飞机识别及入坞引导系统的制作方法

专利名称：飞机识别及入坞引导系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及目标物定位、识别和跟踪系统。特别是涉及飞机的定位、识别和入坞(docking)系统，以及用于在机场中对目标物进行定位及识别和用于在此机场中使飞机安全和有效入坞的地面交通管制方法。
近年来，航运业在客运量、货运量和包括起飞、着陆和其它飞机地面活动在内的其它航空交通方面有了明显增长。需要对所有飞机进行卸货、提供给养服务和日常维修及支持的地面保障车辆的数量也有了显著增长。随着这种地面交通数量的大量增多，对机场中飞机的入坞和识别的控制和安全性提出了更高的要求。
一些旨在检测机场中是否有飞机和其它交通存在的现行技术水平的系统已在美国专利4,995,102；欧洲专利188757；PCT公开申请W093/13104和WO93/15416中公开。
然而，所有这些系统都不能令人满意地监测机场上是否有飞机，特别是在诸如遇到雾、雪或雨雪等引起能见度降低的不利气候条件下。此外，所有前面所公开的系统都不能识别和验证正在接近的飞机的身份轮廓。再者，所有以前的系统都不能在诸如机场加载门的指定停机点为飞机提供适当的跟踪和入坞技术。同样，所有以前的系统中所提供的技术也都不能使仪器得到适当校准。
因此，提供足以在各种气候条件下，在机场中探测诸如飞机和其它地面交通的目标物的充分安全和可靠的系统一直是难题。
此外，长期持续存在着对不仅可以探测诸如飞机的目标物，而且还提供对该被探测目标物进行有效识别和对诸如具有必要确定度的被探测飞机的目标物身份进行验证而不用考虑当时气候条件和地面交通状况的系统需求。
还存在着对能将诸如到来飞机的目标物精确和有效地跟踪和引导至诸如机场加载门的适当停机点的系统的长期持续和尚未满足的需求。此外，为这样的系统提供准确和有效的校准技术是一个尚待解决的持续性问题。
为了克服上述问题，需要有对诸如机场中飞机的目标物能够进行准确、安全、有效和合算的定位，以及对这样的目标物进行正确的识别和身份验证的系统和方法。此外，特别需要有对诸如飞机的目标物以实时操作模式进行跟踪和入坞引导的系统和方法。再者，需要有对这样的操作系统进行校准的系统和方法。
因此，本发明的一个主要目的是提供解决以上问题的系统和方法。在这方面，本发明的一个特别目的是提供可以对机场中的飞机进行准确位置确定和身份验证的入坞引导系统。本发明的另外目的是通过采用该系统和一个个人计算机之间的通讯，通过显示单元为控制机场中飞机的入坞和停放的个体和群体提供信息和用于监测总体方法操作的其它方法。
进一步目的是提供数字精确入坞控制的安全性，并且还提供以极其合算的方式的实现入坞控制。
更进一步的目的是向使飞机入坞的驾驶员、副驾驶员和其他人员提供飞机入坞信息显示，它包含关于从一个适当停止点到飞机之间接近程度的距离信息。另一个重要目的是提供自动比较并确定飞机的定位和接近方向不偏离被入坞的特定类型飞机所必需的适当跑道，特别是，以一倒计数方式在显示器上监视距飞机的接近距离，包括用于入坞的距离、用于入坞的适当中心线的偏离位置以及飞机类型的检查结果。
又一个另外目的是提供不仅为驾驶员或副驾驶员提供方位制导，而且还提供对停机坪扫描以使飞机恰当和安全地入坞的系统。另外的目的是提供可实现最小偏差的精确停止位置的特别灵敏系统。
进一步目的是提供极其灵活，并允许进行诸如增加新飞机类型、备用和辅助停止位置和其它相关信息的对应于机场中的飞机的识别、导航和入坞的新操作参数的系统。
本发明的这些和其它目的通过提供采用诸如激光脉冲的光脉冲以探测机场中目标物是否存在的系统和方法来实现，例如，利用从位于飞机场中捕捉区域内接近目标物方向上的镜子上发射出诸如激光脉冲的光脉冲并收集表示目标物存在的从目标物上反射的光脉冲。类似地，此技术可确定捕捉区域中的飞机位置并由此探测。
本发明还提供用于验证被探测目标物身份的系统和方法，例如，能够确定是正确类型飞机在接近入坞装置和在那里入坞。为确定探测到的形状是否与已知形状对应，这种识别系统和方法以某一角度向一个目标物发射诸如激光脉冲的光脉冲，并在一个能够将被反射脉冲与相应的已知目标物形状的轮廓进行比较的探测装置中收集从目标物上反射回来的脉冲。
此外，本发明提供跟踪接近目标物的系统和方法，其中为了确定该目标物相对于一个预定入坞点所发出的一个虚拟轴的位置和为了探测从该目标物到该预定点之间的距离以达到确定该目标物位置的目的，将诸如激光脉冲的光脉冲发射到该接近目标物上，并收集和采用从该目标物上反射的光。
因此，本发明提供在一个设定的捕捉区域或控制区域内对一个接近飞机的定位或捕捉及对其形状的识别或测定，这对启动一个飞机入坞过程是必需的。此后，与本发明相对应，提供了一个可在进行乘客、货物或类似的卸载的一个适当入坞区域中使该识别了的飞机入坞的显示器。
