CN103325193A - 基于无线传感器网络的机场跑道入侵防御系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无线传感器网络的机场跑道入侵防御系统，其中的目标探测节点通过无线传感器网络将目标探测信号经过路由节点和协调节点输出到端接通信处理服务器，由数据融合模块对实时探测信号与飞行计划进行融合对动态目标进行识别，跑道入侵检测模块根据当前的跑道交通态势以及跑道入侵检测规则，给出跑道入侵防御控制指令，实现对机场助航灯光系统的控制，进而实现跑道入侵防御。同时公开了一种基于无线传感器网络的机场跑道入侵防御方法，该方法解决了现有跑道交通态势信息难于获取、跑道入侵探测中过度依赖管制人为经验、现有系统费用昂贵以及线路布局繁琐等问题，实现了基于无线传感器网络的机场跑道入侵防御系统及方法，无论机场在何种交通密度、能见度和构型条件下均支持飞机和车辆安全、有序、迅速的移动。

Description

基于无线传感器网络的机场跑道入侵防御系统及方法

技术领域

本发明涉及一种基于无线传感器网络的机场跑道入侵防御系统，特别是一种防止航空器、车辆误入指定用于航空器着陆和起飞的地面保护区的系统。

背景技术

随着全球航空运输业发展，大型枢纽机场的飞机起降架次迅速增长，在复杂的机场环境和恶劣的气象条件下，仅靠管制员在监控中心来监控跑道的运行容易产生跑道入侵。空中航行服务程序——空中交通管理（PANS-ATM，Doc 4444）中，跑道侵入的定义为：“在机场发生的任何航空器、车辆或人员误入指定用于航空器着陆和起飞的地面保护区的情况。跑道入侵已成为影响飞行安全的一个因素，国际民航组织发布了ICAO Doc.9870号文件《Manual for Preventing Runway Incursions》，即跑道入侵防御手册，ICAO 航行委员通过该手册中指出：解决跑道侵入问题需要研究的与跑道总体安全水平有关的三个关键领域包括：人（无线电通话、情境了悟和人为因素）、机（管制设备、机场灯光与标志）、环（机场布局、运行因素），精确、实时、稳定的场面态势信息的获取有助于：1）增强管制员的情境意识和减少管制差错；2）提高管制设备可用性和机场灯光控制的自动化水平；3）降低机场布局和跑道运行规则复杂性带来的管制难度。

但目前机场场面交通态势的信息获取手段如场面监视雷达（Surface Monitoring Radar）、多点定位（Multi-lateration）价格昂贵，均高达数千万元，对于正在使用的机场来说二次安装困难，其应用受到了极大限制，最为重要的是这两类监视方式本身存在固有的缺陷，具体表现在：

（1）现有非协同监视手段如场面监视雷达，由于其受建筑物遮挡和地杂波、气候影响严重及不能识别目标等局限性；

（2）而现有协同监视手段如自动相关监视需要机载二次雷达应答机才能获得飞机标识，而场面车辆无法获得标识。

（3）仅靠管制员通过控制助航灯光进而达到避免场面冲突，场面运行容易违背相关管制规定，难以满足机场场面安全要求。

而传感器网络能够以动态网络的形式从客观世界中获取满足需求的信息，它具有功耗低、成本低、网络自组织、分布式数据管理和网内信息融合等一系列特点广泛的应用于军事、工业控制、环境监测、交通信息采集、危险区域远程监控等诸多领域。同时事件驱动型传感网中的检测节点成本较低，布设难度低，探测精度高，并可通过网内信息融合去除通信中的冗余和降低通信量，重建交通态势信息。采用基于传感器网络技术结合机场现有助航灯光系统，研究高性价比的、适合于国内机场的跑道入侵防御系统，有助于在有限的软硬件条件下充分利用机场容量的目的，使机场平面在何密度、能见度和复杂条件下，支持飞机和车辆安全、有序、迅速的移动，对于保证机场安全具有重要意义。

