基于World Wind的民航导航数据库设计及实现

沈笑云，孟 健，焦卫东，张思远（中国民航大学智能信号和图像处理天津市重点实验室，天津 300300）

基于World Wind的民航导航数据库设计及实现

沈笑云，孟 健，焦卫东，张思远
（中国民航大学智能信号和图像处理天津市重点实验室，天津 300300）

导航数据库可用于导航计算、导航台自动调谐管理和辅助完成飞机实时定位等，是飞行管理计算机所必须的数据源。为了开发高逼真度的飞行模拟视景系统，设计了一种基于World Wind的导航数据库并进行实现。数据库包括机场、跑道、仪表着陆系统、测距仪系统等信息，可实现全球导航数据的查询、修改与显示以及飞行计划的控制与显示，并最终在World Wind中实现所有信息的三维显示。以数字高程数据及高清遥感影像为视景模型，结合飞行模拟插件，并借助于World Wind平台，完成了一套以该数据库为基础的飞行模拟视景系统。

导航数据库；飞行管理计算机；World Wind；飞行模拟视景系统

导航数据库数据是由文字和航图转变成飞行管理计算机所能认读的磁盘或磁带资料，需要一定的编码规范即ARINC424规范[1]。ARINC424规范数据是被国际广泛使用的导航数据标准格式，它也是飞行管理计算机存储的机载导航数据的基础。导航数据总库由杰普逊公司根据杰普逊航图资料和世界各国所提供的航行资料汇编编制而成。世界上仅有的2家导航数据库生产厂家——杰普逊公司和霍尼韦尔公司从数据总库中提取出所需数据，然后为用户制成数据库磁盘或磁带，供飞行使用。中国也对国内导航数据的编码进行过整合。国航运控中心针对民航导航数据库国内数据更新技术进行了研究，指出目前国航的实际情况是，所订购的杰普逊数据（ARINC424规范数据）并不包括国内对外不开放导航数据，而这些数据恰是国内航空公司使用最频繁导航数据之一[2]。因此需要利用应用程序生成国内导航数据的ARINC424规范数据，替换或补充杰普逊“全球”数据的国内部分，实现完整的全球导航数据库，供国内航空公司使用。

World Wind是美国宇航局发布的一款开源的三维地理信息系统（geographic information system，GIS），以地理空间数据库为基础，在计算机软硬件的支持下，运用系统工程和信息科学的理论，科学管理和综合分析具有空间内涵的地理数据，以提供管理、决策等所需信息的技术系统[3]。GIS是综合处理和分析地理空间数据的一种技术系统，是以测绘测量为基础，以数据库作为数据储存和使用的数据源，以计算机编程为平台的全球空间分析即时技术。

本文主要针对导航数据库巨大的应用前景，根据导航数据库数据结构，对机场、跑道、导航设备等设计建立数据库，存储FMC中所必须的导航数据。并结合三维GIS，重点标注其重要导航参数，如机场名称，跑道编号，导航设备调谐频率等，建立基于真实数字高程数据和高清遥感影像的飞行模拟视景系统，有助于飞行员了解航线范围内的地物地貌特征、各导航台信号对本机的支持情况等，是飞行模拟器必须具备的模块。

1 研究与方法

本文研究内容主要包括3个部分：导航数据库的设计及建立，导航数据二维视图，导航数据库与三维地理信息系统World Wind的结合。导航数据库设计及建立的研究主要是对导航数据的数据结构分析，对数据源中的数据进行处理后建立Access数据库；导航数据的二维视图主要是对MSChart控件进行研究；最后在World Wind实现导航数据的三维显示部分主要对World Wind的三维渲染机制进行研究。本数据库系统的结构框图如图1所示。

图1 数据库系统结构框图Fig.1 Database system block diagram

1.1 导航数据库的设计

导航数据库中导航数据处理直接影响飞行器飞行安全和经济效益，可信的导航数据及合理的数据结构是飞行模拟器原型系统开发和保证模拟飞行的逼真性、可靠性的必要条件[4]。本文以模拟飞行软件Flight Gear和Microsoft Flight Simulator X的导航数据库为数据源，并通过航行资料汇编对导航数据进行校准，分别根据机场、跑道、航路点、DME台、ILS台的数据结构，组织建立Access数据库。

