基于性能的导航飞行程序计算机虚拟环境仿真校验系统
阅读：437发布：2020-05-20
专利汇可以提供基于性能的导航飞行程序计算机虚拟环境仿真校验系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 提供了一种基于性能的导航(PBN)飞行程序计算机 虚拟环境 仿真校验系统，属于民用航空导航领域。该系统包括数据层、模型层、显示层和应用层；数据层用于对飞行程序数据、地形数据和障碍物数据进行处理；模型层为飞行程序的虚拟验证提供飞机的 导航系统 、动 力 学系统以及 增强型 近地警告系统 ；显示层用于虚拟验证时，为用户提供二维显示以及三维视景系统；应用层为用户提供 人机交互 以及飞行程序验证的应用。该系统实现了在计算机产生的虚拟环境中对PBN飞行程序进行验证，简单方便、缩短了验证周期，降低了成本，提高了工作效率，其结果能够对飞行程序设计进行评估，对实际飞行验证进行指导，满足PBN飞行程序验证的需求。，下面是基于性能的导航飞行程序计算机虚拟环境仿真校验系统专利的具体信息内容。
1.一种基于性能的导航飞行程序计算机虚拟环境仿真校验系统，其特征在于：所述系统包括数据层、模型层、显示层和应用层；
所述数据层为基于性能的导航飞行程序校验数据处理系统，用于对飞行程序数据、地形数据和障碍物数据进行处理；
所述模型层为基于性能的导航飞行程序校验民机飞行模型系统，用于为飞行程序的虚拟验证提供飞机的导航系统、动力学系统以及增强型近地警告系统；
所述显示层为基于性能的导航飞行程序校验二维显示以及三维视景引擎系统，用于虚拟验证时，为用户提供二维显示以及三维视景系统；
所述应用层为基于性能的导航飞行程序校验应用系统，提供应用层的服务，基于控制流实现地形文件和三维模型载入、场景初始化以及飞行程序编码文件验证、文件的解析、文件存储、仿真初始设置、模型解算、帧同步、三维仿真运行、仿真控制、仿真数据显示；
所述数据层为模型层提供飞行程序数据、地形数据和障碍物数据以及对数据进行处理；模型层为显示层提供飞机的导航系统、动力学系统以及近地警告系统模型；显示层为应用层提供二维显示以及三维视景系统。
2.根据权利要求1所述的基于性能的导航飞行程序计算机虚拟环境仿真校验系统，其特征在于：所述基于性能的导航飞行程序校验数据处理系统包括：基于ARINC424的PBN飞行程序数据处理单元，以及地形数据和障碍物数据处理单元；
所述基于ARINC424的PBN飞行程序数据处理单元用于对PBN飞行程序数据进行处理，包括数据导入、数据解析、数据验证以及数据存储；
所述地形数据和障碍物数据处理单元用于对地形数据和障碍物数据进行处理，包括数据编辑、导入、数据解析，以及数据存储；
所述基于ARINC424的PBN飞行程序数据处理单元依据ARINC424编码的EXCEL存储方式进行飞行程序数据结构定义；
在EXCEL表格中设有Basic datas和Procedures两个页面；
在Basic datas页面里定义和存储机场、地基导航设备、跑道以及所有的航路点的名称、类型、高程、磁方向、经纬度坐标；
在Procedures页面里定义针对每条跑道的飞行程序的类型、航段组成，以及每一航段的定位点标识、高度、速度限制、航段类型、所需导航性能限制值、最后进近定位点和复飞点以及最后进近的磁航向、垂直下滑角。
3.根据权利要求2所述的基于性能的导航飞行程序计算机虚拟环境仿真校验系统，其特征在于：所述地形数据采用数字高程模型，其用一组有序数值阵列形式表示地面高程，每个单元格存储高程值，采用全球高程的默认色系来表示；
所述障碍物数据利用航行情报服务中心公布的机场障碍物数据，并对其进行处理，得到所需要的数据格式；
所述障碍物数据采用Obstacle标识的结构体，在结构体中，分别定义变量以及Obstacledata为标识的map类型容器数据，来存放具体的障碍物数据；
所述变量包括机场名称、机场代码、磁差、参考点经纬度、投影坐标系；
所述障碍物数据包括障碍物名称、方向、距离、海拔高度数据；
所述map类型容器数据能够根据障碍物的数量自动增加数据长度，以适合不同机场的障碍物数量。
4.根据权利要求3所述的基于性能的导航飞行程序计算机虚拟环境仿真校验系统，其特征在于：所述基于性能的导航飞行程序校验民机飞行模型系统包括导航系统模型、飞行动力学系统模型和增强型近地警告系统模型；
所述导航系统模型，用于在飞行程序校验中制定飞行计划、计算飞机性能以及进行导航计算，并输出飞行导引的相关参数到其他系统；
所述飞行动力学系统模型，用于对飞机运动方程进行解算，得到飞机的姿态、速度、高度、升降率、位置以及其它飞行状态参数；
所述增强型近地警告系统模型，用于根据目前飞行状态，结合自身的地形数据库和机场数据库以及障碍物数据库确定潜在的与地形、障碍物间的冲突；如果接近地面时出现不安全情况，所述增强型近地警告系统模型进行提示；
所述飞行状态包括飞机的姿态、速度、高度、升降率、位置以及其它飞行状态参数。
5.根据权利要求4所述的基于性能的导航飞行程序计算机虚拟环境仿真校验系统，其特征在于：所述导航系统模型带有导航数据库、飞机性能数据库以及气动数据和发动机数据库，所述导航系统模型包括飞行管理模块、飞行引导模块、飞行控制系统和发动机系统；
所述飞行管理模块通过人机界面输入起飞初始参数以及离场以及进场、进近飞行程序，以使飞机按此飞行程序进行离场、降落，实现导航管理、飞行计划、性能预测与优化以及自动驾驶管理、飞行指引指令、自动油门指令；
所述飞行引导模块接收飞机动力学模块以及飞行控制系统传送的位置、速度信息，与数据库中的飞行计划比对，计算出当前的速度、航向以及航迹误差，再传递给飞行控制系统与发动机系统，实现对速度、航向以及航迹偏差的控制，之后，动力学模块以及飞行控制系统再将计算得到的新的位置、速度信息反馈给导航系统模型，再次计算偏差并进行控制，周而复始重复上述过程，完成导航过程，使飞机按预期航迹飞行；同时，飞行引导模块对导航源的精度、以及位置精度进行计算，并在精度不符合要求时进行报警；
所述飞行控制系统接收导航系统模型发送的当前航迹、航向偏差，利用预先设计的控制率，计算得到修正偏差所需要的飞机舵面以襟翼操纵量，将操纵量数据传递到翼面舵机，执行操作，使飞机改变姿态以及航向，按照预期的航迹飞行；
所述发动机系统接收飞行管理模块和飞行引导模块发送的当前速度、高度偏差，利用预先设计的发动机油门控制率，计算得到修正偏差所需要的燃油流量以及自动油门操纵量，将操纵量数据传递到自动油门系统，执行操作，使发动机改变推力，从而改变速度、高度等飞行参数，达到预期的飞行指标。
6.根据权利要求5所述的基于性能的导航飞行程序计算机虚拟环境仿真校验系统，其特征在于：所述飞行动力学模块包括气动系数模块和运动方程模块；
所述气动系数模块是飞机各种条件下升、阻力以及力矩系数的集合，在计算过程中通过实时查询获得此刻的飞机各种气动系数值，通过接收操纵系统的飞机舵面、襟翼位置，以及起落架位置，和飞行速度、马赫数、升降率、姿态这些相关飞行参数，利用这些参数查询气动系数，再利用气动系数计算气动力和力矩，并将计算结果输送到运动方程模块；
所述运动方程模块接收气动系数模块的气动力和力矩、以及发动机系统的推力值、燃油重量及飞机重心位置、以及标准大气数据，利用这些条件以及飞机初始值，解算飞机六自由度非线性全量运动方程，得到飞机的姿态、速度、升降率、位置以及其它飞行参数，并将这些参数重新反馈给气动系统模块，重新查询获取气动系数并进行气动力以及气动力矩计算，再传递给运动方程模块。
7.根据权利要求6所述的基于性能的导航飞行程序计算机虚拟环境仿真校验系统，其特征在于：所述增强型近地警告系统带有自身的地形数据库，地形数据库存储在一个ROM中，ROM中的地形数据被解压后，传送到RAM中，由RAM中的数据生成地形，并且是以当前飞机所在的位置作为中心进行显示；随着飞机位置的变动，ROM中的地形数据被不断调入到RAM中，进行实时显示，并且在地形显示时，总是以飞机当前的位置作为中心点的；在RAM中的数据，以分层的数据形式构成：飞机当前的位置处在第一层，这一层具有最高的显示精度，之后依次是第二层和第三层，精度逐渐变小；
每一层都以飞机位置为中心，每一次在RAM中更新数据时，每一层都有地形更新边界，当飞机飞过此边界时，RAM中的数据从ROM中更新数据；
