机场数据在合成视景系统中的应用研究

段永强，王朝阳，查虎成，范力维

(中航工业洛阳电光设备研究所，河南 洛阳 471009)

0 引言

根据RTCA DO-315的定义［1］，合成视景系统(以下简称SVS)是一种电子显示方法，显示从驾驶舱视角得到的外部地形的计算机合成图像，以提高飞行员的环境感知能力。在起飞、进近和着陆阶段，SVS需要显示机场的地形、跑道和地面标识的合成图像。RTCA DO-315要求SVS 系统使用的导航数据库中的跑道和机场信息应该与机上其他系统(飞行管理系统等)使用的一致。

SVS在作为机载主飞行显示器的显示内容时，对数据可靠性、显示精度和分辨率都有很高的要求。国内相关研究主要采用 Vega［2］或 Vega Prime［3］软件处理机场和跑道的显示，该方法的缺点是所用机场数据或软件价格昂贵且不开放，不符合行业标准和适航要求。国外的研究大多采用符合RTCA DO-272规范的AMDB数据库将机场三维视景合成在SVS中［4］，其中一种方法是由AMDB生成机场二维模型，随后使用 Open Inventor Graphic Library进行三维视景合成［5］，但是生成的视景只能运行在特定的软件和硬件平台上。

本文将介绍使用符合机载设备标准的AMDB数据库合成并在开放环境中显示机场三维视景的方法。

1 AMDB数据简介

国际民航组织(ICAO)建议使用机场绘图数据库(Airport Mapping Databases，AMDB)作为航空运行的机场数据标准［6］，并且规定了AMDB为达到航空运行要求所必须具备的内容、组织、发布、更新的最低标准。RTCA DO-272提出了AMDB数据库应该满足包括跑道运行、机场场面导引、机场和航线资源管理等典型应用场合［7］。

AMDB数据包括点、线和几何图形，使用的空间坐标系为水平方向 WGS-84，垂直方向 EGM-96。AMDB所描述的一个机场中的主要元素如图1所示。全球1、2、3类区域机场都会根据ICAO的要求在2011年前建立 AMDB 数据库［8］。

图1 机场模型示例Fig.1 Example of airport model

RTCA DO-291规定了机场AMDB模型，模型数据使用XML格式组织和表述［9］。以旧金山国际机场为例说明机场模型数据的内容和定义，该机场的ICAO编号为KSFO。

第一部分为机场标识等信息:＜description＞Airport:KSFO，Date:24.11.2009 ＜ /description＞ 。数据含义见表1。

表1 机场标识Table 1 Airport identification

第二部分为跑道和滑行道信息，两者内容近似。以跑道为例说明信息的格式及内容:

该跑道信息中主要数据的含义见表2。

表2 跑道信息Table 2 Runway information

2 合成与显示方法

本文采用图2所示方法完成机场视景的合成和显示处理。先对飞行区域内的地形和机场数据建模，融合成为三维合成视景数据，将数据预先存储在机载SVS数据库中。在飞行过程中根据飞机的位置、速度、姿态对合成视景数据进行动态调度和显示。

图2 机场合成视景处理过程图Fig.2 Flow chart of airport synthetic process

2.1 建立机场二维模型

对机场的建模是从AMDB数据向绘图元素的转换过程。在DOC 9881中定义了3类31个绘图元素和52条绘图规则，绘图元素分别使用多边形、线段和点来表示。将数据映射成为绘图元素后，按照绘图规则依次绘制和连接得到机场模型，包括跑道、滑行道、灯光、地面建筑等主要元素。建立完成的机场二维模型，见图3。

图3 连接绘图元素得到的机场模型Fig.3 Airport model obtained by connecting the mapping elements

2.2 合成机场三维视景

利用跨平台、开源的Open Scence Graph图形库编写合成视景程序，使用OSG的Camera对象控制和管理坐标漫游。将机场模型、纹理作为一个图层加载到三维场景的根节点上，与地形高程模型一起进行拼接、增加光照和阴影生成显示画面。过程见图4。

图4 机场三维模型生成原理图Fig.4 Principle for generating 3D airport model

合成的机场三维视景在SVS运行期间，根据飞机位置、速度、姿态进行时间和空间同步、漫游等处理。KSFO机场合成的三维显示效果见图5。

图5 KSFO机场三维模型Fig.5 3D model of airport KSFO

3 仿真与验证

根据SVS对机场视景的功能和性能要求，开展了合成、加载机场三维模型、三维场景漫游等功能的仿真;对机场合成视景进行了分辨率、刷新率、视场测试。

3.1 仿真环境

采用一台图形工作站来模拟SVS的显示终端，显示处理部分采用了商用NVIDIA GeForce 8600GT显卡，显存为256 M;采用一台普通PC机作为飞行模拟器，使用FLSim飞行仿真软件为显示终端提供必须的飞行数据。

仿真使用KSFO机场数据建立机场模型，仿真程序使用Visual C++6开发，在Windows XP操作系统下运行。

3.2 仿真用例

为方便验证功能和性能，设计了两个仿真用例:

1)以机场跑道中心线、跑道入口端为视点中心，视点距地面5 m，水平视场下的机场合成视景显示;

2)以机场跑道中心线的延长线、距离跑道入口端300 m为视点中心，视点距地面30 m，3°下滑角条件下的机场合成视景显示。

3.3 功能仿真结果

完成了两个仿真用例，其中用例2)的仿真效果见图6。

图6 仿真用例2)画面Fig.6 Display of simulation 2)

3.4 性能仿真结果

仿真的性能测试结果见表3。

表3 性能仿真结果表Table 3 Performance result of simulation

仿真结果能够满足SVS的最低性能标准和适航要求:显示刷新率满足RTCA DO-315规定的大于15 Hz的要求;响应速度满足了 TSO C-165［10］/RTCA DO-257A规定的不能大于1 s的要求;视场超越了国外SVS目前的研究项目所达到的指标［11-13］。

4 结论

本文研究了机载AMDB格式机场数据，结合RTCA DO-315和RTCA DO-272对系统和数据的最低性能要求提出了一种在SVS中合成显示机场的方法，该方法主要包括数据映射、模型建立和视景合成过程。

设计两个仿真用例，对机场视景合成的效果进行了模拟。通过仿真证明该方法在SVS上合成的机场视景效果良好，满足SVS相关的功能和性能要求，证明了方法的可行性。由于使用了符合工业标准的AMDB数据格式和开放式的图形处理库，该方法能够满足DO-315对信息一致性的要求，生成的机场合成视景能够方便地移植到机载嵌入式系统中，可以应用在以主飞行显示器、平视显示器等为显示终端的机载合成视景系统中。

［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，龚光红.基于HLA攻防对抗仿真中三维视景设计与实现［J］.系统仿真学报，2005，17(12):2961-2964.

［3］罗秋鹏，高晓光，杨建国.空战三维视景仿真设计与实现［J］.电光与控制，2008，15(10):33-36，73.

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