CN103646136A - 基于gis的飞行校验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于GIS的飞行校验方法，应用于空中交通管制技术领域。首先，将实际场景的原始GIS数据进行瓦片切割，利用瓦片数据建立三维虚拟场景，并建立飞机和台站模型；然后，根据校验科目加载飞行计划，读取和处理飞行校验数据，对校验数据进行坐标转换，建立模拟时间轴和基准校验结构模型；最后，根据处理后的飞行校验数据，按照模拟时间轴上的时间点开始模拟飞行，与基准校验结构对比，确定需要调节的参数及调节尺度。本发明方法利用可视化技术建立直观的场景模型，提高了飞行校验的效率，减少了校验飞行的次数，降低了成本，可辅助工作人员更好地完成飞行校验，并可以检验校验方法的准确行和可行性。

Description

基于GIS的飞行校验方法

技术领域

本发明涉及飞行校验方法和GIS(Geographic Information System,地理信息系统)系统，应用于空中交通管制的技术领域中。

背景技术

飞行校验是指为保证飞行安全，使用装有专门校验设备的飞行校验飞机，按照飞行校验的有关规范，检查和评估各种导航、雷达、通信等设备的空间信号的质量及其容限，以及机场的进、离港飞行程序，并依据检查和评估的结果出具飞行校验报告的过程。确保飞行安全是民航工作的永恒主题，也是实施飞行校验的根本目的。飞行校验是机场开放和航路运行的最基本的前提之一，是保证通信、导航、雷达等设施设备符合航班正常运营要求的必要手段，是保障飞行安全和旅客生命、人民财产安全的重要环节。

近十年来，我国民航发展迅速，航班量急剧增加，各地都在建设新的机场，机场规模不断扩大，设备越来越完善。为了保证飞机在进、离港中安全地飞行，定期实施飞行校验是必不可少的程序。但是，飞行校验是一个需要大量工作人员参与的复杂而又细致的工作，在校验数据后处理阶段时，需要校验员面对大量的飞行结果数据和曲线数据，将这些数据计算出来的参数提供给机场设备调整人员，然后由调整员进行机场设备的调整，由于缺乏直观的三维模型，调整员一般按照经验来调整相关设备的参数，造成校验飞机需要多次飞行获得数据才能完成校验，这种模式工作效率低，校验员和校验飞机必须多次投入工作，增加了校验成本；复杂环境尤其是地形容易对信号的传输产生影响，令信号产生不可预料的畸变，使得校验员和地面设备工作人员难以分析记录数据异常，造成校验结果无法判断。因此，飞行校验迫切地需要一种新的方法来优化校验过程，尽量减少校验飞机飞行次数，提高校验的效率，降低校验成本。

地理信息系统(GIS)是对整个或部分地球表层（包括大气层）空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。其独特的可视化技术将原始复杂数据转化为可显示的图形、图像，将数据动态地、形象地、多视角地、全方位地、多层面演示出来，可以较好地支持飞行校验。

发明内容

本发明针对现有飞行校验中校验成本大，数据复杂不直观，校验过程较长等问题，提供一种基于GIS的飞行校验方法，通过将飞行校验与GIS系统相结合，建立三维场景以及利用真实飞行数据模拟飞行校验的过程，用直观的模型辅助工作人员完成飞行校验，优化飞行校验的过程。

本发明提供的基于GIS的飞行校验方法，包括如下步骤：

步骤1：将实际场景的原始GIS数据进行瓦片切割，利用瓦片数据建立三维虚拟场景；在三维虚拟场景中建立飞机和台站模型；

步骤2：根据校验科目加载飞行计划，读取和处理飞行校验数据；所述的飞行校验数据包括GPS接收数据、校验设备测量数据和原始GIS数据；处理飞行校验数据包括：分析校验数据、建立模拟时间轴和建立基准校验结构模型；其中，分析校验数据中，根据校验科目对飞行校验数据进行坐标转化，转换为地心地固空间直角坐标下的坐标数据；模拟时间轴根据世界标准时间建立，时间轴上的每个时间点都对应相应时间点的飞行校验数据；基准校验结构模型通过读取校验设备的基准数据建立；

步骤3：根据处理后的飞行校验数据，按照模拟时间轴上的时间点开始模拟飞行，与基准校验结构对比，确定需要调节的参数及调节尺度；

步骤4：模拟完成后显示校验结果或者重复进行模拟。

本发明的优点与积极效果在于：本发明方法突破了以往飞行校验工作模式中存在的缺陷，利用可视化技术建立直观的场景模型，不仅可以提高飞行校验的效率，减少校验飞行的次数，降低成本，辅助工作人员更好地完成飞行校验，而且可以检验校验方法的准确，验证新的校验方法是否可行。同时使用本发明方法，利用原有的模型飞行过程开设教学课程，使新的工作人员能更加快速地理解飞行校验。

