CN112309176A

CN112309176A - 一种基于平显系统的三维飞行管道生成方法

Info

Publication number: CN112309176A
Application number: CN202011180391.1A
Authority: CN
Inventors: 马兵兵; 唐宪郡; 常帅
Original assignee: Luoyang Institute of Electro Optical Equipment AVIC
Current assignee: Luoyang Institute of Electro Optical Equipment AVIC
Priority date: 2020-10-29
Filing date: 2020-10-29
Publication date: 2021-02-02

Abstract

本发明属于航空电子系统领域，具体涉及一种基于平显系统的三维飞行管道生成方法，综合SVS系统和平视显示系统各自优势，添加三维飞行管道指引信息，将三者的功能高度集成，将主飞行数据、三维飞行管道指引信息和三维地形信息通过合理的布局形成三维飞行管道与符号画面、三维地形等仿真画面重合叠加，并投影显示在平视显示系统的组合镜上，为飞行员提供全飞行阶段和全天候运行条件下的飞行引导，在低能见度条件下，为飞行员提供虚拟三维飞行管道，大幅度增强飞行员的情景意识，最终提高飞行的安全性。

Description

一种基于平显系统的三维飞行管道生成方法

技术领域

本发明属于航空电子系统领域，具体涉及一种基于平显系统的三维飞行管道生成方法。

背景技术

仪表参考飞行和目视参考飞行是飞行员获取飞行状态控制飞行的两种手段，近30年来，飞机自身的安全性不断提高，由于恶劣环境造成的低能见度使得飞行员难以建立稳定目视参考，导致对当前综合飞行状态的误判，进而出现的飞行安全事故，已成为飞行安全事故的主因。虽然民航总局规定了着陆过程中必须建立目视飞行的条件，但是由于复飞及备降给航空公司造成较大的经济损失，所以很多飞行员依然在没有建立稳定的目视飞行条件下，强行降落。

飞机驾驶员视觉受限是目前世界范围内严重飞行事故的主要因素之一。飞行员在执行飞行任务时，仍然需要花费超过三分之二的时间抬头目视观察外景，以目视的方式识别并避让潜在的空中或机场交通、地形或障碍物的威胁。尤其是当飞行员操纵直升机时，由于此类飞机的巡航高度较低，无论是飞行员执行任务中目视寻找任务作业地点时，还是在巡航中前方视野受到高海拔地形、障碍物、低云等条件的阻碍时，都需要以飞机周围的外景作为参考。

为了解决这个问题，各国的研究机构投入了大量的人力和物力用于开发新的飞机座舱显示技术。目前已经证明最有效的引导飞机安全飞行的手段是通过将三维飞行管道叠加在真实外景上，使飞行员观察外景的同时还可以操纵飞机按照飞行管道进行安全高效的飞行。传统的HUD(平视显示器，下同)技术所提供的导引信息通常用于起飞和着陆阶段，而不适合全飞行阶段。传统的SVS(合成视景系统，下同)通常只是增强飞行员的态势感知能力，当SVS系统出现故障、性能下降时，飞行员很难察觉到，容易影响飞行安全；SVS系统目前只能和PFD(主飞行显示器，下同)画面或ND(导航显示器，下同)画面相结合，缺少飞行指引信息提示，许多在HUD上显示的辅助降落的信息(例如：机场位置提示、剩余跑道距离提示、擦机尾提示、低能见度引导起飞，III类进近偏差)没有在降落过程中提供给飞行员,因此现阶段SVS系统在提高飞行员态势、辅助着陆方面发挥的作用并不大，因此目前FAA(美国联邦航空管理局)和CAAC(中国民用航空局)没有针对SVS降低起飞和降落的最低天气标准的特殊批准程序。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种基于平显系统的三维飞行管道生成方法，综合SVS系统和平视显示系统各自优势，添加三维飞行管道指引信息，将三者的功能高度集成，将主飞行数据、三维飞行管道指引信息和三维地形信息通过合理的布局形成三维飞行管道与符号画面、三维地形等仿真画面重合叠加，并投影显示在平视显示系统的组合镜上，为飞行员提供全飞行阶段和全天候运行条件下的飞行引导，在低能见度条件下，为飞行员提供虚拟三维飞行管道，大幅度增强飞行员的情景意识，最终提高飞行的安全性。

