CN104406580B - 一种通用航空飞行器的导航方法、装置和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通用航空飞行器的导航方法、装置和系统。该通用航空飞行器的导航方法包括：获取通用航空飞行器的位置信息；读入该位置信息对应的三维实景数据；获取三维地景低空导航数据包，其中，三维地景低空导航数据包包括基础数据、低空障碍物数据、威胁区域数据以及安全保障区域数据；根据三维实景数据和三维地景低空导航数据包显示三维导航实景图。通过本发明，能够有效的提高低空、超低空通用航空器飞行的安全性。

Description

一种通用航空飞行器的导航方法、装置和系统

技术领域

本发明涉及通用航空技术领域，具体而言，特别涉及一种通用航空飞行器的导航方法、装置和系统。

背景技术

随着低空空域的逐步开放，通用航空将得到极大发展,然而，低空、超低空安全飞行并不乐观，其原因除飞行高度低、跟踪监控难、环境条件复杂、险情处置时间短之外，低空、超低空通用航空器飞行安全的环境也在不断恶化，危及安全的因素增多，具体如下：

（一）净空环境恶化。城市化进程加速推进，现有机场已被居民区和新兴的开发区包围，机场净空条件逐渐恶化，发生险情时，很难选择合适的迫降场地。此外，飞行区域内跨山、跨高压线等高大障碍物的增多，也是低空、超低空飞行安全管控的瓶颈之一。近几年因撞高压线而导致一等飞行事故就多达数起，毁直升机数架，亡数十人。

（二）电磁环境复杂。移动通信站、高压输电设备、大型工厂电磁设备等的发展，使得低空电磁环境更加复杂，在执行低空、超低空多样化任务时，对机载设备可靠性、稳定性和仪表进近精确性有较大影响。

（三）通用航空的快速发展导致航空人员素质良莠不齐。截止2013年底，我国实际运行的通用及小型运输航空公司129家，各类航空器1092架。由于通用航空器主要在低空、超低空作业，使得低空、超低空空域更加拥挤，又缺乏相应法规制度和协调沟通机制，这些都给低空、超低空安全管控带来新的严峻挑战。从飞行员年龄结构看，一线队伍年轻化较为突出，这部分人员普遍存在训练和任务飞行时间相对不足，飞行技术掌握不够扎实，经历较为单一，没有经过临危涉险的历练。

（四）复杂地形及气象条件影响飞行安全。由于经济的飞速发展，平原地区人口越来越密集，通用航空器飞行训练时一般躲开经济发达地区，因而大多在陌生地域展开，在不熟悉地形中飞行更易导致飞行员精神和视觉上的疲劳，同时中东部地区雾霾雨雪雾等复杂气象以及夜间飞行，极大降低通视距离，带来安全隐患。

（五）国内通用航空器低空安全专用设备研发滞后，是国内低空安全形式不乐观的另一重要因素。目前，我国直升机装备的航电设备应对复杂地形和恶劣天气的能力还不足。比如，气象雷达/导航系统，虽然能测出前方100公里以下的山峰和雷雨中心的信息，但还不能全面准确掌握地面信息，只能在能见度大于1.5公里采取可见地面的方式进行超低空飞行。2008年抗震救灾中失事的机组就是在浓雾中采用目视跟进飞行，又遭遇低云和强气流，在上升拉开距离的过程中撞山。

为了弥补以上问题导致的安全隐患，迫切需要一种安全的低空飞行导航方法。目前，国内高德、百度等纷纷推出三维导航产品，主要用于地面汽车导航，在二维导航电子地图基础上增加地面建筑物，实现三维表达。具体地，这类产品采用的卫星导航仪原理如图1所示，包括以下步骤：GPS/BD导航接收机收到卫星信号；输出位置与速度信息；导航仪将电子地图与位置进行匹配；根据速度更新当前屏幕视窗内数据。发明人发现，这类车载系统对低空飞行器导航并不适用：

第一，车载导航系统的数据不能满足通用航空导航的要求，具体表现为车载导航不标高程，不提供威胁标注及危险告警等；

第二，车载导航系统的导航算法不能满足通用航空导航的要求，具体表现为地面导航路径规划算法主要考虑地面路网、交通状况和路径点，而空中需要考虑地面高程、障碍物、动态威胁、空中态势、气象条件等。