本发明实现了这些功能，消除了在此以前传感器必须放置在入坞区域停机坪上的规范要求。其结果不仅明显降低了安装时间和辅助成本，而且还减少了此后的维护成本。此外，本发明允许从已有系统改型为现在的系统，而不必象在以前的入坞系统所必需的那样对停机坪结构有一定要求并对正在使用的入坞区域引起干扰。
根据本发明的系统的优先实施例中，向一位引导一架飞机进入一个机场中的一个大门的驾驶员提供一个实时显示器，例如，该显示器悬挂在该大门上方，指示该飞机相对于该驾驶员必须开始使该飞机刹车的点的位置。还显示该飞机相对于此种类型飞机所遵从的一个预定线的横向位置，以使飞机迅速地到达该大门。
本发明的系统的软件中，优先地包括用于执行该系统的主要计算任务和控制硬件的四个模块。这些模块中，一个用于捕捉，一个用于识别，一个用于跟踪和一个用于系统的校准。
在本发明的一个优先实施例中，捕捉模块控制用于发射光脉冲以扫描入坞大门前区域的设备。因此，当使用镜子反射和发射诸如激光脉冲的脉冲时，该捕捉模块持续地引导该激光束扫描此区域直至它探测到有一个目标物进入此区域。一旦它探测到一个目标物，该捕捉模块计算该目标物的距离和角度位置，并将控制过渡到跟踪模块。
一旦被起动，该跟踪模块跟随该接近飞机至大门，同时提供相对于所期望的停止点的有关飞机横向位置和距离的信息。采用此信息，驾驶员可更正飞机行迹并在精确的位置刹车，结果将使飞机停止在对准大门的所期望的入坞位置。在该跟踪期间，一个识别模块首先扫描该被探测目标物以确定其轮廓是否与所期待飞机类型的参考轮廓匹配。如果轮廓不匹配，系统通知航站塔台并发出一个信号以停止入坞操作。
最后，校准模块对距离和角度测量进行校准，以保证诸如激光测距仪(Laser Range Finder)的探测装置的读数精确地与该飞机的距离和角度相对应。这个模块在捕捉和跟踪模块期间周期地运行以确定系统的连续精度。
本发明的特点和优点，将会随同附图的如下的详细描述变得明显。其中

图1是表示机场中使用的系统的示意图；图2是表示相应于本发明的一个优先系统的总体分布示意图；图3是表示为探测和识别接近飞机而建立的在入坞大门前的探测区域的俯视平面示意图；图4是表示系统的主程序和入坞模式的流程图；图5是表示系统的校准模式的流程图；图6是表示校准模式的元件的示意图；图7是表示系统的捕捉模式的流程图；图8是表示系统的跟踪阶段的流程图；图9是表示系统的高度测量阶段的流程图；和图10是表示系统的识别阶段的流程图。
表I是一个用于在本发明的系统中建立一个飞机的身份的一个优先实施例的平面参考轮廓表格；表II是一个为了在本发明的系统中有效和经济地使一个飞机入坞的一个优先实施例的比较表格。
现在对图1—10和表I—II做参考标号，其中各个图中相同的标号表示相同的元件。在下面的详细描述，所示流程图中被标号的阶段一般由该标号后面括号中的单元标号表示。
对于图1，在图中被统一标号为10的本发明系统具有目标物的计算定位、目标物身份的验证和目标物的跟踪的功能，目标物优先设定为飞机12。在操作中，一旦调度塔台14指挥一架飞机12降落，它通知系统一架飞机接近大门16和所期待的飞机的类型(即747，L-1011等)。然后系统10扫描大门16前面的区域直至它对被识别为飞机12的目标物进行定位。然后系统10将飞机12的轮廓与所期望类型飞机的参考轮廓进行比较。如果定位的飞机与所期望的飞机不符，系统向塔14发出通知或信号并停止入坞。
如果目标物是所期望的飞机12，通过为驾驶员实时显示剩余的到恰当停止点29的距离和飞机12的横向位置31，系统10将它导入大门16。在显示器18上提供飞机12的横向位置31以允许驾驶员从正确的角度校正接近大门16的该飞机的位置。一旦飞机12处在停止点53，则在显示器18上显示该情况，并且驾驶员使飞机停止。采用本发明的系统10，应该注意的是一旦飞机12停止移动，不必由地面工作人员对大门16进行调整即可使飞机准确地对准大门16。
参照图2，系统10包括一个激光测距仪(LRF)20，两个镜子21、22，一个显示单元18，两个步进电机24、25，和一个微处理器26。这里使用的适当LRF产品由Laser Atlanta Corporation出售，可发射激光脉冲并接收在远距离目标物上反射回来的那些脉冲并计算这些目标物的距离。
系统10的排列是在LRF 20的串口和微处理器26之间有一连接28。采用这个连接，该LRF 20大约每1/400秒向微处理器26发送测量数据。系统10的被统一设定为23的硬件元件由已编程的微处理器26控制。此外，微处理器26向显示器18输送数据。作为驾驶员的人机界面，显示单元18被放置在大门16的上方，以向驾驶员显示飞机距停止点29的距离、被系统10确认为正在接近的飞机30的类型和飞机的横向位置31。采用此显示器，驾驶员可调整飞机12接近大门16，以确保飞机是在接近大门的正确角度上。如果显示器18显示错误的飞机类型30，驾驶员可在出现事故之前中止接近。由于该系统试图如同737那样操纵一个更大的747，它可能引起大范围的事故，这种双校验保证了乘客、飞机和机场设施的安全性。
