CN104133378B - 一种机场活动区监控引导系统的实时仿真平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机场活动区监控引导系统的实时仿真平台，包括机场活动区多传感器目标仿真系统、飞行姿态计算与数据转换模块、模拟驾驶舱席位、记录与回放模块、三维视景生成平台、计算机集群图形处理系统和大屏幕高清投影显示系统。所述机场活动区目标监控引导系统将机场活动区多传感器目标仿真系统的数据进行处理，然后输出到飞行姿态计算与数据转换模块进行飞行姿态计算并转换格式，然后通过三维视景生成平台模拟和通过计算机集群图形处理系统进行图形分割，最后通过大屏幕高清投影显示系统显示出来。本发明可适应多种机场活动区监视系统的模拟需求，高清显示无缝拼接画面，仿真度高。

Description

一种机场活动区监控引导系统的实时仿真平台

技术领域

本发明涉及机场场面活动实时仿真领域，特别是一种对于机场活动区监控引导系统进行验证评估的仿真平台。

背景技术

随着民航运输业的蓬勃发展，新建和扩建的机场不断增多，机场场面结构越来越复杂，场面活动目标越来越多，对机场运行安全和效率提出了挑战。因此，ICAO（国际民航组织）提出了先进场面活动引导与控制系统的概念。利用先进场面活动引导与控制系统可以在全天候、高密度航班流量和复杂机场环境条件下，实现对机场场面飞机和车辆的实时监控和引导，避免场面活动目标的冲突，提高运行效率，特别是在低能见度情况下，能显著提高机场运行的安全和效率。由于该系统涉及多个软硬件系统，包括场面监视系统、多传感器监视数据处理和融合系统、冲突检测和告警系统、人机交互系统等，特别是还涉及到多种人员角色（如管制员、飞行员、驾驶员等）的人为因素影响和管制方式的改变，使得难以通过数学模型对系统功能和效率进行评估和检验。

在国内，对于机场活动区目标监控引导系统的研究尚处于起步阶段，现有的空中交通管制仿真系统主要是用于管制培训的进近区和航路的二维空域仿真、塔台视景仿真。到目前为止，还没有完整的针对机场活动区目标监控引导系统的仿真系统能让飞行员和管制员参与仿真回路，并向参与者提供仿真视景。

发明内容

本发明的发明目的在于：提供一种机场活动区监控引导系统的实时仿真平台，以机场活动区运行场景为基础，模拟不同传感器对目标的监视数据，以无缝拼接技术显示高分辨率三维场面视景，同时接入飞行员操作的模拟驾驶舱席位，能更真实地再现机场活动区运行情况，从而评估飞行员和管制员对系统的影响。

本发明采用的技术方案是这样的：

一种机场活动区监控引导系统的实时仿真平台，包括机场活动区多传感器目标仿真系统、飞行姿态计算与数据转换模块、记录与回放模块、模拟驾驶舱席位、三维视景生成平台、计算机集群图形处理系统和大屏幕高清投影显示系统。

本发明与机场活动区目标监控引导系统配合使用。

所述机场活动区多传感器目标仿真系统可产生多种数据，包括：一/二次雷达、场面监视雷达、ADS-B、多点定位系统目标监视数据，飞行计划数据、气象数据，停机位分配信息数据等。

所述飞行姿态计算与数据转换模块接收被仿真的机场活动区目标监控引导系统输出的融合数据，计算飞机的飞行姿态并将其转换成视景生成所需的数据格式，然后将数据输出到三维视景生成平台。

由于机场活动区多传感器目标仿真系统接收的数据不包括飞行器的姿态数据，而在模拟驾驶舱席位上进行视景仿真时，又需要用到飞行器的六自由度姿态数据来驱动仿真模型，因此需要根据目标运动当前位置和历史位置的数据计算飞行器的俯仰角、航向角和滚转角。对于场面上运动的飞机，其俯仰角为0；对处于起降阶段的飞机，认为其俯仰角为固定值；而民航飞机的滚转角较小，并且对于场面运动和直线飞行的飞行器，其滚转角认为0；对于转弯的飞机，其滚转角设为一较小的固定值。

所述记录与回放模块负责记录来自机场活动区多传感器目标仿真系统的输出数据、机场活动区监控引导系统的输出数据以及模拟驾驶舱席位上飞行员的操作数据，并能根据要求同步回放或导出上述数据，用于进行数据分析和仿真评估。

