飞机定点着陆图像监控指挥引导系统的设计与实现
在飞机进近着陆过程中，有效的地面指挥引导可以大幅度的提高飞行试验的安全性及有效性。本文建设了一套飞机定点着陆图像监控指挥引导系统，实现飞机下滑全过程的测试与监控，解算飞机偏离理想下滑道的偏移量，提供飞机的图像信息和下滑状态的理想性判定。飞行验证表明该系统可为飞行指挥官提供实时判据进行飞行纠偏及指挥决策，保证试飞安全、有效进行。
【关键词】着陆 图像 监控 下滑道 偏移量
1 引言
飞机着陆过程是完成一次完整飞行必须经历的阶段。飞机着陆自主性和安全性要求的不断提高，尤其是定点着陆对传统的着陆指挥引导监控技术提出了挑战。目前，常用的飞机着陆引导系统主要有着陆雷达引导系统、微波着陆系统、卫星导航系统、目视着陆灯光引导系统等，这些系统均可在计算出飞机着陆过程中精确的空间位置后，为飞行员提供精确的进场着陆方位、下滑道等引导信息，从而引导飞机安全着陆。
然而，对于飞机是否能有效按照上述系统进行着陆却缺乏有效的检验手段。为此，本文给出了一种能够有效进行飞机定点着陆的图像监控指挥引导方案，在飞机定点着陆过程中，以真实飞行环境下实时、直观的图像监控技术来实现飞机下滑全过程的测试监控，，解算飞机偏离理想下滑道的偏移量，提供飞机的图像信息和下滑状态的理想性判定，为飞行试验提供定性和定量的实时监控和参数信息。
2 监控指挥引导系统结构
根据某型飞机的鉴定需求，本文特建设了一套飞机定点着陆图像监控指挥引导系统，监控、记录白天飞机沿下滑道的进近着陆过程，通过信息处理后生成代表飞机理想下滑道的十字线，以直观的图像显示飞机对准下滑道的情况，对飞机的进近着陆视频信息进行记录及回放。通过实时解算飞机偏离理想下滑道的偏移量，判定飞机着陆状态的理想性，为飞行指挥官提供实时判断依据进行飞行纠偏及指挥决策，保证试飞任务的安全、顺利进行。
2.1 系统组成及功能
整个系统主要由前后中线监控设备单元、智能视频处理单元、数据传输单元、视频图像存储及显示单元、监控指挥引导软件等组成。
（1）前/后中线监控设备单元：包括中线电视监视摄像机、摄像机防护装置、控制机箱、电源通讯控制模块等部分。可实现中线电视监视摄像机的电源和光学系统工作控制，根据具体飞机要求设置光轴与地平面的夹角，提供飞机进近着陆过程图像。
（2）智能视频处理单元：完成系统的监控配置，通过跟踪运动飞机，提取飞机的图像坐标，获得目标相对于视场中心的方位角和俯仰角偏差，从而计算出代表理想下滑道的十字线在图像中坐标位置；同时在视频图像上叠加与着陆过程有关的信息。
（3）数据传输单元：主要由光端机、光收发器、视频采集编码器等设备组成，以光纤技术为处理手段，进行数据的汇聚、传递、控制指令的发布等。
（4）视频图像存储及显示单元：主要由网络视频服务终端、网络交换机、视频显示终端等组成，实现监控视频图像的记录、存储、检索、回放等，完成视频格式的压缩，并通过网络传输。
2.2 系统工作流程
两台中线监视摄像机采用一主一备方式工作，正常工作时，前中线摄像机工作，后中线摄像机作为冗余备份。当前中线摄像机出现故障或其输出图像模糊时，则切换至后中线摄像机。通过监控指挥引导软件设定中线摄像机光学系统的控制指令和参数（如摄像机切换指令、摄像机加电指令等），光轴与地平面的夹角根据具体要求进行设置，并通过光端机传送至前端摄像机，完成对光学系统的控制。
