CN116774207B - 一种航向信标航道结构抖动的障碍物识别方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种航向信标航道结构抖动的障碍物识别方法及装置，属于航向信标航道结构障碍物识别领域，包括步骤：建立机场数据库模型；从航道结构飞行校验“扇摆”曲线中选取弯曲线段，计算得到弯曲长度，并记录下被选取弯曲线段中点与航向信标天线的距离；计算得到相应障碍物反射信号入射角，分别绘制相应圆锥体；绘制的圆锥体相交，在二维模型中，两个交点对称分布在跑道中线延长线两侧；障碍物位于两个交点其中一处位置，根据机场平面图，排除其中一处交点，另一处即为造成航道结构抖动的障碍物。本发明首次提出了针对航道结构曲线出现“扇摆”的情况下航道结构抖动障碍物的识别方法，该方法具有易于掌握，效率高和节约成本的优点。

Description

一种航向信标航道结构抖动的障碍物识别方法及装置
技术领域
本发明涉及航向信标航道结构障碍物识别领域，更为具体的，涉及一种航向信标航道结构抖动的障碍物识别方法及装置。
背景技术
仪表着陆系统（Instrument Landing System，简称 ILS）是一种应用广泛的精密进近着陆引导系统，是国际民航织（International Civil Aviation Organization，简称ICAO）认准的标准进近着陆引导系统。ILS通常包括：航向信标、下滑信标和测距仪。
其中，航向信标提供航空器精密进近时的水平引导信号，通俗来说航向信标信号用于引导飞机在水平方向对准跑道，航向信标信号直接决定民航飞行“最后一公里”的安全。航向信标一般设置于跑道中心线延长线上，与跑道末端的距离通常在250m-400m。实际运行中，为确保航向信标提供的导航信号满足安全运行要求，须定期对航向信标空间信号进行飞行校验，主要检查科目有：信号覆盖、航道结构、航道余隙、航道校直、航道宽度、航道对称性、单音频调制度和。航道结构是飞行校验中最重要的检查指标之一，该项检查可以精确的测量和评估航向道的弯曲和抖动情况。
理想情况下，跑道中线延长线上调制度差为0，航道结构飞行校验曲线是一条接近0μA的直线，但受航向信标天线前方地形及障碍物多路径反射影响，航道结构飞行校验曲线可能存在偏离0μA直线的情况，即航道结构出现抖动，若航道结构抖动剧烈并超出标准规定的门限值，此时，飞行校验结论为不合格，意味着该跑道提供的精密进近信号不符合要求，信号将不能被使用，这将极大地影响机场运行效率，严重的，将直接导致机场关闭。
目前国内几乎所有的航向信标均采用双频系统，所谓双频系统，是指航向信标系统包括航道信号和余隙信号。航道信号分布在跑道中线延长线两侧一个狭窄的范围内，该区域内航道信号较强，称之为航道扇区，航道扇区两侧余隙信号占优，称之为余隙扇区。
障碍物位于航向信标航道扇区或余隙扇区，其可能造成的航道结构抖动呈现两种“形态”：1、障碍物位于航向信标余隙扇区，此时，余隙信号反射影响进近航道上机载接收机信号，体现在航道结构飞行校验曲线上，形似一个尖锐的脉冲，即航道结构飞行校验曲线出现“尖峰”，如图1所示；2、障碍物位于航向信标航道扇区，此时，航道信号反射影响进近航道上机载接收机信号，体现在航道结构飞行校验曲线上，为有规律的“扇摆”，如图2所示，且距离航向信标越近，“扇摆”的频率越高。针对第一种情况，根据飞行校验曲线“尖峰”出现的位置，通过镜面反射原理和机场平面CAD图就基本可以确定造成航道结构抖动障碍物的位置，但针对第二种情况，目前还没有有效的方法对障碍物进行定位。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种航向信标航道结构抖动的障碍物识别方法及装置，首次提出了针对航道结构曲线出现“扇摆”的情况下航道结构抖动障碍物的识别方法，该方法具有易于掌握，效率高和节约成本的优点。
本发明的目的是通过以下方案实现的：
一种航向信标航道结构抖动的障碍物识别方法，包括以下步骤：
步骤1，根据机场平面图、航向信标位置及机场周边障碍物矢量建立机场数据库模型；