所述记录与回放模块接收机场活动区多传感器目标仿真系统的仿真输出数据，机场活动区目标监控引导系统的输出数据，通过记录屏幕图像的方式，记录管制员在席位的操作情况，通过录音记录管制员与飞行员之间的语音通讯，通过记录模拟驾驶舱输出的飞行姿态数据记录飞行员操作情况。进行回放时，根据数据记录的时间戳，同步回放各类数据，并可控制回放速度。通过记录与回放模块可以指定格式导出仿真系统输入和输出的数据文件，以便进行精度分析。

所述三维视景生成平台生成模拟的地形三维场景、机场建筑模型以及云层效果，并将结果输出到模拟驾驶舱席位和计算机集群图形处理系统。

三维视景生成平台采用开源飞行模拟软件Flightgear的可视化引擎；地形数据基于SRTM（Shuttle Radar Topography Mission 航天飞机雷达地形测绘任务）地形数据；世界场景生成利用开源工具TerraGear；根据DEM（Digital Elevation Model数字高程模型）地形网格三维数据和陆地、植被的二维光栅数据生成地形三维场景；机场建筑模型采用3DMax构建；云层效果模拟采用纹理映射技术，以立方体构建云团，将空间划分为立方体网格，在将云的图像作为纹理贴到立方体各面。

所述模拟驾驶舱席位与机场活动区目标监控引导系统之间进行数据交互。所述模拟驾驶舱席位包括视景生成模块、飞行动态模型、飞行器模块、机械电气仿真系统、音效系统、多机飞行模块、输入输出模块等。所述视景生成模块采用FlightGear可视化引擎，以驾驶舱视角显示仿真场景；所述飞行动态模型采用JSBsim通用六自由度动态模型，可针对固定翼飞机，仿真飞行器的空气动力特性，对飞行控制系统的输入做出反应，解算飞行器的六自由度非线性运动方程；所述飞行器模块整合各分系统；所述多机飞行模块将所模拟飞行器的运动数据发送至主场景，并将主场景中的其他目标运动数据发送至该模拟飞行器；所述输入输出模块包括多个桌面显示屏、操作手柄、键盘、鼠标，用于提供大视角的驾驶舱拼接视景显示和模拟飞行器的控制。

所述模拟驾驶舱席位与机场活动区目标监控引导系统之间进行数据交互；模拟驾驶舱席位的人员通过话音与管制员联系，用以模拟飞行员与管制员之间的交流。

所述模拟驾驶舱席位与三维视景生成平台之间进行数据交互，三维视景生成平台中各目标的位置将发送到模拟驾驶舱席位，并以驾驶舱视角进行显示。同时模拟驾驶舱所仿真的飞行器位置、姿态数据则发送到三维视景平台通过大屏幕进行显示。

所述计算机集群图形处理系统将三维视景生成平台的模拟数据进行图形校正和子屏幕分割计算，然后发送到大屏幕高清投影显示系统显示出来。

所述大屏幕高清投影显示系统的软件部分分为中心服务器端软件集和图形渲染工作站端软件集两大部分。

作为优选，所述机场活动区多传感器目标仿真系统包括路径库编辑模块、目标场景仿真编辑模块、运行参数设置模块、仿真运行实时动态计算、批量目标仿真模块、仿真运行控制模块和多传感器数据仿真生成与发送模块。

所述路径库编辑模块用于建立路径库，涵盖每一停机位的起飞、降落、滑行运动路线，实现机场地理信息建立、运动路径设定、路径的保存与读取；所述目标场景仿真编辑模块通过文件加载的方式从路径库编辑模块的路径库中读取目标路径信息并通过运行参数设置模块对目标识别信息和飞行计划信息进行人工设置，实现目标场景建立、飞行计划编辑、路径数据库读取与选择、场景增加/删除、场景库保存与读取；所述仿真运行实时动态计算模块负责对仿真场景以及仿真的批量目标进行仿真推进计算、计算每一步进时刻的场面交通状况，即各目标的运行位置和状态信息；所述仿真运行控制模块包括了控制整个仿真场景的暂停、继续、结束和指定目标的停止、速度、高度等三种运动参数的控制，从而能够模拟出机场活动区和终端区空域的各种运行场景，包括目标正常运行、排队、滑行道冲突、停机坪冲突、跑道运行冲突、危险接近等；所述多传感器数据仿真生成与发送模块仿真生成与发送的数据包括目标动态数据、飞行动态电报数据、停机位分配数据、气象数据。本优选方式通过路径库的管理方式，将目标运动路径与机场场面布局独立，从而能够适应各种目标运动情景；同时仿真运行中能够对任意指定仿真目标的运动进行控制，提高了机场场面活动仿真的精细度，并能有效地对目标冲突、危险接近等各种特情进行仿真。

