CN101949709B - 一种机载gps航摄导航控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种机载GPS航摄导航控制系统及其控制方法；所述系统包括：用于捕获GPS信号，产生并输出用于指示本系统位置的GPS数据的航空GPS接收机、航空数码相机、显示终端；机载计算机，用于根据航线和目标点的位置数据以及所述GPS数据，计算用于指示本系统与所述航线和目标点之间位置关系的导航信息，在所述显示终端上显示所述导航信息，并根据所述导航信息进行导航，以及当满足曝光条件时控制所述航空数码相机进行曝光。本发明将导航和摄影的控制融为一体，减少了运算量，降低了成本。

Description

一种机载GPS航摄导航控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及导航领域，尤其涉及一种机载GPS航摄导航控制系统及其控制方法。

背景技术

机载GPS(Global Positioning System，全球定位系统)飞行控制技术是通过GPS的高精度定位技术实现飞行特殊导航，特别是针对各种机载航空摄影、机载雷达、加载激光等飞机平台的导航。由于飞机不仅需要按照特定的航线飞行，而且还需要任务载荷在飞行过程中实现规定的操作。因此，需要对飞机的飞行和任务载荷进行统一管理和控制，协调各个部分共同完成任务。

在航空摄影领域，为了保证前后影像、左右影像的重叠度，同时精密测量每幅航空影像的中心点坐标，一般都采用机载GPS导航和定点曝光控制系统。国际上普遍采用的机载GPS导航与定点曝光系统是德国的IGI公司的CCNS系统和Leica公司的Ascot系统，CCNS系统目前已发展到了CCNS4。

为了进行大比例尺的航空测图和构建微细节的三维虚拟现实，需要航空摄影测量飞机以更低的高度，更小的飞行速度进行。目前我国生产低空超轻型飞机已经可以实现以最低300米航高、90公里/小时的飞行状态飞行，为低空大比例尺航空数码摄影提供了航空摄影平台，同时也使云下航空摄影成为可能。

而上述系统都采用了摄影和导航分离的结构设计，即导航系统需要单独的计算机控制、显示和数据管理，这样就导致飞机上有两个计算机工作，这对高空的大飞机航空摄影测量平台没有太大的影响，但对进行低空飞行的小飞机平台而言，不仅增加了飞机的载重负担、而且飞机的电力消耗及续航能力都将受到影响，特别是对空间有限的超低空轻型飞机影响更为突出。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种机载GPS航摄导航控制系统及其控制方法，将导航和摄影的控制融为一体，减少了运算量，降低了成本。

为了解决上述问题，本发明提供了一种机载GPS航摄导航控制系统，包括：

用于捕获GPS信号，产生并输出用于指示本系统位置的GPS数据的航空GPS接收机、航空数码相机、显示终端；

机载计算机，用于根据航线和目标点的位置数据以及所述GPS数据，计算用于指示本系统与所述航线和目标点之间位置关系的导航信息，在所述显示终端上显示所述导航信息，并根据所述导航信息进行导航，以及当满足曝光条件时控制所述航空数码相机进行曝光。

进一步地，所述导航信息至少包括本系统与目标点在水平面上投影的距离D_t arg et，本系统与目标点连线与航线在水平面上投影的夹角θ_t arg et；

所述机载计算机根据所述导航信息进行导航是指：

所述机载计算机根据所选择的航线设置目标点；在进入航线时，如果正向飞行则目标点设为所选择的航线的起点，如果反向飞行则目标点设为航线的终点，如果θ_t arg et＜κ则判断航线进入失败，κ为角度阈值；进入航线成功后，将所选择的航线上的第一个曝光点设置为目标点；每次当所述航空数码相机曝光后，记录当前位置，并将所选择航线上的下一个曝光点设置为目标点；当进行机场引导时，将机场作为目标点。

进一步地，所述机载计算机还用于保存引导参数；所述引导参数分为粗引导和精密引导；

所述机载计算机当满足曝光条件时控制所述航空数码相机进行曝光是指：

所述机载计算机当D_t arg et大于R，或者θ_t arg et大于κ时，发送指示禁止手动曝光的相机控制命令；

当D_t arg et小于R，且θ_t arg et小于κ时，如果D_t arg et变小，发送指示允许手动曝光的相机控制命令；如果D_t arg et变大，所述引导参数为粗引导时发送指示自动曝光的相机控制命令，所述引导参数为精密引导时发送指示允许手动曝光的相机控制命令；

当D_t arg et小于r，且θ_t arg et小于κ时，如果D_t arg et变小，发送指示允许手动曝光的相机控制命令；如果D_t arg et变大，发送指示自动曝光的相机控制命令；

所述航空数码相机当收到指示允许手动曝光的相机控制命令时，将手动曝光设置为使能状态；当收到指示自动曝光的相机控制命令时，立即曝光，并且将手动曝光设置为不使能状态；当收到指示禁止手动曝光的相机控制命令时将手动曝光设置为不使能状态；

