CN103714719B - 基于北斗卫星导航的通航飞行导航系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于北斗卫星导航的通航飞行导航系统，包括北斗导航主机和平板计算机，北斗导航主机包括北斗卫星定位模块、主控制器、显示驱动单元、显示模块、记录单元、输入控制单元、输出控制单元；1）由北斗导航主机获取导航定位数据；2）数据配准融合，3）目标检测及行为预测，4）三维建模及目标显示，5）二维建模及目标显示，6），对航空器进行三维可视化导航；7）对航空器进行二维可视化导航，有益效果是：它不仅具有GPS所具有的定位、导航等功能，还具有通信功能；而且GPS首次定位的最短时间是一分钟以上，而北斗只需要数秒即可实现航空器定位，这就有效的提高了识别速度，由于北斗是我国自主研制的定位导航系统，所以应用时更加可靠。

Description

基于北斗卫星导航的通航飞行导航系统

技术领域

本发明导航领域，特别涉及基于北斗卫星导航的通航飞行导航系统，具体来说是一种应用于航空飞行的导航系统。

背景技术

导航技术作为航空运输系统中的核心技术之一，对行业的安全生产和稳定发展至关重要，也是现阶段发展的重要体现。

导航是一种运载航行时提供连续、安全和可靠服务的技术。尤其是航空技术，由于飞机在空中必须保持较快的运动速度，留空时间有限，事故后果严重，对导航提出了更高的要求，同时飞机容积有限，使导航设备的选择受到较大限制。

对于航空运输来讲，导航的基本作用就是引导飞机安全准确地沿选定路线、准时到达目的地。

而对于拥有机型多、飞机小且经常在恶劣环境下执行任务的通用航空来说，安全飞行最终体现导航的关键作用，通航作业点多、线长、面广，环境艰苦，保障条件差，再加上飞机老旧，机载设备配置低，无固定航线，无固定机场，有一半飞行时间和起降架次是在无正规机场或无机场的条件下完成的，因此高精度高可靠性的导航系统至关重要。

由于中国民航的快速增长，中东部发达地区空域变得日趋拥挤，由于东、西部发展不平衡，在西部地区地面导航台布设不够完善，不能覆盖全部航路和空域。

卫星导航具有其独有的特点，“北斗”（BDS）系统独有的系统架构、星座布局和通信功能，将为航空飞行发挥更为重要的作用。

北斗卫星导航系统是中国自主发展、独立运行的全球卫星导航系统，系统已经具备覆盖亚太地区的定位、导航和授时以及短报文通信服务能力，预计2020年左右覆盖全球。北斗系统致力于向全球用户提供定位、导航和授时服务，目前定位精度平面10米、高程10米，测速精度0.2米/秒，授时精度单向50纳秒。

然而，以往的航空飞行安全保障设备，虽然技术上有了长足的进步，但仍缺少具有二、三维可视化的定位导航功能的便携式手持导航设备，便携式手持导航设备的结构简单、造价相对低廉，制造周期短，使用见效快，适用范围广，为加快西部地区地面导航台布设提供一种选择，可通过“北斗”（BDS）系统独有的系统架构、星座布局和通信功能，能覆盖全部航路和空域。因此，设计上述导航设备是我国平衡东、西部发展，弥补西部地区地面导航台布设不够完善和为安全飞行提供保障依据的需要。

发明内容

本发明的目的就是为了满足航空飞行安全保障的需要，提供一种基于北斗卫星导航的通航飞行导航系统，通过综合运用北斗卫星定位技术、通信技术、计算机网络、GIS技术和三维可视化技术，结合航空飞行安全保障手段，提供二、三维可视化的定位导航功能，并为安全飞行提供保障依据。弥补西部地区地面导航台布设不够完善，为安全飞行提供一种类型的导航设备选择。

