CN101401138B - 改进的飞机对接系统 - Google Patents

Abstract

一种飞机对接系统(115，117)被配置为位于对接站(103，105)。该系统包括距离确定装置，用于使用电磁辐射信号接收装置至少确定所述系统和飞机(111，113)之间的距离。该距离判断装置进一步用于测量由所述信号接收装置接收的接收信号的至少一个属性，所述属性与在所述对接站处的能见度有关，将所述至少一个接收信号属性的测量值与阈值进行比较，并根据所述比较，提供指示在对接站处的能见度是否足够好以允许与所述系统安全对接的信号。

Description

改进的飞机对接系统

技术领域

本发明涉及一种位于对接站处的飞机对接系统，所述系统包括距离确定装置，用于至少确定该系统和飞机之间的距离。

背景技术

近年来，在机场对高效运行的需求已经增强，随之而来的是许多机场已经出现用自动飞机对接系统取代将飞机手动地停靠(marshalling)到门口的需求。

自动对接系统通常所基于的技术或多或少地受到例如由于雾或降水而引起的能见度降低的影响。表述“能见度”被解释为相关波长的电磁辐射的大气透光度。在美国专利6,563,432中公开了这种系统的一个例子，其中，用于检测和确定到飞机的距离的系统用激光脉冲扫描在门口的区域。分析所反射的激光脉冲以检测固体对象以及区分固体对象和雾或降雨。

在美国专利6,542,086中公开了受能见度条件影响的自动对接系统的另一个例子。在美国专利6,542,086中的系统利用摄像机作为传感器。

这些系统的缺点在于它们并不总是允许在机场开放通航的全天候条件下对接。飞机可在距对接系统被安装的最近位置80-100米的距离处需要引导，而机场在能见度小于80-100米时可能仍然开放通航。结果是在由于大雾或降雨而导致不可能自动对接的情况下，不得不由信号员(marshaller)手动地进行对接。这种情况下的问题是，直到飞机靠近门口时手动停靠的需求才可能明显，并且它证明大雾或降雨太密集而对接系统不能给出引导。在大型机场，这种情况可能同时在几个门口发生，并且由于它是无计划的，因此可能导致机场运作的混乱，并伴随相关的问题，诸如成本增加或安全性降低。

虽然在美国专利6,563,432中公开的系统检测、识别和对接飞机，并且也确定所检测的对象是否是固体，或者是否存在雾或降雨，但是，该系统没有确定自动对接是否可能。

通常，在机场使用位于跑道附近的能见度测量表来进行能见度的测量。然而，现有的能见度测量表的输出通常并没有真实地表示在对接系统处的状况，因为这些系统通常位于非常接近航站楼的门口，而这里雾的密度通常相对于机场变化非常大。另外，在每个门口安装这种能见度测量表也不是优化的方案。测量表的输出仍然不代表控制对接系统的执行的状况，因为雾经常片状地出现，并且该系统的工作区域是从系统向外扩展大约100米的扇形区。这种方案的另一个缺点是由于提供多个昂贵的能见度测量表而增加了成本。

发明内容

因此，通过以上对有关现有技术中的系统的缺点的讨论，证明在本领域存在对一种能够确定能见度条件是否允许对接的飞机对接系统的需求。

因此，本发明的一个目的在于如何配置对接系统以确定在其工作区域内的能见度条件并在这些条件不再允许与该系统对接时提供信号。

为了实现该目的，本发明在第一个方面提供一种位于对接站处的飞机对接系统。该系统包括距离确定装置，用于使用电磁辐射信号接收装置至少确定该系统与飞机之间的距离。距离确定装置进一步用于测量由所述信号接收装置接收的接收信号的至少一个属性，所述属性与在对接站处的能见度有关，将所述至少一个接收信号属性的测量值与阈值进行比较，并根据所述比较，提供指示在对接点处的能见度是否足够好以允许与该系统安全对接的信号。

