CN103803092B - 相对于机场光学定位飞机的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种相对于机场跑道光学定位飞机的方法，所述机场具有标准化标志，包括标记，所述方法包括：从安装在所述飞机上的光学传感器生成所述机场的至少一部分的图像；确定所述飞机的位置；并且在所述飞机内提供所述确定位置的指示。

Description

相对于机场光学定位飞机的方法

技术领域

本发明涉及一种光学定位飞机的方法。

背景技术

为了安全飞行，需要了解飞机相对于机场的位置，无论是在空中还是在地面上。在空中，飞机相对于机场的相对位置有助于飞机着陆。在地面上，了解飞机相对于机场跑道、滑行道等的位置有助于确保飞机处于所需的位置，并且避免未经许可即进入跑道等事件。

航空管理机构已投入大量资源来开发系统，以有助于了解飞机相对于机场及其跑道的位置，尤其是在机场逐渐繁忙时未经许可即进入跑道的事件。但是，当前系统需要复杂的雷达系统、全球定位系统(GPS)、详细机场数据库以及通信方法。许多此类系统均依赖于飞机外部的资源以及与飞机的通信，因此在通信中断时无法使用。此外，许多基于GPS的系统需要在飞机上安装昂贵的接收器，并且购买和维护描述跑道位置的飞机物理调查数据库。此外，此类系统不提供机场的任何有用信息，除非该机场处于机场调查数据库中。

发明内容

在一个实施例中，本发明涉及一种相对于机场光学定位飞机的方法，所述机场具有标准化标志，包括标记，所述方法包括：从安装在所述飞机上的光学传感器生成所述机场的至少一个部分的图像；通过在所述飞机上配备的计算机中处理所生成图像来在所生成图像中识别至少一些所述标准化标志；基于所识别的标准化标志而确定所述飞机相对于所述机场的位置；以及在所述飞机内提供所确定位置的指示。

作为优选，生成所述机场的至少一部分的所述图像包括生成所述机场的跑道的图像；识别至少一些所述标准化标志包括识别跑道号码标记；确定所述位置包括确定所述飞机与所述跑道之间的距离；以及提供所述确定位置的所述指示包括在所述飞机的座舱内提供所述飞机与所述跑道之间的所述距离的指示。

作为优选，生成所述图像包括生成静态图像或视频图像中的至少一个。

作为优选，生成所述图像包括生成以下至少其中一项的图像：红外光谱、可见光谱和紫外光谱。

作为优选，所述生成图像在所述飞机上配备的计算机中处理。

作为优选，在所述飞机上配备的计算机上处理所述生成图像包括对所述生成图像使用对象识别算法。

作为优选，所述对象识别算法以存储在所述飞机上配备的所述计算机的存储器中的计算机可执行指令集加以实现。

作为优选，在所述生成图像中识别所述至少一些标准化标志包括识别以下其中至少一项：跑道入口标记、跑道号码标记、跑道瞄准点标记、跑道着陆区标记、跑道中心线标记、跑道边线标记、跑道肩部标记、滑行道标记、地理位置标记和等待位置标记。

