一种飞机滑跑偏离定位系统及定位方法 技术领域 本发明属于航空宇航科学与技术领域， 涉及一种飞机滑跑偏离定位系统及定位方 法， 可以应用于定位飞机在着陆滑跑阶段时的位置， 防止飞机偏离并冲出跑道。
背景技术
现阶段， 飞机着陆阶段在跑道上滑跑时， 主要依靠飞行员肉眼及跑道灯的指示， 由 飞行员手动调整。飞机着陆系统中的飞机在跑道上的定位主要依靠机载 GPS 系统， 但其精 度有限， 还容易因天气以及包括像 A380 这样的大型飞机在内的障碍物而受到信号干扰。美 国 Honeywell 公司为此开发了陆基增强系统 GBAS(Ground BasedAugmentation System)， 通过在机场附近安装一套 GBAS 地面站， 提供一个增强信号， 极大地改善机载导航系统的精 度， 引导飞机精确进场和着陆。但是 GBAS 要求修建地面基站， 成本高， 一套 GBAS 仅能覆盖 周边 23 海里以内的机场， 截止至 09 年全球仅 8 个霍尼韦尔 GBAS 地面站。发明内容 ( 一 ) 要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是 ： 对飞机在着陆滑跑时的位置进行定位， 防止飞机偏 离并冲出跑道。
( 二 ) 技术方案
为了解决上述技术问题， 本发明提出一种利用磁场的定位系统及定位方法， 可以 在飞机在跑道上滑跑时自动实时的进行飞机偏离定位， 精度优于传统 GPS 系统， 和 GBAS 系 统精度相当， 成本低， 安装灵活， 不依赖于卫星信号。
本发明提供的飞机滑跑偏离定位系统， 包括 ：
信号发生器， 由相互垂直的通电螺线管组成， 设置在飞机跑道上， 用以发出信号 ；
信号采集装置， 安装在飞机机头上， 用于接收所述信号发生器发出的信号 ；
偏离定位单元， 与所述信号采集装置相连， 用以对采集到的信号实时解算， 确定飞 机机头偏离跑道中线的距离。
其中， 在机场跑道进口处， 所述信号发生器以中心分布方式排列， 所述信号发生器 间隔设置在机场跑道中线上。
其中， 在机场跑道中后段， 所述信号发生器以两边交错分布方式排列， 所述信号发 生器间隔交错设置在机场跑道两边。
其中， 所述信号采集装置使用传感器采集信号。
其中， 所述中心分布方式排列的信号发生器间的间距大于两边交错分布方式排列 的信号发生器沿跑道轴向的间距， 所述中心分布方式排列的信号发生器间的间距为 30 米， 所述两边交错分布方式排列的信号发生器沿跑道轴向的间距为 20 米。
本发明还提供了一种飞机滑跑偏离定位方法， 包括以下步骤 ：
S1 ： 由设置在飞机机头上的信号采集装置获取设置在跑道上的信号发生器发出的
信号 ； S2 ： 根据所获取的信号， 解算空点任意点 M(x， y， z) 的磁场数据 ；
S3 ： 根据所解算的磁场数据， 解算空间点 M(x， y， z) 的坐标 ；
S4 ： 根据空间点 M(x， y， z) 的坐标， 计算飞机机头偏离跑道中线的偏移量 dy。
其中， 所述步骤 S1 中信号发生器由竖直方向的通电螺线管 (B1) 和水平方向的通 电螺线管 (B2) 垂直交叉组成， 所述信号发生器发出的信号为交变磁场信号 ；
所述竖直方向的通电螺线管 (B1) 在空间产生的磁场为 ：
即： 所述水平方向的通电螺线管 (B2) 在空间产生的磁场为 ：即： 式中， μ0 为真空磁导率， I0 为电流强度， l 为线圈匝数， a 为线圈半径， r 为空间点 M(x， y， z) 到原点的距离， ex、 ey、 ez 分别为 x， y， z 方向的单位向量， θ为r 与 X 轴向的夹角， 为 r 在 YZ 面上投影与 Z 轴向的夹角， λ 为 r 在 XZ 面上投影与 Z 轴向的 夹角。