在第二个方面，本发明提供一种用于在位于对接站处的飞机对接系统中控制飞机对接的方法。该系统包括距离确定装置，用于使用电磁辐射信号接收装置至少确定该系统与飞机之间的距离，距离判断装置执行以下步骤：测量由所述信号接收装置接收的接收信号的至少一个属性，所述属性与在对接点处的能见度有关，将所述至少一个接收信号属性的测量值与阈值进行比较，并根据所述比较，提供指示在对接点处的能见度是否足够好以允许与该系统安全对接的信号。

在第三个方面，本发明提供一种包括软件指令的计算机程序，其在计算机中执行时执行上述的方法。

在第四个方面，本发明提供一种飞机对接系统的用途，用于控制在机场的操作。

换句话说，根据本发明的系统用于在飞机对接之前和/或期间，检查对接系统的工作区域的能见度条件。该系统测量在对接点处的与能见度有关并且限制系统执行的特征。测量结果用作确定能见度条件是否允许安全对接的确定因素。

因此，本发明的优点在于其向机场的运营者提供一种增强的能力以在能见度下降到存在安全对接是否可能的不确定性的程度时确定是否可能执行对接操作。例如，现有技术的系统通常不能区分浓雾或降水和进场飞机的部件。不用说，这种区分能力的缺乏可导致危险的情况。另一方面，现有技术的系统可配置为考虑这种区分能力的缺乏而在该系统是不确定时对于不可能对接的结果简单地提供信号。然而，这意味着现有技术的系统的实用性不及根据本发明的系统的实用性。

此外，优点在于本发明可以实时并且不间断地确定雾或降雨的密度是否使自动对接不可能，并保持交通控制器得到有关的通知。手动停靠的需求可以被预测，从而信号员可以在飞机到达时就位，并避免在对接延迟方面的干扰。因此，例如在减少等待飞机的时间、加快并进而更有效地将到达的飞机分配到可以自动对接的门口和航站的方面，实现高效的机场运行。

本发明的优点还在于通过提供一种上述问题的解决方案，可以改进已有的对接系统以提供指示在对接站处的能见度条件的信号。典型地，实施将仅仅带来系统中控制软件的重新编写，这意味着与需要单独的能见度系统的情况相比，可以极大地节省成本。由于对接系统运行的波长区间也适用于与确定能见度条件有关的操作，因此，不需要修改现有对接系统的任何硬件。

本发明的实施例包括：距离确定装置用于在与电磁辐射的散射有关的方面测量接收信号属性。例如，距离确定装置可包括激光测距装置，那么距离确定装置可用于测量激光辐射的散射。可选择地，距离确定装置可包括雷达测距装置，那么距离确定装置可用于测量雷达辐射的散射。在其它实施例中，反向散射的电磁辐射，或更准确地反向散射的辐射的功率分布，表示散射。

其它的实施例包括：距离确定装置包括含有成像装置的信号接收装置，成像装置用于提供对接站的二维图像，距离确定装置用于至少在与图像中的至少两个区域的对比度差有关的方面测量接收信号的至少一个属性。这些图像区域可以与在对接站处的预定位置对应，优选地，在与该系统距离相同的地方。

换句话说，当对接系统利用二维成像技术时，能见度条件的测量值是图像中的对比度。分析用于确定飞机的位置和确定由雾或降雨造成的信号恶化的图像信号提供表示能见度恶化是否超过对接不安全或者甚至不可能的水平的好的指示。

成像装置可用于检测在可见波长区间和红外波长区间的任意一个内的电磁辐射，以及检测在这两种波长区间内的电磁辐射。

附图说明

现在参照附图更加详细地说明本发明，其中：

图1示意性地示出安装有根据本发明的对接系统的对接站；

图2a示意性地示出根据本发明的第一实施例的对接系统；

图2b是与在雾中反射的电磁脉冲有关的响应曲线的图；

图3示意性地示出根据本发明的第二实施例的对接系统；

图4和图5是根据本发明的方法的流程图。

具体实施方式

图1示意性的示出了从机场的位置的上方看的图。航站101，其可以是客运航站和/或货运航站，被配置有第一飞机对接系统115和第二飞机对接系统117。第一对接站103和第二对接站105分别位于每个对接系统115和117。虽然在图1中对接站用虚线表示，但这些线并不表示地面上实际的标记，而应当仅被理解为阅读本说明书的帮助。

