基于ADS-B引導(dǎo)的飛機(jī)起降視頻跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

葉 艷，劉 菲，辛林杰

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三研究所，北京 100015）

1 概 述

廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視（Automatic Dependent Surveillance-Broadcast，ADS-B）是一種新型的空域飛機(jī)監(jiān)視方式，一般由發(fā)射機(jī)和接收機(jī)組成。發(fā)射機(jī)安裝于飛機(jī)上，使用機(jī)載導(dǎo)航系統(tǒng)得到飛機(jī)的精確位置和速度信息[1]，周期性地向外廣播飛機(jī)的國(guó)際民用航空組織（International Civil Aviation Organization，ICAO）地址碼、經(jīng)度緯度、高度、速度、航向等飛行動(dòng)態(tài)信息。ADS-B地面接收站通過(guò)空地?cái)?shù)據(jù)鏈路接收發(fā)射機(jī)的廣播信息，能實(shí)現(xiàn)地空監(jiān)視。其他飛機(jī)通過(guò)空空數(shù)據(jù)鏈路能接收ADS-B廣播信息，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)間的空空監(jiān)視。ADB-S監(jiān)視具有投資成本低、監(jiān)視范圍廣、監(jiān)視精度高以及能夠?qū)崿F(xiàn)飛機(jī)間的空空監(jiān)視的優(yōu)勢(shì)[1]，可以實(shí)現(xiàn)地對(duì)空、空對(duì)空以及機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面的一體化監(jiān)視，ADS-B最大的特點(diǎn)就是采用廣播式通信方式[2]。

本文設(shè)計(jì)的基于ADS-B引導(dǎo)的飛機(jī)起降跟蹤系統(tǒng)能夠以低成本的方式實(shí)現(xiàn)晝夜間起飛和降落高清視頻監(jiān)視以及輔助著陸引導(dǎo)。系統(tǒng)通過(guò)ADS-B接收機(jī)給出機(jī)場(chǎng)空域的飛機(jī)態(tài)勢(shì)，可手動(dòng)或自動(dòng)引導(dǎo)光電跟蹤系統(tǒng)對(duì)飛機(jī)目標(biāo)進(jìn)行捕獲、跟蹤以及起落架狀態(tài)識(shí)別。結(jié)合ADS-B接收機(jī)給出的經(jīng)緯度信息以及跟蹤系統(tǒng)給出的方位俯仰信息，能在視頻圖像上繪制飛機(jī)降落的下滑線。通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)下滑線比較以及飛機(jī)起落架狀態(tài)識(shí)別，給出預(yù)警信息，保障飛機(jī)起降過(guò)程安全。

2 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要由ADS-B接收機(jī)、光電指向器、驅(qū)動(dòng)控制單元及顯控終端等組成。光電指向器含高清可見(jiàn)光攝像機(jī)、長(zhǎng)焦制冷紅外熱像儀、伺服穩(wěn)定平臺(tái)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)飛機(jī)起降的晝夜圖像獲??；驅(qū)動(dòng)控制單元含視頻跟蹤器、綜合控制器、視頻編碼器及數(shù)據(jù)接口單元，主要實(shí)現(xiàn)目標(biāo)自動(dòng)檢測(cè)，輸出目標(biāo)相對(duì)于視場(chǎng)中心的偏差量，驅(qū)動(dòng)伺服單元完成閉環(huán)跟蹤。顯控終端實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的實(shí)時(shí)顯示以及對(duì)光電指向器的操控[3]。系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

3 工作原理

視頻跟蹤系統(tǒng)由于視場(chǎng)角比較小，無(wú)法兼顧整個(gè)機(jī)場(chǎng)范圍空域的飛機(jī)狀態(tài)。將ADS-B系統(tǒng)與視頻跟蹤系統(tǒng)融合，利用ADS-B空域的監(jiān)控能力以及視頻跟蹤系統(tǒng)直觀的視頻圖像，能夠很好地對(duì)飛機(jī)起降段實(shí)現(xiàn)自動(dòng)視頻跟蹤。ADS-B引導(dǎo)視頻跟蹤的原理如圖2所示，ADS-B地面站接收飛機(jī)廣播的各種信息，將飛機(jī)的位置、速度等信息實(shí)時(shí)發(fā)送給起降跟蹤監(jiān)視系統(tǒng)，起降跟蹤監(jiān)視系統(tǒng)接收引導(dǎo)，調(diào)轉(zhuǎn)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后自動(dòng)捕獲目標(biāo)并進(jìn)行持續(xù)跟蹤，直至飛機(jī)遠(yuǎn)離機(jī)場(chǎng)或者停止滑行。

