机场助航灯光监控系统的设计与实现

机场助航灯光监控系统的设计与实现

李甲光

安赛泊（天津）机场助航技术有限公司  天津市空港经济区   300308

摘要：在时代的进步中交通事业发展也更加迅猛，面对这样的形势航空领域的重要性日益增加，同时也对其各个系统工作质量与效率更加严格。系统可以实时监控灯光设备运行情况，保证飞机进近和着陆安全。双向工频通信技术的使用，使得无需重新铺设通讯线路，降低了成本。监控计算机可以合理安排灯光维修时间，提高维修效率。对监控系统关键技术，系统的使用可提高灯光系统的可靠性，增强机场地面的保障能力。

关键词：机场；监控；灯光；系统；助航

引言

随着各地民航事业发展，飞机飞行品质呈逐年提高的状态，为了满足人们日常出行需求，航班和飞行数量呈逐年增加的趋势，不同类型的航班飞机对机场条件有不同的需求，助航灯光作为机场中主要目视设施之一，在保障飞机安全飞行方面具有不可代替的作用。

1机场助航灯光系统介绍

所谓机场助航灯光，实际上就是在跑道能见度较低或是晚上航行的时候，为飞机驾驶人员提供视觉引导的一种工程设施。对于民航机场航空器的进近目视系统而言，助航灯光系统是保障其正常运行的重要环境。机场的助航灯光系统由近光灯、跑道灯光系统、滑行道灯光系统等共同组成。

2系统初始化设置模块

（1）采集系统设置页面设计。在设计新型机场助航灯光安全智能监测监控系统软件时，初始化模块以人机交流的方式为主来设计系统中的各项参数，再结合硬件设备并参考实际的生产要求加以调整。同时，需分别设置4种属性不同的页面，进而完成系统初始化的模块设置。（2）光门初始状态设置页面设计。光门初始状态的设置页的属性页面主要由主传感器位置的预测、计算校正曲线、检测分支断面积组成。传感器的输出信号以电压信号为主，为了有效模拟及检测真实环境中的各种数据，必须通过校正曲线将之转化为模拟类信号，进而提高检测效果。并且，新型智能监测监控系统中运用的是直线型校正曲线，工作效率更高，通过2组模拟量的相关数值便可得到校正曲线设置中的光门初始状态。此外，光门状态有开启、半开启、关闭3种模式，可根据实际需要进行设置。（3）开关位置设定页面设计。开关位置的设置属性页面主要有控制量的位置及类型两大部分。位置控制主要是控制仪器设备所在位置，类型控制包括分光门关闭、开启、断点等。在调整控制量类型时，需保证位置与类型是相匹配的。例如，选取控制量位置有断电设备或者报警设备后，才可以选择关闭电源或者报警；控制量位置安装光门后，才可以对光门进行开启或者关闭。

3STM32单片机程序设计

STM32单片机的软件程序设计，利用STM32库函数操作控制，相较于使用寄存器进行编程，库函数会导致代码量增大，影响程序运行速度，但是STM32f103系列单片机程序空间足够大，并且每一个系列里面都有pin-to-pin的型号可以互换，如果程序空间不够，直接替换另一个程序空间更大的兼容引脚，程序直接移植过来，几乎不用修改。本设计使用KEIL编译环境，其兼容STM32系列单片机C语言软件开发系统，容易维护，编程效率高。使用C语言编程，配合KEIL系统的方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具，可以极大提高软件编程效率。系统启动后，先进行初始化，包含串口初始化和单片机初始化。操作员每进行一个操作，上位机都会发出一个串口指令到单片机，单片机实时检测串口模块接收到的串口数据，并根据接收到的数据，控制相应I/O端口拉低或拉高，控制相应的继电器闭合或断开，实现对32条灯光回路的控制。