步骤2，从航道结构飞行校验“扇摆”曲线中选取不同位置处两段弯曲线段，计算得到一个完整弯曲周期对应的弯曲长度L1和L2，并记录下被选取弯曲线段中点与航向信标天线的距离D1和D2；
步骤3，根据步骤2计算得到的弯曲长度L1、L2以及障碍物反射信号入射角θ计算公式，计算得到相应障碍物反射信号入射角θ1和θ2；
步骤4，结合步骤2和步骤3，分别绘制以第一段弯曲线段中点为基准点，入射角为θ1的圆锥体和绘制以第二段弯曲线段中点为基准点，入射角为θ2的圆锥体；
步骤5，根据步骤4，入射角θ1对应的圆锥体和入射角为θ2对应的圆锥体相交，在二维模型中，两个交点对称分布在跑道中线延长线两侧；
步骤6，根据步骤5和机场平面图，障碍物位于两个交点其中一处位置，根据机场平面图，排除其中一处交点，另一处即为造成航道结构抖动的障碍物。
进一步地，在步骤1中，所述机场平面图包括机场CAD平面图。
进一步地，在步骤1中，所述机场周边障碍物矢量包括轮廓和高度信息。
进一步地，在步骤2中，在航道结构飞行校验曲线中不同位置处选取的两段弯曲线段包括1/4弯曲长度和1/2弯曲长度。
进一步地，在步骤3中，在所述计算得到障碍物反射信号入射角θ1和θ2之前，包括步骤：根据航向信标工作频率计算工作波长λ，λ=c/f，其中c为电磁波自由空间传播速度，f为航向信标工作频率。
进一步地，所述障碍物反射信号入射角θ的计算法方法为：θ=arccos（1-λ/L），其中λ为航向信标工作波长，L为弯曲长度。
进一步地，在计算得到波长λ之后，再根据步骤2中计算得到的弯曲长度L1和L2，计算得到障碍物反射信号入射角θ1和θ2。
进一步地，在步骤4和步骤5中，所述圆锥体为三维概念，对于航向信标，将其简化为二维平面，两个圆锥体在二维平面存在两个对称分布在跑道中线延长线两侧的交点。
进一步地，在步骤6中，将步骤5中两个圆锥体在二维平面的两个交点与机场平面图进行对比，确定其中一处为造成航道结构抖动的障碍物位置。
一种航向信标航道结构抖动的障碍物识别装置，包括处理器和存储器，所述存储器中存储有计算机程序，当计算机程序被所述处理器加载时并执行如上任一项所述的方法。
本发明的有益效果包括：
（1）本发明方法合理、科学，易于掌握。对于航道结构飞行校验“扇摆”曲线，利用本发明方法，可以使设备运行单位一般技术人员仅须根据航道结构飞行校验“扇摆”曲线和简单的计算及绘图，就可以识别造成航向信标航道结构抖动的障碍物。
（2）本发明首次提出针对飞行校验中航道结构曲线出现“扇摆”的情况，航道结构抖动障碍物识别方法。障碍物位于余隙扇区，余隙信号反射影响航道信号导致飞行校验中航道结构曲线出现“尖峰”的情况，根据“尖峰”出现的位置，通过镜面反射原理和机场平面CAD图就基本可以确定障碍物的位置，但针对航道结构曲线出现“扇摆”的情况，本发明为首次提出基于该种情况下航道结构抖动障碍物识别方法。
（3）本发明方法具有效率高，节约成本的优点。飞行校验若出现航道结构“扇摆”的情况，设备运行单位须查明原因，最为常用的方法为通过飞行校验自行查找原因或委托第三方评估机构查找原因，但上述两种方法成本都非常高，且耗费时间，本发明可在航道结构“扇摆”出现的第一时间识别并定位出出引起“扇摆”的障碍物，从而降低成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为航道结构出现“尖峰”的情况，横坐标为航空器与天线的距离（m），纵坐标为航道结构抖动值（μA）；
图2为航道结构出现“扇摆”的情况，横坐标为航空器与天线的距离（m），纵坐标为航道结构抖动值（μA）；
图3为本发明方法流程图；
图4为本发明方法航向信标信号遇到障碍物后信号反射图；
图5为本发明方法演示图，根据航道结构“扇摆”曲线得到弯曲长度、弯曲线段中点到航向天线的距离；
图6为本发明方法演示图，根据障碍物反射信号入射角和弯曲线段中点位置，通过交叉点确定障碍物位置；
图中，P1：障碍物；LOC：航向信标。
具体实施方式
本说明书中所有实施例公开的所有特征，或隐含公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合和/或扩展、替换。
