CN105701261A - 近场飞机自动跟踪与监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种近场飞机自动跟踪与监测方法，属于三维仿真与监测相关技术领域。包括如下步骤：(1)接收全程自动跟踪与测量的解算数据；(2)进行飞机飞行过程的实时场景融合；(3)建立分级的标准信息；(4)在数据信息区，实时显示目标的各种信息(位置、姿态)，并进行目标姿态的三维仿真；(5)将步骤(4)中数据与步骤(3)中的标准信息进行分级对比，在预警区进行目标位置姿态的预警和特情警示。本发明方法利用实时场景融合、目标姿态三维重现、特情预判处理等技术和方法，实现飞行轨迹三维绘制，及时给出预警信息。与现有技术相比具直观、新颖、便利等特点。

Description

近场飞机自动跟踪与监测方法

技术领域

本发明涉及一种飞行保障中的近场飞机自动跟踪与监测方法，属于三维仿真与监测相关技术领域。

背景技术

在飞机起降飞行过程中，1998-2003年仅依靠俄制着陆雷达设备完成近场着陆引导，后来随着国产化应用并取消俄制体制，在该阶段一直没有着陆监测的相关技术方法。

发明内容

为了解决上述存在的技术问题，本发明通过对飞机近场飞行自动跟踪与测量系统中终端应用上进行的研究，提供一种近场飞机自动跟踪与监测方法，在飞机起降飞行过程中，利用全程自动跟踪与测量的解算数据，进行飞机飞行过程的实时场景融合、目标姿态的三维仿真，实现特情警示功能。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

近场飞机自动跟踪与监测方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)接收全程自动跟踪与测量的解算数据；

(2)进行飞机飞行过程的实时场景融合；

(3)建立分级的标准信息；

(4)在数据信息区，实时显示目标的各种信息，包括位置、姿态，并进行目标姿态的三维仿真；

(5)将步骤(4)中数据与步骤(3)中的标准信息进行分级对比，在预警区进行目标位置姿态的预警和特情警示。

所述的步骤(2)中，进行飞机飞行过程的实时场景融合，包括，建立虚拟场景、飞行目标着陆立体通道，应用真实数据实时驱动目标轨迹，具体过程为：

建立虚拟场景：以跑道为中心，建立一个大于10Km的虚拟场景，虚拟场景从遥感地图中获取真实的数据信息，应用的三维坐标转换、地形转换和贴图处理等方法实现；

飞行目标着陆立体通道：根据近场飞行相关标准、要求和数据等信息，在虚拟场景中跑道的及着陆点的延长线上，建立飞机着陆的立体走廊，用于实时判决飞机着陆过程中的位置姿态等是否满足飞行着陆的要求；

应用真实数据实时驱动目标轨迹：应用自动跟踪与测量的数据在虚拟场景中进行飞行轨迹的实时绘制。

所述的步骤(4)中应用自动跟踪与测量的数据绘制重现位置和姿态信息，通过获取目标运动的实时连续图像序列而较好地分析飞行过程中目标的位置与姿态变化，以各种角度重现目标的姿态。进行跟踪目标的视点控制，从最佳角度、位置和形式显示目标的运动状态。

本发明的有益效果：本发明采用上述方案，在飞机起降飞行过程中，通过全程自动跟踪与测量的解算数据，实现飞机飞行过程的实时场景融合、目标姿态的三维仿真、特情警示等功能。与现有技术相比具有直观、新颖、便利等特点。

具体实施方式

本发明方法实现的理论依据及工作原理：

(一)近场飞机自动跟踪与监测方法

飞机近场飞行自动跟踪与测量系统中终端应用系统主要包括虚拟场景、飞行目标重现、三维仿真、特情状态预判预警等信息元素，系统界面又分为数据信息区、运动控制区、告警信息区。