其中， 所述步骤 S2 中对空间任意点 M(x， y， z) 的磁场数据的解算方法为 ：
对所述竖直方向和水平方向的通电螺线管在空间任意点 M(x， y， z) 处产生的磁场 向量 B1cos(ωt)， B2sin(ωt) 做叉乘， 即：
L ＝ B1cos(ωt)×B2sin(ωt) ＝ C(exLx+eyLy+ezLz)
式中，
其中， 所述步骤 S3 中空间任意点 M(x， y， z) 的坐标的解算方法包括以下步骤 ： SS1 ： 计算点 M(x， y， z) 的方位角和俯仰角 ： 方位角 ：
向量 L 与 w 轴的夹角为 ：根据∠ θL 与∠ θ 的单调关系， 解得 ： 俯仰角 ：SS2 ： 解算 r ：
对所述竖直方向和水平方向的通电螺线管在空间任意点 M(x， y， z) 处产生的磁场 向量 B1cos(ωt) 和 B2sin(ωt) 的合磁场 B 做 Hilbert 变换， 得到 ： H[B] ＝ Hilbert[B]
解算得到 ： 式 中： C ＝ 5sin4θ(sin4α+cos4α)+2cos4θ+10sin4θsin2αcos2α+7sin2θcos2 SS3 ： 计算点 M(x， y， z) 的坐标 ：θ
其中， 所述步骤 S4 中偏移量 dy 的计算方法为 ：
当信号发生器以中心分布方式排列时 ： dy ＝ y ＝ r·sin(θ)·sin(α) ；
当信号发生器以两边交错分布方式排列时 ： dy ＝ y-b ＝ r·sin(θ)·sin(α)-b， 其中 b 为机场跑道宽度。
( 三 ) 有益效果
本发明的定位系统成本低， 精度较普通 GPS 系统高， 与 GBAS 系统精度相当， 结构简 单， 易于布置， 可应用于野外临时机场， 不像 GBAS 系统需要安装昂贵的地面基站。自备信 号源， 独立于普遍使用的卫星定位系统， 可应用于大型掩体内的跑道， 以及卫星信号差的地 区。
附图说明
图 1 是本发明飞机滑跑偏离定位系统的系统框图 ；
图 2 是本发明飞机滑跑偏离定位系统中信号发生器的原理图 ；
图 3 是本发明飞机滑跑偏离定位方法中信号发生器生成磁场竖直方向分解计算 图；
图 4 是本发明飞机滑跑偏离定位方法中信号发生器生成磁场水平方向分解计算 图；
图 5 是本发明飞机滑跑偏离定位方法中信号发生器生成磁场的等效图 ；
图 6 是本发明飞机滑跑偏离定位方法中旋转磁场定位方法原理图 ；
图 7 是本发明飞机滑跑偏离定位方法中俯仰角∠ θ 与∠ θL( 向量 L 与 w 轴的夹 角 ) 的单调映射关系图 ；
图 8 是本发明中飞机在跑道滑行时一段时间内接收到 5 个传感器信号的示意图 ；
图 9 是本发明飞机滑跑偏离定位系统中信号发生器的排布示意图， (a) 图为中心分布方式， (b) 图为两边分布方式 ；
图 10 是本发明飞机滑跑偏离定位系统中飞机沿机场跑道进近示意图 ；
图 11 是本发明飞机滑跑偏离定位系统中信号发生器使用中心分布时 dr 的计算示 意图 ；
图 12 是本发明飞机滑跑偏离定位系统中信号发生器使用两边分布时 dr 的计算示 意图 ；
图 13 是本发明飞机滑跑偏离定位系统中信号发生器使用中心分布时计算 dr 的 误差曲面示意图， (a) 图为传感器采样率为 30Hz 时的误差曲面， (b) 图为传感器采样率为 100Hz 时的误差曲面 ；
图 14 是本发明飞机滑跑偏离定位系统中信号发生器使用中心分布时对飞机高度 计算的误差曲面示意图， (a) 图为传感器采样率为 30Hz 时的误差曲面， (b) 图为传感器采样 率为 100Hz 时的误差曲面 ；
