基于北斗与5G的机场飞行区活动目标监视系统设计.pdf

2023 年 28 期众创空间科技创新与应用Technology Innovation and Application基于北斗与 5G 的机场飞行区活动目标监视系统设计蔡玺博1，杨杰2*，马雪3，赵雨寒1，胡东1，胡嘉娟1（1.中国民航大学，天津 300000；2.北京蓝天航空科技股份有限公司，天津 300000；3.中国国际航空公司运行控制中心，北京 100621）民用机场是航空运输的重要基础设施，作为民用航空运输系统的一个组成部分，其是飞机安全起飞和降落的最重要前提，也是飞机安全运行的基础。据统计，起飞和降落阶段只占总飞行时间的 4%，但这一阶段的事故率占比超过 50%。因此，确保机场的运行安全和控制机场飞行区移动目标对于确保飞机、车辆和机场人员的运行安全和效率至关重要1-2。机场飞行区活动目标定位和跟踪，是实施机场飞行区车辆和人员管控的基础。针对当前机场场面目标跟踪容易受遮挡、背景干扰等因素影响的问题，杨临风等3提出基于滤波器自适应更新的机场目标跟踪算法，结果表明在目标特征不明显或正在发生变化时具有更好的性能，在目标遮挡和背景干扰等 9 种因素下的跟踪性能有较大提升。闫坤4提出基于 YOLO v5 算法结合注意力机制的机场监控视频处理，有效提高了目标检测准确率。然而，在暴雨、大雾等低能见度的恶劣气象条件下，传统的监视方式存在跟踪精度不足或者目标丢失等问题。5G 通信与“北斗+”技术结合的方式，能提高对目标载体的定位精度，降低通信时延，从而避免潜在的不安全事件，降低机场事故的发生率，提高机场运行效率和安全水平。运输机场运行安全管理规定 等文件规定了机场飞行区活动目标安全运行的基准，从中提取不同场景中飞行区活动目标之间的安全间隔要求，建立潜在冲突预警与解脱模型，提高机场安全防范能力。综上，本文设计了基于北斗与 5G 的飞行区活动目标监视方案，构建了特定场景下的机场飞行区活动目标冲突预警和解脱模型，提高场面活动目标透明度，基金项目：中国民航大学创新创业项目（202210059030）*通信作者：杨杰（1996-），男，助理工程师。研究方向为空中交通管理。摘要：为降低机场飞行区活动目标之间碰撞冲突等不安全事件发生概率，减少重大安全隐患和事故，提高机场飞行区的运行效率和安全水平。该文基于北斗与 5G 等自主可控技术，提出基于北斗与 5G 的联合定位来提升机场活动目标定位精度，弥补北斗定位在机场复杂环境下的定位盲点问题。总结归纳机场运行管理规定，建立机场跑道/滑行道告警规则、航空器安全距离告警规则和航空器与机场活动目标规则，设计冲突预警、检测和解脱方法，有助于飞行区安全管理从被动应对向主动防范转变。关键词：北斗定位；目标监视；机场告警规则；冲突检测；5G中图分类号院V351.3文献标志码院A文章编号院2095-2945渊2023冤28-00源源-0源Abstract:In order to reduce the probability of unsafe events such as collision and conflict between active objects in theairport flight zone,reduce major safety hazards and accidents,and improve the operational efficiency and safety level of the airportflight zone,based on Beidou and 5G and other controllable technologies,this paper proposes a joint positioning based on Beidouand 5G to improve the positioning accuracy of airport moving targets and to make up for the blind spot problem of BeidouNavigation Positioning System in the complex airport environment.The