TW440688B

TW440688B - A path planning, terrain avoidance and situation awareness system for general aviation

Info

Publication number: TW440688B
Application number: TW88111314A
Authority: TW
Inventors: Min-Chung Gia
Original assignee: Gia Min Chung
Priority date: 1999-06-30
Filing date: 1999-06-30
Publication date: 2001-06-16
Also published as: EP1065470A1

Description

^4 06 8 8 經濟部中央標準局貝工消費合作社印聚 Λ7 B? 五、發明説明（1 ) 發明背景拮術領域廣義而言，本發明與降低在控制下飛入地障的意外災害有關，明確地說’與在控制下飛入地陣之意外的地形警覺以及警告系統的地形資料處理及演算法有關。習知技術概述在控制下飛入地障（Controlled Flight into Terrain, CFIT)警告所使用的資料是由飛行管理電腦、全球定位系統 (GPS)接收機及其它的機載裝備所提供。習知技術之CFIT 警告是根據飛機所接收之最近位置及速度資料的曲線•配合外推預測三維的飛行路徑。接著將此預測的飛行路徑與鄰近區域的内部地形高層圖比較，並計算飛機與地形發生碰撞之潛在威脅的評估。上述類型的系統約可向前察看120 秒。這就是所謂的“無障礙時間”相對於“還有多少時間碰撞”的警告，也就是“地形迴避”相對於“地形警覺美國之航空公司致力於降低CFIT意外災害可回溯到 1947年》習知技術的標準地面接近警告系統(GPWS)使用無線電高度計資料，如果飛機的地形淨空不足，即會提供音饗警告。如果飛入陡峭的地形，即會發生警告延遲的情形，因為標準的GPWS是靠俯視的無線電高度計偵測上升的地形。

Allied Signal公司提供“加強”型的GPWS — EGPWS，以及Sextant Avionique公司提供的“地面碰撞迴避系本紙張尺度適用中阖國家摞準（CNS ) Α4規格（2丨0X297公梦_ }

