一种机场跑道安全预警系统及方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及一种机场跑道安全预警系统及方法。
【背景技术】
[0002] 随着全球民航业务的迅速发展，飞行流量不断增长，空中和地面的冲突也日益频 繁，尤其地面跑道安全问题日趋严重，跑道侵入和外来物侵入等不安全事件也在逐年增加。 跑道安全是整个航空运输系统安全的基础，而跑道侵入是典型的跑道安全问题，它极有可 能引起严重的机场安全事故。现有的关于跑道侵入研究如下：
[0003] (一)跑道侵入的定义
[0004] 在美国，FAA将跑道侵入定义为:发生在机场跑道环境内，涉及地面航空器、车辆、 人员或物体，对起飞、准备起飞、降落或准备降落的航空器产生碰撞危险或导致失去最低的 安全间隔的任何事件。加拿大民航组织采用不同的方法来定义跑道侵入:非预期或者授权 的航空器、车辆或人员在未经授权或预期的情况下，进入或试图接近正在使用的跑道的任 何危险事件。这两种定义都只是针对激活跑道的跑道侵入，并不包括大量的对非激活跑道 的跑道侵入。
[0005] 为推动国际合作，共同改善跑道侵入风险，2004年11月25日，国际民航组织（ICA0) 对跑道侵入RI(Runway Incursion)进行了统一的定义，定义规定：跑道侵入是指在机场发 生的任何航空器、车辆或人员误入指定用于航空器着陆和起飞的地面保护区的情况，为跑 道侵入。其中，跑道、滑行道和位于跑道等待位置和实际跑道之间的部分都属于指定的保护 区域。此后，该定义在全球范围内生效。
[0006] (二）引起跑道侵入的原因
[0007]造成跑道侵入的原因有很多，飞行员、交通管制员、车辆驾驶员和行人都可能引起 跑道侵入。FAA对跑道侵入事件进行调查后，将其原因归为三种人为失误:飞行员偏差(PD)、 运行失误(0E)和车辆/行人偏差(V/PD)。飞行员偏差(PD)是指飞行员因违反航空规章而造 成跑道侵入的行为。例如：飞行员在按规定的航线进入机场时，没有遵守空中交通管制 (ATC)关于禁止穿越正在使用中的跑道的指令。运行失误(0E)是由于ATC无法对航空器进行 协调有序管理造成的结果。例如:a.两架或多架航空器之间或航空器与障碍物(包括跑道上 的车辆、设备和人员）之间低于适用的最小间隔；b.允许航空器在关闭的跑道上着陆或起 飞。车辆/行人偏差(V/PD)是指地面车辆和人员未经ATC批准，擅自进入跑道活动区域，干扰 航空器运行的行为。
[0008] 在实际环境中，人为失误只是造成跑道侵入的一部分原因，许多其他因素也对跑 道侵入事件负有责任，如:恶劣的气象条件、机场布局的复杂性、基础设施和系统设计不合 理、日益增长的空中交通量等。这些因素之间并不是孤立的，跑道侵入事故可能是由一连串 事件造成的，是多种因素与人为原因共同作用的结果。
[0009] (三）国内外关于跑道防侵入研究
[0010] 针对日益严重的跑道侵入现象，各研究机构都已投入大量的精力研究和开发防止 跑道侵入的技术设备。目前努力的重点主要集中在两个方面:为飞行员提供位置信息的特 定设备;及时为空中交通管制员提供跑道侵入告警的报警设备。
[0011] 在美国，由FAA制定的跑道侵入防止计划致力于通过美国国家空域系统(NAS)来减 少跑道侵入的发生。RIRP(Runway Incursion Reduction Program跑道侵入减少计划）系统 由飞行导航系统、入侵显示终端等部分组成，可以为飞行员、空中交通管制人员以及地面交 通设施等提供实时状态报告。该系统的雏形已经在达拉斯沃斯堡国际机场投入了技术试验 和性能测试。RIRP需要一种先进的技术来支持，而现在的局域增强系统LAAS是考虑的首选。
[0012] NASA的RIPS(Runway Incursion Prevention System跑道侵入防止系统）是一种 先进的驾驶舱显示系统，能够在平视显示器上显示跑道、滑行道及跑道冲突警告等，主要是 通过技术手段来提高地面状态实时报告、飞行定位和飞行员预警等方面的能力。它与RIRP 的不同之处在于它可以通过HUD(平显技术)和EMM(电子移动地图）实时向飞行员报告当前 地面状态。这一功能的实现是通过ADS-B(广播式自动相关监视）、STIS-B(地面交通信息服 务广播)、LAAS等预警技术来完成的。
[0013] RIRP和RIPS这两种设备的使用都要以花费大量资金对航空器机舱进行改造为代 价，这对大多机场来说都有一定的局限性，要将其进行全球范围的推广使用，还需要一个很 长的过程。