4异常报警

实现异常报警功能的基础在于对助航灯具状态的分析，目前助航灯光监控系统多是视频图像分析监控，如首都机场所使用的监控系统，其异常报警功能是通过图像分割技术进行分析。首先对拍摄的图像进行预处理，转化图像为灰度图，然后进行图像分割，并将图像中照明灯图像和背景图像分割，对比正常工作时，助航灯具像素占比，依照设定的阈值进行二值化处理，利用迭代算法来选取最佳阈值。如果图像显示出异常信息，则经由监控中心数据处理模块向服务器传递异常信息，通过设定的算法来分析异常信息类别，然后向工作人员发送报警信息。人工处理报警信息是报警系统的最后一步，由于机器存在报警失误的可能性，需要系统软件在发送报警信息后，存档报警的图像信息，提供给工作人员进行复查。

5助航灯光指示精度

所谓系统引导主要是向飞行员提供飞机当前高低与方位的光学指示信号，方便其进行对应的操纵。系统的引导精度，主要是由下滑道纵向和横向指示光束精度决定的，而光束精度则依靠跟踪精度和目标提取来明确。目前，光电探测精度能够满足标准的要求，总体跟踪精度也需要与后端光学下滑道指示系统的精度相互配合，其下滑道指示灯对应的发散角度要比总体的跟踪精度大很多，确保其在满足眼位要求的时候，能够对下滑指示光束加以观察，但是不能让发散角度过大，如果其过大，就会受到影响，只有满足光电跟踪要求，才能够覆盖整个飞机，一般为30’。对于光电跟踪的总体进度，最好是在2’左右。下滑道指示精度带来的影响，也包含了目标跟踪系统视场中心离轴距以及指示光束光轴距离。指示光束灯箱还需要达到100mm的口径尺寸，并且要求其光电跟踪系统口径能够保持在160mm左右。其实际的离轴距为130mm，这一距离相对于引导距离范围10-20km本身并不大，并且对于下滑道效果的影响也能忽视。基于上述的分析，系统总体的下滑道指示精度主要是为光电综合精度。针对其总体引导效果，还需要针对助航灯光系统来进行验证。其主要因素是能见度的条件、飞行员操作熟练度等。

6监控界面设计

监控系统人机界面HMI是一种高级控制软件，在2台工业控制计算机组成的结构中运行。监控系统的主要作用是发送数据采集指令，对监控系统中由单片机、DSP组成的通信环路传输的数据进行分类判断并给出提示，使灯光站的工作人员可以实时掌握机场助航灯、电力和油机的运行情况。采用双备份的光纤以太网，在实现多路端口的同时，还能通过多台计算机对全港航灯系统进行单独监控。系统通过实时数据库将现场获取的数据读取到回路信息报表中，方便对数据信息进行存储和查询。

7工频电力线载波通讯的实现

在灯光巡检过程中，远程巡检单元与主控制单元之间通讯需经电力线载波通讯实现，其中的关键技术是信号的调制与解调。(1)信号调制：助航灯光的调光回路为恒流回路，灯位信息调制在电压波形上利用电压畸变提取较为容易处理。调制原理如图6(a)所示，在过零点附近发出调制信号，控制开关S1闭合，由变压器基本原理，变压器原边将感应一个较大的电动势，灯光主回路电压波形相应发生畸变。对此畸变电压信号进行采样输入信号解调回路处理即可。(2)信号的解调：信号的解调需两个信号，即同步信号和调制位置的主回路电压信号。二者均通过调光器主回路电压经电压互感器采样获得。一路进入过零检测电路以获得同步信号，作为中断信号进入单片机。另一路经衰减作为A/D模数变换采样信号。对主回路电压信号采样多组数据取均值，经过与预先存贮在单片机存储单元中相应光级的标准数据进行比较。则可获得出“0”“1”状态信息。

结语

总之，助航灯的核心技术是操控每一个灯源的控制方法、助航灯状态信息传递的传感方法以及对整个系统的报警监控技术。未来助航灯的发展重点将会集中在增强助航灯控制手段，实现操控便捷化。此外，助航灯的控制系统大多需要在单个助航灯加装相应的传感配件，成本和工程量由此增加，也属于重点关注的问题。

参考文献

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[3]刘钦.机场助航灯光系统的谐波处理分析[J].四川建材,2017(9):183-184.