国外谷歌公司推出Google Earth是一种在线三维地图，并未对低空导航进行特别的优化处理，对特别影像飞行安全因素并无特别标注，导航过程中需要宽带通信链路下载三维地图，而高分辨率三维实景数据为海量数据，飞行中通过宽带数据链注入在操作中不现实，代价巨大，因而，在线三维地图也不能满足低空飞行器安全导航要求。

针对现有技术中低空、超低空通用航空器飞行安全性差的问题，目前尚未提出有效的解决方法。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种通用航空飞行器的导航方法、装置和系统，以解决现有技术中低空、超低空通用航空器飞行安全性差的问题。

依据本发明的一个方面，提供了一种通用航空飞行器的导航方法。

根据该通用航空飞行器的导航方法包括：获取通用航空飞行器的位置信息；读入该位置信息对应的三维实景数据；获取三维地景低空导航数据包，其中，三维地景低空导航数据包包括基础数据、低空障碍物数据、威胁区域数据以及安全保障区域数据；根据三维实景数据和三维地景低空导航数据包显示三维导航实景图。

进一步地，基础数据包括用于标注地物影像及纹理信息的数据、用于标注地形起伏的数据以及用于标注超高建筑的数据；低空障碍物数据包括用于标注架空线缆、电塔杆和/或广播电视发射塔的数据；威胁区域数据包括用于标注禁飞区域、雷达区域、大功率辐射区域和/或部署在地面的防空武器射界区域的数据；安全保障区域数据包括用于标注机场、临时可经停驻地和/或加油检修地点的数据；三维地景低空导航数据包还包括气象信息数据和空中态势数据，气象信息数据包括用于标注低空空气湍流区、沙暴区、浮雪区、持续低云区、雷暴和/或结冰区的数据，空中态势数据包括用于标注空中飞禽、空中飞行物和/或空中悬浮物的数据。

进一步地，该导航方法还包括：获取待确定航路的起始点和终止点；对三维导航实景图对应的数据采用多分辨变步长优化方法进行计算，以得到起始点和终止点之间航路对应的多分辨数据包；以及根据多分辨数据包显示起始点和终止点之间的航路。

进一步地，对三维导航实景图对应的数据采用多分辨变步长优化方法进行计算包括：以航路飞行时间、威胁系数、耗油量和安全系数作为目标函数，对三维导航实景图对应的数据采用梯度迭代法进行计算。

进一步地，根据多分辨数据包显示起始点和终止点之间的航路包括：将三维地景低空导航数据包中的低空障碍物数据、威胁区域数据和安全保障区域数据作为多分辨数据包的奇异点，以得到处理后的多分辨数据包；以及根据处理后的多分辨数据包显示起始点和终止点之间的航路。

进一步地，根据多分辨数据包显示起始点和终止点之间的航路包括：根据多分辨数据包确定起始点和终止点之间的航路；根据空中态势数据优化航路；以及显示优化后的航路。

进一步地，三维实景数据中的地物数据按照预设的安全飞行规则被分为N类，每类数据在三维导航实景图中采用单色显示；三维实景数据中的建筑物数据采用预设的三维形象化符号显示；根据三维实景数据对第一区域进行精细化建模显示，对第二区域进行低分辨建模显示，第一区域与第二区域为不同的区域。

进一步地，三维实景数据采用栅格数据与矢量数据构成的混合数据结构存储。

进一步地，对起始点和终止点之间的航路按照预设的安全评估模型进行评估，输出评估结果。

依据本发明的另一个方面，提供了一种通用航空飞行器的导航装置。该导航装置用于执行本发明提供的任意一种通用航空飞行器的导航方法。

根据该通用航空飞行器的导航装置包括：第一获取模块，用于获取通用航空飞行器的位置信息；读入模块，用于读入该位置信息对应的三维实景数据；第二获取模块，用于获取三维地景低空导航数据包，其中，三维地景低空导航数据包包括基础数据、低空障碍物数据、威胁区域数据以及安全保障区域数据；显示模块，用于根据三维实景数据和三维地景低空导航数据包显示三维导航实景图。

进一步地，基础数据包括用于标注地物影像及纹理信息的数据、用于标注地形起伏的数据以及用于标注超高建筑的数据；低空障碍物数据包括用于标注架空线缆、电塔杆和/或广播电视发射塔的数据；威胁区域数据包括用于标注禁飞区域、雷达区域、大功率辐射区域和/或部署在地面的防空武器射界区域的数据；安全保障区域数据包括用于标注机场、临时可经停驻地和/或加油检修地点的数据；三维地景低空导航数据包还包括气象信息数据和空中态势数据，气象信息数据包括用于标注低空空气湍流区、沙暴区、浮雪区、持续低云区、雷暴和/或结冰区的数据，空中态势数据包括用于标注空中飞禽、空中飞行物和/或空中悬浮物的数据。

