СИСТЕМА ОПОЗНАВАНИЯ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ В АЭРОПОРТУ Российский патент 1998 года по МПК G01S13/78 G01S13/91 

Настоящее изобретение касается радиолокационной системы управления наземным движением в аэропорту, и более точно, системы обнаружения, сопровождения и опознавания транспортных средств на летном поле, предназначенной для усовершенствования системы предупреждения столкновений в аэропорту.

Предпосылки создания изобретения.

Несанкционированные вторжения самолетов и наземных транспортных средств на взлетно-посадочные полосы и рулежные дорожки могут иметь катастрофические результаты. Количество аварий авиатранспорта, происходящих на земле, почти втрое превышает количество аварий авиатранспорта в воздухе.

Эта проблема усугубляется в условиях плохой видимости, так как диспетчеру наземного движения в аэропорту часто приходится полагаться на невизуальную информацию, например на устные сообщения от экипажа самолета, сообщающего о текущем положении самолета на летном поле, или на отображаемую на экране информацию наземной обзорной радиолокационной системы. К сожалению, наземные обзорные радиолокационные станции в помощь диспетчерам наземного движения имеются только в крупнейших аэропортах США. Федеральное управление авиации (FAA) предприняло меры для решения этой проблемы, установив наземные радиолокационные станции типа ASDE-3 в 29 аэропортах и в учебной академии FAA. В остальных аэропортах США полностью полагаются на визуальные наблюдения диспетчеров и сообщений о местоположении самолета от пилотов. Данная проблема усложняется все больше. Большинство наземных обзорных радиолокационных станций, кроме ASDE-3, прослужили уже более 25 лет, сложны в эксплуатации и дают неверную информацию при плохих погодных условиях, когда радиолокационная служба требуется более всего. В результате диспетчер, находясь в диспетчерской, часто полностью полагается на свои наблюдения и сообщения экипажа самолета о своем местоположении на летном поле для выдачи оперативной информации о текущем состоянии летного поля. В условиях плохой видимости диспетчеру буквально приходится задавать экипажу вопрос: "Где вы находились? ", чтобы составить оперативную сводку о состоянии дел на летном поле. В результате, диспетчер должен все время мысленно представлять себе летное поле вместо того, чтобы иметь надежные данные аппаратного обзора.

Современное состояние управления наземным движением и некоторые решения данной проблемы описаны в статье "Автоматизация наземного движения в аэропорту" Ervin f. Lyon, The Lincoln Laboratory Journal, vol. 4, Numern 2, 1991. В статье обсуждается несколько альтернативных вариантов, таких как план автоматизации наземного движения в аэропорту (ASTA) Федерального управления авиации и система безопасности наземного движения в аэропорту (AMASS), развертываемая в настоящее время компанией Norden Systems. AMASS функционирует во взаимодействии с наземной обзорной радиолокационной станцией ASDE-3, в которой используются данные электронного обзора с высоким разрешением, обеспечивающие диспетчерам возможность наземного обзора при любых погодных условиях. AMASS обрабатывает данные ASDE-3 для обнаружения и сопровождения транспортных средств на летном поле, прогнозирование состояния наземного движения в установленный момент времени в будущем (например, через 10 с) и предупреждения диспетчеров о возможных вторжениях на взлетно-посадочные полосы и наземных столкновениях достаточно заблаговременно, чтобы предпринять корректирующие действия. Однако в настоящее время ни AMASS, ни ASDE-3 не обладают способностью опознавать транспортные средства на летном поле.

Одна из предлагаемых систем опознавания, т.е. маркировки с транспортных средств в аэропорту, включает использование наземной системы радиомаяка Mode-3, имеющей около "5 - 7 простых стационарных антенн и связанного с ними электронного оборудования по периферии летного поля". Однако такая система сложна и неэкономична из-за необходимости использования нескольких антенн и связанной с ними электронной аппаратуры на летном поле. Кроме того, нет необходимости оборудовать весь авиационный транспорт ретранслятором Mode-3. Такие аэродромные транспортные средства, как снегоочистители, продуктовые фургоны и буксировщики, не требуют оборудования каким-либо приемоответчиком.

