基于北斗與5G的機場飛行區活動目標監視系統設計

摘" 要：為降低機場飛行區活動目標之間碰撞沖突等不安全事件發生概率，減少重大安全隱患和事故，提高機場飛行區的運行效率和安全水平。該文基于北斗與5G等自主可控技術，提出基于北斗與5G的聯合定位來提升機場活動目標定位精度，彌補北斗定位在機場復雜環境下的定位盲點問題。總結歸納機場運行管理規定，建立機場跑道/滑行道告警規則、航空器安全距離告警規則和航空器與機場活動目標規則，設計沖突預警、檢測和解脫方法，有助于飛行區安全管理從被動應對向主動防范轉變。

關鍵詞：北斗定位；目標監視；機場告警規則；沖突檢測；5G

中圖分類號：V351.3" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）28-00４４-0４

Abstract： In order to reduce the probability of unsafe events such as collision and conflict between active objects in the airport flight zone， reduce major safety hazards and accidents， and improve the operational efficiency and safety level of the airport flight zone， based on Beidou and 5G and other controllable technologies， this paper proposes a joint positioning based on Beidou and 5G to improve the positioning accuracy of airport moving targets and to make up for the blind spot problem of Beidou Navigation Positioning System in the complex airport environment. The airport operation management regulations are summarized， the airport runway / taxiway warning rules， aircraft safety distance warning rules and aircraft and airport activity target rules are established， and the methods of conflict early warning， detection and relief are designed. This design is helpful to change the safety management of flight area from passive response to active prevention.

Keywords： Beidou Navigation Positioning System; target surveillance; airport alarm rules; conflict detection; 5G

民用機場是航空運輸的重要基礎設施，作為民用航空運輸系統的一個組成部分，其是飛機安全起飛和降落的最重要前提，也是飛機安全運行的基礎。據統計，起飛和降落階段只占總飛行時間的4%，但這一階段的事故率占比超過50%。因此，確保機場的運行安全和控制機場飛行區移動目標對于確保飛機、車輛和機場人員的運行安全和效率至關重要[1-2]。

機場飛行區活動目標定位和跟蹤，是實施機場飛行區車輛和人員管控的基礎。針對當前機場場面目標跟蹤容易受遮擋、背景干擾等因素影響的問題，楊臨風等[3]提出基于濾波器自適應更新的機場目標跟蹤算法，結果表明在目標特征不明顯或正在發生變化時具有更好的性能，在目標遮擋和背景干擾等9種因素下的跟蹤性能有較大提升。閆坤[4]提出基于YOLO v5算法結合注意力機制的機場監控視頻處理，有效提高了目標檢測準確率。然而，在暴雨、大霧等低能見度的惡劣氣象條件下，傳統的監視方式存在跟蹤精度不足或者目標丟失等問題。5G通信與“北斗+”技術結合的方式，能提高對目標載體的定位精度，降低通信時延，從而避免潛在的不安全事件，降低機場事故的發生率，提高機場運行效率和安全水平。

《運輸機場運行安全管理規定》等文件規定了機場飛行區活動目標安全運行的基準，從中提取不同場景中飛行區活動目標之間的安全間隔要求，建立潛在沖突預警與解脫模型，提高機場安全防范能力。

綜上，本文設計了基于北斗與5G的飛行區活動目標監視方案，構建了特定場景下的機場飛行區活動目標沖突預警和解脫模型，提高場面活動目標透明度，增強可控性，增強機場活動區安全防范能力。

1" 系統架構介紹

機場飛行區活動目標監視系統設計框圖如圖1所示，主要由4部分組成。北斗定位模塊和5G定位模塊提供目標位置信息。數據融合模塊對2個定位模塊的數據采用無跡卡爾曼濾波處理并融合，獲得高精度的機場活動區目標位置信息。機場運行告警模型基于《運輸機場運行安全管理規定》等民航規章，提取機場安全運行要求，建立機場沖突預警模型和沖突解脫模型。

2" 位置數據融合模塊

5G和北斗定位系統均具有定位功能，但當目標處于機場隱蔽區或者限制區時，北斗定位系統會因信號遮蔽等原因而存在盲點，不能持續定位跟蹤活動目標。5G定位基于基站信號局部定位的方式，能很好地解決和彌補北斗定位系統的不足。基于5G高頻傳輸的能力，有助于定位數據在設備端與控制端的快速傳輸和交互，若機場飛行區車輛和行人配置相關數據接收和顯示設備，即可基于5G信號，實時獲取周圍目標移動狀態，提高態勢感知和理解能力。