作为优选，确定所述位置包括确定所述飞机与所述识别的标准化标志之间的距离。

作为优选，确定所述位置包括确定所述飞机的环境位置。

作为优选，确定所述飞机的所述环境位置包括确定所述飞机在滑行道与跑道之间的相对过渡。

作为优选，提供所述指示包括在所述飞机内提供所述指示。

作为优选，提供所述指示包括在所述飞机的座舱内提供所述指示。

作为优选，提供所述指示包括提供声音和可见指示中的至少一个。

作为优选，提供所述指示包括在位于所述座舱内的驾驶舱上提供视觉展示。

作为优选，提供所述指示包括提供声音和可见指示中的至少一个。

作为优选，进一步包括将所确定的位置与预定位置进行比较。

作为优选，提供所述指示包括提供所确定的位置与所述预定位置之间的偏差的指示。

作为优选，进一步包括在所述生成图像中识别危险。

作为优选，进一步包括提供所述识别的危险的警报。

附图说明

在附图中：

图1是示例性机场标志系统的示意图。

图2是额外的示例性机场标志系统的示意图。

图3是能够光学定位其自身的飞机的局部透视图。

图4是光学定位飞机的示例性方法的流程图。

图5是可以在光学定位飞机期间生成的示例性图像的透视图。

具体实施方式

首先，对具有标准化标志的机场环境进行介绍将有助于理解本发明的概念。国际民航组织(Intemational Civil Aviation0rganization)规定了标准化的机场标志系统，包括标志、标记和照明。图1和2示出了各种机场标准化标志；有关标准化标志的其他信息，请参见http：／／www.faa.gov。首先参见图1，其中示出了对准跑道4的滑行道2，以及跑道入口标记6、跑道号码标记8、跑道瞄准点标记10、跑道着陆区标记12、跑道中心线标记14、跑道边线标记16、跑道照明18，滑行道标记包括滑行道中心线20、滑行道边缘标记22、滑行道照明24、等待位置标记26、等待位置标志28，以及等待位置标志30。图2示出了具有地理位置标志44的滑行道40和滑行道42，所述地理位置标志包括方向标志46和位置标志48。应了解，图1和2仅示出了机场标准标志系统的一部分。

图3示出了具有座舱52的飞机50的一部分，在所述座舱中，第一用户(例如，驾驶员)可以位于座舱52左侧的座椅54中，另一用户(例如，副驾驶员)可以位于座舱52右侧的座椅56中。具有各种仪器60的驾驶舱58以及多个多功能飞行显示器62可以位于驾驶员和副驾驶员前方，并且可以向机组人员提供有助于驾驶飞机50的信息。飞行显示器62可以包括主飞行显示器或多功能显示器，并且可以显示操作和控制飞机50中所用的各种飞机信息、飞行信息、导航信息和其他信息，包括飞行显示器62可以是电子飞行包显示器。飞行显示器62能够向用户显示彩色图形和文字。飞行显示器62可以任何方式布局，包括具有更少或更多的显示器，并且无需共平面或大小相同。触摸屏显示器或触摸屏表面64可以包括在飞行显示器62中，并且可以供一个或多个机组人员使用，包括驾驶员和副驾驶员，以与飞机50的系统交互。可以预期的是，一个或多个光标控制装置66以及一个或多个多功能键盘68可以包括在座舱52中，并且还可以供一个或多个机组人员使用，以便与飞机50的系统交互。

光学传感器70可以安装到飞机50，并且已被示意性地图示为位于飞机50的前部。应了解，光学传感器70可以安装在飞机50内外的任何位置，优选地朝向前方，以便能够生成飞机50前方环境的图像。在非限定性实例中，光学传感器70可以包括相机，所述相机可以安装在飞机50前部的固定位置中。示例性的相机包括CCD相机、CMOS相机、数码相机、摄像机、红外相机，或者其他任何类型的合适相机，用于观察飞机50的外部环境。通过这种方式，光学传感器70能够生成图像，包括静态图像或视频图像中的至少一者，并且输出其图像信号。生成图像可以处于预期标志的任何合适光谱，包括以下项中的至少一项：红外光谱、可见光谱和紫外光谱。应认识到，使用相机仅用于示例，可以使用其他类型的光学传感器70。无论使用的是哪种类型的光学传感器70，可以预期的是，光学传感器70可以检测标准化标志，包括在飞机50前方环境中涂漆在跑道上的标记。可以预期的是，光学传感器70可以提供飞机50前方环境的至少一部分的任何合适类型的图像信号，包括图像、视频等。

计算机或控制器72可以操作性地连接到飞机50的部件，包括飞行显示器62、触摸屏表面64、光标控制装置66、多功能键盘68和光学传感器70。控制器72还可以连接到飞机50的其他控制器(未图示)。控制器72可以包括存储器74和处理器76，其可以运行任何合适的程序。存储器74可以包括随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、闪存，或者一个或多个不同类型的便携式电子存储器，例如磁盘、DVD、CD-ROM等，或者这些类型存储器的任何合适组合。控制器72还可以通过飞机通信网络连接到飞机50的其他控制器。计算机可搜索信息数据库可以存储在存储器74中，并且可供处理器76访问，或者控制器72可以操作性地连接到信息数据库。例如，此类数据库可以与控制器存储在相同或不同的计算机中。应了解，数据库可以是任何合适的数据库，包括具有多个数据集的单个数据库、关联在一起的多个离散数据库，甚至单个数据表。例如，数据库包括与标准化机场标志系统相关的信息，包括标准化标志、标准化标记和标准化灯光。控制器72还可以从多个来源接收信息，包括外部存储器、诸如无线通信链路等通信链路以及额外的控制器或处理器。