-------1--餐1------1T------^ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁J 經濟部中央標準局貝工消費合作社印裂 44068 8 Λ7 Β7 __ 五、發明説明（2 ) 統’’(GCAS)可在座艙顯示器上繪出飛機飛行路徑四周的地形，並提供早期預警。這兩種系統都是環繞著三維地形資料建立，並根據飛機的爬升性能實施真正的前視預測能力。其技術分成三部分：GPS及其它高精度導航系統的出現，提供精確的定位並以很短的時間更新；使用較高速及較大記憶體的計算技術；以及精確、複雜的全球地形資料庫，包括全球數位化地形高度資料庫（DTED)。圖1顯示 DASSAULT ELECTRONIQUE GCAS 的 GPWS 系統概略圖。在EGPWS及GCAS中，地形資料庫是系統的核心。前視演算法以此資料庫與飛機的未來投影位置做比較，並根據此發出警告。使用DTED可使系統顯示飛機附近的地形。飛行期間，會顯示DTED中飛機下方的山峰及地形，以提供飛行員對飛航環境之警覺。很多前視警告，諸如與地形衝突的飛行剖面或飛行路徑都可以事先預警。在山區中緊急下降時，或是更改飛行路徑以迴避惡劣天候時，前視警告更有助於防止任何情況導致CFIT » 不過，地形資料庫佔據了極大量的記憶體。如果在 10000公里乘10000公里的區域内以每百公尺的間距繪製地形高層圖，就需要101G個網格點。很明顯，由於要連續存取101G個網格點的計算非常龐大，因此需要減少或壓縮此等資訊。此外，利用地形還可以做很多導航功能，諸如可以做最佳的飛行規劃，或根據即時的飛航環境緊急變更路徑，當演算法的複雜度增加時，這些都受制於資料擷取的 -4 - II —裂 I I 訂 I I I 線 - - - 一 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁} 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公H ~ 440688 Λ7 Β7 經濟部中央標準局員工消费合作社印聚五、發明説明（3 數量及計算的成本。不再經由進一步處理或借助其它格式的地形資料，諸如特徵或向量表示法，DTED並無法給予資料元素間的幾何關係。發明概述在很多應用方面，特別是飛行管理，必須存取整個 DTED資料庫以決定或更改飛行的航點。在此所描述與地形警覺警告’以及與導航安全有關的問題，是在編碼的地形導航空間執行。數位化地形高度資料(DTED)之網格點檔案的編瑪’是根據表示空間資料結構的衍生式四分樹 (quad-tree)表示法。DTED檔案中的每一個元素，都被編碼成關於它在網格點楼案中之位置的Morton編號序列，刻分的高度資料(scaled elevation data)及涵蓋等量（等高度)範圍是其特點。在此種資料結構下，DTED可以架構成一組上升序列的整數。每一個整數代表一個節點，節點中的平面位置'劃分的高度以及涵蓋的範圍交錯編碼成一組位元位置以構成一個整數。編碼的數列被定義成地形的八分樹 (Oct-tree)模型》導航功能不僅為了高度資料而參考地形八分樹，同時也在其上執行處理及運算。至此導航空間從 DTED陣列轉換到它的編碼整數數列。在以地形八分樹為基礎的導航空間上可以執行數種導航功能β以下展現一種以飛行高度定義動態危險區帶的較佳實施例》在較佳實施例中，定出最小飛行高度上方之一組地形高度節點的位置並聚集這些位置。本發明所發展之本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X 297公釐） ( 裝 H 訂 H 線 , . (靖先閱讀背面之注項再填寫本頁〕經濟部中央標準局負工消費合作社印製 ^4068 a J-- -137 ____ · 』五、發明説明（4 ) 諸如碰撞檢查、山區邊界、以及區域增長技術的演算法是此在此等地形模型上的基本運算》在另一種較佳實施例中’採用能見度圖法(visibility graph approach)做動態路徑選擇，以降低對即時計算的需要。此方法藉建立地形的部分能見度囷以縮小蒐尋空間，並排除不影牢選擇飛行路徑的地形細節，且地形之大小與導航空間的大小無關。一旦可以很容易地決定飛機飛行路徑及地形區域的地勢，數種用於飛機導航的CFIT警告功能也變得很容易執行β此外，它意含為了執行幾何計算而存取具有地形高度資料之資料庫。經由利用八分樹地形模型的多重及可變解析度的特性，使用地形資料做為參考的一系列CFIT警告功能可以很容易地實施。其功能包括地面迫近警告、障礙物提示、地形遮障、地形透視影像、被動測距、即時路徑選擇及路徑規劃、氣象顯示覆疊、以及航點覆疊。習知技術的路徑規劃方法是使用預先定義的障礙物模型。此外，擷取DTED之資料的數量及計算的成本都是負面的因素》在本發明中，在執行飛行計畫期間，危險區帶動態地改變。此外，使用一層八分樹地形，使得線上運算能力更為如袼。從以下的詳細描述並配置合附圖，將可明瞭本發明的其它目的及優點。圖式概诚本紙張尺度適用中國國家標率（CNS ) A4规格（210X297公釐） .--料衣—-----ΐτ------Φ (請先閱讀背面之注意事¾再填寫本頁} 44 06 8 8