圖2 ADS-B引導(dǎo)視頻跟蹤工作原理圖

基于ADS-B引導(dǎo)的視頻跟蹤系統(tǒng)一般在在機(jī)場(chǎng)部署一套ADS-B地面接收站，部署兩套視頻跟蹤設(shè)備分別兼顧起飛和下降段跟蹤監(jiān)視。在中小型機(jī)場(chǎng)，跑道利用不特別頻繁時(shí)，結(jié)合ADS-B引導(dǎo)數(shù)據(jù)，可以在塔臺(tái)頂部安裝1臺(tái)視頻跟蹤監(jiān)視系統(tǒng)，滿足起飛和降落段飛機(jī)跟蹤的要求。視頻跟蹤系統(tǒng)有兩種工作方式：一是預(yù)置位自動(dòng)捕獲飛機(jī)，自動(dòng)跟蹤目標(biāo)至飛機(jī)上升到安全高度或下降到跑道滑行結(jié)束后釋放回到預(yù)置位等待；二是接收ADS-B引導(dǎo)數(shù)據(jù)捕獲飛機(jī)，視頻跟蹤分系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)起飛或下降飛機(jī)，自動(dòng)捕獲跟蹤飛機(jī)直至起飛或下降段結(jié)束。

4 主要功能及主要技術(shù)指標(biāo)

基于ADS-B引導(dǎo)的視頻跟蹤系統(tǒng)具有圖形化的航空活動(dòng)監(jiān)視能力，具有航跡顯示功能、全天時(shí)目標(biāo)高清視頻顯示功能、視頻跟蹤數(shù)據(jù)與ADS-B數(shù)據(jù)融合功能、起落架狀態(tài)報(bào)警功能、實(shí)時(shí)視頻的錄像、截圖、回放功能以及系統(tǒng)故障檢測(cè)反饋功能[4]。ADS-B接收機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 ADS-B接收機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)

視頻跟蹤系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)主要有3個(gè)。

（1）晝間跟蹤距離。在大氣能見(jiàn)度≥23.5 km的情況下，對(duì)空中目標(biāo)尺寸不小于28 m×11 m（翼展×高度）航空器的搜索發(fā)現(xiàn)距離不小于25 km，跟蹤距離不小于20 km；

（2）夜間跟蹤距離。在天氣晴朗的情況下，對(duì)空中目標(biāo)尺寸不小于28 m×11 m（翼展×高度）航空器的搜索距離不小于20 km，發(fā)現(xiàn)跟蹤距離不小于15 km。

（3）跟蹤精度為0.5 mrad。

5 基于ADS-B引導(dǎo)的視頻跟蹤關(guān)鍵技術(shù)

基于ADS-B引導(dǎo)的關(guān)鍵技術(shù)主要有兩個(gè)，一是要能夠?qū)⒛繕?biāo)引導(dǎo)到視頻圖像視場(chǎng)中，二是將目標(biāo)引導(dǎo)到視場(chǎng)中間后視頻跟蹤系統(tǒng)要能夠迅速對(duì)目標(biāo)進(jìn)行捕獲進(jìn)而穩(wěn)定跟蹤。將目標(biāo)引導(dǎo)到視場(chǎng)中間的關(guān)鍵點(diǎn)在于視頻跟蹤系統(tǒng)與ADS-B系統(tǒng)在時(shí)間及空間上要能夠統(tǒng)一，時(shí)空統(tǒng)一之后，經(jīng)過(guò)誤差校正，一般情況下能夠?qū)⒛繕?biāo)引導(dǎo)到視場(chǎng)中。

飛機(jī)目標(biāo)具有相對(duì)速度高的特點(diǎn)，對(duì)飛機(jī)目標(biāo)的捕獲及穩(wěn)定跟蹤包含兩個(gè)方面，一是視頻跟蹤器能夠?qū)?fù)雜場(chǎng)景下的實(shí)時(shí)視頻中的目標(biāo)快速檢測(cè)出來(lái)；二是伺服系統(tǒng)能夠?qū)Ω櫰鬏敵龅哪繕?biāo)偏差快速響應(yīng)，使目標(biāo)處于視場(chǎng)中心?？刹捎眠吘壐櫡绞浇Y(jié)合基于前饋的大跟蹤角速率控制技術(shù)滿足對(duì)復(fù)雜背景下高速目標(biāo)的穩(wěn)定跟蹤要求。

5.1 時(shí)間及空間統(tǒng)一

5.1.1 空間統(tǒng)一

通過(guò)分析ADS-B接收數(shù)據(jù)可知，ADS-B探測(cè)到的目標(biāo)位置是以空間坐標(biāo)系經(jīng)緯高輸出的，而視頻跟蹤系統(tǒng)一般使用以轉(zhuǎn)臺(tái)為原點(diǎn)的極坐標(biāo)系。為正確接收ADS-B引導(dǎo)，首先需要有高精度差分GPS獲得視頻跟蹤系統(tǒng)安裝位置經(jīng)緯高坐標(biāo)。接收到ADS-B發(fā)出的目標(biāo)經(jīng)緯高數(shù)據(jù)之后，需要目標(biāo)將經(jīng)緯高轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)臺(tái)的方位、俯仰以及距離數(shù)據(jù)，完成視頻跟蹤系統(tǒng)調(diào)轉(zhuǎn)以及焦距、聚焦設(shè)定?？捎弥苯亲鴺?biāo)系法完成經(jīng)緯高坐標(biāo)到方位、俯仰以及距離的計(jì)算。