當北斗定位模塊和5G定位模塊均能定位到車輛或行人目標時，直接的數據融合過程如圖2所示。首先進行時空對準，將北斗數據和5G數據轉換到某一公共坐標系下，并通過外推和內插的方式，在時間上對齊目標位置信息。之后采用無跡卡爾曼濾波算法，對定位信息進行濾波處理，降低數據中的固有噪聲，持續更新目標的當前位置信息，并遞推預測目標未來位置信息。最后采用簡單凸組合航跡融合算法[5]融合5G和北斗的定位信息，進一步提高對飛行區車輛當前位置的定位精度和未來位置預測精度，作為機場運行告警模塊的輸入。

2.1" 時空對準

作為2個獨立的定位系統，北斗與5G在獲取目標信息時，會以不同的相對坐標系和時鐘標定目標信息，導致目標定位信息在時間和空間上并不同步，需先進行空間對準和時間對準。

北斗作為我國自主研發的全球衛星定位系統，其目標位置信息描述是基于北斗坐標系。北斗坐標系的地球橢圓信息與CGC2000坐標系相同，以地球質心為原點。5G定位采用的坐標系大多為基于基站的局部三維坐標系。目標定位信息通過坐標轉換到以機場某點為參考的統一坐標系下，從而實現空間對準北斗衛星和5G的定位數據更新頻率存在差異，即每分鐘對目標實施的定位次數不同，最終會導致目標信息在時間坐標系上的差異，一般通過插值和外推的方法實現時間坐標系中的統一。本文采用三次樣條插值[6]來北斗定位時間和5G定位時間的外推和對準。

2.2" 濾波處理

機場飛行區中，車輛依照各自的任務在特定的路線上駕駛，本身有比較規則的運動規律。但對于5G定位和北斗定位系統，車輛運動狀態方程是未知參數，需要根據目標機動模型，結合無跡卡爾曼濾波算法，在目標信息的更新迭代中，逐步完善和建立目標狀態方程。本文采用“當前”統計模型對車輛運動狀態進行建模和估計。

“當前”統計模型假設當車輛以一定加速度機動時，下一時刻的加速度取值應在有限范圍內變化，且取值范圍應該在當前加速度的鄰域內。在非突發情況下，機場飛行區中活動的車輛運行狀態和變化趨勢比較穩定連續，符合“當前”統計模型的假設。令（k）表示當前時刻的加速度，依據“當前”統計模型建立的飛行區車輛狀態方程如式（1）和式（2）。

設經過時空對準后，北斗定位模塊或5G定位模塊提供的目標信息為z（k+1）=（xk+1，yk+1），基于式（1）和式（2）描述的車輛運動狀態，基于無跡卡爾曼濾波的北斗或5G模塊數據處理步驟組成：

1）確定采樣策略，對稱采樣策略的sigma采樣點及其權值計算如下。

式中：κ為可設參數。

2）根據k-1時刻的估計值k-1、協方差Pk-1和采樣策略，計算得sigma點集ξ、狀態預測值k/k-1和預測狀態協方差Pk/k-1

式中：W為各sigma點的權值。

3）根據狀態預測值k/k-1、預測狀態協方差Pk/k-1和選定的采樣方式，得到新的sigma點集ξ+，計算得傳遞后的量測為

計算量測預測值k/k-1、量測協方差Pzz，k和互協方差Pxz，k

4）得到北斗定位模塊或5G定位模塊的目標位置信息z（k+1）后，計算濾波增益Kk、狀態估計值k/k-1和Pk

根據式（3）—式（13）即可實現利用5G定位信息或北斗信息對飛行區車輛的穩定跟蹤，持續更新其位置信息。令k′=k+t，重復利用式（4）和式（5），即可計算在當前運動趨勢下t時刻后車輛的位置信息，實現對車輛位置的短期預測。

2.3" 軌跡融合

本文采用局部航跡融合結構處理得到的北斗定位車輛位置點和5G定位車輛位置點，如圖3所示，該融合結構使用便捷，不考慮信息相關的問題，計算量小，是常用的軌跡融合方法。在融合過程中，局部航跡融合結構不考慮k-1時刻北斗定位車輛軌跡點和5G定位車輛軌跡點對當前時刻k軌跡點融合的影響，直接將k時刻北斗定位車輛軌跡點和5G定位車輛軌跡點融合形成融合軌跡。

對于k時刻的北斗定位車輛軌跡點和5G定位車輛軌跡點信息，本文采用簡單凸組合軌跡點融合方法。簡單凸組合軌跡點融合方法是一種適用性極強的算法，其計算過程比較簡易、實操性較高，且要求不同傳感器對于同一個目標的軌跡估計誤差之間是相互獨立的。對于5G定位和北斗定位系統，在獲取目標信息過程中，是2個獨立的過程，不存在依賴性，可認為是對車輛的探測誤差是互相獨立的，符合簡單凸組合軌跡點融合方法使用要求。

