地理信息技術在機載增強合成視景中的應用

文/楊秋月 張侃 王江峰

（航空工業上海航空電器有限公司 上海市 201101）

1 引言

據統計，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]。機載增強合成視景就是為了提高飛行機組在這種外部能見度受限環境下的態勢感知能力、提升飛行安全性而研制的。

機載增強合成視景是一種“虛實結合”的圖像顯示技術，其利用各種傳感器、數據庫信息，通過傳感器數據成像及計算機合成的方式生成飛機外部的三維場景圖像，并顯示在機載顯示終端上。國外對于機載增強合成視景的研究較為成熟，美國國家航空航天局(NASA)最早提出了相關的概念，并進行了持續的深入研究。在NASA的支持與帶動下，美國的各大航空設備生產商紛紛加入增強合成視景的研究行列，先后研制出了多種符合適航認證標準的增強合成視景產品。發展至今，美國已形成了以Honeywell、Rockwell Collins為主導，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出了各自的增強合成視景產品。我國在該領域的研究起步較晚，但近年來也取得了一定的成果：航空工業洛陽光電設備研究所研制出了國內首個增強視景系統，西安航空計算技術研究所實現了適用于機載合成視景系統的地形可視化系統[2]，上海無線電電子研究所開發出了具有增強合成視景功能的綜合座艙演示樣機等。

2 地理信息技術與機載增強合成視景的概念

地理信息技術主要指以遙感（Remote Sensing，RS）、全球定位系統（Global Positioning System，GPS），以及地理信息系統（Geographical Information System，GIS）為主的科學技術領域，也稱“3S”技術。其中，遙感技術主要利用不同物體對電磁波反射或輻射強度的不同對物體進行識別，得到相應的航片、衛星影像或雷達、紅外等傳感器數據；全球定位系統利用GPS衛星發送的導航電文進行實時解算，得到接收機所處位置的當前經緯度、高度及速度，主要用于定位和導航；地理信息系統利用遙感技術和全球定位系統所獲取的外界地理信息數據，進行一系列的數據處理，得到符合應用需求的輸出。作為機載增強合成視景的重要技術基礎，地理信息技術為機載增強合成視景提供了廣泛的高程及紋理數據源、傳感器成像數據源、精確的位置姿態信息，以及可用于顯示直觀三維地形場景的數據處理方法，機載增強合成視景也因此成為地理信息技術在航空領域的典型應用。

機載增強合成視景（Enhanced Synthetic Vision）是一種將外部三維地形場景顯示給飛行機組的電子方法，其實質是機載合成視景（Synthetic Vision）與機載增強視景（Enhanced Vision）相結合的一種視景顯示技術。其中，機載合成視景以地形、障礙物、機場數據庫為基礎，根據全球定位系統等導航設備提供的位置、高度速度等信息，利用計算機實時生成飛機外部環境的虛擬三維視景，并輸出到機載顯示器上；無論外部天氣及實際能見度如何，機載合成視景均能為飛行機組提供與晴朗的白天一樣清晰的視野。機載增強視景是利用雷達等前視成像傳感器探測到的數據經轉換處理后實時生成飛機外地物的圖像，并顯示到機載顯示器上，它顯示的是飛機外部的真實場景圖像。機載增強合成視景融合了上述兩種視景技術生成的圖像，兩種圖像以某種方式共同顯示在同一顯示器上。多項研究結果表明，機載增強合成視景能有效提升飛行機組在視覺受限或地形不熟悉情況下的態勢感知能力及操作精度，降低潛在CFIT事故的發生率[3]。

3 地理信息技術在機載增強合成視景中的具體應用

3.1 遙感技術在機載增強合成視景中的應用

3.1.1 高程數據庫

機載增強合成視景的高程數據庫是三維地形表面建模的基礎，地形建模實質上就是根據高程數據生成高低起伏的地形表面模型。目前主流的機載合成視景大多使用數字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）作為高程數據庫，而獲取DEM數據最主要的手段之一就是遙感技術。