 

发明内容

技术问题

本发明要解决的技术问题是提供一种基于无线传感器网络的机场跑道入侵防御系统，其以设置在跑道关键位置的传感器作为跑道交通信息采集装置，将数据融合模块、跑道入侵检测模块作为跑道入侵控制与决策装置，将机场助航灯光系统作为跑道入侵控制反馈装置，由该助航灯光系统实现跑道入侵避免，同时提供一种基于该机场跑道入侵防御系统的机场跑道入侵防御方法。

技术方案

为了解决上述的技术问题，本发明的基于无线传感器网络的机场跑道入侵防御系统包括：基于无线传感器网络的跑道交通信息采集模块、跑道入侵控制与决策模块和基于无线传感器网络的跑道入侵控制反馈模块，其中，基于无线传感器网络的跑道交通信息采集模块由用于探测防御目标信号的目标探测节点、路由节点、协调节点和通信处理服务器组成，跑道入侵控制与决策模块由数据融合模块和跑道入侵检测模块组成，基于无线传感器网络的跑道入侵控制反馈模块由通信处理服务器、跑道交通信息采集模块中的协调节点、跑道交通信息采集模块中的路由节点、灯光控制节点和机场助航灯光系统组成；所述的目标探测节点通过无线传感器网络将防御目标探测信号经过跑道交通信息采集模块中的路由节点和协调节点输入通信处理服务器，数据融合模块接收通信处理服务器的输出信号并对防御目标探测信号与飞行计划进行融合对动态目标进行识别，跑道入侵检测模块根据当前的跑道交通态势以及跑道入侵检测规则，输出跑道入侵防御控制指令，该输出跑道入侵防御控制指令再依次通过通信处理服务器、协调节点、路由节点反馈至灯光控制节点对机场助航灯光系统进行控制。

更进一步地，所述的目标探测节点包括目标探测传感器模块、数据处理模块、与系统中其他节点进行无线通信的无线通信模块和向目标探测传感模块、数据处理模块和通信模块提供能源的电源模块。

更进一步地，所述的助航灯光控制节点包括控制助航灯启闭的助航灯光控制模块、数据处理模块、通信模块和向助航灯光控制模块、数据处理模块和通信模块提供能源的电源模块。

本发明的基于无线传感器网络的机场跑道入侵防御方法包括下列步骤：

步骤一：将目标探测节点设置在机场跑道入口和脱离口关键位置，所述的目标探测节点用于精确检测移动目标进入或离开给定的活动区域边界的事件；

步骤二：将所述的目标探测节点所采集的机场跑道活动目标信息利用路由节点通过无线传感器网络传输至协调节点；

步骤三：采用通信处理服务器将步骤二所述的机场跑道目标信息输出至数据融合模块，根据目标通过两个相邻传感器节点时的目标检测事件信息得到目标运动速度和目标长度；

步骤四：将步骤三所述的机场跑道活动目标长度信息与飞行计划信息进行融合，对跑道上运动目标进行识别，并利用步骤三中得到目标运动速度，估算得到运动目标通过下一传感器节点之前的运动态势信息；

步骤五：根据预先制定的跑道入侵控制规范，将步骤三采集到的目标探测事件信息，以及由步骤四得到的运动态势信息检测可能的跑道入侵并计算控制策略；

步骤六：将步骤五得到的控制策略转化为跑道入口停止排灯或滑行引导指令，该指令通过无线传感器网络传输至灯光控制节点，灯光控制节点实现对灯光的启闭控制。为了实现灯光控制，预先在跑道入口等重要的位置设置有停止排灯，停止控制指令主要通过安装在跑道入口的停止排灯来实现，停止排灯接通以指示航空器/车辆停止，关闭时指示航空器/车辆通行。

