地理信息技術(shù)在機(jī)載增強(qiáng)合成視景中的應(yīng)用

文/楊秋月 張侃 王江峰

（航空工業(yè)上海航空電器有限公司 上海市 201101）

1 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界超過30%的民航重大飛行事故屬于可控飛行撞地事故（Controlled Flight Into Terrain，CFIT）。調(diào)查表明，沙塵、雨霧、光線不足等外部能見度受限是造成CFIT事故最主要的原因之一[1]。機(jī)載增強(qiáng)合成視景就是為了提高飛行機(jī)組在這種外部能見度受限環(huán)境下的態(tài)勢(shì)感知能力、提升飛行安全性而研制的。

機(jī)載增強(qiáng)合成視景是一種“虛實(shí)結(jié)合”的圖像顯示技術(shù)，其利用各種傳感器、數(shù)據(jù)庫信息，通過傳感器數(shù)據(jù)成像及計(jì)算機(jī)合成的方式生成飛機(jī)外部的三維場(chǎng)景圖像，并顯示在機(jī)載顯示終端上。國外對(duì)于機(jī)載增強(qiáng)合成視景的研究較為成熟，美國國家航空航天局(NASA)最早提出了相關(guān)的概念，并進(jìn)行了持續(xù)的深入研究。在NASA的支持與帶動(dòng)下，美國的各大航空設(shè)備生產(chǎn)商紛紛加入增強(qiáng)合成視景的研究行列，先后研制出了多種符合適航認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)合成視景產(chǎn)品。發(fā)展至今，美國已形成了以Honeywell、Rockwell Collins為主導(dǎo)，Garmin、Avidyne、Aspen、Dynon等多家公司百花齊放的局面。此外，法國、英國、德國等歐洲國家也生產(chǎn)出了各自的增強(qiáng)合成視景產(chǎn)品。我國在該領(lǐng)域的研究起步較晚，但近年來也取得了一定的成果：航空工業(yè)洛陽光電設(shè)備研究所研制出了國內(nèi)首個(gè)增強(qiáng)視景系統(tǒng)，西安航空計(jì)算技術(shù)研究所實(shí)現(xiàn)了適用于機(jī)載合成視景系統(tǒng)的地形可視化系統(tǒng)[2]，上海無線電電子研究所開發(fā)出了具有增強(qiáng)合成視景功能的綜合座艙演示樣機(jī)等。

2 地理信息技術(shù)與機(jī)載增強(qiáng)合成視景的概念

地理信息技術(shù)主要指以遙感（Remote Sensing，RS）、全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS），以及地理信息系統(tǒng)（Geographical Information System，GIS）為主的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，也稱“3S”技術(shù)。其中，遙感技術(shù)主要利用不同物體對(duì)電磁波反射或輻射強(qiáng)度的不同對(duì)物體進(jìn)行識(shí)別，得到相應(yīng)的航片、衛(wèi)星影像或雷達(dá)、紅外等傳感器數(shù)據(jù)；全球定位系統(tǒng)利用GPS衛(wèi)星發(fā)送的導(dǎo)航電文進(jìn)行實(shí)時(shí)解算，得到接收機(jī)所處位置的當(dāng)前經(jīng)緯度、高度及速度，主要用于定位和導(dǎo)航；地理信息系統(tǒng)利用遙感技術(shù)和全球定位系統(tǒng)所獲取的外界地理信息數(shù)據(jù)，進(jìn)行一系列的數(shù)據(jù)處理，得到符合應(yīng)用需求的輸出。作為機(jī)載增強(qiáng)合成視景的重要技術(shù)基礎(chǔ)，地理信息技術(shù)為機(jī)載增強(qiáng)合成視景提供了廣泛的高程及紋理數(shù)據(jù)源、傳感器成像數(shù)據(jù)源、精確的位置姿態(tài)信息，以及可用于顯示直觀三維地形場(chǎng)景的數(shù)據(jù)處理方法，機(jī)載增強(qiáng)合成視景也因此成為地理信息技術(shù)在航空領(lǐng)域的典型應(yīng)用。