三维场景融合技术是在计算机图形显示设备上生成逼真的三维场景，一般需要经过对场景中的地形、地物进行建模、坐标的变换和投影变换、纹理的编辑、贴图、显示等过程。其中坐标变换是指对需要显示的对象进行平移、旋转或缩放等数学变换；投影变换指选取某种投影变换方式，如正射投影，对物体进行变换，完成从地物坐标到视点坐标的变换。透视投影多用于动画模拟及产生较真实感的图形或图像，正射投影多用于建筑蓝图的绘制，其特点是物体的大小不随视点的远近而变化。

三维重现以视景仿真软件MultigenCreator/VegaPrime/VC为开发平台，采用LynxPrime图形用户界面配置系统和VegaPrimeAP工函数调用相结合的设计模式，在MFC框架下开发VegaPrime视景驱动程序，完成系统场景和飞行目标模型的建立和控制，实现视景中各元素的实时显示，满足系统的实时性要求和达到真实感的渲染效果。

(二)工作原理

1.实时场景融合

1)建立虚拟场景：以跑道为中心，建立一个大于10Km的虚拟场景，虚拟场景从遥感地图中获取真实的数据信息，应用的三维坐标转换、地形转换和贴图处理等方法实现。在满足实时性的前提下，Creator能生成面向仿真的、逼真的大面积精确地形。将遥感地图(bmp)生成地形模型(flt)的具体过程如下：

首先使用Image2ded转换器从遥感地图中获取DED格式的地形数据信息；然后进行三维坐标变换；最后采用PolyMesh算法进行地形转换，其优点是便于地形纹理的贴图处理。

在三维领域中为了表示三维场景中地物的一个顶点用一个三维坐标(X，Y，Z)来表示。在三维场景中，用X表示经度，Y表示纬度，Z表示三维场景中地物的高度。三维显示的基本问题就是如何将一个点的(X，Y，Z)三维坐标转换为显示设备坐标系上的二维坐标。在进行投影前需要将从三维的模型坐标到二维坐标的转换。在对三维场景中地物进行坐标变换时，可以通过对模型各项点的平移、旋转、缩放等操作来完成整个模型的坐标变换，从而实现从地物的空间坐标系到视点坐标系的转换。在三维场景中的地物的显示和内部计算中，一般都假定所有的顶点都用四维齐次坐标表示，即以(x，y，z，w)的形式，等价于(x/w,y/w，z/w，w/w)(w不等于0)。模型中使用的三维坐标(x，y，z)等价于四维齐次坐标(x,y,z，1)。对需要显示的三维模型进行模型变换，其变换后的结果用下式描述：[x'y'z'1]＝[xyz]T。式中T是一个4x4的变换矩阵，是模型坐标经过平移、旋转、反射等各种变换后的结果。将一个点(x，y，z)平移到一个新点(x'y'z')的变换由下式表示：

$[x,y,z,l]=\left[\begin{array}{cccc}x& y& z& l\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\\ T_x& T_y& T_z& 1\end{array}\right]$ 其中Tx,Ty,Tz：分别为沿着x，y，z三轴平移量。

2)飞行目标着陆立体通道

根据近场飞行相关标准、要求和数据等信息，应用飞行着陆过程中的决断高度信息(15米、30米和60米)、飞机进场航线、下滑道仰角、信标以及飞机进场、拉平操纵等过程信息，建立的该过程中水平角度、俯仰角度标准偏差等信息，在虚拟场景中跑道的及着陆点的延长线上，建立飞机着陆的立体曲线通道(立体走廊)，用于实时判决飞机着陆过程中的位置姿态等是否满足飞行着陆的要求。

3)应用真实数据实时驱动目标轨迹：应用自动跟踪与测量的数据在虚拟场景中进行飞行轨迹的实时绘制。

2.目标姿态的三维仿真

应用自动跟踪与测量的数据绘制重现位置和姿态信息是反应目标在空中飞行状态的重要参数，通过获取目标运动的实时连续图像序列而较好地分析飞行过程中目标的位置与姿态变化，以各种角度重现目标的姿态。

