機(jī)載移動地圖研究探索及開發(fā)實例

王寶紅

摘 要：本項研究依據(jù)當(dāng)前民航發(fā)展的需要，補(bǔ)充民航機(jī)場機(jī)載移動地圖的實際使用需求，結(jié)合當(dāng)下地圖系統(tǒng)開發(fā)的基本框架和功能，開發(fā)了民航機(jī)場的機(jī)載移動地圖。該系統(tǒng)除需要滿足地圖所具有基本的縮放、移動等要求外，還增加了民航機(jī)場的實際特色，如飛行動態(tài)監(jiān)視和羅盤、半羅盤顯示等功能。結(jié)果表明，依據(jù)現(xiàn)有的開發(fā)方式，可以開發(fā)出滿足民航需要的機(jī)載移動地圖，并展示了開發(fā)成果。

關(guān)鍵詞：機(jī)載移動地圖;開發(fā);實例

大型機(jī)場運(yùn)行是十分復(fù)雜的生產(chǎn)活動，需要多個部門、多個個體相互配合才能高效、有序地完成。為了保持航空器間的安全間隔，航空器駕駛員通常通過先觀察再避讓的方法進(jìn)行監(jiān)視，而空中交通管制員也是根據(jù)視覺提示來執(zhí)行監(jiān)視并保持航空器安全間隔的任務(wù)，同時輔以無線電通信的方式確定航空所在位置。但是這種基本的方法在機(jī)場容量小且能見度好的情況時效果明顯。

隨著我國民航業(yè)的發(fā)展越來越繁榮，多數(shù)機(jī)場的容量都在增長且步入規(guī)劃擴(kuò)建階段，無論是空域還是地面都變得更加擁擠，此時，即便能見度滿足要求也很難通過基礎(chǔ)的視覺方式長期保證安全間隔，這就對機(jī)場場面的操作提出了更高的要求，在此背景下，機(jī)場移動地圖應(yīng)運(yùn)而生。

顧名思義，機(jī)場移動地圖就是通過移動的機(jī)場導(dǎo)航地圖這一方式為相關(guān)人員提供航空器在機(jī)場場面的位置信息。目前，我國對機(jī)場移動地圖的研究尚在初始階段，且多停留在關(guān)于無人機(jī)和移動機(jī)器人的機(jī)載移動地圖研究中，秦漢[1]探討了基于GMap.NET和高德地圖API電子地圖顯示規(guī)劃無人機(jī)路徑的方法;陶明[2]研究了為機(jī)器人建立地圖坐標(biāo)系后創(chuàng)建地圖的方法和步驟，并通過算法提高了地圖的精度;毛卉佳[3]曾以機(jī)場場面活動引導(dǎo)與控制系統(tǒng)（A-AMGCS）為例，探討了其對與機(jī)載移動地圖開發(fā)與使用的作用;吳超瓊[4]等人研究了基于北斗定位的機(jī)載監(jiān)測終端的五人家飛行監(jiān)管系統(tǒng)，但目前尚無相關(guān)研究將機(jī)載地圖技術(shù)與監(jiān)視技術(shù)相結(jié)合的案例。

因此，對機(jī)載移動地圖的開發(fā)研究就顯得十分有必要了。筆者根據(jù)機(jī)場實際需要，進(jìn)行了軟件開發(fā)的相關(guān)研究，并進(jìn)行了實際的應(yīng)用，同時這也為今后相關(guān)研究的開展提供參考。

1 功能及結(jié)構(gòu)

1.1 開發(fā)背景和依據(jù)

國際民航組織建議各國使用機(jī)場繪圖數(shù)據(jù)庫（Airport Mapping Databases，AMDB）作為航空港運(yùn)行的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，且規(guī)定其符合要求的最低標(biāo)準(zhǔn)。基于統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的AMDB數(shù)據(jù)庫可供多個人員和部門使用并提高運(yùn)行效率。這些部門主要包括航空器駕駛員、管制員、跑道侵入探測和告警監(jiān)視系統(tǒng)等。

基本的機(jī)場移動地圖是將航空器自身位置疊加在電子機(jī)場航圖上，通過機(jī)場表面移動地圖的機(jī)場導(dǎo)航功能可提高航空器駕駛員在機(jī)場表面的情境意識，同時降低航空器駕駛員在構(gòu)型及運(yùn)轉(zhuǎn)復(fù)雜機(jī)場的工作負(fù)擔(dān);此外，機(jī)場表面移動地圖還可降低航空器駕駛員因場面導(dǎo)航導(dǎo)致的危險失誤，如通過錯誤的滑行道或進(jìn)入錯誤的跑道進(jìn)行起飛;且由于改進(jìn)了導(dǎo)航措施，同時減少了滑行延遲現(xiàn)象的發(fā)生。

在機(jī)載移動地圖開發(fā)過程中，主要根據(jù)ARINC-816[5]中關(guān)于跑道、滑行道和停機(jī)坪等機(jī)場重要道路的相關(guān)元素進(jìn)行開發(fā)并設(shè)置相關(guān)的參數(shù)。

1.2 功能需求

根據(jù)機(jī)載表面移動地圖的實際需求，現(xiàn)總結(jié)其主要內(nèi)容如下：

軟件需要從機(jī)場數(shù)據(jù)庫和航空器位置數(shù)據(jù)庫中獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，交由數(shù)據(jù)訪問層，再包括經(jīng)過圖層、各項要素、空間幾何等內(nèi)容的引擎層級進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總，最后反饋到軟件表現(xiàn)層上，進(jìn)行數(shù)據(jù)管理、編輯和量程選擇等。具體框架詳見圖1所示：

