CN106781709B - 一种飞机着陆监视引导系统 - Google Patents

Abstract

一种飞机着陆监视引导系统，首先：在跑道上设置理想着陆点、舰艉线、跑道终点线；其次：选择摄像机（6）；在跑道终点线的横线一侧跑道外；第三摄像机（6）的视角中心对准理想下滑道的远端点；光学助降系统（5）安装在与摄像机（6）同一侧跑道外；指挥员（2）和监视器（3）与摄像机（6）、光学助降系统（5）处于跑道同侧。摄像机（6）通过信号线与控制计算机（4）、监视器（3）相连；指挥员（2）全程观察飞机（1）沿理想下滑道飞行，同时从监视器(3)上获得飞机(1)下滑飞行时的图像。指挥员（2）判断飞机（1）的高低、左右偏差，提示飞行员操纵飞机（1）着陆。

Description

一种飞机着陆监视引导系统

技术领域

本发明属于航空飞行保障领域，具体涉及飞机着陆时的下滑过程中对飞机的飞行情况进行监视及指挥的引导系统。

背景技术

固定翼舰载机着陆训练时，由于航空母舰的着陆跑道非常短，所以在飞机沿下滑道下滑的过程中飞行员必须操纵飞机沿理想下滑道下滑，若不能沿理想下滑道下滑，则会导致飞机着陆点过近、过远或偏离飞机跑道的情况发生，因而产生必须复飞、逃逸，甚至会出现硬着陆等情况；所以在航空母舰上指挥飞机着陆是一门专门的学问，需要长期训练。为了保障固定翼舰载机沿理想下滑道下滑，需要着陆指挥员的精确指挥；而着陆指挥员的主要信息来源就是依靠观看中线摄像机监视视频。中心线摄像机可监视固定翼舰载机下滑的位置，着陆指挥员通过舰载机与理想下滑道坐标线的比较判断，即可掌握飞机与着陆跑道相对偏差并予以指挥。但是，新上舰的飞行员要进行飞机着陆训练通常会首先在陆地的机场进行训练，待地面起降熟练后，才能够上航空母舰上进行着陆训练。为此，当飞行员需要在陆地机场进行训练时，也需要模拟航空母舰上的真实指挥感受，就需要在飞机跑道中线安装同样的中心线摄像机。

安装的中线摄像机存在三个问题：一是新建机场需要预先安装，不能移动；二是相关的各种参数固定，不能灵活调整；三是已有机场加装，需要对跑道进行破坏性施工，影响飞行安全。

发明内容

本发明提供一种将监视摄像机移动安装于跑道一侧的飞机引导着陆监视系统。该系统在满足基本训练条件的陆地机场进行舰载机在陆基机场的跑道着陆训练。

本发明的技术方案：

一、系统的设置：

系统由监视器、控制计算机和摄像机组成。

当选定训练跑道后，要在跑道上设置理想着陆点。根据舰上飞机跑道的实际情况，确定第二、第三拦阻索之间的中心点为理想着舰点；为此在所确定的飞机跑道上大约距离跑道起点的500米处设置为理想着舰点位置；确定后在该处跑道上垂直跑道中心线画一明显横线，该横线代表舰艇着陆跑道第二、第三拦阻索之间的中心线；从该中心线为零点向飞机来向，测量出舰上第二、第三拦阻索之间的中心线至舰艉的距离并画出明显横线，该横线代表舰艉线；从该中心线向飞机去向，测量出舰上第二、第三拦阻索之间的中心线至舰着陆跑道终点距离并画出明显横线，该横线代表舰上跑道终点线。理想着陆点为飞机理想下滑道的一端，距离理想着陆点350米，为飞机理想下滑道的近端，飞机状态基本确定，不再进行监视指挥；从理想着陆点开始沿跑道中心线向飞机来向水平延伸1800米为理想下滑道远端投影点；飞机理想下滑道与地面的夹角3.5^。。