鉴于背景中的问题，本发明的发明人进行了创造性的思考和分析。进一步发现在现有技术中，公开号CN113838313A的中国发明专利《一种航向信标航道余隙抖动的障碍物识别方法》提出了一种航向信标航道余隙抖动的障碍物识别方法，与之相比，而本发明提出的是一种航向信标航道结构抖动的障碍物识别方法，这二者存在本质区别，具体体现在：（1）分析对象不同，发明专利《一种航向信标航道余隙抖动的障碍物识别方法》分析的对象为航道余隙，而本发明分析的对象为航道结构。（2）分析对象的作用不同。航道结构飞行校验的目的是测量和评估航向道的弯曲和抖动情况，航道余隙飞行校验的目的则是为了确保在航向信标覆盖区内，航向信标能够提供正确的航道指示并且不存在假航向道。（3）分析方法不同。发明专利《一种航向信标航道余隙抖动的障碍物识别方法》采用镜面反射原理对造成航道余隙抖动的障碍物进行识别和定位，而本发明根据航道结构飞行校验“扇摆”曲线，从航道结构“扇摆”曲线中选择两个点，计算得到对应的弯曲长度和障碍物反射信号入射角，根据所选择点的位置和障碍物反射信号入射角绘制圆锥体，距离远的点障碍物入射角较小，绘制的圆锥体张角小，距离近的圆锥体张角大，两个圆锥体在水平面存在两个交点，障碍物位于两个交点其中一处位置，根据机场CAD平面图，排除其中一处交点，另一处即为造成航道结构抖动的障碍物。
航道结构是航向信标飞行校验最重要的科目之一，航向信标航道扇区内障碍物可能导致航道结构飞行校验曲线出现“扇摆”，但就这一情况当前还没有有效、快捷的方法对障碍物进行识别。
因此，如何设计一种航向信标航道结构抖动的障碍物识别方法，以解决上述问题，成为所属技术领域技术人员亟待解决的技术问题。
如图3和图4所示，本发明提供的一种航向信标航道结构抖动的障碍物识别方法，设计科学合理，使用方便，设备运行单位一般技术人员根据航道结构飞行校验：“扇摆”曲线和简单的计算及绘图，就可以识别造成航向信标航道结构抖动的障碍物。
本发明提供的航向信标航道结构抖动的障碍物识别方法，具体包括以下步骤：
步骤1、根据机场CAD平面图、航向信标位置及机场周边障碍物矢量（轮廓和高度信息）建立机场数据库模型；
步骤2、从航道结构飞行校验“扇摆”曲线中选取不同位置处2段弯曲线段，计算得到一个完整弯曲周期对应的弯曲长度L1和L2，并记录下被选取弯曲线段中点与航向信标天线的距离D1和D2。
具体包括：如图5所示，从航道结构飞行校验“扇摆”曲线中选取B1～B2和A1～A2两段弯曲线段，其中B1～B2为1/2弯曲长度，A1～A2为1/4弯曲长度，计算得到一个完整弯曲周期对应的弯曲长度L1和L2，弯曲长度L1=2*（2580-2505）=150m，弯曲长度L2=4*（3860-3680）=720m，B1～B2中点与航向信标天线的距离D1为2540m，A1～A2中点与航向信标天线的距离D2为3770m；
步骤3、根据步骤2计算得到的弯曲长度L1、L2以及障碍物反射信号入射角计算公式，计算得到障碍物反射信号入射角θ1和θ2。航向信标工作频率中间值为110MHz，波长λ=c/f，其中c为电磁波自由空间传播速度，f为航向信标工作频率，计算得到航向信标工作波长约为2.73m。根据公式θ=arccos（1-λ/L）计算障碍物入射角，B1～B2对应的障碍物入射角θ1为10.94°，A1～A2对应的障碍物入射角θ2为4.99°。
步骤4、如图6所示，结合步骤2和步骤3，分别绘制以第1段弯曲线段中点为基准点，入射角为θ1的圆锥体和绘制以第2段弯曲线段中点为基准点，入射角为θ2的圆锥体。其中，B1～B2中点与航向信标天线的距离D1为2540m，障碍物入射角θ1为10.94°；A1～A2中点与航向信标天线的距离D2为3770m，障碍物入射角θ2为4.99°。
步骤5、根据步骤4，入射角θ1对应的圆锥体和入射角为θ2对应的圆锥体相交，在二维模型中，两个交点对称分布在跑道中线延长线两侧。假设障交点位置与航向信标天线纵向距离为x，与跑道中心线横向距离为y。
x的计算方法为：
（D1-x）*tanθ1=（D2-x）*tanθ2，得到x=（D1*tanθ1-D2*tanθ2）/（tanθ1- tanθ2）；
经计算，x=1528m。
y的计算方法为：