通過遙感技術建立DEM的一般步驟為：

（1）通過機載雷達、衛星等航空航天遙感技術對地球表面進行掃描或攝影，得到大量的原始遙感觀測數據；

（2）對上述原始遙感觀測數據進行處理和解譯，得到對應的地表高程信息；

（3）對地表高程信息進行采樣、插值等處理后，制作成規則格網、不規則三角網或等高線等形式的數字高程模型，即DEM高程數據庫。

例如，被廣泛使用的SRTM DEM，就是由美國太空總署與國家測繪局利用“奮進”號航天飛機搭載雷達進行遙感測量得到的。“奮進”號航天飛機總共圍繞地球飛行了176圈，采集了222小時23分鐘的數據，得到了覆蓋全球陸地表面80%以上的雷達影像數據，這些數據歷時兩年多的處理，最終制作成了數字高程模型SRTM DEM。另一主流的DEM數據庫ASTER GDEM，是美國太空總署與日本經濟產業省共同推出的一項DEM數據,該數據是通過對地觀測衛星Terra搭載的先進星載熱發射與反輻射儀對地球表面進行遙感測量后，對數據進行處理之后制成的[4]，該數據覆蓋北緯83°到南緯83°之間的所有陸地表面。

遙感技術為機載增強合成視景提供了豐富的高程數據來源，且隨著DEM數據融合技術的發展，不同來源的遙感數據可以進行直接或間接的融合，上述兩種高程數據庫均在局部使用了這種數據融合方法，以克服數據源各自的缺陷，提高數據精度。可以預見，隨著遙感技術及相關數據處理技術的發展，用于機載增強合成視景的高程數據庫精度將會越來越高。

3.1.2 紋理數據庫

機載增強合成視景中另一個重要的數據庫就是紋理數據庫，該數據庫為機載合成視景提供地形表面紋理貼圖，以增強地形場景的真實感。根據RTCA DO-315B-2011標準的要求，機載合成視景顯示的圖像所描繪的地形特征必須易于識別，且與實際的外部場景一致。因此實際應用中，一般利用真實的遙感影像數據作為機載合成視景的原始紋理數據庫來源。

遙感影像數據主要通過航空攝影測量或衛星攝影測量等遙感技術手段獲取，這種影像數據具有真實的場景細節和豐富的地表特征，視覺效果上最為逼真，因此部分增強合成視景產品就采用了這種真實遙感影像作為紋理數據庫。但也有一種觀點認為，真實影像數據的細節信息過多，容易給飛行員帶來視覺上的干擾，需要進行簡化處理。目前常見的機載合成視景一般是利用遙感影像數據得到高程信息，再根據預先設置的高程-顏色映射表對每個象元進行分層設色，或是將可見光紋理與顏色梯度進行一定比例的混合，從而生成虛擬的紋理數據庫。這種利用真實遙感影像數據生成的虛擬紋理數據庫即保留了主要的地形特征，又避免了無用的細節干擾，因此受到各大機載合成視景生產商的青睞。

3.1.3 增強視覺傳感器

用于機載增強合成視景的增強視覺傳感器主要包括可見光傳感器、紅外成像儀、激光雷達、毫米波雷達等，這些增強視覺傳感器通過拍攝或掃描等遙感技術實時地獲取飛機周圍的環境數據，這些數據經處理轉換后生成實時場景圖像在機載顯示器上進行顯示。與利用預置的機載地形數據庫生成的虛擬圖像不同，增強視覺傳感器生成的是當前飛機外部實時的真實場景圖像，這對于機載數據庫可能存在的缺陷——數據錯誤/不完整或是與實際地形誤差過大的情況來說，將是一個有力的補充。另外，增強視覺傳感器能探測到隨機障礙物、移動目標等嚴重威脅飛行安全但不在機載數據庫中的信息，增強視覺傳感器與機載合成視景的這種優勢互補也是促使兩者結合的重要原因之一。

增強視覺傳感器在機載增強合成視景中的作用主要體現在飛機距離地面高度較低的情形下，例如起飛、降落等飛行階段，或是執行低空飛行任務時。一般地，機載增強合成視景的三維地形場景圖像融合策略為：當飛機遠離機場或是距離地面高度較高時，機載顯示器上以顯示虛擬的三維地形場景圖像為主；隨著飛機高度逐漸降低或接近機場時，逐漸調整增強視覺傳感器生成的圖像在場景畫面中的顯示比例；當飛機高度進一步降低至一定高度時，主要顯示增強視覺傳感器生成的圖像[5]。

增強視覺傳感器不受全球定位系統定位精度以及地形數據庫準確性和完好性的影響，如實地反映飛機外部的真實情況，特別是在飛機起飛、進近時能幫助飛行機組提前了解跑道及周圍的實時環境信息，大幅度提升了飛行機組的安全性。

3.2 全球定位系統在機載增強合成視景中的應用

3.2.1 精準定位

對于機載增強合成視景來說，全球定位系統主要作用于合成視景部分。由于機載合成視景最主要的功能是為飛行機組提供當前位置下以飛行員視角顯示的飛機外部場景，飛機位置的準確性尤為重要，甚至直接關系著機載合成視景的可用性。全球定位系統就是為機載合成視景提供實時位置信息的基本來源。