为了达到上述技术目的，本发明所采用的具体技术方案为：

一种基于平显系统的三维飞行管道生成方法，包括以下步骤：

1)收集飞行管理系统的导航数据和导航数据库数据；

2)通过所述导航数据及导航数据库数据生成三维飞行管道；并将所述飞行管道显示至平显系统上；

所述三维飞行管道的生成方法包括以下步骤：

2.1)根据飞行器当前的位置信息查询所述飞行器当前飞行计划中的航路点；

2.2)根据所述导航数据和导航数据库数据得到所述飞行器的飞行航路点位置信息；

2.3)将所述飞行器的飞行航路点位置信息转换为三维渲染所需的三维坐标信息；

2.4)根据多个连续相邻航路点的所述三维坐标信息的连线方向，计算每个飞行管道的指引方向，得到具有最佳指引方向的飞行管道。

进一步的，所述飞行管道在所述平显系统中的显示结果为多个大小不一致的线条框；每个所述线条框所表示的空间面积一致；每个相邻大小的两个所述线条框所表示的三维距离一致。

进一步的，所述每个线条框的显示方法为：将所述三维坐标信息转换为二维显示的坐标信息并投射至所述平显系统的显示器上。

进一步的，将相邻的两个线条框设置为三维距离一致的方式为：插值计算每个相邻航路点之间的距离，根据所述飞行管道的预设间隔，计算相邻的两个航路点之间应显示的线条框的数量，根据计算出的数量在所述平显系统的显示器上显示相同数量的框图。

进一步的，所述每个框图的横向长度依据飞行器区域导航的横向偏离确定，所述每个框图的纵向长度依据飞行器区域导航的纵向偏离确定；所述框图的横向长度与所述飞行器横向偏离的距离之比，等于所述框图的纵向长度与所述飞行器纵向偏离的距离之比。

进一步的，所述框图为矩形框图。

进一步的，所述飞行管道的显示距离为所述飞行器前方0～45海里。

采用上述技术方案，本发明能够带来以下有益效果：

本发明提出的三维飞行管道相比于传统的平视显示系统和SVS系统更加实用，之前的SVS系统在飞行员最需要情景意识的状况下(低能见度着陆)，反而无法发挥其优势，因此民航业没有针对该系统提出特殊气象条件下的运行批准，而平视显示系统无法为飞行员提供逼真的外部环境模拟，通过三维飞行管道，为飞行员实施安全着陆提供了可靠保障。综上，三维飞行管道由于其显著的辅助优势，能够为航空公司带来巨大经济效益。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明实施例中所涉及到的三维飞行管道生成方法示意图；

图2是本发明实施例中所涉及到的三维飞行管道样式示意图；

图3是本发明实施例中所涉及到的三维飞行管道与SVS和平视显示系统符号视场匹配示意图；

图4是本发明实施例中所涉及到的平视显示系统安装角示意图；其中：平视显示系统安装角是指飞行员水平视线与平视显示系统视场中心的夹角；

图5是本发明实施例中所涉及到的飞行器进近阶段三维飞行管道与平视显示系统符号画面SVS合成视景融合后的示意图；

图6是本实施例中三维飞行管道生成方法的处理流程图，表示一次完整三维飞行管道生成方法。

具体实施方式

下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。

以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本公开，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。

还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本公开的基本构想，图式中仅显示与本公开中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。