摄像机镜头选用视场角2γ_v的定焦镜头，黑白摄像机，安装在机场跑道代表舰上跑道终点线的横线一侧跑道外；摄像机的视角对准理想下滑道的远端附近，视角中心线与准理想下滑道相交于准理想下滑道的远端点上，即当飞机处在理想下滑道远端时，在监视器中刚好处于中心位置；调整摄像机焦距，使监视器上在理想着陆点远端能够确定飞机的位置及姿态，在理想着陆点近端能够清晰显示飞机机体主要部分；如起落架是否放下。

光学助降系统安装在与摄像机同一侧跑道外，代表舰艇着陆跑道第二、第三拦阻索之间的中心线附近；

指挥员和监视器与摄像机、光学助降系统处于跑道同侧，从光学助降系统向飞机的来向拉开距离20米—25米设置指挥员和监视器；摄像机通过信号线与控制计算机相连，控制计算机通过信号线与监视器相连；摄像机摄录图像通过控制计算机转换后，送监视器显示。指挥员能够全程观察飞机沿理想下滑道飞行，同时也能从监视器上获得，飞机下滑飞行时的图像。

二、信号传输：

飞机上飞行员需要降落时，会首先寻找并操纵飞机进入理想下滑道附近，此时飞机进入摄像机视角范围，指挥员能够直接观察到远处的飞机，也能从监视器上观察到飞机进入的图像；飞行员一面观察光学助降系统的灯光信号，一面根据灯光信号提示，进行航向的左右修正，进入理想下滑道远端；摄像机捕捉到飞机影像时，通过信号线传输到控制计算机；

控制计算机对视频的处理方法有两种：一种是当飞机进入理想下滑道远端时，刚好落在摄像机视角中心线上，指挥员即可从显示器中心点看到飞机，当飞机沿理想下滑道下滑的过程中，由于摄像机设置在机场跑道一侧，所以摄像机的视角中心线存在偏差，飞机在显示器上的显示位置会根据摄像机视角中心线与飞机理想下滑道的误差越来越大而有所变化，随着飞机沿理想下滑道下滑的过程，显示器上的图像会从中心向左(右)下角移动，指挥员可以根据飞机移动的方向，判断高低和左右的偏差，并参考该视频对空中飞机提出偏差修正的指示及操纵提示。

另一种方式是当飞机进入理想下滑道远端时，刚好落在摄像机视角中心线上，指挥员即可从显示器中心点看到飞机，当飞机沿理想下滑道下滑的过程中，由于摄像机设置在机场跑道一侧，所以摄像机的视角中心线存在偏差，根据机场实际情况，技术人员在控制计算机中通过一个修正公式对理想下滑道与摄像机视场中心线的误差进行修正，使飞机沿理想下滑道向下滑行时，指挥员面前的显示器上飞机始终处于中心位置，随着距离的缩短，飞机图像将越来越大，但中心不会随飞机的下滑而移动。这样指挥员就可以根据飞机图像在显示器上的上下左右移动，判断高低和左右的偏差，并参考该视频对空中飞机提出偏差修正的指示及操纵提示。

指挥员发现飞机沿理想下滑道下滑的过程中产生了上下、左右的偏差，用无线电呼叫飞行员，指挥员根据监视器上视频的信息，对空中飞行员进行飞行指挥，根据飞机的高低、左右偏差情况提示飞行员操纵飞机降低或爬升，向右或向左，以使飞机沿理想下滑道下滑，直至飞机进入着陆前的稳定下滑阶段，结束指挥。

