機場數據在合成視景系統中的應用研究

段永強，王朝陽，查虎成，范力維

(中航工業洛陽電光設備研究所，河南 洛陽 471009)

0 引言

根據RTCA DO-315的定義［1］，合成視景系統(以下簡稱SVS)是一種電子顯示方法，顯示從駕駛艙視角得到的外部地形的計算機合成圖像，以提高飛行員的環境感知能力。在起飛、進近和著陸階段，SVS需要顯示機場的地形、跑道和地面標識的合成圖像。RTCA DO-315要求SVS 系統使用的導航數據庫中的跑道和機場信息應該與機上其他系統(飛行管理系統等)使用的一致。

SVS在作為機載主飛行顯示器的顯示內容時，對數據可靠性、顯示精度和分辨率都有很高的要求。國內相關研究主要采用 Vega［2］或 Vega Prime［3］軟件處理機場和跑道的顯示，該方法的缺點是所用機場數據或軟件價格昂貴且不開放，不符合行業標準和適航要求。國外的研究大多采用符合RTCA DO-272規范的AMDB數據庫將機場三維視景合成在SVS中［4］，其中一種方法是由AMDB生成機場二維模型，隨后使用 Open Inventor Graphic Library進行三維視景合成［5］，但是生成的視景只能運行在特定的軟件和硬件平臺上。

本文將介紹使用符合機載設備標準的AMDB數據庫合成并在開放環境中顯示機場三維視景的方法。

1 AMDB數據簡介

國際民航組織(ICAO)建議使用機場繪圖數據庫(Airport Mapping Databases，AMDB)作為航空運行的機場數據標準［6］，并且規定了AMDB為達到航空運行要求所必須具備的內容、組織、發布、更新的最低標準。RTCA DO-272提出了AMDB數據庫應該滿足包括跑道運行、機場場面導引、機場和航線資源管理等典型應用場合［7］。

AMDB數據包括點、線和幾何圖形，使用的空間坐標系為水平方向 WGS-84，垂直方向 EGM-96。AMDB所描述的一個機場中的主要元素如圖1所示。全球1、2、3類區域機場都會根據ICAO的要求在2011年前建立 AMDB 數據庫［8］。

圖1 機場模型示例Fig.1 Example of airport model

RTCA DO-291規定了機場AMDB模型，模型數據使用XML格式組織和表述［9］。以舊金山國際機場為例說明機場模型數據的內容和定義，該機場的ICAO編號為KSFO。

第一部分為機場標識等信息:＜description＞Airport:KSFO，Date:24.11.2009 ＜ /description＞ 。數據含義見表1。

表1 機場標識Table 1 Airport identification

第二部分為跑道和滑行道信息，兩者內容近似。以跑道為例說明信息的格式及內容:

該跑道信息中主要數據的含義見表2。

表2 跑道信息Table 2 Runway information

2 合成與顯示方法

本文采用圖2所示方法完成機場視景的合成和顯示處理。先對飛行區域內的地形和機場數據建模，融合成為三維合成視景數據，將數據預先存儲在機載SVS數據庫中。在飛行過程中根據飛機的位置、速度、姿態對合成視景數據進行動態調度和顯示。

圖2 機場合成視景處理過程圖Fig.2 Flow chart of airport synthetic process

2.1 建立機場二維模型

對機場的建模是從AMDB數據向繪圖元素的轉換過程。在DOC 9881中定義了3類31個繪圖元素和52條繪圖規則，繪圖元素分別使用多邊形、線段和點來表示。將數據映射成為繪圖元素后，按照繪圖規則依次繪制和連接得到機場模型，包括跑道、滑行道、燈光、地面建筑等主要元素。建立完成的機場二維模型，見圖3。

圖3 連接繪圖元素得到的機場模型Fig.3 Airport model obtained by connecting the mapping elements

2.2 合成機場三維視景

利用跨平臺、開源的Open Scence Graph圖形庫編寫合成視景程序，使用OSG的Camera對象控制和管理坐標漫游。將機場模型、紋理作為一個圖層加載到三維場景的根節點上，與地形高程模型一起進行拼接、增加光照和陰影生成顯示畫面。過程見圖4。