在本发明的一个实施例中，如图1所示，提出一种基于平显系统的三维飞行管道生成方法，包括以下步骤：

1)收集飞行管理系统的导航数据和导航数据库数据；

2)通过导航数据及导航数据库数据生成三维飞行管道；并将飞行管道显示至平显系统上；

三维飞行管道的生成方法包括以下步骤：

2.1)根据飞行器当前的位置信息查询飞行器当前飞行计划中的航路点；

2.2)根据导航数据和导航数据库数据得到飞行器的飞行航路点位置信息；

2.3)将飞行器的飞行航路点位置信息转换为三维渲染所需的三维坐标信息；

2.4)根据多个连续相邻航路点的三维坐标信息的连线方向，计算每个飞行管道的指引方向，得到具有最佳指引方向的飞行管道。

在本实施例中，在平视显示系统上实现合成视景与三维飞行管道以及平视显示系统符号画面的融合。其中合成视景系统SVS基于地形及障碍物数据库生成三维环境图像，三维飞行管道通过计算生成三维飞行指引图像；三维环境图像和三维飞行管道是以设计眼位为视点生成的带有深度信息的三维画面，符号画面是不包含深度信息的二维画面，三种图像叠加时，三维飞行管道叠加在SVS之上，然后再与平视显示系统符号画面融合，并将合成图像传输到平视显示系统上显示；其中，基于三维飞行管道与真实场景的匹配融合，包括：确定平视显示系统显示屏尺寸和设计眼位的相对位置，计算设计眼位相对飞行器重心的位置和视场范围，计算虚拟眼位的绝对位置，以虚拟眼位的位置生成三维飞行管道和SVS。三维飞行管道依据飞行管理发送的飞行计划，基于地形数据库，完成航路点的三维管道绘制，并对各个航路点之间不包含在飞行计划中的航路，进行插值拟合处理，结合飞行器当前位置信息，计算当前飞行员目视可见的航路信息，进行绘制。三维管道绘制分为以下几种情况：

a.起飞阶段：在跑道末端，预计飞行器起飞点生成起始三维飞行管道。

b.巡航阶段：根据飞行管理计划所发送的航路点进行绘制。

c.进近着陆阶段：根据飞行器进近程序，如下滑道参考线绘制。

在一个实施例中，飞行管道在平显系统中的显示结果为多个大小不一致的线条框；每个线条框所表示的空间面积一致；每个相邻大小的两个线条框所表示的三维距离一致。

在一个实施例中，每个线条框的显示方法为：将三维坐标信息转换为二维显示的坐标信息并投射至平显系统的显示器上。

在一个实施例中，将相邻的两个线条框设置为三维距离一致的方式为：插值计算每个相邻航路点之间的距离，根据飞行管道的预设间隔，计算相邻的两个航路点之间应显示的线条框的数量，根据计算出的数量在平显系统的显示器上显示相同数量的框图。

在一个实施例中，每个框图的横向长度依据飞行器区域导航的横向偏离确定，每个框图的纵向长度依据飞行器区域导航的纵向偏离确定；框图的横向长度与飞行器横向偏离的距离之比，等于框图的纵向长度与飞行器纵向偏离的距离之比。

在一个实施例中，框图为矩形框图。

在一个实施例中，飞行管道的显示距离为飞行器前方0～45海里。

在一个实施例中，提出通过一种算法，根据飞行计划、飞行阶段、导航数据库等计算出当前飞行器可视范围内的三维飞行管道，并与平视显示系统符号和SVS校准后叠加显示(三维飞行管道与SVS和平视显示系统符号视场匹配如图3所示，平视显示系统安装角示意图如图4所示)。

1)接收飞行管理系统发送的飞行计划，飞行器位置，航向姿态等数据。

2)根据不同的飞行阶段，选择不同的三维飞行管道生成算法。

3)如果是起飞阶段，则根据起飞程序、机场数据库，导航数据库等获取飞行器从起飞到离场点的航路点信息，插值计算各个途径点的三维显示坐标。

4)如果是巡航阶段，根据飞行计划，获取巡航阶段各个航路点的坐标信息，插值计算各个途径点的三维显示坐标。

5)如果是进近阶段，则根据进场程序、机场数据库、导航数据库获取进近到着陆点的航路点信息，插值计算各个途径点的三维显示坐标。

6)其中插值及计算三维显示坐标的计算方法如下：

a.将经纬度转换为以地心为原点的三维坐标(ecef坐标系)