其中，R为第一距离阈值，r为第二距离阈值。

进一步地，所述显示终端包括飞行员导航屏和摄影员显示屏；

所述机载计算机在所述显示终端上显示所述导航信息是指：

所述机载计算机根据所述导航信息和所述飞行员导航屏的分辨率确定所述飞行员导航屏的第一显示比例尺；将本系统显示在所述飞行员导航屏的中心，根据确定的所述第一显示比例尺和所述导航信息确定所述航线和目标点在所述飞行员导航屏中的显示位置并进行显示；

所述机载计算机设定在所述摄影员显示屏上显示的地面区域大小，根据所述摄影员显示屏的大小，确定所述摄影员显示屏的第二显示比例尺；以所述摄影员显示屏的一个点作为参考点，根据所述第二显示比例尺，确定本系统、航线及目标点在所述摄影员显示屏上的显示位置并进行显示。

进一步地，所述飞行员导航屏为9寸液晶电视。

本发明还提供了一种机载GPS航摄导航控制系统的控制方法，包括：

捕获GPS信号，产生并输出用于指示本系统位置的GPS数据；

根据航线和目标点的位置数据以及所述GPS数据，计算用于指示本系统与所述航线和目标点之间位置关系的导航信息；

显示所述导航信息；根据所述导航信息进行导航，当满足曝光条件时进行曝光。

进一步地，所述导航信息至少包括本系统与目标点在水平面上投影的距离D_t arg et，本系统与目标点连线与航线在水平面上投影的夹角θ_t arg et；

所述根据所述导航信息进行导航的步骤包括：

根据所选择的航线设置目标点；在进入航线时，如果正向飞行则目标点设为所选择的航线的起点，如果反向飞行则目标点设为航线的终点，如果θ_t arg et＜κ则判断航线进入失败，κ为角度阈值；

进入航线成功后，将所选择的航线上的第一个曝光点设置为目标点；每次当所述航空数码相机曝光后，记录当前位置，并将所选择航线上的下一个曝光点设置为目标点；

当进行机场引导时，将机场作为目标点。

进一步地，所述当满足曝光条件时进行曝光的步骤包括：

当D_t arg et大于R，或者θ_t arg et大于κ时，禁止手动曝光；

当D_t arg et小于R，且θ_t arg et小于κ时，如果D_t arg et变小，允许手动曝光；如果D_t arg et变大，粗引导时立即曝光，精密引导时允许手动曝光；

当D_t arg et小于r，且θ_t arg et小于κ时，如果D_t arg et变小，允许手动曝光；如果D_t arg et变大，立即曝光；

其中，R为第一距离阈值，r为第二距离阈值。

进一步地，所述显示所述导航信息的步骤包括：

将导航信息分别显示在飞行员导航屏和摄影员显示屏上；

根据所述导航信息和所述飞行员导航屏的分辨率确定所述飞行员导航屏的第一显示比例尺；将本系统显示在所述飞行员导航屏的中心，根据确定的所述第一显示比例尺和所述导航信息确定所述航线和目标点在所述飞行员导航屏上的显示位置并进行显示；

设定在所述摄影员显示屏上显示的地面区域大小，根据所述摄影员显示屏的大小，确定所述摄影员显示屏的第二显示比例尺；以所述摄影员显示屏的一个点作为参考点，根据所述第二显示比例尺，确定本系统、航线及目标点在所述摄影员显示屏上的显示位置并进行显示。

本发明的技术方案可以采用一个计算机利用导航数据完成对导航和航摄的控制，这种设计可以充分利用航线的信息，最大限度地节省飞行过程的操控环节，以最小的代价实现单次飞行的最大输出。

本发明的一个优化方案采用一机双屏技术，进一步还可以采用小液晶电视代替大显示屏，既可以完成导航信息的显示，又能够充分节省飞机的驾驶舱的空间。采用AV电缆的链接，简洁方便。同时，液晶电视又可以作为工作闲暇的娱乐。

本发明的又一优化方案根据不同的作业习惯分别为飞行员和摄影师提供不同的显示视角。

附图说明

图1是实施例一的机载GPS航摄导航控制系统的示意框图；

图2是实施例一中GPS导航算法示意图。

具体实施方式

下面将结合附图及实施例对本发明的技术方案进行更详细的说明。

需要说明的是，如果不冲突，本发明实施例以及实施例中的各个特征可以相互结合，均在本发明的保护范围之内。

实施例一，一种机载GPS航摄导航控制系统，如图1所示，包括：

航空GPS接收机、机载计算机、航空数码相机、显示终端；

所述航空GPS接收机用于捕获GPS信号，产生并输出用于指示本系统位置的GPS数据；

所述机载计算机是整个机载GPS航摄导航控制系统的核心，用于接收所述GPS数据，根据航线和目标点的位置数据以及该GPS数据，计算用于指示本系统(即载有本系统的飞行器)与所述航线和目标点之间位置关系的导航信息，在所述显示终端上显示所述导航信息，并根据所述导航信息进行导航，以及当满足曝光条件时控制所述航空数码相机进行曝光。