本发明的方法基于无线传感器网络的机场跑道入侵防御系统，其中的目标探测节点通过无线传感器网络将目标（航空器/车辆）探测信号经过路由节点和协调节点输出到端接通信处理服务器，由数据融合模块对实时探测信号与飞行计划进行融合对动态目标进行识别，跑道入侵检测模块根据当前的跑道交通态势以及跑道入侵检测规则，给出跑道入侵防御控制指令，该指令再次通过通信处理服务器、协调节点、路由节点反馈至灯光控制节点，实现对机场助航灯光系统的控制，进而实现跑道入侵防御。

有益效果

本发明的方法解决了现有跑道交通态势信息难于获取、跑道入侵探测中过度依赖管制人为经验、现有系统费用昂贵以及线路布局繁琐等问题，在国际民航组织“先进场面活动目标引导和控制”框架下，实现一种基于无线传感器网络的机场跑道入侵防御系统及方法，无论机场在何种交通密度、能见度和构型条件下均支持飞机和车辆安全、有序、迅速的移动，具有以下有益效果：

1、通过事先布置在机场跑道入口、出口的传感器节点探测跑道运动目标信息，利用目标识别和轨迹推测技术，可在该监视系统中综合显示跑道的运行状态，避免了非协同监视方式受建筑物遮挡和地杂波、气候影响严重及不能识别目标等局限性，实现了全天候条件下机场跑道活动的有效监视。

2、对通过探测器获得的目标检测信息进行分析，可测算出运动目标的速度、长度等信息，结合飞行计划和电子进程单系统，可实现对目标的精确识别，避免了协同监视方式需要机载应答机才能获得目标标识的局限性，实现了对任何移动目标有效的探测。

3、无线传感器网络节点分布在跑道周围，单一节点耗电量低，通过建立起的多跳通信链路实施远距离无线通信，其工作频段均处于免许可无线通信频段，通过灯光控制终端节点可以实现塔台监控站与灯光控制器通信，解决了现有助航灯光系统线路繁琐问题，且该系统使得机场在原有布局基础上，不需重新敷设通信线路，即可实现机场跑道的监控。

4、基于无线传感器网络技术的机场跑道监控系统利用低成本传感器、低成本的网络节点、免费无线传感器网络路由协议（如ZigBee协议）等，使得机场跑道入侵防御系统较以往其它机场场面监控系统在成本上大大降低。

 

附图说明

图1  机场跑道入侵防御系统组成图；

图2  目标探测节点终端模块图；

图3  灯光控制节点终端模块图；

图4  机场跑道关键区域节点布置图；

图5  航空器在跑道上活动运行模型；

图6  FFD节点软件设计流程图；

图7  探测节点和控制节点软件流程图；

图8  跑道入侵检测与控制图。

 

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行进一步说明。

实施例一：

如图1所示，本发明的基于无线传感器网络的机场跑道入侵防御系统，包括基于无线传感器网络的跑道交通信息采集模块、跑道入侵控制与决策模块和基于无线传感器网络的跑道入侵控制反馈模块，其中，基于无线传感器网络101的跑道交通信息采集模块由用于探测防御目标信号的目标探测节点、路由节点、协调节点和通信处理服务器组成，跑道入侵控制与决策模块由数据融合模块102和跑道入侵检测模块103组成，基于无线传感器网络的跑道入侵控制反馈模块由通信处理服务器、跑道交通信息采集模块中的协调节点、跑道交通信息采集模块中的路由节点、灯光控制节点和机场助航灯光系统组成；所述的目标探测节点通过无线传感器网络将防御目标探测信号经过跑道交通信息采集模块中的路由节点和协调节点输入通信处理服务器，数据融合模块接收通信处理服务器的输出信号并对防御目标探测信号与飞行计划进行融合对动态目标进行识别，并由交通态势显示模块104显示信息，跑道入侵检测模块根据当前的跑道交通态势以及跑道入侵检测规则，输出跑道入侵防御控制指令，该输出跑道入侵防御控制指令再依次通过通信处理服务器、协调节点、路由节点反馈至灯光控制节点对机场助航灯光系统进行控制。