機(jī)載增強(qiáng)合成視景（Enhanced Synthetic Vision）是一種將外部三維地形場(chǎng)景顯示給飛行機(jī)組的電子方法，其實(shí)質(zhì)是機(jī)載合成視景（Synthetic Vision）與機(jī)載增強(qiáng)視景（Enhanced Vision）相結(jié)合的一種視景顯示技術(shù)。其中，機(jī)載合成視景以地形、障礙物、機(jī)場(chǎng)數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，根據(jù)全球定位系統(tǒng)等導(dǎo)航設(shè)備提供的位置、高度速度等信息，利用計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)生成飛機(jī)外部環(huán)境的虛擬三維視景，并輸出到機(jī)載顯示器上；無論外部天氣及實(shí)際能見度如何，機(jī)載合成視景均能為飛行機(jī)組提供與晴朗的白天一樣清晰的視野。機(jī)載增強(qiáng)視景是利用雷達(dá)等前視成像傳感器探測(cè)到的數(shù)據(jù)經(jīng)轉(zhuǎn)換處理后實(shí)時(shí)生成飛機(jī)外地物的圖像，并顯示到機(jī)載顯示器上，它顯示的是飛機(jī)外部的真實(shí)場(chǎng)景圖像。機(jī)載增強(qiáng)合成視景融合了上述兩種視景技術(shù)生成的圖像，兩種圖像以某種方式共同顯示在同一顯示器上。多項(xiàng)研究結(jié)果表明，機(jī)載增強(qiáng)合成視景能有效提升飛行機(jī)組在視覺受限或地形不熟悉情況下的態(tài)勢(shì)感知能力及操作精度，降低潛在CFIT事故的發(fā)生率[3]。

3 地理信息技術(shù)在機(jī)載增強(qiáng)合成視景中的具體應(yīng)用

3.1 遙感技術(shù)在機(jī)載增強(qiáng)合成視景中的應(yīng)用

3.1.1 高程數(shù)據(jù)庫

機(jī)載增強(qiáng)合成視景的高程數(shù)據(jù)庫是三維地形表面建模的基礎(chǔ)，地形建模實(shí)質(zhì)上就是根據(jù)高程數(shù)據(jù)生成高低起伏的地形表面模型。目前主流的機(jī)載合成視景大多使用數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）作為高程數(shù)據(jù)庫，而獲取DEM數(shù)據(jù)最主要的手段之一就是遙感技術(shù)。

通過遙感技術(shù)建立DEM的一般步驟為：

（1）通過機(jī)載雷達(dá)、衛(wèi)星等航空航天遙感技術(shù)對(duì)地球表面進(jìn)行掃描或攝影，得到大量的原始遙感觀測(cè)數(shù)據(jù)；

（2）對(duì)上述原始遙感觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和解譯，得到對(duì)應(yīng)的地表高程信息；

（3）對(duì)地表高程信息進(jìn)行采樣、插值等處理后，制作成規(guī)則格網(wǎng)、不規(guī)則三角網(wǎng)或等高線等形式的數(shù)字高程模型，即DEM高程數(shù)據(jù)庫。

例如，被廣泛使用的SRTM DEM，就是由美國太空總署與國家測(cè)繪局利用“奮進(jìn)”號(hào)航天飛機(jī)搭載雷達(dá)進(jìn)行遙感測(cè)量得到的?！皧^進(jìn)”號(hào)航天飛機(jī)總共圍繞地球飛行了176圈，采集了222小時(shí)23分鐘的數(shù)據(jù)，得到了覆蓋全球陸地表面80%以上的雷達(dá)影像數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)歷時(shí)兩年多的處理，最終制作成了數(shù)字高程模型SRTM DEM。另一主流的DEM數(shù)據(jù)庫ASTER GDEM，是美國太空總署與日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省共同推出的一項(xiàng)DEM數(shù)據(jù),該數(shù)據(jù)是通過對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星Terra搭載的先進(jìn)星載熱發(fā)射與反輻射儀對(duì)地球表面進(jìn)行遙感測(cè)量后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理之后制成的[4]，該數(shù)據(jù)覆蓋北緯83°到南緯83°之間的所有陸地表面。

遙感技術(shù)為機(jī)載增強(qiáng)合成視景提供了豐富的高程數(shù)據(jù)來源，且隨著DEM數(shù)據(jù)融合技術(shù)的發(fā)展，不同來源的遙感數(shù)據(jù)可以進(jìn)行直接或間接的融合，上述兩種高程數(shù)據(jù)庫均在局部使用了這種數(shù)據(jù)融合方法，以克服數(shù)據(jù)源各自的缺陷，提高數(shù)據(jù)精度?？梢灶A(yù)見，隨著遙感技術(shù)及相關(guān)數(shù)據(jù)處理技術(shù)的發(fā)展，用于機(jī)載增強(qiáng)合成視景的高程數(shù)據(jù)庫精度將會(huì)越來越高。