x(N+h)*cosμ*cosl

y＝(N+h)*cosμ*sinl

z(N*(1-e²)+h)*sinμ

其中，μ表示维度，l表示经度，h表示高度，a＝6378137，b＝6356755

b.插值计算相邻航路点之间的飞行管道，插值算法为：

计算相邻航路点a(x₀，y₀，z₀)到航路点b(x_n，y_n，z_n)的向量p

计算向量p的长度l，

(n为取整后的数据，n≥1)，则需要插值的飞行管道数量为n-1

其中s为预设的飞行管道间隔，一般设置为1海里。

航路点a到b中间的插值飞行管道可通过以下方法计算：

其中0＜i＜n

c.计算地形为原点的坐标转换为以飞行器(机体坐标系)的转换矩阵。

其中

真航向角，θ表示俯仰角，γ横滚角，μ表示维度，l表示经度

d.计算机体坐标系下飞行管道的三维显示坐标：

其中x₁，y₁，z₁为飞行管道的三维显示坐标，x，y，z为飞行管道以地心为原点的三维坐标(包含航路点及航路点之间插值计算的飞行管道)。

7)计算飞行员通过平视显示系统当前可视范围内的三维飞行管道。

飞行员通过平视显示系统不适宜观察到全飞行阶段的三维飞行管道，这样容易对飞行造成干扰，因此仅生成当前飞行员可视范围内飞行管道，有利于飞行员将注意力集中到当前飞行器前方的飞行管道，从而保证飞行器的飞行安全。可视范围通过综合考虑飞行器的位置，航向，当前飞行高度，进行确定，不大于40海里。

计算方法如下：

其中1≤i≤n，n为所有的飞行管道，x_i，y_i，z_i为某一飞行管道的三维显示坐标，x₀，y₀，z₀为飞行器的三维显示坐标。

遍历所有飞行管道，计算di≤40海里的飞行管道，并进行绘制。

8)生成三维飞行管道信息。

通过前述步骤得到的是所有需要绘制飞行管道的坐标信息，通常以(维度，经度，高度)表示，其中高度为海报高度(WGS-84坐标系)，飞行管道以矩形的形式显示如图2所示，其中长度为飞行器区域导航的RNP，高度为垂直导航RNP，通常为800feet(飞行器区域导航垂直RNP通常为+-400feet)，飞行管道之间的间距为1海里，飞行管道垂直于飞行计划所指的航线，并垂直于地面。

9)飞行管道与SVS及平视显示系统进行校准。

飞行管道绘制所依据的视场角与平视显示系统的水平视场角和垂直视场角保持一致，同时按照平视显示系统安装角度，进行相应的校正，即SVS与三维飞行管道均需按照平视显示系统安装角旋转一定的角度。

算法如下：

θ_新＝θ_原-b

其中θ_原表示飞行器原有的俯仰角，θ_新表示考虑安装角后修正的俯仰角，b表示平视显示系统的安装角，将修正后的俯仰角θ_新按照步骤6进行计算，即可计算与平视显示系统校准后飞行管道的三维显示坐标。

10)飞行管道与SVS及平视显示系统符号融合之后平视显示系统上显示，如图5所示。

以上所述，仅为本公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种基于平显系统的三维飞行管道生成方法，其特征在于,包括以下步骤：

1)收集飞行管理系统的导航数据和导航数据库数据；

所述三维飞行管道的生成方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的飞行管道生成方法，其特征在于：所述飞行管道在所述平显系统中的显示结果为多个大小不一致的线条框；每个所述线条框所表示的空间面积一致；每个相邻大小的两个所述线条框所表示的三维距离一致。

3.根据权利要求2所述的飞行管道生成方法，其特征在于：所述每个线条框的显示方法为：将所述三维坐标信息转换为二维显示的坐标信息并投射至所述平显系统的显示器上。

4.根据权利要求2所述的飞行管道生成方法，其特征在于：将相邻的两个线条框设置为三维距离一致的方式为：插值计算每个相邻航路点之间的距离，根据所述飞行管道的预设间隔，计算相邻的两个航路点之间应显示的线条框的数量，根据计算出的数量在所述平显系统的显示器上显示相同数量的框图。

5.根据权利要求2所述的飞行管道生成方法，其特征在于：所述每个框图的横向长度依据飞行器区域导航的横向偏离确定，所述每个框图的纵向长度依据飞行器区域导航的纵向偏离确定；所述框图的横向长度与所述飞行器横向偏离的距离之比，等于所述框图的纵向长度与所述飞行器纵向偏离的距离之比。

6.根据权利要求2所述的飞行管道生成方法，其特征在于：所述框图为矩形框图。

7.根据权利要求1所述的飞行管道生成方法，其特征在于：所述飞行管道的显示距离为所述飞行器前方0～45海里。