CN106813900A - 一种基于无人机技术的民用机场助航灯光飞行校验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无人机技术的民用机场助航灯光飞行校验方法，对助航灯光不同仰角的颜色、光变和亮度变化进行校验出具报告，包括无人机和机场跑道PAPI灯，所述无人机上设置有灯光感应传感器、GPS定位装置和无线数据交换传输装置，所述方法包括直线平飞校验法、曲线平飞校验法和进近飞行校验法；本发明借助了无人机的飞行特性，可采取“直线、曲线和悬停往复”等方式飞行，区别于传统“有人机”对PAPI灯光飞行校验时，飞行速度大、观测位置动态模糊、飞行线路单一不易机动等特点，从而占据更加有利的观测位置，是使观测数据量化的更充分、更准确、更客观的一种新型民用机场PAPI灯光飞行校验方法。

Description

一种基于无人机技术的民用机场助航灯光飞行校验方法

技术领域

本发明涉及一种基于无人机技术的民用机场助航灯光飞行校验方法，是对机场PAPI灯光的飞行校验方法。

背景技术

目前在民用机场PAPI灯光飞行校验上的观测手段主要依赖：“以人为主观判断为主，校验设备记录分析为辅”。因现行技术与环节当中存在较多的人为因素，故造成校验结果的人为主观性明显，使得“出具校验结果的过程”在科学性、完整性和可用性上大打折扣，故造成当前校验方式存在主观性较大、过程不完整、可用性不可预测等缺点，不仅对校验结果的准确性有重要影响，同时也制约着民航安全理念在新时期的不断创新发展。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于无人机技术的民用机场助航灯光飞行校验方法，是对机场PAPI灯光的飞行校验方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种基于无人机技术的民用机场助航灯光飞行校验方法，对助航灯光不同仰角的颜色、光变和亮度变化进行校验出具报告，包括无人机和机场跑道PAPI灯，所述无人机上设置有灯光感应传感器、GPS定位装置和无线数据交换传输装置，所述方法包括直线平飞校验法、曲线平飞校验法和进近飞行校验法；其中：

所述直线平飞校验法是：根据GPS定位，将无人机置于距离机场跑道五边延长线6海里、高度不高于300米的位置，水平、直线飞向机场跑道，依据预先设定的接收光强度和色度阈值，接收PAPI灯光信号，然后根据GPS定位信号，计算获取首先接收到PAPI灯光信号时无人机所处的观测点位置和仰角；将观测点位置和仰角与当地机场对外公布的PAPI灯光仰角进行比较，获取PAPI灯光仰角和灯光变化的校验数据，进行校验取值和出具报告；

所述曲线平飞校验法是：根据GPS定位，将无人机置于距离机场跑道以跑道头为圆心、4至5海里为半径、高度不低于300米的位置，按照五边延长线左右各15°的方位角做水平弧线或水平切线飞行，依据预先设定的接收光强度和色度阈值，接收初始PAPI灯光信号的颜色、光变和亮度变化校验数据，然后根据GPS定位信号计算获取对应初始PAPI灯光信号的观测点位置数据，将获取的观测点位置数据与当地机场对外公布的五边延长线左右各15°的方位角数据比较，进行校验取值和出具报告；

所述进近飞行校验法是：将无人机置于机场进近航道上空，按照当地机场对外公布的PAPI灯光设定角度和进近程序下降梯度下降至地面，依据预先设定的接收光强度和色度阈值，在下降过程中分别接收PAPI灯光信号，然后根据GPS定位信号计算下降过程中不同高距比时的PAPI灯光信号数据，将其与当地机场对外公布的PAPI灯光设定角度和下降梯度比较，进行校验取值和出具报告。

方案进一步是：所述PAPI灯是4个，4个PAPI灯依据排列顺序划分为1号、2号、3号、4号。

方案进一步是：所述预先设定的接收光强度和色度阈值是所述灯光感应传感器按照当地机场对外公布的PAPI灯光仰角、按照当地机场对外公布的五边延长线左右各15°的方位角、按照当地机场对外公布的PAPI灯光设定角度和下降梯度感应到的PAPI灯光强度和色度设定的阈值。

