一種用于低空空域的多源監視系統設計

摘 要：文章研究了當前國內低空空域監管方式的優缺點，設計了北斗二代、低空雷達協同監視的數據融合架構，特別是設計了北斗二代與低空雷達協同監視的航跡融合方式，分析了通用航空器的場面行為，優化了視頻與北斗二代協同監視的算法結構。通過仿真實驗驗證，本套系統使用成本低、監視精度高、易于推廣。

關鍵詞：低空監視；北斗二代；低空雷達；視頻；協同監視

引言

低空空域監視系統是保障通航運輸安全高效有序運行的核心系統。隨著通航事業的快速發展及低空空域的逐漸開放，針對低空空域監視技術研究也日益增加。低空雷達監視精度高，但在雷達上空存在監視盲區，基于北斗二代的星基監視獲取飛機自身的信息，其精確度有待進一步確認，視頻監視僅能捕捉航空器的場面行為。因此，作者設計了一種用于低空空域的多源監視系統，在地側利用北斗二代與視頻協同監視，在空側利用北斗二代與低空雷達協同監視，再利用C#編程語言編寫軟件界面，從而制成一套精度高、成本低、易于推廣的低空空域監視系統。

針對當前低空空域監視設備精度低，無法完全覆蓋低空空域的現狀，本系統采用多雷達航跡與北斗二代星基導航航跡相結合，再利用北斗二代與視頻協同分析機場的場面行為，從而實現對整個飛行剖面的高精度實時監控。同時，飛行員與監管人員也可根據這些信息利用4G網絡實時溝通，從而在低空空域進一步推進由空中交通管制向空中交通服務的轉變。

1 北斗二代與雷達數據融合架構

本系統升級了初始化、航跡管理和濾波系統，以接收北斗數據并管理多傳感器航跡。這種監視方法可降低多雷達監視能力衰退的風險。

北斗二代分支：北斗二代分支通過預關聯和關聯對北斗數據進行處理并生成多傳感器監視航跡，預處理以運動學窗體和航空器航跡配對為基礎，聯系過程將為航跡管理過程找出最好的航跡配對。測量模塊將給出航空器的位置，所有處理過程都建立在由WGS-84坐標系轉換的笛卡爾坐標系中。

通用分支：通用分支原則與多雷達監視系統相似，初始化過程允許用雷達數據模擬航跡，此時的航跡管理可管理多傳感器數據。對于這種傳感器，狀態方程可表示為：

σ是XY平面地面加速度的方差，σ是Z平面垂直加速度的方差。

因此卡爾曼濾波可根據目標行為從不同方向進行適配：

（1）沿XY平面的變化量：σqk

（2）沿Z軸的變化量：σqk

誤差評價處理基于一些系統航跡參考系的選擇，不需要更新多傳感器監視系統的范圍。

2 北斗二代與視頻協同監視算法

場面視頻與北斗二代協同監視的原理圖如圖1所示：

機場邊緣的不同位置的多個攝像頭以不同的方位角捕獲目標，通過這些攝像頭的位置和方位角，我們可以推出目標和攝像頭群組之間的相對關系，進而計算出目標的位置。理論上，為探測目標的空間位置，應確保3個不在同一條直線上的點同時對目標進行探測。

影響Pt的主要因素有兩點：（1）目標與攝像頭群組的位置關系；（2）攝像頭的測向精度。因此，準確定位還需要進行誤差分析。

3 地面端軟件設計

地面端軟件通過移動網絡同時接收地側監視系統和空側監視系統的飛行數據源碼，并通過編程語言解析融合的數據源碼。

在地側可實現把北斗數據中的航班標識牌信息關聯到視頻上實現自動掛標牌。根據航空器的標識、圖像坐標、面積、形狀、特征點等信息對目標在圖像序列中匹配，完成對運動的目標跟蹤和軌跡提取。利用提取軌跡的結果對航空器、車輛、人員等監視目標的行為進行預測，進行道面運行沖突分析，避免跑道入侵、飛機碰撞的發生。結合視頻數據及航空器信息，計算出航空器滑行中的等待時間及燃油消耗，并導入相應的數據庫。

在空側可實現對每架航空器的掛牌，監管人員通過人性化的顯示界面可以對每架航空器進行位置監視，從而對航線沖突進行預判，提前調配航路航線。同時本軟件可記錄全程飛行數據，并實現歷史回放，為以后的研究提供豐富的數據支持。航班信息顯示模塊顯示了每架航空器的注冊號、航班號、經緯度等信息，實現對每架航空器高精度監視，用戶可以隨時查看某架航班的信息。航班運行信息顯示模塊顯示每架航空器具體信息，包括航班呼號、機型、當前的飛行狀態等，能夠幫助用戶掌握一定區域內每架航空器的動態信息，以實現對本區域內通用航空器的高效監視與管理。

4 結束語

（1）本套在空側采用優化的北斗二代與低空雷達協同定位，拓寬了傳統多雷達監視系統在低空的監視范圍。同時，通過融合北斗二代與低空雷達的監視數據，進一步提高了監視精度。

（2）本套系統在地側采用北斗二代與視頻協同監視算法，通過在機場指定的位置安插的攝像頭可實現對場面航空器行為的全面捕捉。

（3）當前通航產業飛速發展，國家近年來也不斷出臺相關政策鼓勵通航發展，特別是大力興建通航機場與開放低空空域試點，而當前低空空域管理相當混亂，特別是無人機黑飛的現象更是十分嚴重，因此低空空域監視系統在未來將擁有廣闊的應用前景。

參考文獻

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