附图说明

图1为实现本发明的基于GIS的飞行校验方法的系统框架图；

图2为本发明的基于GIS的飞行校验方法的流程框图；

图3为本发明的基于GIS的飞行校验方法的功能框图；

图4为本发明的基于GIS的飞行校验方法的误差曲线功能示例图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明通过深入研究飞行校验原理，校验科目及校验方法，利用高精度的GIS数据建立三维场景，然后输入校验飞机记录的飞行数据模拟完整的飞行过程，同时分析校验数据，评估校验结果，以检验校验方法的准确性和可行性。本发明方法可以为工作人员建立直观的概念模型，提高飞行校验的效率，减少校验飞行的次数，降低校验成本。

实现本发明的基于GIS的飞行校验方法的系统框架，如图1所示，包括4个部分。第一部分是原始数据管理部分，包括飞行校验数据和GIS数据两部分数据的管理。图1中，飞行校验数据库中存储着原始的飞行校验数据和校验设备的基准数据。GIS数据库中存储着原始GIS数据。第二部分是数据处理，分成2个部分，分别对飞行校验数据和GIS数据进行处理。数据处理中包括对飞行校验数据进行分析、坐标转换、建立虚拟时间轴、以及建立基准校验结构模型等，对GIS数据进行瓦片切割等。第三部分是界面显示，将模型显示到界面上，让用户可以全方位地观测模型和数据。界面显示中，通过GIS模块将GIS的瓦片数据进行无缝融合，建立三维虚拟场景。根据处理后的飞行校验数据在飞行校验控制模块中进行飞行模拟。多元图形显示控制模块用于控制显示给用户的图形，例如三维虚拟场景中所涉及的模型，模拟过程中显示的航迹线、航迹墙、误差椭球等。GIS模块和飞行校验控制模块都调用多元图形显示控制模块中的功能来实现图形的显示。

在进行校验前，需要检查所有校验设备是否正常工作，然后，如图2所示，进行本发明的基于GIS的飞行校验方法。

步骤1、建立三维虚拟场景。建立台站、飞机等模型。

对从实际场景采集的原始GIS数据进行瓦片切割处理，然后将这些瓦片数据导入到本发明的系统中进行无缝融合，建立起较为真实的三维虚拟场景。原始影像数据和地形数据都采用双线性插值算法切割提高精度。

步骤2、根据校验科目加载飞行计划，读取并处理相关飞行校验数据，为模拟做准备。按照本次校验的科目选择对应的数据窗体和仪表窗体，并且处理相关数据。处理数据包括分析校验数据、建立模拟时间轴、以及建立基准校验结构模型等。

分析校验数据是指根据校验科目对数据进行坐标转化，以及根据需要求均值、方差等操作，具体依据校验科目具体要求而进行。

时间轴是根据GPS数据的世界标准时间（UTC）建立，时间轴上每一个时间点都对应经分析校验处理过的对应时间点的校验数据。

基准校验结构模型是通过读取数据库中校验设备的相关基准数据，如角度、测量范围和容限范围等建立。

校验数据为校验飞机飞行后的真实数据，包括GPS定位数据、校验设备记录数据等，根据校验科目的不同有所差别。加载数据时需要将这些带有坐标的数据输入到GIS系统中，而GIS系统内采用的是以地球质心为中心的空间直角坐标系，所以需要对数据进行坐标转换。所涉及的坐标变换有如下几种。

第一种：WGS-84大地坐标与地心地固(Earth-Centered Earth-Fixed，ECEF)空间直角坐标之间的坐标转换，转换方程如公式(1)所示：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{xe}\\ \mathrm{ye}\\ \mathrm{ze}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}(r\_n+\mathrm{alt})*\cos \left(\mathrm{lat}\right)*\cos \left(\mathrm{lon}\right)\\ (r\_n+\mathrm{alt})*\cos \left(\mathrm{lat}\right)*\sin \left(\mathrm{lon}\right)\\ [r\_n*(1-\mathrm{NAV}\_E2)+\mathrm{alt}]*\cos \left(\mathrm{lat}\right)\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中：(xe,ye,ze)表示目标在ECEF空间直角坐标系下的坐标，(lon,lat,alt)是目标在WGS-84大地坐标下的经度、纬度和高度。