增强型近地警告系统模型提供前视地形告警，即在除降落的所有飞行阶段中，由当前飞机的位置、高度、速度信息，结合内部的全球数字地形数据库，对前方潜在的冲突地形进行判断，如果地形以及障碍物出现在安全剖面边界之内，则启动告警。
8.根据权利要求7所述的基于性能的导航飞行程序计算机虚拟环境仿真校验系统，其特征在于：所述基于性能的导航飞行程序校验二维显示以及三维视景引擎系统包括二维显示系统和三维视景系统；
所述二维显示系统，用于读入地形高程数据、投影转换、地形图显示以及地理计算，并在此基础上将飞行程序设计的航图绘制在地形图上；所述投影转换是将地理坐标系转换到平面坐标系，所述平面坐标系包括极坐标系和平面直角坐标系；所述投影转换是采用横轴墨卡托投影方式实现的；
所述三维视景系统提供计算机虚拟飞行中的三维场景，展示动态的飞行验证过程，进行三维显示，所述三维显示包括对三维地形、障碍物、飞行程序、VSS面、APV OAS面、机场终端区和飞机模型进行三维显示；所述三维地形是利用规则网格或者不规则网格对地形进行剖分形成的。
9.根据权利要求8所述的基于性能的导航飞行程序计算机虚拟环境仿真校验系统，其特征在于：所述基于性能的导航飞行程序校验应用系统包括上层的提供应用层服务的PBN飞行程序三维仿真验证平台，下层的三维模型、渲染引擎、导航计算和程序框架；
所述三维模型用于自然环境、地形、机场、飞机的三维建模；
所述渲染引擎用于对三维场景进行实时渲染；
所述导航计算用于计算飞行仿真所需要的飞机位置、姿态、航向，实现导航功能；
所述程序框架用于搭建仿真的软件环境。
基于性能的导航飞行程序计算机虚拟环境仿真校验系统
技术领域
[0001] 本发明属于民用航空导航领域，具体涉及一种基于性能的导航(PBN)飞行程序计算机虚拟环境仿真校验系统。
背景技术
[0002] 我国的机场众多，特别是特殊机场，运行条件受到限制。另外，我国西部地区基础设施和地面导航台建设不完善，导航台和监视雷达信号覆盖不完全。随着西部经济的快速发展，西部地区民航基础设施的建设面临严峻挑战。这些机场和区域的传统地基导航设施难以满足运行需要，需要新的导航方式，组织运行，所以基于性能的导航(PBN)技术将在中国有巨大的发展前景。
[0003] 国外在基于性能的导航飞行程序设计与仿真验证方面的研究开展较早，取得了较大的成果。美国的FAA、NASA、MITRE以及EUROCONTROL、EASA、ICAO等机构都进行了大量的研究，它们在PBN飞行程序的设计方面形成了较为完善的标准和体系。针对PBN飞行程序验证研究，进行了大量的仿真和试飞验证，积累了比较成熟的技术方法和手段。
[0004] MITRE的下属研究机构CAASD开发的“The Terminal Area Route Generation and Traffic Simulation(TARGETS)tool”，可以实现交互方式的航路设计，并对进场、进近以及离场飞行程序进行设计。可以导入和显示地形、机场的高程数据；可以定义飞机性能，指定重量以及爬升率等，并对飞行程序进行指定飞机性能的可飞行性评估，可以生成障碍物评估面，进行障碍物和噪音的评估，以及FAA飞行准则的符合性评估，和通信/导航/监视/(CNS)的范围评估，并可进行人在回路的仿真运行。
[0005] FAA的Flight Technologies and Procedures Division开发的“RNAV-Pro”，提供了创建和载入飞行计划的工具，进行飞行计划的生成。能够载入地形，按照选取的评估准则，生成障碍物评估面进行障碍物穿透性评估，也可以进行飞机性能、环境因素的设置，并可以进行仿真设置，进行仿真运行，获得仿真的结果。可以获得的评估结果有：仿真结果汇总、飞行计划的可飞性评估结果、DME/DME评估结果、雷达分析结果、通讯分析和TERPS分析结果。
[0006] Geotitan飞行程序设计软件是法国民航学院(ENAC)与法国航空数据信息公司CGX于2001年投入研发的商用软件。软件主要建立了一套基于AIXM的航空地形数据库，完全整合ICAO Doc8168-OPS/611规范，实现自动绘制保护区，自动评估障碍物，自动制作航图和编制报告等功能。
[0007] FPDAM是意大利IDS公司开发的一款先进的飞行程序设计和空域管理软件。它能够进行仪表飞行程序的三维设计，用传统导航信号和区域导航概念提供程序设计的交互环境。FPDAM为用户工作提供了较强的飞行程序开发功能，并且可用飞行模式检查所设计仪表飞行程序。
[0008] 国外在飞行程序的验证中，除仿真验证之外，还采用了飞行模拟机验证。目前模拟机产品系列比较多，但是专门应用于程序验证的，目前国内外尚无专用的模拟机平台。所以目前程序验证都使用飞行员训练的全动模拟机。波音公司、空客公司和美国NAVERUS公司这三家公司进行PBN飞行程序验证都是通过全动模拟机验证，其飞行程序编码由FMS导航数据库公司(Smith公司和Honeywell公司)制作，并在模拟机上进行飞行验证，以验证其有效性。FMS导航数据库的制作周期为28天，验证后发现程序有问题需要修改，则需等到下一个制作周期才可修改。这对程序验证来讲周期过长，另外，全动模拟机验证费用也较高。
[0009] 目前，中国民航科学技术研究院在PBN飞行程序的设计与验证方面，具有国内领先地位。开发的“基于性能导航(PBN)飞行程序设计及验证系统”是集程序设计、编码、验证与一体的航行系统验证平台，在程序设计与飞行验证关键技术方面取得了多项突破。系统能够根据航路点、程序高度、航段类型等属性自动绘制程序保护区、评估障碍物，实现了PBN程序保护区与传统飞行程序保护区的无缝连接。系统实现了A320飞行训练器模拟验证平台，直接进行PBN程序添加功能，可对导航数据库进行编辑和修改，程序修改不需要28天周期，压缩了验证的时间。
[0010] 由于目前国内PBN飞行程序的验证仍是基于传统程序验证的方法，例如模拟机验证以及实际飞行验证，周期长、效率不高、资金耗费大，所以需要对PBN飞行程序的仿真验证方法进行研究，PBN飞行程序计算机仿真验证研究的目标，就是在计算机生成的虚拟环境下，实现按照设计的飞行程序，对程序进行静态以及动态可飞性评估，操纵驾驶杆或者自动飞行的飞行仿真，以可视化的航路保护区和障碍物评估面以及飞机性能参数，以及相关飞行准则等来验证机场进近和离场飞行程序是否合理，实现对机场净空区障碍物、保护区障碍物评估，以及通信/导航/监视的范围等的评估，给出数据、图表等评估结果，用以改进飞行程序设计。项目对于提高我国民航飞行程序设计水平，保证航空运输安全，具有重大的作用，对于避免重大空难事故，提供了坚实的技术上的支持和保证。
[0011] 由于我国正逐步推进PBN技术，PBN飞行程序仿真验证今后的应用相当广泛，这项研究对于中国民航开展PBN相关技术研究，具有重要的科学以及实际应用价值，同时对于凝练核心技术，提高自主创新水平具有较大意义。
发明内容
[0012] 本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，即利用模拟机或者实际飞行对PBN飞行程序进行验证，周期长、效率不高，资金耗费大，提供一种基于性能的导航飞行程序计算机虚拟环境仿真校验系统，实现在计算机产生的虚拟环境中对PBN飞行程序进行验证，简单方便、缩短了验证周期，降低了成本，提高工作效率，其结果能够对飞行程序设计进行评估，对实际飞行验证进行指导，满足PBN飞行程序验证的需求。
[0013] 本发明是通过以下技术方案实现的：
[0014] 一种基于性能的导航飞行程序计算机虚拟环境仿真校验系统，包括数据层、模型层、显示层和应用层；
[0017] 所述显示层为基于性能的导航飞行程序校验二维显示以及三维视景引擎系统，用于虚拟验证时，为用户提供二维显示以及三维视景系统。
[0018] 所述应用层为基于性能的导航飞行程序校验应用系统，提供应用层的服务，基于控制流实现地形文件和三维模型载入、场景初始化以及飞行程序编码文件验证、文件的解析、文件存储、仿真初始设置、模型解算、帧同步、三维仿真运行、仿真控制、仿真数据显示；
[0019] 所述数据层为模型层提供飞行程序数据、地形数据和障碍物数据以及对数据进行处理；模型层为显示层提供飞机的导航系统、动力学系统以及近地警告系统模型；显示层为应用层提供二维显示以及三维视景系统。
