CN104751501B - 一种基于地形数据库的地形显示方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于地形数据库的地形显示方法，包括如下步骤：(a)测得飞行中的飞机在空间的经纬度坐标和空间的高度H；(b)以飞机所在的飞行高度H的水平面为基准，设置向上高度冗余H1、向下高度冗余H2、向左水平冗余L1、向右水平冗余L2、前方水平观察距离D，由此构成一个封闭空间；(c)在高度冗余范围内进行合理分层，使用地形数据库，获取各个高度所在水平面内的地形点阵；(d)将各个选取高度所在水平面内的地形点阵进行叠加，所形成的距离最接近飞机的点的连线为地形轮廓线，作为飞机飞行的安全边界。由此形成的地形轮廓线可以起到地形警戒作用，尤其适用于特殊地形，可以在飞机对地形抑制期间提供准确、可靠的地形警戒信息。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于地形数据库的地形显示方法，尤其是一种通过地形轮廓线的方式来提供明确、可靠的地形警戒信息的显示方式。
背景技术
目前，民用航空中使用TAWS(Terrain awareness and warning system：地形提示和警告系统)来识别危险的地形信息。专注于垂直剖面的地形显示已在运营中得到应用，而且已经开始不断有3D地形显示的相关研究，但是目前还不成熟，未真正投入使用。
现有技术中，无论是成熟的水平地形显示还是垂直剖面地形显示，都存在一个问题：在飞机飞行在山区时，特别是靠近地形飞行时、或者在特殊机场按照RNP(RequiredNavigation Performance：精密导航技术)飞行特殊航路时，传统的告警方式容易产生骚扰性告警。
常规的做法是通过技术手段，识别出特殊的飞行环境，对此时的预测型地形功能进行抑制，以避免骚扰性告警。这样会使飞机在这个地形抑制期间，丧失预测型地形防撞告警功能。
发明内容
本发明的目的就是提供一种基于地形数据库的地形显示方法，在飞机飞行在山区时，特别是靠近地形飞行、在特殊机场按照RNP飞行特殊航路、或者在其他特殊的飞行环境时，为了防止骚扰性告警，在飞机预测型地形告警功能抑制的情况下，能够提供准确、可靠的地形警戒信息。
为此目的，根据本发明的基于地形数据库的地形显示方法包括如下步骤：
(a)使用测定经纬度坐标的位置传感器，测得飞行中的飞机在空间的经纬度坐标，并使用高度传感器，测得飞行中的飞机在空间的高度H；
(b)以飞机所在的飞行高度H的水平面为基准，设置向上高度冗余H1、向下高度冗余H2、向左水平冗余L1、向右水平冗余L2、前方水平观察距离D，由此构成一个封闭空间；
(c)在高度冗余范围即H+H1至H-H2内进行合理分层，选取一定数量的确定高度，对于每个选取的高度，使用所述地形数据库，获取所述高度所在水平面内的地形点阵；
(d)将所述各个选取高度所在水平面内的地形点阵进行叠加，所形成的距离最接近飞机的点的连线为地形轮廓线，作为飞机飞行的安全边界。
作为本发明的进一步改进，上述的基于地形数据库的地形显示方法还包括如下步骤：
(e)设置一个基于飞机水平位置的距离冗余X，从步骤(d)中地形轮廓线朝向飞机方向画出新的地形轮廓线，新的地形轮廓线上的每一点距离步骤(d)中地形轮廓线的最近距离都为X，以此新的地形轮廓线作为飞机飞行的新的安全边界。
在某些优选形式中，对所述地形轮廓线进行光滑曲线拟合，并以拟合后得到的光滑曲线作为新的地形轮廓线。由此得到的曲线可以去除旧的地形轮廓线的不光滑毛刺，从而使得新的地形轮廓线光滑，更符合视觉感受。更优地，所述光滑曲线拟合采用多项式拟合，得到的光滑曲线为多项式表达的曲线。由于多项式表达的光滑曲线拥有很多好的数学性质，比如任意阶导数均存在，因此将光滑曲线取作多项式表达的曲线能够更加有利于计算机程序对于曲线的计算与处理。