三、操作和控制信号流程如下：

控制计算机还包含一个跟踪球和一个理想下滑线标识库；当飞机的图像进入摄像机时，控制计算机显示器中显示飞机，操作人员通过跟踪球滑动距离波门跟踪飞机的信号，当信号波门罩着飞机的信号时，操作人员启动跟踪程序，信号波门将会自动跟踪飞机的图像信号移动；控制计算机从理想下滑线标识库中调出飞机着陆的理想下滑线，与飞机的图像中心进行坐标比对，计算出飞机与理想下滑线的坐标距离，根据飞机与摄像机此时的距离，计算出对显示器上飞机的图像进行显示坐标的修正值并进行修正，保证使飞机理想下滑线上的每一点均显示在显示器的中心；当此时的飞机图像偏离了中心时，发出飞机与理想下滑线的高低和左右偏差的语音报告，指挥员根据当面显示器上发出的提示，结合指挥员对飞机下降角度、速度和理想下滑线之间的误差判断，按照操作手册的要求提示飞行员的操纵方法和步骤；因为操作手册是操纵飞行的指南，不会因不同的指挥员而有所改变；指挥员将飞机的操纵指令通过无线电传达给飞行员，飞行员操纵飞机按照指挥员提出的指令进行航线修正，直到与理想下滑线重合。

在任何满足基本训练条件的陆地机场——海拔高度不超过300米，有相对稳定的跑道逆风等条件的机场，配有一种飞机引导着陆监视系统，指挥员即可指挥飞机进行着陆训练。该系统有效的解决了舰载机陆基着陆训练场地少、装备贵、安装难的问题；维护简单、拆装方便，可为舰载机着陆训练的大规模展开提供有力支持。

附图说明

图1降落飞机在水平视场中位置变化示意图；

图2机场跑道设备画线相对位置示意图；

图3引导着陆监视系统设备战位连接关系示意图；

图4摄像机架设视角示意图之一；

图5摄像机架设视角示意图之二；

图6飞机进入理想下滑道远端显示示意图；

图7飞机沿理想下滑道下滑过程显示示意图；

图8修正后飞机沿理想下滑道下滑近端显示示意图；

图9引导着陆监视系统信号关系示意图。

说明：1-飞机，2-指挥员，3-监视器，4-控制计算机，5-光学助降系统，6-摄像机，8-跟踪球。

具体实施方式

下面结合附图对具体实施方式作进一步描述：

一、系统的设置

系统由监视器、控制计算机和摄像机组成。当选定训练跑道后，要在跑道上设置理想着陆点。根据舰上飞机1跑道的实际情况，确定第二、第三拦阻索之间的中心点为理想着舰点；为此在所确定的飞机1跑道上大约距离跑道起点的500米处设置为理想着舰点位置；确定后在该处跑道上垂直跑道中心线画一明显横线，该横线代表舰艇着陆跑道第二、第三拦阻索之间的中心线；从该中心线为起点向飞机1来向，测量出舰上第二、第三拦阻索之间的中心线至舰艉的距离并画出明显横线，该横线代表舰艉线；从该中心线向飞机1去向，测量出舰上第二、第三拦阻索之间的中心线至舰着陆跑道终点距离并画出明显横线，该横线代表舰上跑道终点线。理想着陆点为飞机1理想下滑道的一端，距离理想着陆点350米，为飞机1理想下滑道的近端，飞机1状态基本确定，不再进行监视指挥；从理想着陆点开始沿跑道中心线向飞机1来向水平延伸1800米为理想下滑道远端投影点；飞机1理想下滑道与地面的夹角3.5°。

摄像机6镜头选用视场角2γ_v的定焦镜头，黑白摄像机6，安装在机场跑道代表舰上跑道终点线的横线一侧跑道外；摄像机6的视角对准理想下滑道的远端附近，视角中心线与理想下滑道相交于理想下滑道的远端点上，即当飞机1处在理想下滑道远端时，在监视器3中刚好处于中心位置；调整摄像机6焦距，使监视器3上在理想着陆点远端能够确定飞机1的位置及姿态，在理想着陆点近端能够清晰显示飞机1机体主要部分；如起落架是否放下。