全球定位系統由GPS衛星、地面監控站及用戶接收機三部分組成。全球定位系統實現定位的原理為：GPS衛星按照一定頻率不斷地向地面監控站發送衛星的實時位置，地面監控站接收到GPS衛星發送的導航電文后，進行解析和誤差校正，然后將更新后的信息上注到GPS衛星，GPS衛星再將帶有改正數的導航電文發送給用戶接收機，用戶接收機將這種導航電文進行解算后，就可以得到自身較為精確的位置信息，主要包括經度、緯度、高度、速度等。得到了飛機的準確位置，機載合成視景就可以利用這些信息計算飛行員視角下的可見區域，從而調取相應區域的高程及紋理數據，生成該區域的虛擬地形場景。

由于全球定位系統在機載合成視景中的重要作用，如何提高全球定位系統的定位精度也成為各大研究機構的關注熱點。將全球定位系統與慣性導航系統結合使用是一種常見的提高定位精度的方式，目前主流的機載增強合成視景基本上都采用了這種方法。

3.2.2 導航指引

導航指引功能是機載增強合成視景的一個重要功能。全球定位系統為機載增強合成視景提供飛機實時的位置、速度等信息，機載增強合成視景根據這些數據結合飛機的航向、方位等信息預測飛機下一時刻的軌跡，并指引飛機進行航行或進場著陸。

機載增強合成視景常見的導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的飛行線路及飛機與周圍環境的空間關系，可以輔助飛行員進行操作決策。隨著導航技術的發展，新一代的機載增強合成視景融入了一種更加直觀的導航，即根據飛機當前位置與設定的目的地在空中實時地規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的“空中高速公路”或“空中隧道”，飛行員只需要使飛機保持在機載顯示器上顯示的“管道”內飛行，就可以保障飛行安全。目前，Dynon、Garmin等公司均生產出了具有該功能的機載增強合成視景產品。

3.3 地理信息系統在機載增強合成視景中的應用

三維地形場景顯示是機載增強合成視景最基礎也是最重要的功能，飛行機組正是通過顯示在機載顯示器上的三維地形場景來獲取飛機外部環境信息的，而這一過程貫穿了地理信息系統的應用。

如何對地理信息數據進行存儲、調度及顯示是地理信息系統應用到機載增強合成視景的關鍵環節。首先，三維地形場景顯示所需的數據——高程、紋理以及機場等數據庫均屬于地理信息數據，對于高程、紋理數據，一般采用對原始數據進行分幅、分層預處理，然后按照層號及經緯度或行列號對數據文件進行編碼后存儲[6]；對于機場數據，一般以文件的形式存儲區域內所有機場的位置、跑道方向和高度等信息。然后，在地形繪制的過程中，負責計算和調度的模塊實時地計算飛機當前位置下的可視區域及下一時刻飛機可能進入的區域，并按照計算結果從上述高程、紋理和機場數據庫中調取相應的數據。接著，負責實時繪制的模塊使用這些數據建立地形模型并進行紋理映射及場景渲染。最終，將上述場景數據轉化成圖形化的輸出并顯示到機載顯示器上。因此，三維地形場景顯示本質上也可以說是地理信息系統在航空領域的一種三維可視化應用。

4 結論

地理信息技術在機載增強合成視景上的應用，是“3S”技術集成應用的典型實例。一方面，隨著地理信息技術的發展，通過遙感技術獲取的地形數據精度將越來越高，通過全球定位系統獲取的位置、姿態數據將越來越精確，通過地理信息系統處理地形數據的方法也將越來越高效，這種趨勢勢必會促進機載增強合成視景在態勢感知、導航、進近等方面性能的提升；另一方面，目前的全球定位系統早已不僅僅指美國的“GPS”，還包括我國的北斗系統、俄國的GLONASS系統以及歐盟的Galileo系統[7]，全球定位系統的快速發展大大提升了機載增強合成視景的可用性；再者，包括我國北斗在內的國內外主要全球定位系統，都在加快建設各自的全球定位系統增強系統，該增強系統拓展了全球定位系統的外延，基于該技術發展而來的GBAS、SBAS、ABAS又進一步提升了機載增強合成視景的精度和可靠性[8]；最后，國家已越來越重視機載航電領域的自主可控，最近提出的“中國制造2025”計劃已將航空航天裝備列為重點發展領域，作為綜合顯示控制系統的關鍵技術，機載增強合成視景也必會得到大力的發展。