一种基于无线传感器网络的机场跑道入侵防御系统的制作方法

本发明涉及通信领域，具体涉及一种基于无线传感器网络的机场跑道入侵防御系统。

背景技术：

随着全球航空运输业发展，大型枢纽机场的飞机起降架次迅速增长，在复杂的机场环境和恶劣的气象条件下，仅靠管制员在监控中心来监控跑道的运行容易产生跑道入侵。传感器网络能够以动态网络的形式从客观世界中获取满足需求的信息，它具有功耗低、成本低、网络自组织、分布式数据管理和网内信息融合等一系列特点广泛的应用于军事、工业控制、环境监测、交通信息采集、危险区域远程监控等诸多领域。同时事件驱动型传感网中的检测节点成本较低，布设难度低，探测精度高，并可通过网内信息融合去除通信中的冗余和降低通信量，重建交通态势信息。采用基于传感器网络技术结合机场现有助航灯光系统，研究高性价比的、适合于国内机场的跑道入侵防御系统，有助于在有限的软硬件条件下充分利用机场容量的目的，使机场平面在何密度、能见度和复杂条件下，支持飞机和车辆安全、有序、迅速的移动，对于保证机场安全具有重要意义。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提供一种基于无线传感器网络的机场跑道入侵防御系统。

本发明的目的采用以下技术方案来实现：

提供了一种基于无线传感器网络的机场跑道入侵防御系统，包括依次通信连接的基于无线传感器网络的跑道交通信息采集装置、跑道入侵分析装置和跑道入侵控制装置，其中，基于无线传感器网络的跑道交通信息采集装置用于通过传感器节点采集防御目标探测信号，并将防御目标探测信号发送至跑道入侵分析装置；跑道入侵分析装置由数据融合模块和跑道入侵检测模块组成，数据融合模块接收防御目标探测信号，并对防御目标探测信号与飞行计划进行融合以对防御目标进行识别，跑道入侵检测模块根据当前的跑道交通态势以及跑道入侵检测规则，输出跑道入侵防御控制指令至跑道入侵控制装置，跑道入侵控制装置根据跑道入侵防御控制指令对机场助航灯光系统进行控制。

优选地，跑道入侵控制装置包括控制助航灯启闭的助航灯光控制模块、用于解析跑道入侵防御控制指令的数据处理模块、用于数据收发的通信模块，以及向助航灯光控制模块、数据处理模块和通信模块提供能源的电源模块。

其中，所述对防御目标探测信号与飞行计划进行融合以对动态目标进行识别，包括：

根据防御目标通过两个相邻传感器节点时的目标检测事件信息得到目标运动速度和目标长度信息，将得到目标长度信息与飞行计划信息进行融合，对跑道上防御目标进行识别，并利用得到目标运动速度，估算得到防御目标通过下一传感器节点之前的运动态势信息。

其中，根据当前的跑道交通态势以及跑道入侵检测规则，输出跑道入侵防御控制指令，具体为：根据预先制定的跑道入侵控制规范，将采集到的目标探测事件信息，以及得到的运动态势信息检测可能的跑道入侵并计算控制策略，将得到的控制策略转化为跑道入口停止排灯或滑行引导指令。

本发明的有益效果为：基于无线传感器网络采集防御目标探测信号，并根据对防御目标探测信号与飞行计划信息的分析结果实现对机场助航灯光系统的控制，进而实现跑道入侵防御，通过无线传感器网络技术的运用，使得机场跑道入侵防御系统较以往其它机场场面监控系统在成本上大大降低。

附图说明

利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1本发明的框图示意图；

图2是本发明跑道入侵分析装置的框图示意图；

图3是本发明跑道入侵控制装置的框图示意图。

附图标记：

基于无线传感器网络的跑道交通信息采集装置1、跑道入侵分析装置2、跑道入侵控制装置3、数据融合模块10、跑道入侵检测模块11、助航灯光控制模块20、数据处理模块21、通信模块22、电源模块23。