除了显示器18，微处理器26处理来自LRF 20的数据，并通过其与步进电机24、25的连接32控制激光束20的方向。步进电机24、25连接到镜子21、22，并根据微处理器26的指令动作。因此，通过控制步进电机24、25，微处理器26能改变镜子21、22的角度，并瞄准来自LRF 20的激光脉冲。
在机场柏油场地上镜子21、22通过向外反射激光脉冲来瞄准激光束。在本优先实施例中，LRF 20不移动。激光扫描由镜子完成。一个镜子22控制激光束的水平角度，同时另一个镜子21控制垂直角度。通过启动步进电机24、25，微处理器26控制镜子的角度，并因此控制激光脉冲的方向。
系统10采用Escap EDM—453型步进电机控制水平镜子20，以实现在±10度内以等效于每步16个微步的大约0.1度的角度步长进行持续水平扫描。对来自读单元的每个应答进行一个角度步进，即大约2.5ms。可控制垂直镜子21以实现在-20和-30度之间以对应每2.5ms一个步进的大约0.1度的角度步长进行垂直扫描。当机头高度被确定并当飞机12被识别时，采用垂直镜子21进行垂直扫描。在跟踪模式期间，持续调整垂直镜子21以使水平扫描始终跟踪飞机12机头尖。
参照图3，系统10将其前面的场地根据距离分成三部分。大约50米以外的最远的部分，是捕捉区域50。在此区域50，系统10探测该飞机的机头并粗略估计飞机12的横向和纵向位置。在捕捉区域50以内是识别区域51。在此区域，系统10根据已存贮的轮廓验证飞机12的轮廓。该系统10在显示器18上显示在此区域中的飞机12相对于一个预定线的横向位置，最后，最接近于LRF 20的是显示或跟踪区域52。在此显示区域52，系统10以最高精确度显示飞机12相对于准确停止位置的横向和纵向位置。在显示区域52的末端是停止点53。在停止点53，飞机将处于大门16的准确位置。
除了硬件和软件，系统10还具有容纳对应于其可能遇到的飞机类型参考轮廓的数据库。在此数据库里，该系统存贮了对应每种飞机类型的轮廓，作为反映所期望的那种飞机类型的回波图案的一个水平和垂直轮廓。
参照表格I，系统以表格I的形式保存水平轮廓，表格I的行40以角度步长编号，其列41以距那种类型飞机的停止位置的距离进行编号。除了已编号的行外，表格中还包含一个提供在到LRF的每个距离处飞机机头的垂直角度的行42、一个提供对应轮廓的格式系数k的行44、和一个提供对应每个轮廓分布距离值的序号行44。表格I中的主体43包含在所期望的在各种扫描角度下对应于那种飞机类型的距离和到停止点53的距离。
理论上讲，对应50个角度步长和到停止点53的50个距离需要表格I中包含50×50，或2500个项。然而，由于轮廓数值并不要求对应所有距离的所有角度上的反馈值，表格I包含的项实际上将远少于这个数。典型表格实际上要求包含500到1000个数据。所熟知的编程技术提供了运用部分完整表格的方法而不采用完整表格需要的存贮空间。
除了该水平轮廓外，系统10还保存每种飞机类型的垂直轮廓。除了它的行以垂直方向上的角度步长编号以及其列编号中包含的到停止位置的距离比水平轮廓更少外，这个轮廓的存贮方式与水平轮廓相同。由于它只是用于在识别区域51中距LRF 20的距离的限定范围内识别飞机12和确定其机头高度，故而垂直轮廓需要较少的行。因此，垂直轮廓只存贮在此范围内所期望的回波而不在不需要的数据上浪费数据存贮空间。
系统10采用前面所描述的硬件和数据库对飞机进行定位、识别和跟踪，其步骤如下参照图4，在该微处理器中运行的软件执行包含校准模式60、捕捉模式62和入坞模式64的子程序的一个主程序。该微处理器首先执行校准模式60，然后是捕捉模式62，最后是入坞模式64。一旦飞机12入坞，程序结束。这些模式进一步详细描述如下校准模式为保证系统的精度，对应图5所示的步骤，在飞机12被捕捉之前和在跟踪的各个间隔期间，对微处理器26编程以使其进行自校准。系统10的校准保证了步进电机24、25与瞄准方向之间的关系为已知。LRF 20的长度测量性能也被较验。
参照图6，为了校准，系统10采用一个已知位置上的方平板66。平板66在距LRF 20有6米的位置安装，高度与LRF 20相同。
为了校准，系统将(α，β)设定为(0，0)以引导激光束向前的发射。然后如此放置垂直镜子22以使激光束向后引导至重新引导光束至校准平板66的后部或附加镜子68(100)。然后微处理器26采用步进电机24、25来移动镜子21、22直至它找到校准平板66的中心。一旦它找到校准平板66的中心，微处理器26存贮在那一点上的角度(αcp，βcp)并将它们与已存贮的期望角度进行比较(102)。系统10还将所记录的距校准平板66中心的距离与已存贮的期望数值比较(102)。如果所记录的数值与存贮的数值不符，微处理器26改变确定所期望数值的校准常数，直至它们相符(104，106)。然而，如果这些数值与安装时的所存贮数值偏差太大，则发出一个警报(108)。