进一步地，该导航装置还包括：第三获取模块，用于获取待确定航路的起始点和终止点；优化模块，用于对三维导航实景图对应的数据采用多分辨变步长优化方法进行计算，以得到起始点和终止点之间航路对应的多分辨数据包；以及显示模块还用于根据多分辨数据包显示起始点和终止点之间的航路。

进一步地，优化模块还用于以航路飞行时间、威胁系数、耗油量和安全系数作为目标函数，对三维导航实景图对应的数据采用梯度迭代法进行计算。

进一步地，显示模块包括：处理子模块，用于将三维地景低空导航数据包中的低空障碍物数据、威胁区域数据和安全保障区域数据作为多分辨数据包的奇异点，以得到处理后的多分辨数据包；以及显示子模块，用于根据处理后的多分辨数据包显示起始点和终止点之间的航路。

进一步地，显示子模块还用于根据多分辨数据包确定起始点和终止点之间的航路，根据空中态势数据优化航路，并显示优化后的航路。

进一步地，三维实景数据中的地物数据按照预设的安全飞行规则被分为N类，显示模块还用于将每类数据在三维导航实景图中采用单色显示；将三维实景数据中的建筑物数据采用预设的三维形象化符号显示；根据三维实景数据对第一区域进行精细化建模显示，对第二区域进行低分辨建模显示，第一区域与第二区域为不同的区域。

进一步地，三维实景数据采用栅格数据与矢量数据构成的混合数据结构存储。

进一步地，该导航装置还包括评估模块，用于对起始点和终止点之间的航路按照预设的安全评估模型进行评估，输出评估结果。

依据本发明的另一个方面，提供了一种通用航空飞行器的导航系统。该系统包括移动端和服务器端，移动端包括本发明提供的通用航空飞行器的导航装置。

通过本发明，首先获取通用航空飞行器的位置信息，然后读入相应位置信息的三维实景数据，再获取三维地景低空导航数据包，其中，三维地景低空导航数据包包括基础数据、低空障碍物数据、威胁区域数据以及安全保障区域数据，最后根据三维实景数据和三维地景低空导航数据包显示三维导航实景图，通过加载三维地景低空导航数据包，将低空障碍物信息显示在导航实景图中，能够有效避免低空或超低空飞行时带来的安全隐患，将威胁区域的信息显示在导航实景图中，能够根据实际情况降低安全飞行的威胁系数，将安全保障区域的信息显示在导航实景图中，能够更好的处理特情，避免飞行事故，解决了现有技术中低空、超低空通用航空器飞行安全性差的问题。

进一步，本发明通过三维地景低空导航数据包即可大大提高低空、超低空通用航空器飞行的安全性能，处理方法简单，通用性强。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1是根据现有技术的卫星导航仪导航原理的示意图；

图2是根据本发明实施例1的通用航空飞行器的导航方法的流程图；

图3是根据本发明实施例2的通用航空飞行器的导航方法的流程图；

图4是根据本发明实施例2的多分辨变步长优化方法的示意图；

图5是根据本发明实施例2的根据空中态势数据优化航路的示意图；以及

图6是根据本发明实施例3的通用航空飞行器的导航装置的框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。需要指出的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1

图2是根据本发明实施例1的通用航空飞行器的导航方法的流程图。该导航方法可应用于安装在通用航空飞行器上的导航仪中，从而能够以所见即所得的方式辅助飞行员进行飞行。具体地，如图2所示，该方法包括如下的步骤S102至步骤S108。

步骤S102：获取通用航空飞行器的位置信息。

步骤S104：读入该位置信息对应的三维实景数据。

步骤S106：获取三维地景低空导航数据包，其中，三维地景低空导航数据包包括基础数据、低空障碍物数据、威胁区域数据以及安全保障区域数据。

步骤S108：根据三维实景数据和三维地景低空导航数据包显示三维导航实景图。

导航仪在采用该方法进行三维导航实景显示时，具体可通过如下的流程。首先由导航仪接收卫星信号，确定航空飞行器当前所处的位置；确定位置后，读入相应位置的三维实景数据，航空飞行器的陀螺仪开始工作，展示正确视角，然后加载三维地景低空导航数据包，随着航空飞行器速度更新当前视景数据，实现三维导航实景图的显示。该三维地景低空导航数据包可预存在导航仪中，读取方便，也可预存在导航仪的外接存储装置中，以方便导航仪灵活的更换不同飞行区域的三维地景低空导航数据包。