本系统为便携式手持导航设备，能够实现二三维一体化导航显示，可为飞行提供精确、可靠的定位和导航服务。自主研制的机载导航数据库，符合ARINC424规范，支持全部23种编码方式，具备全国所有机场的进场、离场、进近、航路和区域的数据编码能力。系统可进行飞行计划检索，飞行任务提交与查看检索，气象信息的查看检索，情报信息的查看检索。系统实现空域特征告警和近地告警功能，显示当前位置周围的导航台、航路点和机场信息。实现飞行过程过安全隐患快速标记，以及安全信息采集表电子化提交。实现航空器配载与载重平衡计算，为保证安全飞行提供重要依据。

本发明是通过这样的技术方案实现的：基于北斗卫星导航的通航飞行导航系统，包括北斗导航主机和平板计算机，其特征在于，以平板计算机作为信息处理平台，平板计算机内包括数据处理主系统，主系统中包括二维导航显示模块，三维导航显示模块、导航数据库模块、导航信息解析与分发模块、状态监测模块、航姿态分析模块、飞行计划模块、飞行任务模块、气象信息模块、情报信息模块、空域特征告警模块、近地告警模块、航行信息模块、安全信息采集模块、载重平衡模块，以北斗导航主机作为导航数据的数据源，将导航数据引入到主系统当中，主系统将导航数据库模块、空域特征告警模块、近地告警模块、航行信息模块、飞行计划模块、飞行任务模块、气象信息模块、情报信息模块集成，进行数据自动化处理、检测与评估，并最终以二维和三维一体化的图形显示方式进行可视化导航和输出信息提示，并将安全信息采集模块、载重平衡计算模块与主系统集成，完成飞行计划、任务与情报的跟踪、收集和备案任务，系统采用便携式手持终端作为实施载体；所述北斗导航主机包括北斗卫星定位模块、主控制器、显示驱动单元、显示模块、记录单元、输入控制单元、输出控制单元。

所述基于北斗卫星导航的通航飞行导航系统实现导航的方法，包括如下步骤：

（1）由北斗导航主机获取导航定位数据；获取步骤为：

a）北斗卫星定位模块接收导航定位源数据；

b）通过串行数据接口将源数据传送至主控制器；

c）主控制器进行数据过滤、差分、验证，并将数据分发传送；

d）LED屏幕显示导航定位的地理位置坐标、高度、速度和航向；

e）记录单元将导航定位数据信息写入存储卡；

f）通过输出控制单元将数据传送至主系统；

（2）数据配准融合：由主系统中的导航信息解析与分发模块对导航定位数据进行数据配准、坐标变换、数据融合；

（3）目标检测及行为预测：由主系统中的近地告警模块、空域特征告警模块、航行信息模块根据配准融合后得到的数据进行地面目标检测（地面障碍物）、空域目标检测（限制型空域）、航行目标检测（机场导航台）；

（4）三维建模及目标显示：由主系统中的显示驱动模块根据目标检测及行为预测后得到的数据，进行三维建模及三维场景目标显示，步骤为：

a）利用数字高程数据、数字影像数据进行三维场景建模；

b）利用矢量数据进行地物场景建模；

c）构建三维场景同导航信息的融合接口；

（5）二维建模及目标显示：由主系统中的显示驱动模块根据目标检测及行为预测后得到的数据，获得航行信息，进行二维建模及二维场景目标显示；步骤为：

a）利用数字高程进行二维场景建模；

b）利用矢量数据进行地物场景建模；

c）利用空域导航数据进行飞行空域场景建模；

d）利用飞行计划、飞行任务进行飞行路径建模；

e）构建二维场景同导航信息、飞行计划、飞行任务信息的融合接口；

（6）由主系统中的三维导航显示模块根据步骤4得到的三维建模及目标显示数据，以三维可视化导航信息方式输出，对航空器进行三维可视化导航；

（7）由主系统中的二维导航显示模块根据步骤5得到的二维建模及目标显示数据，以二维可视化导航信息方式输出，对航空器进行二维可视化导航。

本发明的有益效果是：本系统采用的导航定位系统为北斗定位系统，它不仅具有GPS所具有的定位、导航等功能，还具有通信功能；而且GPS首次定位的最短时间是一分钟以上，而北斗只需要数秒即可实现航空器定位，这就有效的提高了识别速度。由于北斗是我国自主研制的定位导航系统，所以应用时更加可靠。