[0020] 所述基于性能的导航飞行程序校验数据处理系统包括：基于ARINC424的PBN飞行程序数据处理单元，以及地形数据和障碍物数据处理单元；
[0021] 所述基于ARINC424的PBN飞行程序数据处理单元用于对PBN飞行程序数据进行处理，包括数据导入、数据解析、数据验证以及数据存储；
[0022] 所述地形数据和障碍物数据处理单元用于对地形数据和障碍物数据进行处理，包括数据编辑、导入、数据解析，以及数据存储。
[0023] 所述基于ARINC424的PBN飞行程序数据处理单元依据ARINC424编码的EXCEL存储方式进行飞行程序数据结构定义；
[0024] 在EXCEL表格中设有Basic datas和Procedures两个页面；
[0025] 在Basic datas页面里定义和存储机场、地基导航设备、跑道以及所有的航路点的名称、类型、高程、磁方向、经纬度坐标；
[0026] 在Procedures页面里定义针对每条跑道的飞行程序的类型、航段组成，以及每一航段的定位点标识、高度、速度限制、航段类型、所需导航性能限制值、最后进近定位点和复飞点以及最后进近的磁航向、垂直下滑角。
[0027] 所述地形数据采用数字高程模型，其用一组有序数值阵列形式表示地面高程，每个单元格存储高程值，采用全球高程的默认色系来表示；
[0028] 所述障碍物数据利用航行情报服务中心公布的机场障碍物数据，并对其进行处理，得到所需要的数据格式。
[0029] 所述障碍物数据采用Obstacle标识的结构体，在结构体中，分别定义变量以及Obstacledata为标识的map类型容器数据，来存放具体的障碍物数据；
[0030] 所述变量包括机场名称、机场代码、磁差、参考点经纬度、投影坐标系；
[0031] 所述障碍物数据包括障碍物名称、方向、距离、海拔高度数据；
[0032] 所述map类型容器数据能够根据障碍物的数量自动增加数据长度，以适合不同机场的障碍物数量。
[0033] 所述基于性能的导航飞行程序校验民机飞行模型系统包括导航系统模型、飞行动力学系统模型和增强型近地警告系统模型；
[0034] 所述导航系统模型，用于在飞行程序校验中制定飞行计划、计算飞机性能以及进行导航计算，并输出飞行导引的相关参数到其他系统；
[0036] 所述增强型近地警告系统模型，用于根据目前飞行状态，结合自身的地形数据库和机场数据库以及障碍物数据库确定潜在的与地形、障碍物问的冲突；如果接近地面时出现不安全情况，所述增强型近地警告系统模型进行提示；
[0037] 所述飞行状态包括飞机的姿态、速度、高度、升降率、位置以及其它飞行状态参数。
[0039] 所述飞行管理模块通过人机界面输入起飞初始参数以及离场以及进场、进近飞行程序，以使飞机按此飞行程序进行离场、降落，实现导航管理(惯性、卫星以及地基导航信号的计算、自动选择)、飞行计划、性能预测与优化以及自动驾驶管理、飞行指引指令、自动油门指令；
[0040] 所述飞行引导模块接收飞机动力学模块以及飞行控制系统传送的位置、速度信息，与数据库中的飞行计划比对，计算出当前的速度、航向以及航迹误差，再传递给飞行控制系统与发动机系统，实现对速度、航向以及航迹偏差的控制，之后，动力学模块以及飞行控制系统再将计算得到的新的位置、速度信息反馈给导航系统模型，再次计算偏差并进行控制，周而复始重复上述过程，完成导航过程，使飞机按预期航迹飞行；同时，飞行引导模块对导航源的精度、以及位置精度进行计算，并在精度不符合要求时进行报警。
[0041] 所述飞行控制系统接收导航系统模型发送的当前航迹、航向偏差，利用预先设计的控制率，计算得到修正偏差所需要的飞机舵面以襟翼操纵量，将操纵量数据传递到翼面舵机，执行操作，使飞机改变姿态以及航向，按照预期的航迹飞行；
[0042] 所述发动机系统接收飞行管理模块和飞行引导模块发送的当前速度、高度偏差，利用预先设计的发动机油门控制率，计算得到修正偏差所需要的燃油流量以及自动油门操纵量，将操纵量数据传递到自动油门系统，执行操作，使发动机改变推力，从而改变速度、高度等飞行参数，达到预期的飞行指标。
[0043] 所述飞行动力学模块包括气动系数模块和运动方程模块；
[0044] 所述气动系数模块是飞机各种条件下升、阻力以及力矩系数的集合，在计算过程中通过实时查询获得此刻的飞机各种气动系数值，通过接收操纵系统的飞机舵面、襟翼位置，以及起落架位置，和飞行速度、马赫数、升降率、姿态这些相关飞行参数，利用这些参数查询气动系数，再利用气动系数计算气动力和力矩，并将计算结果输送到运动方程模块；
[0045] 所述运动方程模块接收气动系数模块的气动力和力矩、以及发动机系统的推力值、燃油重量及飞机重心位置、以及标准大气数据，利用这些条件以及飞机初始值，解算飞机六自由度非线性全量运动方程，得到飞机的姿态、速度、升降率、位置以及其它飞行参数，并将这些参数重新反馈给气动系统模块，重新查询获取气动系数并进行气动力以及气动力矩计算，再传递给运动方程模块。
[0046] 所述增强型近地警告系统模型带有自身的地形数据库，地形数据库存储在一个ROM中，ROM中的地形数据被解压后，传送到RAM中，由RAM中的数据生成地形，并且是以当前飞机所在的位置作为中心进行显示；随着飞机位置的变动，ROM中的地形数据被不断调入到RAM中，进行实时显示，并且在地形显示时，总是以飞机当前的位置作为中心点的；在RAM中的数据，以分层的数据形式构成：飞机当前的位置处在第一层，这一层具有最高的显示精度，之后依次是第二层和第三层，精度逐渐变小；
[0047] 每一层都以飞机位置为中心，每一次在RAM中更新数据时，每一层都有地形更新边界，当飞机飞过此边界时，RAM中的数据从ROM中更新数据。
[0048] 增强型近地警告系统模型提供前视地形告警，即在除降落的所有飞行阶段中，由当前飞机的位置、高度、速度信息，结合内部的全球数字地形数据库，对前方潜在的冲突地形进行判断，如果地形以及障碍物出现在安全剖面边界之内，则启动告警；
[0049] 所述安全剖面由飞机前方、下方以及上方的空间范围组成；在飞机前方宽度0.25海里，并且以3度角向外延伸，向下以及向上的角度是飞机航迹角的函数，下视的距离是飞机距离最近或者目的地机场的跑道高度的函数，前视的距离是飞机速度以及到最近机场距离的函数。
[0050] 所述基于性能的导航飞行程序校验二维显示以及三维视景引擎系统包括二维显示系统和三维视景系统；
[0051] 所述二维显示系统，用于读入地形高程数据、投影转换、地形图显示以及地理计算，并在此基础上将飞行程序设计的航图绘制在地形图上；所述投影转换是将地理坐标系转换到平面坐标系，所述平面坐标系包括极坐标系和平面直角坐标系；所述投影转换是采用横轴墨卡托投影方式实现的；
[0052] 所述三维视景系统提供计算机虚拟飞行中的三维场景，展示动态的飞行验证过程，进行三维显示，所述三维显示包括对三维地形、障碍物、飞行程序、VSS面、APV OAS面、机场终端区和飞机模型进行三维显示；所述三维地形是利用规则网格或者不规则网格对地形进行剖分形成的。
[0055] 所述渲染引擎用于对三维场景进行实时渲染；
[0056] 所述导航计算用于计算飞行仿真所需要的飞机位置、姿态、航向，实现导航功能；
[0057] 所述程序框架用于搭建仿真的软件环境。
[0058] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明实现了在计算机产生的虚拟环境中对PBN飞行程序进行验证，简单方便、缩短了验证周期，降低了成本，提高工作效率，其结果能够对飞行程序设计进行评估，对实际飞行验证进行指导，满足PBN飞行程序验证的需求。能够有效替代真实飞行验证。附图说明
[0059] 图1 基于性能的导航飞行程序计算机虚拟环境仿真校验系统的架构[0060] 图2 EXCEL格式的PBN飞行程序数据(Basic datas页)
[0061] 图3 EXCEL格式的PBN飞行程序数据(Procedures页)
[0062] 图4 BASIC DATAS页面数据结构的定义
[0063] 图5 PROCEDURES页面数据结构的定义
[0064] 图6 DEM数据模型
[0065] 图7-1 分幅DEM拼接前的第一幅图
[0066] 图7-2 分幅DEM拼接前的第二幅图
[0067] 图7-3 将第一幅图和第二幅图分幅DEM拼接后得到的图