作为优选，所述机场活动区目标监控引导系统包括监视数据处理模块、飞行计划处理模块、多传感器监视数据融合处理模块、管制员席位显示终端，所述机场活动区多传感器目标仿真系统的多种类型传感器监视数据，停机位分配数据通过以太网传输到机场活动区目标监控引导系统中的监视数据处理模块，所述飞行计划数据、气象数据直接通过异步串口服务器传输到飞行计划处理模块，这几种输入数据经多传感器监视数据融合处理模块进行融合处理之后，通过以太网传输到飞行姿态计算与数据转换模块。

作为优选，所述三维视景生成平台将结果通过以太网的方式输出到模拟驾驶舱席位和计算机集群图形处理系统。

作为优选，所述计算机集群图形处理系统包括一台集群控制工作站、一个摄像头和若干个图形渲染工作站，所述大屏幕高清投影显示系统由若干投影机组成，所述各图形渲染工作站将三维视景生成平台的结果分别通过投影机输出图像进行拼接显示，所述摄像头采集各投影机的输出图形传给集群控制工作站进行图形校正与子屏幕分割计算，再将结果通过以太网输出到各图形渲染工作站进行调整。

所述中心服务器端软件集置于集群控制工作站内，主要包括以下模块：

（1）多屏幕自动化校准模块

多屏幕自动化校准模块通过摄像头获取各投影机投在投影幕上的图像，之后通过图像特征提取和解算，得到子屏幕的几何失真校正矩阵、子屏幕的色彩校正系数、子屏幕间重合带的坐标和融合系数。最后，将得到的各种参数存盘，并发送到各图形渲染工作站。

（2）应用程序服务器模块

应用程序服务器模块完全替代了集群控制工作站中的OpenGL图形库，所有应用程序对OpenGL库的调用被本模块截获，所有的图形渲染指令不会在集群控制工作站上执行。应用程序服务器模块将根据配置参数，把图形渲染数据和指令进行分割（分割为若干个子屏幕）。之后，将分割后的指令与数据分发到各个图形渲染工作站，最后由各图形渲染计算机实现图形的显示。

（3）集群管理控制模块

集群管理控制模块负责对集群系统参数的配置管理，以及完成对图形渲染软件动态配置、起停等控制。系统设计中充分考虑了软件的可调整性和系统的灵活配置，所有的参数均使用脚本方式管理。脚本的编辑可由系统所带的图形化配置程序进行直观、快速的配置。

所述图形渲染工作站端软件集置于各图形渲染工作站内，主要包括以下模块：

（1）子图像三维渲染模块

子图像三维渲染模块负责子屏幕的图像渲染，该模块接受集群控制工作站中的应用程序服务器模块发来的相应子屏幕的图形渲染指令，通过调用本机上的OpenGL库或GLUT库来完成实际的图形渲染工作。

（2）子屏幕几何校正模块

子屏幕几何校正模块利用校正程序计算出的几何失真校正矩阵来完成对子图像三维渲染模块渲染结果的几何校正，几何校正除了要考虑投影图像的几何失真，还要考虑各子屏幕之间的重叠。几何校正不仅会修正几何失真，还将使各重叠区域内的相关子屏幕的投影图像完全重合（即融合带对齐）。

（3）子屏幕边缘融合模块

子屏幕边缘融合模块利用校正程序计算出的屏幕的色彩校正系数对各投影仪之间的色差进行自动的补偿。此外，本模块还将利用由校正程序计算出的子屏幕间重合带的坐标和融合系数，对边沿重合带图像进行Alpha值修正。最后，将经过处理的子屏幕图像送至显卡进行显示。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、可通过模拟一/二次雷达、场面监视雷达、ADS-B、多点定位系统数据，能够适应接入多种场面监视系统的仿真需求，满足对不同类型传感器数据融合效果的验证与评估；