其中，三维实景数据是以卫星或航空遥感影像为基础、按照一定比例对现实世界或其中一部分的一个或多个方面的三维抽象的描述，通过三维实景数据可显示三维电子地图。导航仪通过GPS等确定坐标后，自动在三维电子地图中确定坐标点的位置。

在该实施例中，加载的三维地景低空导航数据包中的基础数据是用于标注地物影像及纹理信息的数据、用于标注地形起伏的数据以及用于标注超高建筑的数据，在三维实景数据中提供地物影像及纹理信息、地形起伏以及超高建筑，但是未对这些内容进行特殊的标注，通过三维地景低空导航数据包的基础数据予以标注后，可增强这类内容在三维导航实景图中的可视性，例如，用“小红旗”式样图标标注超高建筑。

除基础数据之外，三维地景低空导航数据包还包括低空障碍物数据、威胁区域数据以及安全保障区域数据，从而能够将低空障碍物、威胁区域和安全保障区域在三维导航实景图中表达，进而能够有效避免低空或超低空飞行时碰撞低空障碍物，预防威胁区域对飞行安全的影响，并且在处理特情时能够提前掌握安全保障区域的信息，避免各类飞行事故，从而提高了低空、超低空通用航空器飞行安全性。

此外，该实施例可在任意现有的三维实景数据的基础上加载三维地景低空导航数据包，从而提高通用航空器的飞行安全性能，处理方法简单，通用性强。同时，针对特定需求，可在数据包中定制其他类型的数据，例如增加电磁环境数据，以在三维空间显示电磁环境态势，对威胁飞行安全电磁区域给予标注。

其中，优选地，低空障碍物数据包括用于标注架空线缆、电塔杆和/或广播电视发射塔的数据。威胁区域数据包括用于标注禁飞区域、雷达区域、大功率辐射区域和/或部署在地面的防空武器射界区域的数据。安全保障区域数据包括用于标注机场、临时可经停驻地和/或加油检修地点的数据。

采用该优选实施例，将线缆、塔杆以及发射塔等影响低空飞行的障碍物显示在三维导航实景图中，这类地物虽然对地面导航影响较小，但对低空飞行存在极大的安全隐患，显示在三维导航实景图能够提升低空飞行的安全性能。将禁飞区、雷达区、大功率辐射区、防空武器射界区等区域显示在三维导航实景图中，飞行员在经飞这些区域时，及时调整航路，达到安全飞行的目的。将机场、临时可经停驻地、加油检修地点显示在三维导航实景图中，飞行员能够提前知晓这些安全保障的地点，准确快速的处理特情。

进一步优选地，三维地景低空导航数据包还包括气象信息数据和空中态势数据，气象信息数据包括用于标注低空空气湍流区、沙暴区、浮雪区、持续低云区、雷暴和/或结冰区的数据，空中态势数据包括用于标注空中飞禽、空中飞行物和/或空中悬浮物的数据。

采用该优选实施例，将气象信息数据和空中态势数据显示在三维导航实景图中，也即将影响安全飞行的动态态势实时的显示，能够避免通用航空器在未知的极端气候条件或空中态势下飞行导致的安全事故。

由于三维实景数据为海量数据，无论存储和传输均会消耗较大的资源。为减少数据存储量，将三维实景数据中的地物数据按照预设的安全飞行规则分为N类，每类数据在三维导航实景图中采用单色显示，例如，将地物数据分为多类，低矮房屋为一类、农耕田地为一类、森林草地为一类等，在三维导航实景图中以灰色显示低矮房屋，以黄色显示农耕田地，以绿色显示森林草地。这类地物对安全飞行的影响较小，仅以单色显示，在达到简单区分目标的基础上，能够极大的减少三维实景数据的数据量。