三维场景的绘制重现位置和姿态信息是反应目标在空中飞行状态的重要参数，由于光测设备具有实时、动态跟踪和不受“黑障”及地面杂波干扰等特点，因此可以通过获取目标运动的实时连续图像序列而较好地分析飞行过程中目标的位置与姿态变化。视点控制：在大范围的虚拟场景仿真中，为了获取感兴趣的信息，存在视点选取和切换的问题，从而实现从最佳角度、位置和形式来观察显示内容，三维重现系统采用如下三种视点控制方式：

(1)固定方式：将视点和跑道的相对位置固定。这种观察方案便于观察飞行目标的位置和下降通道。

(2)静止方式：不跟踪任何实体，视点的位置是固定的。这种方式是将视点固定在塔楼上，这样便于观察飞行目标、跑道和塔楼的相对空间关系。

(3)跟踪方式：视点跟踪飞行目标。将视点绑定在动坐标系上，该动坐标系相对于飞行目标是固定的，这样能清楚的观察飞行目标的姿态。

应用三维场景融合统一技术和目标三维重现技术，实现飞行轨迹三维绘制，及时给出预警信息。实现效果如图2所示。

运动控制：VegaPrime的基本运动方式主要有固定路径规划和实时接收数据两种。路径规划就是直接定义实体模型的运动轨迹，主要是为了增加场景的生机，用于与实时漫游无关的一些物体的简单的运动轨迹。对于具有较复杂的运动路径以及需要进行实时运动控制的模型则需要编程实现。实时接收数据是一种位置策略，能实现模型的动态定位。三维重现系统实时接收网络传送的位姿信息，并通过坐标转换精确求解目标相对于VP场景坐标系的位置、姿态(偏航角、俯仰角和横滚角)数据，实时控制飞行目标，重现目标飞行状态。

OpenGL绘制图形和VegaPrirne三维场景的融合统一。OpenGL坐标系和VegaPrime坐标系虽然都是右手坐标系，但是OpenGL坐标系z轴是垂直屏幕向外，而VegaPrime坐标系z轴是垂直向上，必须完全统一OpenGL坐标系和VegaPrime场景坐标系，需要将三维物体在世界坐标系经过三维几何变换、投影变换、视口变换才能变换至屏幕坐标系中的图形显示。

三维混合处理：对OpenGL绘制的下降通道进行三维混合处理，使其产生半透明效果，提高观察着陆的飞机视觉效果。在进行三维混合时，不仅要考虑源颜色和目标颜色，还要考虑深度缓冲区的作用。必须先绘制不透明物体，再绘制透明物体。在绘制半透明物体前，还需将深度缓冲区设为只读模式，否则会出现画面错乱。

3.特情状态预判预警

1)在数据信息区，实时显示目标的各种信息(位置、姿态)，通过与标准信息分级对比，在数据区进行目标位置姿态的预警；

2)通过飞机运动姿态和着陆通道的信息对比，给出偏航状态等预警信息；

3)在飞机起飞和着陆过程中，实时检测飞机是否偏离起飞点、着陆点和跑道中心线等安全区域，及时预警。

在线检测前，将关键部件图片作为正样本，非关键部分图片作为负样本放入支持向量机中进行训练，得到一个提取关键部件的分类器，检测时，获得当前帧，进行预处理后，用分类器对预处理图片进行检测，若含有关键部分，则将其标志出来，等待下一帧；若不含关键部分，直接等到下一帧的到来。

其中，起落架的工作状态直接关系到目标的安全运行，它的状态分析应该在低空进行。首先，采用水平集方法蔓延出目标的轮廓，寻找到目标的主轴，起落架一定出现在主轴的下方，若起落架收起，则主轴下方曲线较为平滑，可以用一个凸多边形将其包裹；当起落架放下，主轴下方的轮廓会发生明显的变化，理想情况下，会出现至少6个凹点(凸缺陷点)，由于观测视角与图像质量的原因，可能只能发现4个凹点。

