基于GIS的太陽能光反射對民航降落影響的仿真系統

張海建 孫丹

（北京信息職業技術學院 北京市 100018）

增加能源供應、保障能源安全、保護生態環境、促進經濟和社會的可持續發展，是中國經濟和社會面臨的重大戰略任務。在我國“科學、綠色、低碳”的可持續發展能源戰略背景下，必須努力優化能源結構，在化石燃料日趨減少的情況下，太陽能作為一種可再生能源，已成為人類使用能源的重要組成部分。隨著生態文明建設融入到社會經濟發展的各個方面，

建設綠色機場越來越為民航業界所關注。國內外已經有一些機場嘗試采用光伏發電來利用太陽能，用于機場供電。如美國菲尼克斯天港國際機場、丹佛國際機場，以及日本東京羽田機場、希臘雅典國際機場和我國的深圳機場等均有太陽能發電系統。[1]機場進行太陽能光伏發電站的建設，不僅具有良好的經濟效益，而且還會取得了良好的社會效益。在民航機場進行光伏發電站的建設，主要考慮的光伏發電站所需安裝的地理位置、太陽能板面積等因素，出于飛行安全的考慮，首要的任務是光伏發電站建設完成后，在飛機降落時，需要評估太陽能反射光是否會對飛行員的視線產生影響。

目前,隨著新一代信息技術的發展，信息技術已經與各行各業深度融合，數字經濟蓬勃發展，在很大程度上提高了生產效能。在評估太陽能反射光是否會對飛行員的視線產生影響研究過程中，計算機仿真技術結合地理信息系統 (GIS, Geographic Information System)技術為我們提供了行之有效的技術手段。目前，GIS 技術廣泛應用于各類計算機仿真中，通過實體建模、數學模型設置、參數輸入等，在空間和屬性數據的基礎上運行模型，從而模擬出對象的運動過程來進行可視化仿真，在此背景下，將仿真技術與GIS 技術相結合，對太陽能反射光對飛行員的視線影響進行方法研究、模型研究，并對實現技術進行探討，實施方案具有良好通用性、可適用于不同仿真規模和不同機場的仿真系統。通過太陽光照和電陽能反射光線的數據模型，可以得出，太陽能板的反射是否會對飛機降落時飛行員的視線產生影響。

1 飛機降落時電陽能光反射模型

要想知道太陽能光反射對民航降落是否存在影響，就要觀測和計算太陽高度角與反射角的變化，進而判斷太陽能反射光是否會對民航降落時的飛行員的視線產生影響，太陽高度角與反射角在很多文獻中都有所提及，不作為本文討論的重點。在本系統中，假定忽略大氣層對太陽光線折射的影響，在本文討論的太陽能工程中，太陽能電池板與地面夾角為25 度。飛機降落的軌跡與地面的夾角為3 度，用α 表示；飛機下降時的府仰角為15 度，用β 表示；飛行員在飛機降落飛行過程中,垂直向下的可視角度是20 度，用γ 表示。[2]如圖1 所示。

本模型中，所有參數采用角度度數，以及反射鏡面為原點(0,0,0)的坐標系

飛機飛行參數如下：

軌道傾角：α=3°；仰角：β=15°；可視角：γ=20°

可視角度與地面的夾角：

圖1：飛機降落示意圖

圖2：系統總體架構

圖3：系統建設內容

反射線所用點的坐標：(xR, yR, zR)

飛機飛行軌道的方程：

圖4：太陽光照射及反射效果

其中x0, y0, z0, m, n, p 均為已知系數，t 為（時間）參數；

若已知飛機軌道上兩點：(xC, yC, zC), (xD, yD, zD)，可以直接給出系數：

第一步，求反射高度角 h0，及方位角 d0

此處的方位角為以 x（東）為方向逆時針計的，若要換算成以 y（北）方向順時針計（即與圖中一致），公式為：

第二步，判斷飛機駕駛艙是否有反射線進入；

首先計算反射線在飛機航線上的投影，計算如下兩個點的坐標 A(xA, yA, zA), B(xB, yB, zB)：

然后計算反射線夾角：

判斷：

若 θ<α 或θ>θ0，駕駛室內不會照入反射光；

若α<θ<θ0，計算飛機在航線上位置為(x,y,z)處時的反射線高度：

若z1

若z1>z，駕駛室內會照入反射光；

2 基于三維GIS的模擬仿真系統

太陽能光反射對民航降落影響仿真系統，是運用航空攝影、測繪數據、數字正射影像圖（DOM）和數字高程模型（DEM）及三維規劃模型數據，建筑、道路、景點、設施模型構建的整個飛機起飛和降落的三維景觀，結合三維GIS 地理信息系統，通過對飛機、地形、太陽、太陽能反光板等相關因素構建實景，使用者進入地圖，進行多角度觀察太陽能反光板，飛機的全貌，還可進入飛機駕駛艙，通過駕駛員視角觀察太陽能光反射是否對飛機有影響。

通過輸入不同的日期、時間、經緯度、太陽能反光板夾角等相關因素，系統將根據不同參數通過模擬計算，分別可以模擬全年365 天*24 小時任何不同經緯度點位對不同高度的飛機起降的環境，最終為太陽能光伏發電站規劃建設提供輔助決策。

2.1 系統總體架構設計

本系統的總體架構設計如圖2 所示。

其中，基礎設施層，主要為支撐本系統運行的計算機硬件設備；數據資源層主要包括支撐本系統運行的數據，含地型數據、影像數據、矢量數據、模型數據及本系統所使用其他數據；應用層主要包括支撐層和功能層兩部分，支撐層包括應用支撐平臺和地理信息支持平臺，功能層主要包括三維操作、模擬飛行和仿真分析三部分，為系統需主要完成的功能。

系統基于地理信息系統開發平臺“SuperMap Objects .NET 6R”，采用C/S 架構，使用Visual Studio 2010 開發環境，C#語言開發，實現太陽能光反射對民航降落影響仿真系統的開發與實現。

2.2 建設內容

太陽能降落系統的功能模塊如圖3 所示。主要包括兩部分，分別為系統設置和飛行模擬，其中，系統設置部分主要仿真模型數據設置，進行數據源的設置；基礎GIS 功能包含了測距、預覽等基礎的GIS 功能；查詢定位主要實現了不同地理位置的定位功能，在指定的區域進行預覽與模擬仿真。

飛行模模擬是仿真系統的核心功能，主要包括多視角瀏覽、光照設置、飛機起降模擬、觀察視角設置、飛行速度設置、飛行進度設置等內容，通過此功能模塊，可以直觀清晰了太陽能光反射對飛機降落過程中對飛行員視線的影響。

2.3 主要功能預覽

2.3.1 太陽光照射及反射

太陽光照射及反射效果如圖4 所示，通過調整日期和時間，可能查看到在指定位置的太陽能板的入射光及反射光的情況。

2.3.2 不同視角預覽

通過進行視角切換，可以從第三人稱視角和第一人稱查看飛機上升和下降的情況，其中，通過第一人稱視角模擬，在駕駛艙內，可以直觀的看到太陽反射光是否對飛行員的視線產生影響，當前生影響時，會同時發出警報。

3 結束語

GIS 仿真技術在仿真領域應用越來越廣泛，采用三維GIS 仿真平臺，融合計算模型，建立基于真實場景的信息平臺，在該系統平臺上實現了可視化的太陽能所射光線對民航降落對飛行員視線的影響。該系統通過擴展，可以應用到所有需要建立光伏發電的機場，為評估提供輔助決策，為設計施工提供依據。