若需要特别显示某些建筑物，为进一步减少数据存储量，可将三维实景数据中的建筑物数据采用预设的三维形象化符号显示，与建模显示相比，减少数据处理和存储。

若采用预设的三维形象化符号显示不足以满足图像显示的要求，可对不同的区域采用不同精度的建模，例如，对重点区域进行精细化建模显示，非关注区域进行低分辨建模显示。

进一步优选地，在存储三维实景数据时，采用栅格数据与矢量数据构成的混合数据结构存储。其中，栅格数据是按网格单元的行与列排列、具有不同灰度或颜色的阵列数据。栅格结构是大小相等分布均匀、紧密相连的像元（网格单元）阵列来表示空间地物或现象分布的数据组织。矢量数据是对矢量数据模型进行数据的组织，通过记录实体坐标及其关系，尽可能精确地表现点、线、多边形等地理实体，坐标空间设为连续，允许任意位置、长度和面积的精确定义。矢量数据结构直接以几何空间坐标为基础，记录取样点坐标。而采用栅格数据与矢量数据的混合数据结构表达三维地景，能够节省存储空间。例如，当采用瓦片存储方式存储数据时，对高山峡谷，采用丰富纹理高程+栅格方式显示，其余采用矢量图存储，节省存储空间。相对于地面导航，低空导航更多关注高山峡谷、地面障碍物等。采用混合结构存储的数据比单纯采用栅格数据存储方式节省存储空间1/3左右，提高数据加载效率，提升硬件的运行速度。

实施例2

图3是根据本发明实施例2的通用航空飞行器的导航方法的流程图。该实施例是在图2所示导航方法基础上进一步改进的导航方法的实施例，通过图2所示的实施例，能够将三维导航实景图显示在导航仪中，通过图3所示的实施例，能够进一步根据飞行的起始点和终止点确定飞行航路。需要说明的是，为避免赘述，在此仅对改进部分做详细描述。具体地，如图3所示，在显示三维导航实景图的同时，该方法包括如下的步骤S202至步骤S208。

步骤S202：获取待确定航路的起始点和终止点。

步骤S204：对三维导航实景图对应的数据采用多分辨变步长优化方法进行计算，以得到起始点和终止点之间航路对应的多分辨数据包。

在该步骤中，将三维导航实景图对应的数据中的提供地物影像及纹理信息的数据、提供地形起伏的高程的数据、提供建筑物的数据以及提供架空线缆、电塔干、广播电视发射塔等海量地形数据合起来作为一个优化问题，采用多分辨变步长优化算法进行计算，其中，多分辨变步长优化计算采用系统硬件中的多核技术进行并行计算，以提升数据处理速度。本发明可采用现有技术中任意的多分辨变步长优化算法，本领域技术人员可根据实际需要自行选择，此处不做赘述。

优选地，以航路飞行时间、威胁系数、耗油量和安全系数作为目标函数，对上述的数据采用梯度迭代法进行计算。如图4所示，利用Daubechies 9.7小波对高程数据进行分解重构，最大尺度为地面威胁最大直径，将威胁区变为点。在威胁区域附近，加密网格，在非威胁区稀疏网格。以航路飞行时间、威胁系数、耗油量和安全系数为目标函数，利用梯度迭代法寻找航路点，每次迭代后，降尺度再次优化，直到满足设定优化次数，输出优化后的路径。优化路径以时空坐标描述，同时附加耗油量、威胁系数、安全系数等描述。

步骤S206：将三维地景低空导航数据包中的低空障碍物数据、威胁区域数据和安全保障区域数据作为多分辨数据包的奇异点，以得到处理后的多分辨数据包。

通过该步骤中，将低空障碍物数据、威胁区域数据和安全保障区域数据三类数据作为奇异点在多分辨数据包中显示。

步骤S208：根据处理后的多分辨数据包显示起始点和终止点之间的航路。

在该实施例中，依靠三维地景低空导航数据包中数据确定航路，能够提升航路的安全性。采用多分辨变步长优化方法确定航路，能够避免全部采用大步长方法导致的精度差的问题，避免全部采用小步长方法导致的运算消耗大的问题。同时将低空障碍物数据、威胁区域数据和安全保障区域数据作为多分辨数据包的奇异点显示，使得航路显示更完整和安全。

优选地，在根据多分辨数据包确定起始点和终止点之间的航路之后，可根据空中态势数据优化航路，并将优化后的航路实时显示。

在该优选实施例中，当根据三维地景低空导航数据包中的静态数据确定航路后，可根据空中的实时态势，对初始航路进行优化。实时优化可针对特定区域进行小尺度优化，具体优化过程如图5所示。