Для обеспечения максимального числа аэропортов системами опознавания транспортных средств, требуется более дешевая система опознавания, которую можно было бы встраивать в существующие системы, чтобы можно было опознавать самолеты и транспортные средства и тем самым усовершенствовать возможность предупреждения столкновений в аэропорту.

Сущность изобретения.

Целью настоящего изобретения является создание системы обеспечения диспетчеров наземного движения в аэропорту информацией о состоянии дел на летном поле, включая маркировочные данные для опознавания обнаруженной цели.

Другой целью изобретения является автоматическое получение и отображение для диспетчеров на экране информации о состоянии наземного движения, содержащей данные опознавания цели и местоположения цели на взлетно-посадочных полосах, рулевых дорожках и других важных для наземного движения местах летного поля.

Еще одной целью изобретения является создание устанавливаемого на самолете ретранслятора малой мощности, который легко встраивается в существующие транспортные средства.

Согласно изобретению система обзора летного поля, способная обнаруживать и опознавать транспортные средства на летном поле, содержит устанавливаемый на транспортном средстве ретранслятор, к которому передается запрос от наземной обзорной радиолокационной станции и который в ответ на данные запрос передает опознавательные данные транспортного средства.

Согласно другому аспекту данного изобретения запросный сигнал, состоящий из последовательных импульсов, вводится в высокочастотный узкий луч, излучаемый наземной обзорной радиолокационной станцией, и транспортный ретранслятор отвечает на сигнал запроса данными опознавания транспортного средства.

В соответствии со следующим аспектом изобретения устанавливаемый на транспортном средстве ретранслятор располагается внутри корпуса наружной световой сигнализации транспортного средства, такой как световая сигнализация предупреждения столкновения самолета.

Данное изобретение обеспечивает авиадиспетчеров наземного движения оперативными данными местоположения транспортного средства на летном поле и опознавания каждого обнаруженного транспортного средства на летном поле. Самолеты, буксировщики, снегоочистители и прочие транспортные средства, обычно работающие на летном поле и создающие потенциальную угрозу столкновения с самолетами, могут быть оборудованы ретрансляторами, чтобы обеспечивать наземную обзорную радиолокационную станцию данными опознавания цели.

Ретранслятор легко встраивается в существующие авиатранспортные средства, поскольку его можно поместить в устройство световой сигнализации предупреждения столкновения самолета и поэтому установка ретранслятора не требует выполнения отверстий в обшивке самолета.

Перечисленные выше и другие цели, признаки и преимущества настоящего изобретения поясняются ниже со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
фиг. 1 изображает схему перемещения на летном поле согласно изобретения;
фиг. 2 изображает функциональную блок-схему согласно изобретению;
фиг. 3 изображает функциональную блок-схему транспортного ретранслятора согласно изобретению;
фиг. 4А-4В изображает блок световой сигнализации предупреждения столкновения ретранслятора согласно изобретению;
фиг. 5 изображает график серии электромагнитных импульсов, излучаемых и принимаемых наземной радиолокационной станцией согласно изобретению;
фиг. 6 изображает альтернативный вариант ретранслятора, в котором используются отдельные антенны для передачи и приема, согласно изобретению.

Предпочтительный вариант реализации изобретения.

Местом использования настоящего изобретения является летное поле аэропорта 10 (фиг. 1). Аэропорт содержит наземную обзорную радиолокационную систему 11, которая обнаруживает и сопровождает транспортные средства, например самолеты, автотранспорт, вертолеты на летном поле. Примером наземной обзорной радиолокационной системы 11 является радиолокационная система ASDE-3, выпускаемая фирмой Norden Systems, Inc. ASDE-3 отображает на экране все транспортные средства, которые могут быть обнаружены основной наземной радиолокационной станцией в радиусе до четырех морских миль (7,412 км) и высотой до приблизительно двухсот футов (6096 см) над землей. Первый и второй самолеты 12, 13 содержат ретрансляторы 14, 15 соответственно, к которым направляется запрос от наземной радиолокационной системы 11 и который в ответ на запрос выдает закодированный сигнал опознавания данного самолета.