另外，虽然图1示出两个对接系统115、117都附属于航站101，但是，可选的配置包括：对接系统并不直接附属于航站，而是附属于在对接站处的任何其它合适的装置。实际上，对接站可以不直接与特定的航站相关，而是可以与在机场的机场操作允许对接的任何地方的指定对接站相关。

在图1中说明的情形是第一飞机111正沿着地面上的引导线107靠近第一对接站103的情形。第二飞机113位于第二对接站105处，其已进行了成功的对接操作，并通过旅客桥109连接到航站101。

第一对接站103正被雾119大范围地覆盖。雾119在对接站处的大气的三维空间中扩展，并被理解为是在第一飞机111靠近第一对接系统15时妨碍其安全对接的潜在障碍。

众所周知，雾或降雨影响能见度主要在于入射的电磁辐射被大气中的液滴散射。在散射的过程中，被辐射照射的液滴在所有方向上再发射入射的电磁辐射的某一部分。然后，液滴扮演再发射的能量的点源。根据液滴大小与辐射波长之间的关系，入射的电磁辐射的某一部分被反向朝着辐射源散射。能见度与散射的电磁辐射之间的关系已广泛地在文献中描述，例如，在“Ground-based remote sensing of visual range/Visual range lidar”，Verein deutscher ingenieure VDI3786，或在“Elastic Lida：Theory，Practiseand analysis methods”，V.A.Kovalev，W.E.Eichinger，Hoboken，N.J.，Wiley，2004。

对于依赖例如用于脉冲发射的电磁发射装置的对接系统，散射降低了所接收的从将被检测的物体反射的能量的量。对于依赖成像装置的对接系统，散射导致所使用的图像中的对比度降低。

现在转到图2a和2b，描述对接系统215，其在脉冲的发射和这些脉冲的反向散射的辐射的接收方面利用电磁辐射。对接系统215用于实时确定到进场飞机240的距离，并用于指示在位于对接系统215和进场飞机240之间的对接站处的能见度是否足够好以允许飞机240的安全对接。

图2a的对接系统215可代表上述参考图1讨论的对接系统115、117的任意一个，其包括控制单元221、发射器223和接收器225。发射器223用于在控制单元221的控制下发射电磁辐射脉冲，其采用激光辐射的形式(虽然其它实施例可包括用于操作雷达脉冲的发射器/接收器对)。如图2a中示意性地示出的，辐射从发射器中以发射波束229的形式沿着发射波束方向230发出。相应地，接收器用于在控制单元221的控制下沿着接收波束方向232接收采用接收波束231形式的反向散射的辐射，并向控制单元221提供反向散射的辐射的表示信号。

对发射器223和接收器225进行配置以使其可通过由控制单元221控制的波束方向设备226而指向任何期望的空间方向。如本领域普通技术人员可实现的，波束方向设备226可以采用镜子、步进马达等形式实现。

如图1中所指出的，对接系统215可以组成在机场航站安置的更大的系统的一部分，并且还可以连接到由机场工作人员操作的外部控制系统227。

下面说明图2中的对接系统221如何工作以提供安全对接是否可能的指示，其中对接系统221的距离确定利用发射器223和接收器225来发射和接收激光脉冲或雷达脉冲形式的电磁脉冲。还将参照图4中的流程图。

图2b中的图表示出当脉冲已在发射步骤401中向均匀的雾发射并且反向散射的辐射已在接收步骤403中由接收器225以具有功率分布P(r)的接收信号的形式接收时，系统的距离校正接收信号的典型功率分布Z(r)。然后进行计算步骤405，其中计算能见度的值V。

在计算步骤405中，距离校正功率分布Z(r)最初被计算为Z(r)＝r²＊P(r)以补偿长距离的接收信号衰减为1/r²的事实。r是发射器/接收器与反射/散射目标之间的距离。