鉴于以上思路，在测试过程中，采用以下方法检测起落架：

a)当发现目标后，在目标物区域内用水平集方法蔓延出目标的轮廓；

b)用椭圆拟合检测出目标的主轴方向；

c)在主轴下方检测轮廓的凸缺陷点；

d)由凸缺陷点的数量来判断起落架的状态。

4、基于上述理论依据及工作原理，本发明近场飞机自动跟踪与监测方法，包括如下步骤：

(1)接收全程自动跟踪与测量的解算数据；

(2)进行飞机飞行过程的实时场景融合；

(3)建立分级的标准信息；

(4)在数据信息区，实时显示目标的各种信息(位置、姿态)，并进行目标姿态的三维仿真；

(5)将步骤(4)中数据与步骤(3)中的标准信息进行分级对比，在预警区进行目标位置姿态的预警和特情警示。

其中步骤(2)进行飞机飞行过程的实时场景融合，建立虚拟场景、飞行目标着陆立体通道，应用真实数据实时驱动目标轨迹。

建立虚拟场景：以跑道为中心，建立一个大于10Km的虚拟场景，虚拟场景从遥感地图中获取真实的数据信息，应用的三维坐标转换、地形转换和贴图处理等方法实现。

飞行目标着陆立体通道：根据近场飞行相关标准、要求和数据等信息，应用飞行着陆过程中的决断高度信息(15米、30米和60米)、飞机进场航线、下滑道仰角、信标以及飞机进场、拉平操纵等过程信息，建立的该过程中水平角度、俯仰角度标准偏差等信息，在虚拟场景中跑道的及着陆点的延长线上，建立飞机着陆的立体曲线通道(立体走廊)，用于实时判决飞机着陆过程中的位置姿态等是否满足飞行着陆的要求。

应用真实数据实时驱动目标轨迹：应用自动跟踪与测量的数据在虚拟场景中进行飞行轨迹的实时绘制。

其中步骤(4)应用自动跟踪与测量的数据绘制重现位置和姿态信息，通过获取目标运动的实时连续图像序列而较好地分析飞行过程中目标的位置与姿态变化，以各种角度重现目标的姿态。进行跟踪目标的视点控制，从最佳角度、位置和形式显示目标的运动状态。在着陆立体通道上进行三维混合处理，使其产生半透明效果，提高观察着陆的飞机视觉效果。

Claims (3)

1.近场飞机自动跟踪与监测方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)接收全程自动跟踪与测量的解算数据；

(2)进行飞机飞行过程的实时场景融合；

(3)建立分级的标准信息；

(4)在数据信息区，实时显示目标的各种信息，包括位置、姿态，并进行目标姿态的三维仿真；

(5)将步骤(4)中数据与步骤(3)中的标准信息进行分级对比，在预警区进行目标位置姿态的预警和特情警示。

2.根据权利要求1所述的近场飞机自动跟踪与监测方法，其特征在于，步骤(2)中，进行飞机飞行过程的实时场景融合，包括，建立虚拟场景、飞行目标着陆立体通道，应用真实数据实时驱动目标轨迹，具体过程为：

建立虚拟场景：以跑道为中心，建立一个大于10Km的虚拟场景，虚拟场景从遥感地图中获取真实的数据信息，应用的三维坐标转换、地形转换和贴图处理等方法实现；

飞行目标着陆立体通道：根据近场飞行相关标准、要求和数据等信息，在虚拟场景中跑道的及着陆点的延长线上，建立飞机着陆的立体走廊，用于实时判决飞机着陆过程中的位置姿态等是否满足飞行着陆的要求；

应用真实数据实时驱动目标轨迹：应用自动跟踪与测量的数据在虚拟场景中进行飞行轨迹的实时绘制。

3.根据权利要求1所述的近场飞机自动跟踪与监测方法，其特征在于，所述的步骤(4)中应用自动跟踪与测量的数据绘制重现位置和姿态信息，通过获取目标运动的实时连续图像序列而较好地分析飞行过程中目标的位置与姿态变化，以各种角度重现目标的姿态。进行跟踪目标的视点控制，从最佳角度、位置和形式显示目标的运动状态。