本发明公开了一种基于ADS‑B接收机报文数据的激光信道安全预警系统和方法，系统包括雷达天线、ADS‑B接收机、激光指向预报单元、激光信道安全预警单元、激光设备主控单元和执行机构等，其通过实时接收航空器的报文数据，分析飞机实时位置信息和激光光束指向信息，将激光束的经纬度、高度数据等与飞机的经纬度高度数据进行匹配判断，通过控制激光系统的工作状态来避免高能激光对航空器、飞行员、光电探测器等造成损伤，保证激光信道的安全性。
1.一种基于ADS‑B接收机报文数据的激光信道安全预警系统，其特征在于：包括雷达天线、ADS‑B接收机、激光指向预报单元、激光信道安全预警单元、激光设备主控单元和执行机构，其中，ADS‑B接收机连接雷达天线，通过雷达天线获取所测空域内的所有航空器的实时数据，包括航空器的当前经度、纬度、高度和航向；并将获取的所有实时数据发送给激光信道安全预警单元；
激光指向预报单元，用于将地面激光站的信息数据发送给激光信道安全预警单元，信息数据包括激光站的经度、纬度、高程，还包括激光工作的时间、激光束的指向角和发散角；
激光信道安全预警单元，分别连接ADS‑B接收机、激光指向预报单元和激光主控单元，用于根据接收到的信息，计算出地面激光站对航空器的指向角和时间；将激光束与航空器的指向角分别进行数据匹配，判断同一时间，航空器和激光器的指向角的差值、俯仰角的差值是否均大于预设阈值；
激光主控单元，根据激光信道安全预警单元的数据匹配结果，判断是否发送操作指令给执行机构；
2.根据权利要求1所述的一种基于ADS‑B接收机报文数据的激光信道安全预警系统，其特征在于：所述激光束的指向角与航空器的指向角均包括方位角和俯仰角。
3.根据权利要求1所述的一种基于ADS‑B接收机报文数据的激光信道安全预警系统，其特征在于：执行机构还包括相机，由激光设备主控单元控制，在激光信道开启时，对激光观测区域进行拍照存储。
4.根据权利要求1所述的一种基于ADS‑B接收机报文数据的激光信道安全预警系统，其特征在于：所述ADS‑B接收机支持多点定位MLAT。
5.一种基于ADS‑B接收机报文数据的激光信道安全预警方法，应用于权利要求1所述的预警系统，其特征在于，包括以下步骤：(1)通过ADS‑B接收机获取监测空域内的所有航空器的实时数据，包括飞机当前经度、纬度、高度和航向；
(2)通过激光指向预报单元获取地面激光站的信息数据，包括激光站的经度、纬度、高程，还包括激光工作的时间、激光束的方位角、俯仰角和发散角；
(3)通过激光信道安全预警单元对步骤(1)和步骤(2)中的数据进行处理，计算出航空器的方位角和俯仰角；
(4)由激光主控单元对激光束的方位角、俯仰角与航空器的方位角、俯仰角分别进行数据匹配，判断在同一时间，航空器和激光器的方位角的差值、俯仰角的差值是否大于预设阈值；
(5)激光主控单元根据判断结果，发送相应的操作指令给光闸，若大于预设阈值，则地面激光站打开光闸，开启激光信道；否则断开光闸，关闭激光信道。
6.根据权利要求5所述的一种基于ADS‑B接收机报文数据的激光信道安全预警方法，其特征在于，步骤(3)中，航空器的方位角的确定方法如下：(31)将地面激光站和航空器的位置分别用经纬度表示，即激光站经纬度A(latA，lonA)，航空器经纬度B(latB，lonB)，A点和B点分别表示地面激光站和航空器在地球表面的投影位置；
(32)以地心为原点建立笛卡尔坐标系，赤道平面为XY平面，Z轴垂直于XY平面且与地球表面相交于点C，点A、点B的坐标分别表示为(Xa，Ya，Za)、(Xb，Yb，Zb)；
(33)计算弧AB对应圆心角的弧度、弧AC对应圆心角的弧度、弧BC对应圆心角的弧度，以及弧AB的距离；
(34)根据球面三角形的半角公式计算出地面激光站的方位角：
