CN101833104A - 一种基于多传感器信息融合的三维可视化导航方法 - Google Patents

一种基于多传感器信息融合的三维可视化导航方法 Download PDF

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一种基于多传感器信息融合的三维可视化导航方法，在利用光电传感器(红外和可见光)、机场雷达监视系统(空管雷达和地面监视雷达)、导航定位系统(无线电导航定位系统和卫星定位系统)获取多传感器数据的基础上，完成多传感器数据的配准与融合，并对空中和地面上的目标(障碍物、人、车和飞机)进行检测、识别、跟踪以及行为预测，根据空中和地面上的目标信息自动生成飞机安全起飞和进近着陆优化信息，将目标信息和安全起飞以及进近着陆信息融合显示在机场三维场景中，形成三维可视化导航系统，且系统能自动生成三维可视化导航信息，通过卫星定位系统将导航信息传送给飞行器，实现对飞行器进行三维可视化导航。具体实现步骤为：首先是获取多传感器数据；其次是对多传感器数据进行配准与融合；再次是利用融合后的数据对空中和地面目标进行检测、识别和跟踪，并对目标行为进行预测；然后是对机场进行三维建模，并将目标及其行为预测数据实时融合显示在机场三维场景中，形成三维可视化导航系统；最后是利用三维可视化导航系统对飞行器进行三维可视化导航，实现飞行器的安全起飞或着陆。