在某些优选形式中，所述距离冗余X设定为一个确定数值。此确定数值可以根据以往飞行经验直接选定，也可以人为地赋予一个确定数值。当所需的安全边界较宽时，则人为地赋予一个较大的距离冗余X的数值，当所需的安全边界较窄时，则人为地赋予一个较小的距离冗余X的数值。
在某些实施方式中，所述距离冗余X基于飞机水平位置误差和机组响应时间来设定。由此可以合理地确定距离冗余X的具体数值。
在某些实施方式中，所述向上高度冗余H1或向下高度冗余H2基于GPS高度误差、无线电高度误差和/或大气数据的高度误差来设定。由此可以合理地确定向上高度冗余H1或向下高度冗余H2的具体数值。
在某些实施方式中，所述位置传感器为GPS系统。GPS系统在民用领域应用广泛，通用程度高，性能可靠，可以作为位置传感器适用。
在某些实施方式中，所述左水平冗余L1和右水平冗余L2的取值都等于前方水平观察距离D乘以一个监视角度alpha的正切值。由此，在确定了前方水平观察距离D以后，再确定一个监视角度alpha，就可以确定左水平冗余L1和右水平冗余L2的取值，从而精确地给出左右水平方向的冗余。
在某些实施方式中，在飞机等速率平稳飞行时，所述监视角度alpha取值范围为±90度之间的一个角度值。监视角度的取值范围可以是从左侧前方到右侧前方的任何一个角度值，使得飞行中的飞机可以在广阔的视角范围内实时确定周围的地形情况。
在某些实施方式中，在飞机直线平稳飞行时，所述监视角度alpha取值为±3度。由于飞机直线平稳飞行时，一般处于周围地形相对不复杂的情况下，选取监视角度alpha为±3度的区间，有利于节约飞机监视系统的数据资源，并且同时保证飞机监视角度alpha具有符合实际飞行需要的一定的开阔程度。
在某些实施方式中，可以设定一个门限值M(度/秒)，当飞机转弯角速度(度/秒)的绝对值大于所述门限值M时，所述的监视角度alpha取值为±90度，当飞机转弯角速度的绝对值小于所述门限值M时，所述的监视角度alpha取值为±3度。在飞机转弯时，所述监视角度alpha取值可以是转弯角速度的一个函数，不同的转弯角速度对应不同的监视角度alpha进行扩展，比如设定一个固定的门限值M。当飞机转弯时的转弯角速度超过所设定的门限值M时，即飞机处于大角度机动状态下，周围的地形相对飞机时刻都在发生较大变化，此时为了保证飞机飞行的绝对安全，需要将监视角度alpha选取最大值±90度，具体而言，左转时选取-90度，右转时选取90度，从而有效地得到飞机转弯过程中的地形情况，以保证飞机的安全飞行。而当飞机转弯时的转弯角速度小于等于所设定的门限值M时，即飞机处于平稳飞行状态下，所述的监视角度alpha取值为±3度。较优地，所述门限值M根据飞机飞行误差所引起的飞机转弯角度误差进行设定。
根据本发明的基于地形数据库的地形显示方法形成的地形轮廓线可以起到地形警戒的作用。当飞机飞行在特殊的地形环境中，需要抑制地形警告来防止骚扰性告警时，比如RNP飞行，地形轮廓线可以提供相应的地形信息，避免丧失对危险地形的突出指示。此外，当飞机飞行在山区时，特别是在蜿蜒的地形间通道中，传统地形显示的边界不够清晰，而且较小面积的地形不容易显示出来，根据本发明形成的地形轮廓线可以防止侧方地形的入侵，从而增加飞行员对飞机的信任感。
在改进的技术方案中，距离冗余X使得新的地形轮廓线相比原有的地形线而言，更加靠近飞机一侧并远离地形一侧，从而为飞机飞行提供了安全系数更高的新的地形轮廓线，并作为飞机飞行的新的安全边界，使得飞机飞行更为安全。
附图说明
图1为根据本发明的基于地形数据库的地形显示方法的基本原理示意图；
图2为根据本发明的基于地形数据库的地形显示方法在飞机转弯过程中的原理示意图。
具体实施方式
为了更好地说明根据本发明的基于地形数据库的地形显示方法，下面将结合附图进行详细说明。