采用该优选实施例，在通用航空飞行器按照预先确定的航路飞行时，可根据空中实时态势实时进行优化，以使飞行航路能够根据当前态势实时做出调整，进一步提升飞行的安全性能。

进一步优选地，在确定航路以后，可照预设的安全评估模型进行评估，输出评估结果。

预设的安全评估模型采用人机结合方法综合评估，分为技术评估和人员评估。技术评估航线安全概率模型为一张表格，列出本次航路中所有影响飞行安全的定量值，由专业人员进行主观评估。人员评估可根据飞行员的安全飞行档案进行评估。采用该优选的实施例，能够输出某一飞行员驾驶某一通用航空飞行器飞行某一航路时的安全参数，例如通过威胁系数、安全系数、飞行成功率等描述安全系数。

以上是对本发明所提供的通用航空飞行器的导航方法进行的说明，以下针对本发明所提供的通用航空飞行器的导航装置进行描述。

实施例3

依据本发明的另一个方面，提供了一种通用航空飞行器的导航装置。该导航装置用于执行本发明提供的任意一种通用航空飞行器的导航方法。

图6是根据本发明实施例3的通用航空飞行器的导航装置的框图。该导航装置可应用于安装在通用航空飞行器上的导航仪中，从而能够以所见即所得的方式辅助飞行员进行飞行。具体地，如图6所示，该实施例与图2所示的实施例相对应，该装置包括第一获取模块10、读入模块30、第二获取模块50，显示模块70。

其中，第一获取模块10用于获取通用航空飞行器的位置信息，该获取模块可通过导航仪接收卫星信号，以确定航空飞行器当前所处的位置。读入模块30用于读入该位置信息对应的三维实景数据，三维实景数据可预存在导航仪中。第二获取模块50用于获取三维地景低空导航数据包，其中，三维地景低空导航数据包包括基础数据、低空障碍物数据、威胁区域数据以及安全保障区域数据。显示模块70用于根据三维实景数据和三维地景低空导航数据包显示三维导航实景图。

在该实施例中，在显示三维导航实景图时，将三维实景数据和三维地景低空导航数据包数据叠加显示，能够将低空障碍物、威胁区域和安全保障区域在三维导航实景图中表达，进而能够有效避免低空或超低空飞行时碰撞低空障碍物，预防威胁区域对飞行安全的影响，并且在处理特情时能够提前掌握安全保障区域的信息，避免各类飞行事故，从而提高了低空、超低空通用航空器飞行安全性。

该实施例中基础数据、低空障碍物数据、威胁区域数据和安全保障区域数据在描述实施例1时已做说明，此处不再赘述。三维地景低空导航数据包还包括气象信息数据和空中态势数据，具体同样见实施例1。

优选地，与图3所示的实施例相对应，该导航装置还包括第三获取模块、和优化模块。其中，第三获取模块用于获取待确定航路的起始点和终止点，该获取模块可以为人机接口，以接收用户输入的起始点和终止点。

优化模块用于对三维导航实景图对应的数据采用多分辨变步长优化方法进行计算，以得到起始点和终止点之间航路对应的多分辨数据包，在该模块中，将三维导航实景图对应的数据中的提供地物影像及纹理信息的数据、提供地形起伏的高程的数据、提供建筑物的数据以及提供架空线缆、电塔干、广播电视发射塔等海量地形数据合起来作为一个优化问题。优选地，该优化模块以航路飞行时间、威胁系数、耗油量和安全系数作为目标函数，对上述数据采用梯度迭代法进行计算。

在优化模块得到多分辨数据包后，显示模块70用于根据多分辨数据包显示起始点和终止点之间的航路，将航路信息在三维导航实景图中表达。

采用该优选实施例，依靠三维地景低空导航数据包中数据确定航路，能够提升航路的安全性。采用多分辨变步长优化方法确定航路，能够避免全部采用大步长方法导致的精度差的问题，避免全部采用小步长方法导致的运算消耗大的问题。

进一步优选地，显示模块包括处理子模块和显示子模块，其中，处理子模块将三维地景低空导航数据包中的低空障碍物数据、威胁区域数据和安全保障区域数据作为多分辨数据包的奇异点，以得到处理后的多分辨数据包，显示子模块，用于根据处理后的多分辨数据包显示起始点和终止点之间的航路。这种将低空障碍物数据、威胁区域数据和安全保障区域数据作为多分辨数据包的奇异点进行显示的优选方法，能够使得航路显示更完整和安全。