[0068] 图8 AIP数据公布的机场区域障碍物数据
[0069] 图9 飞行动力学系统以及导航系统逻辑框图
[0070] 图10 前视地形数据的搜索和调度
[0071] 图11 前视地形告警安全剖面示意图
[0073] 图13 前视地形告警安全剖面纵向距离的函数关系
[0074] 图14-1 地理坐标
[0075] 图14-2 平面坐标
[0076] 图15 SuperMap Objects投影系统的数据模型
[0077] 图16 三维地形建模流程
[0078] 图17 Vega Prime开发流程
[0079] 图18 PBN飞行程序计算机校验应用系统平台架构
[0080] 图19 PBN飞行程序计算机校验应用系统处理流程
[0081] 图20 PBN飞行程序计算机校验应用系统主界面
[0082] 图21 PPBN飞行程序计算机校验应用系统初始配置界面
[0083] 图22 PBN飞行程序计算机校验应用系统显示设置界面。
具体实施方式
[0084] 下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
[0085] 一种基于性能的导航(PBN)飞行程序计算机虚拟环境仿真校验系统，所述系统包括四层：数据层、模型层、显示层和应用层。其中：数据层对应一种基于性能的导航飞行程序校验数据处理系统，模型层对应一种基于性能的导航飞行程序校验民机飞行模型系统，显示层对应一种基于性能的导航飞行程序校验二维显示以及三维视景引擎系统，应用层对应一种基于性能的导航飞行程序校验应用系统，下面对这些系统进行简要说明。
[0086] 一种基于性能的导航飞行程序校验数据处理系统，所述系统包括两方面：基于ARINC424的PBN飞行程序数据处理单元，以及地形数据和障碍物数据处理单元。其中：
[0087] 所述基于ARINC424的PBN飞行程序数据处理单元，完成对PBN飞行程序数据的处理功能，包括数据导入、数据解析、数据验证以及数据存储的功能。
[0088] 所述地形数据和障碍物数据处理单元，完成大规模地形数据和障碍物数据处理功能，包括数据编辑、导入、数据解析，以及数据存储的功能。
[0089] 一种基于性能的导航飞行程序校验民机飞行模型系统，所述系统包括三方面：导航系统模型、飞行动力学系统模型以及增强型近地警告(EGPWS)系统模型。其中：
[0090] 所述导航系统模型，是在飞行程序校验中，完成飞行计划制定、飞机性能计算以及导航计算功能的模块。
[0091] 所述飞行动力学系统模型，完成对飞机运动方程的解算，得到飞机的姿态、速度、升降率、位置以及其它飞行状态参数的模块。
[0092] 所述增强型近地警告(EGPWS)系统，是根据目前高度、速度以及升降率等飞行状态，结合自身的地形数据库和机场数据库以及障碍物数据库，来确定潜在的与地形、障碍物间的可能冲突。如果接近地面时出现不安全情况，系统就会进行提示。
[0093] 一种基于性能的导航飞行程序校验二维显示以及三维视景引擎系统，所述系统包括两个方面：二维显示系统以及三维视景系统。其中：
[0094] 所述二维显示系统，完成对地形高程数据的读入、投影转换、地形图显示以及相关的地理计算等功能，并在此基础上将飞行程序设计的航图绘制在地形图上。
[0095] 所述三维视景系统，提供计算机虚拟飞行中的三维场景，以展示动态的飞行验证过程，包括对三维地形、障碍物、飞行程序、VSS面、APV OAS面、机场终端区、飞机模型等进行三维显示。
[0096] 一种基于性能的导航飞行程序校验应用系统，所述系统包括：PBN飞行程序计算机校验应用系统的处理流程，以及PBN飞行程序计算机校验应用系统示例。
[0097] 提供应用层的服务，系统整体运行基于控制流，实现地形文件/三维模型载入、场景初始化以及飞行程序编码文件验证、文件的解析、文件存储、仿真初始设置、模型解算、帧同步、三维仿真运行、仿真控制、仿真数据显示等功能。
[0098] 如图1所示，一种基于性能的导航(PBN)飞行程序计算机虚拟环境仿真校验系统，所述系统包括四层：数据层、模型层、显示层和应用层。其中：数据层对应一种基于性能的导航飞行程序校验数据处理系统，模型层对应一种基于性能的导航飞行程序校验民机飞行模型系统，显示层对应一种基于性能的导航飞行程序校验二维显示以及三维视景系统，应用层对应一种基于性能的导航飞行程序校验应用系统，下面对这些系统进行说明：
[0099] 数据层，即一种基于性能的导航飞行程序校验数据处理系统，所述系统包括两方面：基于ARINC424的PBN飞行程序数据处理单元，以及地形数据和障碍物数据处理单元。
[0100] 一、基于ARINC424的PBN飞行程序数据处理单元
[0101] 所述基于ARINC424的PBN飞行程序数据处理单元，完成对PBN飞行程序数据的处理功能，包括数据导入、数据解析、数据验证以及数据存储的功能。
[0102] 在ARINC424标准中，对数据的分类和编码规范做了详细的说明，如每一个字节的含义、对数据的定义和数据之间的关联说明等。下面以标准仪表离场程序为例，介绍ARINC424标准中的数据编码规范，以及根据此规范设计的本平台中的ARINCE424导航数据库的逻辑结构，标准仪表离场程序数据编码规范表如表1所示。
[0103]
[0104]
[0105] 表1
[0106] 要完成PBN飞行程序的验证，首先要将PBN飞行程序编码数据导入验证系统。在此，需要按照飞行程序编码的存储方式，以及读取上的便利性在验证系统中定义飞行程序数据的数据结构，以对飞行程序数据进行存储，并针对数据结构，对数据读取的控制逻辑进行研究，完成读取逻辑的开发和实现，利用它们最终实现ARINC424编码的PBN飞行程序数据的导入。
[0107] 验证系统中飞行程序数据结构的定义，是依据标准的ARINC424编码的EXCEL存储方式来进行的。EXCEL表格中，按照一定方式存储了PBN飞行程序，它们分为Basic datas和Procedures两个页面，在Basic datas页面，定义和存储了机场、地基导航设备、跑道以及所有的航路点的名称、类型、高程、磁方向、经纬度坐标等数据。在Procedures页面，定义了针对每条跑道的飞行程序的类型、航段组成，以及每一航段的定位点标识、高度、速度限制，航段类型、所需导航性能(RNP)限制值、最后进近定位点(复飞点)以及最后进近的磁航向、垂直下滑角等数据。具体的PBN飞行程序数据如图2、图3所示。
[0108] 针对上述的PBN飞行程序数据，对数据结构进行定义。首先针对BASIC DATAS页面数据，定义了BASIC DATAS为标识的结构体，在结构体中，分别定义了AIRPORTS，RUNWAYS，NAVAIDS，NDBS，WAYPOINTS为结构体类型的容器(vector)数据，它们分别存储机场、跑道、导航设备以及航路点数据。其中，每个结构体又定义了设备标识、经纬度坐标、高度、磁方位、频率(导航设备)等变量，用以说明该结构体所能存储的数据。BASIC DATAS页面数据结构定义如图4所示。
[0109] 针对PROCEDURES页面，定义PROCEDURES为标识的结构体，在结构体中，分别定义跑道标识以及针对跑道号的飞行程序数据SingleProcedure，以及航路点数据Waypoints等。在SingleProcedure中，定义了程序的类型(进场/进近和离场)以及ProcedureTrans类型的容器数据，以存放相同过渡点类型的数据，在ProcedureTrans中，定义了过渡点的类型以及ProcedureIdent类型的容器数据，以存放相同航段的数据，在ProcedureIdent中，定义了航段的名称以及ProcedurePointData类型的容器数据，以存放相同航段的航路点数据，在ProcedurePointData中，存放每一航段的如航路点标识等所有数据。PROCEDURES页面数据结构定义如图5所示。
[0110] 完成数据结构的定义之后，需要对数据读取的控制逻辑进行研究，以实现ARINC424编码的PBN飞行程序数据的导入。同样，还是按照Basic datas和Procedures两个页面的数据分别进行实现。
[0111] 针对Basic datas页面数据，首先实现读取EXCEL标准表格的每一行数据，并定义数据读取的控制逻辑如下。