3.1.2 紋理數(shù)據(jù)庫

機(jī)載增強(qiáng)合成視景中另一個(gè)重要的數(shù)據(jù)庫就是紋理數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫為機(jī)載合成視景提供地形表面紋理貼圖，以增強(qiáng)地形場(chǎng)景的真實(shí)感。根據(jù)RTCA DO-315B-2011標(biāo)準(zhǔn)的要求，機(jī)載合成視景顯示的圖像所描繪的地形特征必須易于識(shí)別，且與實(shí)際的外部場(chǎng)景一致。因此實(shí)際應(yīng)用中，一般利用真實(shí)的遙感影像數(shù)據(jù)作為機(jī)載合成視景的原始紋理數(shù)據(jù)庫來源。

遙感影像數(shù)據(jù)主要通過航空攝影測(cè)量或衛(wèi)星攝影測(cè)量等遙感技術(shù)手段獲取，這種影像數(shù)據(jù)具有真實(shí)的場(chǎng)景細(xì)節(jié)和豐富的地表特征，視覺效果上最為逼真，因此部分增強(qiáng)合成視景產(chǎn)品就采用了這種真實(shí)遙感影像作為紋理數(shù)據(jù)庫。但也有一種觀點(diǎn)認(rèn)為，真實(shí)影像數(shù)據(jù)的細(xì)節(jié)信息過多，容易給飛行員帶來視覺上的干擾，需要進(jìn)行簡化處理。目前常見的機(jī)載合成視景一般是利用遙感影像數(shù)據(jù)得到高程信息，再根據(jù)預(yù)先設(shè)置的高程-顏色映射表對(duì)每個(gè)象元進(jìn)行分層設(shè)色，或是將可見光紋理與顏色梯度進(jìn)行一定比例的混合，從而生成虛擬的紋理數(shù)據(jù)庫。這種利用真實(shí)遙感影像數(shù)據(jù)生成的虛擬紋理數(shù)據(jù)庫即保留了主要的地形特征，又避免了無用的細(xì)節(jié)干擾，因此受到各大機(jī)載合成視景生產(chǎn)商的青睞。

3.1.3 增強(qiáng)視覺傳感器

用于機(jī)載增強(qiáng)合成視景的增強(qiáng)視覺傳感器主要包括可見光傳感器、紅外成像儀、激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)等，這些增強(qiáng)視覺傳感器通過拍攝或掃描等遙感技術(shù)實(shí)時(shí)地獲取飛機(jī)周圍的環(huán)境數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)經(jīng)處理轉(zhuǎn)換后生成實(shí)時(shí)場(chǎng)景圖像在機(jī)載顯示器上進(jìn)行顯示。與利用預(yù)置的機(jī)載地形數(shù)據(jù)庫生成的虛擬圖像不同，增強(qiáng)視覺傳感器生成的是當(dāng)前飛機(jī)外部實(shí)時(shí)的真實(shí)場(chǎng)景圖像，這對(duì)于機(jī)載數(shù)據(jù)庫可能存在的缺陷——數(shù)據(jù)錯(cuò)誤/不完整或是與實(shí)際地形誤差過大的情況來說，將是一個(gè)有力的補(bǔ)充。另外，增強(qiáng)視覺傳感器能探測(cè)到隨機(jī)障礙物、移動(dòng)目標(biāo)等嚴(yán)重威脅飛行安全但不在機(jī)載數(shù)據(jù)庫中的信息，增強(qiáng)視覺傳感器與機(jī)載合成視景的這種優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)也是促使兩者結(jié)合的重要原因之一。

增強(qiáng)視覺傳感器在機(jī)載增強(qiáng)合成視景中的作用主要體現(xiàn)在飛機(jī)距離地面高度較低的情形下，例如起飛、降落等飛行階段，或是執(zhí)行低空飛行任務(wù)時(shí)。一般地，機(jī)載增強(qiáng)合成視景的三維地形場(chǎng)景圖像融合策略為：當(dāng)飛機(jī)遠(yuǎn)離機(jī)場(chǎng)或是距離地面高度較高時(shí)，機(jī)載顯示器上以顯示虛擬的三維地形場(chǎng)景圖像為主；隨著飛機(jī)高度逐漸降低或接近機(jī)場(chǎng)時(shí)，逐漸調(diào)整增強(qiáng)視覺傳感器生成的圖像在場(chǎng)景畫面中的顯示比例；當(dāng)飛機(jī)高度進(jìn)一步降低至一定高度時(shí)，主要顯示增強(qiáng)視覺傳感器生成的圖像[5]。