方案进一步是：所述直线平飞校验法中，将所述无人机在到达的仰角观测点位置时进行悬停或往复飞行观测PAPI灯不同仰角的颜色、光变和亮度变化数据，将所述变化数据同时作为PAPI灯光仰角校验数据；

所述曲线平飞校验法中，在按照五边延长线左右各15°的方位角水平弧线或切线飞行中进行悬停或往复飞行，获取PAPI灯随方位角变化的颜色、光变和亮度变化数据，并将其同时作为PAPI灯光方位角校验数据；

所述进近飞行校验法中，所述下降过程是按照当地机场对外公布的PAPI灯光设定角度和进近程序下降梯度进行悬停或往复飞行的下降过程，所述的PAPI灯光信号随高度变化的颜色、光变和亮度变化的信号。

方案进一步是：所述直线平飞校验法进一步包括找出进行悬停或往复飞行观测PAPI灯不同仰角的颜色、光变和亮度变化数据中与阈值比较的最佳值，然后获取最佳值的观测点位置和仰角；

所述曲线平飞校验法进一步包括找出进行悬停或往复飞行获取的PAPI灯随方位角变化的颜色、光变和亮度变化数据中与阈值比较的最佳值，然后获取最佳值的观测点位置数据。

方案进一步是：所述灯光感应传感器采用的是吊舱式灯光感应传感器，吊舱悬吊在无人机下端侧，吊舱中按需加装GPS差分信号接收设备、气压高度测量设备、前视红外摄像机、视频摄像机和激光高度/测距设备。

方案进一步是：所述无线数据交换传输装置直接输出所述出具报告传递至地面接收站，或者，所述无线数据交换传输装置实时将获取的数据传送至地面接收站，由地面接收站服务器进行自动或人工校验取值和出具报告。

方案进一步是：所述高度是位于无人机飞行要用的区域内相对于跑道之上的高度。

本发明借助了无人机的飞行特性，可采取“直线、曲线和悬停往复”等方式飞行 ，区别于传统“有人机”对PAPI灯光飞行校验时，飞行速度大、观测位置动态模糊、飞行线路单一不易机动等特点，从而占据更加有利的观测位置，是使观测数据量化的更充分、更准确、更客观的一种新型民用机场PAPI灯光飞行校验方法；并且其优点是：

1，提高了验证手段的科学性

减少了人为因素的不一致性，实现了标准化观测，为后续设备的调整建议和校验结果的分析出具，提供必要的技术支撑。借助无人机机载光电平台，将被观测目标（PAPI灯光）的各项指标进行数字化、图形化的信号解析，以代替现行“以人眼为主”的观测手段。

2，提高了验证过程的完整性

通过改进验证过程的记录与监视手段，提供更加完整的数据记录过程和评估依据，使校验结果的出具更加合理。这主要依赖各类设备，将视频图像、光电吊舱观测数据和飞行参数进行耦合，实现同步传输与存储，代替现行“飞行员用手动打点和机载自动数据耦合”的记录方式。

3，提高了验证结果的可用性

通过改进校验数据的后期分析方法，开发更准确、更客观、更全面的信息化、图形化软件系统，使分析手段更符合民航安全理念的要求，校验结果更具可用性。这主要依靠“校验结果分析终端”将采集到的：视觉摄像头、光电吊舱观测数据、驾驶员的操纵数据、陀螺仪提供的飞机姿态数据、惯导数据以及机载卫星导航、空速、风速、气压式高度表等设备提供的航行数据相耦合，提供更直观、更准确的数据分析，代替现行“依靠人为经验”给PAPI灯光校验与仪表着陆设备的同步性出具调整建议和最终提供校验报告的方式。

