機(jī)場助航燈光系統(tǒng)技術(shù)及應(yīng)用研究

康睿

（四川省機(jī)場集團(tuán)有限公司，四川成都，610202）

1 緒論

1.1 系統(tǒng)模型

機(jī)場助航燈光系統(tǒng)[1-2]主要包括進(jìn)近燈子系統(tǒng)、滑行道燈子系統(tǒng)、跑道燈子系統(tǒng)等，工作人員通過燈塔和觀測站對(duì)助航燈光進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，以達(dá)到對(duì)于民航精準(zhǔn)引導(dǎo)的目的。該系統(tǒng)位于飛機(jī)下滑面與跑道交線上，當(dāng)飛機(jī)距離機(jī)場航道10km 時(shí)飛行員無法依靠目測觀看到航道入口，這時(shí)助航系統(tǒng)通過雷達(dá)搜索飛機(jī)的方位，飛行員根據(jù)航道上的燈光來判斷航道飛行入口，進(jìn)而調(diào)整飛機(jī)姿態(tài)直至飛行員可目測到航道入口，其系統(tǒng)模型如圖1 所示。助航燈光系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行除了依靠強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)智能計(jì)算，還需要保證其供電穩(wěn)定，防止出現(xiàn)斷電的情況，供電電源主要為市政供電、柴油發(fā)電機(jī)組電源為備用電源。

圖1 系統(tǒng)模型

目前，常用的供電方式分別為并聯(lián)和串聯(lián)供電。并聯(lián)供電是將航燈直接連接鋪設(shè)在跑道兩邊或中間的市電上，可便于增減負(fù)荷，同時(shí)減少成本，但由于線路中壓降導(dǎo)致距離較遠(yuǎn)的燈位亮度低于近端燈位的亮度，嚴(yán)重影響著導(dǎo)航的效果。而串聯(lián)供電是將跑道中所有的燈位串聯(lián)起來，增加了隔離變壓器避免出現(xiàn)燈位損壞出現(xiàn)的短路，同時(shí)為了保證電流在線路上處于恒流狀態(tài)，增加了恒流調(diào)光電源，使得使用安裝成本大大提高，但該接線方式保證了在任何天氣情況下都可人為調(diào)節(jié)燈位亮度，提高了航道引導(dǎo)效果。

1.2 助航燈光系統(tǒng)基本流程

助航燈光系統(tǒng)的基本流程如圖2 所示，該系統(tǒng)主要包括雷達(dá)引導(dǎo)、紅外跟蹤、航道指示器、數(shù)據(jù)融合及控制單元以及伺服設(shè)備，其中雷達(dá)和航道指示器都安裝在伺服設(shè)備上，跟蹤裝置具備紅外成像和數(shù)字成像兩種功能，在日常天氣條件下可采用數(shù)字成像功能，而在夜間或者復(fù)雜天氣條件下可采用紅外追蹤模式[3]。

圖2 助航燈光系統(tǒng)流程

2 助航燈光系統(tǒng)目標(biāo)搜索和跟蹤

雷達(dá)引導(dǎo)具有較強(qiáng)的空中搜索能力，發(fā)射出的高頻無線電波碰到目標(biāo)飛機(jī)后反射，在雷達(dá)屏幕上顯示，當(dāng)遇到障礙物時(shí)反射回來在雷達(dá)屏幕上顯示為亮點(diǎn)，飛機(jī)飛行軌跡則顯示為變?nèi)醯墓廑E，從而表征為飛行的方向，能夠及時(shí)的對(duì)飛機(jī)的位置進(jìn)行報(bào)告。光學(xué)跟蹤儀相較于雷達(dá)引導(dǎo)搜索能力相對(duì)較弱，但其測量精度更加精準(zhǔn)，因此采用光學(xué)跟蹤儀和進(jìn)場雷達(dá)協(xié)調(diào)配合。當(dāng)目標(biāo)飛機(jī)進(jìn)入到指定范圍空域內(nèi)才會(huì)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行捕捉，光學(xué)跟蹤儀在雷達(dá)引導(dǎo)的條件下，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)飛機(jī)飛行動(dòng)態(tài)的快速捕捉，可在終端操作界面顯示出飛機(jī)下滑航線的偏差信息，最終將飛機(jī)引導(dǎo)至機(jī)場和下滑航線上，保障航道系統(tǒng)全天候高效的運(yùn)行，提供良好的低空監(jiān)管能力。