Description

一种基于多传感器信息融合的三维可视化导航方法
技术领域
本发明涉及一种基于多传感器信息融合的三维可视化导航方法，可用于航空安全管理领域，也可用于飞行器的三维可视化导航，为机场地面空管人员和飞行员提供辅助决策信息，提高飞行器安全起飞和进近着陆的安全性。
背景技术
在现有空中交通管制和导航系统中，利用监视雷达监视飞机的航迹并进行预测，利用无线电导航定位系统完成飞机的导航定位解算，空管人员和飞行员根据这些信息实现对飞行器的安全起飞和着陆。但对于地面上的跑道入侵事件多数是依靠人来完成监视和疏导，特别是在复杂天气条件下，更是依靠地面管制人员的引导完成飞机进近着陆。
在飞机起飞和进近着陆期间，飞机处于机场周围高密度交通区域，机组所需完成的操作程序复杂，特别是在天气多变的条件下，所遇到的问题一般都较为棘手且要求短时间内妥善处理，因此机组工作负担重、压力大，是整个飞行过程中事故及事故征候高发阶段，空管人员和飞行员稍有疏忽都会造成重大飞行事故发生。如何降低飞机起飞和进近阶段的事故率，是全球军民用航空领域普遍关注的问题。
目前为减少飞机进近时的事故/征候，通常采取以预防为主，并在平时加强机组操作训练和提高程序执行能力。近些年来，随着信息科学技术的发展，航空技术获得了快速发展，针对威胁目标与防撞，在机上已成功应用了高度与飞行冲突告警系统、机载防撞系统和广播式自动相关监视系统等。而且采用多传感器信息融合技术的安全进近技术受到越来越多的国家和民航组织的重视。基于多传感器信息融合的三维可视化导航方法是在构建机场三维场景的基础上，将从多角度、多维度对各种传感器采集到的信息进行配准、融合和分析，实现对机场及其空域环境的智慧感知，将空中和地面目标信息实时叠加到机场三维场景中，进而规划飞机安全起飞和进近着陆的通道，并实时显示在机场三维场景中，保证飞机在复杂环境下安全起飞和进近着陆。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：在飞机起飞和进近着陆阶段由于驾驶员视觉的局限性以及飞机起飞和进近着陆的通道内有异物入侵是导致飞机进近事故的主要因素。在复杂天气条件下，现有机场监视系统不能保证对空中和地面目标进行有效检测。为提高对空中和地面目标实时检测能力，提供一种基于多传感器信息融合的三维可视化导航方法。
本发明采用的技术方案为：一种基于多传感器信息融合的三维可视化导航方法，该方法利用光电传感器(红外和可见光)、机场雷达监视系统(空管雷达和地面监视雷达)、导航定位系统(无线电导航定位系统和卫星定位系统)获取多传感器数据的基础上，完成多传感器数据的配准与融合，并对空中和地面上的目标(障碍物、人、车和飞机)进行检测、识别、跟踪及其行为预测，根据空中和地面上的目标信息自动生成飞机安全起飞和进近着陆的优化信息，将目标信息和安全起飞及进近着陆信息融合显示在机场三维场景中，形成三维可视化导航显示系统，且系统能自动生成三维可视化导航信息，通过卫星定位系统将导航信息传送给飞行器。具体实现步骤为：
(1)获取多传感器数据的步骤为：
①利用光电传感器实时同步获取机场的红外和可见光图像数据；
②利用机场雷达监视系统实时获取空中和地面的目标数据；
③利用导航定位系统实时获取空中目标的导航定位数据。
(2)对所述多传感器数据进行配准与融合的步骤为：
①对可见光图像和红外图像数据进行配准与融合；
②对雷达监视系统数据进行配准与坐标变换；
③对导航定位系统数据进行配准与坐标变换。
(3)对空中和地面目标进行检测、识别和跟踪，并对目标行为进行预测。
(4)对机场进行三维建模，并将目标及其行为预测信息实时融合显示在机场三维场景中，形成三维可视化导航系统的具体步骤为：
①利用3S即GPS——全球卫星定位系统，RS——遥感系统，GIS——地理信息系统技术获取机场数字高程模型即DEM数据、数字表面模型即DSM数据和正射影像图即DOM数据；
②利用3D MAX和AUTO CAD工具软件以及DEM数据DSM数据和DOM数据建立机场三维场景模型，并确定机场在世界坐标系中的坐标；
③将实时探测到的空中和地面目标信息融合显示在机场三维场景中；
④自动实时生成飞机起飞和进近着陆的安全通道信息，并将安全通道信息融合显示在机场三维场景中，形成三维可视化导航系统。
(5)利用三维可视化导航系统对飞行器进行三维可视化导航的具体步骤为：
①根据实时显示三维可视化信息，地面空管人员对飞机起飞和进近着陆进行安全引导；
②通过北斗卫星定位系统将飞机起飞和进近着陆的安全通道信息发送给飞行器，实现飞行器的安全起飞和进近着陆。
本发明的原理是：首先是获取多传感器数据；其次是对多传感器数据进行配准与融合；再次是利用融合后的数据对空中和地面目标进行检测、识别和跟踪，并对目标行为进行预测；然后是对机场进行三维建模，并将目标及其行为预测数据实时融合显示在机场三维场景中，形成三维可视化导航系统；最后是利用三维可视化导航系统对飞行器进行三维可视化导航，实现飞行器的安全起飞或着陆。
首先是获取多传感器数据，利用光电传感器、机场雷达监视系统、导航定位系统获取多传感器数据；其次是对多传感器数据进行配准与融合，实现可见光图像和红外图像配准与融合，雷达监视系统数据配准与坐标变换以及导航定位系统数据配准与坐标变换；再次是利用融合后的数据对空中和地面目标进行检测、识别和跟踪，并对目标行为进行预测，获得空中和地面目标的位置信息；然后是对机场进行三维建模，并将目标及其行为预测数据实时融合显示在机场三维场景中，形成三维可视化导航系统，利用3S即GPS——全球卫星定位系统，RS——遥感系统，GIS——地理信息系统技术建立机场三维场景，将实时探测到的空中和地面目标信息融合显示在机场三维场景中，自动实时生成飞机起飞和进近着陆的安全通道信息，并将安全通道信息融合显示在机场三维场景中，形成三维可视化导航系统；最后是利用三维可视化导航系统对飞行器进行三维可视化导航，根据实时显示三维可视化信息，地面空管人员对飞机起飞和进近着陆进行安全引导，也可以通过北斗卫星定位系统将飞机起飞和进近着陆的安全通道信息发送给飞行器，实现飞行器的安全起飞或着陆。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明弥补了现有空管系统的不足，不能对机场地面目标中的人、车和障碍物进行有效探测及其威胁进行预警，在复杂天气条件下无法保证飞机安全进近着陆，而且空管人员只能依靠人工和雷达监视画面进行安全进近引导，无法形成可视化的三维环境，而且无法在线查看运动目标过去的运动轨迹信息。基于多传感器信息融合的三维可视化导航方法是利用多传感器融合信息来保证对空中和地面目标进行有效探测和智能分析，将空中和地面目标信息实时融合显示在机场三维场景中，并形成飞机安全起飞和进近着陆通道，充分利用三维场景的真实空间感以及目标信息的连续性，实现对飞行器的安全引导和导航。基于多传感器信息融合的飞机安全进近方法可为空管及飞行驾驶提供安全辅助决策信息，提高航空安全管理水平以及降低飞行事故率。
附图说明
图1为本发明的一种基于多传感器信息融合的三维可视化导航方法原理框图；
图2为本发明的一种基于多传感器信息融合的三维可视化导航方法的目标定位以及起飞和着陆安全通道示意图；
图3为本发明的一种基于多传感器信息融合的三维可视化导航方法的实时引导/导航示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的具体实施方法如下：
(1)获取多传感器数据的步骤为：
①利用光电传感器实时同步获取机场的红外和可见光图像数据；
②利用机场雷达监视系统实时获取空中和地面的目标数据；
③利用导航定位系统实时获取空中目标的导航定位数据。
(2)对所述多传感器数据进行配准与融合的步骤为：
①对可见光图像和红外图像数据进行配准与融合；
②对雷达监视系统数据进行配准与坐标变换；
③对导航定位系统数据进行配准与坐标变换。
(3)对空中和地面目标进行检测、识别和跟踪，并对目标行为进行预测。
(4)如图2所示，对机场进行三维建模，并将目标及其行为预测信息实时融合显示在机场三维场景中，形成三维可视化导航系统的具体步骤为：
①利用3S即GPS——全球卫星定位系统，RS——遥感系统，GIS——地理信息系统技术获取机场数字高程模型即DEM数据、数字表面模型即DSM数据和正射影像图即DOM数据；
②利用3D MAX和AUTO CAD工具软件以及DEM数据DSM数据和DOM数据建立机场三维场景模型，并确定机场在世界坐标系中的坐标；
③将实时探测到的空中和地面目标信息融合显示在机场三维场景中；
④自动实时生成飞机起飞和进近着陆的安全通道信息，并将安全通道信息融合显示在机场三维场景中，形成三维可视化导航系统。
(5)如图3所示，利用三维可视化导航系统对飞行器进行三维可视化导航的具体步骤为：
①根据实时显示三维可视化信息，地面空管人员对飞机起飞和进近着陆进行安全引导；
②通过北斗卫星定位系统将飞机起飞和进近着陆的安全通道信息发送给飞行器，实现飞行器的安全起飞和进近着陆。

