TWI579811B - 飛機著陸導引系統及方法 - Google Patents

Description

飛機著陸導引系統及方法

一種著陸導引系統及方法，特別是關於一種可使飛機在低能見度狀況下安全降落的飛機著陸導引系統及方法。

現今對空中運輸的需求日益殷切，以飛行載具載運人或貨物跨越國際界線的運輸模式已非常普遍。然而，此等飛行載具常飛行於離地數萬英呎之空域，再加以控制飛行載具之儀器設備的高度複雜性，以及各種不同的天候狀況等諸多因素，令此等飛行載具若發生危安狀況時，其所造成之生命財產損失往往相當龐大。

上述飛行載具之危安狀況，常發生於低能見度狀況下欲進行降落著陸。據此，各式著陸導引系統被發展出來。所述著陸導引系統，其目的就是使駕駛員可藉由飛機上導航儀表的指示或是地面無線電設備(如雷達、無線電定向台等)的導引，使飛機在各種複雜的天候狀況下，能安全並準確地進入跑道降落。

因應各種天候狀況，機場盲降共分為三個等級：I類 要求跑道能見度高於800米；II類要求跑道能見度不得低於350米；III類則要求跑道能見度不得低於210米。目前主要的兩種著陸導引系統為儀器著陸系統ILS(Instrument Landing System)及微波著陸系統MLS(Microwave Landing System)。

ILS是現今國際民航組織ICAO確認的標準著陸系統，全世界至少有幾千個軍用和民用機場都裝備了此系統。ILS的功能主要在為進場著陸的飛機提供一條固定的下滑路徑和最小的航道偏差，同時顯示2至3個距離檢查點，以保證飛機安全著陸。

MLS的功能則主要在為進場著陸的飛機提供靈活多樣的進場引導、拉平引導和復飛引導，並配合精密測距系統(DME/P)，以滿足III類著陸的要求，保證飛機安全著陸。

上述兩種著陸導引系統提供了飛機在低能見度狀況下著陸的解決之道，但仍存在有改善空間。

對現行之ILS而言，仍具有下列缺失：(a)單獨的ILS在指示精度上尚不足以達到III類精密進場著陸的要求；(b)ILS所使用之無線頻道較少(目前標準為40個)，無法滿足未來因航空流量的增加，而至飛機跑道數量大量增加的需求，此將影響飛機起降的時間；(c)ILS天線覆蓋面波束易受其他穿越飛機的瞬間干擾；(d)進場扇形覆蓋面較窄，僅能沿中心線進場，造成飛機駕 駛員判斷難度大，機動性能差；(e)頻率在米波波段相當擁擠，易受鄰近電台干擾，對指示精度有影響；以及(f)對機場周圍地形地貌要求較嚴，易受天候條件如雪的反射的影響。

由上述所列，可知現行的ILS已逐漸無法滿足現代航空業的要求。另外，雖然國際上已經研發出了較先進的微波著陸系統MLS以解決ILS的問題，但其設置成本過於高昂，對於規模較小的機場實是一沉重負擔，也導致MLS一直無法普及。

面對ILS與MLS的諸多缺失，實有必要儘快研發新一代的著陸導引系統，此系統期能在無需對現有的ILS進行較大調整的前提下，以較低的成本提供相當或優於現行ILS或MLS的效能，使飛機能在極端的天候狀況下能安全著陸。

本發明係提供一種可使飛機安全降落的飛機著陸導引系統及方法。有別於習知將多個標誌或發光信息間隔設置於跑道上的著陸導引方式，本發明於跑道上設置一紅外雷射光源，此紅外雷射光源可沿一最佳著陸路線發射高指向性、低發散角、具特定波段及具特定偏振之紅外雷射光束，此紅外雷射光束透過光學圖像產生裝置後，於空間中產生具定向輻射的光學圖像，並投射往最佳著陸路線的 方向。光學圖像的形狀及大小提供了可使飛機安全降落所需的三維方位信息。透過設置於飛機上的紅外光偵測系統及圖像辨識分析系統，可偵測、辨識及分析光學圖像中的三維方位信息，並輸出回饋信息至飛機之自動駕駛裝置或駕駛員，藉以使飛機能安全降落。本發明之飛機著陸導引系統及方法尤其適用於天候狀況惡劣的低能見度狀況下。

