航管系統區域入侵告警預警模塊的研究與實現

上官紅斌（四川大學計算機學院，成都　610065)

航管系統區域入侵告警預警模塊的研究與實現

上官紅斌
（四川大學計算機學院，成都610065)

0　引言

航空母艦，簡稱“航母”，是一種以艦載機為主要作戰武器的大型水面艦艇，可以提供艦載機的起飛和降落[1]。航母造價昂貴，目標大且很容易被發現，在執行任務時保障航母和各艦載機的安全至關重要。航管系統主要用于保證航母運行期間和艦載機飛行期間安全，具有重要的現實意義。航管系統中預警和告警主要包括最低安全高度預警與告警（SAW）、短期沖突預警與告警（STCA）、航跡偏離告警、特殊SSR代碼告警、回收油量告警以及對禁區、限制區、危險區的侵入預警與告警。航管系統中不僅有固定空域，還有移動空域，飛行器對空域的入侵告警預警最難判定。

1　坐標轉換

系統中采用三維的球面來定義地球上的位置，也就是使用經緯度坐標（L，B，H）來表示地理位置。為了將經緯度坐標表示的空中目標顯示到平面顯示器上,需要進行投影變換，系統中采用球心方位投影的方式把地理坐標系投影到平面直角坐標系中。球心方位透視是透視方位投影中的一種，透視方位投影根據視點的位置不同又分為正射、外心、球面和球心投影[2]。透視方位投影如圖1所示：

圖1　透視方位投影

圖1中1為正射投影，視點在無窮遠處；圖中2為外心投影，視點位于離球面的有限距離；圖中3為球面投影視點位于球面；圖中4為球心投影，視點位于球心。

透視方位投影以u1和u2表示垂直圈與登高全長度比，根據透視關系與長度比定義可得[3]：

D表示視點到球心的距離，L表示視點到投影面之間的距離，R為球心的半徑，P為面積變形,w為角度變形，ρ為球面上圓弧長度，球心投影時，D=0，L=R，由此可得：

球心投影因具有唯一的特點，即任何大圓投影后為直線，常用于編制航空圖或航海圖[4]。在這種圖上，用直線連接起始點和終結點，就可求得航線上兩點之間的大圓航線，即為大圓弧的投影，該直線與各經緯線的交點即為大圓航線應通過的點。采用球心投影后的地圖如圖2所示：

圖2　采用球心方位投影后的中國地圖

2　空域劃分及表示

航管系統中空域一般有空域代碼、空域名稱、空域類型、空域屬性、空域形狀、空域狀態以及所屬單位等信息，如圖3所示。空域形狀通常是一塊立體的三維圖形，采用平面區域加低高和頂高的表示方式。平面區域有多邊形、圓形、橢圓形、扇形、長方形五種形狀來表示，如圖4所示。空域狀態有激活和靜止兩種狀態，如果當前系統時間在空域的激活起始時間和空域的激活結束時間之內，空域才處于激活狀態，否則處于靜止狀態。空域按類型劃分為禁區、限制區、危險區和責任區四種，其中禁區的禁入沒有時間限制。一般采用不同的空域代碼開頭字母以及不同顏色來區別不同空域。

圖3　空域信息列表

圖4　空域信息地圖上顯示

航管系統中的空域不僅有固定空域，也有移動空域，移動空域的參照系是航母。固定空域主要由經度和緯度信息來表示，移動空域由方位和距離來表示，方位指該目標與航母連線與正東方向所成的夾角，距離指目標點與航母之間的直線距離。

3　侵入區域告警預警檢測

系統對侵入區域告警預警檢測處理步驟如下所示：

（1）系統設置一個定時器，每過一段時間，從數據庫中讀取最新的空域信息、航母位置信息和飛行器信息。

（2）判定空域是否處于激活狀態。如果當前系統時間在該空域的激活時間范圍之內，則該空域處于激活狀態，反之，該空域信息不進行處理。

（3）顯示系統中激活的所有空域信息。如果該空域為固定空域，則把該空域中的經緯度度坐標轉換成平面直角坐標；如果該空域為移動空域，把該空域中相對于航母的方位距離信息轉化為平面直角坐標。