为WGS-84大地坐标下地球的卯酉圈曲率半径；

A_EARTH=6378137，为WGS-84大地坐标下地球赤道半径；

NAV_E2＝(2-flattening)*flattening，为WGS-84大地坐标下地球偏心率；

flattening=1/298.2572235，为WGS-84大地坐标下地球扁率。

第二种：ECEF空间直角坐标与用户坐标之间的坐标转换，转换方程如公式(2)所示

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{xg}\\ \mathrm{yg}\\ \mathrm{zg}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\cos \left(\mathrm{lon}\right)*(\mathrm{ye}-\mathrm{yu})-\sin \left(\mathrm{lon}\right)*(\mathrm{xe}-\mathrm{xu})\\ \cos \left(\mathrm{lat}\right)*(\mathrm{ze}-\mathrm{zu})-\sin \left(\mathrm{lat}\right)*(\mathrm{xe}-\mathrm{xu})-\sin \left(\mathrm{lat}\right)*\sin \left(\mathrm{lon}\right)*(\mathrm{ye}-\mathrm{yu})\\ \cos \left(\mathrm{lat}\right)*\cos \left(\mathrm{lon}\right)*(\mathrm{xe}-\mathrm{xu})+\cos \left(\mathrm{lat}\right)*\sin \left(\mathrm{lon}\right)*(\mathrm{ye}-\mathrm{yu})+\sin \left(\mathrm{lat}\right)*(\mathrm{ze}-\mathrm{zu})\end{array}\right]---\left(2\right)$

其中：(xg,yg,zg)是目标在用户坐标系下的坐标，(xe,ye,ze)是目标在ECEF空间直角坐标系下的坐标，(xu,yu,zu)是用户在ECEF空间直角坐标系下的坐标。(lon,lat,alt)是目标在WGS-84大地坐标系下的坐标。

第三种，载体坐标与ECEF空间直角坐标的转换，如公式（3）所示：

其中：(xe,ye,ze)是目标在ECEF空间直角坐标系的坐标，（x1,y1,z1）是目标在载体坐标系下的坐标，(Δx,Δy,Δz)是载体坐标系原点和直角坐标系原点的相对位置，ψ是偏航角，θ是俯仰角，

是滚转角。

本发明的飞行校验数据包括GPS接收数据，校验设备测量数据和原始GIS数据。GPS接收数据采用的是WGS-84大地坐标，需要通过公式（1）转换成ECEF空间直角坐标。校验设备测量数据主要是使用的以台站为中心的用户坐标系，坐标也是在该坐标系下的坐标，需要采用公式（2）反推出ECEF下的坐标。GIS系统在模拟三维可视化的功能时需要对模型进行移动，例如飞机需要移动，原始GIS数据采用公式（3）进行坐标转化。

步骤3、模拟飞行。按照模拟时间轴上的时间点进行模拟，分析处理飞行校验数据，比如对各个参数的误差进行统计，记录最大或最小值出现的时间等。根据其中的定位数据和姿态信息模拟校验飞机的飞行过程，模拟过程中可以显示航迹线、航迹墙、误差椭球，以及用这些和基准校验结构进行对比，同时绘制该校验科目中各个参数的误差曲线。

现有由于缺乏直观的三维模型，校验员面对大量的飞行结果数据和曲线数据，一般按照经验来调整相关设备的参数，增加了飞机校验次数。本发明提供了直观的三维模拟场景，可直观对比所模拟的航迹和基准，同时显示飞行时的设备参数，使工作人员能通过直观的模型分析评估校验过程，并根据误差曲线来确定需要调节的参数和调节尺度。

步骤4、模拟完成后显示校验结果或者重复进行模拟。

用户可以根据需求再次模拟或者显示该次校验的结果，根据飞行校验记录和信息后处理的结果，给出飞行校验报告。

如图3所示，本发明方法可实现的功能包括5个部分：三维数据浏览功能、模型管理、飞行校验过程模拟、航迹管理、其他配置功能。三维数据浏览主要实现放大、缩小、漫游等功能来全方位的观测数据；模型管理用来存放和管理模型数据，例如台站、飞机的模型；飞行校验过程模拟主要通过加载飞机的实际飞行数据来模拟和回放飞机飞行的过程，观察飞机的飞行姿态信息，坐标信息，校验设备数据等信息；航迹管理支持对飞行航迹信息的管理，包括各类状态参数和可自由的标记事件；其他配置功能实现设定整个系统的一些配置，例如GIS瓦片数据的配置、飞行校验数据库连接信息等。

如图4所示，是本发明一个实施例获取的误差曲线的一部分，在模拟过程中，对飞行校验中的一些关键参数进行分析，例如航向偏移误差，角度变换范围等。从误差曲线上可以精确的看出变化的趋势和极值，误差曲线是分析飞行校验结果的重要手段。