Система содержит два основных компонента: наземную обзорную радиолокационную систему 11 (фиг. 2) и установленный на транспортном средстве ретранслятор 16. Наземная обзорная радиолокационная станция 11 представляет собой импульсную радиолокационную систему, содержащую вращающуюся антенну 18, которая принимает сигналы от циркулятора 20 и передает на него данные. Циркулятор 20 направляет принятый сигнал на диплексер 22 и принимает передаваемый сигнал от радиолокационного передатчика. Диплексер 22 направляет принятый от циркулятора 20 сигнал на приемник 26 радиомаяка и радиолокационный приемник 28. Приемник 26 радиомаяка настроен на прием данных опознавания транспортного средства от приемоответчика 16, тогда как радиолокационный приемник 28 настроен на прием данных местоположения транспортного средства на летном поле. Приемник 26 радиомаяка содержит линейный электромагнитный интерфейс, а радиолокационный приемник типично является логарифмическим приемником с автоматической регулировкой усиления, основанной на дальности мешающих отражений, и т.п. Радиолокационный приемник 28 вырабатывает сигнал для процессора 30 обнаружения цели радиолокационной станции, содержащего алгоритм упреждающей обработки цифрового сигнала, для обнаружения цели относительно мешающих отражений и достаточно оперативной скорости сигнала ложной тревоги. Алгоритмы обработки могут содержать корреляционные фильтры, фильтры Калмана, изображения мешающих отражений и прочие известные средства радиолокационной обработки. Процессор 30 обнаружения цели вырабатывает данные в реальном времени, характеризующие местоположение обнаруженных целей, для устройства сопряжения 32 данных о цели, работающего во взаимодействии с блоком 34 сопровождения и отображения.

Приемное устройство 26 радиомаяка настроено на прием данных опознавания от ретранслятора 16 и передачу сигнала на корреляционный процессор 36. Для опознавания цели по опознавательным данным в спектре принимаемого сигнала, корреляционный процессор выявляет синхросигнал и декодирует сигнал двухпозиционной фазовой манипуляции, которые содержатся в принимаемом сигнале. Сразу после передачи синхросигнала ретранслятором опознавательные данные могут передаваться с помощью известного способа модуляции, при котором фаза несущего сигнала является фазой, сдвинутой либо на 0^o, либо на 180^o, для кодирования опознавательных данных. Корреляционный процессор 36 декодирует закодированные опознавательные данные и вырабатывает декодированный сигнал опознавания цели для устройства 32 сопряжения данных о цели, которое объединяет опознавательные данные с данными местоположения обнаруженной цели, поступившими от процессора обнаружения 30. Специалистам в данной области известно, что для правильного декодирования закодированных опознавательных данных требуется наличие точной опорной фазы. Устройство 32 сопряжения данных о цели объединяет данные опознавания и местоположения обнаруженной цели и передает их на блок 34 сопровождения и отображения, который отображает данную информацию на экране диспетчера наземного движения в аэропорту. Таким образом, преимущество настоящего изобретения реализуется путем автоматической интеграции данных о местоположении транспортного средства с данными опознавания данного транспортного средства, такими как его регистрационный номер или номер рейса.

Наземная радиолокационная станция 11 также содержит задающий генератор 38, который выдает импульсный радиосигнал с частотой f_c на линию 40, где f_c равно значению частоты несущей. Типичными частотами несущей f_c являются 15,7 - 17,7 ГГц (в диапазоне K_u) при частоте повторения импульсов около 16 кГц. Запросный задающий генератор 42 вырабатывают и передает импульсный запросный радиосигнал на линию 41, имеющую частоту несущей f₂ (также в диапазоне K_u, которая затем усиливается радиолокационным передатчиком 24 и излучается антенной 18. Импульсный радиосигнал на линии 40 и импульсный запросный радиосигнал на линии 41 объединяются и усиливаются передатчиком 24 (например, TWT), который передает полученный усиленный радиосигнал на антенну 18, излучающую сигналы в свободное пространство. Несмотря на то, что данное изобретение описано в связи с диапазоном K_u, специалисту в данной области понятно, что изобретение не ограничивается этим условием и что можно использовать любой диапазон от L до K_a. Однако наземные радиолокационные станции обнаружения целей обычно работают в диапазоне X или K_u и диапазон K_u является более предпочтительным, поскольку система ASDE в настоящее время работает именно в нем. Циркулярная поляризация предпочтительнее благодаря присущему ей подавлению мешающих отражений от дождя.