（4）判斷是否有侵入區域告警信息。如果該飛行器已經處于空域內部，則報告告警信息給管制席。

（5）判斷是否有侵入區域預警信息。如果該飛行器處于空域的外部，判斷該飛行器的方向是否會和空域所處平面相交。如果不相交，不會發生預警信息；如果相交，計算出該飛行器和空域的垂直距離和最小水平距離，如果水平距離和垂直距離都小于該空域的預警參數，則報告預警信息給管制席。

首先需要判斷目標點的高度是否在空域的低高和頂高的范圍之間，如果目標點的高度不在空域的低高和頂高的范圍之間，則目標點不在空域內，反之則需要判斷同一水平面下目標點是否在空域所示圖形內。航管系統中的空域有多邊形、圓形、橢圓形、扇形、長方形五種形狀，圓形和橢圓可通過橢圓方程判定，扇形是圓的一部分，可通過比較半徑和起始角度判定。長方形是多邊形的一種，可以和多邊形一起處理。

系統中采用點射法的方法來判定目標點是否在多邊形內部，如圖5所示：

依此連接多邊形的Vi和Vi+1點，求出這兩點之間的直線方程，如目標點在這條直線上直接返回。

從目標點沿著X軸向右畫一條射線，求出該射線和多邊形各邊的交點個數。定義多邊形各邊的兩個端點中，相對于另一端點在上面的叫做上端點，下面的叫做下端點，只有射線和多邊形的交點是非下端點，才認為和多邊形相交。

圖5　點射法示意圖

如果這條射線和多邊形的交點個數總和為偶數，則在多邊形外部，如果交點為奇數，則在多邊形內部。

4　結果示意圖

文中所述的告警及預警檢測算法在航管系統中得到了很好的應用，能夠很好地檢驗出飛行器對空域的侵入狀況，如圖6所示：當飛行器侵入空域F0001時，該飛行器的標牌上閃爍，并在屏幕的左上角和飛機標牌上顯示黃色的告警信息。

圖6　侵入區域時的告警示意圖

[1]吳榮寶．航母的艦體結構［J］．海事大觀，2005，9:89-92．

[2]鐘業勛，胡毓鉅，童新華．基于不同經緯線類型組合的地圖投影新定義［J］．海洋測繪，2012，32（6）:13-16．

[3]孫衛新，呂曉華,喬予民．反外心透視方位投影及其應用研究[J]．測繪科學技術學報，2013,1:95-97.

[4]祝國瑞著．地圖學[M]．武漢：武漢大學出版社，2014.

Carrier Air Traffic Control System;Gnomonic Azimuthal Projection;Airspace;Warning;Predict Warning

Research and Implementation of Area Invasion Warning and Predict Warning Module in Carrier Air Traffic Control System

SHANG GUAN Hong-bin

（College of Computer Science，Sichuan University，Chengdu 610065）

1007-1423（2016）05-0038-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2016.05.008

上官紅斌（1989-），男，河南三門峽人，碩士研究生，研究方向為圖形圖像處理

2015-12-15

2016-01-20

航管系統采用球心方位投影的方式把經緯度和高度組成的地理坐標系投影到平面直角坐標系中，該系統中的空域有限制區、禁區和危險區和責任區四種類型，不同類型的空域告警預警參數不同。航管系統中空域有固定空域和移動空域之分，同時也都有激活和非激活兩種狀態。激活狀態下，系統對飛行器的當前位置和運動趨勢進行實時監視，計算出該飛行器對空域的侵入趨勢以及侵入狀態。如果已經發生侵入或有侵入趨勢，系統中該飛行器的標牌會發生閃爍，并在標牌和屏幕左上角顯示告警或者預警信息。

航管系統；球心方位投影；空域；告警；預警

國家高技術研究發展計劃（863）（No.2013AA01390）

Carrier Air Traffic Control System uses gnomonic azimuthal projection to transform Geographic coordinates including latitude and longitude and height into Cartesian coordinates.The system has four types of airspace restricted zone,restricted and danger areas and areas of responsibility.Different types of airspace have different warning and predict warning parameters.The system has fixed airspace and moved airspace.There are two states of airspace,active and inactive state.In the active state,the system calculates the trend of airspace intrusion and invasion status according to the real-time monitoring on the current position and movement trends of aircraft.If invasive or intrusive trend has occurred,the aircraft label will flicker and display alarm or warning information in the upper left corner of the screen.