設經無跡卡爾曼濾波算法處理后，北斗定位模塊和5G定位模塊在k時刻對同一車輛的狀態估計分別為" 和" ，對應協方差分別為P和P，則融合后的狀態估計k計算如下

融合后的協方差Pk計算如下

3" 機場運行告警模塊

通過查閱《運輸機場運行安全管理規定》[7]、《運輸機場地面車輛和人員跑道入侵防范管理辦法》等規定，民航局對于機場飛行區活動車輛的運行速度、位置等有嚴格的要求和規定，本文提取相關規章要求，歸納出以下告警規則及判斷準則。

3.1" 機場跑道、滑行道告警規則

將跑道和滑行道周邊30 m的范圍設置未經允許禁止進入區域；跑道兩端之外300 m以內、跑道兩側75 m以內的區域設置不停航禁止進入區域，如圖 4所示。

設活動車輛融合后的位置k=（x，y），某跑道由一組坐標點[（x0，y0），（x1，y1），…，（xn，yn）]表示，若滿足|x-xi|lt;dmin或|y-yi|lt;dmin，其中dmin根據車輛與跑道之間的相對位置關系取30、75或300 m，則發出告警，提示車輛已處于機場跑道、滑行道保護區域，并引導車輛離開該范圍。設活動車輛預測的位置k+t=（xk+t，yk+t），若滿足|xk+t-xi|lt;dmin或|y-yi|lt;dmin，其中dmin根據車輛與跑道之間的相對位置關系取75或300 m，則發出告警，提示車輛可能會行駛進入機場跑道、滑行道保護區域，請駕駛員確定行進方向是否正確。

3.2" 航空器安全距離告警規則

將航空器周圍30 m的范圍設置為安全告警區域；航空器周圍5 m的范圍內設置為危險區域，如圖5所示。航空器安全距離告警判斷規則與機場跑道、滑行道保護區告警過程類似。

3.3" 航空器與機場活動目標規則

機場活動目標運動方向需與航空器運行方向（滑行、起飛、著陸）相反，以便出現碰撞沖突時能第一時間發現，并且機場活動目標速度不得大于45 km/h，否則將進行告警；靠近航空器的機場活動目標速度不得大于5 km/h，且在飛機周圍15 m范圍內必須開始減速。

基于式（1）建立的模型，通過無跡卡爾曼濾波算法處理后，能獲取車輛的運動速度k，加速度k。當車輛附近沒有航空器時，若滿足k≥45 km/h，則發出告警，提示有車輛超速運行；若k+kt≥45 km/h或者k+t≥45 km/h，則發出告警，提示有車輛即將超速運行。當車輛附近存在航空器時，若滿足k≥5 km/h，則發出告警，提示有車輛超速運行；若k+kt≥5 km/h或者k+t≥5 km/h，則發出告警，提示有車輛即將超速運行。

4" 結束語

北斗定位與5G定位相結合的方式，能有效提高對飛行區車輛等活動目標持續和有效跟蹤能力，避免傳統單一衛星定位系統在遮蔽等情況下目標丟失，無法持續跟蹤的不足。通過查閱《運輸機場運行安全管理規定》等民航管理規定，提出建立了機場跑道/滑行道告警規則、航空器安全距離告警規則和航空器與機場活動目標規則，并基于北斗和5G定位數據建立了潛在沖突檢測和預警規則。基于北斗和5G的飛行區目標監視系統，能有效提升飛行區活動目標監視的安全性和可控性，提前預知并作出相應決策，有效阻止可能發生的安全事故或者事故征候。

參考文獻：

[1] 宮淑麗.機場場面移動目標監視系統關鍵技術研究[D].南京：南京航空航天大學，2012.

[2] 楊俊偉.空中管制員壓力管理問題及對策分析[J].硅谷，2015，8（3）：260，275.

[3] 楊臨風，牟睿，黎新，等.基于濾波器自適應更新的機場目標跟蹤算法[J].交通信息與安全，2022，40（1）：72-79，96.

[4] 閆坤.基于深度學習的機場場面活動目標檢測與跟蹤算法研究[D].天津：中國民用航空飛行學院，2022.

[5] 袁翠紅.末端防空武器系統中目標航跡融合與分配技術研究[D].北京：北京工業大學，2020.

[6] 高曉，楊志強，庫新勃等基于三次樣條插值實現無人機高動態運動軌跡插值[J].全球定位系統，2020，45（1）：37-42.

[7] 中國民用航空局.運輸機場運行安全管理規定[S].2022.