进一步优选地，显示子模块还用于根据多分辨数据包确定起始点和终止点之间的航路，根据空中态势数据优化航路，并显示优化后的航路。从而能够根据空中的实时态势，对初始航路进行优化，以使飞行航路能够根据当前态势实时做错调整，进一步提升飞行的安全性能。

为减少数据存储量，三维实景数据中的地物数据按照预设的安全飞行规则被分为N类，显示模块70还用于将每类数据在三维导航实景图中采用单色显示，从而极大的减少三维实景数据的数据存储量。若需要特别显示某些建筑物，为进一步减少数据存储量，显示模块70可将三维实景数据中的建筑物数据采用预设的三维形象化符号显示，与建模显示相比，减少数据处理和存储。进一步地，可对不同的区域采用不同精度的建模，例如，显示模块70对重点区域进行精细化建模显示，非关注区域进行低分辨建模显示。其中，在存储三维实景数据时，采用栅格数据与矢量数据构成的混合数据结构存储，以提高数据加载效率，提升硬件的运行速度。

进一步优选地，该导航装置还包括评估模块，以对起始点和终止点之间的航路按照预设的安全评估模型进行评估，输出评估结果。

实施例4

最后，本发明将从硬件实现的角度，提供本发明思想的实施例。

该实施例提供了一种通用航空飞行器的导航系统，该系统基于三维地景，是一种低空安全的智能导航系统，包括有服务器端和移动端。移动端为人员携带外出使用，导航卫星信号驱动移动端的导航装置为用户提供三维地景导航服务，该导航装置为本发明提供的导航装置。具体提供的服务可包括：导航、虚拟导航、地址查询、态势显示等功能。

优选地，在服务器端实现数据加工、生产、处理和航路规划、评估等功能，提供计算、存储、网络和数据安全几大功能，导航系统使用前通过服务器端为移动端注入或更新导航数据，气象数据，空中态势及地面威胁数据等。

从以上各实施例的描述中，可以看出，本发明实施例实现了如下技术效果：

（1）提高安全飞行效率：以所见即所得的方式，辅助飞行员进行飞行，规避夜间、云雨雾等不良气候条件下飞机碰撞障碍物的安全事故；

（2）客观掌握飞行数据，利于飞行安全管理。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (11)

1.一种通用航空飞行器的导航方法，其特征在于，包括：

获取通用航空飞行器的位置信息；

读入所述位置信息对应的三维实景数据，所述三维实景数据以卫星或航空遥感影像为基础，并按照一定比例对现实世界或其中一部分的一个或多个方面进行三维抽象描述，通过三维实景数据可显示三维电子地图；

获取三维地景低空导航数据包，具体包括：航空飞行器的陀螺仪开始工作，展示正确视角，然后加载三维地景低空导航数据包，随着航空飞行器速度更新当前视景数据，所述三维地景低空导航数据包可预存在导航仪中或预存在导航仪的外接存储装置中；其中，所述三维地景低空导航数据包包括基础数据、低空障碍物数据、威胁区域数据以及安全保障区域数据；

根据所述三维实景数据和所述三维地景低空导航数据包显示三维导航实景图；

对所述三维导航实景图对应的数据采用多分辨变步长优化方法进行计算；其中，

所述多分辨变步长优化方法包括：利用Daubechies 9.7小波对高程数据进行分解重构，以对所述三维低空导航实景图多尺度分解；若尺度小于或等于最大分解值则对以航路飞行时间、威胁系数、耗油量和安全系数为目标函数进行优化，利用梯度迭代法寻找航路点，每次迭代后，降尺度再次优化，直到满足设定优化次数，输出优化后的路径；若尺度大于最大分解值则对以航路飞行时间、优化轨迹、威胁系数、耗油量和安全系数为目标函数进行优化。

2.根据权利要求1所述的通用航空飞行器的导航方法，其特征在于，

所述三维地景低空导航数据包中的基础数据包括用于标注地物影像及纹理信息的数据、用于标注地形起伏的数据以及用于标注超高建筑的数据；

所述三维地景低空导航数据包低空障碍物数据包括用于标注架空线缆、电塔杆和/或广播电视发射塔的数据；

所述三维地景低空导航数据包威胁区域数据包括用于标注禁飞区域、雷达区域、大功率辐射区域和/或部署在地面的防空武器射界区域的数据；

所述三维地景低空导航数据包安全保障区域数据包括用于标注机场、临时可经停驻地和/或加油检修地点的数据；

所述三维地景低空导航数据包还包括气象信息数据和空中态势数据，所述气象信息数据包括用于标注低空空气湍流区、沙暴区、浮雪区、持续低云区、雷暴和/或结冰区的数据，所述空中态势数据包括用于标注空中飞禽、空中飞行物和/或空中悬浮物的数据。