捕捉模式开始，航站塔台14通知系统10等待一个接近的飞机12和所期待飞机的类型。这个信号如图8所示地驱动软件进至捕捉模式62。在捕捉模式62，微处理器26采用步进电机24、25来引导激光水平扫描捕捉区域50以寻找飞机12。这个水平扫描在捕捉区域50的中心点以相应于所期望类型飞机的机头高度的垂直角度进行。
为了确定扫描的准确高度，微处理器26计算激光脉冲的垂直角度如下βf＝arctan[(H-h)/lf]式中H＝LRF 20离地面的高度，h＝所期望飞机的机头高度，lf＝从LRF20到捕捉区域50的中心的距离。由这个公式可求出一个对应所期望飞机12在捕捉区域50的中心处可使搜索以正确高度进行的镜子21的垂直角度。另一方面，系统10可在数据库中存贮对于处于某一距离的不同类型飞机的βf数值。然而，由于它只能在距LRF 20的单一距离处捕捉飞机12，因此所存贮的βf限制了系统10的灵活性。
在捕捉区域50并通过采用此垂直角度，微处理器26引导激光束以大约0.1度间隔的脉冲水平扫描。该微处理器26通过改变角度α，一个与从LRF 20开始的一个中心线所成的水平角度，在开始安装时限定的数值±αmax之间进行水平扫描。典型地，αmax设定为50，即采用0.1度脉冲，等效于5度并导致10度范围扫描。
在捕捉区域50，激光脉冲的发射引起来自目标物的回波或反射。LRF 20的探测装置捕捉反射脉冲，从发射脉冲到接收回波之间的时间计算到目标物的距离，并向微处理器26发送对应每个回波所计算出的距离数值。微处理器26在一个数据存贮装置中的各寄存器中存贮捕捉区域50中的每1度区段中的总的回波或碰撞(hits)数(70)。由于脉冲以0.1度间隔产生，在每个区段可产生多至10个回波。微处理器26存贮用变量sα命名的这些碰撞，其中α从1到10变化，反映10度的捕捉区域50的每1度部分的情况。
除了存贮每个区域的碰撞数外，该微处理器26在一个数据存贮装置中还存贮对应每个碰撞或回波的从LRF20到该目标物的距离。存贮每个反射的距离需要足够大的存贮介质，以使在捕捉区域50的每1度中存贮多至10个碰撞或多至100个可能数值。在很多情况下，因为大多数输入是空的，所熟知的编程技术可将存贮量要求降低，分配给这些数值所需的寄存器数目低于100个。
一旦从一次扫描中得到这个数据，微处理器26通过统计和sα来计算扫描中回波的总数sT。然后，微处理器26计算3个相邻区段的回波的最大总和sM(72)。换句话说，sM是(sα-1，sα，sα+1)的最大总和。
一旦计算出sM和sT，微处理器26确定回波是否来自一个正在接近的飞机12。如果sM不大于24，则表明没有找到飞机12，并且微处理器26返回到捕捉模块62的开始处。如果回波的最大总和sM大于24(74)，则表示一个“可能”的飞机12已被定位。如果一个“可能”的飞机12已被定位，则该微处理器验证sM/sT是否大于0.5(76)，或者具有最大总和的3个相邻区域是否至少包含在扫描中所接收的所有回波数的一半。
如果sM/sT大于0.5，微处理器26计算回波中心的位置(78，82)。回波中心的角度位置计算如下αt＝αv+(Sα+1-Sα-1)/(Sα-1+Sα+Sα+1)其中sα给出sM的sα，αv是对应于该sα的角度区段。
回波中心的纵向位置计算如下lt=(1/n)i=1Σ10lavi]]>其中lavi是当脉冲从扇区αv返回的一个回波的测量数值，或距目标物的距离；n是在此区域的测量数据的总数(78，82)。由于测量数据的最大可能总数是10，n必须小于或等于10。
然而，如果sM/sT＜0.5，则可能由雪或在近距离范围内的其它飞机引起回波。如果是由近距离范围内的飞机引起，那个飞机可能被定位在离中心线非常接近处，因此假设αv应为0而不是前面所计算的数值，并且1t应为由3个中间扇区得出的平均距离(80)。如果距离分布太大，微处理器26没有找到一个飞机12，则返回到捕捉模式62的开始处(81)。
计算完飞机12的位置后，系统10切换到入坞模式64。
入坞模式图4所示的入坞模式64包括三个阶段，跟踪阶段84、高度测量阶段86和识别阶段88。在跟踪阶段84，系统10监测接近飞机12的位置并通过显示器18向驾驶员提供关于飞机的轴向位置31和距停止点53的距离的信息。系统10通过水平扫描开始跟踪飞机12。
参照图8，在跟踪阶段84的第一次扫描期间，微处理器26控制LRF20以单一角度步长α，或优先地以0.1度间隔在(αt-αp-10)和(αt+αp+10)之间发送出激光脉冲，其中αt是在捕捉模式62期间确定为回波中心的角度位置，αp是在包含距离数值的当前轮廓列中的最大角度位置。
第一次扫描后，α以每个接收到的LRF数值的一个步长在(αs-αp-10)和(αs+αp+10)之间向后或向前步进。其中αs是在前面的扫描中确定的方位角度位置。