2、可通过在仿真运行时对各仿真目标的控制，实现对机场活动区不同运行场景的仿真，包括各种目标冲突、危险接近等特情场景。

3、以大屏幕高清投影显示方式，能够更真实地模拟塔台管制员的工作视景，提高了仿真的沉浸感。

4、通过接入模拟驾驶舱席位，在实时仿真中能够较好地引入人为因素，从而有效评估飞行员的反应对系统的影响。

附图说明

图1是本发明的功能模块图。

图2是本发明的仿真平台架构图。

图3是本发明的机场活动区多传感器目标仿真系统功能模块图。

图4是本发明的大屏幕投影显示系统架构图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

如图1所示，一种机场活动区监控引导系统的实时仿真平台，包括机场活动区多传感器目标仿真系统、飞行姿态计算与数据转换模块、模拟驾驶舱席位、三维视景生成平台、计算机集群图形处理系统和大屏幕高清投影显示系统；所述机场活动区多传感器目标仿真系统可产生多种数据，包括：一/二次雷达、场面监视雷达、ADS-B、多点定位系统目标监视数据，飞行计划数据、气象数据，停机位分配信息数据等，在仿真运行中，可以实时控制整个仿真场景的暂停、继续、结束和指定目标的停止、速度、高度等运动参数的控制，从而能够模拟出机场活动区和终端区空域的各种运行场景，包括目标正常运行、排队、滑行道冲突、停机坪冲突、跑道运行冲突、危险接近等；所述飞行姿态计算与数据转换模块接收被仿真的机场活动区目标监控引导系统输出的融合数据，计算飞机的飞行姿态并将其转换成视景生成所需的数据格式，然后将数据输出到三维视景生成平台；所述记录与回放模块可记录机场活动区多传感器目标仿真系统仿真输出的数据（包括多传感器目标仿真数据、飞行计划数据、气象数据、停机位分配数据），机场活动区目标监控引导系统的输出数据、语音通讯数据、管制员席位操作数据等，并可将上述数据进行同步回放，可用于分析仿真效果；所述记录与回放模块还可以将目标数据导出成文本文件，以便进行精度分析使用；所述三维视景生成平台生成模拟的地形三维场景、机场建筑模型以及云层效果，并将结果通过以太网输出到模拟驾驶舱席位和计算机集群图形处理系统； 所述模拟驾驶舱席位与机场活动区目标监控引导系统之间进行数据交互；模拟驾驶舱席位的人员通过话音与管制员联系，用以模拟飞行员与管制员之间的交流。所述模拟驾驶舱席位与三维视景生成平台之间进行数据交互，三维视景生成平台中各目标的位置将发送到模拟驾驶舱席位，并以驾驶舱视角进行显示。同时模拟驾驶舱所仿真的飞行器位置、姿态数据则发送到三维视景平台通过大屏幕进行显示。所述计算机集群图形处理系统将三维视景生成平台的模拟数据进行图形校正和子屏幕分割计算，然后发送到大屏幕高清投影显示系统显示出来。

本发明与机场活动区目标监控引导系统配合使用。

如图2所示，所述机场活动区目标监控引导系统包括监视数据处理模块、飞行计划处理模块、多传感器监视数据融合处理模块、管制员席位显示终端，所述机场活动区多传感器目标仿真系统的多种类型传感器监视数据，停机位分配数据通过以太网传输到机场活动区目标监控引导系统中的监视数据处理模块，所述飞行计划数据、气象数据直接通过异步串口服务器传输到飞行计划处理模块，这几种输入数据经多传感器监视数据融合处理模块进行融合处理之后，通过以太网传输到飞行姿态计算与数据转换模块。

如图4所示，所述计算机集群图形处理系统包括一台集群控制工作站、一个摄像头和若干个图形渲染工作站，所述大屏幕高清投影显示系统由若干投影机组成，所述各图形渲染工作站将三维视景生成平台的结果分别通过投影机输出图像进行拼接显示，所述摄像头采集各投影机的输出图形传给集群控制工作站进行图形校正与子屏幕分割计算，再将结果通过以太网输出到各图形渲染工作站进行调整。

如图3所示，所述机场活动区多传感器目标仿真系统包括路径库编辑模块、目标场景仿真编辑模块、运行参数设置模块、仿真运行实时动态计算、批量目标仿真模块、仿真运行控制模块和多传感器数据仿真生成与发送模块；所述路径库编辑模块用于建立路径库，涵盖每一停机位的起飞、降落、滑行运动路线，实现机场地理信息建立、运动路径设定、路径的保存与读取；所述目标场景仿真编辑模块通过文件加载的方式从路径库编辑模块的路径库中读取目标路径信息并通过运行参数设置模块对目标识别信息和飞行计划信息进行人工设置，实现目标场景建立、飞行计划编辑、路径数据库读取与选择、场景增加/删除、场景库保存与读取；所述仿真运行实时动态计算模块负责对仿真场景以及仿真的批量目标进行仿真推进计算、计算每一步进时刻的场面交通状况，即各目标的运行位置和状态信息；所述仿真运行控制模块负责控制整个仿真场景的暂停、继续、结束和指定目标的停止、速度、高度等三种运动参数的控制，从而能够模拟出机场活动区和终端区空域的各种运行场景，包括目标正常运行、排队、滑行道冲突、停机坪冲突、跑道运行冲突、危险接近等；所述多传感器数据仿真生成与发送模块仿真生成与发送的数据包括目标动态数据、飞行动态电报数据、停机位分配数据、气象数据。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种机场活动区监控引导系统的实时仿真平台，其特征在于：包括机场活动区多传感器目标仿真系统、飞行姿态计算与数据转换模块、记录与回放模块、模拟驾驶舱席位、三维视景生成平台、计算机集群图形处理系统和大屏幕高清投影显示系统；

