基于大圓航線的飛行動(dòng)態(tài)信息三維可視化

蘇志剛1，2，王廣超1，郝敬堂2

（1.中國(guó)民航大學(xué)天津市智能信號(hào)與圖像處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300300；2.中國(guó)民航大學(xué)中歐航空工程師學(xué)院，天津 300300）

基于大圓航線的飛行動(dòng)態(tài)信息三維可視化

蘇志剛1，2，王廣超1，郝敬堂2

（1.中國(guó)民航大學(xué)天津市智能信號(hào)與圖像處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300300；2.中國(guó)民航大學(xué)中歐航空工程師學(xué)院，天津 300300）

針對(duì)飛行監(jiān)視信息可視化問(wèn)題，在大圓航線上，結(jié)合所需性能導(dǎo)航（RNP）與廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視（ADS－B）技術(shù)，分析了航空器信息與RNP保護(hù)區(qū)計(jì)算方法；利用三維地理信息系統(tǒng)World Wind Java的二次開(kāi)發(fā)功能，提出了基于航跡運(yùn)行模式的航空器動(dòng)態(tài)信息與保護(hù)區(qū)可視化方法；在本地高分辨率地理環(huán)境下重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)4D航跡模擬飛行、保護(hù)區(qū)設(shè)計(jì)、飛行標(biāo)牌和地形剖面測(cè)量等功能；最后通過(guò)仿真分析，表明該方法能夠直觀準(zhǔn)確地完成可視化仿真，可應(yīng)用于飛行監(jiān)視與規(guī)劃。

三維可視化；大圓航線；飛行信息；保護(hù)區(qū)；地理信息系統(tǒng)

0 引言

航空運(yùn)輸業(yè)的迅速發(fā)展，使空域擁擠的問(wèn)題日益突出，當(dāng)前的空中交通管理模式已難以滿足未來(lái)航空發(fā)展的需要［1］。對(duì)于空中交通密集的空域，使用飛行與空管調(diào)配結(jié)合的空管方式逐漸顯示其落后性。為進(jìn)一步提高空域的利用率，美國(guó)、歐洲相繼推出并積極實(shí)施新一代空中交通管理系統(tǒng)，致力于實(shí)現(xiàn)空中交通安全、經(jīng)濟(jì)和高效的動(dòng)態(tài)一體化管理，其核心是基于航跡的空域運(yùn)行；將空中交通管理的運(yùn)行模式轉(zhuǎn)換到基于航空器的航跡運(yùn)行模式上來(lái)，在高密度空域把航跡作為基本運(yùn)行機(jī)制之一［2 3］。所需性能導(dǎo)航（required navigation performance，RNP）和廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng) （automatic dependent surveillance－broadcast，ADS－B）［3］成為關(guān)鍵技術(shù)。

基于三維地理信息系統(tǒng)的空管信息驗(yàn)證和仿真，以其可視化手段和逼真的效果，為實(shí)現(xiàn)高效、經(jīng)濟(jì)、安全的空中交通管理提供有力支持［4-5］。三維地理信息系統(tǒng)也逐漸成為基于航跡運(yùn)行和空域規(guī)劃的運(yùn)行模式的實(shí)現(xiàn)平臺(tái)［6 7］，使得對(duì)空中交通管理的整體把握成為可能。

本文在大圓航線模型下，通過(guò)NASAWorld Wind源碼的二次開(kāi)發(fā)，結(jié)合RNP飛行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了三維環(huán)境下航空器信息、保護(hù)區(qū)信息、高分辨率地理環(huán)境等三維可視化動(dòng)態(tài)仿真，為空中監(jiān)視、空中交通管理和航線規(guī)劃等提供參考。

1 航空器信息

航空器的動(dòng)態(tài)信息是空中交通管理系統(tǒng)中的核心信息，對(duì)于飛行沖突預(yù)測(cè)、航線規(guī)劃、飛行仿真、空中事故調(diào)查等方面具有重要意義。ADS－B技術(shù)通過(guò)數(shù)據(jù)鏈向外廣播航空器的狀態(tài)信息，增強(qiáng)了對(duì)目標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)控能力［8］。

1.1 4D航跡與飛行姿態(tài)

ADS－B廣播信息中包括ICAO地址（航空器標(biāo)識(shí)）、接收時(shí)間（信息接收并解碼后的時(shí)間）、航班號(hào)、當(dāng)前飛行狀態(tài)（三維位置、地速、爬升速度、偏向角等）、緊急狀態(tài)等信息［9］。因此由ADS－B信息即可獲取航空器的四維航跡信息與即時(shí)姿態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)即時(shí)監(jiān)控。具體信息如表1所示。