[0112] 1)读取EXCEL表格的每行数据，在每行查找关键字″AIRPORTS″、″NAVAIDS″、″RUNWAYS″、″NDBS″等，对于查找到的这些关键字，记录其数据块的首末行。
[0113] 2)对于这些关键字对应的数据块，使用不同的函数读取，如NAVAIDS数据，用函数ReadNavaids()按照数据块首末行读取。
[0114] 3)将读取的数据保存到上述定义的BASICDATAS的NAVAIDS结构体的变量中，依次进行，完成读取。
[0115] 对于Procedures页面数据，定义数据读取的控制逻辑如下。
[0116] 1)对每行，首先读出跑道号、程序类型、过渡点类型、航段名称等数据。
[0117] 2)将读到的跑道号加入到map>mapRunWay_Proc中，之后在vector中查找是否存在有读出的程序类型，如没有此类型，则将此类型加入vector，如存在此类型，在ProcedureTrans中再查找读到的过渡点类型。
[0118] 3)在ProcedureTrans中查找过渡点类型，如没有此类型，则加入此类型，如果有，则在ProcedureIdent中再查找读到的航段名称，没有就加入航段名称，并将此行数据读入，如有则直接读取此行数据到相应航段vector中。
[0119] 4)这样，逐行依次读取，最后将所有数据保存在PROCEDURE的相应数据结构中。
[0120] 按照这种读取控制逻辑，在读取EXCEL标准表格时，如果此航段数据已经读取过，则不会再添加此航段，只有未读取的数据才能够被读入，航路点数据也相同，这样就保证了读取数据时不会重复读入。
[0121] 二、地形数据和障碍物数据处理单元
[0122] 所述地形数据和障碍物数据处理单元，完成大规模地形数据和障碍物数据处理功能，包括数据编辑、导入、数据解析，以及数据存储的功能。
[0123] 地形数据为DEM，数字高程模型(DEM)是一种对空间起伏变化的连续表示方法，为栅格数据模型。它是用一组有序数值阵列形式表示地面高程的一种实体地面模型，每个单元格存储高程值，一般采用全球高程的默认色系来表示，有利于分幅DEM图像的合成。DEM是数字地形模型(DTM)的一个分支，其它各种地形特征值均可由此派生。一般认为，DTM是描述包括高程在内的各种地貌因子，如坡度、坡向、坡度变化率等因子在内的线性和非线性组合的空间分布，其中DEM是零阶单纯的单项数字地貌模型，其他如坡度、坡向及坡度变化率等地貌特性可在DEM的基础上派生。图6为DEM数据模型图。
[0125] 在VC++中，利用SuperMap Objects进行二次开发，以实现地形高程数据的读入。首先，在SuperMap Objects中定义地形数据保存的工作空间，并在工作空间中建立数据源，数据源中包含有数据集，其中，数据源可以为sdb、SQL、Oracle(spatial)、SYBASE等格式，此处建立sdb格式的数据源。数据集有格网、DEM、位图等格式，此处地形数据采用DEM格式。
[0126] 在导入DEM数据时，首先创建DEM形式的数据集，它们是地形数据的索引，并不保存真实的高程数据。在VC++工程中，首先初始化SuperMap，创建工作空间、连接SuperMap和SuperWorkspace，之后调用CSuperMap的相关接口，读取数据集中的信息，此时，数据集中的地形数据保存在内存中，显示时由内存读取。
[0127] 对于障碍物数据，以政府权威部门发布的AIP数据为基础，进行后续障碍物的评估等工作。这里采用航行情报服务中心公布的机场障碍物数据，进行处理，得到导入平台所需要的数据格式，如图8所示。
[0128] 针对上述的障碍物数据，可以定义相应的数据结构以对数据进行读取和保存。按照障碍物数据的格式，定义了Obstacle标识的结构体，在结构体中，分别定义了机场名称、机场代码、磁差、参考点经纬度、投影坐标系等变量，以及Obstacledata为标识的map类型容器数据，来存放具体的障碍物数据，例如：障碍物名称、方向、距离、海拔高度数据。容器类型可以根据障碍物的数量，自动增加数据长度，使用方便。
[0129] 在进行数据读取时，首先判断数据的首末行，按照首末行，逐行读取表中的数据，获得每一障碍物的名称、方位、海拔高度数据，并根据其相对于参考点的方位，计算出每一障碍物的经纬度数据。具体过程是先将参考点经纬度转换到平面坐标，在平面坐标上，按照障碍物的方向、距离计算障碍物在平面坐标上的位置，之后将此平面位置转换到地理坐标系，得到障碍物经纬度。最后，将这些障碍物数据保存到定义的数据结构中，完成障碍物数据的读取。
[0130] 模型层，即一种基于性能的导航飞行程序校验民机飞行模型系统，所述系统包括三方面：导航系统模型、飞行动力学系统模型以及增强型近地警告(EGPWS)系统模型。其中，飞行动力学系统以及导航系统是实现飞行运动以及飞行控制的主要部分，它们的逻辑框图如图9所示。
[0131] 一、导航系统模型
[0132] 所述导航系统模型，是在飞行程序校验中，完成飞行计划制定、飞机性能计算以及导航计算功能的模块。
[0133] 导航系统自身带有导航数据库、飞机性能数据库以及气动数据和发动机数据库，实现飞行管理与飞行引导两部分功能。实现导航管理(惯性、卫星以及地基导航信号的计算、自动选择)、飞行计划、性能预测与优化以及自动驾驶管理、飞行指引指令、自动油门指令。在飞行管理部分，可以通过人机界面(MCDU)输入起飞初始参数以及离场以及进场、进近飞行程序，以使飞机按此飞行程序进行离场、降落。
[0134] FMGS的飞行引导部分，接收飞机动力学模块以及飞行控制系统传送的位置、速度等信息，与数据库中的飞行计划比对，计算出当前的速度、航向以及航迹误差，再传递给飞行控制与自动油门系统，实现对速度、航向以及航迹偏差的控制，之后，动力学模块以及飞行控制系统再将计算得到的新的位置、速度等信息反馈给FMGS，再次计算偏差并进行控制，周而复始重复上述过程，完成导航过程，使飞机按预期航迹飞行。同时，它还可以对导航源的精度、以及位置精度进行计算，并在精度不符合要求时进行报警。
[0135] 首先，导航系统模型根据现在的飞行状态信息，以及期望的飞行航迹、速度、高度等信息，计算出下一时刻或者将要达到的飞机姿态或速度、高度，并将这一信息传递到飞行控制系统模型，飞行控制系统计算出飞机各相关舵面需要偏转的角度、速度以及发动机供油需要调节的参数等信息，这些信息再传递到飞行动力学系统模型以及发动机(燃油)系统模型，进行飞机的姿态、速度、高度、位置等数据的解算，得到下一时刻的飞机新的状态信息，同时，增强型近地警告系统模型进行地面潜在冲突的判断，如果出现可能的冲突，则告警。之后，导航系统重新计算下一时刻或者将要达到的飞机姿态数据，并将这些数据传递到飞行控制系统模型，重复刚才的计算处理过程，整个飞行过程就如此进行下去。
[0136] 飞行控制系统，接收飞行管理与导引系统发送的当前航迹、航向偏差，利用预先设计的控制率，计算得到修正偏差所需要的飞机舵面以襟翼操纵量，将操纵量数据传递到翼面舵机，执行操作，使飞机改变姿态以及航向，按照预期的航迹飞行。
[0137] 发动机(燃油)系统、同样接收飞行管理与导引系统发送的当前速度、高度偏差，利用预先设计的发动机油门控制率，计算得到修正偏差所需要的燃油流量以及自动油门操纵量，将操纵量数据传递到自动油门系统，执行操作，使发动机改变推力，从而改变速度、高度等飞行参数，达到预期的飞行指标。
[0138] 二、飞行动力学系统模型
[0139] 所述飞行动力学系统模型，完成对飞机运动方程的解算，得到飞机的姿态、速度、升降率、位置以及其它飞行状态参数的模块。
[0140] 所述飞行动力学系统包括气动系数模块和运动方程模块，所述气动系数模块是飞机各种条件下升、阻力以及力矩系数的集合，在计算过程中通过实时查询获得此刻的飞机各种气动系数值。它通过接收操纵系统的飞机舵面、襟翼位置，以及起落架位置，和飞行速度、马赫数、升降率、姿态等相关飞行参数，利用这些参数查询气动系数，再利用气动系数计算气动力和力矩，并将计算结果输送到运动方程模块。
[0141] 所述运动方程模块接收气动系数模块的气动力和力矩、以及发动机系统的推力值、燃油重量及飞机重心位置、以及标准大气数据，利用这些条件以及飞机初始值，解算飞机六自由度非线性全量运动方程，得到飞机的姿态、速度、升降率、位置以及其它飞行参数，并将这些参数重新反馈给气动系统模块，重新查询获取气动系数并进行气动力以及气动力矩计算，再传递给运动方程模块，周而复始重复上述计算过程，实现飞行动力学计算。