然后，根据距离校正接收信号Z(r)计算能见度V，例如，通过使用DE19642967中公开的算法或者使用称为渐进逼近的方法。根据这个方法，能见度V可通过如下表达式计算：

$V\≈\frac{3\mathrm{c\Δt}}{\ln \left(\frac{I_{r1}+I_{r2}}{I_{r2}}\right)}$

其中，c＝光速，

$I_{r1}={\∫}_{r0}^{r1}Z\left(r\right)\mathrm{dr},$

$I_{r2}={\∫}_{r1}^{r2}Z\left(r\right)\mathrm{dr},$

r₀是发射器和接收器的视场开始完全重叠时的距离，

r₁是信号已下降到在距离r₀处的最大值的10％时的距离，

r₂＝r₁-r₀。

I_r1的积分时间从t₀到t₁＝t₀+Δt，I_r2的积分时间从t₁到t₂＝t₁+Δt，其中t₀、t₁、t₂和Δt与如图2b中所定义的r₀、r₁、r₂和Δr有关。

然后，在比较步骤407，将所计算的能见度V与预定的阈值相比较，以给出对接是否可能的指示，即信号。特定的阈值可以例如根据经验确定。如果能见度V大于阈值，那么在指示步骤409提供能见度好且可以安全对接的指示。相反，如果能见度V小于阈值，那么在指示步骤411提供能见度差且不能安全对接的指示。

现在参照图3描述对接系统315，其利用采用照相机324形式的成像装置。正如在前面的实施例中那样，对接系统315用于实时地判断到进场飞机的距离，并指示在对接站的能见度是否足够好以允许飞机340的安全对接。

图3的对接系统315可以表示上述参考图1讨论的对接系统115、117中的任意一个，包括连接到照相机324并连接到外部控制系统327的控制单元321，与上述参考图2a的实施例讨论的情况类似。

控制照相机324以记录对比度测试对象的图像，该对象由黑点303和亮点304标明，并位于与对接系统315距离为d的地方。如本领域普通技术人员将认识到的，测试对象目标304、305可以是对接系统的视场内位于对接站处的任何预定对象或标记，例如，所绘制的引导线107的一部分。雾305在图3中被描述为在对接系统315和进场飞机340之间的大气中扩散。

以下描述图3中的对接系统315如何工作以提供安全对接是否可能的指示，其中控制单元321的距离确定利用照相机324以记录图像。在所记录的图像中，用i表示的第一像素和用j表示的第二像素包含各自的场景点P_i和P_j的图像数据，其中，场景点P_i和P_j对应于校准对象的各个点303和304。还将参考图5的流程图。

在记录步骤501中记录了图像后，在计算步骤503中，计算在照相机图像中的两个像素i和j之间的对比度，这两个像素对应于在与照相机相同距离d处的两个场景点P_i和P_j。然后，对比度用作由于下降的能见度而造成的性能恶化的测量值，如将在下面说明的。

照相机图像中的对比度以两种方式受到大气微粒散射光的影响，如图3所示。直接传输307是由照相机传感器沿视线从场景点303、304接收的衰减辐射。大气光309是由大气微粒反射到视线中的环境照明311的总和(日光、天空光、地面光)。

已知下面的关系式适用：

E⁽ⁱ⁾＝I_∞ρ⁽ⁱ⁾e^-βd+I_∞(1-e^-βd)

E^(j)＝I_∞ρ^(j)e^-βd+I_∞(1-e^-βd)

其中，E⁽ⁱ⁾和E^(j)分别是两个像素i和j的亮度，

I_∞是环境照明强度，

ρ是场景点303、304的归一化辐射，是场景点反射系数、归一化环境照明谱和照镜机324的谱响应的函数，

β是在照相机324前面的大气的反向散射系数，

d是系统315和场景点303、304之间的距离。

所观察的P_i和P_j之间的对比度可定义为：

$\frac{E^{\left(i\right)}-E^{\left(j\right)}}{E^{\left(i\right)}+E^{\left(j\right)}}=\frac{{\mathrm{\ρ}}^{\left(i\right)}-{\mathrm{\ρ}}^{\left(j\right)}}{{\mathrm{\ρ}}^{\left(i\right)}+{\mathrm{\ρ}}^{\left(j\right)}+2(e^{\mathrm{\βd}}-1)}$