airport operation management regulations are summarized,the airport runway/taxiway warning rules,aircraft safety distance warning rules and aircraft and airport activity target rules areestablished,and the methods of conflict early warning,detection and relief are designed.This design is helpful to change thesafety management of flight area from passive response to active prevention.Keywords:Beidou Navigation Positioning System;target surveillance;airport alarm rules;conflict detection;5GDOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.28.01144-众创空间科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 28 期增强可控性，增强机场活动区安全防范能力。1系统架构介绍机场飞行区活动目标监视系统设计框图如图 1所示，主要由 4 部分组成。北斗定位模块和 5G 定位模块提供目标位置信息。数据融合模块对 2 个定位模块的数据采用无迹卡尔曼滤波处理并融合，获得高精度的机场活动区目标位置信息。机场运行告警模型基于运输机场运行安全管理规定 等民航规章，提取机场安全运行要求，建立机场冲突预警模型和冲突解脱模型。图 1机场飞行区活动目标监视系统架构图2位置数据融合模块5G 和北斗定位系统均具有定位功能，但当目标处于机场隐蔽区或者限制区时，北斗定位系统会因信号遮蔽等原因而存在盲点，不能持续定位跟踪活动目标。5G 定位基于基站信号局部定位的方式，能很好地解决和弥补北斗定位系统的不足。基于 5G 高频传输的能力，有助于定位数据在设备端与控制端的快速传输和交互，若机场飞行区车辆和行人配置相关数据接收和显示设备，即可基于 5G 信号，实时获取周围目标移动状态，提高态势感知和理解能力。当北斗定位模块和 5G 定位模块均能定位到车辆或行人目标时，直接的数据融合过程如图 2 所示。首先进行时空对准，将北斗数据和 5G 数据转换到某一公共坐标系下，并通过外推和内插的方式，在时间上对齐目标位置信息。之后采用无迹卡尔曼滤波算法，对定位信息进行滤波处理，降低数据中的固有噪声，持续更新目标的当前位置信息，并递推预测目标未来位置信息。最后采用简单凸组合航迹融合算法5融合 5G 和北斗的定位信息，进一步提高对飞行区车辆当前位置的定位精度和未来位置预测精度，作为机场运行告警模块的输入。2.1时空对准作为 2 个独立的定位系统，北斗与 5G 在获取目标信息时，会以不同的相对坐标系和时钟标定目标信息，导致目标定位信息在时间和空间上并不同步，需先进行空间对准和时间对准。北斗作为我国自主研发的全球卫星定位系统，其目标位置信息描述是基于北斗坐标系。北斗坐标系的地球椭圆信息与 CGC2000 坐标系相同，以地球质心为原点。5G 定位采用的坐标系大多为基于基站的局部三维坐标系。目标定位信息通过坐标转换到以机场某点为参考的统一坐标系下，从而实现空间对准北斗卫星和 5G 的定位数据更新频率存在差异，即每分钟对目标实施的定位次数不同，最终会导致目标信息在时间坐标系上的差异，一般通过插值和外推的方法实现时间坐标系中的统一。本文采用三次样条插值6来北斗定位时间和 5G 定位时间的外推和对准。图 2北斗定位和 5G 定位数据融合示意图2.2滤波处理机场飞行区中，车辆依照各自的任务在特定的路线上驾驶，本身有比较规则的运动规律。但对于 5G 定位和北斗定位系统，车辆运动状态方程是未知参数，需要根据目标机动模型，结合无迹卡尔曼滤波算法，在目标信息的更新迭代中，逐步完善和建立目标状态方程。