7.根据权利要求6所述的一种基于ADS‑B接收机报文数据的激光信道安全预警方法，其特征在于，步骤(3)中，航空器的俯仰角E的确定方法如下：其中，航空器B的高程H，L为A、B两点的直线距离。
8.根据权利要求5所述的一种基于ADS‑B接收机报文数据的激光信道安全预警方法，其特征在于：步骤(4)中，在开启激光信道的同时，通过相机对激光观测区域进行拍照留存。
基于ADS‑B接收机报文数据的激光信道安全预警系统和方法
技术领域
[0001] 本发明涉及空间激光工程技术领域，具体涉及一种能够保障航空器飞行安全的基于ADS‑B报文数据的激光信道安全预警系统和方法。
背景技术
[0002] 随着激光技术的发展，星地激光通信、卫星碎片激光测距、远程激光雷达等应用越来越广泛，随着使用的激光能量越来越高，应用越来越广泛，由此带来的航空器的飞行安全就显得尤为重要。目前空间激光工程还处在科研领域，大部分的激光站点布置在人烟稀少的地区，所以在实际应用中并未实际考虑到航空器的飞行安全，但长期来看，需要重要防范激光对航空器的安全问题，主要危险因素包括但不局限于以下三个方面：1、激光对飞行员的人身伤害；2、高能激光对飞机本体的损伤；3、一些特殊波段的激光，如中红外激光对某些军用飞机的光电传感器的信号干扰。
[0003] 在空间激光工程领域，有很多应用场景是需要将激光对空发射，例如星地激光通信、卫星碎片激光测距、远程激光雷达、激光卫星定位等。在这些应用领域中，当地基激光设备工作时，均需要将高能激光朝着目标空域发射，如图1示例，航空器经过激光传输信道时，如未采取相应的保护措施会对飞行作业造成一定的损失。
[0004] 目前在专利号为CN111968409B，名称为“一种基于实时ADS‑B数据的航空器中止起飞识别方法及系统”中提供了一种利用ADS‑B报文数据和机场跑道数据的飞机中止起飞的安全保障措施，在专利号为CN113012481A，名称为“一种用于飞机飞行环境监视的综合告警系统”中提供了一种基于ADS‑B及其他告警系统的综合飞行安全预警系统。两项专利中均利用了ADS‑B技术，即Automatic Dependent Surveillance–Broadcast,广播式自动相关监视技术，是国际民航组织确定的未来主要监视技术，其自动地从相关机载设备获取参数向其他飞机或地面站广播飞机的位置、高度、速度、航向、识别号等信息，以供管制员对飞机状态进行监控。但上述两项专利中均未涉及到目前高能激光对飞行安全问题。
发明内容
[0005] 技术目的：为了避免航空器进入到激光信道中的危险，本发明提出一种了基于ADS‑B报文数据的激光信道安全预警系统，当有航空器经过激光信道时，可及时关闭激光发射，从而保证航空器的飞行安全。
[0006] 技术方案：为实现上述技术目的，本发明采用了如下技术方案：
[0007] 一种基于ADS‑B接收机报文数据的激光信道安全预警系统，其特征在于：包括雷达天线、ADS‑B接收机、激光指向预报单元、激光信道安全预警单元、激光设备主控单元和执行机构，其中，
[0008] ADS‑B接收机连接雷达天线，通过雷达天线获取所测空域内的所有航空器的实时数据，包括航空器的当前经度、纬度、高度和航向；并将获取的所有实时数据发送给激光信道安全预警单元；
[0009] 激光指向预报单元，用于将地面激光站的信息数据发送给激光信道安全预警单元，信息数据包括激光站的经度、纬度、高程，还包括激光工作的时间、激光束的指向角和发散角；
[0010] 激光信道安全预警单元，分别连接ADS‑B接收机、激光指向预报单元和激光主控单元，用于根据接收到的信息，计算出地面激光站对航空器的指向角和时间；将激光束与航空器的指向角分别进行数据匹配，判断同一时间，航空器和激光器的指向角的差值、俯仰角的差值是否均大于预设阈值；
[0011] 激光主控单元，根据激光信道安全预警单元的数据匹配结果，判断是否发送操作指令给执行机构；