如图1所示的水平投影图中，飞机平稳飞行在一定高度(高度及高度冗余在投影图中未画出)，使用测定经纬度坐标的位置传感器，所述位置传感器可以为GPS系统，测得飞行中的飞机在空间的所在位置1的经纬度坐标(J，W)，并使用高度传感器，测得飞行中的飞机在空间的高度H。此时，以飞机所在的飞行高度H的水平面为基准，设置向上高度冗余H1、向下高度冗余H2、向左水平冗余L1、向右水平冗余L2、前方水平观察距离D，由此构成一个封闭空间。其中，向上高度冗余H1和/或向下高度冗余H2是基于GPS高度误差、无线电高度误差和/或大气数据的高度误差来设定。在飞机等速率平稳飞行时，监视角度alpha取值范围为±90度之间的一个角度值。优选地，在飞机等速率朝着1’方向平稳飞行时，监视角度alpha取值为±3度。左水平冗余L1(线段S-1长度)和右水平冗余L2(线段1-P长度)的取值都等于所述前方水平观察距离D(线段1-1’长度)乘以一个监视角度alpha的正切值。通过上述的飞机所在位置1的经纬度坐标(J，W)，可以确定上述的封闭空间的具体空间位置，封闭空间的地形点阵为PQRS的封闭区域。
此时，利用地形数据库，对飞机所在高度H的水平面内的水平投影PQRS区域进行地形数据读取，读取到飞机在飞行高度H的水平面内的右前方位置有地形点阵2，为矩形区域ABCE(此处的地形点阵2呈现矩形区域ABCE，是为了简便地示意性地展示根据本发明的方法，在实际中，区域形状是由不规则的轮廓线所围成)。然后再对飞机所在高度的高度冗余范围即H+H1至H-H2内进行合理分层，比如以高度方向每间隔5米选取一个水平面，类似于对高度H的水平面内区域进行地形数据读取，对所述的各个分层的高度的水平面内区域也进行地形数据读取，获得所述的各个分层的高度的水平面内的地形点阵，并将所述各个选取高度所在水平面内的地形点阵进行叠加，得到矩形区域FGKM，也称为所述封闭空间的地形点阵3(此处的封闭空间的地形点阵3呈现矩形区域FGKM，是为了简便地示意性地展示根据本发明的方法，在实际中，区域形状是由不规则的轮廓线所围成)。由此封闭空间的地形点阵中距离飞机最近的点连接起来，也就是折线MFG为最终形成的地形轮廓线，作为飞机飞行的安全边界。
较优地，为了提高安全性，可以将距离冗余X设定为一个确定数值，或者也可以考虑到飞机水平位置误差和机组响应时间的冗余，可以优化地设置距离冗余X。其中，水平位置误差包括GPS水平位置误差、惯性或者航姿的水平位置误差，以及由这些误差组合产生的误差。可以根据地形显示实际使用的水平位置源来设置当前的水平位置冗余。另一方面，通过对航线飞行员的测试，可以评估出一个实用的机组响应时间，并通过该响应时间和飞机速度得到一个机组响应距离。距离冗余X能够满足水平位置误差和机组响应时间的要求。具体到图1中，折线TUV为原地形轮廓线MFG朝向飞机方向平移距离冗余X而得到，折线TUV为新的地形轮廓线，以此新的地形轮廓线作为飞机飞行的新的安全边界。
较优地，可以对所述地形轮廓线进行光滑曲线拟合，比如使用多项式表达式对曲线进行拟合，并以拟合后得到的光滑曲线作为新的地形轮廓线，从而具有更好的视觉感受。本实例中，由于所得到的新的地形轮廓线为折线TUV，本身已经是直线段，属于光滑曲线，因此，重新拟合后得到的更新的地形轮廓线依旧为折线TUV。
由此，飞机在飞行时，显示屏上会显示出折线TUV作为飞机的安全边界，始终提示飞行员右前方的安全边界以外的部分为危险区域，不可进入。
如图2所示的水平投影图中，显示的是一种较为不规则的地形6，说明了飞机是如何利用地形轮廓线进行空中转弯并保证安全飞行。此时，飞机的飞行目标方向是图2中的箭头方向，按照本发明的基于地形数据库的地形显示方法，得到地形轮廓线4。此时，左水平冗余L1和/或右水平冗余L2的取值可以等于所述前方水平观察距离D乘以一个监视角度alpha的正切值。飞机从I点飞入，沿着I-Y方向，朝着Y点直线飞行，在此过程中，飞机直线平稳飞行，监视角度alpha取值范围为±90度之间的一个角度值，比如±3度。对于飞机转弯的情形，设置一个门限值为M，比如M＝5度/秒，当飞机转弯角速度的绝对值大于所述门限值M＝5度/秒时，所述的监视角度alpha取值为90度，当飞机转弯角速度的绝对值小于所述门限值M＝5度/秒时，所述的监视角度alpha取值为±3度。