1.1.1 机场数据结构

在飞行计划中经过的机场，会在导航仪表中显示，便于飞行员通过陆空通话报告飞机位置、获取地面信息等。飞行管理计算机会存储飞机归航机场的经纬度信息、登机门IRS参考信息、ILS设备等。本文中机场数据库中的数据类型主要为：机场编号、所在地、国际民航组织辨识符、所在位置经纬度信息、机场的海拔高度等[5]。根据已有数据源对机场数据结构进行编辑，以天津机场为例，数据结构如表1所示。表中第一行表示机场数据类型，第二行为对应的具体数据。

表1 机场数据结构Tab.1 Airport data structure

1.1.2 跑道数据结构

飞机着陆时需要对准归航机场的跑道，飞行管理计算机中会存储飞行计划中起始跑道的信息，包括跑道的经纬度、长度、宽度、方位角等信息。本文中建立的跑道数据库的数据类型主要为：跑道编号、辨别符、方位角、长度、宽度、经纬度、标高、表面材质等。每一条跑道都有2个方位数值，假设一条为35°，那么另一个方位为215°。跑道表面材质分为4种类型：ASP、GRE、CON、U，表示4种跑道材质分别为沥青、草地、混凝土和未知类型。同样以天津机场18L和36R为例，跑道的数据类型如表2所示。

表2 跑道数据结构Tab.2 Runway data structure

1.1.3 航路点数据结构

飞行员制定飞行计划时，在控制显示组件（control display unit，CDU）依次输入计划中经过的航路点名称，飞行管理计算机通过对飞机IRS和无线电导航设备的信号计算出飞机的瞬时位置，并发送指令至自动驾驶仪，引导飞机从起飞机场至目的地机场。导航数据库存储相应的航路点名称、位置信息，是辅助飞行管理计算机计算飞机瞬时位置的必要数据。本文中航路点的数据类型为：航路点编号、名称、经纬度信息。

1.1.4 导航台站数据结构

导航台数据存储类型必须包括以下方面：导航台类别、位置、频率、标高、标识等。本文中考虑的导航台类型分为5类：VOR：全向信标；DME：测距机；VORDME：全向信标与测距机合装；ILS：仪表着陆系统；ILS-DME：测距机与仪表着陆系统合装。

以天津大王庄DME台为例，导航台数据类型如表3所示，包括导航台编号、辨识码、名称、频率、导航台类型、经纬度、标高等。ILS的数据类型相对DME、VOR要多出几项：下滑角、航向角、所属跑道等，如表4所示。以北京首都机场INJ仪表着陆系统为例，其中Loc为进近航向角，Gs Angle为下滑角。

表3 导航台数据结构Tab.3 Data structure of navigation station

表4 仪表着陆系统数据结构Tab.4 ILS data structure

1.2 MSChart图表控件

MSChart是微软在2008年发布的图表显示控件，适用于.NET Framework 3.5 SP1的ASP.NET和Windows Form图标控制项[6]。MSChart控件给图形统计和报表图形显示提供了很好的解决办法，使用SQL语言对数据库和图表控件进行绑定，进行包括查询、修改、删除等操作。通过设置属性对数据进行点、线等标注，MSChart控件可以实现绝大部分类型的 Microsoft Graph图表，能方便地实现条形图、柱状图、饼状图、散点图、面积图和组合图等。

MSChart控件以OLE DB的方式进行数据绑定。OLE DB即对象链接与嵌入式数据库（object linking and embedding database），是微软为以统一方式访问不同类型的数据存储设计的一种应用程序接口，是一组用组件对象模型（COM）实现的接口。其被设计成ODBC的一种高级替代者和继承者，可以把其功能扩展到支持更多种类的非关系型数据库。

本文研究内容中导航数据的二维视图即通过MSChart图表控件显示。在C#窗体中嵌入MSChart控件，通过SQL语言对数据库中数据以平面直角坐标的方式显示。MSChart控件常用的属性包括：①ChartAreas：增加多个绘图区域，每个绘图区域包含独立的图表组、数据源。②Series：图表集合，即为最终显示的饼图、柱状图、线图、点图等构成的集合；可将多种相互兼容的类型放在一个绘图区域内，形成复合图。③Legends：图例说明。④Label：数据点标签文本或图形。