所述机场活动区多传感器目标仿真系统可产生多种数据，包括：一/二次雷达、场面监视雷达、ADS-B、多点定位系统目标监视数据，飞行计划数据、气象数据，停机位分配信息数据，仿真中可人工实时控制场景的运行、暂停和指定目标的运动速度、高度参数；

所述飞行姿态计算与数据转换模块可接收机场活动区目标监控引导系统输出的融合数据，计算飞机的飞行姿态并将其转换成视景生成所需的数据格式，然后将数据输出到三维视景生成平台；

所述记录与回放模块负责记录来自机场活动区多传感器目标仿真系统的输出数据、机场活动区监控引导系统的输出数据、管制员操作数据、模拟驾驶舱席位上飞行员的操作数据、管制员与飞行员的语音通讯，并能根据要求同步回放或导出上述数据，用于进行数据分析和仿真评估；

所述三维视景生成平台生成模拟的地形三维场景、机场建筑模型以及云层效果，并将结果输出到模拟驾驶舱席位和计算机集群图形处理系统；

所述模拟驾驶舱席位与机场活动区目标监控引导系统之间进行数据交互；操作模拟驾驶舱的飞行员通过话音与管制员联系，用以模拟现实管制运行中飞行员与管制员之间的交流；

所述模拟驾驶舱席位与三维视景生成平台之间进行数据交互，三维视景生成平台中各目标的位置将发送到模拟驾驶舱席位，并以驾驶舱视角进行显示；同时模拟驾驶舱所仿真的飞行器位置、姿态数据则发送到三维视景平台通过大屏幕进行显示；

所述计算机集群图形处理系统将三维视景生成平台的模拟数据进行图形校正和子屏幕分割计算，然后发送到大屏幕高清投影显示系统显示出来。

2.根据权利要求1所述的一种机场活动区监控引导系统的实时仿真平台，其特征在于：所述三维视景生成平台将结果通过以太网的方式输出到模拟驾驶舱席位和计算机集群图形处理系统。

3.根据权利要求1所述的一种机场活动区监控引导系统的实时仿真平台，其特征在于：所述计算机集群图形处理系统包括一台集群控制工作站、一个摄像头和若干个图形渲染工作站，所述大屏幕高清投影显示系统由若干投影机组成，所述各图形渲染工作站将三维视景生成平台的结果分别通过投影机输出图像进行拼接显示，所述摄像头采集各投影机的输出图形传给集群控制工作站进行图形校正与子屏幕分割计算，再将结果通过以太网输出到各图形渲染工作站进行调整。

4.根据权利要求1所述的一种机场活动区监控引导系统的实时仿真平台，其特征在于：所述机场活动区多传感器目标仿真系统包括路径库编辑模块、目标场景仿真编辑模块、运行参数设置模块、仿真运行实时动态计算、批量目标仿真模块、仿真运行控制模块和多传感器数据仿真生成与发送模块；

所述路径库编辑模块用于建立路径库，涵盖每一停机位的起飞、降落、滑行运动路线，实现机场地理信息建立、运动路径设定、路径的保存与读取；

所述目标场景仿真编辑模块通过文件加载的方式从路径库编辑模块的路径库中读取目标路径信息并通过运行参数设置模块对目标识别信息和飞行计划信息进行人工设置，实现目标场景建立、飞行计划编辑、路径数据库读取与选择、场景增加/删除、场景库保存与读取；

所述仿真运行实时动态计算模块负责对仿真场景以及仿真的批量目标进行仿真推进计算、计算每一步进时刻的场面交通状况，即各目标的运行位置和状态信息；

所述仿真运行控制模块包括了控制整个仿真场景的暂停、继续、结束和指定目标的起止、速度、高度三种运动参数的控制，可在仿真运行中对场景和目标进行实时控制；

所述多传感器数据仿真生成与发送模块仿真生成与发送的数据包括目标动态数据、飞行动态电报数据、停机位分配数据、气象数据。