具体实施方式

结合以下实施例对本发明作进一步描述。

参见图1，本实施例提供的一种基于无线传感器网络的机场跑道入侵防御系统，包括依次通信连接的基于无线传感器网络的跑道交通信息采集装置1、跑道入侵分析装置2和跑道入侵控制装置3，其中，基于无线传感器网络的跑道交通信息采集装置1用于通过传感器节点采集防御目标探测信号，并将防御目标探测信号发送至跑道入侵分析装置2。

如图2所示，跑道入侵分析装置2由数据融合模块10和跑道入侵检测模块11组成，数据融合模块10接收防御目标探测信号，并对防御目标探测信号与飞行计划进行融合以对防御目标进行识别，跑道入侵检测模块11根据当前的跑道交通态势以及跑道入侵检测规则，输出跑道入侵防御控制指令至跑道入侵控制装置3，跑道入侵控制装置3根据跑道入侵防御控制指令对机场助航灯光系统进行控制。

可选地，如图3所示，跑道入侵控制装置3包括控制助航灯启闭的助航灯光控制模块20、用于解析跑道入侵防御控制指令的数据处理模块21、用于数据收发的通信模块22，以及向助航灯光控制模块20、数据处理模块21和通信模块22提供能源的电源模块23。

可选地，所述对防御目标探测信号与飞行计划进行融合以对动态目标进行识别，包括：

根据防御目标通过两个相邻传感器节点时的目标检测事件信息得到目标运动速度和目标长度信息，将得到目标长度信息与飞行计划信息进行融合，对跑道上防御目标进行识别，并利用得到目标运动速度，估算得到防御目标通过下一传感器节点之前的运动态势信息。

可选地，根据当前的跑道交通态势以及跑道入侵检测规则，输出跑道入侵防御控制指令，具体为：根据预先制定的跑道入侵控制规范，将采集到的目标探测事件信息，以及得到的运动态势信息检测可能的跑道入侵并计算控制策略，将得到的控制策略转化为跑道入口停止排灯或滑行引导指令。

本发明上述实施例基于无线传感器网络采集防御目标探测信号，并根据对防御目标探测信号与飞行计划信息的分析结果实现对机场助航灯光系统的控制，进而实现跑道入侵防御，通过无线传感器网络技术的运用，使得机场跑道入侵防御系统较以往其它机场场面监控系统在成本上大大降低。

在一个实施例中，多个传感器节点部署于设定的机场跑道入侵防御区域中，跑道交通信息采集装置1还包括部署于设定的机场跑道入侵防御区域外的基站，所述基站用于汇聚传感器节点的防御目标探测信号，并将汇聚的防御目标探测信号发送至跑道入侵分析装置。。

可选地，无线传感器网络采用下述的网络模型：将机场跑道入侵防御区域划分为多个大小相同的正方形虚拟网格，每个正方形虚拟网格中选出一个传感器节点作为簇头节点，以管理所在正方形虚拟网格内的传感器节点，两个相邻的正方形虚拟网格间传感器节点可以直接相互通信。

在一个实施例中，每个簇头节点时刻处于活动状态，每个簇头节点在网络初始阶段按照下列公式为所在正方形虚拟网格内的传感器节点计算睡眠/工作周期并广播：

式中，qi表示传感器节点i的睡眠/工作周期，vmax为防御目标的最大运动速度，e为方形目标监测区域的边长，d(ni,o)为传感器节点i所在正方形虚拟网格的簇头节点ni与方形目标监测区域的中心点之间的距离，qmax为设定的最大睡眠/工作周期，min[·]表示求取最小值；

当传感器节点i接收到簇头节点广播的睡眠/工作周期时，若睡眠/工作周期满足qi≥th+ts时，传感器节点i按照qi进入睡眠状态，否则继续保持活动状态，其中th、ts分别为传感器节点从活动状态转换为睡眠状态和从睡眠状态返回活动状态所需要的时间延迟。

在一个实施例中，当第一个传感器节点监测到防御目标时，该传感器节点向其簇头节点发送检测到防御目标的消息，簇头节点收到该消息后向周边的传感器节点广播通知，并通过传感器节点多跳转发的方式将该消息发送至基站，基站接收到消息后估计防御目标在下一时刻的位置，确定防御目标周围的候选传感器节点，并从候选传感器节点中选出合适的传感器节点，通知选中的传感器节点执行下一时刻的跟踪任务。