本發明之一目的在提供一種飛機著陸導引系統，係用於導引一飛機安全降落於一跑道，飛機著陸導引系統包含一紅外雷射光源、一光學圖像產生裝置、一紅外光偵測系統以及一圖像辨識分析系統。紅外雷射光源朝一最佳著陸路線發射具有一特定波段、一低發散角及一特定偏振之一紅外雷射光束，最佳著陸路線與跑道間並形成一夾角。紅外雷射光束通過光學圖像產生裝置後，於空間中產生具有定向輻射的一光學圖像，光學圖像並被投射往最佳著陸路線的方向。紅外光偵測系統配置於飛機上，用以偵測光學圖像。圖像辨識分析系統配置於飛機上，用以辨識及分析光學圖像，並輸出一回饋信息用以導引飛機安全著陸。

在一實施例中，上述飛機著陸導引系統可用於導引一飛機於低能見度狀況下安全降落於一跑道。光學圖像係用以提供飛機著陸所需之三維方位信息。此三維方位信息至少包含上下方位信息、左右方位信息及飛機相距一著陸點的距離。另外，上述回饋信息亦可包含飛機相對於跑道之速度等信息。

跑道可包含一著陸點，紅外雷射光源可設置於著陸 點附近，具特定偏振的紅外雷射光束朝最佳著陸路線方向發射。紅外雷射光束之波段範圍可在3~5μm或8~12μm中選擇一具較高穿透率的波段。

另外，飛機沿最佳著陸路線降落於跑道時，光學圖像可提供飛機與最佳著陸路線之相對位置的信息以及飛機與跑道的距離的信息。

透過紅外光偵測系統可偵測如上述的紅外雷射光束之波段，並可解析紅外雷射光束在通過光學圖像產生裝置後所形成的光學圖像於一二維平面與一時間軸上的變化。

在一實施例中，所述的飛機著陸導引系統更可包含一可見光雷射光源，其發射一可見光雷射光束以調整校準紅外雷射光束之發射方向。上述可見光雷射可在好的能見度狀況下，對紅外雷射光束進行調整校準，以使紅外雷射光束於低能見度狀況下能朝最佳著陸路線方向準確發射。

本發明另一目的在提供一種飛機著陸導引方法，係用於導引一飛機安全降落於一跑道，飛機著陸導引方法包含：以一全球衛星定位系統(GPS)將飛機導引至跑道上方附近；透過一設置於跑道之一紅外雷射光源朝一光學圖像產生裝置發射一具一特定波段、一低發散角及一特定偏振之紅外雷射光束；令紅外雷射光束通過光學圖像產生裝置後，沿一最佳著陸路線產生一包含方位及距離信息的光學圖像；透過設置於飛機上之一紅外光偵測系統偵測光學圖像；透過設置於飛機上之一圖像辨識分析系統辨識並分析 光學圖像包含之信息後，輸出一回饋信息；以及根據回饋信息調整飛機的飛行方向至最佳著陸路線。

在一實施例中，上述飛機著陸導引方法可用於導引一飛機於低能見度狀況下安全降落於跑道。此外，上述紅外雷射光束的發射方向可於好的能見度狀況下，透過一可見光雷射光源發射之一可見光雷射光束調整校準，以使紅外雷射光束於低能見度狀況下能朝最佳著陸路線方向準確發射。另外，飛機之駕駛員可配戴與紅外雷射光束之偏振正交之一護目鏡，以保護駕駛員的眼睛不受紅外雷射光的傷害。上述回饋信息可包含飛機與跑道的相對位置、飛機與跑道的距離以及飛機相對於跑道之速度等信息。