本实施例中，所述航线的位置数据可以预存多组在所述机载计算机中，在飞行时选择其中一条航线作为当前航线，或是在飞行前保存进所述机载计算机；所述目标点可以实时设置其位置，也可以预存多个，然后从中选择，比如可以将需要进行拍照的曝光点依次设置为当前的目标点。

本实施例中，所述飞机的GPS数据可以但不限于包括以下之一或其任意组合：本系统的三维空间坐标、时间、本系统的航向角、本系统的飞行速度和高度。

为了满足机载GPS导航的要求，系统最好选择航空型GPS接收机。航空型GPS接收机的最大特点就是能够适应高速运动条件下的GPS信号的稳定捕获，同时提供高速的数据输出速率。目前商用的航空GPS接收机最大的数据输出速率可以达到20Hz。航空GPS接收机需要能够提供实时的三维空间坐标、精密的时间、航向角、飞行速度和航高，定位精度优于5米，且天线的安装对飞机的创伤需要尽量小。

本实施例中，所述航空数码相机是航空摄影的核心部件；所述航空数码相机的各种控制参数和运行状态可以由所述机载计算机实时设置，同时，所述航空数码相机所拍摄的相片的传输和存储也都是由所述机载计算机自动完成，相片可以保存在所述机载计算机中，或由所述机载计算机保存至独立的存储设备中。

本实施例中，由于整个机载GPS航摄导航控制系统是一个有一定时间要求的实时控制系统，同时航空摄影飞行需要高安全性保障，因此，机载计算机的稳定性和运算速度都需要特殊要求。在该系统中，机载计算机主要作用是控制各种设备协同工作，显示各种导航信息，具有一定运算量。因此，机载计算机需要选择稳定性较好的工业控制类计算机。由于协同工作的设备较多，需要对机载计算机的接口进行扩展。为了实现一机双屏的导航显示，机载计算机的显示卡需要能够支持扩展屏幕。另外机载计算机需要连接GPS接收机和航空数码相机，通过集成相关的相机控制接口就可以实现对相机的实时控制，还需要两个串行控制埠和一个高速的数据传输1394端口。

本实施例中，所述导航信息可以包括以下之一或其任意组合：目标航线、目标曝光点、目标航向角、目标距离、航线的垂距和方向、容限范围和曝光状况等。

本实施例中，所述机载计算机所进行的数据通讯包括GPS数据的输入和相机控制命令的输出。一般的航空GPS接收机都提供标准的RS232串行端口，并且输出速率都在9600bps以上。所述航空数码相机的命令端口也采用了标准的RS232串行端口。数据通讯速率为9600bps。

在Win32下，可以使用两种编程方式实现串口通讯，其一是调用的Windows的API函数，其二是使用ActiveX控件。由于ActiveX控件对内部细节进行了封装，缺乏灵活性，不适合该系统的开发。使用API调用，可以清楚地掌握串口通信的机制，自由灵活地控制串口数据传输。根据GPS数据和相机控制命令的传输方式的不同，GPS端口采用了异步方式打开，可以提高系统的工作效率。而航空数码相机的命令端口采用了同步方式打开，提高系统的实时性。为了提高系统的工作效率，所述机载计算机对通讯端口的操作全部采用了多线程方式，这样可以与航线的管理实现很好的互操作，保证摄影员对航线管理的实时性。

由于航空摄影测量不仅需要给飞行员导航，还要给摄影员导航，双方协同工作完成航空相片的拍摄。因此，必须保证飞行员和摄影员获得相同的导航信息，以便各自完成相应的动作。为了实现这一目标，本实施例中，所述显示终端可以包括飞行员导航屏和摄影员显示屏，从而可以通过一台计算机两个显示屏的方式实现飞行员和摄影员的双人作业。

随着计算机技术的发展，现在流行的计算机显示卡都支持计算机屏幕的扩展，即将逻辑相连的显示界面扩展到两个物理分离的显示终端上，用来实现多种信息的显示。该技术应用于航空摄影测量就可以解决飞行员和摄影员导航的一致性问题。

本实施例中，所述机载计算机在所述显示终端上显示所述导航信息具体可以是指：

所述机载计算机根据所述导航信息和所述飞行员导航屏的分辨率确定所述飞行员导航屏的第一显示比例尺；将本系统显示在所述飞行员导航屏的中心，根据确定的所述第一显示比例尺和所述导航信息确定所述航线和目标点在所述飞行员导航屏上的显示位置并进行显示；