1.3 World Wind三维可视化机制

World Wind是由美国宇航局（NASA）阿莫斯研究中心的科研人员开发的开源地理信息系统。World Wind将Landsat 7卫星图像和航天飞机遥感数据结合在一起，让用户体验三维地球遨游的感觉。低分辨率的Blue marble数据现在包含的初始安装内，当用户放大到特定区域时，附加的高分辨率数据将会自动从NASA服务器上被下载。World Wind允许用户修改World Wind软件本身。软件基于DirectX的C#语言编写，调用微软SQL Server影像库Terrain Server来进行全球地形三维显示。

本数据库系统需要在World Wind上三维显示飞行计划航线、机场信息、导航台信息，分别对应生成Line（线）、Icon（标记）、Model（模型）。在SDK中需要调用 的 类 库 对 应 为 ：LineFeatrue、IconFeatrue、ModelFeatrue。在World Wind中实现导航数据库的三维显示步骤如下：①以FlightGear为数据源，分析数据库结构，建立Access数据库；②通过C#窗体界面对数据库进行查询、显示等操作，将查询得到的数据自动生成缓存文件。③World Wind中直接读取缓存文件，通过修改World Wind.cs的源代码，实现导航数据库与三维GIS的结合。

2 结果与分析

在完成导航数据结构的分析后，以FlightGear的数据作为导航数据的数据源，建立Access导航数据库。导航数据库分3个功能模块：飞行计划模块、导航台模块和机场模块。

2.1 飞行计划模块

本系统的飞行计划模块主要是通过查询关键航路点的名称，确定关键航路点的位置，并将这些点连接成线，生成飞行计划。基于Visual C#窗体开发导航数据库的查询界面，实现人机交互操作。如图2所示，查询界面可以对所设定飞行区域内的航路点、机场、导航台进行查询，并且可输入航路点的名称生成飞行计划。查询得到的航路点、机场、导航台等信息可以通过DataGridView控件显示，并可对Access导航数据库中的数据进行修改，保存等操作。并使用MSChart控件对查询得到的导航信息进行二维显示，并使用不同的标识对其进行标注。

图2 数据库查询显示界面Fig.2 Database query interface

以京沪航线为例，根据京沪航线的飞行计划，依次输入的15个关键航路点名称，在已建立的Access导航数据库中进行查询，查询结束后，点击标有关键航路点的checkbox控件，即可从下面的DataGridView控件中出现关键航路点的数据视图，包括航路点编号、经纬度、名称、辨识符等。同时，在最下方的MSChart控件中会二维显示飞行计划的航线，如图3所示，横纵坐标分别为经度和纬度，黑色三角标记关键航路点的位置，两点间线代表飞行计划航线。

图3 飞行计划显示Fig.3 Flight plan display

在数据库查询后，生成查询数据的缓存文件，缓存文件中包括飞行计划中航路点的经纬度、高度、名称等信息，在World Wind中调用LineFeature类对飞行计划航线在三维地理信息系统上进行渲染，渲染后利用world Window.Current World.Renderable Objects. Add（）函数，将航线加入当前的世界坐标中，由于京沪航线较长，需要World Wind中摄像机高度为1 500 km才能完全显示，在这个摄像机高度World Wind无法加载高清影像，因此显示结果与在MSChart中类似。

2.2 机场模块

机场的位置会在飞机的导航仪表ND中显示，以便于飞行员了解飞机即将经过的机场，飞行员通过与空管地勤人员沟通，了解当时机场的天气、跑道、起降情况，可以帮助飞行员做出正确的判断。根据机场的数据结构，建立导航数据库的机场模块，具体的机场显示信息包括：机场编号、辨识符、经纬度、标高、跑道名称以及跑道航向角。

同样以京沪航线周围的机场为例，导航数据库机场模块分别在二维MSChart控件（如图4所示）和三维地理信息系统World Wind（如图5所示）中显示。图4和图5中圆形标记即为机场的位置。在World Wind中，标记为Icon类，通过调用数据库缓存文件，实现对机场Icon的三维渲染。通过Rotation和Description的方法调用机场跑道的航向角，实现机场跑道航向角的显示。