当传感器节点的睡眠时间到期后，传感器节点被唤醒并查看是否有防御目标进入其感应区域或者是否有执行下一时刻的跟踪任务的通知，如果发现防御目标，传感器节点立刻向自己的簇头节点汇报并在下一睡眠/工作周期保持活动状态以继续监测防御目标，如果收到通知，则在下一睡眠/工作周期保持活动状态，如果既没有发现防御目标也没有收到通知，则在下一睡眠/工作周期进入睡眠状态。

可选地，基站可以根据常规的粒子滤波器跟踪算法来估计防御目标在下一时刻的位置，并将与所述防御目标在下一时刻的位置在预设距离范围内的传感器节点确定为候选传感器节点。

本发明上述实施例提出了传感器节点的睡眠控制机制，根据睡眠控制机制对传感器节点进行有效的睡眠控制，有利于在满足防御目标跟踪的前提下降低能耗，延长无线传感器网络的生命周期；

本实施例在提供的睡眠控制机制中，设定了传感器节点的睡眠/工作周期的计算公式，该计算公式考虑了传感器节点与方形目标监测区域边界间的距离因素，使得传感器节点能够根据自己所在的位置调整自己的睡眠/工作周期，根据该公式计算的靠近方形目标监测区域中心点的传感器节点具有更长的睡眠/工作周期，消耗的能量相对较少，因此能够将节省的能量更大效率地用于进行数据传输任务，从而有利于节省机场跑道入侵防御系统的通信成本。

在一个实施例中，所述从候选传感器节点中选出合适的传感器节点，具体包括：

(1)计算各候选传感器节点的状态值：

式中，zj表示第j个候选传感器节点的状态值，wj、w0分别为第j个候选传感器节点的当前剩余能量、初始能量，rj为第j个候选传感器节点的通信半径，d(nj,sink)为第6个候选传感器节点所在正方形虚拟网格的簇头节点到汇聚节点的距离，b为预设的权重系数，且满足b∈(0.6,1)；

(2)从候选传感器节点中选择状态值最大的候选传感器节点作为跟踪节点；

(3)分别计算剩余候选传感器节点与跟踪节点的协作跟踪有效度；

(4)选择协作跟踪有效度最大的候选传感器节点作为下一个跟踪节点；

(5)分别计算剩余候选传感器节点与新选择的跟踪节点的协作跟踪有效度，依次选择协作跟踪有效度最大的候选传感器节点作为下一个跟踪节点，一直持续到选出预设数目的跟踪节点。

在一个实施例中，设跟踪节点为α，协作跟踪有效度的计算公式为：

式中，yαβ表示剩余的第β个候选传感器节点与跟踪节点α的协作跟踪有效度，wβ为剩余的第β个候选传感器节点剩余能量，wmin为预设的追踪防御目标所需的最低能量门限，cα为跟踪节点α的邻居节点个数，其中邻居节点为传感器节点通信范围内的其他传感器节点，cα∩cβ为第β个候选传感器节点与跟踪节点α的相交邻居节点个数，其中，相交邻居节点为既属于所述第β个候选传感器节点的邻居节点且属于跟踪节点α的邻居节点的传感器节点。

本实施例基于传感器节点的状态值和协作跟踪有效度两个因素动态选择部分传感器节点作为跟踪节点，相对于利于防御目标周围的所有传感器节点来跟踪防御目标的方式，能够在有效地的完成跟踪任务的前提下很好地平衡和节省机场跑道入侵防御系统的通信能量消耗；其中设定了状态值和协作跟踪有效度的计算公式，状态值的计算公式能够较好地衡量单个传感器节点观测跟踪防御目标的能力，协作跟踪有效度能够较好地衡量传感器节点与跟踪节点间的位置相关度，从而能够从侧面反映该传感器节点与跟踪节点协作观测跟踪防御目标的能力，因此，基于传感器节点的状态值和协作跟踪有效度两个因素来动态选择部分传感器节点作为跟踪节点，能够在整体上获得更好的跟踪效果，从而为有效地进行机场跑道的入侵防御奠定基础。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。