圖4 機場三維模型生成原理圖Fig.4 Principle for generating 3D airport model

合成的機場三維視景在SVS運行期間，根據飛機位置、速度、姿態進行時間和空間同步、漫游等處理。KSFO機場合成的三維顯示效果見圖5。

圖5 KSFO機場三維模型Fig.5 3D model of airport KSFO

3 仿真與驗證

根據SVS對機場視景的功能和性能要求，開展了合成、加載機場三維模型、三維場景漫游等功能的仿真;對機場合成視景進行了分辨率、刷新率、視場測試。

3.1 仿真環境

采用一臺圖形工作站來模擬SVS的顯示終端，顯示處理部分采用了商用NVIDIA GeForce 8600GT顯卡，顯存為256 M;采用一臺普通PC機作為飛行模擬器，使用FLSim飛行仿真軟件為顯示終端提供必須的飛行數據。

仿真使用KSFO機場數據建立機場模型，仿真程序使用Visual C++6開發，在Windows XP操作系統下運行。

3.2 仿真用例

為方便驗證功能和性能，設計了兩個仿真用例:

1)以機場跑道中心線、跑道入口端為視點中心，視點距地面5 m，水平視場下的機場合成視景顯示;

2)以機場跑道中心線的延長線、距離跑道入口端300 m為視點中心，視點距地面30 m，3°下滑角條件下的機場合成視景顯示。

3.3 功能仿真結果

完成了兩個仿真用例，其中用例2)的仿真效果見圖6。

圖6 仿真用例2)畫面Fig.6 Display of simulation 2)

3.4 性能仿真結果

仿真的性能測試結果見表3。

表3 性能仿真結果表Table 3 Performance result of simulation

仿真結果能夠滿足SVS的最低性能標準和適航要求:顯示刷新率滿足RTCA DO-315規定的大于15 Hz的要求;響應速度滿足了 TSO C-165［10］/RTCA DO-257A規定的不能大于1 s的要求;視場超越了國外SVS目前的研究項目所達到的指標［11-13］。

4 結論

本文研究了機載AMDB格式機場數據，結合RTCA DO-315和RTCA DO-272對系統和數據的最低性能要求提出了一種在SVS中合成顯示機場的方法，該方法主要包括數據映射、模型建立和視景合成過程。

設計兩個仿真用例，對機場視景合成的效果進行了模擬。通過仿真證明該方法在SVS上合成的機場視景效果良好，滿足SVS相關的功能和性能要求，證明了方法的可行性。由于使用了符合工業標準的AMDB數據格式和開放式的圖形處理庫，該方法能夠滿足DO-315對信息一致性的要求，生成的機場合成視景能夠方便地移植到機載嵌入式系統中，可以應用在以主飛行顯示器、平視顯示器等為顯示終端的機載合成視景系統中。

［1］DO-315 Minimum Aviation System Performance Standards(MASPS)for Enhanced Vision Systems，Synthetic Vision Systems，Combined Vision Systems and Enhanced Flight Vision Systems［S］.RTCA ，Inc.2008，11.

［2］李宇翔，龔光紅.基于HLA攻防對抗仿真中三維視景設計與實現［J］.系統仿真學報，2005，17(12):2961-2964.

［3］羅秋鵬，高曉光，楊建國.空戰三維視景仿真設計與實現［J］.電光與控制，2008，15(10):33-36，73.

［4］VERNALEKEN C，ECKARTSBERG A，MIHALIC L，et al.The european research project ISAWARE II:A more intuitive flight deck for future airliners［J］.SPIE，2005，5802:13-24.

［5］MAXIME E，BONJEAN，JACQUES G.Generation of infrared imagery from an aviation synthetic vision database［J］.SPIE，2005，5802:59-70.

［6］Doc9881 guidelines for electronic terrain，obstacle and aerodrome mapping information［S］.ICAO ，1998.

［7］DO-272B user requirements for aerodrome mapping information［S］.RTCA Inc.2009.

［8］DAMJANOVIC D.Using GIS and remote sensing to enhance air navigation safety［J］.Photogrammetric Engineering and Remote Sensing，2003，69:478-481.

［9］DO-291 interchange standards for terrain，obstacle，and aerodrome mapping data［S］.RTCA，Inc，2004.

［10］TSO-C165 electronic map display equipment for graphical depiction of aircraft position［S］.FAA，2009.

［11］HORNE T，MENA M.Synthetic＆ enhanced vision-operational benefits，affordability and availability［R］.Gulfstream，2008.

［12］ARTHUR J J，WILLIAMS S P，PRINZEL L J，et al.Flight simulator evaluation of display media devices for synthetic vision concepts［J］.SPIE，2004，5442:213-224.

［13］KRAMER L J，WILLIAMS S P，BAILEY R E，et al.Synthetic vision systems-operational considerations simulation experiment［J］.Proceedings of SPIE，Enhanced and Synthetic Vision，2007，6559:3-6.