y=（D1-x）*tanθ1=（D2-x）*tanθ2
经计算，y=196m。
步骤6、根据步骤5和机场CAD平面图，障碍物位于两个交点其中一处位置，根据机场CAD平面图，排除其中一处交点，另一处即为造成航道结构抖动的障碍物。交点与航向信标天线纵向距离约为1528m，与跑道中心线横向距离约为196m，与实际障碍物的位置（纵向距离1500m，横向距离200m）高度吻合。
本发明航向信标航道结构抖动的障碍物识别方法，与现有技术相比有如下优点：
1、方法合理、科学，易于掌握。对于航道结构飞行校验“扇摆”曲线，设备运行单位一般技术人员仅须根据航道结构飞行校验“扇摆”曲线和简单的计算及绘图，就可以识别造成航向信标航道结构抖动的障碍物。
2、首次提出针对飞行校验中航道结构曲线出现扇摆的情况，航道结构抖动障碍物识别方法。飞行校验中航道结构曲线出现“尖峰”的情况，根据“尖峰”出现的位置，通过镜面反射原理和机场平面CAD图就基本可以确定障碍物的位置，但针对航道结构曲线出现“扇摆”的情况，本发明为首次提出基于该种情况下航道结构抖动障碍物识别方法。
3、效率高，节约成本。飞行校验若出现航道结构抖动剧烈的情况，设备运行单位须在第一时间查明原因，最为常用的方法为通过飞行校验自行查找原因或委托第三方评估机构查找原因，但上述两种方法成本都非常高，且耗费时间，本发明可在航道结构“扇摆”出现的第一时间识别并定位出出引起“扇摆”的障碍物，从而降低成本。
需要说明的是，在本发明权利要求书中所限定的保护范围内，以下实施例均可以从上述具体实施方式中，例如公开的技术原理，公开的技术特征或隐含公开的技术特征等，以合乎逻辑的任何方式进行组合和/或扩展、替换。
实施例1
一种航向信标航道结构抖动的障碍物识别方法，包括以下步骤：
步骤1，根据机场平面图、航向信标位置及机场周边障碍物矢量建立机场数据库模型；
步骤2，从航道结构飞行校验“扇摆”曲线中选取不同位置处两段弯曲线段，计算得到一个完整弯曲周期对应的弯曲长度L1和L2，并记录下被选取弯曲线段中点与航向信标天线的距离D1和D2；
步骤3，根据步骤2计算得到的弯曲长度L1、L2以及障碍物反射信号入射角θ计算公式，计算得到相应障碍物反射信号入射角θ1和θ2；
步骤4，结合步骤2和步骤3，分别绘制以第一段弯曲线段中点为基准点，入射角为θ1的圆锥体和绘制以第二段弯曲线段中点为基准点，入射角为θ2的圆锥体；
步骤5，根据步骤4，入射角θ1对应的圆锥体和入射角为θ2对应的圆锥体相交，在二维模型中，两个交点对称分布在跑道中线延长线两侧；
步骤6，根据步骤5和机场平面图，障碍物位于两个交点其中一处位置，根据机场平面图，排除其中一处交点，另一处即为造成航道结构抖动的障碍物。
实施例2
在实施例1的基础上，在步骤1中，所述机场平面图包括机场CAD平面图。
实施例3
在实施例1的基础上，在步骤1中，所述机场周边障碍物矢量包括轮廓和高度信息。
实施例4
在实施例1的基础上，在步骤2中，在航道结构飞行校验曲线中不同位置处选取的两段弯曲线段包括1/4弯曲长度和1/2弯曲长度，如图5所示。
实施例5
在实施例1的基础上，在步骤3中，在所述计算得到障碍物反射信号入射角θ1和θ2之前，包括步骤：根据航向信标工作频率计算工作波长λ，λ=c/f，其中c为电磁波自由空间传播速度，f为航向信标工作频率。
实施例6
在实施例5的基础上，所述障碍物反射信号入射角θ的计算法方法为：θ=arccos（1-λ/L），其中λ为航向信标工作波长，L为弯曲长度。
实施例7
在实施例6的基础上，在计算得到波长λ之后，再根据步骤2中计算得到的弯曲长度L1和L2，计算得到障碍物反射信号入射角θ1和θ2。
实施例8
在实施例1的基础上，在步骤4和步骤5中，所述圆锥体为三维概念，对于航向信标，可将其简化为二维平面，两个圆锥体在二维平面存在两个对称分布在跑道中线延长线两侧的交点。
实施例9
在实施例1的基础上，在步骤6中，将步骤5中两个圆锥体在二维平面的两个交点与机场平面图进行对比，确定其中一处为造成航道结构抖动的障碍物位置。
实施例10
一种航向信标航道结构抖动的障碍物识别装置，包括处理器和存储器，所述存储器中存储有计算机程序，当计算机程序被所述处理器加载时并执行如实施例1~实施例9任一项所述的方法。