1.2 飛行標(biāo)牌

航空器信息通過(guò)飛行標(biāo)牌直觀標(biāo)注，以提供航空器的狀態(tài)信息和簡(jiǎn)單告警等功能。目前空管系統(tǒng)中飛行標(biāo)牌格式?jīng)]有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)?！禡H／T 4012－2001空中交通管制雷達(dá)標(biāo)牌》標(biāo)準(zhǔn)定義了雷達(dá)顯示屏上航班位置標(biāo)記、空管標(biāo)牌格式等內(nèi)容，具有較好的參考價(jià)值。考慮到本文使用的ADS－B數(shù)據(jù)內(nèi)容相對(duì)較少且與空管雷達(dá)的數(shù)據(jù)有所不同，故依據(jù)ADS－B數(shù)據(jù)內(nèi)容并參照雷達(dá)系統(tǒng)標(biāo)牌的格式，設(shè)計(jì)如圖1所示標(biāo)牌格式。

表1 ADS－B飛行信息結(jié)構(gòu)體格式

圖1 航班標(biāo)牌的設(shè)計(jì)格式

2 基于RNP的保護(hù)區(qū)設(shè)計(jì)

RNP定義為：飛機(jī)在確定航線、空域或區(qū)域內(nèi)運(yùn)行時(shí)所需要的導(dǎo)航性能精度，以保證航空器完成要求的飛行操作?；赗NP技術(shù)的飛行程序設(shè)計(jì)使機(jī)場(chǎng)終端區(qū)的運(yùn)行更加精確、安全、高效。為開(kāi)發(fā)RNP技術(shù)的最大潛能，F(xiàn)AA提出了要求授權(quán)的RNP程序（RNP／AR）［10］。RNP／AR定義為最后進(jìn)近RNP值在0.3至0.1（含）之間，對(duì)于流量大、地形復(fù)雜的機(jī)場(chǎng)大大節(jié)省了空域，提高了運(yùn)行效率。

RNP飛行程序中主要有兩種航段類型：直線到定位點(diǎn)（Track to Fix，TF）航段和半徑到定位點(diǎn) （Radius to Fix，RF）航段。RNP航段應(yīng)使用最適合的航段類型（TF或RF）來(lái)設(shè)計(jì)，以滿足在各航段的超障和運(yùn)行要求。一般來(lái)說(shuō)，優(yōu)先考慮TF航段。連接兩個(gè)TF航段的旁切航路點(diǎn)轉(zhuǎn)彎的保護(hù)區(qū)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則如圖2所示。

圖2 在旁切定位點(diǎn)的轉(zhuǎn)彎保護(hù)區(qū)設(shè)計(jì)

當(dāng)障礙物妨礙使用旁切轉(zhuǎn)彎時(shí)，可使用RF航段改變飛行航跡或用于滿足其它運(yùn)行要求。RF航段提供一個(gè)可重復(fù)的、地面航跡固定的轉(zhuǎn)彎。RF航段保護(hù)區(qū)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則如圖3所示。保護(hù)區(qū)的具體參數(shù)計(jì)算參見(jiàn)文獻(xiàn)［10］。

圖3 RF轉(zhuǎn)彎保護(hù)區(qū)

3 基于大圓航線的計(jì)算

地球表面任意兩個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)沿球面連線的最短路徑是一條以地球球心為圓心的圓弧，即為大圓（Great Circle）路徑。沿大圓航線飛行可以縮短飛行距離，節(jié)省運(yùn)營(yíng)成本［11］。地理坐標(biāo)系中，航空器的航線和保護(hù)區(qū)設(shè)計(jì)的相關(guān)計(jì)算無(wú)法直接進(jìn)行，一般做法是通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換將地理坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為直角坐標(biāo)系，但是在轉(zhuǎn)換過(guò)程中會(huì)造成較大誤差［12］。為減小誤差，本文采用基于大圓航線的計(jì)算方法。

假設(shè)p1（φ1，λ1）為航空器所處位置，p2（φ2，λ2）為待飛航路點(diǎn)（φ表示緯度，λ表示經(jīng)度，文中角度與長(zhǎng)度單位均為弧度）。在不考慮高度信息的情況下［13 14］：