100‧‧‧飛機著陸導引系統

101‧‧‧紅外雷射光源

101a‧‧‧紅外雷射光束

102‧‧‧光學圖像產生裝置

103‧‧‧光學圖像

104‧‧‧紅外光偵測系統

105‧‧‧圖像辨識分析系統

R‧‧‧跑道

106‧‧‧半透明分光鏡

107‧‧‧可見光雷射光源

107a‧‧‧可見光雷射光束

S‧‧‧著陸點

P‧‧‧最佳著陸路線

A‧‧‧飛機

θ‧‧‧夾角

S201~S206‧‧‧步驟

第1圖繪示依據本發明一實施例之飛機著陸導引系統架構圖。

第2圖繪示依據本發明第1圖之飛機著陸導引系統另一實施例架構圖。

第3圖繪示依據本發明一實施例之飛機著陸導引方法流程圖。

請參照第1圖，第1圖繪示依據本發明一實施例之飛機著陸導引系統100架構圖。

當飛機A欲於低能見度狀況下降落於跑道R時，可透過飛機著陸導引系統100的導引安全降落。

飛機著陸導引系統100包含一紅外雷射光源101、一光學圖像產生裝置102、一紅外光偵測系統104以及一圖像辨識分析系統105。

最佳著陸路線P與跑道R的夾角為θ。紅外雷射光源101可設置跑道R上的著陸點S附近，並沿最佳著陸路線P發射一具有高指向性、低發散角度、特定波段及特定偏振的紅外雷射光束101a。紅外雷射光束101a通過光學圖像產生裝置102後，於空間中產生具有定向輻射的光學圖像103。光學圖像103沿著最佳著陸路線P方向投射。光學圖像103被設置於飛機A上之紅外光偵測系統104偵測，並被設置於飛機A上之圖像辨識分析系統105辨識及分析後，輸出一回饋信息至飛機A上之駕駛員或自動駕駛裝置，使飛機A可即時調整飛行方向至最佳著陸路線P。

紅外雷射光束101a的波段，可選擇3~5μm的中紅外波段或是8~12μm的遠紅外波段中穿透率較高的波段。紅外雷射光束101a並具有特定的偏振。在5μm及10μm波段附近的紅外線在空氣中的穿透率高，且傳播距離遠，相當適合作為飛機A著陸導引的光源。先前技術中，雖亦有提出以紅外線波段的LED作為飛機A著陸導引的光源；然而，LED波段為近紅外線，所以穿透率較差。並且，LED為高發散角的光源，絕大部分的光線都發散到與著陸導引無關的方向，此使得以LED為著陸導引光源的方式受到侷 限。本發明中，使用了具有高指向性、低發散角度的中紅外波段或遠紅外波段的紅外雷射光束101a，因而可令紅外雷射光束101a準確地朝向導航方向發射，並能抑制光線的發散角度，可提供較LED光源更大的工作範圍及更好的能源使用效率。

光學圖像103包含飛機A著陸所需之三維方位信息。三維方位信息至少包含上下方位信息、左右方位信息及飛機A相距著陸點S的距離。

二維的紅外光偵測系統104可偵測具有上述波段的紅外雷射光束101a，並可解析紅外雷射光束101a在通過光學圖像產生裝置102後，所形成的光學圖像103於一二維平面與一時間軸上的變化。光學圖像103的形狀及大小的變化，即包含有飛機A與最佳著陸路線P之相對位置、飛機A與跑道R的距離以及飛機A相對於跑道R的速度等著陸必須之信息。

目前在市場上，已有中紅外波段約5μm及遠紅外波段約10μm的不同規格的商用紅外雷射光源101可供選擇。而上述波段對應的紅外光偵測系統104亦可在市場上取得。藉此，本發明整合上述已可取得之各式相關儀器設備，使本發明的飛機著陸導引系統100具有成本低廉、易於使用及維護容易等優勢。