光学助降系统5安装在与摄像机6同一侧跑道外，代表舰艇着陆跑道第二、第三拦阻索之间的中心线附近；

指挥员2和监视器3与摄像机6、光学助降系统5处于跑道同侧，从光学助降系统5向飞机1的来向拉开距离20米—25米设置指挥员2和监视器3；摄像机6通过信号线与控制计算机4相连，控制计算机4通过信号线与监视器3相连；摄像机6摄录图像通过控制计算机4转换后，送监视器3显示。指挥员2能够全程观察飞机1沿理想下滑道飞行，同时也能从监视器3上获得，飞机1下滑飞行时的图像。

二、信号传输

飞机1上飞行员需要降落时，会首先寻找并操纵飞机1进入理想下滑道附近，此时飞机1进入摄像机6视角范围，指挥员2能够直接观察到远处的飞机1，也能从监视器3上观察到飞机1进入的图像；飞行员一面观察光学助降系统5的灯光信号，一面根据灯光信号提示，进行航向的左右修正，进入理想下滑道远端；摄像机6捕捉到飞机1影像时，通过信号线传输到控制计算机4；

控制计算机4对视频的处理方法有两种：一种是当飞机1进入理想下滑道远端时，刚好落在摄像机6视角中心线上，指挥员2即可从显示器3中心点看到飞机1，当飞机1沿理想下滑道下滑的过程中，由于摄像机6设置在机场跑道一侧，所以摄像机6的视角中心线存在偏差，飞机1在显示器上的显示位置会根据摄像机6视角中心线与飞机1理想下滑道的误差越来越大而有所变化，随着飞机1沿理想下滑道下滑的过程，显示器上的图像会从中心向左(右)下角移动，指挥员2可以根据飞机1移动的方向，判断高低和左右的偏差，并参考该视频对空中飞机1提出偏差修正的指示及操纵提示。

另一种方式是当飞机1进入理想下滑道远端时，刚好落在摄像机6视角中心线上，指挥员2即可从显示器中心点看到飞机1，当飞机1沿理想下滑道下滑的过程中，由于摄像机6设置在机场跑道一侧，所以摄像机6的视角中心线存在偏差，根据机场实际情况，技术人员在控制计算机4中通过一个修正公式对理想下滑道与摄像机6视场中心线的误差进行修正，使飞机1沿理想下滑道向下滑行时，指挥员2面前的显示器上飞机1始终处于中心位置，随着距离的缩短，飞机1图像将越来越大，但中心不会随飞机1的下滑而移动。这样指挥员2就可以根据飞机1图像在显示器上的上下左右移动，判断高低和左右的偏差，并参考该视频对空中飞机1提出偏差修正的指示及操纵提示。

指挥员2发现飞机1沿理想下滑道下滑的过程中产生了上下、左右的偏差，用无线电呼叫飞行员，指挥员2根据监视器3上视频的信息，对空中飞行员进行飞行指挥，根据飞机1的高低、左右偏差情况提示飞行员操纵飞机1降低或爬升，向右或向左，以使飞机1沿理想下滑道下滑，直至飞机1进入着陆前的稳定下滑阶段，结束指挥。

三、操作和控制信号流程如下：

控制计算机4还包含一个跟踪球8和一个理想下滑线标识库；当飞机1的图像进入摄像机6时，控制计算机4显示器中显示飞机，操作人员通过跟踪球滑动距离波门跟踪飞机1的信号，当信号波门罩着飞机1的信号时，操作人员启动跟踪程序，信号波门将会自动跟踪飞机1的图像信号移动；控制计算机4从理想下滑线标识库中调出飞机1着陆的理想下滑线，与飞机1的图像中心进行坐标比对，计算出飞机1与理想下滑线的坐标距离，根据飞机1与摄像机6此时的距离，计算出对显示器3上飞机的图像进行显示坐标的修正值并进行修正，保证使飞机1理想下滑线上的每一点均显示在显示器3的中心；当此时的飞机1图像偏离了中心时，发出飞机1与理想下滑线的高低和左右偏差的语音报告，指挥员2根据当面显示器3上发出的提示，结合指挥员2对飞机1下降角度、速度和理想下滑线之间的误差判断，按照操作手册的要求提示飞行员的操纵方法和步骤；因为操作手册是操纵飞行的指南，不会因不同的指挥员2而有所改变；指挥员2将飞机1的操纵指令通过无线电传达给飞行员，飞行员操纵飞机1按照指挥员2提出的指令进行航线修正，直到与理想下滑线重合。