增強(qiáng)視覺傳感器不受全球定位系統(tǒng)定位精度以及地形數(shù)據(jù)庫準(zhǔn)確性和完好性的影響，如實(shí)地反映飛機(jī)外部的真實(shí)情況，特別是在飛機(jī)起飛、進(jìn)近時(shí)能幫助飛行機(jī)組提前了解跑道及周圍的實(shí)時(shí)環(huán)境信息，大幅度提升了飛行機(jī)組的安全性。

3.2 全球定位系統(tǒng)在機(jī)載增強(qiáng)合成視景中的應(yīng)用

3.2.1 精準(zhǔn)定位

對(duì)于機(jī)載增強(qiáng)合成視景來說，全球定位系統(tǒng)主要作用于合成視景部分。由于機(jī)載合成視景最主要的功能是為飛行機(jī)組提供當(dāng)前位置下以飛行員視角顯示的飛機(jī)外部場(chǎng)景，飛機(jī)位置的準(zhǔn)確性尤為重要，甚至直接關(guān)系著機(jī)載合成視景的可用性。全球定位系統(tǒng)就是為機(jī)載合成視景提供實(shí)時(shí)位置信息的基本來源。

全球定位系統(tǒng)由GPS衛(wèi)星、地面監(jiān)控站及用戶接收機(jī)三部分組成。全球定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)定位的原理為：GPS衛(wèi)星按照一定頻率不斷地向地面監(jiān)控站發(fā)送衛(wèi)星的實(shí)時(shí)位置，地面監(jiān)控站接收到GPS衛(wèi)星發(fā)送的導(dǎo)航電文后，進(jìn)行解析和誤差校正，然后將更新后的信息上注到GPS衛(wèi)星，GPS衛(wèi)星再將帶有改正數(shù)的導(dǎo)航電文發(fā)送給用戶接收機(jī)，用戶接收機(jī)將這種導(dǎo)航電文進(jìn)行解算后，就可以得到自身較為精確的位置信息，主要包括經(jīng)度、緯度、高度、速度等。得到了飛機(jī)的準(zhǔn)確位置，機(jī)載合成視景就可以利用這些信息計(jì)算飛行員視角下的可見區(qū)域，從而調(diào)取相應(yīng)區(qū)域的高程及紋理數(shù)據(jù)，生成該區(qū)域的虛擬地形場(chǎng)景。

由于全球定位系統(tǒng)在機(jī)載合成視景中的重要作用，如何提高全球定位系統(tǒng)的定位精度也成為各大研究機(jī)構(gòu)的關(guān)注熱點(diǎn)。將全球定位系統(tǒng)與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)合使用是一種常見的提高定位精度的方式，目前主流的機(jī)載增強(qiáng)合成視景基本上都采用了這種方法。

3.2.2 導(dǎo)航指引

導(dǎo)航指引功能是機(jī)載增強(qiáng)合成視景的一個(gè)重要功能。全球定位系統(tǒng)為機(jī)載增強(qiáng)合成視景提供飛機(jī)實(shí)時(shí)的位置、速度等信息，機(jī)載增強(qiáng)合成視景根據(jù)這些數(shù)據(jù)結(jié)合飛機(jī)的航向、方位等信息預(yù)測(cè)飛機(jī)下一時(shí)刻的軌跡，并指引飛機(jī)進(jìn)行航行或進(jìn)場(chǎng)著陸。

機(jī)載增強(qiáng)合成視景常見的導(dǎo)航指引方式是在視景顯示畫面疊加飛行航徑矢量，一般以綠色或白色帶水平及垂直指示線的小圓圈來表示，飛行航徑矢量指示了飛機(jī)的飛行線路及飛機(jī)與周圍環(huán)境的空間關(guān)系，可以輔助飛行員進(jìn)行操作決策。隨著導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展，新一代的機(jī)載增強(qiáng)合成視景融入了一種更加直觀的導(dǎo)航，即根據(jù)飛機(jī)當(dāng)前位置與設(shè)定的目的地在空中實(shí)時(shí)地規(guī)劃一條安全的通行路徑，以封閉或半封閉的線條繪制出視覺上連續(xù)的“空中高速公路”或“空中隧道”，飛行員只需要使飛機(jī)保持在機(jī)載顯示器上顯示的“管道”內(nèi)飛行，就可以保障飛行安全。目前，Dynon、Garmin等公司均生產(chǎn)出了具有該功能的機(jī)載增強(qiáng)合成視景產(chǎn)品。