請參照第2圖，第2圖繪示依據本發明第1圖之飛機著陸導引系統100另一實施例架構圖。第2圖中，一半透明分光鏡106設置於紅外雷射光源101和光學圖像產生 裝置102之間。一可見光雷射光源107發射一可見光雷射光束107a至半透明分光鏡106後，可於能見度好的狀況下，對由紅外雷射光源101發射的紅外雷射光束101a進行調整校準，使紅外雷射光束101a於低能見度狀況下可更準確地沿最佳著陸路線P發射。可見光雷射光束107a的波長可選擇靠近紅外線波段的紅光波段，可得到最佳效果。

請參照第3圖，第3圖繪示依據本發明一實施例之飛機著陸導引方法流程圖。應用上述實施例提及之飛機著陸導引系統100，本發明提供的飛機著陸導引方法如下：

步驟S201，以一全球衛星定位系統(GPS)將飛機A導引至跑道R上方附近。

步驟S202，透過一設置於跑道R上最佳著陸點S附近之紅外雷射光源101朝一光學圖像產生裝置102發射一具一特定波段、一低發散角及特定偏振之紅外雷射光束101a。

步驟S203，令紅外雷射光束101a沿一最佳著陸路線P通過光學圖像產生裝置102後，產生一包含方位及距離信息的光學圖像103。

步驟S204，透過設置於飛機A上之一紅外光偵測系統104偵測光學圖像103。

步驟S205，透過設置於飛機A上之一圖像辨識分析系統105辨識並分析光學圖像103包含之信息後，輸出一回饋信息。

步驟S206，飛機A根據回饋信息調整飛機A的飛 行方向至最佳著陸路線P。

上述光學圖像103所提供飛機A著陸所需之三維方位信息之內容以及圖像辨識分析系統105辨識並分析光學圖像103後輸出之回饋信息之內容已於前述實施例提及，不再贅述。

上述當飛機A上的駕駛員佩戴與紅外雷射光束101a之偏振正交的偏振護目鏡，可保護駕駛員的眼睛不受紅外雷射光的傷害。

上述之著陸導引方法中，如同前述實施例，可藉由一可見光雷射光源107於好的能見度狀況下，發射一可見光雷射光束107a，以便對紅外雷射光束101a進行調整校準，使紅外雷射光束101a於低能見度狀況下可更準確地沿最佳著陸路線P發射。另外，對紅外雷射光束101a的波段選擇亦已於前述實施例提及，不再贅述。

綜合上述，本發明提供的飛機著陸導引系統及方法具有下列特點：

(a)使用了高指向性、低發散角度及具特定偏振的紅外雷射光源。紅外雷射光束的波段並選擇高穿透性的中、遠紅外波段。藉此，僅針對特定的方向發射著陸導引信息，可涵蓋較大的飛行區間，並可讓著陸導引信息的傳遞不受到外界環境的干擾以及增加能源使用效率。

(b)利用透過光學圖像產生裝置產生光學圖像的方式，僅需解析光學圖像包含的信息，可大幅簡化設備的複雜程度，具有成本低、設置及養護容易的優勢。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧飛機著陸導引系統

101‧‧‧紅外雷射光源

101a‧‧‧紅外雷射光束

102‧‧‧光學圖像產生裝置

103‧‧‧光學圖像

104‧‧‧紅外光偵測系統

105‧‧‧圖像辨識分析系統

S‧‧‧著陸點

P‧‧‧最佳著陸路線

A‧‧‧飛機

θ‧‧‧夾角

R‧‧‧跑道

Claims (13)