[0014] RWSLs(Runway State Lamps跑道状态灯)是FAA正在测试的另一项技术。状态灯由 一系列嵌在跑道内的起飞等待灯和跑道入口灯组成。一旦检测到潜在的跑道侵入事件，跑 道状态灯会立刻向飞行员发出直接的视觉警报。它们是全自动的告警系统，无需管制员进 行手动操作。如果进入或穿越的跑道是不安全的，红色的跑道入口灯就会被点亮;如果跑道 用于起飞是不安全的，红色的起飞等待灯会被点亮。RSWLs系统并不能单独使用，它也需其 他先进的跑道状态检测设备的支持，两者相结合，才能评估机场上任何潜在的冲突。
[0015] 美国Sensis公司开发的X型机场地面探测设备(ASDE-X)是一种地基雷达系统，通 过地面监控雷达实现机场目标定位，并将行走路线传到管制显示屏上，为空中交通管制员 提供有关防止跑道侵入的决策支持，FAA选定美国35个较繁忙机场，逐步安装ASDE-X系统设 备。AMASS(机场活动区域安全系统)是基于雷达的有意义的信号，在雨雾天准确性降低，它 是ASDE-3雷达的附加增强装置，它们均是高度自动化的计算机系统。两者结合，可以使管制 员更准确地观察到机场的运行情况，以便及时采取必要措施来避免跑道侵入事件的发生。 目前国内的广州白云机场使用了类似ASDE-X的基于场面监视雷达的地面雷达告警设备，能 通过标牌变红和播放警示音对可能出现的地面冲突予以提醒，起到辅助监控的作用。
[0016] 由ICA0制定的另一种基于场面监控雷达的高级场面活动运动引导控制系统A-SMGCS，可以在不改变机场现有布局的前提下，利用先进的技术手段，例如地面监视雷达 (SMR)、多点定位系统(MDS)、广播式自动相关监视(ADS-B)等设备，对整个机场的飞行区和 航站区实现无缝隙覆盖，为管制人员提供一个关于交通状况的清晰的实时图像。A-SMGCS可 以为飞机和工作车辆在机场活动区域内提供精确的引导和调控，更可以避免飞机和车辆间 因目视误差而导致间隔出现偏差的情况。由于A-SMGCS系统可以为各种机场场面移动管理 提供高效且全天候的管理方案，欧美很多国家都已先后将其作为机场配置的重要组成部 分，如德国慕尼黑机场、英国希斯罗机场以及加拿大的多伦多机场等，世界上最繁忙的亚特 兰大机场也已经采用A-SMGCS进行运营。
[0017] 虽然这几种基于场面监控雷达的机场场面管理系统对防跑道侵入可以起到一些 作用，但缺陷在于，告警信号需通过空中交通管制员通知飞行员，而用于告警过程的时间非 常有限。一架滑行的航空器可能在几秒钟内就能越过跑道停机线标志，进入跑道。在这么短 的时间里，要通过一连串的事件来避免跑道侵入事件。首先，系统必须探测到侵入冲突;然 后给管制员发送警告；管制员接到告警信号后要进行分析判断，中间经过信号接受、处理、 传输等环节，而碰撞事故在此间可能已经发生。而且场面监视雷达覆盖能力较小，由地物反 射而产生的假目标较多，存在盲区，且对天气比较敏感，刮风下雨时会产生大量杂波，容易 产生错误的警报。
[0018] 此外，以上所述的这些设备都具有一个共同的特点，这些设备造价都十分昂贵，安 装和使用方式也十分复杂，只有大型机场才能勉力负担安装维护的费用，并不适合在很多 中小型机场进行推广使用。
[0019] 针对上述的这些设备的缺陷，有研究机构考虑到将日益成熟的无线传感网络技术 引入到机场安全管理系统中。无线传感网络作为一种全新的信息获取和处理技术，具有可 靠性高、成本低、易于扩展等特点，十分适合用于机场安全管理。如国内的中国民航大学采 用无线传感网络技术开发的机场特种车定位系统，通过放置在特种车辆及机场固定位置的 传感器节点，实现了对停机坪内特种车辆的定位，对存在危险的车辆进行预警，以避免车辆 碰撞飞机事故的发生。
[0020] 将无线传感网络应用于机场管理，尤其是防跑道侵入领域，是一种全新的尝试，已 有的研究成果还很少。由于机场环境的特殊性，无线传感网络技术的应用既有一定的有利 条件，也有实现的难度，还需要进一步的深入研究。
[0021] 因此，从技术手段出发，开发一套跑道侵入检测告警系统，及时掌握跑道状态，为 跑道侵入提供一种经济实用、灵活可靠的解决方案势在必行，这对减少由跑道侵入引起的 事故，提高我国民航飞行的安全性，具有十分重要的意义。
【发明内容】
[0022] 本发明所解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种机场跑道安全预警 系统及方法，基于无线传感网络进行跑道侵入检测告警，为跑道侵入提供一种经济实用、安 全可靠的技术解决方案，并可根据不同机场的实际情况，可以灵活进行系统配置，以此提高 我国防止跑道侵入的水平。
[0023]本发明的技术方案为：
[0024] -种机场跑道安全预警系统，包括传感器网络、数据转换单元、数据接口单元、交 换机、数据处理服务器、人机交互