描述于本发明实施例中所涉及到的单元可以通过软件的方式实现，也可以通过硬件的方式来实现，所描述的单元也可以设置在处理器中。其中，这些单元的名称在某种情况下并不构成对该单元本身的限定。
根据本发明实施例的一个方面，提供了一种计算机程序产品或计算机程序，该计算机程序产品或计算机程序包括计算机指令，该计算机指令存储在计算机可读存储介质中。计算机设备的处理器从计算机可读存储介质读取该计算机指令，处理器执行该计算机指令，使得该计算机设备执行上述各种可选实现方式中提供的方法。
作为另一方面，本发明实施例还提供了一种计算机可读介质，该计算机可读介质可以是上述实施例中描述的电子设备中所包含的；也可以是单独存在，而未装配入该电子设备中。上述计算机可读介质承载有一个或者多个程序，当上述一个或者多个程序被一个该电子设备执行时，使得该电子设备实现上述实施例中所述的方法。

Claims (10)

1.一种航向信标航道结构抖动的障碍物识别方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，根据机场平面图、航向信标位置及机场周边障碍物矢量建立机场数据库模型；
步骤2，从航道结构飞行校验“扇摆”曲线中选取不同位置处两段弯曲线段，计算得到一个完整弯曲周期对应的弯曲长度L1和L2，并记录下被选取弯曲线段中点与航向信标天线的距离D1和D2；
步骤3，根据步骤2计算得到的弯曲长度L1、L2以及障碍物反射信号入射角θ计算公式，计算得到相应障碍物反射信号入射角θ1和θ2；
步骤4，结合步骤2和步骤3，分别绘制以第一段弯曲线段中点为基准点，入射角为θ1的圆锥体和绘制以第二段弯曲线段中点为基准点，入射角为θ2的圆锥体；
步骤5，根据步骤4，入射角θ1对应的圆锥体和入射角为θ2对应的圆锥体相交，在二维模型中，两个交点对称分布在跑道中线延长线两侧；
步骤6，根据步骤5和机场平面图，障碍物位于两个交点其中一处位置，根据机场平面图，排除其中一处交点，另一处即为造成航道结构抖动的障碍物。
2.根据权利要求1所述的航向信标航道结构抖动的障碍物识别方法，其特征在于，在步骤1中，所述机场平面图包括机场CAD平面图。
3.根据权利要求1所述的航向信标航道结构抖动的障碍物识别方法，其特征在于，在步骤1中，所述机场周边障碍物矢量包括轮廓和高度信息。
4.根据权利要求1所述的航向信标航道结构抖动的障碍物识别方法，其特征在于，在步骤2中，在航道结构飞行校验曲线中不同位置处选取的两段弯曲线段包括1/4弯曲长度和1/2弯曲长度。
5.根据权利要求1所述的航向信标航道结构抖动的障碍物识别方法，其特征在于，在步骤3中，在所述计算得到障碍物反射信号入射角θ1和θ2之前，包括步骤：根据航向信标工作频率计算工作波长λ，λ=c/f，其中c为电磁波自由空间传播速度，f为航向信标工作频率。
6.根据权利要求5所述的航向信标航道结构抖动的障碍物识别方法，其特征在于，所述障碍物反射信号入射角θ的计算法方法为：θ=arccos（1-λ/L），其中λ为航向信标工作波长，L为弯曲长度。
7.根据权利要求6所述的航向信标航道结构抖动的障碍物识别方法，其特征在于，在计算得到波长λ之后，再根据步骤2中计算得到的弯曲长度L1和L2，计算得到障碍物反射信号入射角θ1和θ2。
8.根据权利要求1所述的航向信标航道结构抖动的障碍物识别方法，其特征在于，在步骤4和步骤5中，所述圆锥体为三维概念，对于航向信标，将其简化为二维平面，两个圆锥体在二维平面存在两个对称分布在跑道中线延长线两侧的交点。
9.根据权利要求1所述的航向信标航道结构抖动的障碍物识别方法，其特征在于，在步骤6中，将步骤5中两个圆锥体在二维平面的两个交点与机场平面图进行对比，确定其中一处为造成航道结构抖动的障碍物位置。
10.一种航向信标航道结构抖动的障碍物识别装置，其特征在于，包括处理器和存储器，所述存储器中存储有计算机程序，当计算机程序被所述处理器加载时并执行如权利要求1~9任一项所述的方法。
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