图 15 是本发明飞机滑跑偏离定位系统中信号发生器使用两边交错分布时计算 dr 的误差曲面示意图， (a) 图为传感器采样率为 30Hz 时的误差曲面， (b) 图为传感器采样率为 100Hz 时的误差曲面 ； 图 16 是本发明飞机滑跑偏离定位系统中所设计的信号发生器在机场跑道的排布 方式示意图。
其中， B1 为竖直方向的通电螺线管， B2 为水平方向的通电螺线管。
具体实施方式
下面结合附图和实施例， 对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施 例用于说明本发明， 但不用来限制本发明的范围。
本发明的目的是提出一种生成并解算旋转磁场来进行空间三维定位的计算方法， 称为旋转磁场定位法， 并将其应用在飞机在着陆滑跑阶段的定位上， 可以实时解算出飞机 对跑道中心线的偏离量， 以对其进行校正， 防止飞机偏出跑道。为了达到上述目的， 本发明 使用简单独立的信号源沿跑道排列， 将信号采集装置置于飞机机头， 在飞机进近与滑跑阶 段接受信号， 实时解算飞机相对于跑道中线的偏离距离， 并进行校准， 预防飞机偏离并冲出 跑道， 造成事故。
参见图 1， 飞机滑跑偏离定位系统分为算法模块和实现方式模块两部分。
本发明提出的生成并解算旋转磁场来进行空间三维定位的计算方法， 其原理包括 以下步骤 ：
(1) 生成交变磁场 ：
单个信号发生器由一组相互垂直的通电螺线管组成， 原理如下。参见图 2， 将2 个通电螺线管 B1， B2 沿坐标轴相互垂直放置在坐标原点， 分别通过电流 I·cos(ωt)， I·sin(ωt)， 则通电螺线管在空间中产生的磁场设为 B1·cos(ωt)， B2·sin(ωt)，
参见图 3， 竖直方向的通电螺线管 B1 在空间中产生磁场计算如下 ：
即： 参见图 4， 水平方向的通电螺线管 B2 在空间中产生磁场计算如下 ：即： 上式中， μ0 为真空磁导率， I0 为电流强度， l 为线圈匝数， a 为线圈半径， r 为空间点 M(x， y， z) 到原点的距离， ex、 ey、 ez 分别为 x， y， z 方向的单位向量， θ为r 与 X 轴向的夹角，为 r 在 YZ 面上投影与 Z 轴向的夹角， λ 为 r 在 XZ 面上投影与 Z 轴向的 夹角。
参见图 5， 两通电螺线管在空间中产生的组合磁场可以等效为一根磁铁沿平面以 原点为圆心， 角速度 w 旋转所产生的磁场， 因此该方法称为旋转磁场定位法。
(2) 解算空间任意点 M(x， y， z) 的磁场数据 ：
参 见 图 6， 对 两 通 电 螺 线 管 在 空 间 任 意 点 M(x， y， z) 处 产 生 的 磁 场 向 量 B1cos(ωt)， B2sin(ωt) 做叉乘， 记叉乘向量 L ：
L ＝ B1cos(ωt)×B2sin(ωt) ＝ C(exLx+eyLy+ezLz) 式中，
(3) 根据磁场数据， 解算空间点 M(x， y， z) 的坐标 首先计算点 M 的方位角和俯仰角 ： 参见图 6， 经过化简， 得到 因此方位角 且向量 R， L 与 w 轴共面， 又 参见图 7， 由∠ θL 与∠ θ 的单调关系可解得俯仰角 ：8
101850849 A CN 101850850
说明书6/7 页根据总磁场强度 Ball 等参数， 可以解算 r。
对所述竖直方向和水平方向的通电螺线管在空间任意点 M(x， y， z) 处产生的磁场 向量 B1cos(ωt) 和 B2sin(ωt) 的合磁场 B 做 Hilbert 变换， 得到 ： H[B] ＝ Hilbert[B]