同樣的，在這一結(jié)構(gòu)框架基礎(chǔ)上，開發(fā)了諸多的軟件功能，主要包括機(jī)場地圖數(shù)據(jù)庫管理和機(jī)載場面引導(dǎo)兩個方面。

其中，機(jī)場地圖數(shù)據(jù)庫管理包括數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)編輯，數(shù)據(jù)管理主要是對機(jī)場數(shù)據(jù)進(jìn)行管理并進(jìn)行分類;在數(shù)據(jù)編輯模塊中可以編輯機(jī)場地圖中不同元素的空間描述。

機(jī)載場面引導(dǎo)包含四個模塊，在這里，制定計劃的作用是在不同的滑行線路中添加不同的識別信息，并賦予地圖中不同顏色，便于用戶在后期使用中進(jìn)行識別;飛行動態(tài)監(jiān)視需滿足全羅盤、半羅盤兩種基本展示模式，主要是用于在地圖中顯示航空器及其飛行軌跡，并且當(dāng)場面比例尺增大到一定值的時候，觸發(fā)防擁堵能力而不顯示停機(jī)位及標(biāo)簽;量程選擇可以為用戶提供不同的比例尺，方便用戶在進(jìn)行地圖放大縮小的過程中作為參照;地圖工具是其主要功能，要提供如放大、縮小、平移等基本的電子地圖功能，提高機(jī)載電子移動地圖的可用性，方便用戶使用。具體功能見圖2。

1.3 非功能需求

非功能需求主要包括性能需求和質(zhì)量需求兩個方面。

質(zhì)量需求主要體現(xiàn)在機(jī)載移動地圖的功能響應(yīng)上，簡單功能響應(yīng)時間不應(yīng)超過1s，復(fù)雜邏輯操作功能響應(yīng)時間不應(yīng)超過5s，當(dāng)數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)量增大后系統(tǒng)處理速度變化范圍不超過60%。質(zhì)量需求的相關(guān)要求詳見下表：

2 機(jī)載移動地圖開發(fā)重點

2.1 數(shù)據(jù)文件解析

地圖系統(tǒng)采用XML格式存儲，而該種模式存儲采用反序列方式;序列化是.NET運(yùn)行時環(huán)境用來支持用戶定義類型的機(jī)制，以某種存儲形成使自定義對象持久化，或?qū)ο髲囊惶巶鬏數(shù)搅硪惶帯?/p>

因此，在序列化類的過程中，是從屬性中讀取數(shù)值，再以某種格式保存下來，但這一過程不會將類的成員函數(shù)序列化。反序列化是序列化的逆過程，可將存儲數(shù)據(jù)在適當(dāng)?shù)臅r候轉(zhuǎn)化為原對象進(jìn)行使用。反序列化的過程如下圖3所示：

2.2 地圖繪制

在進(jìn)行地圖繪制的過程中，支持點、線、面等常見的空間要素繪制，并支持地圖旋轉(zhuǎn)、縮放和平移等，并自定義數(shù)據(jù)借口，實現(xiàn)對XML格式數(shù)據(jù)的支持。機(jī)載移動地圖初始以創(chuàng)建Map對象實例來生成地圖，Map地圖對象可包含機(jī)載移動地圖需使用的各種幾何類及接口類，是地圖繪制的基礎(chǔ)，并定義了幾何對象應(yīng)具備的公共操作。

3 開發(fā)成果展示

3.1 機(jī)載移動地圖主界面

在開發(fā)過程中，系統(tǒng)主界面主要包括：（頂部）快捷工具欄，（左側(cè)）機(jī)場列表、（右側(cè)）數(shù)字化機(jī)場場面地圖和（底部）地理坐標(biāo)信息，如下圖4所示：

3.2 其他功能展示

在機(jī)載移動地圖中，除了開發(fā)的主界面框架之外，還實現(xiàn)了多項功能，現(xiàn)將部分功能展示如下：

3.2.1 飛行動態(tài)監(jiān)控

點擊“航空器模擬”按鈕，即可顯示當(dāng)前界面中的所有航空器圖標(biāo)：

3.2.2 防擁功能

即在場面比例≥3nm時，不顯示停機(jī)位及標(biāo)簽，不同比例尺下的停機(jī)位展示如下圖所示：

4 總結(jié)

（1）經(jīng)實踐可知，依據(jù)本項研究的開發(fā)思路，并根據(jù)國內(nèi)機(jī)場的實際運(yùn)行情況，可以開發(fā)出一套完整的機(jī)載移動地圖系統(tǒng)。

（2）在機(jī)載移動系統(tǒng)中可以實現(xiàn)基本的地圖功能，并可根據(jù)用戶需要或使用習(xí)慣，增加如防擁能力等其他功能，以此提高地圖的可用性，降低用戶的操作差錯，提高運(yùn)行安全性。

參考文獻(xiàn)：

[1]秦漢.多旋翼無人機(jī)管控系統(tǒng)設(shè)計[D].南京信息工程大學(xué)，2018.

[2]陶明.基于改進(jìn)CKF的移動機(jī)器人定位與建圖研究[D].安徽工程大學(xué)，2016.

[3]毛卉佳.先進(jìn)的機(jī)場場面活動引導(dǎo)與控制系統(tǒng)（A-SMGCS）研究[J].科技展望，2014（10）：148-149.

[4]吳超瓊，趙利，梁鋼，劉小康.基于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的無人機(jī)飛行監(jiān)管系統(tǒng)設(shè)計[J].測控技術(shù)，2017，36（08）：66-69.

[5]EMBEDDED INTERCHANGE FORMAT FOR AIRPORT MAPPING DATABASE：ARINC-816[S].Annapolis：ARINC，2016.