系统将飞行过程中所需要的飞行计划、飞行任务、气象情报信息、安全信息采集和载重平衡计算信息模块进行集成，并将计划任务同导航系统结合，在计划与导航的双重指引下，更有效的保障飞行安全。

系统导航采用二三维一体化导航显示系统，将空域特征与地理信息系统有效结合并完整展现，结合导航定位信息进行航空器目标的实时展现，以及结合飞行计划和飞行任务信息进行飞行导航信息的图形化指引，实时的飞行告警与预警功能，能及时反映飞行动态和威胁。

附图说明

图1、为系统结构示意图；

图2、为北斗导航主机的结构示意图；

图3、为系统应用流程示意图。

具体实施方式

为了更清楚的理解本发明，结合附图和实施例详细描述本发明：

如图1至图3所示，北斗导航主机包括北斗卫星定位模块、主控制器、显示驱动单元、显示模块、记录单元、输入控制单元、输出控制单元；

所述北斗卫星定位模块采用射频芯片、基带芯片及外围电路构成，用于接收

来自卫星定位系统的反映当前位置的导航数据。

所述主控制器由单片机及指令寄存器、指令译码器、时序产生器、可编程逻辑控制器构成，用于对源数据进行过滤、差分、验证的处理，并对各个单元模块进行统一调配。

所述显示驱动单元由图像编码器、线行译码器、时序控制器构成，用于将结构信息进行驱动化处理，支持显示模块的运行；所述示模块采用LED屏幕显示导航信息。

所述记录单元由模/数转换器、外围存储控制电路构成，存储介质为通用存储卡，用于将导航数据进行实时的完整记录。

所述输入控制单元由时序控制器、串行移位寄存器构成，用于控制北斗导航主机的运行状态。

所述输出控制单元由时序控制器、串行移位寄存器、输出回路构成，是与主系统进行数据交互的唯一接口。

主系统中的二维导航显示模块，以电子航图及地图显示方式进行图形化显示，结合导航定位信息进行航空器目标的实时展现，以及结合飞行计划和飞行任务信息进行飞行导航信息的自动化差分处理和图形化指引；利用数字高程进行二维场景建模；利用矢量数据进行地物场景建模；利用空域导航数据进行飞行空域场景建模；利用飞行计划、飞行任务进行飞行路径建模；构建二维场景同导航信息、飞行计划、飞行任务信息的融合接口。

主系统中的三维导航显示模块，利用数字高程数据、数字影像数据进行三维场景建模；利用矢量数据进行地物场景建模；构建三维场景同导航信息的融合接口，将导航目标及其行为信息实时融合显示在三维场景中；可从不同的方向观察地面上地形、地物；

主系统中的导航数据库模块，为自主研制的机载导航数据库，符合ARINC424规范，支持全部23种编码方式，具备全国所有机场的进场、离场、进近、航路和区域的数据编码能力。