本文采用“当前”统计模型对车辆运动状态进行建模和估计。“当前”统计模型假设当车辆以一定加速度机动时，下一时刻的加速度取值应在有限范围内变化，且取值范围应该在当前加速度的邻域内。在非突发情况下，机场飞行区中活动的车辆运行状态和变化趋势比较稳定连续，符合“当前”统计模型的假设。令a（k）表示当前时刻的加速度，依据“当前”统计模型建立的飞行区车辆状态方程如式（1）和式（2）。北斗定位数据5G 定位数据时空对准无迹卡尔曼滤波处理轨迹融合机场运行告警系统冲突解脱冲突预警机场运行告警模型5G 定位模块数据融合模块北斗定位模块场面态势显示模块45-2023 年 28 期众创空间科技创新与应用Technology Innovation and Application0000000022000c111()01(1)0011()201(1)0(1)11TTTTTTTeTekkeTeTeTa kw keaaaaaaaaaaaaa xx()()kz kh x kv。（1）。（2）设经过时空对准后，北斗定位模块或 5G 定位模块提供的目标信息为 z（k+1）=（xk+1，yk+1），基于式（1）和式（2）描述的车辆运动状态，基于无迹卡尔曼滤波的北斗或 5G 模块数据处理步骤组成：1）确定采样策略，对称采样策略的 sigma 采样点及其权值计算如下。式中：资 为可设参数。2）根据 k-1 时刻的估计值x赞k-1、协方差 Pk-1和采样策略，计算得 sigma 点集 孜、状态预测值x赞k/k-1和预测状态协方差 Pk/k-1，（4）式中：Wm(j)为各 sigma 点的权值。3）根据状态预测值x赞k/k-1、预测状态协方差 Pk/k-1和选定的采样方式，得到新的 sigma 点集 孜+，计算得传递后的量测为。（7）计算量测预测值Z赞k/k-1、量测协方差Pzz，k和互协方差Pxz，k4）得到北斗定位模块或 5G 定位模块的目标位置信息 z（k+1）后，计算滤波增益 Kk、状态估计值x赞k/k-1和 Pk，（11），（12）。（13）根据式（3）式（13）即可实现利用 5G 定位信息或北斗信息对飞行区车辆的稳定跟踪，持续更新其位置信息。令 k忆=k+t，重复利用式（4）和式（5），即可计算在当前运动趋势下 t 时刻后车辆的位置信息，实现对车辆位置的短期预测。2.3轨迹融合本文采用局部航迹融合结构处理得到的北斗定位车辆位置点和 5G 定位车辆位置点，如图 3 所示，该融合结构使用便捷，不考虑信息相关的问题，计算量小，是常用的轨迹融合方法。在融合过程中，局部航迹融合结构不考虑 k-1 时刻北斗定位车辆轨迹点和 5G 定位车辆轨迹点对当前时刻 k 轨迹点融合的影响，直接将k 时刻北斗定位车辆轨迹点和 5G 定位车辆轨迹点融合形成融合轨迹。图 3轨迹融合结构对于 k 时刻的北斗定位车辆轨迹点和 5G 定位车辆轨迹点信息，本文采用简单凸组合轨迹点融合方法。简单凸组合轨迹点融合方法是一种适用性极强的算法，其计算过程比较简易、实操性较高，且要求不同传感器对于同一个目标的轨迹估计误差之间是相互独立的。对于 5G 定位和北斗定位系统，在获取目标信息过程中，是 2 个独立的过程，不存在依赖性，可认为是对车辆的探测误差是互相独立的，符合简单凸组合轨迹点融合方法使用要求。设经无迹卡尔曼滤波算法处理后，北斗定位模块和 5G 定位模块在 k 时刻对同一车辆的状态估计分别为和，对应协方差分别为 Pbk和 Pgk，则融合后的状态估计x赞k计算如下。（14）0/1/1/1/1/1k kik kk kink kk kxxnPxnPxxkxk 2()/112()T/1/1/10()()()+Qiinjk kmjjnjk kcjk kjk kkjfxWPWxxcxccc，（5），（6）()iihhx2/102()T,/1/10()()njk kmjjnjzz kmjk kjk kkjzWPWzzRhhh，（8），（9）。