图像处理系统78可以使用标准化标志的数据库和图像处理器。图像处理系统78可以包括在飞机50中，并且可以操作性地连接到光学传感器70以接收图像信号并对其进行分析。尽管图像处理系统78被图示为控制器72的部件，但可以预期的是，图像处理系统78可以是与控制器72物理独立的实体。在图示的实例中，具有图像处理系统78的控制器72可以分析来自光学传感器70的图像信号，而不使用单独的图像处理器。图像处理系统78可以是任何合适的处理平台。这包括，图像处理系统78可以是接收图像信号并处理或分析图像的硬件和软件的任何组合。例如，图像处理系统78可以包括软件应用程序，所述软件应用程序接收图像信号，并使用对象检测或识别算法对其进行处理，以检测并识别飞机50前方的环境部分。

在替代实例中，对象识别算法(object recognition algorithm)可以实现为存储在控制器72的存储器74中的计算机可执行指令集，并且可以不需要单独的图像处理器部件。例如，可以使用包括面向应用程序的OCR或自定义OCR软件的光学符号识别(OCR)来识别标准标志。此外，可以使用对象识别，例如基于计算机应用(computer vision-based)的对象识别来识别所生成图像内的对象。

在飞机50的运行期间，控制器72可以从光学传感器70接收数据，基于所述数据，控制器72和图像处理系统78可以确定关于飞机50前方环境的信息。在非限定性实例中，可以基于光学传感器70所生成图像中的识别标志系统来确定飞机的位置。控制器72可以访问存储器74并且图像处理系统78可以将图像中的标志系统与存储在存储器74中的适当图像数据匹配。通过这种方式，控制器72可以确定飞机50的位置，并且可以向机组人员提供指示，包括有关所述位置的警报。例如，如果识别出跑道号码，则控制器72可以确定飞机50的位置，并且可以将其位置与目标位置进行比较，并指示任何位置偏差。飞机的目标位置应视作预定位置，例如驾驶员输入到FMS中的预定位置。可以使用许多图形和说明技术来指示飞机50的位置，并且此类指示可以出现在位于座舱52内的飞行显示器62以及其他合适的指示器上。控制器72还可以使用位于座舱52内的任何合适机制向用户发出声音警报。

通过这种方式，任何适当配备的飞机可以相对于具有标准化标志的机场对其自身进行光学定位，并且可以在空中和地面上警告机组人员他们相对于跑道的位置，从而确定跑道环境内的危险。根据本发明的一个实施例，图4示出了相对于具有标准化标志的机场光学定位飞机的方法100。图示的步骤顺序仅用于说明，并不以任何方式限制方法100，应了解，这些步骤可以不同的逻辑顺序执行，或者可以包括额外或干预步骤，而不脱离本发明实施例的范围。可以预期的是，此类方法100可以由飞机处于空中或地面上时由飞机执行。

首先，方法100可以在102中生成机场的至少一部分的图像。这可以使用任何合适的光学传感器执行，包括安装在飞上的相机。在104中，可以在生成图像中识别至少一些标准化标志。这可以通过在飞机上配备的计算机中处理生成图像来实现。在所生成图像中识别至少一些标准化标志可以包括识别以下项中的至少一项：跑道入口标记、跑道号码标记、跑道瞄准点标记、跑道着陆区标记、跑道中心线标记、跑道边线标记、跑道肩部标记、跑道入口标记、滑行道标记、地理位置标记、等待位置标记、跑道照明，以及滑行道照明。

在106中，可以基于所识别的标准化标志确定飞机相对于机场的位置。例如，飞机上配备的计算机可以使用有关标准机场标志系统、标记和照明的信息，或者使用所生成图像中识别的标准化标志来确定飞机相对于机场的位置。在非限定性实例中，可以将所检测的跑道识别符与有关要使用的指定跑道的数据进行比较。确定飞机位置可以包括确定飞机与所识别的标准化标志之间的距离。还可以基于所识别的标准化标志而确定飞机的环境位置。这可以包括确定飞机在滑行道与跑道之间的相对过渡。

可以预期的是，可以生成多幅图像，并且可以基于所述多幅图像中识别的标志系统而确定飞机的位置。可以进一步预期的是，可以使用多个传感器，以便所述传感器生成多幅图像，并且基于所述多幅图像中识别的标志系统而确定飞机的位置。所述多幅图像可以更好地确定深度，从而有助于确定飞机的位置。