[0012] 执行机构包括用于切断或开启激光束的光闸。
[0013] 优选地，所述激光束的指向角与航空器的指向角均包括方位角和俯仰角。
[0014] 优选地，执行机构还包括相机，由激光设备主控单元控制，在激光信道开启时，对激光观测区域进行拍照存储。
[0015] 优选地，所述ADS‑B接收机支持多点定位MLAT。
[0016] 一种基于ADS‑B接收机报文数据的激光信道安全预警方法，应用于权利要求1所述的预警系统，其特征在于，包括以下步骤：
[0017] (1)通过ADS‑B接收机获取监测空域内的所有航空器的实时数据，包括飞机当前经度、纬度、高度和航向；
[0018] (2)通过激光指向预报单元获取地面激光站的信息数据，包括激光站的经度、纬度、高程，还包括激光工作的时间、激光束的方位角、俯仰角和发散角；
[0019] (3)通过激光信道安全预警单元对步骤(1)和步骤(2)中的数据进行处理，计算出航空器的方位角和俯仰角；
[0020] (4)由激光主控单元对激光束的方位角、俯仰角与航空器的方位角、俯仰角分别进行数据匹配，判断在同一时间，航空器和激光器的方位角的差值、俯仰角的差值是否大于预设阈值；
[0021] (5)激光主控单元根据判断结果，发送相应的操作指令给光闸，若大于预设阈值，则地面激光站打开光闸，开启激光信道；否则断开光闸，关闭激光信道。
[0022] 一种基于ADS‑B接收机报文数据的激光信道安全预警方法，其特征在于，步骤(3)中，航空器的方位角的确定方法如下：
[0023] (31)将地面激光站和航空器的位置分别用经纬度表示，即激光站经纬度A(latA，lonA)，航空器经纬度B(latB，lonB)，A点和B点分别表示地面激光站和航空器在地球表面的投影位置；
[0024] (32)以地心为原点建立笛卡尔坐标系，赤道平面为XY平面，Z轴垂直于XY平面且与地球表面相交于点C，点A、点B的坐标分别表示为(Xa，Ya，Za)、(Xb，Yb，Zb)；
[0025] (33)计算弧AB对应圆心角的弧度、弧AC对应圆心角的弧度、弧BC对应圆心角的弧度，以及弧AB的距离；
[0026] (34)根据球面三角形的半角公式计算出地面激光站的方位角：
[0027] 其中，
[0028] ∠CAB即为航空器相对于激光站的方位角。
[0029] 优选地，步骤(3)中，航空器的俯仰角E的确定方法如下：
[0030]
[0031]
[0032] 其中，航空器B的高程H，L为A、B两点的直线距离。
[0033] 优选地，步骤(4)中，在开启激光信道的同时，通过由相机对激光观测区域进行拍照留存。
[0034] 有益效果：本发明具有如下技术效果：
[0035] 本发明以ADS‑B接收机的技术理论为基础，监测航空器的飞行动态，在地基高能激光系统对空发射大能量激光时，通过实时接收航空器的报文数据，分析飞机实时位置信息和激光光束指向信息，进行坐标转化，将激光点的经纬度、高度数据与飞机的经纬度高度数据进行匹配判断，通过控制激光系统的工作状态来避免高能激光对航空器、飞行员、光电探测器等造成损伤，保证激光信道的安全性。
附图说明
[0036] 图1为本发明的基于ADS‑B报文数据的激光信道安全预警系统的结构示意图；
[0037] 图2为地面激光站发出高能激光束的示意图；
[0038] 图3为航空器不同时刻飞行位置的示意图；
[0039] 图4为航空器相对于地面激光站的指向角以及激光光束的指向角示意图；
[0040] 图5为激光光束的方位角和俯仰角的示意图；
[0041] 图6为以地心为坐标原点的笛卡尔坐标系下地面激光站和航空器的坐标示意图；
[0042] 图7为以地球表面选定点为坐标原点的笛卡尔坐标系下地面激光站和航空器的坐标示意图；
[0043] 图8为本发明的基于ADS‑B报文数据的激光信道安全预警系统的工作流程示意图。
具体实施方式