3.3 地理信息系統(tǒng)在機(jī)載增強(qiáng)合成視景中的應(yīng)用

三維地形場(chǎng)景顯示是機(jī)載增強(qiáng)合成視景最基礎(chǔ)也是最重要的功能，飛行機(jī)組正是通過顯示在機(jī)載顯示器上的三維地形場(chǎng)景來獲取飛機(jī)外部環(huán)境信息的，而這一過程貫穿了地理信息系統(tǒng)的應(yīng)用。

如何對(duì)地理信息數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、調(diào)度及顯示是地理信息系統(tǒng)應(yīng)用到機(jī)載增強(qiáng)合成視景的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。首先，三維地形場(chǎng)景顯示所需的數(shù)據(jù)——高程、紋理以及機(jī)場(chǎng)等數(shù)據(jù)庫均屬于地理信息數(shù)據(jù)，對(duì)于高程、紋理數(shù)據(jù)，一般采用對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分幅、分層預(yù)處理，然后按照層號(hào)及經(jīng)緯度或行列號(hào)對(duì)數(shù)據(jù)文件進(jìn)行編碼后存儲(chǔ)[6]；對(duì)于機(jī)場(chǎng)數(shù)據(jù)，一般以文件的形式存儲(chǔ)區(qū)域內(nèi)所有機(jī)場(chǎng)的位置、跑道方向和高度等信息。然后，在地形繪制的過程中，負(fù)責(zé)計(jì)算和調(diào)度的模塊實(shí)時(shí)地計(jì)算飛機(jī)當(dāng)前位置下的可視區(qū)域及下一時(shí)刻飛機(jī)可能進(jìn)入的區(qū)域，并按照計(jì)算結(jié)果從上述高程、紋理和機(jī)場(chǎng)數(shù)據(jù)庫中調(diào)取相應(yīng)的數(shù)據(jù)。接著，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)繪制的模塊使用這些數(shù)據(jù)建立地形模型并進(jìn)行紋理映射及場(chǎng)景渲染。最終，將上述場(chǎng)景數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成圖形化的輸出并顯示到機(jī)載顯示器上。因此，三維地形場(chǎng)景顯示本質(zhì)上也可以說是地理信息系統(tǒng)在航空領(lǐng)域的一種三維可視化應(yīng)用。

4 結(jié)論

地理信息技術(shù)在機(jī)載增強(qiáng)合成視景上的應(yīng)用，是“3S”技術(shù)集成應(yīng)用的典型實(shí)例。一方面，隨著地理信息技術(shù)的發(fā)展，通過遙感技術(shù)獲取的地形數(shù)據(jù)精度將越來越高，通過全球定位系統(tǒng)獲取的位置、姿態(tài)數(shù)據(jù)將越來越精確，通過地理信息系統(tǒng)處理地形數(shù)據(jù)的方法也將越來越高效，這種趨勢(shì)勢(shì)必會(huì)促進(jìn)機(jī)載增強(qiáng)合成視景在態(tài)勢(shì)感知、導(dǎo)航、進(jìn)近等方面性能的提升；另一方面，目前的全球定位系統(tǒng)早已不僅僅指美國的“GPS”，還包括我國的北斗系統(tǒng)、俄國的GLONASS系統(tǒng)以及歐盟的Galileo系統(tǒng)[7]，全球定位系統(tǒng)的快速發(fā)展大大提升了機(jī)載增強(qiáng)合成視景的可用性；再者，包括我國北斗在內(nèi)的國內(nèi)外主要全球定位系統(tǒng)，都在加快建設(shè)各自的全球定位系統(tǒng)增強(qiáng)系統(tǒng)，該增強(qiáng)系統(tǒng)拓展了全球定位系統(tǒng)的外延，基于該技術(shù)發(fā)展而來的GBAS、SBAS、ABAS又進(jìn)一步提升了機(jī)載增強(qiáng)合成視景的精度和可靠性[8]；最后，國家已越來越重視機(jī)載航電領(lǐng)域的自主可控，最近提出的“中國制造2025”計(jì)劃已將航空航天裝備列為重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域，作為綜合顯示控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，機(jī)載增強(qiáng)合成視景也必會(huì)得到大力的發(fā)展。