所述机载计算机设定在所述摄影员显示屏上显示的地面区域大小，根据所述摄影员显示屏的大小，确定所述摄影员显示屏的第二显示比例尺；以所述摄影员显示屏的一个点作为参考点，根据所述第二显示比例尺，确定本系统、航线及目标点在所述摄影员显示屏上的显示位置并进行显示。

下面具体说明：

(1)飞行员导航显示

根据飞行员的习惯，飞行员导航屏采用了飞机视角的显示设计，即承载本系统的飞行器(为简略说明，在后文均以“飞机”表示)在屏幕上处于静止，航线和曝光点相对飞机而运动。飞行员导航屏可以直观地显示飞机与当前航线、曝光点的关系。飞行员导航屏上具体显示的数据可以包括当前选择的航线和目标点的名称、航线的方位、飞机位置和高度、飞机速度、飞机的航向、目标点的距离以及按照飞行员习惯的飞机偏左和偏右距离。

一个具体的例子中，飞行员导航显示的具体步骤可以包括：

通过航线的坐标数据和飞机当前的坐标数据计算飞机与航线和目标点之间的空间关系数据，即所述导航信息；

设定当前的图形显示中心为飞机当前位置(根据所述GPS数据得到)，坐标参考点为飞机当前位置的坐标，参考方向为飞机当前的航线方向；

通过飞机与目标航线之间的距离和导航屏幕的分辨率计算飞行员导航屏的显示的比例尺；

以给定的参考点、参考方向和比例尺，重新计算设计航线和目标点的显示坐标，并根据飞机的航向角度，对显示坐标进行角度旋转变换，最后在飞行员导航屏上显示航线、目标点和飞机信息。

(2)摄影员终端显示

本实施例中，摄影员显示屏作为本系统的显示主窗口，摄影员不仅可以通过该窗口设置所述航空数码相机的工作状态，设置航线，还要监视飞行状态、航空GPS接收机的工作状况、航空数码相机的工作状态、航摄相片的曝光情况等。因此，摄影员的显示终端可以用总图的形式显示所有的航线、曝光点以及飞机的位置和航向。

与飞行员导航屏的图形显示不同，摄影员显示屏中采用了地固坐标系，即航线固定不变，飞机是游动的，这样摄影员可以很方便判断飞机与航线的关系、以及航摄情况。另外，摄影员也可以启动一个与飞行员完全一样的导航子窗口。

一个具体的例子中，飞行员导航显示的具体步骤可以包括：

通过航线的坐标数据和飞机当前的坐标数据计算飞机与目标航线和目标点之间的空间关系数据，即所述导航信息；

根据航线设计数据和飞行作业区域设定图形显示的地面区域大小，并根据显示窗口的大小，计算整幅总图的显示的比例尺；

以一定的间隔，计算显示图幅的坐标格网；

以图幅区域的左下脚点为图形显示参考，计算在给定比例尺下的设计航线的显示坐标和飞机位置的显示坐标；

计算飞机在特定航向方向上的飞机形状坐标，在摄影员显示屏幕上显示航线和飞机信息；

还可以根据航线的选择情况，对航线的状态进行不同颜色显示。

本实施例中，所述机载计算机保存了机场位置数据、航线数据、目标点数据。航线数据可以是预存的，也可以是根据所进行的任务的要求计算出来的。航线数据包括航线的正向进入的方位角、航线正向起始点坐标和航线正向结束点坐标。

本实施例中，根据航摄相片的重叠度要求，所述曝光条件可以但不限于为以下条件中的任一个或其任意组合：

a、本系统(即载有本系统的飞行器)位置与目标点之间的水平距离小于给定的距离阈值；

b、本系统(即载有本系统的飞行器)航向角与航线方向的夹角小于给定的角度阈值；

c、当航线未完成时偏离航线，该航线作废，航线重飞。

本实施例中，设定两个曝光允许距离阈值，分别为第一距离阈值R和第二距离阈值r；以目标点为圆心，第一距离阈值为半径所构成的外围圆形为允许曝光缓冲范围；以目标点为圆心，第二距离阈值为半径所构成的内部圆形为最佳曝光范围；设定与航线方向的夹角允许曝光的角度阈值κ(图2)。航线正向起点A和航线正向终点B的坐标分别为(X_A，Y_A，Z_A)、(X_B，Y_B，Z_B)。所述导航信息至少包括：本系统与目标点在水平面上投影的距离D_t arg et，本系统与目标点连线与航线在水平面上投影的夹角θ_t arg et；还可以包括本系统当前的偏航线距离D_line为，该距离为本系统到当前航线在水平面上投影的垂直距离，本系统与目标点连线的坐标方位角α_t arg et。