1. 一種飛機著陸導引系統，係用於導引一飛機安全降落於一跑道，該飛機著陸導引系統包含：一紅外雷射光源，其朝一最佳著陸路線發射具有一特定波段、一低發散角及一特定偏振之一紅外雷射光束，其中該最佳著陸路線與該跑道間形成一夾角；一光學圖像產生裝置，其中該紅外雷射光束通過該光學圖像產生裝置後，於一空間中產生具有定向輻射的一光學圖像，該光學圖像並被投射往該最佳著陸路線之方向，用以提供該飛機著陸所需之三維方位信息；一紅外光偵測系統，其配置於該飛機上，用以偵測該光學圖像，並解析該光學圖像於該空間與一時間軸上的形狀大小變化；以及一圖像辨識分析系統，其配置於該飛機上，用以辨識及分析該光學圖像，並藉由該光學圖像的形狀變化，取得該飛機與該最佳著陸路線之相對位置；藉由該光學圖像的大小變化，取得該飛機與該跑道的該距離；以及透過該光學圖像隨該時間軸之變化，取得該飛機相對於跑道之速度，並依據前述取得之各項資料輸出一回饋信息用以導引該飛機安全著陸；其中該回饋信息包含該飛機與該跑道的相對位置、該飛機與該跑道的距離以及該飛機相對於該跑道之速度。
2. 如請求項1所述的飛機著陸導引系統，其中導引該飛機安全降落於該跑道係於低能見度狀況下為之。
3. 如請求項1所述的飛機著陸導引系統，其中該跑道包含一著陸點，該紅外雷射光源設置於該跑道上之該著陸點附近，以便使該紅外雷射光束朝該最佳著陸路線的方向發射。
4. 如請求項1所述的飛機著陸導引系統，其中該三維方位信息至少包含一上下方位信息、一左右方位信息及該飛機相距該著陸點的一距離。
5. 如請求項1所述的飛機著陸導引系統，其中該紅外雷射光束之該波段範圍在3~5μm。
6. 如請求項1所述的飛機著陸導引系統，其中該紅外雷射光束之該波段範圍在8~12μm。
7. 如請求項5所述的飛機著陸導引系統，其中透過該紅外光偵測系統可偵測該紅外雷射光束之該波段。
8. 如請求項6所述的飛機著陸導引系統，其中透過該紅外光偵測系統可偵測該紅外雷射光束之該波段。
9. 如請求項1所述的飛機著陸導引系統，更包含：一可見光雷射光源及設置於該紅外雷射光源和該光學圖像產生裝置之間之一半透明分光鏡，該可見光雷射光源於 好的能見度狀況下朝該半透明分光鏡發射一可見光雷射光束，該可見光雷射光束為該半透明分光鏡反射後沿該最佳著陸路線方向發射以預先調整校準該紅外雷射光束發射方向。
10. 一種飛機著陸導引方法，係用於導引一飛機安全降落於一跑道，該飛機著陸導引方法包含：以一全球衛星定位系統(GPS)將該飛機導引至該跑道上方附近；透過一設置於該跑道之一紅外雷射光源朝一光學圖像產生裝置發射一具一特定波段、一低發散角及一特定偏振之紅外雷射光束；令該紅外雷射光束通過該光學圖像產生裝置後，沿一最佳著陸路線產生位於一空間之一光學圖像；透過設置於該飛機上之一紅外光偵測系統偵測該光學圖像，並解析該光學圖像於該空間與一時間軸上的形狀大小變化；透過設置於該飛機上之一圖像辨識分析系統分析該光學圖像的形狀變化，以取得該飛機與該最佳著陸路線之相對位置；分析該光學圖像的大小變化，以取得該飛機與該跑道的該距離；以及分析該光學圖像隨該時間軸之變化，以取得該飛機相對於跑道之速度，並依據前述資料輸出一回饋信息；以及根據該回饋信息調整該飛機的飛行方向至該最佳著陸路線，其中該回饋信息包含該飛機與該跑道的相對位置、該飛機與該跑道的距離以及該飛機相對於該跑道之速度。
11. 如請求項10所述之飛機著陸導引方法，其中導引該飛機安全降落於該跑道係於一低能見度狀況下為之。
12. 如請求項10所述之飛機著陸導引方法，其中於好的能見度狀況下，透過一可見光雷射光源朝一半透明分光鏡發射一可見光雷射光束，令該可見光雷射光束為該半透明分光鏡反射後沿該最佳著陸路線方向發射，以便預先調整校準該紅外雷射光束發射方向。
13. 如請求項10所述之飛機著陸導引方法，其中該飛機之一駕駛員配戴與該紅外雷射光束之偏振正交之一護目鏡。