（10）1,/1/1T/1,()kxz kzz kkk kkkk kkk kkzz kkKPPxxKzzPPK PKbkxgkxgbbbg1gbg1()()kkkkkkkkkxPPPxPPPx?2()T,/1/10()()njxz kmjk kjk kjPWxzxh北斗轨迹融合轨迹5G 轨迹，（3）46-众创空间科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 28 期融合后的协方差 Pk计算如下3机场运行告警模块通过查阅运输机场运行安全管理规定7、运输机场地面车辆和人员跑道入侵防范管理办法 等规定，民航局对于机场飞行区活动车辆的运行速度、位置等有严格的要求和规定，本文提取相关规章要求，归纳出以下告警规则及判断准则。3.1机场跑道尧滑行道告警规则将跑道和滑行道周边 30 m 的范围设置未经允许禁止进入区域；跑道两端之外 300 m 以内、跑道两侧 75 m以内的区域设置不停航禁止进入区域，如图 4 所示。图 4机场跑道尧滑行道保护区设活动车辆融合后的位置x赞k=（x，y），某跑道由一组坐标点（x0，y0），（x1，y1），（xn，yn）表示，若满足|x-xi|dmin或|y-yi|dmin，其中 dmin根据车辆与跑道之间的相对位置关系取 30、75 或 300 m，则发出告警，提示车辆已处于机场跑道、滑行道保护区域，并引导车辆离开该范围。设活动车辆预测的位置x赞k+t=（xk+t，yk+t），若满足|xk+t-xi|dmin或|y-yi|dmin，其中 dmin根据车辆与跑道之间的相对位置关系取 75 或 300 m，则发出告警，提示车辆可能会行驶进入机场跑道、滑行道保护区域，请驾驶员确定行进方向是否正确。3.2航空器安全距离告警规则将航空器周围 30 m 的范围设置为安全告警区域；航空器周围 5 m 的范围内设置为危险区域，如图 5 所示。航空器安全距离告警判断规则与机场跑道、滑行道保护区告警过程类似。图 5航空器安全距离3.3航空器与机场活动目标规则机场活动目标运动方向需与航空器运行方向（滑行、起飞、着陆）相反，以便出现碰撞冲突时能第一时间发现，并且机场活动目标速度不得大于 45 km/h，否则将进行告警；靠近航空器的机场活动目标速度不得大于 5 km/h，且在飞机周围 15 m 范围内必须开始减速。基于式（1）建立的模型，通过无迹卡尔曼滤波算法处理后，能获取车辆的运动速度v赞k，加速度琢赞k。当车辆附近没有航空器时，若满足v赞k逸45 km/h，则发出告警，提示有车辆超速运行；若v赞k+琢赞kt逸45km/h或者v赞k+t逸45km/h，则发出告警，提示有车辆即将超速运行。当车辆附近存在航空器时，若满足v赞k逸5 km/h，则发出告警，提示有车辆超速运行；若v赞k+琢赞kt逸5 km/h或者v赞k+t逸5 km/h，则发出告警，提示有车辆即将超速运行。图 6航空器与机场活动目标运动规则4结束语北斗定位与 5G 定位相结合的方式，能有效提高对飞行区车辆等活动目标持续和有效跟踪能力，避免传统单一卫星定位系统在遮蔽等情况下目标丢失，无法持续跟踪的不足。通过查阅 运输机场运行安全管理规定 等民航管理规定，提出建立了机场跑道/滑行道告警规则、航空器安全距离告警规则和航空器与机场活动目标规则，并基于北斗和 5G 定位数据建立了潜在冲突检测和预警规则。基于北斗和 5G 的飞行区目标监视系统，能有效提升飞行区活动目标监视的安全性和可控性，提前预知并作出相应决策，有效阻止可能发生的安全事故或者事故征候。参考文献院1 宫淑丽.机场场面移动目标监视系统关键技术研究D.南京：南京航空航天大学，2012.2 杨俊伟.空中管制员压力管理问题及对策分析J.硅谷，2015，8（3）：260，275.3 杨临风，牟睿，黎新，等.基于滤波器自适应更新的机场目标跟踪算法J.交通信息与安全，2022，40（1）：72-79，96.4 闫坤.基于深度学习的机场场面活动目标检测与跟踪算法研究D.天津：中国民用航空飞行学院，2022.5 袁翠红.末端防空武器系统中目标航迹融合与分配技术研究D.北京：北京工业大学，2020.6 高晓，杨志强，库新勃等基于三次样条插值实现无人机高动态运动轨迹插值J.全球定位系统，2020，45（1）：37-42.7 中国民用航空局.运输机场运行安全管理规定S.2022.bbg1g()kkkkkPPPPP。（15）V5 km h-1V45 km h-115 m5 m30 m75 m30 m75 m30 m30 m30 m300 m300 m47-