[0044] 下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。
[0045] 如图1所示，为本发明的一种基于ADS‑B报文数据的激光信道安全预警系统，包括雷达天线、ADS‑B接收机、激光信道安全预警单元、激光指向预报单元、激光设备主控单元和执行机构，执行机构包括相机和光闸。
[0046] ADS‑B接收机支持多点定位MLAT，可以通过网口输出飞机的原始数据DF17，并且可以同时输出明文格式报文，如经纬度，高度，速度，航班等信息，选用ADS‑B接收机，可以实时输出客机的位置信息，包括飞机当前经度、纬度、高度、地速、航向、爬升/下降率。
[0047] 激光信道安全预警单元接收到ADS‑B接收机报文后，对报文实时处理，计算出激光站对航空器的方位角、俯仰角和时间。
[0048] 激光指向预报单元，将地面激光站的经度、纬度、高程，激光工作的时间、激光束方位角、俯仰角、激光束的发散角等信息发送给激光信道安全预警单元。
[0049] 激光信道安全预警单元将激光束的指向角与航空器的指向角数据进行匹配判断，若预测到同一时间，飞机位置和激光位置在一阈值范围，则由激光主控单元发送指令给执行机构光闸关光操作，保证激光信道的安全性，同时发送指令让相机对激光观测区域进行拍照留存，方便后期进行航空器图像识别分析预报准确率。
[0050] 图3为航空器在不同时刻飞行位置的示意图。如图5示出了激光束的方位角A，即激光束在地平面的投影与正北方向的夹角，俯仰角E为激光束与地平面的夹角。由于激光器发出激光束后，每秒钟角度都在变化，激光指向预报单元按照设定的角度去发射激光，所以激光角度是已知的。因此本发明根据方位角和俯仰角划定激光束危险区域，同时判断航空器是否在危险区域内，进行精准预警。
[0051] 图4中，虚线为航空器相对于地面激光站的指向角度，实线为激光束。根据激光站和航空器的经纬度，计算激光站对航空器的指向角的方法如下：
[0052] 1、方位角计算算法：
[0053] 激光站经纬度A(latA，lonA)，航空器经纬度B(latB，lonB)，A为激光站位置，B为航空器在地面上投影的位置。
[0054] A、B两点在图6所示的笛卡尔坐标系下的投影坐标为(Xa，Ya，Za)，(Xb，Yb，Zb)。其中，
[0055]
[0056]
[0057]
[0058] 同理，可得：
[0059]
[0060]
[0061]
[0062] 根据三维向量的点积关系，存在：
[0063]
[0064]
[0065] 表示弧AB对应圆心角的弧度；
[0066] 表示弧AC对应圆心角的弧度；
[0067] 表示弧BC对应圆心角的弧度；
[0068]
[0069] 弧AB转成为距离(km)，即弧AB对应的弧长为 R为地球半径。
[0070] 根据，
[0071]
[0072] 由此得到：
[0073]
[0074] ∠CAB即为航空器相对于激光站的方位角。
[0075] 2、俯仰角计算算法：
[0076] 如图7所示，根据方位角算法，进一步求出A到航空器投影点B的距离L：
[0077]
[0078] 已知航空器的高程H，则激光站相对航天器的俯仰角为：
[0079]
[0080] 计算出方位角和俯仰角后，由激光信道安全预警单元对激光束的方位角、俯仰角与航空器的方位角、俯仰角分别进行数据匹配，判断在同一时间，航空器和激光器的方位角的差值、俯仰角的差值与预设阈值。激光主控单元根据判断结果，发送相应的操作指令给光闸，若大于预设阈值，则地面激光站打开光闸，开启激光信道；否则断开光闸，关闭激光信道。
[0081] 本发明的预警系统可适用于多个航空器的预警，但凡有航空器接近，都会进行预警处理。
[0082] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