第一、第二距离阈值及角度阈值根据实际的拍摄要求设置，还可以综合数码相机的性能进行设置。

假设飞机当前时刻的坐标为(X_P，Y_P，Z_P)，将所有坐标通过高斯投影变换到同一带的高斯平面上，得到飞机当前高斯坐标(x_P，y_P，h_P)、航线起点A的坐标(x_A，y_A，h_A)、终点B的高斯坐标(x_B，y_B，h_B)，当前的目标点T的高斯坐标(x_T，y_T，h_T)。

则：

$D_{t\arg \mathrm{et}}=\sqrt{{(x_T-x_P)}^2+{(y_T-y_P)}^2+{(h_T-h_P)}^2}---\left(1\right)$

${\mathrm{\α}}_{t\arg \mathrm{et}}=a\tan \left(\frac{y_T-y_P}{x_T-x_P}\right)---\left(2\right)$

${\mathrm{\θ}}_{t\arg \mathrm{et}}=a\tan \left(\frac{y_T-y_P}{x_T-x_P}\right)-a\tan \left(\frac{y_B-y_A}{x_B-x_A}\right)---\left(3\right)$

在三角形APO、BPO中

${\mathrm{AP}}^2={\mathrm{AO}}^2+D_{\mathrm{line}}^2---\left(4\right)$

${\mathrm{BP}}^2={\mathrm{BO}}^2+{\mathrm{PO}}^2={(\mathrm{AB}-\mathrm{AO})}^2+D_{\mathrm{line}}^2---\left(5\right)$

则：

$\mathrm{AO}=\frac{{\mathrm{AB}}^2+{\mathrm{AP}}^2-{\mathrm{BP}}^2}{2\mathrm{AB}}---\left(6\right)$

$D_{\mathrm{line}}=\sqrt{{\mathrm{AP}}^2-{\mathrm{AO}}^2}---\left(7\right)$

其中：

$\mathrm{AB}=\sqrt{{(x_A-x_B)}^2+{(y_A-y_B)}^2+{(h_A-h_B)}^2}$

$\mathrm{AP}=\sqrt{{(x_A-x_P)}^2+{(y_A-y_P)}^2+{(h_A-h_P)}^2}$

$\mathrm{BP}=\sqrt{{\left(x_P{-x}_B\right)}^2+{(y_P-y_B)}^2+{(h_P-h_B)}^2}$

本实施例中，所述机载计算机根据所述导航信息进行导航具体可以是指：

(1)进入航线

所述机载计算机根据所选择的航线和飞行设置，设置导航的目标点。当选择正向飞行时，目标点设为所选择的航线的起点；当选择反向飞行时，目标点设为航线的终点。

在进行航线引导时，需要计算飞机到目标点的距离D_t arg et、偏航线距离距D_line、飞机与目标点连线的坐标方位角α_t arg et和航向偏差θ_t arg et。由于是航线引导，在飞机进入航线前需要调整好进入航线的角度，即保证θ_t arg et＜κ，否则，航线进入视为失败，必须重新进入航线。

(2)航摄点(曝光点)引导

当进入航线成功后，随即开始航摄点引导和摄影曝光控制。航摄点的引导采用自动方式，沿所选择的航线，顺序引导，系统自动切换目标点和控制所述航空数码相机，即：进入航线成功后，将所选择的航线上的第一个曝光点设置为目标点；每次当所述航空数码相机曝光后，记录当前位置，并将所选择航线上的下一个曝光点设置为目标点；未曝光时，目标点不变，系统处于等待状态。

(3)机场引导

为了保证飞行的安全，机场引导处于最高优先级别，任意时间，选择机场导航，系统立即执行机场引导。

机场引导时，将机场作为目标点，只需要计算飞机到机场的距离D_t arg et和飞机与机场连线的坐标方位角α_t arg et；此时，飞行员将飞机调整到目标航线的方向飞行即可。

本实施例中，所述机载计算机计算目标点航向偏差θ_t arg et以及飞机与前方目标点的距离D_t arg et，根据其变化自动控制所述航空数码相机。

本实施例中，所述机载计算机还用于保存引导参数；所述引导参数可以但不限于分为粗引导和精密引导。

所述机载计算机当满足曝光条件时控制所述航空数码相机进行曝光具体可以是指：

所述机载计算机当D_t arg et大于R，或者θ_t arg et大于κ时，发送指示禁止手动曝光的相机控制命令给所述航空数码相机；

当D_t arg et小于R，且θ_t arg et小于κ时，如果D_t arg et变小，说明在靠近目标点，发送指示允许手动曝光的相机控制命令给所述航空数码相机；如果D_t arg et变大，说明在远离目标点，所述引导参数为粗引导时发送指示自动曝光的相机控制命令给所述航空数码相机，所述引导参数为精密引导时发送指示允许手动曝光的相机控制命令给所述航空数码相机；

当D_t arg et小于r，且θ_t arg et小于κ时，如果D_t arg et变小，发送指示允许手动曝光的相机控制命令给所述航空数码相机；如果D_t arg et变大，发送指示自动曝光的相机控制命令给所述航空数码相机。