已知目標(biāo)點(diǎn)的經(jīng)緯度為Jm、Wm、Hm，地球半徑為R，利用式（1）將經(jīng)緯高坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為目標(biāo)直角坐標(biāo)(Xm,Ym,Zm)。光電設(shè)備經(jīng)緯度坐標(biāo)為Jb,Wb,Hb，利用式（2）將經(jīng)緯高坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為光電設(shè)備在直角坐標(biāo)系下的坐標(biāo)(Xb,Yb,Zb)。

求出目標(biāo)與光電設(shè)備在直角坐標(biāo)系下的數(shù)據(jù)差：Δx=Xm-Xb,Δy=Ym-Yb,Δz=Zm-Zb.利用式（3）可以求得目標(biāo)相對(duì)于視頻跟蹤系統(tǒng)的方位、俯仰、距離（A、E、L）。

5.1.2 時(shí)間統(tǒng)一

一般航空器飛行速度較快，為使視頻跟蹤系統(tǒng)接收到目標(biāo)引導(dǎo)數(shù)據(jù)調(diào)舷后能夠發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，需將視頻跟蹤系統(tǒng)與ADS-B發(fā)出數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間對(duì)準(zhǔn)。ADS-B發(fā)出的信息中一般含時(shí)間戳，即輸出報(bào)文包含精確的UTC時(shí)間信息，精度≤0.1 μs，數(shù)據(jù)頻率一般為2 Hz。視頻跟蹤系統(tǒng)可接收差分GPS時(shí)間，將系統(tǒng)數(shù)據(jù)時(shí)間統(tǒng)一為GPS時(shí)間。通過(guò)解析ADS-B報(bào)文數(shù)據(jù)中的時(shí)間戳信息，將視頻跟蹤系統(tǒng)與ADS-B接收器進(jìn)行時(shí)間對(duì)準(zhǔn)。ADS-B數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)為2 ms，視頻跟蹤系統(tǒng)時(shí)間周期為20 ms，所以將視頻跟蹤系統(tǒng)與ADS-B時(shí)間統(tǒng)一后，可正確接受引導(dǎo)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。

5.2 機(jī)場(chǎng)起降視頻跟蹤關(guān)鍵技術(shù)

5.2.1 高速目標(biāo)穩(wěn)定跟蹤技術(shù)

對(duì)于高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，傳統(tǒng)的PID控制器存在嚴(yán)重的跟蹤滯后，無(wú)法滿足使用要求。本系統(tǒng)通過(guò)ADS-B解算飛機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡，得到飛機(jī)相對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的速度及加速度等信息，將其引入伺服系統(tǒng)跟蹤控制環(huán)路，通過(guò)前饋補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)瞄準(zhǔn)線對(duì)飛機(jī)的高精度跟蹤[3-4]。伺服控制系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 伺服控制系統(tǒng)框圖

根據(jù)自動(dòng)控制原理，令系統(tǒng)跟蹤動(dòng)態(tài)軌跡時(shí)，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)誤差可表示為：

式中：KP,Kv,Ka是位置、速度、加速度誤差系數(shù)的另一種表示形式，即品質(zhì)因數(shù)。式（5）表明，跟蹤誤差包含了參考信號(hào)（本系統(tǒng)為飛機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡）的位置、速度、加速度及更高階導(dǎo)數(shù)信息。

傳統(tǒng)的PID控制器可使KP=∞，對(duì)于靜止目標(biāo)可以消除跟蹤誤差，但對(duì)于飛機(jī)這種高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，由于存在速度及加速度誤差累積，導(dǎo)致跟蹤誤差較大。為了解決這個(gè)問(wèn)題，本系統(tǒng)采用前饋控制將飛機(jī)運(yùn)動(dòng)信息加入到控制器，對(duì)速度和加速度誤差進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡的高精度跟蹤。前饋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 前饋控制系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

當(dāng)前饋控制器表達(dá)式如下時(shí)，滿足系統(tǒng)不變性條件，即輸出可高精度跟蹤輸入信號(hào)。

式中：s代表微分，即前饋控制器是利用了輸入?yún)⒖夹盘?hào)的各階導(dǎo)數(shù)信息。在本系統(tǒng)中，通過(guò)ADS-B給出的飛機(jī)運(yùn)動(dòng)信息進(jìn)行前饋補(bǔ)償，有效提高了跟蹤精度。