本发明的飞行校验方法，可应用于空中交通管制中空管监视雷达，通过将飞行校验和GIS系统相结合，突破了传统飞行校验工作模式中存在的缺陷，优化了飞行校验中存在的问题的解决方法，辅助工作人员更好的完成飞行校验。通过虚拟模拟飞行，可以减少实际飞行次数，降低了成本。同时，当采用新的校验方法时，利用本发明方法可以直观的验证校验方法的准确性和可行性，还可以利用现有的模型飞行过程开设教学课程，使新的工作人员能更加快速地理解飞行校验。

Claims (2)

1.一种基于GIS的飞行校验方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：将实际场景的原始GIS数据进行瓦片切割，利用瓦片数据建立三维虚拟场景，在三维虚拟场景中建立飞机和台站模型；

步骤2：根据校验科目加载飞行计划，读取和处理飞行校验数据；所述的飞行数据包括GPS接收数据、校验设备测量数据和原始GIS数据；处理飞行校验数据包括：分析校验数据、建立模拟时间轴和建立基准校验结构模型；其中，分析校验数据中，根据校验科目对飞行校验数据进行坐标转化，转换为地心地固空间直角坐标下的坐标数据；模拟时间轴根据世界标准时间建立，时间轴上的每个时间点都对应相应时间点的飞行校验数据；基准校验结构模型通过读取校验设备的基准数据建立；

步骤3：根据处理后的飞行校验数据，按照模拟时间轴上的时间点开始模拟飞行，与基准校验结构对比，确定需要调节的参数及调节尺度；

步骤4：模拟完成后显示校验结果或者重复进行模拟。

2.根据权利要求1所述的一种基于GIS的飞行校验方法，其特征在于，步骤2中所述的对飞行校验数据进行坐标转化，具体包括三种：

第一种：WGS-84大地坐标与地心地固空间直角坐标之间的转换：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{xe}\\ \mathrm{ye}\\ \mathrm{ze}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}(r\_n+\mathrm{alt})*\cos \left(\mathrm{lat}\right)*\cos \left(\mathrm{lon}\right)\\ (r\_n+\mathrm{alt})*\cos \left(\mathrm{lat}\right)*\sin \left(\mathrm{lon}\right)\\ [r\_n*(1-\mathrm{NAV}\_E2)+\mathrm{alt}]*\cos \left(\mathrm{lat}\right)\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中：(xe,ye,ze)表示目标在地心地固空间直角坐标系下的坐标，(lon,lat,alt)是目标在WGS-84大地坐标下的经度、纬度和高度；

为WGS-84大地坐标下地球的卯酉圈曲率半径；

A_EARTH=6378137，为WGS-84大地坐标下地球赤道半径；

NAV_E2＝(2-flattening)*flattening，为WGS-84大地坐标下地球偏心率；

flattening=1/298.2572235，为WGS-84大地坐标下地球扁率；

第二种：地心地固空间直角坐标与用户坐标之间的转换：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{xg}\\ \mathrm{yg}\\ \mathrm{zg}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\cos \left(\mathrm{lon}\right)*(\mathrm{ye}-\mathrm{yu})-\sin \left(\mathrm{lon}\right)*(\mathrm{xe}-\mathrm{xu})\\ \cos \left(\mathrm{lat}\right)*(\mathrm{ze}-\mathrm{zu})-\sin \left(\mathrm{lat}\right)*(\mathrm{xe}-\mathrm{xu})-\sin \left(\mathrm{lat}\right)*\sin \left(\mathrm{lon}\right)*(\mathrm{ye}-\mathrm{yu})\\ \cos \left(\mathrm{lat}\right)*\cos \left(\mathrm{lon}\right)*(\mathrm{xe}-\mathrm{xu})+\cos \left(\mathrm{lat}\right)*\sin \left(\mathrm{lon}\right)*(\mathrm{ye}-\mathrm{yu})+\sin \left(\mathrm{lat}\right)*(\mathrm{ze}-\mathrm{zu})\end{array}\right]---\left(2\right)$

其中：(xg,yg,zg)是目标在用户坐标系下的坐标，(xu,yu,zu)是用户在地心地固空间直角坐标系下的坐标；

第三种，载体坐标与地心地固空间直角坐标之间的转换：

其中：（x₁,y₁,z₁）是目标在载体坐标系下的坐标，(Δx,Δy,Δz)是载体坐标系原点和地心地固空间直角坐标系原点的相对位置，ψ是偏航角，θ是俯仰角，

是滚转角。

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