并且具有：

（1）利于通过技术手段全面评估PAPI灯光飞行校验的科学性、可飞性、人的因素的影响。

（2）为出具民用机场PAPI灯光的《飞行校验报告》提供重要参考。

（3）提供了可反复播放和调阅的民用机场PAPI灯光的校验数据和档案。

（4）为机场（飞行校验的用户单位）提供更科学的校验数据和报告。

（5）为机场的使用者（航空公司）提供了准确一致性的飞行参考。

下面结合附图和实施例对发明作一详细描述。

附图说明

图1为本发明无人机直线平飞校验法示意图；

图2为本发明无人机曲线平飞校验法示意图；

图3为本发明无人机进近飞行校验法示意图。

具体实施方式

PAPI灯光属于机场助航灯光系统的一部分，又叫精密进近航径指示器（PrecisionApproach Path Indicator）,通常指PAPI系统中以灯光形式存在的、最为直观的部分。PAPI灯可由多组灯具组成，分为筒式、三排式和T式。根据种类不同，灯组数量也不同，安装的位置也有所区别。国际上多数排列在跑道左侧，也有的对称排列在跑道两侧；根据机场可降机型的不同，PAPI灯光的安置距离跑道入口也有所区别，一般为300米至400米。目前国内多数机场安装在跑道左侧（从着陆方向看），由四盏灯组成，如图1所示，光线仰角分别为：2.42°、2.75°、3.25°、3.58°。为保证飞行安全，需要使用装有专门校验设备的飞机，按照飞行校验的有关规范，对各种民航飞行程序的可飞性、障碍物信息和地形特征、导航信号覆盖性和导航数据完整性进行验证和评估,并依据验证和评估的结果出具飞行校验报告的过程。PAPI灯光的飞行校验是飞行校验的其中一项内容，属于灯光校验的范畴。主要检查：可视距离、覆盖角度、亮度级别、变光角度、颜色过渡和与进近程序的一致性等参数。目前采用飞行员肉眼辨识、人工输入，计算机搜集汇总飞机其他各路信息进行综合评估存在许多人为的因素问题，现在利用无人机技术实现飞行校验是一种非常行之有效的方法。

因此，作为本实施例一种基于无人机技术的民用机场助航灯光飞行校验方法，对助航灯光不同仰角的颜色、光变和亮度变化进行校验出具报告，如图1、图2和图3所示，包括无人机1和机场跑道2的PAPI灯3，PAPI灯的初始灯光分别依据PAPI灯排列顺序划分为1号、2号、3号、4号，对应的仰角分别是2.42°、2.75°、3.25°、3.58°；所述无人机上设置有灯光感应传感器、GPS定位装置和无线数据交换传输装置，并可按需加装GPS差分信号接收设备、气压高度测量设备、前视红外摄像机、视频摄像机和激光高度/测距设备；所述方法包括直线平飞校验法、曲线平飞校验法和进近飞行校验法；其中：

所述直线平飞校验法是：根据GPS定位，将无人机置于距离机场跑道五边延长线6海里、高度不高于300米的位置，水平、直线飞向机场跑道，依据预先设定的接收光强度和色度阈值，分别接收1号、2号、3号、4号PAPI灯的灯光信号，然后根据此时的GPS定位信号，计算获取首先接收到1号、2号、3号、4号灯光信号时无人机所处的观测点位置4和仰角；将观测点位置和仰角与当地机场对外公布的PAPI灯光仰角进行比较，获取PAPI灯光仰角和灯光变化的校验数据，进行校验取值和出具报告；其中：五边延长线在图中标记为5，五边延长线是专业术语，通常是指飞机在实施进近程序时，沿下降路径垂直投影于地表并与跑道头（在水平方向上）相交的方向线（五边）在正反两个方向上的延长线。五边延长线不等同于跑道中心延长线，根据机场的设计起降需求，两条线可能存在夹角。