主系统中的飞行计划模块，计划数据保持更新为最新，并将计划与导航信息进行容差分析，指示实际飞行与计划的偏离情况。

主系统中的飞行任务模块，任务数据保持双向更新，并将任务与导航信息、飞行计划进行容差分析，指示实际任务执行情况与计划任务的偏离情况。

主系统中的气象信息模块，气象数据保持更新为最新，根据导航信息动态更新飞行过程中涉及到的气象信息。

主系统中的情报信息模块，实时接收情报信息，保持情报的为最新。

主系统中的空域特征告警模块，对空域目标进行检测识别，并对目标进行安全评估与预测。

主系统中的近地告警模块，对地面目标进行检测识别，并对目标进行安全评估与预测；

主系统中的航行信息模块，对航行目标进行检测识别，并对目标进行行程预测；

主系统中的安全信息采集模块，在于飞行过程过安全隐患快速标记，以及安全信息采集表电子化提交。

主系统中的载重平衡模块，将载重平衡计算系统进行集成，实现电子出图与安全评估。

主系统数据处理过程包括：

(一)三维可视化导航系统建模

1)利用数字高程数据、数字影像数据进行三维场景建模；

2)利用矢量数据进行地物场景建模；

3)构建三维场景同导航信息的融合接口；

(二)二维可视化导航系统建模

1)利用数字高程进行二维场景建模；

2)利用矢量数据进行地物场景建模；

3)利用空域导航数据进行飞行空域场景建模；

4)利用飞行计划、飞行任务进行飞行路径建模；

5)构建二维场景同导航信息、飞行计划、飞行任务信息的融合接口；

(三)北斗卫星导航主机接收导航定位数据，获取步骤为

1)北斗卫星定位模块接收导航定位源数据；

2)通过串行数据接口将源数据传送至主控制器；

3)主控制器进行数据过滤、差分、验证，并将数据分发传送；

4)LED屏幕显示导航定位的地理位置坐标、高度、速度和航向；

5)记录单元将导航定位数据信息写入存储卡。

6)通过输出控制单元将数据传送至主系统。

(四)对导航定位数据进行数据配准、坐标变换与数据融合；

(五)对地面目标进行检测识别，并对目标进行安全评估与预测；

(六)对空域目标进行检测识别，并对目标进行安全评估与预测；

(七)对航行目标进行检测识别，并对目标进行行程预测；

(八)自动实时将导航信息融合到三维数据场景中，形成三维可视化导航系统；

(九)将导航信息与飞行计划、飞行任务进行容差分析，生成计划和任务执行信息；

(十)自动实时将导航信息、计划任务执行信息融合到二位场景，形成二维可视化导航系统；

根据上述说明，结合本领域技术可实现本发明的方案。

Claims (7)

1.基于北斗卫星导航的通航飞行导航系统，包括北斗导航主机和平板计算机，其特征在于，以平板计算机作为信息处理平台，平板计算机内包括数据处理主系统，数据处理主系统中包括二维导航显示模块，三维导航显示模块、导航数据库模块、导航信息解析与分发模块、状态监测模块、航姿态分析模块、飞行计划模块、飞行任务模块、气象信息模块、情报信息模块、空域特征告警模块、近地告警模块、航行信息模块、安全信息采集模块、载重平衡模块，以北斗导航主机作为导航数据的数据源，将导航数据引入到数据处理主系统当中，数据处理主系统将导航数据库模块、空域特征告警模块、近地告警模块、航行信息模块、飞行计划模块、飞行任务模块、气象信息模块、情报信息模块集成，进行数据自动化处理、检测与评估，并最终以二维和三维一体化的图形显示方式进行可视化导航和输出信息提示，并将安全信息采集模块、载重平衡计算模块与通航飞行导航系统集成，完成飞行计划、任务与情报的跟踪、收集和备案任务，所述北斗导航主机包括北斗卫星定位模块、主控制器、显示驱动单元、LED屏显示模块、记录单元、输入控制单元、输出控制单元；通航飞行导航系统采用便携式手持终端作为实施载体。

2.如权利要求1所述基于北斗卫星导航的通航飞行导航系统，其特征在于，北斗导航主机中的北斗卫星定位模块采用射频芯片、基带芯片及外围电路构成，用于接收来自卫星定位系统的反映当前位置的导航数据；

所述主控制器由单片机及指令寄存器、指令译码器、时序产生器、可编程逻辑控制器构成，用于对源数据进行过滤、差分、验证的处理，并对各个单元模块进行统一调配；

所述显示驱动单元由图像编码器、线行译码器、时序控制器构成，用于将结构信息进行驱动化处理，支持LED屏显示模块的运行；所述LED屏显示模块采用LED屏幕显示导航信息；

所述记录单元由模/数转换器、外围存储控制电路构成，存储介质为通用存储卡，用于将导航数据进行实时的完整记录，

所述输入控制单元由时序控制器、串行移位寄存器构成，用于控制北斗导航主机的运行状态；

所述输出控制单元由时序控制器、串行移位寄存器、输出回路构成，是与主系统进行数据交互的唯一接口。

3.如权利要求1所述基于北斗卫星导航的通航飞行导航系统，其特征在于，主系统中的二维导航显示模块，以电子航图及地图显示方式进行图形化显示，结合导航定位信息进行航空器目标的实时展现，以及结合飞行计划和飞行任务信息进行飞行导航信息的自动化差分处理和图形化指引；利用数字高程进行二维场景建模；利用矢量数据进行地物场景建模；利用空域导航数据进行飞行空域场景建模；利用飞行计划、飞行任务进行飞行路径建模；构建二维场景同导航信息、飞行计划、飞行任务信息的融合接口。