计算方法：

1.横坐标线位置计算

(1)计算方法

如图1所示，取舰载机下滑的某一具体时刻。

已知量有：

γ_v－－1/2摄像机6视场角

α－－理想下滑道与地面夹角

L₁－－摄像机6垂直视场中线与理想下滑道交点到理想着舰点水平距离

L₂－－摄像机6到理想着舰点距离

X－－舰载机到理想着舰点水平距离

中间量有：

h－－过舰载机的铅垂线与理想下滑道及垂直视场中线交点距离

d_v－－舰载机所在距离上理想下滑道到垂直视场中线距离

F－－过舰载机铅垂线与理想下滑道交点到垂直视场中线距离

待求量有：

R_v－－舰载机所在距离上理想下滑道在垂直视场中所占比例

根据已知量可求中间量及待求量，公式如下：

h＝(X+L₂)×tanβ-X×tanα (1.2)

d_v＝h×cosβ (1.3)

D_v＝F×sinγ_v (1.5)

(2)边界数据分析

现有固定式安装中心线摄像机6位置沿跑道方向距离理想着舰点约140米，而在将相关参数取典型数据后，基于本计算方法，可准确的计算沿跑道方向距离理想着舰点150米至0米范围内中心线摄像机6横坐标线的位置。其中，典型数据取值如下：

γ_v＝4°；

α＝3.5°；

L₁＝1800m；

此时，将中心线摄像机6距离理想着舰点之间的距离取0米—150米，将舰载机距离理想着舰点之间的距离取近端0米、远端1800米时，计算结果如下：

①X＝1800m,L₂＝250m时：R_v＝0.5；

②X＝1800m,L₂＝0m时：R_v＝0.5；

③X＝0m,L₂＝250m时：R_v＝0.905；

④X趋近于0m,L₂＝0m时：R_v＝0.5；

以上四种情况下，在中心线摄像机6距离理想着舰点0－250米距离范围内，坐标线均可满足在视场中线至上边界0.9的比例间变化，满足要求。

2.纵坐标线位置计算

(1)计算方法

如图2所示，取与横坐标线位置计算的同一时刻。

已知量有：

γ_h－－1/2摄像机6水平视场角

d_h－－摄像机6水平视场中线与跑道中线间距离

L₂－－摄像机6到理想着舰点距离

X－－舰载机到理想着舰点水平距离

中间量有：

D_h－－舰载机所在距离上视场水平中线垂线与视场水平中线及视场边界线交点间距离

待求量有：

R_h－－舰载机所在距离上理想下滑道在水平视场中所占比例

根据已知量可求中间量及待求量，公式如下：

D_h＝(L₂+X)×tanγ_h (2.1)

(2)边界数据分析

现有固定式安装中心线摄像机6位置垂直跑道方向距离理想着舰点0米，取中心线摄像机6二分之一水平视场角为4°，将中心线摄像机6移动范围设定在垂直跑道方向距离理想着舰点15至30米内，将舰载机距离理想着舰点间距离取边界值近端0米、远端1800米时，可基于本计算方法，准确的计算垂直跑道方中心线摄像机6纵坐标线的位置，计算结果如下：