图4 MSChart中机场位置Fig.4 Airports location in MSChart

图5 World Wind中机场及跑道方向角Fig.5 Airports and runway angle in WorldWind

2.3 导航台模块

导航台模块主要针对两种使用频率最高的导航台：DME、VOR和ILS。本文针对的导航台主要为DME 和ILS。ILS导航台数据视图如图6所示。

图6 ILS导航台数据视图Fig.6 ILS data view

DME导航台的显示仍以京沪航线为例，如图7所示为京沪航线可使用的DME导航台，DME导航台使用 ModelFeature类进行渲染，ModelFeature类是在World Wind中渲染3D模型的类，图7中将DME台的模型做100倍夸张处理。

图7 京沪航线可用的DME导航台Fig.7 Beijing-Shanghai route vailable DME navigation station

ILS台的显示则以天津滨海机场34L跑道为例，如图8中分别显示为航向台天线、下滑台天线和DME导航台，在跑道中心线延长线的为航向台天线，在跑道旁边的为下滑台天线，同样进行了夸张处理。结合World Wind中天津机场的高分辨率遥感影像，三维显示导航数据库中的导航台和机场信息。

3 结语

本文主要研究了导航数据库中的导航数据结构，并将导航数据进行处理建立Access数据库，使用图表控件生成导航数据视图，以图表的方式进行查询、修改、保存等操作。应用MSChart控件生成二维地图，集成了飞行计划、机场、导航台、航路点等信息。然后对World Wind进行二次开发，使导航数据库与三维地理信息系统结合，结合GIS的高分辨率遥感影像，对导航数据库中的数据进行三维表达，为飞行模拟机中建立真实度较高飞行模拟视景，便于飞行员在实飞前更好地了解飞行计划中航线的地貌特征和导航台、机场分布等信息，具有较高的应用价值和前景。

图8 World Wind中天津机场导航数据三维可视化Fig.8 Tianjin airport navigation data visualization in World Wind

[1]钦庆生.飞行管理计算机系统[M].北京：国防工业出版社，1991.

[2]王 军.民航导航数据库国内数据更新技术研究[J].通信导航监视，2009（5）：23-26.

[3]NASA.World Wind Wiki[EB/OL].（2009-12-8）[2010-8-30].http:// worldwind.arc.nasa.gov/features.html.

[4]杨炽夫，郑淑涛，姜洪洲，等.飞行模拟器原型系统导航数据库的构建[J].吉林大学学报（工学版），2010，40（3）：863-867.

[5] ARINC Specification 424-13[S].Navigation System Database，Aeronautical Radio，1995.

[6]谭 垒，徐善林.MSChart图表控件在机舱监控系统中的应用[J].机电设备，2008，25（3）：41-44.

[7]王行仁.飞行实时仿真系统及技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，1998.

[8] Flight Management System（FMS）Instrument Procedures Development，Order 8260.40B，December 31，1998[R].Federal Aviation Administration.

（责任编辑：黄 月）

Design and implementation of civil aviation navigation database based on World Wind

SHEN Xiao-yun，MENG Jian，JIAO Wei-dong，ZHANG Si-yuan
（Tianjin Key Lab for Advanced Signal Processing，CAUC，Tianjin 300300，China）

Navigation database is necessary data sources for flight management computer which can be used for navigation calculation，auto-tuning management of the navigation station，and the real-time location of aircraft，etc. To develop high-fidelity flight simulation visual system，a navigation database based on World Wind is designed and implemented.This database includes the information about airports，runways，instrument landing system，and distance measuring system，etc.So the global navigation data can be queried，modified and displayed，also the flight plan can be controlled and displayed.Finally all information will be displayed in World Wind by three-dimension.Digital elevation data and high-definition remote sensing images acting as visual model，a flight simulation visual system based on the database is completed by the WW platform combined with a flight simulation plug-in.

navigation database；FMC；World Wind；flight simulation visual system

V249

A

1674－5590（2013）01－0046－05

2012-06-08；

2012-09-24

国家自然科学基金委员会与中国民用航空局联合资助项目（61079009）；中央高校基本科研业务费（ZXH2009 B008）

沈笑云（1965—），女，江苏盐城人，研究员，硕士，研究方向为民用航空导航，虚拟现实在民航中的应用.