所述航空数码相机当收到指示允许手动曝光的相机控制命令时，将手动曝光设置为使能状态，即当快门被用户按压时进行曝光；当收到指示自动曝光的相机控制命令时，立即曝光，并且将手动曝光设置为不使能状态，即当快门被用户按压时也不进行曝光；当收到指示禁止手动曝光的相机控制命令时将手动曝光设置为不使能状态。

本实施例中，对曝光点和航线，专门设计了类的定义。曝光点类ShotPoint的基本属性包括：曝光点的设计坐标、曝光点的实际曝光坐标、曝光点的编号和名称、曝光点的类型和曝光标志。

本实施例中，所述机载计算机对所有的航线和摄影曝光点的管理采用双向链表数据结构进行数据存储、增减和查询。双向链表DNode类采用了泛型编程思想，通过C++的模板类设计，实现了对任意数据类型的双向链表管理。

类ShotPoint构成节点的基本数据类型，通过双向链表模板结构DNode<ShotPoint>实例化双向链表类，得到所需的双向链表数据结构类，再实例化一个对象得到双向链表数据结构实例，实现航线数据的管理。

采用了双向链表的结构能够充分利用航线设计来节省空中飞行控制计算机的计算资源，最大限度保证计算机的稳定性和飞行控制的灵活性。

为了提高飞机的续航能力，航空摄影飞机一般尽量减少载重和电力消耗。同时飞机上的可用空间一般也是很有限的，对轻型飞机就更是这样。为了实现对飞行员导航，采用一个高分辨率的液晶显示屏显然不合适，因为，可买到的最小的液晶显示屏也有12寸，而飞行员驾驶仓不仅没有相应的空间可以安装，即使安装也会阻挡飞行员的视线，同时，液晶显示屏本身电力消耗也相当可观。

本实施例中，为了解决轻型飞机有限空间和有限的负载问题，可以选用能够直接采用直流电源供电的9寸小液晶电视作为飞行员的导航显示屏。虽然显示性能有所下降，但采用较大的字体可以弥补不足。同时由于尺寸较小，可以直接安装在驾驶室的仪表盘上。可以实现对飞行员视线的干扰最小。另外，由于重量轻、电力消耗也可以保证，因此，是实现在轻型飞机上“一机双屏”导航的理想设计。

Microsoft的Windows操作系统内置了对多监视器的支持，即用户可以在一台计算机上安装多个显示卡并接上多个显示器，然后把这些显示器的显示区域组织成一个大的虚拟的Windows桌面。目前各大显卡支持的扩展屏技术，也都是建立在Windows操作系统对多监视器支持的基础之上。

在多显示器模式下，可以把多个显示器的显示区域结合在一起来显示Windows桌面，不管这些显示器的尺寸、物理位置、分辨率和刷新频率是否相同，所有的显示区域都是Windows虚拟桌面的一部分。当运行一个应用程序时，程序的主窗口可以位于任何一个显示器的显示区域内，也可以跨多个显示区域。我们也可以把一个程序的窗口从一个显示区域移到另一个显示区域中。

要对多显示器模式进行编程和开发，就要首先确定Windows的各个显示器对应的虚拟桌面的坐标。在单显示器系统中，实际Windows桌面的形状和大小与显示器是相同的。在多显示器模式下，每一个显示器实际上是一个大虚拟桌面的一个“子视窗”。可以通过控制面板中的显示器属性对每一个显示器的显示区域的大小(分辨率)和相对位置进行调整，所有这些显示区域互相连接但并不重叠。主显示器的作用是确定虚拟桌面的坐标参考，不管主显示器的位置如何，它的显示区域的左上角的坐标定为虚拟坐标的零点(0，0)，右下角的坐标是(X-1，Y-1)(假设主显示器的分辨率为X×Y)，其余显示区域的坐标由它和主显示器的相对位置决定。通常虚拟桌面中显示区域的相对位置和实际显示器的物理相对位置是相同的。因为所有显示区域必须相连，因此可以用一个包含所有显示区域的最小矩形来表示虚拟桌面的大小。因为虚拟桌面中的坐标系统必须是连续的，因此第二个显示区域的坐标是主显示器的显示区域的继续。假设两个显示器都使用1024×768的分辨率，并且第二个显示器位于第一个显示器(主显示器)的正右方，则第二个显示区域的坐标是从(1024，0)到(2047，767)。

本实施例中，显示通过Windows操作系统将主控软件的GUI显示到主显示器上，通过主控软件来产生导航显示的GUI。软件设计上采用了底层函数库设计，应用程序直接调用该函数库中的函数，实现窗口的管理。该函数库采用微软动态链接库形式发布，其中包括：