[0142] 三、增强型近地警告(EGPWS)系统模型
[0143] 所述增强型近地警告(EGPWS)系统，是根据目前高度、速度以及升降率等飞行状态，结合自身的地形数据库和机场数据库以及障碍物数据库，来确定潜在的与地形、障碍物间的可能冲突。如果接近地面时出现不安全情况，系统就会进行提示。
[0144] 地形数据库存储在一个ROM中，为了方便按照飞机的当前位置进行更新地形数据，ROM中的地形数据被解压后，传送到随机读取的内存中(RAM)，在此内存中，由RAM中的数据生成地形，并且是以当前飞机所在的位置作为中心进行显示。如图10所示，随着飞机位置的变动，ROM中的地形数据被不断调入到RAM中，进行实时显示，并且在地形显示时，总是以飞机当前的位置作为中心点的。
[0145] 为了提供相对较大的显示范围，例如160、320海里范围，以及减少处理的数据量和处理时间，在RAM中的数据，以分层的数据形式构成，就是说，靠近飞机的地形信息精度最高，而随着距离的增大，远处的地形精度越来越低。飞机当前的位置处在第一层，这一层具有最高的显示精度，之后依次是第二层和第三层，精度逐渐变小。每一层都以飞机位置为中心，在每一次内存中更新数据的时候，每一层都有一定的地形更新边界，当飞机飞过此边界时，RAM内存中的数据就会从ROM中更新数据，如图10所示。这种分层的变精度显示形式，减小了数据在内存处理的数据量，对于大范围地形的显示，节省了处理时间。如上所述，ROM中的地形数据也采用了这种分层的数据结构来存储。
[0146] 前视地形告警功能，在除降落的所有飞行阶段起作用，工作高度30英尺以上。前视地形告警由当前飞机的位置、高度、速度等信息，结合内部的全球数字地形数据库，对前方潜在的冲突地形进行判断，如果地形以及障碍物出现在安全剖面边界之内，则启动告警。安全剖面在飞机前方、下方以及上方都具有一定的空间范围。在飞机前方宽度0.25海里，并且以3度角向外延伸，向下以及向上的角度都是飞机航迹角的函数，下视的距离是飞机距离最近或者目的地机场的跑道高度的函数，这可以阻止由于起飞、降落所造成的不希望的告警。前视的距离是飞机速度以及到最近机场距离的函数。如图11为前视地形告警的安全剖面。
[0147] 按照前视地形告警的工作流程以及原理，收集得到飞机各系统的参数信息，得到无线电高度、速度、垂直速度、航迹角度等，利用这些数据生成前视的安全剖面，并在数字地形数据库中查找当前飞行区域的地形，进行威胁地形以及障碍物的检测，如果地形以及障碍物出现在安全剖面边界之内，则启动告警。整理得到前视地形告警实现算法处理流程如图12所示。
[0148] 安全剖面前视距离的确定，是根据飞机地速，沿着飞机飞行的地面轨迹确定一定的距离范围，为减少不必要的告警，前视距离是有限制的。这里存在两个不同的前视距离，一个用于地形威胁的提示(CAUTION)，它要在飞机接触威胁地形前60秒提供告警。一个是用于地形威胁的告警(WARNING)，它在飞机接触威胁地形前30秒提供告警。
[0149] 地形提示的前视距离，是由飞行所需时间乘以当前的地速确定的，地形提示通常提前60秒钟开始，所以这里时间取60秒，则地形提示前视距离计算如公式(1)所示。
[0150] 地形告警的前视距离，也是由飞行所需时间乘以当前的地速确定的，地形告警通常提前30秒钟开始，所以这里时间取30秒，则地形告警前视距离计算如公式(2)所示。
[0151] S1＝60V (1)
[0152] S2＝30V (2)
[0153] 其中，V是飞机的地速，S1和S2分别是地形提示距离和告警距离。
[0154] 之后，还需要确定前视地形告警安全剖面的纵向距离，主要根据飞机位置距离最近机场的距离和飞行高度来确定它的具体数值。它与距机场的距离以及高度的函数关系可由图13来表示。
[0155] 图13中，水平轴代表飞机当前距离跑道的水平距离，垂直轴代表安全剖面的纵向距离，在距离跑道端距离d之内，纵向距离保持为零，就是说，飞机在此范围内，将不会对低于自身的地形进行告警。从d处开始，随着距离的增加，剖面的纵向距离以100英尺/海里的梯度增加，一直递增到500英尺的高度，保持直到距离跑道中心D处，其中D为12海里。在此之后，再以100英尺/海里的梯度增加，直到800英尺高度不变。当飞机在3000英尺以上飞行时，将会保持安全剖面的纵向距离为800英尺不变。
[0156] 地形显示是将前方威胁地形在仪表上按照一定的配色方案以及一定范围进行显示。按照配色方案，根据飞机的当前高度、位置，对地形数据进行处理，并实现显示。当地形显示时，可以在气象雷达、EFIS仪表以及其他显示器上提供当前位置附近地形的图像信息，并以不同颜色的红、黄、绿以及不同密度的图形显示，颜色是随着飞机距离地面的高度而变化的。
[0157] 其中，红色区域：表示明显高于飞机当前高度的地形，比飞机当前高度高出2000英尺(609.6米)或以上地形，用高密度红色显示；
[0158] 黄色(琥珀色)区域：从飞机当前高度高出2000英尺(609.6米)到高出1000英尺(304.8米)范围之间的地形，用高密度黄色显示；
[0159] 棕色区域：表示与飞机高度相当的地形，从飞机当前高度高出1000英尺(304.8米)到低于500英尺(152.4米)的范围之间的地形，用中等密度(25％)黄色显示；
[0160] 绿色区域：表示地形高度低于飞机的飞行高度，比飞机当前高度低于500英尺(152.4米)到低于1000英尺(304.8米)范围之间的地形，用中等密度(25％)绿色显示；
[0161] 棕绿色区域：比飞机当前高度低于1000英尺(304.8米)到低于2000英尺(609.6米)范围之间的地形，用低密度(12.5％)绿色显示；
[0162] 黑色区域：任何低于飞机当前高度2000英尺以下的地形不显示，用黑色背景代替。
[0163] 洋红色区域：地形数据库未识别区域。
[0164] 除了按照上述规则显示地形外，飞行中，如果存在危险则系统提供告警，并在ND仪表上以红、黄固定方块区域显示出告警地形的包络范围，黄色区域表示地形提示信息，红色区域表示地形警告信息。
[0165] 显示层，即一种基于性能的导航飞行程序校验二维显示以及三维视景引擎系统，包括两个方面：二维显示系统以及三维视景系统。
[0166] 一、二维显示系统
[0167] 二维显示系统，完成对地形高程数据的读入、投影转换、地形图显示以及相关的地理计算等功能，并在此基础上将飞行程序设计的航图绘制在地形图上。
[0168] 高程数据读入之后，就需要将地形绘制出来。要实现地形绘制，首先要了解地理坐标系统以及坐标转换和投影相关技术。
[0169] 地理坐标系用来描述地球表面三维地物位置，地物的具体位置由它的经纬度坐标确定，它对应着一个地球椭球体。投影坐标系是与地理坐标系相对的一个概念，是将椭球面上的点通过地图投影的方式投影到(地图)平面上，分为平面极坐标系和平面直角坐标系。
[0170] 地球椭球体仅仅是描述了地球的大小及形状，为了更准确地描述地球上的地物的具体位置，需要引入大地参照系。大地参照系确定了地球椭球体相对于地球球心的位置，为地表地物的测量提供了一个参照框架，确定了地表经纬网线的原点和方向。大地参照系把地球椭球体的球心当作原点。一个地区的大地参照系的地球椭球体或多或少地偏移了真正的地心，地表上的地物坐标都是相对于该椭球体的球心的。目前被广泛采用的大地参照系是WGS84，它被当作大地测量的基本框架。
[0171] 地图投影的实质是将地球椭球面上的经纬网按照一定的方式转移到平面。由于球面上一点的位置是用地理坐标表示，而平面上点的位置是用直角坐标(XY)或极坐标表示，所以要想将地球表面上的点转移到平面上，必须采用一定的数学方法来确定地理坐标与平面直角坐标或极坐标之间的关系。因此需要利用地图投影将三维的地理坐标转换为二维平面坐标。所谓的投影就是通过特定的数学方程式将经纬坐标(λ， )转换为平面坐标(X，Y)。图14-1和图14-2表示了地理坐标投影到平面坐标的情况。
[0172] SuperMap Objects的地图投影系统使用开放的C++API将地图投影和数据的操作分隔为简洁、易于统一管理的系统。利用它能够实现地图投影，并且实现在不同坐标系之间进行坐标转换。SuperMap Object中的投影系统不仅包括了一些系统预定义的坐标系，而且用户可以自由创建自己的坐标系。SuperMap Objects的地图投影系统采用如图15的模型。