但由于雷達(dá)引導(dǎo)系統(tǒng)的局限性，當(dāng)在較遠(yuǎn)距離發(fā)現(xiàn)目標(biāo)飛機(jī)時(shí)距離較遠(yuǎn)，在這段距離中飛機(jī)可能會(huì)根據(jù)天氣、飛行員的熟練度以及飛機(jī)本身等多種原因造成方位和高度的微小變化，此時(shí)光電跟蹤儀則可以滿足在小范圍的變化中提供飛機(jī)的當(dāng)前情況，且光電跟蹤儀在整個(gè)過程中僅能測量出對(duì)于目標(biāo)飛機(jī)的方位角、高度等信息，而雷達(dá)引導(dǎo)的誤差則相對(duì)較大，只能測量出大概位置，只有架構(gòu)光電跟蹤儀由被動(dòng)跟蹤轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)搜索才有可能捕捉目標(biāo)。因此，飛機(jī)機(jī)頭的機(jī)頭眼位是目標(biāo)局部特這個(gè)提取的關(guān)鍵，飛機(jī)左右兩側(cè)是對(duì)稱的因此可在目標(biāo)中心提取識(shí)別，可獲取飛機(jī)的準(zhǔn)確坐標(biāo)和圖像信息，進(jìn)而完成眼位跟蹤。

3 助航燈光下滑道指示及指示精度

助航燈光下滑指示系統(tǒng)[5]由光源組件、光學(xué)系統(tǒng)和光學(xué)控制系統(tǒng)等組成，可通過下滑道指示等發(fā)出引導(dǎo)光束，引導(dǎo)飛機(jī)進(jìn)近下滑。采用的半導(dǎo)體激光二極管能夠有效地提高能量的使用效率，大幅度降低能耗，具有較廣的使用前景。本系統(tǒng)采用LED 組成的集合，進(jìn)而滿足光束在惡劣天氣條件下的強(qiáng)度要求，還可滿足在對(duì)目標(biāo)飛機(jī)進(jìn)行追蹤時(shí)飛行員可通過目測看到光束。本方法采用的是常規(guī)的目視下滑坡度進(jìn)近指示系統(tǒng)（PAPI），PAPI 燈是指引飛行員能夠有效保持在正確滑倒上的輔助工具，由兩個(gè)不同顏色的指示燈在空中所能覆蓋的角度確定位置（由紅色和白色光束組成）。一般來說，防止跑道左側(cè)位置。根據(jù)國際民航組織標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，通常需要保證PAPI 燈安裝的傾斜度≥3°，當(dāng)飛機(jī)高于仰角時(shí)，飛行員看到的是白色，低于時(shí)飛行員看到的是紅色，一旦飛行員處于正確的滑道，看到的是兩紅兩白光束，能夠最大化保證落地滑道的準(zhǔn)確性。根據(jù)雷達(dá)測量情況，飛機(jī)每進(jìn)近200-400m會(huì)對(duì)光束強(qiáng)度微調(diào)一次，避免出現(xiàn)調(diào)節(jié)過大造成的不適。該下滑道光學(xué)控制系統(tǒng)中的光學(xué)控制單元通過對(duì)飛機(jī)角度和距離信息進(jìn)行測量，從而進(jìn)一步確定飛機(jī)對(duì)于滑道的位置情況，再而對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析后控制光源來對(duì)光束進(jìn)行控制，發(fā)出制定的顏色和強(qiáng)度。