Установленный на самолете ретранслятор 16 (фиг. 3) содержит приемопередающую антенну 50 и полосовой фильтр 52, передающей отфильтрованный принятый сигнал на циркулятор 54. Если радиолокационная станция работает в диапазоне K_u, полосовой фильтр должен иметь полосу пропускания около 500 мГц, сцентрированную на приблизительно 15,95 ГГц, для фильтрации как принимаемых, так и передаваемых сигналов. Циркулятор 54 направляет отфильтрованный принятый сигнал на детектор 56 пороговой величины с переменным уровнем, который передает обнаруженный сигнал на линии 58 на матрицу 60 логических элементов, программируемую пользователем. Матрица 60 логических элементов обрабатывает обнаруженный сигнал на линии 58, чтобы определить, должен ли ретранслятор ответить передачей опознавательных данных транспортного средства, на котором он установлен.

Матрица логических элементов 60 содержит дискриминатор импульсов запроса 62, который декодирует обнаруженный сигнал на линии 58 и определяет, является ли обнаруженный сигнал достоверным запросным сигналом от наземной радиолокационной станции. Если это так, генератор запускающих импульсов ответа 64 выполняет процедуру определения, будет ли передаваться ответ. Произвольная выдача ответов дает возможность запрашивающей наземной радиолокационной станции обнаруживать расположенные близко друг к другу транспортные средства, ответы от которых в противном случае могли бы синхронно искажать друг друга. Например, если несколько самолетов выстроилось в очередь на рулежной дорожке в ожидании входа на действующую взлетно-посадочную полосу для взлета, эти самолеты находятся достаточно близко друг к другу и в результате более одного самолета может ответить передачей опознавательных данных на прием каждым из них сигнала запроса. Выдача беспорядочных ответов на запросный сигнал помогает гарантировать, что несколько самолетов или других транспортных средств не будут передавать опознавательные данные на наземную радиолокационную станцию одновременно. Использование узкого излучаемого азимутного луча, например, с шириной пучка около 0,25^o в трехдецибельном диапазоне, также помогает уменьшить число транспортных средств, отвечающих на запросный сигнал одновременно.

Генератор запускающих импульсов ответа 64 позволяет вырабатывать закодированный сигнал опознавания, который формируется и выдается на линию 65 генератором 66 с двухпозиционным фазовым кодированием. Сигнал опознавания принимается по информационной шине 71, например ARINC 429 или 629, MIL-STD-1553. Например, приемоответчик может принимать опознавательные данные, содержащие номер рейса самолета, по системе управления полетами через информационную шину 71. Генератор 66 с фазовым кодированием вырабатывает кодированный сигнал на линии 65 для фазового модулятора 67, который модулирует фазу сигнала, выданного генератором частот 68 и производит сдвиг фазы вверх по частоте, например, в диапазоне K_u, предпочтительно f₂, повышающим преобразователем 69. Повышающий преобразователь 69 передает закодированный сигнал на усилитель мощности 70, выдающий закодированный сигнал передачи ретранслятора на линии 72, который фильтруется и направляется на антенну 18.

Преимущество настоящего изобретения состоит в легкости, с которой его можно использовать на существующих самолетах. Один предлагаемый вариант включает замену наружной световой сигнализации самолета интегральным блоком, функционирующим и как световая сигнализация, и как ретранслятор. Этот интегральный блок может быть выполнен один к одному для замены существующей световой сигнализации. Благодаря достижениям в области миниатюризации радио- и электронных схем, ретранслятор 16 (фиг. 3) может быть заключен в достаточно малый корпус, чтобы его можно было разместить в корпусе световой сигнализации при незначительной модификации размеров или даже без модификации. Это позволяет быстро и легко оборудовать самолет приемопередатчиком без необходимости врезки в обшивку самолета.