如图2所示，目标探测节点包括目标探测传感器模块、数据处理模块、与系统中其他节点进行无线通信的无线通信模块和向目标探测传感模块、数据处理模块和通信模块提供能源的电源模块。

如图3所示，助航灯光控制节点包括控制助航灯启闭的助航灯光控制模块、数据处理模块、通信模块和向助航灯光控制模块、数据处理模块和通信模块提供能源的电源模块。

本实施例的基于无线传感器网络的机场跑道入侵防御系统，需要依次实现无线传感器网络组网模块、数据融合模块、跑道入侵检测及防御模块：

1、无线传感器网络组网模块101

无线传感器网络组网模块101由目标探测节点、助航灯光控制节点、路由节点和协调节点组成。

(1)节点组成与功能

终端节点主要包括如图2所示的目标探测节点和如图3所示的助航灯光控制节点两类。目标探测节点主要包括传感器模块201、数据处理模块202、通信模块203和电源模块204。助航灯光控制节点主要包括灯光控制模块301、数据处理模块302、通信模块303和电源模块304。目标探测节点负责监测采集区域内的信息和数据,并进行相应的信号转换和处理。数据处理模块负责控制整个节点的处理操作、路由协议、同步定位、功耗管理、任务管理等; 通信模块负责与其他节点进行无线通信(主要是交换控制消息、收发采集数据);电源模块负责为前三个模块提供能量；助航灯光控制节点负责将由管制终端发出的灯光控制逻辑指令转化为灯光亮灭的高低电平。                                                                                                                                                                          

路由节点：在协调器节点不能和所有的终端节点通信时，路由节点作为一种中介使协调器节点和终端节点通信，实现路由通信功能，同时路由器具有采集传感器数据功能。

协调器节点：通过计算机发送的指令，来发送或接收路由节点或者终端节点数据，并将接收到的数据发送给通信处理服务器。

(2)节点布局                                      

将目标探测探测终端节点（RFD）布置在跑道入口、出口等一些关键区域，在这种布局状态下，可以利用最少的探测节点探测到航空器运行动向，航空器进入或离开跑道的事件，都可以被目标探测节点探测到。若将探测到的目标事件映射为变迁，航空器所处的区域映射为库所，则航空器在跑道上的行为可以描述为如图5所示的Petri网模型。

根据所选模块可知，两节点间标准通信距离有限，部署节点时任何一个传感器终端节点限制范围之内必须至少有一个路由节点（FFD）为其传输数据，以保证数据传输通道的畅通。机场跑道面积较大，传感器探测终端节点布置较为分散，距离协调节点(FFD)过远，终端节点与协调节点之间通信存在困难，需在合理的位置增加一些路由节点，具体节点布置见图4所示。

(3)节点软件设计                                    

系统进入工作状态时, 无线传感器网络各个节点首先先进行初始化, 初始化内容包括定义系统时钟信号、工作频率、电源管理模式、无线传感器网络的网络层和MAC层参数等。

FFD的主要任务是组建网络、管理节点的加入和离开、向最高层节点报告当前的状态；数据的路由功能，可以在网络中起到远程设备数据的中继作用，传递或者转发其他网络设备的数据，FFD 工作流程如图6所示。系统中数据的传送采用主从方式, FFD节点与RFD节点之间的通信协议及组网方式如下: FFD节点首先搜索网络，若存在网络，则自身作为路由节点存在；若不存在网络，则作为协调器节点存在。 