解算得到 ： 式 中： C ＝ 5sin4θ(sin4α+cos4α)+2cos4θ+10sin4θsin2αcos2α+7sin2θcos2 计算点 M(x， y， z) 的坐标 ：θ
由以上方法可解算出相对单个信号发生器时 M 的位置。由于信号发生器发出信号 的强度限制， 为了保证飞机在跑道上的信号覆盖， 需将多个信号发生器沿跑道放置， 分别通 过不同频率的电流， 既可在飞机沿跑道进近过程中， 使用滤波器过滤出对应不同信号发生 器所产生的磁场信号， 根据不同的信号发生器排布方式， 解算出机头处传感器相对于各个 信号源的相对坐标， 进而解算出 dr。
图 8 为飞机在跑道滑行时一段时间内接收到 5 个传感器信号的示意图。5 个传感 器分别通过频率为 ω1， ω2， ω3， ω4， ω5 的电流， 产生不同频率的交变磁场， 机头传感器接 收到信号后， 通过滤波器过滤出不同信号源的信号， 选择信号强度最好的信号源 ω3 进行解 算。
每组相互垂直放置的通电螺线管称为一个信号发生器。 沿着跑道按一定间距放着 一列信号发生器， 采集磁场信号的传感器固定在机头上。 当飞机在跑道上滑行， 机头的传感 器接受信号发生器产生的信号， 即可实时解算出当前机头偏离跑道中线的距离 dr。
参见图 9， 信号发生器有两种排布方式， 分别是中心分布方式和两边交错分布方 式。 使用中心分布方式时， 信号发生器距离飞机相对于两边交错分布方式更近， 因此信号发 生器每隔 30m 放置一个 ； 而两边交错分布方式的信号发生器距飞机较远， 为保证信号强度， 沿跑道轴向每隔 20m 放置一个。
参见图 10， 飞机在机场跑道滑跑阶段的示意图， 定义机头偏离跑道中线的距离为 参见图 11， 使用中心分布时， dy ＝ y ＝ r·sin(θ)·sin(α)。 参见图 12， 使用两边分布时， dy ＝ y-b ＝ r·sin(θ)·sin(α)-b， b 为机场跑道dr。
宽度。 设机场跑道宽度为 60m， 取一段跑道， 分别对以上两种分布方式在不同传感器采样 率的情况下进行仿真比较 ：
参见图 13， 信号发生器使用中心分布， 当传感器采样率较低， 解算的 dr 误差较大，
在距中心线 10-20m 处达到最大误差达 1m， 平均误差超过 GPS 精度 ； 当传感器采样率提高， 解算精度明显提高， dr 误差在 0.2m 以下。
参见图 14， 信号发生器使用中心分布时对飞机高度的定位十分准确， 使用低采样 率传感器时误差在 0.2m 以下， 使用高采样率传感器时误差更被限制在 0.05m 以下。
参见图 15， 信号发生器使用两边交错分布时， 解算的 dr 的精度比中心分布方式 高。使用低采样率传感器时误差在 0.2m 以下， 使用高采样率传感器时误差在 0.15m 以下。
综上， 当传感器采样频率较低时， 两边交错分布的精度高于中心分布， 但是需要比 较密集的信号源 ； 中心分布虽然在传感器采样率低时精度不如两边分布高， 但是随着传感 器采样频率的提高， 精度逐渐赶上中心分布的精度 ； 中心分布形式对传感器的高度计算十 分准确。
参见图 16， 可在机场跑道进口处使用中心分布方式， 对飞机降落时的高度做出比 较精确的测量， 协助飞机平稳着陆， 跑道中后段使用两边交错分布， 更精确的测量飞机的偏 离量， 防止飞机跑偏。
以上所述仅是本发明的优选实施方式， 应当指出， 对于本技术领域的普通技术人 员来说， 在不脱离本发明技术原理的前提下， 还可以做出若干改进和替换， 这些改进和替换 也应视为本发明的保护范围。