1）兩航路點(diǎn)p 1 p2之間的大圓路徑長(zhǎng)度c［15］（單位弧度，下同）。

式中，Δφ＝φ2－φ1，Δλ＝λ2－λ1，下同。由式（1）即可求得路徑長(zhǎng)度c。

2）大圓航線的航向角。點(diǎn)p1（φ1，λ1），p2（φ2，λ2）構(gòu)成航線的航向角Az為：

3）由點(diǎn)p1（φ1，λ1）沿航向角Az移動(dòng)Δσ距離到達(dá)的位置為p（φ，λ）：

4）兩大圓航線交叉點(diǎn)坐標(biāo)。兩條航線端點(diǎn)為p1（φ1，λ1），p2（φ2，λ2）和p3（φ3，λ3），p4（φ4，λ4），對(duì)于每一個(gè)點(diǎn)，定義由地心指向該點(diǎn)的單位向量：

依據(jù)上述計(jì)算原則即可完成航線與保護(hù)區(qū)的相關(guān)計(jì)算。

4 可視化顯示的設(shè)計(jì)與仿真

4.1 實(shí)現(xiàn)方案

本文以三維地理信息系統(tǒng)World Wind Java為基礎(chǔ)，通過(guò)二次開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)航空器飛行信息的三維可視化，實(shí)現(xiàn)功能主要有：加載區(qū)域高清地圖影像與高程數(shù)據(jù)，在接收并處理ADS －B數(shù)據(jù)后實(shí)現(xiàn)航空器的姿態(tài)、航跡、飛行標(biāo)牌的動(dòng)態(tài)模擬，規(guī)劃航線、估計(jì)航跡等可視化展現(xiàn)，RNP保護(hù)區(qū)的計(jì)算與三維仿真，飛行軌跡的下海拔測(cè)量等功能。

圖4 方案結(jié)構(gòu)圖

NASAWorld Wind，是由美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）開(kāi)發(fā)的開(kāi)源三維地圖平臺(tái)，具有良好的框架設(shè)計(jì)和幾乎無(wú)限的數(shù)據(jù)擴(kuò)充能力［15-16］。WorldWind可以靈活的加載地圖圖像，其主要通過(guò)XML配置文件將圖像和高程信息瓦片引入World Wind程序中進(jìn)行渲染。本地圖像和高程信息加載后效果如圖5所示（京津地區(qū)）。

圖5 京津地區(qū)高清地圖影像與高程數(shù)據(jù)加載效果

World Wind Java是典型的C／S體系應(yīng)用系統(tǒng)，可以為Java Application提供具有交互操作能力三維地理信息的組件集合，用于Swing等組件。WorldWind Java組件是可擴(kuò)展的，其API主要通過(guò)接口方式進(jìn)行定義，其中5個(gè)最重要的接口：Globe接口：表現(xiàn)行星球體和地形；Layer接口：球體上影像圖層或數(shù)據(jù)圖層；Model接口：聚合Globe和Layer，用于創(chuàng)建星球模型；SceneController接口：控制Model的渲染，用于表現(xiàn)時(shí)間、時(shí)間等；View接口：控制Model的用戶視圖。在典型的應(yīng)用中，程序在一個(gè)Model對(duì)象中關(guān)聯(lián)一個(gè)Globe對(duì)象和多個(gè)Layer對(duì)象，然后將Model傳給SceneController對(duì)象，用于在一個(gè)World Window中顯示globe和layers。SceneController對(duì)象控制globe和layers的顯示，并與View接口互動(dòng)來(lái)決定用戶視圖。

本文的三維仿真主要是基于Layers接口進(jìn)行，主要利用World Wind Java中關(guān)于圖層的layers包。高清地圖影像和高程數(shù)據(jù)、航空器信息、空域信息等的三維仿真就是以不同的圖層接口的形式渲染出來(lái)的。主要有Basic TiledImageLayer圖像圖層、AirspaceLayer三維形體圖層、TerrainProfileLayer地形剖面圖層、RenderableLayer圖層及 Annotation Layer標(biāo)注圖層等。

在獲得ADS－B數(shù)據(jù)以及航線信息后，通過(guò)Renderable-Layer圖層繪制航跡、規(guī)劃航線、估計(jì)航跡等；航空器三維模型通過(guò).dae加載文件實(shí)現(xiàn)，在提取航空器姿態(tài)信息后設(shè)置模型的姿態(tài)參數(shù)，使之準(zhǔn)確反映航空器的即時(shí)姿態(tài)；結(jié)合航段數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)并計(jì)算保護(hù)區(qū)三維坐標(biāo)范圍，進(jìn)而通過(guò)AirspaceLayer圖層進(jìn)行繪制渲染；通過(guò)航跡點(diǎn)位置的投影測(cè)量獲得對(duì)應(yīng)位置的海拔高度，并通過(guò)TerrainProfileLayer渲染。航空器運(yùn)行過(guò)程中渲染畫(huà)面隨著信息的實(shí)時(shí)刷新而刷新。