3.根据权利要求2所述的通用航空飞行器的导航方法，其特征在于，所述导航方法还包括：

获取待确定航路的起始点和终止点；

对所述三维导航实景图对应的数据采用多分辨变步长优化方法进行计算，以得到所述起始点和所述终止点之间航路对应的多分辨数据包；以及根据所述多分辨数据包显示所述起始点和所述终止点之间的航路。

4.根据权利要求3所述的通用航空飞行器的导航方法，其特征在于，对所述三维导航实景图对应的数据采用多分辨变步长优化方法进行计算包括：

以航路飞行时间、威胁系数、耗油量和安全系数作为目标函数，对所述三维导航实景图对应的数据采用梯度迭代法进行计算。

5.根据权利要求3所述的通用航空飞行器的导航方法，其特征在于，根据所述多分辨数据包显示所述起始点和所述终止点之间的航路包括：

将所述三维地景低空导航数据包中的低空障碍物数据、威胁区域数据和安全保障区域数据作为所述多分辨数据包的奇异点，以得到处理后的多分辨数据包；以及根据所述处理后的多分辨数据包显示所述起始点和所述终止点之间的航路。

6.根据权利要求3所述的通用航空飞行器的导航方法，其特征在于，根据所述多分辨数据包显示所述起始点和所述终止点之间的航路包括：

根据所述多分辨数据包确定所述起始点和所述终止点之间的航路；

根据所述空中态势数据优化所述航路；以及

显示优化后的航路。

7.根据权利要求1所述的通用航空飞行器的导航方法，其特征在于，

所述三维实景数据中的地物数据按照预设的安全飞行规则被分为N类，每类数据在所述三维导航实景图中采用单色显示；

所述三维实景数据中的建筑物数据采用预设的三维形象化符号显示；

根据所述三维实景数据对第一区域进行精细化建模显示，对第二区域进行低分辨建模显示，第一区域与第二区域为不同的区域。

8.根据权利要求1或7所述的通用航空飞行器的导航方法，其特征在于，所述三维实景数据采用栅格数据与矢量数据构成的混合数据结构存储。

9.根据权利要求3所述的通用航空飞行器的导航方法，其特征在于，所述方法还包括:

对所述起始点和所述终止点之间的航路按照预设的安全评估模型进行评估，输出评估结果。

10.一种通用航空飞行器的导航装置，其特征在于，包括：

第一获取模块，用于获取通用航空飞行器的位置信息；

读入模块，用于读入所述位置信息对应的三维实景数据，所述三维实景数据以卫星或航空遥感影像为基础，并按照一定比例对现实世界或其中一部分的一个或多个方面进行三维抽象描述，通过三维实景数据可显示三维电子地图；

第二获取模块，用于获取三维地景低空导航数据包，具体包括：航空飞行器的陀螺仪开始工作，展示正确视角，然后加载三维地景低空导航数据包，随着航空飞行器速度更新当前视景数据，所述三维地景低空导航数据包可预存在导航仪中或预存在导航仪的外接存储装置中；其中，所述三维地景低空导航数据包包括基础数据、低空障碍物数据、威胁区域数据以及安全保障区域数据；

显示模块，用于根据所述三维实景数据和所述三维地景低空导航数据包显示三维导航实景图；

优化模块，用于对三维导航实景图对应的数据采用多分辨变步长优化方法进行计算，以得到起始点和终止点之间航路对应的多分辨数据包；其中，

所述多分辨变步长优化方法包括：利用Daubechies 9.7小波对高程数据进行分解重构，以对所述三维低空导航实景图多尺度分解；若尺度小于或等于最大分解值则对以航路飞行时间、威胁系数、耗油量和安全系数为目标函数进行优化，利用梯度迭代法寻找航路点，每次迭代后，降尺度再次优化，直到满足设定优化次数，输出优化后的路径；若尺度大于最大分解值则对以航路飞行时间、优化轨迹、威胁系数、耗油量和安全系数为目标函数进行优化。

11.一种通用航空飞行器的导航系统，其特征在于，包括：

客户端，包括权利要求10所述的通用航空飞行器的导航装置；以及

服务器端，与所述客户端相连接。