在Y点处，发现前方将有地形轮廓线阻挡其沿原来方向继续飞行，飞行员采取右转动作，飞机转弯角速度＝10度/秒，其绝对值大于M＝5度/秒的门限值，在飞机向右转弯时，所述监视角度alpha取值为90度。飞机在改变航向后，沿着Y-Z方向，朝着Z点直线飞行，在此过程中，飞机直线平稳飞行，监视角度alpha取值范围为±90度之间的一个角度值，比如±3度。在Z点处，发现此时左前方并无地形轮廓线阻挡其继续向北飞行，飞行员采取左转动作，飞机转弯角速度＝(-10)度/秒，其绝对值大于M＝5度/秒的门限值，在飞机向左转弯时，所述监视角度alpha取值为-90度。飞机在改变航向后，沿着Z-N方向，朝着N点继续飞行，并在N点再次向左转弯，沿箭头方向飞去。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (12)
1.一种基于地形数据库的地形显示方法，其特征在于，包括如下步骤：
(a)使用测定经纬度坐标的位置传感器，测得飞行中的飞机在空间的经纬度坐标，并使用高度传感器，测得飞行中的飞机在空间的飞行高度H；
(b)以飞机所在的所述飞行高度H的水平面为基准，设置向上高度冗余H1、向下高度冗余H2、向左水平冗余L1、向右水平冗余L2、前方水平观察距离D，由此构成一个封闭空间；
(c)在高度冗余范围即H+H1至H-H2内进行合理分层，选取一定数量的确定高度，对于每个选取的高度，使用所述地形数据库，获取所述高度所在水平面内的地形点阵；
(d)将所述各个选取高度所在水平面内的地形点阵进行叠加，所形成的距离最接近飞机的点的连线为地形轮廓线，作为飞机飞行的安全边界。
2.如权利要求1所述的基于地形数据库的地形显示方法，其特征在于，还包括如下步骤：
(e)设置一个基于飞机水平位置的距离冗余X，从所述步骤(d)中所述地形轮廓线朝向飞机方向画出新的地形轮廓线，所述新的地形轮廓线上的每一点距离所述步骤(d)中所述地形轮廓线的最近距离都为X，以此所述新的地形轮廓线作为飞机飞行的新的安全边界。
3.如权利要求1或2所述的基于地形数据库的地形显示方法，其特征在于，对所述地形轮廓线进行光滑曲线拟合，并以拟合后得到的光滑曲线作为新的地形轮廓线。
4.如权利要求3所述的基于地形数据库的地形显示方法，其特征在于，所述光滑曲线拟合采用多项式拟合，得到的光滑曲线为多项式表达的曲线。
5.如权利要求2所述的基于地形数据库的地形显示方法，其特征在于，所述距离冗余X设定为一个确定数值。
6.如权利要求2所述的基于地形数据库的地形显示方法，其特征在于，所述距离冗余X基于飞机水平位置误差和机组响应时间来设定。
7.如权利要求1或2所述的基于地形数据库的地形显示方法，其特征在于，所述向上高度冗余H1或向下高度冗余H2是基于GPS高度误差、无线电高度误差和/或大气数据的高度误差来设定。
8.如权利要求1或2所述的基于地形数据库的地形显示方法，其特征在于，所述位置传感器为GPS系统。
9.如权利要求1或2所述的基于地形数据库的地形显示方法，其特征在于，所述向左水平冗余L1和所述向右水平冗余L2的取值都等于所述前方水平观察距离D乘以一个监视角度alpha的正切值。
10.如权利要求9所述的基于地形数据库的地形显示方法，其特征在于，在飞机直线平稳飞行时，所述监视角度alpha取值范围为±90度之间的一个角度值。
11.如权利要求10所述的基于地形数据库的地形显示方法，其特征在于，设定一个门限值M，当飞机转弯角速度的绝对值大于所述门限值M时，所述的监视角度alpha取值为±90度，当飞机转弯角速度的绝对值小于等于所述门限值M时，所述的监视角度alpha取值为±3度。
12.如权利要求11所述的基于地形数据库的地形显示方法，其特征在于，所述门限值M根据飞机飞行误差所引起的飞机转弯角度误差进行设定。
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