目标探测和灯光控制节点工作流程如图7所示，该两类终端节点上电后首先监听默认信道, 如果收到协调器节点发送的搜索命令, 则回应协调器节点,并附上自己的随机码。在收到协调器节点的注册命令后,先对比随机码,进行匹配时则切换到工作信道,并使用注册命令中分配的ID号发送应答包,以完成注册。对于目标探测节点，随后使用传感器采集相关数据,等待协调器节点索取传感器数据的命令,发送完数据后，进入探测状态，然后再次采集传感器数据, 如此反复；而对于灯光控制节点，随后监听灯光通断控制指令，并接收指令的具体数据内容，接收完毕后，开始控制对应的灯光的亮灭，直到得到下次灯光控制指令，如此反复。

2、数据融合模块102

数据融合模块由目标探测信息融合模块、目标识别模块和目标跟踪模块组成。目标探测信息融合模块主要采集来自传感器获取的航空器/车辆信息。目标识别模块经融合飞行计划数据数据，提取目标特征，实现目标识别。目标跟踪模块主要功能是当航空器位于两个传感器网络节点之间时，为实现对航空器/车辆的连续跟踪监控，预测目标的运动轨迹和方向。

(1)探测目标的识别

跑道和滑行道上存在各种类型的航空器和车辆，为确保飞行计划和调度工作无误，需要对探测目标和飞行计划进行对比验证。各类航空器和车辆的长度不一，通过对比探测目标长度和数据库中各种目标数据长度，确定探测目标为何种航空器或车辆等，进而对比探测目标和飞行计划给出的目标，可利用这一特性进行目标识别。

(2)目标轨迹推测

各传感器之间存在较大距离，布局较为分散，探测存在空白区。为能够连续获取移动目标（航空器）数据，可在已知机场跑道布局数据的情况下，推测出移动目标在探测空白区域运行轨迹和交通态势。本发明实现轨迹推测是利用融合出的目标速度、位置等信息以确定目标在的确切位置，并将场面交通态势显示在交通态势显示模块104上。

3、跑道入侵检测和防御模块103

 (1)跑道入侵检测

具体而言，本发明将航空器/车辆在地面的滑行状态映射为如图5所示的Petri网模型，跑道管制规则进行转化为基于离散事件控制器的跑道活动控制规范402，若将目标检测事件401映射为改变跑道上目标运行状态的变迁，则跑道活动的冲突和跑道入侵检测转化为状态禁止避免问题。这些禁止状态包括：（a）一架航空器在跑道上起飞或着陆，禁止另一架航空器穿越跑道滑行；（b）禁止两架航空器同时在同一跑道上起飞或着陆；（c）航空器已发布落地许可，禁止其他航空器在跑道上起飞或着陆或穿越跑道；（d）脱离跑道后的航空器间隔不满足要求；（e）禁止航空器从不能用于进入跑道的滑行道进入跑道起飞。

（2）跑道入侵防御

这些禁止状态可以转化为线性不等式的形式，并通过设计控制器实现该类状态禁止状态的避免问题。跑道入侵控制指令是由离散事件控制器中可控事件的使能状态确定的，该指令可通过跑道入口停止排灯404或滑行引导指令405实现。

跑道入口等重要的位置设置有停止排灯，停止控制指令主要通过安装在跑道入口的停止排灯来实现，若停止排灯处的分界线对应的可控事件不可实施，则停止排灯接通用以指示航空器/车辆停止，否则停止排灯关闭指示航空器/车辆通行。

而滑行引导指令主要通过安装在塔台或地面管制席位上的场面交通态势显示系统，或者机载/车载电子活动地图发出告警信息，对航空器/车辆发布启动、滑行和停止指令，用以引导航空器/车辆驾驶员避免跑道入侵。

 

实施例二：

本实施例为基于无线传感器网络的机场跑道入侵防御方法，包括下列步骤：

步骤一：将目标探测节点设置在机场跑道入口和脱离口关键位置，所述的目标探测节点用于精确检测移动目标进入或离开给定的活动区域边界的事件；

步骤二：将所述的目标探测节点所采集的机场跑道活动目标信息利用路由节点通过无线传感器网络传输至协调节点；

步骤三：采用通信处理服务器将步骤二所述的机场跑道目标信息输出至数据融合模块，根据目标通过两个相邻传感器节点时的目标检测事件信息得到目标运动速度和目标长度；

步骤四：将步骤三所述的机场跑道活动目标长度信息与飞行计划信息进行融合，对跑道上运动目标进行识别，并利用步骤三中得到目标运动速度，估算得到运动目标通过下一传感器节点之前的运动态势信息；