这表明对比度随散射系数β和场景点在有雾305的环境中的深度呈指数地下降。

测量两个像素的亮度E，并计算这两个点之间的对比度C(i，j)为：

然后，在比较步骤505，将所计算的对比度C与预定的阈值进行比较，以给出对接是否可能的指示，即信号。特定的阈值可以例如根据经验确定。如果对比度C大于阈值，那么在指示步骤507，提供能见度好且可以安全对接的指示。相反，如果对比度C小于阈值，那么在指示步骤509，提供能见度差且不能安全对接的指示。

Claims (19)

1.一种位于对接站处的飞机对接系统，所述系统包括：距离确定装置，用于使用电磁辐射信号接收装置至少确定所述系统与飞机之间的距离，其中，所述距离确定装置进一步用于：

-测量由所述信号接收装置接收的接收信号的至少一个属性，所述属性与在所述对接站处的能见度有关；

-将所述接收信号的至少一个属性的测量值与阈值进行比较；以及

-根据所述比较，提供指示在所述对接站处的能见度是否足够好以允许与所述系统安全对接的信号。

2.根据权利要求1所述的系统，用于至少在与所述电磁辐射的散射有关的方面测量所述接收信号的至少一个属性。

3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述距离确定装置包括激光测距装置，所述距离确定装置用于测量激光辐射的散射。

4.根据权利要求2所述的系统，其中，所述距离确定装置包括雷达测距装置，所述距离确定装置用于测量雷达辐射的散射。

5.根据权利要求2-4任意一项所述的系统，其中，所述距离确定装置用于测量反向散射的电磁辐射。

6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述距离确定装置用于确定所接收的所述反向散射的电磁辐射的信号的功率分布。

7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述距离确定装置包括具有成像装置的信号接收装置，所述成像装置用于提供所述对接站的二维图像；所述距离确定装置用于至少在与图像中的至少两个区域之间的对比度差有关的方面测量所述接收信号的至少一个属性。

8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述成像装置用于确定在所述对接站处的预定位置之间的所述对比度差，所述预定位置与所述图像中的所述至少两个区域对应。

9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述预定位置基本上位于与所述系统距离相同的地方。

10.根据权利要求7-9的任意一项所述的系统，其中，所述成像装置用于检测至少可见波长区间内的电磁辐射。

11.根据权利要求7-9的任意一项所述的系统，其中，所述成像装置用于检测至少红外波长区间内的电磁辐射。

12.一种用于在位于对接站处的飞机对接系统中控制飞机对接的方法，所述系统包括距离确定装置，其用于使用电磁辐射信号接收装置至少确定所述系统和飞机之间的距离，其中，所述距离确定装置执行以下步骤：

-测量由所述信号接收装置接收的接收信号的至少一个属性，所述属性与在所述对接站处的能见度有关；

-将所述接收信号的至少一个属性的测量值与阈值进行比较；以及

-根据所述比较，提供指示在所述对接站处的能见度是否足够好以允许与所述系统安全对接的信号。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述测量所述接收信号的至少一个属性包括：至少测量所述电磁辐射的散射。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述测量包括：测量反向散射的电磁辐射。

15.根据权利要求14所述的方法，包括：确定所述反向散射的电磁辐射的功率分布。

16.根据权利要求12所述的方法，其中，所述距离确定装置包括具有成像装置的信号接收装置，所述成像装置用于提供所述对接站的二维图像；所述测量所述接收信号的至少一个属性的步骤包括：至少测量在图像中的至少两个区域之间的对比度差。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述测量在图像中的至少两个区域之间的对比度差包括：确定在对接站处的与所述图像中的所述至少两个区域对应的预定位置之间的对比度差。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述预定位置基本上位于与所述系统距离相同的地方。

19.一种使用根据权利要求1-11的任意一项所述的飞机对接系统的方法，用于控制在机场的操作。

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