4.2 仿真分析

本文的仿真區(qū)域位于京津地區(qū)，所用數(shù)據(jù)為ADS－B實(shí)際接收數(shù)據(jù)。

圖6（a）、（b）是系統(tǒng)界面效果圖，系統(tǒng)功能包括保護(hù)區(qū)仿真，航空器位置展示，航線可視化等功能，具體展示內(nèi)容包括飛行姿態(tài)、飛行標(biāo)牌、規(guī)劃航線、估計(jì)航跡，飛行軌跡地表投影、地形剖面等。畫(huà)面每1秒刷新一次，各航空器以獨(dú)立的線程運(yùn)行。

圖6 仿真結(jié)果

圖6（c）中可以看到飛行軌跡和對(duì)應(yīng)的地表投影線，飛行標(biāo)牌顯示當(dāng)前飛機(jī)的狀態(tài)、身份、提示等信息，航空器模型使用.dae文件進(jìn)行模擬。左下角窗口為實(shí)時(shí)飛行軌跡下的地形變化情況，可放大顯示，為航空器運(yùn)行提供參考。圖6（d）顯示了航空器在RNP保護(hù)區(qū)中運(yùn)行的狀況，小球?yàn)橐?guī)劃航路點(diǎn)，對(duì)應(yīng)實(shí)線為規(guī)劃航線，虛線為航空器的估計(jì)飛行軌跡。為了便于觀察，將圖中的保護(hù)區(qū)尺度做了放大處理。

5 結(jié)論

相對(duì)于等角航線而言，大圓航線保證了飛行距離的最短，節(jié)省燃油成本，提高運(yùn)行效率。本文在此基礎(chǔ)上研究了飛行狀態(tài)信息、航線數(shù)據(jù)和基于RNP的飛行保護(hù)區(qū)相關(guān)計(jì)算方法，并在World Wind的基礎(chǔ)上結(jié)合三維地形數(shù)據(jù)與高分辨率衛(wèi)星地圖，進(jìn)行飛行狀況、姿態(tài)信息、保護(hù)區(qū)、地形剖面等內(nèi)容的動(dòng)態(tài)仿真。系統(tǒng)整體效果良好，能夠方便直觀地呈現(xiàn)飛行的實(shí)時(shí)狀態(tài)，對(duì)整個(gè)運(yùn)行過(guò)程實(shí)施監(jiān)控。基于三維地理信息系統(tǒng)的多樣信息展示，使相關(guān)信息一目了然；其基于航跡運(yùn)行的模式，有利于對(duì)空中交通管理的整體把握。

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3D Visualization of Dynamic Flight Information Based on Great Circle Route

Su Zhigang1，2，Wang Guangchao1，Hao Jingtang2

（1.Tianjin Key Lab for Advanced Signal Processing，Civil Aviation University of China，Tianjin 300300，China；2.Sino－European Institute of Aviation Engineering，Civil Aviation University of China，Tianjin 300300，China）

To implement the visualization of flight surveillance information，the flight information and calculation of protection zone were researched combined with the Required Navigation Performance（RNP）and Automatic Dependent Surveillance－Broadcast（ADS－B）based on great circle route.Using the customization functions of World Wind Java，the 3D visualization method of dynamic flight information based on trajectory operation and air route protection zone was proposed.Functions were implemented in local high－resolution terrain scene include flight simulation based on 4D trajectory，air route protection zone and flight labels visualization，elevation measurement，etc.The simulation results were given to demonstrate that the 3D visualization is satisfactory and can be applied to flight surveillance and programming.

3D visualization；great circle route；flight information；protection zone；geographic information system

1671-4598（2016）08-0233-03

10.16526／j.cnki.11－4762／tp.2016.08.064

：TP391.9

：A

2016-02-19；

：2016-03-08。

中央高?？萍蓟究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)中國(guó)民航大學(xué)專項(xiàng)項(xiàng)目（3122016H006）。

蘇志剛（1972-），男，黑龍江尚志人，教授，博士后，主要從事譜估計(jì)、自適應(yīng)信號(hào)處理、陣列信號(hào)處理、數(shù)據(jù)融合等方向的研究。