所述曲线平飞校验法是：根据GPS定位，将无人机置于距离机场跑道以跑道头为圆心、4至5海里为半径、高度不低于300米的位置，如图2所示，按照五边延长线左右各15°的方位角a做水平弧线或水平切线飞行，依据预先设定的接收光强度和色度阈值，分别接收1号、2号、3号、4号初始PAPI灯光信号的颜色、光变和亮度变化校验数据，然后根据GPS定位信号计算获取对应1号、2号、3号、4号初始PAPI灯光信号的观测点位置数据，将获取的观测点位置数据与当地机场对外公布的五边延长线左右各15°的方位角数据比较，进行校验取值和出具报告；

所述进近飞行校验法是：如图3所示，将无人机置于机场进近航径上空，按照当地机场对外公布的PAPI灯光设定角度（通常是3度下滑角）和进近程序下降梯度下降至地面，依据预先设定的接收光强度和色度阈值，在下降过程中分别接收1号、2号、3号、4号PAPI灯光信号，然后根据GPS定位信号计算下降过程中不同高距比时的PAPI灯光信号数据，将其与当地机场对外公布的PAPI灯光设定角度和下降梯度比较，进行校验取值和出具报告。其中的进近程序是飞行程序的一部分，是指飞机下降时对准跑道飞行的过程；高距比是指利用GPS提供的经度、纬度和高度信息，在垂直方向上利用三角函数进行换算，以快速得出角度、距离等关联信息的基本方法。

因GPS原理导致其提供的高度信息存在误差，因此在实际应用中为增加准确度，通常还可根据需要加入GPS差分高度信息、激光高度、气压高度和地表弧度等修正参数。例如：当前民用GPS定位精度通常在米级，为确保民用航空器在高速运动中实现精准着陆，在高度上的精度要求通常比在经纬度的方位精度要求更加严苛。因此进一步采用地面差分GPS定位设备作为辅助手段提供修正参数，它将地面测算的定位数据与GPS定位数据相比较，先测算出差值，再加上无人机GPS提供的定位数据，生成最终的定位数据。并将数据以地空通讯方式发送给在空中无人机实施校准的平台，使所述获取的校验数据和出具报告更加准确，可将精度提高至厘米级。

实施例中：所述预先设定的接收光强度和色度阈值是所述灯光感应传感器按照当地机场对外公布的PAPI灯光仰角、按照当地机场对外公布的五边延长线左右各15°的方位角、按照当地机场对外公布的PAPI灯光设定角度和下降梯度感应到的PAPI灯光强度和色度设定的阈值。

实施例中：所述直线平飞校验法中，将所述无人机在到达的仰角观测点位置时进行悬停或往复飞行观测PAPI灯不同仰角的颜色、光变和亮度变化数据，将所述变化数据同时作为PAPI灯光仰角校验数据；

所述曲线平飞校验法中，在按照五边延长线左右各15°的方位角水平弧线和水平切线飞行中进行悬停或往复飞行，获取PAPI灯随方位角变化的颜色、光变和亮度变化数据，并将其同时作为PAPI灯光方位角校验数据；

所述进近飞行校验法中，所述下降过程是按照当地机场对外公布的PAPI灯光设定角度和进近程序下降梯度进行悬停或往复飞行的下降过程，所述的PAPI灯光信号随高度变化的颜色、光变和亮度变化的信号。

其中：所述直线平飞校验法进一步包括找出进行悬停或往复飞行观测PAPI灯不同仰角的颜色、光变和亮度变化数据中与阈值比较的最佳值，然后获取最佳值的观测点位置和仰角；其中的光变是光线变化的各项参数，比如照度变化 色度变化等等；其最佳值是指颜色最接近、光变和亮度最强的观测点位置和仰角；

所述曲线平飞校验法进一步包括找出进行悬停或往复飞行获取的PAPI灯随方位角变化的颜色、光变和亮度变化数据中与阈值比较的最佳值，然后获取最佳值的观测点位置数据；其中的光变是光线变化的各项参数，比如照度变化 色度变化等等；其最佳值是指颜色最接近、光变和亮度最强的观测点位置数据。