[0173] SuperMap Objects的投影子系统包含了国内外常用的基本投影类型，具有从地理坐标根据某种投影方案转换到投影平面的平面坐标及其反算的接口，使用户能够充分利用不同坐标系统的数据资源。目前，SuperMap Objeets提供等距圆柱投影、Miller圆柱投影、墨卡托投影、高斯-克吕格投影、横轴墨卡托投影、Albers投影等30多种投影类型供用户使用。另外SuperMap Objects还提供了计算投影误差的功能，用于对地图投影变换结果进行误差控制，确保数据转换时的精度。
[0174] 在完成地形数据的读入之后，需要将地形绘制在屏幕上，这就需要将地理坐标系(WGS84坐标)下的地形数据投影到平面坐标系进行绘制，此处采用了通用横轴墨卡托投影方式进行投影转换。在完成平面投影之后，还需要将平面坐标系的地形数据投影到设备坐标系，以实现将地形图绘制在屏幕上，所有这些坐标转换工作都是调用CSuperMap类的相关接口实现的。之后，从内存中读取地形数据，转换到设备坐标系，调用CSuperMap接口实现在屏幕上的地形绘制。
[0175] 实现了地形绘制之后，为了在地形上绘制航图，就不能再应用GDI+来绘制了，因为这样绘制的航图会始终被地形绘制图层所覆盖，解决的办法是采用CSuperMap提供的跟踪图层进行绘制航图，即采用CsoTrackingLayer进行跟踪图层的创建，可以将图形对象添加到图层进行绘制。跟踪层是一个内存图层，位于所有图层的最上面，此图层绘制的空间对象存储在内存中，无属性数据，图层刷新速度快。在航图的GDI+绘制中，调用WINDOWS接口进行坐标转换，而在跟踪层绘制航图时，是通过调用CSuperMap的接口来实现坐标转换的。
[0176] 程序校验中，还需要解决一些计算问题，如根据经纬度坐标计算航段的距离和角度以及根据距离和角度计算另一航路点的经纬度，或者计算两个航段之间的角度等问题，这些计算在地理坐标系中实现比较困难，并且手工编码实现的计算精度很低。在完成上述的坐标转换之后，这些计算全部由地理坐标系转化到平面坐标系来进行，所以大大简化了计算，保证了计算精度，因为在平面坐标系中，距离以及角度的相关计算都非常容易。
[0177] 二、三维视景系统
[0178] 三维视景系统，提供计算机虚拟飞行中的三维场景，以展示动态的飞行验证过程，包括对三维地形、障碍物、飞行程序、VSS面、APV OAS面、机场终端区、飞机模型等进行三维显示。
[0179] 三维飞行仿真中，离不开三维地形的建模，它是逼真展示三维地形的基础，在PBN程序验证中，利用三维的地形对机场周边区域的大地形进行展示，是后续进行三维程序绘制、障碍物绘制、障碍物评估的基础。
[0180] 这里，利用三维地形建模工具Terrain vista构建三维地形。三维地形建模过程，一般应包含地表图像的获取和处理、地形数字高程数据的获取、矢量数据的获取，之后对这些数据进行预处理，将处理的数据导入Terrain vista，对地形进行网格化、坐标投影设置、裁剪编辑、纹理图像数据融合、边界校验、最后生成flt格式的地形数据集。这里，地表图像采用GoogleEarth上提供的卫星地面照片。另外，在三维场景中，地形坐标是二维平面坐标，再加上纵向上的高度信息，就构成了三维坐标。在Vega Prime中，采用的是MPI坐标系统。图16为三维地形建模的流程图。
[0181] 三维地形生成，可以利用规则格网或者不规则格网对地形进行剖分。规则格网指方格网、矩形和正三角等规则网。规则格网将区域空间按一定分辨率切分为规则的格网单元，每个格网单元对应一个数值，格网单元的值是代表区域内所有点的高程值，即在格网单元对应的地面面积内，其高程是一致的，它可以是网格中心点的高程或该单元的平均高程值。规则格网量测地形点简单、不需判读地形，易于实现数据采集的自动化。由于格网是规则等距的，在计算机中只需储存各个格网节点的高程值，其余节点坐标很容易在计算机中确定。并且数据结构良好，内插待定点高程时，检索与内插简单快速，便于应用。
[0182] 规则格网一般适用于地形较平缓和变化均匀的区域，以及用于搜索地形等高线、绘制地形全景透视图和对内插速度要求极高的路线平面优化中内插地面线等方面。它的缺点是原始数据不能适应地形的变化。此外，格网中难于确定地面坡度的变化，从而导致高程内插精度降低。若要使规则格网数模更好的表示地形，则只有将格网间距缩小，这将导致原始数据的采集工作成倍增加。
[0183] 不规则三角网，是指点的分布是随机的。它将地表看作是由许多小三角形平面所组成的，亦即用许多平面三角形逼近地形表面。当已知点分布适当时可以很精确的表示地形表面特征，而待定点的高程则由该点所处的三角形平面来确定。由于三角网格可以用地形特征点、特征线所组成的三角形平面来确定地形，在采样点的分布和密度符合地形变化、三角网合理时，内插精度较高。在同样的地形条件下，达到同等高程内插精度时，所需的原始地形点的数量远少于其他类型格网所需的点数，这是三角网数模的显著优点。
[0184] 它的缺点是采集地形原始数据完全靠人的经验来选择地形点，易产生遗漏和重复量测的现象，此外，三角网的网形取决于地形点的分布，使得数模的精度易受主观影响，对采集地形数据的要求较高。但是，三角网能以较少的已知点去逼近地形，方便地处理地形特征线等技术难点，内插结果合理、精度高，故不失一种较好的地形建模方法。
[0185] 为了完成三维视景仿真环境的复现，以及进行三维飞行程序、飞机的创建以及实现动态飞行过程，须在Vega Prime中进行二次开发。
[0186] ACF(应用配置文件)作为Vega Prime的应用配置文件，定义了VegaPrime仿真场景的初始设置，如流水线、窗口、视点、三维模型、特殊效果、环境参数以及碰撞检测等。其本身是一个XML(extensible markup language，可扩展标记语言)文件，具有良好的可扩展性以及树形的文件结构。通常情况下，仿真程序就是通过加载并解析ACF文件来获得仿真场景的初始配置信息而后进行驱动的，这也是Vega Prime帮助文档上所推荐的开发模式。但是，ACF文件并非必不可少，可以抛弃ACF文件，而通过视景仿真系统的界面或者从底层代码(Vega Prime中提供了将ACF文件转换成相应C++代码的功能)写起来实现场景的初始配置，但是这样以来系统的编程工作量急剧增大，几乎重新实现了一个类似LynXPrime的场景编辑系统，这显然是不必要的。而Vega Prime较之其它视景仿真软件如VTree、OpenGVS等的优势之一就在于提供了LynXPrime图形界面可用于场景的初始配置以及预览。
[0187] 在飞行程序验证中，视景中要有三维飞机模型、三维地形、要有机场、跑道等实体模型的载入，以及这些实体的初始坐标、视点控制、运动控制信息等等，这些都要在ACF文件中进行定义才能够实现三维视景仿真的效果。为了既能利用LynX Prime强大的场景编辑以及预览功能，又能通过视景仿真系统界面实现场景的定制和扩展，本发明采用的方法是，使用预先设计的ACF模版，程序启动时加载并解析这个ACF模版，然后根据需要在用户界面上对场景进行修改、配置。
[0188] 另外，在进行PBN飞行程序绘制时，也需要对飞行程序的航路点坐标进行坐标转换才能够在三维场景中绘制，坐标转换的信息也需要在ACF文件中定义。
[0189] 值得注意的是，ACF文件定义了一些仿真运行的基本数据和初始数据，这些数据可以在VC++开发环境中，通过API动态地改变。
[0190] 为了展示三维飞行程序以及障碍物评估面，在Vega Prime中，需要对三维飞行程序的绘制功能进行开发，实现自动的三维绘制功能。这里，仍然利用前述的方法，对PBN编码进行导入，之后，将各个航段的数据进行存储，每航段中的定位点是以经纬度(WGS84坐标)来表示的，为了实现在三维场景中绘制，需要将坐标转换到Vega Prime中，所以首先要将WGS84坐标转换到Vega Prime场景中的MPI坐标。