在108中，可以飞机内提供所确定位置的指示。具体来说，可以在飞机座舱内向机组人员提供指示或警报。可以提供声音指示和可见指示中的至少一种指示。这可以包括在位于座舱内的驾驶舱上提供可见显示。可以基于所确定的飞机位置提供各种合适的指示。例如，指示可以包括飞机正在地面上接近跑道，或者在地面上穿过跑道。此外，可以提供飞机正在尝试从其起飞的跑道的可见或声音指示。如果飞机正在尝试从指定起飞跑道以外的其他跑道起飞，或者如果飞机正在地面上接近跑道终点，则可以提供指示。此外，如果飞机正在尝试着陆或者正在空中接近跑道终点，则可以提供识别所述跑道的可见或声音指示。

在非限定性实例中，所述光学定位飞机的方法可以包括生成机场跑道的图像。例如，图5示出了包括飞机即将着陆的跑道201的机场200的一部分的图像。上述实施例可以识别至少一些标准化标志，包括跑道号码标记202、跑道瞄准点标记204、跑道着陆区标记206和跑道入口标记208。可以预期的是，可以基于所识别的标志系统而确定飞机与跑道201之间的距离。具体来说，可以使用标志系统在所生成图像中的比例(perspective)来确定飞机与跑道201之间的距离。随后可以在飞机座舱内提供飞机与跑道201之间距离的指示。在另一非限定性实例中，还可以预期的是，可以在所生成中的图像中识别一个或多个危险210，并且可以提供所识别危险的警报。例如，可以预期的是，可以就所检测的跑道上的危险给出相应指示，例如飞机、车辆或动物。在图示的实例中，卡车形式的危险210位于跑道201上，并且可以就所述危险向机组人员提供警报。例如，如果向机组人员显示图像，则可以通过在屏幕上高亮显示来指示危险210，如212所示。

以前曾发生过这样的事件，即飞机在指定跑道以外的其他跑道上起飞或着陆，或者在不用于起飞或着陆的滑行道上起飞或着陆。目前的解决方法是要求机组人员在起飞之前口头报告飞机即将用于起飞的跑道。本发明的上述实施例能够自动化此过程，并确保不过漏过此检查过程。例如，上述方法可以用于检测涂漆在跑道上或者显示在机场标志系统上的跑道识别符，并且向机组人员发出声音指示。可以将所检测到的跑道识别符与指定的起飞跑道进行比较，然后确定飞机是否正对准目标起飞跑道。如果对准的跑道与所选跑道不匹配，则可以提供额外的警报。所述指示还可以包括飞机正在尝试在指定跑道以外的跑道上着陆，或者正在尝试的起飞或进入跑道动作与跑道状态指示灯或等效指示冲突。

此外，物理机场标志系统和标记可以协助红外线或紫外线机制来传输额外的信息，以帮助检测和指示。具体来说，如果所用的光学传感器技术可以识别红外线和紫外线对象，则可以识别出红外线或紫外线机制。可以预期的是，此类机制可能不是人类可以读取的字母或数字，并且可以包括形状或数字编码。此外，这些机制可能不是标准化标志中的当前标准符号体系(symbology)，而是所开发的用于定位飞机的符号体系。所述光学传感器图像还可以补充额外的识别特征，以在向机组人员显示图像时，向机组人员高亮显示所检测的跑道部分。此外，提供给机组人员的指示可以在起飞和着陆能见度低时，高亮显示或显示跑道的中心线。可以使用外部系统来指示中心线，以进一步增强这些系统所用的地面转向方法。

上述实施例提供了多个优点，包括所提议的系统是自包含(self-contained)的；可以用于任何机场；可以在使用或不使用现有咨询方法(advisory methodologies)的情况下使用；以及为现有预防措施另加了一道安全防线。技术效果是，可以基于所识别的标志系统而确定飞机的位置，并且可以将包括警报的指示提供给机组人员，以防止未经许可即进入跑道的事件，并且确保飞机从正确的跑道起飞。上述实施例可以在地面上和空中实施，无需事先了解机场拓扑、构造或结构，并且无需设置需要不断更新的雷达、定位系统或详细机场地图数据库。

尽管图示的为商用飞机，但是预期本发明的实施例可以用于任何类型的飞机中，例如，但不限于，固定翼飞机、旋转翼飞机、火箭、私人飞机和军用飞机。应认识到，通用航空飞机中所用的技术可以等效于具有适当软件的网络摄像机和平板计算机，而较大型商用和运输飞机中所用的技术包括现有的计算机平台、增强型视觉相机(enhanced visioncameras)，并且与用于选择跑道的飞行管理系统集成。还可以预期的是，所述指示可以由平板计算机提供。