实施例中：所述灯光感应传感器采用的是吊舱式灯光感应传感器，吊舱悬吊在无人机下端侧，吊舱中设置所述灯光感应传感器、GPS定位装置和无线数据交换传输装置；并且还可按需加装GPS差分信号接收设备、气压高度测量设备、前视红外摄像机、视频摄像机和激光高度/测距设备。吊舱具有减震装置，在无人机的运动过程中，可隔离载机的姿态变化和机械振动对光电传感器指向的影响。

实施例中：所述无线数据交换传输装置直接输出所述出具报告传递至地面接收站，或者，所述无线数据交换传输装置实时将获取的数据传送至地面接收站，由地面接收站服务器进行自动或人工校验取值和出具报告。

其中：所述高度是位于无人机飞行要用的区域内相对于机场跑道之上的高度。

实施例方法区别“有人机”飞行校验时：飞行速度大、观测位置动态模糊、机动性差等特点，能充分发挥无人机的性能优势,占据更加有利的观测位置，采用“低速、悬停和往复”的手段，使观测数据更准确、更充分、更客观的飞行方法。其中,直线平飞法：主要检查PAPI灯光照射的仰角。与“有人机”传统飞行校验采用直线平飞“先看见灯光再计算”的方式不同，是指无人机直接按照当地机场对外公布的PAPI灯光仰角，以GPS高距比的方式计算出可截获1号、2号、3号、4号PAPI灯光信号的观测点位置，然后依据无人机本身设置，或在地面站规划航线和飞行员的操纵下，沿机场跑道进近五边延长线方向300米高度、6海里位置水平飞向跑道，采取低速、悬停或往复的手段，观测PAPI灯不同仰角的颜色、光变和亮度变化，进行校验取值和出具报告。曲线（多线段）平飞法：主要检查PAPI灯光的覆盖范围。与“有人机”传统飞行校验采用圆弧平飞“先看见灯光再计算”的方式不同，是指无人机直接按照当地机场对外公布的PAPI灯光方位角，以GPS高距比的方式计算出可截获PAPI灯光信号的观测点位置，然后依据无人机本身设置，或在地面站规划航线和飞行员操纵下，以机场跑道五边延长线4-5海里为半径，检查五边延长线左右各15°（±15°）的方位角，采用低速、悬停和往复的手段，观测PAPI灯光随方位角变化的颜色、光变和亮度变化，进行校验取值和出具报告。进近飞行法：主要检查PAPI灯光与进近程序的一致性。与“有人机”传统飞行校验“检查PAPI灯光与仪表着陆系统的一致性”和“先看见灯光再计算”的方式不同，是指无人机直接按照当地机场对外公布的PAPI灯光设定角度和进近程序角度，然后依据无人机本身设置，或在地面站规划航线和飞行员的操纵下进近飞行，采用低速、悬停和往复的手段，观测PAPI灯光随高度变化的颜色、光变和亮度变化，进行校验取值和出具报告。

Claims (8)

1.一种基于无人机技术的民用机场助航灯光飞行校验方法，对助航灯光不同仰角的颜色、光变和亮度变化进行校验出具报告，包括无人机和机场跑道PAPI灯，所述无人机上设置有灯光感应传感器、GPS定位装置和无线数据交换传输装置，所述方法包括直线平飞校验法、曲线平飞校验法和进近飞行校验法；其特征在于：

所述直线平飞校验法是：根据GPS定位，将无人机置于距离机场跑道五边延长线6海里、高度不高于300米的位置，水平、直线飞向机场跑道，依据预先设定的接收光强度和色度阈值，接收PAPI灯光信号，然后根据GPS定位信号，计算获取首先接收到PAPI灯光信号时无人机所处的观测点位置和仰角；将观测点位置和仰角与当地机场对外公布的PAPI灯光仰角进行比较，获取PAPI灯光仰角和灯光变化的校验数据，进行校验取值和出具报告；