头文件：GNSSNaviAPI.h

函数链接文件：GPSLib.lib

              GPSGraph.lib

              AirGNSSNavi.lib

动态链接库文件：GPSLib.dll

                GPSGraph.dll

                AirGNSSNavi.dll

其中，函数Int ImportAirLineFile(CStringfilename)用于导入航线设计数据。重新导入航线，原先导入的航线、以及通过AddAirLine添加的航线将会被清空。void InitData()用于初始化数据内存。在进行工作之前，先需要分配数据内存、初始化数据内存。void CleaningData()用于数据内存释放。在完成导航工作之后，回收相关的数据内存。intSystemInitialize()用于初始化导航系统的各个数据结构。并实现相关数据的设置。int CreateNavigationWnd()用于创建导航窗口，并通过扩展屏幕，显示到扩展显示器上。int DisplayWndMax()用于最大化显示导航窗口。只有导航窗口正确创建后，该函数才能使用。intDisplayWndMin()用于隐藏导航窗口。只有导航窗口正确创建后，该函数才能使用。int DestroyNaviWnd()用于关闭导航窗口。只有导航窗口正确创建后，该函数才能使用。

目前，大多数显卡都支持扩展视频输出，即以Video视频的格式直接输送到电视机显示，因此，也可直接用手持移动电视作为扩展显示终端，以减少系统的复杂度。

实施例二，一种机载GPS航摄导航控制系统的控制方法，包括

捕获GPS信号，产生并输出用于指示本系统位置的GPS数据；

根据航线和目标点的位置数据以及所述GPS数据，计算用于指示本系统与所述航线和目标点之间位置关系的导航信息；

显示所述导航信息；根据所述导航信息进行导航，当满足曝光条件时进行曝光。

本实施例中，所述导航信息至少包括本系统与目标点在水平面上投影的距离D_t arg et，本系统与目标点连线与航线在水平面上投影的夹角θ_t arg et；

所述根据所述导航信息进行导航的步骤具体可以包括：

根据所选择的航线设置目标点；在进入航线时，如果正向飞行则目标点设为所选择的航线的起点，如果反向飞行则目标点设为航线的终点，如果θ_t arg et＜κ则判断航线进入失败，κ为角度阈值；

进入航线成功后，将所选择的航线上的第一个曝光点设置为目标点；每次当所述航空数码相机曝光后，记录当前位置，并将所选择航线上的下一个曝光点设置为目标点；

当进行机场引导时，将机场作为目标点。

本实施例中，所述当满足曝光条件时进行曝光的步骤具体可以包括：

当D_t arg et大于R，或者θ_t arg et大于κ时，禁止手动曝光；

当D_t arg et小于R，且θ_t arg et小于κ时，如果D_t arg et变小，允许手动曝光；如果D_t arg et变大，粗引导时立即曝光，精密引导时允许手动曝光；

当D_t arg et小于r，且θ_t arg et小于κ时，如果D_t arg et变小，允许手动曝光；如果D_t arg et变大，立即曝光；

其中，R为第一距离阈值，r为第二距离阈值。

本实施例中，所述显示所述导航信息的步骤具体可以包括：

将导航信息分别显示在飞行员导航屏和摄影员显示屏上；

根据所述导航信息和所述飞行员导航屏的分辨率确定所述飞行员导航屏的第一显示比例尺；将本系统显示在所述飞行员导航屏的中心，根据确定的所述第一显示比例尺和所述导航信息确定所述航线和目标点在所述飞行员导航屏上的显示位置并进行显示；

设定在所述摄影员显示屏上显示的地面区域大小，根据所述摄影员显示屏的大小，确定所述摄影员显示屏的第二显示比例尺；以所述摄影员显示屏的一个点作为参考点，根据所述第二显示比例尺，确定本系统、航线及目标点在所述摄影员显示屏上的显示位置并进行显示。

其它实现细节可以同实施例一。

本领域普通技术人员可以理解上述方法中的全部或部分步骤可通过程序来指令相关硬件完成，所述程序可以存储于计算机可读存储介质中，如只读存储器、磁盘或光盘等。可选地，上述实施例的全部或部分步骤也可以使用一个或多个集成电路来实现。相应地，上述实施例中的各模块/单元可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。本发明不限制于任何特定形式的硬件和软件的结合。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明的权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种机载GPS航摄导航控制系统，包括：

用于捕获GPS信号，产生并输出用于指示本系统位置的GPS数据的航空GPS接收机、航空数码相机、显示终端；

其特征在于，还包括：

机载计算机，用于根据航线和目标点的位置数据以及所述GPS数据，计算用于指示本系统与所述航线和目标点之间位置关系的导航信息，在所述显示终端上显示所述导航信息，并根据所述导航信息进行导航，以及当满足曝光条件时控制所述航空数码相机进行曝光；