此外，可以预期的是，本发明的实施例可以用于无人机(UAV)形式的飞机中。在这种情况下，可以从UAV上安装的光学传感器生成图像。可以在UAV上或者在地面站点中识别至少一个标准化标志。如果在地面站点中进行处理，例如地面站点中的计算机进行处理，则可以预期的是，UAV和地面站点可以具有任何合适的通信能力，以便将图像信号提供到地面站点。此外，提供所确定位置的指示可以包括将指示提供给地面上的用户。

此外，应了解，本发明的实施例能够识别任何合适的额外标志系统。例如，尽管未图示或描述，但是本发明的实施例还可以包括并使用跑道警戒灯(runway guard lights)和停止线灯(stop bar lights)。跑道警戒灯有助于高亮显示跑道等待点，而停止线灯由一些机场的控制塔控制，并且在能够穿过或进入跑道时关闭。

本说明书使用了各种实例来披露本发明，包括最佳模式，同时也让所属领域的任何技术人员能够实施本发明，包括制造并使用任何装置或系统，以及实施所涵盖的任何方法。本发明的保护范围由权利要求书限定，并可包含所属领域的技术人员想出的其他实例。如果其他此类实例的结构要素与权利要求书的字面意义相同，或如果此类实例包含的等效结构要素与权利要求书的字面意义无实质差别，则此类实例也应在权利要求书的范围内。

Claims (17)

1.一种相对于机场跑道光学定位飞机的方法，所述机场跑道具有标准化标志，包括标记，所述方法包括：

从安装在所述飞机上的光学传感器生成所述机场的至少一部分的图像；

通过处理所述生成图像，在所述生成图像中识别至少一些所述标准化标志；

基于所述识别的标准化标志来确定所述飞机相对于所述机场的位置；以及

提供所述确定位置的指示，其中所述确定位置的指示包括：

识别至少一些所述标准化标志包括识别跑道号码标记，其中，所述的跑道号码标记包括位于跑道上的视觉上可识别的数字、字母或数字与字母的组合；

确定所述位置包括确定所述飞机与所述跑道之间的距离；

生成所述机场的至少一部分的所述图像包括生成所述机场的跑道的图像；

提供所述确定位置的所述指示包括在所述飞机的座舱内提供所述飞机与所述跑道之间的所述距离的指示。

2.根据权利要求1所述的方法，其中生成所述图像包括生成静态图像或视频图像中的至少一个。

3.根据权利要求1所述的方法，其中生成所述图像包括生成以下至少其中一项的图像：红外光谱、可见光谱和紫外光谱。

4.根据权利要求l所述的方法，其中所述生成图像在所述飞机上配备的计算机中处理。

5.根据权利要求4所述的方法，其中在所述飞机上配备的计算机上处理所述生成图像包括对所述生成图像使用对象识别算法。

6.根据权利要求5所述的方法，其中所述对象识别算法以存储在所述飞机上配备的所述计算机的存储器中的计算机可执行指令集加以实现。

7.根据权利要求1所述的方法，其中在所述生成图像中识别所述至少一些标准化标志包括识别以下其中至少一项：跑道入口标记、跑道号码标记、跑道瞄准点标记、跑道着陆区标记、跑道中心线标记、跑道边线标记、跑道肩部标记、滑行道标记、地理位置标记和等待位置标记。

8.根据权利要求1所述的方法，其中确定所述位置包括确定所述飞机与所述识别的标准化标志之间的距离。

9.根据权利要求1所述的方法，其中确定所述位置包括确定所述飞机的环境位置。

10.根据权利要求9所述的方法，其中确定所述飞机的所述环境位置包括确定所述飞机在滑行道与跑道之间的相对过渡。

11.根据权利要求1所述的方法，其中提供所述指示包括提供声音和可见指示中的至少一个。

12.根据权利要求11所述的方法，其中提供所述指示包括在位于所述座舱内的驾驶舱上提供视觉展示。

13.根据权利要求1所述的方法，其中提供所述指示包括提供声音和可见指示中的至少一个。

14.根据权利要求1所述的方法，进一步包括将所确定的位置与预定位置进行比较。

15.根据权利要求1所述的方法，其中提供所述指示包括提供所确定的位置与预定位置之间的偏差的指示。

16.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在所述生成图像中识别危险。

17.根据权利要求16所述的方法，进一步包括提供所述识别的危险的警报。