步骤五：根据预先制定的跑道入侵控制规范，将步骤三采集到的目标探测事件信息，以及由步骤四得到的运动态势信息检测可能的跑道入侵并计算控制策略；

步骤六：将步骤五得到的控制策略转化为跑道入口停止排灯或滑行引导指令，该指令通过无线传感器网络传输至灯光控制节点。

Claims (4)

1.一种基于无线传感器网络的机场跑道入侵防御系统，其特征在于，包括基于无线传感器网络的跑道交通信息采集模块、跑道入侵控制与决策模块和基于无线传感器网络的跑道入侵控制反馈模块，其中，基于无线传感器网络的跑道交通信息采集模块由用于探测防御目标信号的目标探测节点、路由节点、协调节点和通信处理服务器组成，跑道入侵控制与决策模块由数据融合模块和跑道入侵检测模块组成，基于无线传感器网络的跑道入侵控制反馈模块由通信处理服务器、跑道交通信息采集模块中的协调节点、跑道交通信息采集模块中的路由节点、灯光控制节点和机场助航灯光系统组成；所述的目标探测节点通过无线传感器网络将防御目标探测信号经过跑道交通信息采集模块中的路由节点和协调节点输入通信处理服务器，数据融合模块接收通信处理服务器的输出信号并对防御目标探测信号与飞行计划进行融合对动态目标进行识别，跑道入侵检测模块根据当前的跑道交通态势以及跑道入侵检测规则，输出跑道入侵防御控制指令，该输出跑道入侵防御控制指令再依次通过通信处理服务器、协调节点、路由节点反馈至灯光控制节点对机场助航灯光系统进行控制。

2.如权利要求1所述的基于无线传感器网络的机场跑道入侵防御系统，其特征在于，所述的目标探测节点包括目标探测传感器模块、数据处理模块、与系统中其他节点进行无线通信的无线通信模块和向目标探测传感模块、数据处理模块和通信模块提供能源的电源模块。

3.如权利要求1所述的基于无线传感器网络的机场跑道入侵防御系统，其特征在于，所述的助航灯光控制节点包括控制助航灯启闭的助航灯光控制模块、数据处理模块、通信模块和向助航灯光控制模块、数据处理模块和通信模块提供能源的电源模块。

4.一种基于无线传感器网络的机场跑道入侵防御方法，其特征在于，包括下列步骤：

步骤一：将目标探测节点设置在机场跑道入口和脱离口关键位置，所述的目标探测节点用于精确检测移动目标进入或离开给定的活动区域边界的事件；

步骤二：将所述的目标探测节点所采集的机场跑道活动目标信息利用路由节点通过无线传感器网络传输至协调节点；

步骤三：采用通信处理服务器将步骤二所述的机场跑道目标信息输出至数据融合模块，根据目标通过两个相邻传感器节点时的目标检测事件信息得到目标运动速度和目标长度；

步骤四：将步骤三所述的机场跑道活动目标长度信息与飞行计划信息进行融合，对跑道上运动目标进行识别，并利用步骤三中得到目标运动速度，估算得到运动目标通过下一传感器节点之前的运动态势信息；

步骤五：根据预先制定的跑道入侵控制规范，将步骤三采集到的目标探测事件信息，以及由步骤四得到的运动态势信息检测可能的跑道入侵并计算控制策略；

步骤六：将步骤五得到的控制策略转化为跑道入口停止排灯或滑行引导指令，该指令通过无线传感器网络传输至灯光控制节点。

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