在跟踪阶段84，垂直角度β被设定到对应从参考轮廓表格I中得到的被识别飞机12目前距LRF 20的距离处所需的量级。该当前轮廓列指表示一个位置小于但接近于lt的列。
微处理器26采用距停止点53的距离从轮廓表格I中寻找对应飞机当前距离的垂直角度。在第一次扫描期间，在捕捉模式62期间计算的距离lt确定轮廓表格I中的适当列并由此确定飞机12的角度。对于每个后续的扫描，微处理器26采用反映距停止点53的当前距离的轮廓表格I的列中的β(112)。
采用从扫描和水平轮廓表格I得到的数据，微处理器26建立比较表格II。参照表格II，比较表格II是一个二维表格，将脉冲数或角度步进数标号为91，行标号为i。采用这种标号，对应每个行可以表格中列的形式查索到如下信息li92，在这个角度步长下的距目标物的测量距离；lki93，对由偏移引起的轨迹不正的测量数据补偿(等于li减去在最后扫描期间的总偏移数值sm，减去数值i乘上在最后扫描中每个步进期间的平均偏移sp，即(li-(sm-isp))；di94，生成的轮廓与参考轮廓之间的距离(等于在轮廓距离j处相应角度的轮廓数值rii减去lki)；ai95，飞机机头与测量仪器之间的距离(等于在0度处的参考轮廓数值ri50减去di)；ac96，每个步进后所估算的机头距离(等于在最后扫描结束时的机头距离am，减去数值i乘上sp)；ad，所估算和测量的机头距离的偏差(等于ai减去ae的绝对值)；和表示可能由一个飞机引起的回波的符号97(Note 97)。
在跟踪阶段84的第一次扫描期间，系统10采用表明小于但接近于数值lt的一个飞机位置i的水平轮廓列。对于每个新扫描，选择其数值小于但接近于(am-sm)的轮廓列，其中am是对于飞机12的最后测量距离，sm是在最后扫描期间的飞机的偏移。此外，将轮廓的数值横向偏移αs以补偿该飞机的横向位置(112)。
在每次扫描期间，微处理器26还产生一个距离分布表格(DDT)。这个表格包含如出现在比较表格II时的数值ai的分布。因此，DDT具有一个表示10到100米之间内在1米增量下在比较表格II中的每个ai数值出现次数的项。
每次扫描后，系统10采用DDT计算到正确停止点53的平均距离am。微处理器26扫描DDT中的数据以寻找在DDT中的其值总和最大的两个相邻项。然后，微处理器26在比较表格II中对包含对应于具有最大和的两个DDT行中任一行的项ai的每个行，在符号97列中进行标记(114)。
然后，系统10确定横向偏差和偏移(116)。微处理器26首先设定2d＝αmax-αmin其中αmax和αmin是比较表格II中di数值连续标志块中的最大和最小α数值。此外，微处理器26以Y1＝∑di计算块中的标志di的上半部分，并以Y2＝∑di计算块中的下半部分。采用Y1和Y2，“a”116计算如下a＝kx(Y1-Y2)/d2其中k由参考轮廓给出。如果“a”超过一个优先设定为1的给定值，则假设有一个大约等于“a”的横向偏差。然后使比较表格II中的li列移位“a”个步长，并重新计算比较表格II。此过程一直持续到“a”小于一个优先为1的根据经验建立的数值。li列的总偏移αs被认为等于横向偏差或偏移(116)。如果横向偏移比一个优先设定为1的预定数值大，则在下一次扫描前横向调整轮廓(118，120)。
在横向偏移校验后，微处理器26在显示器18上提供对应于飞机12的横向位置31的轮廓的总的横向调整量(122)。
接下来，微处理器26计算到该飞机的机头距离am，am＝∑(flaggcd ai)/N其中N是标志ai的总数。通过从到该机头的距离中扣除从LRF 20到停止点53的距离，微处理器26采用am计算飞机12到停止点53的距离(124)。
一旦它计算出到停止点53的距离，该微处理器26计算在最后扫描期间的平均偏移sm。在最后扫描期间的偏移可计算如下
Sm＝am-1-am其中am-1和am属于最后两次扫描。对于在跟踪阶段84中的第一次扫描，sm设定为0。
在每个步进期间的平均偏移sp可计算如下Sp＝Sm/P其中P是对应最后扫描周期的总的步进数。
微处理器26通过在显示单元18，29上显示来通知驾驶员到停止位置53的距离。通过在每次扫描后显示到停止位置29、53的距离，该驾驶员实时地接收有关飞机12距停止点距离的持续更新的信息。
如果飞机12处于显示区域52，则将横向位置31和纵向位置29均显示在显示器18上(126，128)。一旦微处理器26显示飞机12的位置，则该跟踪阶段结束。
一旦它完成该跟踪阶段，微处理器26通过验证在最后扫描中标记行的总数除以总测量数值或回波的数量是否大于0.5来判断跟踪是否丢失(83)。换句话说，如果超过50％的回波不对应于该参考轮廓，则跟踪丢失。如果跟踪丢失并且飞机12距离停止点的距离大于12米，则系统10返回到捕捉模式62(85)。如果跟踪丢失并且飞机12距停止点53的距离小于或等于12米，则系统10开启停止信号以通知驾驶员跟踪丢失(85，87)。