所述导航信息至少包括本系统与目标点在水平面上投影的距离D_target，本系统与目标点连线与航线在水平面上投影的夹角θ_target；

所述机载计算机根据所述导航信息进行导航是指：

所述机载计算机根据所选择的航线设置目标点；在进入航线时，如果正向飞行则目标点设为所选择的航线的起点，如果反向飞行则目标点设为航线的终点，如果θ_target＜κ则判断航线进入失败，κ为角度阈值；进入航线成功后，将所选择的航线上的第一个曝光点设置为目标点；每次当所述航空数码相机曝光后，记录当前位置，并将所选择航线上的下一个曝光点设置为目标点；当进行机场引导时，将机场作为目标点。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于：

所述机载计算机还用于保存引导参数；所述引导参数分为粗引导和精密引导；

所述机载计算机当满足曝光条件时控制所述航空数码相机进行曝光是指：

所述机载计算机当D_target大于R，或者θ_target大于κ时，发送指示禁止手动曝光的相机控制命令；

当D_target小于R，且θ_target小于κ时，如果D_target变小，发送指示允许手动曝光的相机控制命令；如果D_target变大，所述引导参数为粗引导时发送指示自动曝光的相机控制命令，所述引导参数为精密引导时发送指示允许手动曝光的相机控制命令；

当D_target小于r，且θ_target小于κ时，如果D_target变小，发送指示允许手动曝光的相机控制命令；如果D_target变大，发送指示自动曝光的相机控制命令；

所述航空数码相机当收到指示允许手动曝光的相机控制命令时，将手动曝光设置为使能状态；当收到指示自动曝光的相机控制命令时，立即曝光，并且将手动曝光设置为不使能状态；当收到指示禁止手动曝光的相机控制命令时将手动曝光设置为不使能状态；

其中，R为第一距离阈值，r为第二距离阈值。

3.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于：

所述显示终端包括飞行员导航屏和摄影员显示屏；

所述机载计算机在所述显示终端上显示所述导航信息是指：

所述机载计算机根据所述导航信息和所述飞行员导航屏的分辨率确定所述飞行员导航屏的第一显示比例尺；将本系统显示在所述飞行员导航屏的中心，根据确定的所述第一显示比例尺和所述导航信息确定所述航线和目标点在所述飞行员导航屏中的显示位置并进行显示；

所述机载计算机设定在所述摄影员显示屏上显示的地面区域大小，根据所述摄影员显示屏的大小，确定所述摄影员显示屏的第二显示比例尺；以所述摄影员显示屏的一个点作为参考点，根据所述第二显示比例尺，确定本系统、航线及目标点在所述摄影员显示屏上的显示位置并进行显示。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于：

所述飞行员导航屏为9寸液晶电视。

5.一种机载GPS航摄导航控制系统的控制方法，包括：

捕获GPS信号，产生并输出用于指示本系统位置的GPS数据；

根据航线和目标点的位置数据以及所述GPS数据，计算用于指示本系统与所述航线和目标点之间位置关系的导航信息；

显示所述导航信息；根据所述导航信息进行导航，当满足曝光条件时进行曝光；

所述导航信息至少包括本系统与目标点在水平面上投影的距离D_target，本系统与目标点连线与航线在水平面上投影的夹角θ_target；

所述根据所述导航信息进行导航的步骤包括：

根据所选择的航线设置目标点；在进入航线时，如果正向飞行则目标点设为所选择的航线的起点，如果反向飞行则目标点设为航线的终点，如果θ_target＜κ则判断航线进入失败，κ为角度阈值；

进入航线成功后，将所选择的航线上的第一个曝光点设置为目标点；每次当航空数码相机曝光后，记录当前位置，并将所选择航线上的下一个曝光点设置为目标点；

当进行机场引导时，将机场作为目标点。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述当满足曝光条件时进行曝光的步骤包括：

当D_target大于R，或者θ_target大于κ时，禁止手动曝光；

当D_target小于R，且θ_target小于κ时，如果D_target变小，允许手动曝光；如果D_target变大，粗引导时立即曝光，精密引导时允许手动曝光；

当D_target小于r，且θ_target小于κ时，如果D_target变小，允许手动曝光；如果D_target变大，立即曝光；

其中，R为第一距离阈值，r为第二距离阈值。

7.如权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述显示所述导航信息的步骤包括：

将导航信息分别显示在飞行员导航屏和摄影员显示屏上；

根据所述导航信息和所述飞行员导航屏的分辨率确定所述飞行员导航屏的第一显示比例尺；将本系统显示在所述飞行员导航屏的中心，根据确定的所述第一显示比例尺和所述导航信息确定所述航线和目标点在所述飞行员导航屏上的显示位置并进行显示；

设定在所述摄影员显示屏上显示的地面区域大小，根据所述摄影员显示屏的大小，确定所述摄影员显示屏的第二显示比例尺；以所述摄影员显示屏的一个点作为参考点，根据所述第二显示比例尺，确定本系统、航线及目标点在所述摄影员显示屏上的显示位置并进行显示。

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