4.如权利要求1所述基于北斗卫星导航的通航飞行导航系统，其特征在于，主系统中的三维导航显示模块，利用数字高程数据、数字影像数据进行三维场景建模；利用矢量数据进行地物场景建模；构建三维场景同导航信息的融合接口，将导航目标及其行为信息实时融合显示在三维场景中；可从不同的方向观察地面上地形、地物。

5.如权利要求1所述基于北斗卫星导航的通航飞行导航系统，其特征在于，主系统中的导航数据库模块，为机载导航数据库，符合ARINC424规范，支持全部23种编码方式，具备全国所有机场的进场、离场、进近、航路和区域的数据编码能力。

6.如权利要求1所述基于北斗卫星导航的通航飞行导航系统，其特征在于，主系统中的飞行计划模块，其计划数据保持更新为最新，并将计划与导航信息进行容差分析，指示实际飞行与计划的偏离情况；

主系统中的气象信息模块，其气象数据保持更新为最新，根据导航信息动态更新飞行过程中涉及到的气象信息；

主系统中的情报信息模块，实时接收情报信息，保持情报的为最新；

主系统中的空域特征告警模块，对空域目标进行检测识别，并对目标进行安全评估与预测；

主系统中的近地告警模块，对地面目标进行检测识别，并对目标进行安全评估与预测；

主系统中的航行信息模块，对航行目标进行检测识别，并对目标进行行程预测；

主系统中的安全信息采集模块，在于飞行过程安全隐患快速标记，以及安全信息采集表电子化提交；

主系统中的载重平衡模块，将载重平衡计算系统进行集成，实现电子出图与安全评估。

7.基于北斗卫星导航的通航飞行导航系统实现导航的方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤（1）：由北斗导航主机获取导航定位数据；获取步骤为：

a）北斗卫星定位模块接收导航定位源数据；

b）通过串行数据接口将源数据传送至主控制器；

c）主控制器进行数据过滤、差分、验证，并将数据分发传送；

d）LED屏幕显示导航定位的地理位置坐标、高度、速度和航向；

e）记录单元将导航定位数据信息写入存储卡；

f）通过输出控制单元将数据传送至主系统；

步骤（2）：数据配准融合：由主系统中的导航信息解析与分发模块对导航定位数据进行数据配准、坐标变换、数据融合；

步骤（3）：目标检测及行为预测：由主系统中的近地告警模块、空域特征告警模块、航行信息模块根据配准融合后得到的数据进行地面目标检测地面障碍物、空域目标检测限制型空域、航行目标检测机场导航台；

步骤（4）：三维建模及目标显示：由主系统中的显示驱动模块根据目标检测及行为预测后得到的数据，进行三维建模及三维场景目标显示，步骤为：

a）利用数字高程数据、数字影像数据进行三维场景建模；

b）利用矢量数据进行地物场景建模；

c）构建三维场景同导航信息的融合接口；

步骤（5）：二维建模及目标显示：由主系统中的显示驱动模块根据目标检测及行为预测后得到的数据，获得航行信息，进行二维建模及二维场景目标显示；步骤为：

a）利用数字高程进行二维场景建模；

b）利用矢量数据进行地物场景建模；

c）利用空域导航数据进行飞行空域场景建模；

d）利用飞行计划、飞行任务进行飞行路径建模；

e）构建二维场景同导航信息、飞行计划、飞行任务信息的融合接口；

步骤（6）：由主系统中的三维导航显示模块根据步骤（4）得到的三维建模及目标显示

数据，以三维可视化导航信息方式输出，对航空器进行三维可视化导航；

步骤（7）：由主系统中的二维导航显示模块根据步骤（5）得到的二维建模及目标显示数据，以二维可视化导航信息方式输出，对航空器进行二维可视化导航。