如果跟踪没有丢失，则该处理器26确定机头高度是否被确定(130)。如果高度尚未被确定，微处理器26进入到高度测量阶段86。如果高度已被确定，则微处理器26验证飞机是否被识别(132)。
在如图9所示的该高度测量阶段，微处理器26通过引导LRF 20垂直扫描来确定机头高度。系统采用机头高度以保证水平扫描横扫过机头端部。
为了验证机头高度，该微处理器26将β设定为一个预定数值βmax，然后以每个接收/反射脉冲0.1度间隔的步长使其降低，直至达到另一个预定数值βmin。βmin和βmax在安装期间设定，其典型值分别为-20和30度。当β达到βmin后，该微处理器向上引导步进电机24，25直至它达到βmax。通过将α设定为前次扫描的方位位置αs，进行垂直扫描。
通过采用测量的飞机距离，该微处理器26选择最接近测量距离的垂直轮廓表格中的列(140)。通过扫描得到的数据和垂直轮廓表格中的数据，该微处理器26创建一个比较表格II。对于图4，比较表格II是一个二维表格，将脉冲数或角度步进数标号为91，行标号为i。采用这种标号，对应每个行可以列的形式查索到如下信息li92，在这个角度步长下的距目标物的测量距离；lki93，补偿对由偏移引起的轨迹不正的测量数据(等于li减去在最后扫描期间的总偏移数值sm，减去数值i乘上在最后扫描中每个步进期间的平均偏移sp)；di94，生成的轮廓与参考轮廓之间的距离(等于在轮廓距离j处相应角度的轮廓数值rii减去lki)；ai95，飞机机头与测量仪器之间的距离(等于在0度处的参考轮廓数值rj50减去di)；ac96，每个步进后所估算的机头距离(等于在最后扫描结束时的机头距离am，减去数值i乘上sp)；ad，所估算和测量的机头距离的偏差(等于ai减去ae的绝对值)；和表示可能由一个飞机12引起的回波的符号97。
在每次扫描期间，微处理器26还产生一个距离分布表格(DDT)。这个表格包含如比较表格II中的数值ai的分布。因此，该DDT具有一个表示10到100米之间内以1米为增量的在比较表格II中的每个数值ai的出现次数的项。
每次扫描后，系统10采用DDT计算到正确停止点53的平均距离am。微处理器26扫描DDT中的数据以寻找在DDT中的其总和最大的两个相邻项。然后，微处理器26在比较表格II中对包含对应于具有最大和的两个DDT行中任一行的项ai的每个行，在符号97列中进行标记(142)。
一旦它完成到正确停止点53的平均距离的计算，微处理器26计算在最后扫描期间的平均偏移。在最后扫描期间偏移的计算如下sm＝am-1-am其中am-1和am属于最后两次扫描。对于在跟踪阶段84中的第一次扫描，sm设定为0。对于每个步进的平均偏移sp可计算如下sp＝sm/P其中P是对应最后扫描周期的总的步进数。
通过将标称机头高度，即所期望飞机空载时的预定高度，加上垂直或高度偏差来计算实际机头高度。因此，为了确定机头高度，系统10首先确定垂直或高度偏差(144)。垂直偏差可通过如下设定计算
2d＝βmax-βmin其中βmax和βmin是对于比较表格II中di数值的连续标志块的最大和最小β数值。此外，微处理器26以Y1＝∑di计算块中的标志di的上半部分，并以Y2＝∑di计算块中的下半部分。采用Y1和Y2，“a”计算如下a＝kx(Y1-Y2)/d2其中k由该参考轮廓给出。如果“a”超过一个优先设定为1的给定值，则假设有一个大约等于“a”的垂直偏差。然后，使比较表格II中的li列移位“a”个步长，并刷新(re-screen)比较表格II和重新计算“a”。此过程一直持续到“a”小于一个优先为1的给定数值。第li列的总移位βs被认为等于高度偏差(144)。然后调整垂直比较表格II中的βj值为βj+△βj，其中高度偏差△βj为△βj＝βsx(amβ+as)/(aj+as)式中amβ是当计算βs时am的有效值。
一旦高度偏差确定，微处理器26校验其是否大于一个优先为1的预定值(146)。如果该偏差大于那个数值，则对应那个偏差，微处理器26垂直调整该轮廓(148)。微处理器26将垂直调整量作为与标称机头高度的偏差存贮(150)。该飞机的实际高度是标称机头高度加上该偏差量。一旦它结束高度测量阶段86，则微处理器26返回到跟踪阶段84。
如果微处理器26已经确定机头高度，它跳过高度测量阶段86并确定飞机12是否被识别(130，132)。如果飞机12已被识别，则微处理器26校验飞机12是否已经到达该停止位置(134)。如果已经到达该停止位置，则该处理器26显示停止标志，并且系统10完成入坞模式64(136)。如果飞机12尚未到达停止位置，则微处理器26返回到跟踪阶段84(134)。
如果飞机12未被识别，微处理器26校验飞机12距停止位置53的距离是否小于或等于12米(133)。如果飞机12距停止位置53的距离不超过12米，则系统10显示停止标志以通知驾驶员识别失败(135)。显示完停止标志后，该系统10关闭。