5.2.2 歸一化互相關(guān)跟蹤算法及模板更新策略

5.2.2.1 歸一化互相關(guān)跟蹤算法

在視頻追蹤飛機(jī)起降過(guò)程中[5]，目標(biāo)移動(dòng)速度非?？?，在跟蹤過(guò)程中目標(biāo)變化大、高速運(yùn)動(dòng)且背景復(fù)雜。因此，采用歸一化互相關(guān)的相關(guān)跟蹤算法，在滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求的前提下，盡量提高跟蹤精度。

歸一化互相關(guān)匹配算法一般寫(xiě)為NCC算法，通過(guò)計(jì)算模板圖像和待匹配圖像的互相關(guān)值來(lái)確定匹配程度，其定義如下：

式中：T(m,n)為模板圖像，F(xiàn)(m+i,n+j)為實(shí)時(shí)圖像，(i,j)為實(shí)時(shí)圖像左上角像素點(diǎn)在實(shí)時(shí)圖像中的坐標(biāo)。相關(guān)系數(shù)滿足0≤N(i,j)≤1，取最大值1時(shí)最相似，相關(guān)系數(shù)的最大值NMAX(i,j)的(i,j)為跟蹤目標(biāo)位置坐標(biāo)，即最佳匹配位置。

NCC算法適用于復(fù)雜背景，且不受光照變化影響，缺點(diǎn)是圖像中自相關(guān)值都比較大，計(jì)算出的互相關(guān)系數(shù)會(huì)出現(xiàn)以真實(shí)位置為中心的平緩的峰，容易出現(xiàn)無(wú)法檢測(cè)到準(zhǔn)確尖峰位置的情況。因此，在匹配前需先對(duì)待匹配圖像進(jìn)行邊緣處理，將相關(guān)性集中在輪廓信息的相關(guān)性上，提高目標(biāo)位置定位的精度。

5.2.2.2 基于比例加權(quán)系數(shù)的模板更新策略

從相關(guān)算法可知，模板的選取決定整個(gè)跟蹤過(guò)程中跟蹤性能的好壞。在跟蹤過(guò)程中，目標(biāo)形態(tài)不可避免地發(fā)生著變化，對(duì)模板的合理更新是相關(guān)跟蹤的關(guān)鍵。因此，選擇合適的模板更新策略，可以在一定程度上克服噪聲、形變等的影響。

模板更新策略包括模板更新條件和模板更新方式兩部分。模板更新條件是指模板在何種條件下更新，當(dāng)相關(guān)系數(shù)NMAX值較大，說(shuō)明圖像相似度比較高，模板頻繁更新會(huì)產(chǎn)生累計(jì)誤差，引起跟蹤漂移，此時(shí)不需要更新模板；當(dāng)某一幀圖像跟蹤質(zhì)量較差，相關(guān)系數(shù)值小時(shí)，說(shuō)明圖像相似度比較低，此時(shí)更新模板會(huì)引入較大的誤差，導(dǎo)致跟蹤失敗。因此，根據(jù)實(shí)驗(yàn)獲得的經(jīng)驗(yàn)值，選擇0.5≤NMAX≤0.95作為模板更新條件，模板更新條件確定方法如下：

模板更新方式為：將初始模板與當(dāng)前最匹配位置圖像按一定比例加權(quán)更新得到新模板，比例值由相關(guān)系數(shù)確定?？梢员硎緸椋?/p>

式中：Mnew(x,y)表示新模板，Mold(x,y)表示當(dāng)前使用的舊模板，Mcurr(x,y)是當(dāng)前圖像中的最佳匹配位置的圖像，α表示由相關(guān)系數(shù)確定的加權(quán)值，取值范圍在(0,1)。實(shí)驗(yàn)證明，采用這種目標(biāo)模板更新策略，可以有效抑制跟蹤誤差的累積以及跟蹤漂移。紅外跟蹤飛機(jī)圖片如圖5所示。

圖5 紅外跟蹤飛機(jī)圖片

6 結(jié) 語(yǔ)

本文描述了ADS-B數(shù)據(jù)引導(dǎo)飛機(jī)起降視頻跟蹤系統(tǒng)的組成、工作原理、關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)以及此類(lèi)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，詳細(xì)敘述通過(guò)前饋補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)瞄準(zhǔn)線對(duì)飛機(jī)的高精度跟蹤以及歸一化互相關(guān)跟蹤算法和基于加權(quán)的模板匹配方法。經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)某機(jī)場(chǎng)實(shí)際使用，采用該相關(guān)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)飛機(jī)起降全過(guò)程的穩(wěn)定跟蹤，能夠?qū)崿F(xiàn)飛機(jī)起降跟蹤監(jiān)視功能以及輔助著陸引導(dǎo)功能。