跑道頭坐標(biāo)為（-3200，0，1423.8），根據(jù)公式（1）可知Z=23m。若攝像機(jī)位置坐標(biāo)為（-1600，500），帶入ILS 障礙物評(píng)定面與關(guān)鍵點(diǎn)比較后，可知其位于過(guò)渡面（4）下，計(jì)算可得Z8=96.28＞23m，則其高度沒(méi)有穿過(guò)障礙物評(píng)定面，高度符合要求。

由上述計(jì)算得到攝像機(jī)的位置為（-1600，500，23），根據(jù)FAA 塔臺(tái)視覺(jué)評(píng)估軟件，對(duì)11 號(hào)跑道和29 號(hào)跑道的可視性和通透性進(jìn)行評(píng)估，仿真結(jié)果如圖5 和圖6 所示，其分析結(jié)果均滿足要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

圖4 機(jī)場(chǎng)圖

當(dāng)前遠(yuǎn)程塔臺(tái)全景攝像機(jī)選址具有經(jīng)驗(yàn)性的情況，本文提出了一套全景攝像機(jī)位置和高度的約束方案。根據(jù)民航局規(guī)章和視覺(jué)特性，從塔臺(tái)最低視線角和跑道的通視性、ILS 面評(píng)定和OAS 面評(píng)定和顯示系統(tǒng)的分辨率這3 方面進(jìn)行考慮。根據(jù)管制員的極限分辨率和識(shí)別分辨率，并且彌補(bǔ)圖像處理的損失后，得到在不同位置時(shí)，不同視覺(jué)特征需要的可尋址分辨率，對(duì)全景攝像機(jī)的位置進(jìn)行約束。最后，從航空安全的角度對(duì)某機(jī)場(chǎng)攝像頭位置和高度進(jìn)行論證，得到結(jié)果對(duì)航空安全無(wú)影響，且滿足遠(yuǎn)程塔臺(tái)管制要求。

圖5 11 號(hào)跑道仿真圖

圖6 29 號(hào)跑道仿真圖