①d_h＝15m，L₂＝0m，X＝0m,时：飞机1超出视界

②d_h＝15m，L₂＝0m，X＝1800m,时：R_h＝0.560；

③d_h＝15m，L₂＝250m，X＝0m,时：R_h＝0.929；

④d_h＝15m，L₂＝250m，X＝1800m,时：R_h＝0.552；

⑤d_h＝30m，L₂＝0m，X＝0m,时：飞机1超出视界

⑥d_h＝30m，L₂＝0m，X＝1800m,时：R_h＝0.619；

⑦d_h＝30m，L₂＝250m，X＝0m,时：R_h＝1.358；飞机1超出视界

⑧d_h＝30m，L₂＝250m，X＝1800m,时：R_h＝0.604；

以上八种情况中，①情况时，飞机1在沿跑道方向距离理想着舰点215米处飞出摄像机6视场范围；⑤情况时，飞机1在沿跑道方向距离理想着舰点429米处飞出摄像机6视场范围；⑦情况时，飞机1在沿跑道方向距离理想着舰点179米处飞出摄像机6视场范围。

在只进行着舰技术训练的情况下，舰载机在距离理想着舰点350米时，飞机1状态基本确定，可不再进行监视与指挥，因此，d_h取15米时，0－250米范围均满足要求；d_h取30米时，179—250米范围内均满足要求。

Claims (2)

1.一种飞机着陆监视引导系统，包含监视器(3)、控制计算机(4)和摄像机(6)，其特征在于架设系统用以下步骤进行：

步骤一：在跑道上设置理想着陆点；确定理想着陆点后在该处跑道上垂直跑道中心线画一明显横线；

步骤二：从该中心线为起点向飞机(1)来向，测量出舰上第二、第三拦阻索之间的中心线至舰艉的距离并画出明显横线，该横线代表舰艉线；

步骤三：从该中心线向飞机(1)去向，测量出舰上第二、第三拦阻索之间的中心线至舰着陆跑道终点距离并画出明显横线，该横线代表舰上跑道终点线；

步骤四：选择摄像机(6)；摄像机(6)镜头选用视场角2γ_v的定焦镜头，安装在机场跑道代表舰上跑道终点线的横线一侧跑道外；

步骤五：摄像机(6)的视角中心对准理想下滑道的远端点，视角中心线与理想下滑道相交于理想下滑道的远端点上；当飞机(1)处在理想下滑道远端点上时，飞机(1)图像在监视器(3)中处于中心位置；调整摄像机(6)焦距，使监视器(3)上在理想着陆点远端能确定飞机(1)的位置及姿态，在理想着陆点近端能清晰显示飞机(1)机体，观察起落架是否放下；

光学助降系统(5)安装在与摄像机(6)同一侧跑道外，着陆点横线向飞机来向前移2米——10米；

指挥员(2)和监视器(3)与摄像机(6)、光学助降系统(5)处于跑道同侧，从光学助降系统(5)向飞机(1)的来向前移距离20米—25米设置指挥员(2)和监视器(3)的位置点；摄像机(6)通过信号线与控制计算机(4)相连，控制计算机(4)通过信号线与监视器(3)相连；摄像机(6)摄录图像通过控制计算机(4)转换后，送监视器(3)显示；指挥员(2)能够全程观察飞机(1)沿理想下滑道飞行，同时也从监视器(3)上获得，飞机(1)下滑飞行时的图像。

2.根据权利要求1所述的一种飞机着陆监视引导系统，其特征在于：信号传输如下：

飞机(1)上飞行员降落时，操纵飞机(1)进入理想下滑道，飞机(1)进入摄像机(6)视角范围，指挥员(2)能从监视器(3)上观察到飞机(1)进入的图像；飞行员一面观察光学助降系统(5)的灯光信号，一面进行航向的左右修正，进入理想下滑道远端；摄像机(6)捕捉到飞机(1)影像，通过信号线传输到控制计算机(4)；指挥员(2)发现飞机(1)沿理想下滑道下滑的过程中产生了上下、左右的偏差，用无线电呼叫飞行员，并根据飞机(1)的高低、左右偏差情况，提示飞行员操纵飞机(1)降低或爬升，向右或向左修正，以使飞机(1)沿理想下滑道下滑，直至飞机(1)进入着陆前的稳定下滑阶段，结束指挥。

Images