[0191] 在完成坐标之后，在场景中创建图形对象，调用Vega Prime图形绘制函数，实现三维飞行程序航路的绘制。采用一定宽度的平面对飞行程序进行表示，平面的宽度也就是PBN程序的RNP值，代表了此航段允许的所需导航性能值。航段的高度采用各个定位点的高度，所以绘制出的三维飞行程序也就代表了程序高度。
[0192] 下面，还需要绘制目视保护面(VSS)以及APV OAS面。对于VSS面的绘制，按照如下原则绘制：没有障碍物可以穿透它(THR之上15m以内的障碍物除外)。起始宽度为300m，两侧以百分之十五外扩，结束于目视保护面的高度达到OCH的点结束，梯度为公布的进近程序角度减去1.12度得到。按照这些原则，得到Vega Prime中三维VSS面。
[0193] APV OAS面，起始于FAP点，结束于MATF最大长度为距离THR10Nm，VPA为3-3.5度，RDH为15米。它包含三个面，最后进近面、水平面以及中间和最后复飞面(Zi和Zf)。绘制三维APV OAS面，依据下面的计算过程：
[0194] t0＝tad+L0*Lad；
[0195] Tcorr＝H*((15-t0)/(273+t0-0.5*L0*(H+Hss)))；
[0196] t＝(HFAP-Tcorr-MOC)*tan(VPA*pai/180)/(HFAP-MOC)；
[0197] afafas＝atan(t)；
[0198] xfas＝((MOC-RDH)/tan(VPA*pai/180))+ATT；
[0199] x＝(9.01-xfas*tan(afafas))/(0.0285-tan(afafas))；
[0200] 其中，xfas是FAS的起点，x是FAS面与W面的交点。绘制时，采用机场的相关参数，对上式进行计算后绘制图形。
[0201] 为了在三维仿真环境中再现飞行程序、障碍物评估面与障碍物的关系，还需要将机场区域的障碍物数据进行导入和绘制。这里，采用航行情报服务中心公布的AIP机场障碍物数据。数据导入后，按照障碍物的位置、高度，在场景中绘制出机场50公里范围的三维障碍物，可以方便地实现后续的障碍物的评估工作。
[0202] 在完成飞行程序、障碍物评估面以及障碍物的绘制之后，就为实现障碍物评估以及动态飞行验证打下了基础。在进近以及复飞阶段，可以利用VSS以及APV OAS面实现对障碍物的穿透性进行评估，以验证程序设计的完好性。
[0203] 应用层，即一种基于性能的导航飞行程序校验应用系统，提供应用层的服务，系统整体运行基于控制流，实现地形文件/三维模型载入、场景初始化以及飞行程序编码文件验证、文件的解析、文件存储、仿真初始设置、模型解算、帧同步、三维仿真运行、仿真控制、仿真数据显示等功能。包括：PBN飞行程序计算机校验应用系统的处理流程，以及PBN飞行程序计算机校验应用系统示例。
[0204] 一、PBN飞行程序计算机校验应用系统的处理流程
[0205] PBN飞行程序三维仿真验证功能的实现，首先要对地形以及飞机相关的模型进行数学建模，并在仿真过程中进行加载和实时显示。对自然地形、飞机等进行三维建模之后，利用实时渲染引擎Vega Prime对三维场景进行实时渲染，生成逼真的自然环境以及航路、飞机，并实时解算导航所需的飞机位置、姿态、航向等信息，以数学模型驱动三维模型运行，实现仿真系统的运行和实时三维渲染。
[0206] 在三维仿真进行时，Vega Prime线程的主流程包括初始化、定义、配置、帧循环、关闭五个部分。其中，初始化是对内存等的初始化、分配内存、初始化场景和渲染库等。定义是加载已经配置好的ACF文件，系统在初始化时，初始化了ACF文件的解析程序，在这里，ACF文件自动转换为C++程序。配置是按照初始化数据进行场景的初始配置，将不同的类关联起来。帧循环是构成整个应用程序的刷新与循环，以一定的帧周期进行推进。关闭是清除场景中的对象，释放内存，结束整个程序。
[0207] Vega Prime作为专业的视景仿真开发平台，其开发流程自成体系，图17描述了Vega Prime结合Creator进行视景仿真开发的通用流程。在流程中，建模是构造系统中所需要的三维模型，ACF是将仿真的初始设置数据进行定义，场景驱动是视景仿真的核心，根据仿真需求，确定仿真效果，并在代码中对驱动代码进行开发。实际应用，整个系统开发完成后，将程序打包发布应用。
[0208] PBN飞行程序计算机校验应用系统的架构分为几个部分：最上层是PBN飞行程序三维仿真验证平台，提供应用层服务，下一层次是以Visual.net实现的程序框架，以VC++为开发环境。在VC++中集成了三维渲染引擎Vega Prime，它提供三维模型的载入，三维场景渲染、模型驱动的机制。另外，它还提供了三维飞行程序、障碍物、评估面的实时绘制和更新，这些功能的实现是通过Vega Prime提供的静态库来提供接口的。另外，飞机、机场等三维模型需要在Creator或者Terrain vista中完成。在最底层是计算机硬件以及操作系统。
[0209] 三维模型实现自然环境、地形、机场、飞机等的三维建模。渲染引擎实现对上述三维场景的实时渲染。导航计算实现飞行仿真所需要的飞机位置、姿态、航向计算，实现导航功能。程序框架实现了仿真软件的体系架构，搭建了仿真实现的软件环境。图18所示为仿真验证系统的框架结构图。
[0210] 平台架构设计完成后，还需要确定仿真运行的整体流程，这里，仿真系统整体运行流程采用基于控制流执行的仿真流程。实现地形文件/三维模型载入、场景初始化以及飞行程序编码文件的解析、文件验证和存储、仿真初始设置、模型解算、帧同步、三维仿真运行、仿真数据显示等功能。
[0211] 其中，飞行程序编码文件/障碍物文件的解析完成对飞行程序和障碍物数据的格式转换，提取航路点、航段、障碍物相关信息，便于实现其可视化。文件验证是对解析后数据的格式、完整性、可用性等进行验证，确保数据有效。场景的初始化与模型载入将场景数据读入内存，进行配置，并完成初始化设置和三维显示。仿真初始设置进行飞行仿真所需要的程序选择、障碍物选择、评估面显示设定等参数设定。模型解算完成仿真过程中，飞机/环境等数学模型的实时解算，以驱动三维模型运行。帧同步依赖于解算节点的数据流，即系统同步的实现依靠数据驱动的软同步，在模型解算完毕后进行三维场景与数据的更新。图19所示为PBN飞行程序计算机校验应用系统流程图。
[0212] 二、PBN飞行程序计算机校验应用系统示例
[0213] 按照上述的系统架构，在VC++中进行开发，开发的应用程序界面如下，图20为启动界面，分为初始配置、显示设置和启动几项。在初始配置里，见图21，进行VP的初始化配置，读入地形、读入飞行程序以及障碍物编码。在显示设置中，见图22，可以选择要验证的程序，对障碍物的显示进行设置，对VSS面、OAS面的显示和参数进行设置，对动态飞行过程进行配置，之后就可以启动程序，开始动态飞行验证。
[0214] 系统选择飞行程序、障碍物数据文件和，启动和设置后，进入到飞行验证阶段，在三维场景中，飞机将沿着预先选定的飞行程序路径进行动态飞行。此飞行过程将通过地形、障碍物、以及飞机性能、转弯能力等因素来验证所设计的飞行程序是否具有可飞行，另外，还通过近地警告系统验证飞机是否与地形、障碍物具有冲突的危险。如果程序验证中，出现无法飞跃的地形、障碍物、或者具有潜在地形冲突、飞机性能无法跟踪程序、转弯角度无法达到等因素，系统将会提供实时告警服务，同时把这些信息记录在文本文件中，为验证后的分析提供依据。
[0215] 通过PBN飞行程序计算机校验应用系统的实际测试，证明系统能够完成PBN飞行程序的计算机仿真校验，为飞行程序验证提供了新的方法。本发明可将地形数据、障碍物数据、ARINC424的PBN飞行程序数据导入，进行数据的解析，并对数据作为PBN飞行程序虚拟验证的依据。本发明实现了人机交互功能，可以选择任意机场的地形、障碍物以及PBN飞行程序进行验证，也可选择PBN飞行程序的某一航段进行验证，并可以对显示进行设置，对VSS面、APV OAS面的相关参数进行设置，以满足虚拟验证的需求。本发明实现了PBN飞行程序验证的二维和三维效果展示，以二维以及三维视景效果展现PBN飞行程序、自然环境、地形、机场、跑道以及动态验证过程，使得验证更加直观、形象。
[0216] 上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。
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