Интегральный блок 80 световой сигнализации предупреждения столкновения ретранслятора (фиг. 4a) установлен в обычное гнездо импульсной световой сигнализации. Интегральный блок 80 содержит прозрачный корпус 82, внутри которого смонтирована импульсная вспышка 84 и ретранслятор 16 (фиг. 3). Интегральный блок 80 также содержит электрический соединитель 86, сопрягающийся с гнездом световой сигнализации. На фиг. 4B изображен другой вид (сбоку) интегрального блока 80.

На фиг. 5 показан график 90 серии электромагнитных импульсов, которые излучаются и принимаются наземной радиолокационной системой 11, где по оси y указана мощность, а по оси x - время. В первый промежуток времени T₁ 91 импульсы 92, 94 представляют собой запросные импульсы, передаваемые с наземной радиолокационной станции на частоте несущей f₂, тогда как передаваемый импульс 96 представляет собой импульс радиолокационной станции на частоте несущей f_c, предназначенный для обнаружения транспортных средств на летном поле. В ответ на прием запрашивающих импульсов 92, 94 транспортное средство передает опознавательный импульс 98, информационное содержание которого включает единственные в своем роде данные опознавания транспортного средства. Отраженная от цели высокочастотная энергия, например эхо-сигнал от обшивки цели, показана как принятый импульс 100, который содержит информацию о расстоянии до транспортного средства. Во время второго интервала времени T₂ 102 запросные импульсы 92, 94 вновь передаются вместе с передаваемым импульсом 96. Поскольку вращающаяся антенна переместилась на определенную величину по азимуту относительно начала первого интервала времени T₁, можно запросить другую цель, иную чем первая цель, получив второй импульс опознавания 104, который является опознавательной информацией о второй цели. Импульс 106 представляет собой второй принятый сигнал, являющийся отраженным от цели эхо-сигналом. Следует отметить, что опознавательные данные, например импульс опознавания 98, передаются ретранслятором в течение фиксированного интервала времени после приема запросного сигнала, например 92, 94, достаточного для приема эхо-сигнала от обшивки в точном диапазоне радиолокационной станции.

Во время первого интервала времени T₁ 91 первый самолет 12 получает запрос и отвечает на него импульсом опознавания 98. В начале второго интервала времени T₂ антенна радиолокационной станции 18 (фиг. 2) поворачивается против часовой стрелки на угловую величину θ по азимуту со времени начала первого интервала времени T₁, что приводит к запросу второго самолета 13, и следовательно, ретранслятор 15 передает второй импульс опознавания 104, информационное содержание которого является опознавательным для второго самолета 13.

На фиг. 6 изображен альтернативный вариант ретранслятора 80, в котором используются раздельные антенны для передачи и приема. В этом варианте используются элементы по существу аналогичные элементам варианта на фиг. 3. Основное отличие варианта, изображенного на фиг. 6, состоит в использовании приемной антенны 82 и передающей антенны 84.

Специалисту в данной области понятно, что изобретение не ограничивается этими вариантами и что фактически ретранслятор может быть любым, выполненным с возможностью сопряжения с наземной обзорной радиолокационной станцией. Например, ретранслятор не обязательно должен быть расположен вместе с наружной световой сигнализацией, можно произвести врезку в фюзеляж самолета для его установки. Кроме того, можно установить ретранслятор на шасси самолета, снабдив подходящей защитой от толчков и вибраций, или на дверце шасси, поскольку данное изобретение касается самолетов, находящихся на летном поле или на высоте нескольких сотен футов над летным полем. Хотя это и очевидно, тем не менее следует подчеркнуть, что данное изобретение не ограничивается описанным вариантом интегрального блока.