所述曲线平飞校验法是：根据GPS定位，将无人机置于距离机场跑道以跑道头为圆心、4至5海里为半径、高度不低于300米的位置，按照五边延长线左右各15°的方位角做水平弧线或水平切线飞行，依据预先设定的接收光强度和色度阈值，接收初始PAPI灯光信号的颜色、光变和亮度变化校验数据，然后根据GPS定位信号计算获取对应初始PAPI灯光信号的观测点位置数据，将获取的观测点位置数据与当地机场对外公布的五边延长线左右各15°的方位角数据比较，进行校验取值和出具报告；

所述进近飞行校验法是：将无人机置于机场进近航径上空，按照当地机场对外公布的PAPI灯光设定角度和进近程序下降梯度下降至地面，依据预先设定的接收光强度和色度阈值，在下降过程中分别接收PAPI灯光信号，然后根据GPS定位信号计算下降过程中不同高距比时的PAPI灯光信号数据，将其与当地机场对外公布的PAPI灯光设定角度和下降梯度比较，进行校验取值和出具报告。

2.根据权利要求1所述的民用机场助航灯光飞行校验方法，其特征在于，所述PAPI灯是4个，4个PAPI灯依据排列顺序划分为1号、2号、3号、4号。

3.根据权利要求1所述的民用机场助航灯光飞行校验方法，其特征在于，所述预先设定的接收光强度和色度阈值是所述灯光感应传感器按照当地机场对外公布的PAPI灯光仰角、按照当地机场对外公布的五边延长线左右各15°的方位角、按照当地机场对外公布的PAPI灯光设定角度和下降梯度感应到的PAPI灯光强度和色度设定的阈值。

4.根据权利要求1所述的民用机场助航灯光飞行校验方法，其特征在于：

所述直线平飞校验法中，将所述无人机在到达的仰角观测点位置时进行悬停或往复飞行观测PAPI灯不同仰角的颜色、光变和亮度变化数据，将所述变化数据同时作为PAPI灯光仰角校验数据；

所述曲线平飞校验法中，在按照五边延长线左右各15°的方位角水平弧线或切线飞行中进行悬停或往复飞行，获取PAPI灯随方位角变化的颜色、光变和亮度变化数据，并将其同时作为PAPI灯光方位角校验数据；

所述进近飞行校验法中，所述下降过程是按照当地机场对外公布的PAPI灯光设定角度和进近程序下降梯度进行悬停或往复飞行的下降过程，所述的PAPI灯光信号随高度变化的颜色、光变和亮度变化的信号。

5.根据权利要求4所述的民用机场助航灯光飞行校验方法，其特征在于：所述直线平飞校验法进一步包括找出进行悬停或往复飞行观测PAPI灯不同仰角的颜色、光变和亮度变化数据中与阈值比较的最佳值，然后获取最佳值的观测点位置和仰角；

所述曲线平飞校验法进一步包括找出进行悬停或往复飞行获取的PAPI灯随方位角变化的颜色、光变和亮度变化数据中与阈值比较的最佳值，然后获取最佳值的观测点位置数据。

6.根据权利要求1所述的民用机场助航灯光飞行校验方法，其特征在于：所述灯光感应传感器采用的是吊舱式灯光感应传感器，吊舱悬吊在无人机下端侧，吊舱中按需加装GPS差分信号接收设备、气压高度测量设备、前视红外摄像机、视频摄像机和激光高度/测距设备。

7.根据权利要求1或2或3或4所述的民用机场助航灯光飞行校验方法，其特征在于：所述无线数据交换传输装置直接输出所述出具报告传递至地面接收站，或者，所述无线数据交换传输装置实时将获取的数据传送至地面接收站，由地面接收站服务器进行自动或人工校验取值和出具报告。

8.根据权利要求1所述的民用机场助航灯光飞行校验方法，其特征在于：所述高度是位于无人机飞行要用的区域内相对于机场跑道之上的高度。