助航燈光指示系統(tǒng)對(duì)于飛行員的引導(dǎo)主要向飛行員提供高度和方位信息，包括偏差量和糾偏速率，對(duì)飛行員的飛行進(jìn)行指導(dǎo)。助航燈光指示系統(tǒng)對(duì)于飛機(jī)的引導(dǎo)精度主要取決于下滑道、橫向及縱向指示燈光束的精度，而該光束的精度則主要取決于目標(biāo)跟蹤和提取精度。目前采用的光電探測系統(tǒng)精度與后端光學(xué)下滑道指示的精度相互結(jié)合，可在滿足對(duì)于飛機(jī)眼位跟蹤的同時(shí)滿足飛行員對(duì)于下滑道光束的觀察，發(fā)散角度一般控制在30′，總體精度控制在2′左右可滿足實(shí)際需要。而對(duì)于航道中心軸距以及光束光軸距離的要求，指示燈光束口徑控制在100mm 左右，光電跟蹤系統(tǒng)口徑控制在160mm 左右，離軸距離為130mm。除上述影響條件外，飛行天氣的情況以及人為操作的熟練程度也是影響指示燈精度的重要部分。

4 高級(jí)地面滑行引導(dǎo)系統(tǒng)（A-SMGCS）

目前，根據(jù)國際民航組織ICAO 出版的系統(tǒng)手冊(cè)，我國采用的是A-SMGCS 系統(tǒng)，具備了路由規(guī)劃、引導(dǎo)、監(jiān)視和控制四項(xiàng)功能，四項(xiàng)功能之間相互協(xié)調(diào)，A-SMGCS 與外部信息系統(tǒng)和控制器進(jìn)行集成共同完成作業(yè)。該系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)融合處理、路由規(guī)劃、引導(dǎo)控制等組成。通過接入多源傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)、氣象、停機(jī)位等多個(gè)信息后進(jìn)行融合處理，提供給操作人員，路由規(guī)劃系統(tǒng)可根據(jù)航班信息制定出完整的滑行路徑，在飛機(jī)落地前根據(jù)地面運(yùn)行情況規(guī)劃出滑行路徑，引導(dǎo)控制是將規(guī)劃好的滑行路線通過特定的通訊直接傳達(dá)給飛行員。A-SMGCS 飛機(jī)滑行路線計(jì)劃的目的主要是根據(jù)現(xiàn)場操作飛機(jī)路線的規(guī)劃，盡可能幫助控制器降低一定的壓力，確保在時(shí)間和空間上實(shí)現(xiàn)對(duì)路徑的規(guī)劃，最大化降低滑行的時(shí)間，大大降低機(jī)場發(fā)生擁堵的可能性，從而提高場面運(yùn)行容量。

5 結(jié)論

本文采用A-SMGCS 系統(tǒng)，開發(fā)設(shè)計(jì)逐行等光系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)空中管制與機(jī)場信息的有效集成和處理，完成對(duì)地面和空中規(guī)劃、引導(dǎo)、監(jiān)視和控制，完成對(duì)現(xiàn)場飛機(jī)路線的規(guī)劃達(dá)到最優(yōu)，保障飛機(jī)的安全飛行，降低了設(shè)備的能耗，提高了引導(dǎo)率，從而提高場面運(yùn)行容量。同時(shí)，幫助飛行員準(zhǔn)確判斷下滑的偏差，提高輔助著陸的正確率，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)安全著陸,大大提高機(jī)場的安全性和運(yùn)行效率。同時(shí)，該方法可應(yīng)對(duì)不同天氣環(huán)境和機(jī)場環(huán)境下的各種情況，進(jìn)而避免出現(xiàn)機(jī)場堵塞或是信息傳達(dá)不及時(shí)的情況，系統(tǒng)氣象和場景適應(yīng)能力強(qiáng)，具有廣泛的發(fā)展前景。