在跑道对正飞行中的目视精度分析

2022-09-10

随着航空业的不断发展, 大量先进的科技运用到飞行中, 仪表飞行的出现从一定程度上解决了航路飞行管制和机场管制的压力。但由于机场的繁忙程度越来越高, 目视进近程序的优越性便体现出来, 目视进近程序会很大程度地解决机场的管制压力, 从而也将为提高运行终端容量提供可靠的保证。航空器自发明以来最原始也是最直接的飞行就是目视飞行, 每个飞行员最先接触到的飞行基本操纵也是建立在目视条件下的。目视飞行是最基本、也是最安全的导航操作方法, 随着各种先进的导航系统的应用, 目视飞行在保障飞行安全方面仍然表现出非常重要的地位和作用。但是, 目前国内外可查阅到的飞行程序指导材料均将重点放在以地面导航设施为引导的仪表飞行程序上, 忽视或忽略有关以地标为引导的目视飞行程序, 对目视飞行的深入研究更是少之又少。因此, 对目视飞行进行深入研究显得十分必要, 具有重要意义。

本文主要针对最后进近航段的目视精度进行研究, 最后进近航段是沿着着陆航迹下降和完成对准跑道进行的直线着陆航段, 在最后进近航段中, 对飞行员驾驶技术要求很高, 一些飞行参数也要求十分精确。飞行员需保持规定的超障余度及下降梯度, 且直线进近的航迹必须与跑道中线一致。对这一航段的目视精度进行深入研究, 将为实施目视进近的飞行员提供参考素材, 使目视着陆更加精确。本文将双目视觉理论的相关知识引入到目视进近中来, 通过与最后进近参数的结合与仿真, 给出以跑道中线为中心, 目视误差较小, 精度较高的一个区域。

最后进近航段是完成航迹对正和下降着陆的航段, 其仪表飞行阶段是从最后进近定位点开始, 至复飞点结束。最后进近航段的下降梯度以5%为最佳, 对应的下滑角为3°。最后进近航段的长度, 从跑道入口算起, 最佳为5n mile, 最长为10n mile[1~2]。在该项目的研究中, 下滑角相当于双目视觉系统的垂直视场角b, 并且以5n mile的最佳距离来分析最后得出的结论。

1 双目视觉系统的结构参数模型分析

如图1所示, 双目视觉系统的结构参数主要包括两相机光轴与基线的夹角a1和a2, 基线距离B, 此外还有有效焦距f1和f2, 它们之间存在着一定约束关系[3]。

如图1所示, 双目视觉测量系统基于立体视觉原理, 利用空间点在两成像面上的成像点来求取空间点的三维坐标[4]。图中, P为目标点, 在该研究项目中, 可将P点视为跑道入口 (THR) , P'为P点在水平面上的投影点, b1和b2为垂直视场角, w1与w2为P的水平投影角即水平视场角。人的两只眼睛及目标点的组合就等同一个简单的双目视觉系统, 基于目标点在视网膜上的成像理论来判断其大概位置。图中, 经过左像面中心和透镜中心的直线是左光轴, 经过右像面中心和透镜中心的直线是右光轴;两机透镜中心连线为基线距离B。目标点P通过镜头分别成像在左右图像平面上, 对应点的坐标为别为P1 (x1, y1) 和P2 (x2, y2) 。

以o1XYZ作为坐标系, 根据图中的几何关系, 在三角形o1o2p'中, 有:

其中,

在三角形pp'o1中, 有:

根据以上各式可得空间点p的三维坐标:

其中,

2 精度分析

系统结构参数是构成系统结构的重要数据, 上述求得的p (x, y, z) 坐标的矢量函数关系式为:

由误差的合成与分配理论[5], 用三个方向测量误差表示坐标的综合误差, 则有:

式中, i表示B、a1、a2、f1、f2、x1、x2、y1、y2;j分别取x、y、z;δi为各误差因素。

根据点P的三维坐标P (x, y, z) 可得图像坐标的误差传递系数:

在最后进近航段中, 飞机正对跑道, 飞行员的注意此时高度集中, 如图2所示。人的双眼相对跑道入口 (THR) 呈对称分布, 可令a1=a2。设水平视场角w=w1=w2, 焦距f1=f2=f。由式 (12) 以及式 (13) 可知, 单就垂直视场角b而言, 垂直方向上的误差传递系数随b的增大而单调增加, 即总误差随垂直视场角的增大而单调增加, 这一点也正好印证了实际飞行经验的判断结论。水平视场角w1、w2和垂直视场角b1、b2是空间点p的投影角, 在最后进近航段中, p点即为THR点。

由以上各式可得水平视场角w1、w2的误差函数[5]:

其中:

3 仿真

根据美国FAA的公布信息, 正常人的视力范围为160°的一个区域, 即视场角, 如图3所示。

飞机在做最后进近时, 飞行员眼睛的平均间距 (65mm) 相对于飞机与跑道入口的距离而言, 可忽略不计, 即光轴与基线角度w可看做90°, 垂直视场角b=3°, 将水平视场角范围以及上述分析数据代入式 (14) , 用MATLAB仿真可得相对于水平视场角变化而变化的误差分布图形, 如图3所示。

由图4可以看出, 图像为一凹形, 在[0, 0.5 pi]内, 误差分布处于一凹区。计算得0.5 pi对应的角度为2 8.6°, 即跑道中心入口必须在人眼视场角28.6°的范围内, 目视误差才相对较小。因此可以判断, 以跑道中线为中心, 两侧28.6°的区域内, 目视误差相对较小。

现实的情形是, 跑道入口是固定不动的, 着陆偏离入口的角度带有很大随机性, 因此, 我们假设跑道入口不动, 飞机的着陆方向变化, 在左右两边各有一个临界线, 当跑道入口超出这个目视范围, 即跑道入口偏出眼睛28.6°视场角之外, 目视精度将不再最高, 如图5所示。由于进近着陆过程中, 人的注意力高度集中, 眼睛正对跑道, 因此视力可看成是左右对称的。由此分析可知, 在跑道不动的情况下, 以跑道入口为中心, 向两侧偏离28.6°的区域, 目视精度最高, 即目视误差最小。

4 结语

最后进近航段中, 目视误差随高度的降低逐渐减小, 以跑道入口中线为中心, 向两侧扩张28.6°的区域内, 目视误差最小。

在FAF处, 保护区为VOR±1nmile, NDB±1.25nmile分别以一定角度向外扩张至该处的宽度。由前面分析算得在FAF处, 目视误差精度较小区域的半宽约为1.25nmile, 这恰好等于NDB的起始宽度。这是否验证了在中心区域也就是不扩张区域目视精度最高的结论。关于其中的必然联系, 还有待进一步研究。

摘要：目前, 国内有关飞行程序设计的文件和规章均将重点放在以地面导航设施为引导的仪表飞行程序的研究上, 目视进近程序的研究内容在国内尚属空白。本文将双目视觉测量系统的理论应用于最后进近中跑道对正的研究中, 通过建立该系统的结构参数模型, 分析结构参数与空间被测点之间的关系特性, 研究了最后进近目视精度的分布规律。通过将最后进近的相关参数引入误差关系式中, 得出仿真结果, 并给出了小误差时的目视最佳范围。

关键词：飞行程序,目视飞行,双目视觉系统,目视精度,视场角