中线监视摄像机输出的视频信号经光端机传送至智能视频处理单元，通过跟踪飞机运动轨迹计算出代表理想下滑道的十字线在图像中的坐标，获得目标飞机相对于理想下滑道的偏差，经图像处理及视频合成，叠加上指示理想下滑道的十字线及其它显示信息，形成辅助着陆监视视频信号。该信号一路在监视器上实时显示，另一路送至网络视频服务终端进行数字化处理及数据压缩，随后在管理计算机的硬盘上进行存储，以备回放或检索。网络视频服务终端还可以组播的方式提供视频图像，其它监控部位可以通过组地址接收MPEG4格式的视频图像。
3 关键技术
3.1 时空统一
时空统一是测量、解算与监控的关键，主要包括：时间统一及空间统一。
（1）时间统一：系统机构为分布式测试系统，采用高精度GPS时码发生器产生的IRIG-B码达到时间基准的统一；而后通过外推算法进行采样异步与时延修正，进行时间的准确同步。
（2）空间统一：核心任务是尽量消除系统误差、测量噪声及模型转换误差，保证精确目标位置数据的获取。系统利用全站仪、大地型GPS等进行设备标校，所有设备测量值统一到监控摄像机坐标系内，通过标校点获得设备配准的系统误差，然后利用外推算法进行动态跟踪配准。
3.2 图像自动跟踪
本文采用基于连续自适应平均值迁移CAMSHIFT算法，基于连续图像颜色动态变化的概率分布获得有效的目标跟踪。它利用目标的颜色特征在视频图像中找到运动目标所在的位置和大小，在下一帧视频图像中，用运动目标当前的位置和大小初始化搜索窗口，重复此过程就可以实现对目标的连续跟踪。当追踪有色目标时，从图像的颜色柱状图获得颜色概率分布。当目标随时间运动时，图像的色彩概率分布也会随着变化，因此可以根据图像色彩的概率分布来进行目标追踪。
3.3 飞行目标状态估计
由于环境、设备布局及被测目标特性等因素的影响，系统在飞行目标跟踪过程中难免会产生异值，且异值多成串出现。在进行目标跟踪设计的过程中，目标运动模型的选择将直接关系到滤波性能的好坏。实际计算中由于缺乏对被跟踪目标运动模型的先验知识，导致滤波性能受到制约。针对这种目标的运动模型未知且随时间做变化情况，只采用一种模型显然是不切实际的，因此需要对目标的运动轨迹进行多模型匹配，再对所有模型的滤波输出进行融合，最终得到该目标的估计位置。交互式多模型（Interacting Multiple Model）方法是已知最好的单次扫描状态估计器，它假定有有限多个目标模型存在，每个模型对应不同的机动输入。在采用滤波算法计算出各模型为正确时的后验概率之后，再通过其状态估计加权求和来给出最终的目标状态估计。
4 实际应用
本课题的研究成果已经应用于飞行试验多种型号的飞行任务中，在飞行员培训等科目中起到了关键的作用。图1为图像监控指挥引导系统终端显示画面，飞机沿理想下滑道降落时应始终处于图中红色方框所示区域内。图2为对含有多连续异常点的飞机高度数据的处理结果。
5 结束语
在飞机进近着陆过程中，有效的地面指挥引导可以大幅度的提高飞行试验的安全性及有效性。飞机定点着陆图像监控指挥引导系统的建设经过实际飞行验证，表明该系统可为飞行指挥官提供实时判据进行飞行纠偏及指挥决策，保证试飞任务的安全有效进行，提高飞行效率，节省飞行架次，有广泛的应用前景。
参考文献
[1]刘水，张鹏明，王思臣.无线电着陆引导系统的发展现状[J].电子科学，2009，14（011）.
[2]张九宾，张丕状，杜坤坤.无线分布式测试系统时间统一技术的研究[J].核电子学与探测技术，2010，3，3（30）.
[3]刘利生.外测数据事后处理[M].北京：国防工业出版社，2000.
作者简介
冯巧宁（1982-），陕西省西安市人。硕士学位。现为中国飞行试验研究院工程师。研究方向为飞行试验光电测试、图像处理。
吴立巍（1984-），河北省唐山市人。硕士学位。现为中国飞行试验研究院工程师。研究方向为飞行试验结构强度试验。
作者单位
中国飞行试验研究院 陕西省西安市 710089