如果飞机12距停止位置3的距离大于12米，则微处理器26进入图10所示的识别阶段(133，88)。在识别阶段88，微处理器26创建一个比较表格II以反映另外的垂直扫描的结果和该轮廓表格中的内容(152，154)。由于前面的扫描已经提供了足以确定高度但不足以识别的数据，另外的垂直扫描在识别阶段88中进行。实际上，在得到可靠的识别之前需要多次扫描。在计算垂直偏移156，校验它不过大158和对应于偏移垂直调整轮廓160，直至偏移降低至低于一个优先为1的给定量之后，微处理器26计算在被标记的回波与该轮廓之间的平均距离以及此被标记的回波与这个平均距离之间的平均距离(162)。
在垂直和水平扫描之后，所测量的与正确的轮廓之间的平均距离dm以及与这个平均距离的偏差T计算如下dm＝∑di/NT＝∑|di-dm|/N对于两个轮廓，如果T均小于一个优先为5的给定数值，只要接收到足够数量的回波，则飞机12被判断为是该正确类型(164)。是否接收到足够数量回波的依据是N/sizc＞0.75其中N是“接收”回波的数量，“size”是最大可能数量。如果飞机12不是该正确类型，则该微处理器显示停止标记136并暂停入坞模式64。一旦微处理器26完成该识别阶段88，则返回到跟踪阶段84。
连同其具体实施例对本发明的描述，那些在此领域的技术人员将明白，在不背离如后附权利要求限定的本发明的思想和范围的情况下可进行很多变化。
表格I
表格II
权利要求
1.一种用于验证一个被探测目标物形状的系统，包括用于向一个目标物以一个角度坐标发射光脉冲的装置；用于收集从所述目标物反射回的光脉冲并确定所述目标物的探测形状的装置；和用于将所述探测形状与一个对应于一个已知目标物形状轮廓进行比较并确定所述探测形状是否与所述已知形状相符的装置。
2.根据权利要求1的系统，其中采用用于调整一个镜系统的装置向该镜系统发射光脉冲以向外发射光脉冲。
3.根据权利要求1—2系统，其中所述对应于一个已知目标物形状的轮廓包括距停止点不同距离处的所期望反射脉冲组。
4.根据权利要求1—3的系统，进一步包括用于探测在一个捕捉区域内目标物是否存在的装置，所述探测装置包括所述可调整镜系统，将所述光脉冲向外发射在一个预定平面内，以使所述发射的光脉冲从一个捕捉区域内的一个目标物反射；用于处理所收集到的从该捕捉区域内所述目标物反射的光脉冲以探测此目标物是否存在的装置。
5.根据权利要求4的系统，其中所述捕捉区域包括一个在所述发射光脉冲的所述平面中的一个区域，所述区域被限定为一个相对于一个从所述镜系统延伸的轴和距所述镜系统的预定轴向距离处的预定角度结构，且所述区域被划分为由从所述镜系统向外延伸的光线限定的多个角度区间。
6.根据权利要求4—5的系统，其中采用发射在所述预定平面的所述光脉冲重复扫描所述捕捉区域，直至根据对所述收集到的从所述目标物反射的光脉冲处理结果探测到一个目标物。
7.根据权利要求4—6的系统，其中所述目标物是一架其机头部分处于距机场的表面一个预定垂直高度的飞机。
8.根据权利要求4—7的系统，其中所述可调整镜系统以一个相对于所述机场的所述表面的一个预定角度发射所述光脉冲，以使所述光脉冲横扫所述飞机的所述机头部分。
9.根据权利要求2—8的系统，其中所述可调整镜系统由步进电机在一个已编程的微处理器的控制下操作。
10.根据权利要求2—9的系统，包括一个用于调整镜系统以使该发射的光脉冲扫描捕捉区域的微处理器和一个用于接收有关从一个目标物反射的光脉冲的数据的数据存贮装置，所述数据存贮装置包含与该接收数据进行比较的比较信息，所述微处理器采用所述接收数据和所述比较信息来确定一个目标物是否进入该捕捉区域。
11.根据权利要求10的系统，其中所述接收数据包括在该捕捉区域的每个区段从一个探测目标物上反射的脉冲数，和所述比较信息包括用于确定一个探测目标物与用于收集该光脉冲的所述装置之间距离的数据。
12.根据权利要求9—10的系统，其中在所述捕捉区域的每次扫描中，微处理器统计反射脉冲数；所述微处理器确定三个相邻区段的反射脉冲的最大总和；和如果对于三个相邻区段的反射脉冲的最大总和是至少在所述相邻三个区域中发射的脉冲总数中的一个预定最小数值，并且在具有最大总和的相邻三个区段中的反射脉冲数多于在所述捕捉区域的扫描中反射脉冲总数的一半，则所述微处理器确定探测到一个目标物。
13.根据权利要求1—12的系统，其中包括用于跟踪一个接近目标物的装置，所述跟踪装置包括用于探测所述目标物相对于从一个预定点发射的一个虚拟轴线的位置，并用于探测所述目标物与所述预定点之间距离从而能跟踪所述目标物位置的装置。
14.根据权利要求13的系统，其中产生的一个比较表格来包含有关所收集光脉冲的信息，和所述信息与一个表示已知目标物形状的轮廓表格进行比较；产生的一个距离分布表格来对每个所采集光脉冲记录该目标物与所述收集装置之间的距离分布；和根据所述目标物相对于所述目标物的一个所期望停止位置的探测位置计算一个平均距离。