Настоящее изобретение также не ограничивается ретрансляторами, в которых используется указанная модуляция, можно использовать любую известную модуляцию для кодирования радиосигнала, чтобы обеспечить опознавательные данные для наземной обзорной радиолокационной системы 11. Данное изобретение также не ограничено обнаружением только транспортных средств, радиолокационная система может также использоваться для обнаружения иных целей, например людей, животных или даже мусора на летном поле. Хотя предпочтительной является импульсная радиолокационная система, тем не менее изобретение применимо также и для радиолокационной системы с непрерывным излучением. Кроме того, хотя предпочтительной из соображений экономики является вращающаяся радиолокационная антенна 18, можно также использовать антенную решетку с круговым электронным сканированием. В конечном счете, существует много возможностей обеспечения опознавательными данными ретранслятора кроме информационной шины 71. Опознавательные данные могут быть "зашиты", запрограммированы в съемном блоке, или же можно использовать любые другие способы обеспечения авиационного электронного оборудования опознавательными или комплексными характеристиками цели.

Все описанные изменения и модификации не существенны для данного изобретения, достаточно, чтобы система опознавания транспортных средств на летном поле включала наземную обзорную радиолокационную станцию, которая излучает обычный радиолокационный сигнал и запросный сигнал радиомаяка и принимает отраженный от обшивки цели эхо-сигнал и закодированный сигнал опознавания цели. Закодированный опознавательный сигнал обеспечивается установленным на транспортном средстве ретранслятором малой мощности в ответ на прием запросного сигнала радиомаяка.

Настоящее изобретение заполняет важную брешь в управлении наземным движением в районе аэропорта, обеспечивая диспетчеров наземного движения данными электронного обзора летного поля, включающими данные местоположения и опознавания транспортного средства.

Система опознавания транспортного средства в аэропорту содержит наземную обзорную радиолокационную систему, излучающую обычный радиолокационный сигнал и запросный сигнал радиомаяка. Радиолокационная система принимает отраженный от обшивки цели эхо-сигнал и закодированный сигнал опознавания цели. Закодированный опознавательный сигнал передается ретранслятором, закрепленным на транспортном средстве, например самолете, в ответ на прием запросного сигнала радиомаяка. Ретранслятор может быть расположен в корпусе наружной световой сигнализации транспортного средства, такой как световая сигнализация предупрежденная столкновения самолета. Благодаря обеспечению диспетчеров наземного движения в аэропорту данными электронного наземного обзора летного поля, включающими данные местоположения и опознавания транспортных средств, данное изобретение позволяет заполнить важную брешь в управлении транспортными средствами в аэропорту. 1 з.п.ф-лы, 6 ил.

1. Система опознавания транспортного средства в аэропорту, предназначенная для обнаружения и опознавания транспортных средств на летном поле, содержащая наземную обзорную радиолокационную систему, уплотняющую и излучающую обычный радиолокационный сигнал для обнаружения транспортных средств на летном поле и запросный сигнал радиомаяка и принимающую отраженный от обшивки обнаруженного транспортного средства эхо-сигнал местоположения данного транспортного средства и закодированный сигнал опознавания данного транспортного средства, антенну для излучения уплотненного сигнала и для приема отраженного от обшивки транспортного средства эхо-сигнала и закодированного опознавательного сигнала, радиолокационный приемник для обнаружения и обработки отраженного от обшивки транспортного средства эхо-сигнала для определения местоположения транспортного средства и выработки сигнала местоположения, приемник радиомаяка, настроенный на обнаружение и обработку опознавательного сигнала для опознавания транспортного средства и выработки обработанного опознавательного сигнала, установленный на транспортном средстве ретранслятор для приема и обработки запросного сигнала радиомаяка и для излучения закодированного опознавательного сигнала, если запросный сигнал радиомаяка является достоверным, отличающаяся тем, что содержит генератор для формирования импульсного электромагнитного сигнала с определенным коэффициентом повторения импульсов и с несущей частотой f_c, генератор запроса для формирования запросного импульсного электромагнитного сигнала на частоте несущей f₂, средство уплотнения импульсного электромагнитного сигнала и запросного импульсного электромагнитного сигнала и передачи полученного уплотненного сигнала и средство, реагирующее на сигнал местоположения и обработанный опознавательный сигнал, предназначенные для отображения диспетчеру результатов опознавания и определения местоположения самолета. 2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что значения обеих несущих частот f_c и f₂ находятся в пределах радиолокационного K_и-диапазона.