Claims (5)

1.一种基于多传感器信息融合的三维可视化导航方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)获取多传感器数据；
(2)对所述多传感器数据进行配准与融合；
(3)对空中和地面目标进行检测、识别和跟踪，并对目标行为进行预测；
(4)对机场进行三维建模，并将目标及其行为预测信息实时融合显示在机场三维场景中，形成三维可视化导航系统；
(5)利用三维可视化导航系统对飞行器进行三维可视化导航。
2.根据权利要求1所述的一种基于多传感器信息融合的三维可视化导航方法，其特征在于：所述的步骤(1)中获取多传感器数据的步骤为：
①利用光电传感器实时同步获取机场的红外和可见光图像数据；
②利用机场雷达监视系统实时获取空中和地面的目标数据；
③利用导航定位系统实时获取空中目标的导航定位数据。
3.根据权利要求1所述的一种基于多传感器信息融合的三维可视化导航方法，其特征在于：所述的步骤(2)中对所述多传感器数据进行配准与融合的步骤为：
①对可见光图像和红外图像数据进行配准与融合；
②对雷达监视系统数据进行配准与坐标变换；
③对导航定位系统数据进行配准与坐标变换。
4.根据权利要求1所述的一种基于多传感器信息融合的三维可视化导航方法，其特征在于：所述的步骤(4)中对机场进行三维建模，并将目标及其行为预测信息实时融合显示在机场三维场景中，形成三维可视化导航系统的具体步骤为
①利用3S即GPS——全球卫星定位系统，RS——遥感系统，GIS——地理信息系统技术获取机场数字高程模型即DEM数据、数字表面模型即DSM数据和正射影像图即DOM数据；
②利用3D MAX和AUTO CAD工具软件以及DEM数据DSM数据和DOM数据建立机场三维场景模型，并确定机场在世界坐标系中的坐标；
③将实时探测到的空中和地面目标信息融合显示在机场三维场景中；
④自动实时生成飞机起飞和进近着陆的安全通道信息，并将安全通道信息融合显示在机场三维场景中，形成三维可视化导航系统。
5.根据权利要求1所述的一种基于多传感器信息融合的三维可视化导航方法，其特征在于：所述的步骤(5)中利用三维可视化导航系统对飞行器进行三维可视化导航的具体步骤为：
①根据实时显示三维可视化信息，地面空管人员对飞机起飞和进近着陆进行安全引导；
②通过北斗卫星定位系统将飞机起飞和进近着陆的安全通道信息发送给飞行器，实现飞行器的安全起飞和进近着陆。
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