15.根据权利要求14的系统，其中通过对该距离分布表格中具有最大总和的两个相邻项对应的该比较表格中的项记录的到所述停止位置的距离求平均，来计算到停止位置的平均距离。
16.根据权利要求13—15的系统，包括一个指示从该目标物到一个停止点的距离、目标物的类型和相对于所述虚拟轴线的该目标物位置的显示器。
17.根据权利要求14—16的系统，其中该平均停止距离被传送到装载在该飞机上的计算机，使得当所述飞机到达所述停止位置时，该计算机将飞机停止。
18.根据权利要求1—17的系统，进一步包括用于为了校准所述系统向处于一个已知角度方位和在一个距用于引导所述反射光线的所述装置的已知距离处的校准元件引导所述发射光脉冲的装置。
19.根据权利要求18的系统，其中用于引导所述发射光线的装置包括一个第二镜系统。
20.根据权利要求18—19的系统，其中所述光脉冲从所述目标物反射并由一个探测器接收；根据在所述探测器接收的所述脉冲和相应于预定的角度参数，确定一个该目标物相对于所述光源的探测角度方位；将所述探测的角度方位与所述已知角度方位进行比较，以确定所述探测角度方位是否对应于所述已知的角度方位。
21.根据权利要求20的系统，进一步包括如果所述探测的角度方位与所述的已知角度方位不对应，则调整该角度参数，以使该探测的角度方位基本上对应于该已知角度方位。
22.根据权利要求20—21的系统，进一步包括根据预定的距离参数确定从所述光源到该目标物的该探测距离；将所述探测距离与一个从所述光源到所述目标物的已知距离进行比较，以确定所述探测距离是否对应于所述已知距离。
23.根据权利要求20—22的系统，进一步包括如果所述探测距离与所述的已知距离不对应，则调整该距离参数以使得该探测距离基本上对应于该已知距离。
24.根据权利要求18—20的系统，其中校准从所述用于引导所述发射光线在一个水平面上的装置到所述校准装置的距离和角度方位，而从所述用于引导所述发射光线在一个垂直面上的装置到所述校准装置的距离和角度方位保持恒定。
25.根据权利要求1—24的系统，其中所述光脉冲是激光脉冲。
26.根据权利要求1—25的系统，其中所述轮廓存贮在一个存储装置中。
27.一种用于跟踪一个接近的目标物的系统，包括用于产生光脉冲的装置；用于向外发射所述光脉冲至一个接近目标物和用于从所述目标物反射所述光脉冲的装置；用于收集从所述目标物反射的该光脉冲的装置；用于探测相对于从一个预定点发射的一个虚拟轴线的位置和用于探测所述目标物和所述预定点之间距离，从而可进行所述目标物定位跟踪的装置。
28.根据权利要求27的跟踪系统，其中该光脉冲是激光脉冲。
29.根据权利要求27—28的跟踪系统，其中通过用于调整一个镜系统的装置将该光脉冲发射到该镜系统以向外发射该光脉冲至一个接近目标物。
30.根据权利要求27—29的跟踪系统，其中一个微处理器提供用于监测所述目标物位置的装置。
31.根据权利要求27—30的跟踪系统，其中产生的一个比较表格来反映有关该激光扫描的信息并使此比较表格与一个指示已知目标物形状的轮廓表格进行比较；产生的一个距离分布表格来对每个反射脉冲记录该测量装置距该目标物的机头的距离分布；和计算一个距一个所期望停止位置的平均距离。
32.根据权利要求27—31的跟踪系统，其中通过对该距离分布表格中具有最大总和的两个相邻项对应的该比较表格中的项记录的到所述停止位置的距离求平均，计算到停止位置的平均距离。
33.根据权利要求27—32的跟踪系统，其中一个显示器显示从该目标物到该停止位置的距离、目标物的类型和目标物相对于中心的位置。
34.根据权利要求27—33的跟踪系统，其中该平均停止距离被传送到装载在该飞机上的计算机，使得当所述飞机到达所述停止位置时，该计算机将飞机停止。
35.一种用于验证一个探测目标物形状的方法，包括以角度坐标向一个目标物发射光脉冲；将所述脉冲反射回至一个探测器并根据所述反射脉冲确定该目标物的探测形状；将所述探测形状与一个对应于一个已知目标物形状的轮廓进行比较；和确定所述探测形状是否与所述已知形状相符。
36.根据权利要求35的方法，其中对应于一个已知目标物形状的该轮廓包括在距该停止点不同距离处所期望的多组反射脉冲。
37.根据权利要求35—36的方法，其中对一个微处理器进行编程以识别一个目标物。
全文摘要
一种用于通过采用激光脉冲以获得在一定距离处一个目标物的轮廓来探测飞机形状、识别飞机身份和使飞机入坞的系统。该系统最初扫描大门前的区域直至它定位和识别一个目标物。一旦该目标物的身份为已知，该系统跟踪该目标物。通过采用来自该轮廓的信息，该系统能实时地显示飞机的类型、距停止点的距离和该飞机的横向位置。
文档编号G08G5/06GK1167538SQ9419520
公开日1997年12月10日 申请日期1994年10月14日 优先权日1994年10月14日
发明者拉丝·米尔加德 申请人:斯堪的纳维亚空港技术公司