五、發明說明（）

專利申請案第88111314號中文說明書修正ΪΓ-附件— (90年4月4日i〇^ 圖1顯示習知技術之GP WS的系統概略圖。圖2顯示位置碼及2-D、3 -D投影的位元交錯編碼。圖3顯示有危險節點之導航空間的例子。圖4顯示相關的飛行方向中可能之危險區帶。圖5顯示在危險區帶擴展期間（危險區帶參考圖3)，使用危險節點數列的二分法蒐尋決定邊界節點。圖6顯示結合邊界類型及航點位置。圖7顯示危險區帶擴張及導出航點。圖8顯示相對於不同起始點與目標點的危險區帶。圖9顯示能見度圖及它的樹狀結構。圖10顯示即時飛行路徑規劃的實施例範例。圖11顯示障礙迴避之實施例的範例。圖12顯示產生地形透視影像之實施例的範例。 -6-1 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公髮） ^^0688 ^^0688 經濟部中央標準局員工消費合作社印笨 A? 五、發明説明"77~5~' Β：· 較-隹-實施例_ fea 1.地形模型在影像處理的領域，藉將降列遞迴地次分成許多四分象限，四分;可Πi * 戈表二維區域(2ηχ 2n二進位陣列的格式）果該四;7象限是由13或〇3混合組合而成，它可以進步欠分成許多四分象限，此過程—直重覆到—個四分象限只由Is餘構成(被稱為葉端節點)為止。事實上，Is(或〇s)的大區域是由單—的四分象限或樹狀結構的節點表不。同樣地’二維的物件可以八分樹代表，2ηχ 2n陣列叮次分成人分象限（octant)。八分象限中的元素都相同’該八分樹結束；否則再進—步產生8個下__層的八分象限，以更詳細表現八分象限。在本發明的較佳實施例中，採用另一種型式的八分樹結構。加入第四個參數s，以代表紫端節點的大小。藉由它的三維座標及大小的資訊，地表的區域可以用一個3-D 的位置碼表示。將地表的一個峰點（I，J，K)對映到一個節點之位置碼的方法，是由三元素的（I，J, K)與S位元交錯編碼成16進位值所構成。因此，在每個位置上，S位元在K位元之前，Κ位元在J位元之前、以及J位元在I位元之前。在(I，J, Κ)與S交錯編碼之後，位置碼是一組數字{〇, 1，2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, C}其中之一。位置碼中數字“8”或“C”出現的次數代表經過合併之節點的大小資訊。在圖2的例中，節點之第411-1個位元的組合(即每一個數本紙張尺度適用中國國家標隼（CNS ) Α4规格（2〗0Χ297公沒） ----------^1-----^------^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 440688 經濟部中央標準局員工消費合作社印裝 Λ7 Β7 五、發明説明（6 ) 字之第1個位元的组合）等於I值的二進位表示法β分別為第 (4n-1+l)個位元重複此種组合成為j，第（4n-i+2)個位元成為 K，以及第（4W+3)個位元構成大小的值s，其中n(n=12，) 是解析度參數。雖然節點的4個分量（即I，j, κ, S)間完全獨立，但它們是以一個單值代表。編碼及解碼處理，都可在此位元交錯的設計下使用逐位元運算執行^ 地形八分樹中所使用的定址設計是Morton編號序列，

它也是利用前述的位元交錯編碼構成。對3-D位置碼的I，J 位元執行modulo-4運算可以得到2-D的位置碼，其中將κ位元指定成0，以及S位元保留不改變。在圖2中，節點 <00001473>16在IJ平面上的投影是<〇〇〇〇1〇33>16;對經過合併的節點<0000148C>16而言，投影碼是<〇〇〇〇ΐ〇88>1ή » 16 2.導航空間的模型化一般而言，目前的路徑規刻法是由兩個階段構成。在第一階段，產生由所有可能路徑構成的蒐尋空間，它們都避開起始點與目的點間的障礙。一旦產生出笼尋空間，第二階段是尋找一條滿足特定限制條件的路徑。典型上，這些方法是基於導航空間（障礙、地形、及威脅）是靜態的，且是事先完全知曉的假設。很多習知技術的飛行路徑規劃演算法是利用對導航空間中路徑之“成本”的知識，藉著使定義路徑“成本”之某些客觀函數最小化得到最佳路徑。這些演算法是“最短路徑問題”的衍生〇共同的策略是預處理蒐尋空間以降低即時計算本纸张尺度適用中國國家標牟{ CNS ) Α4规格（210Χ297公釐> (請先閱讀背面之注意事項再敁艿本頁) -裝. 、?τ 4 4 068 8 經濟部中央標準局貝工消費合作社印装 Λ7 五、發明説明（7) 的成本。預處理的方法可分為兩類，一是根據地形高度組織蒐尋空間圓，另一種是將預先計算的成本值嵌入蒐尋空間的圖中《本發明所描述的飛行路徑規劃演算法是根據對飛行高度、飛行距離及到目的地之時間的限制。雖然飛機已瞭然任務期間的導航空間，但障礙物會隨著操作的限制條件改變，因此要在任務期間即時發覺。本發明中所描述的飛行路徑規劃演算法是在代表導航空間的地形八分象限結構上執行，且不使用任何其它的資料格式來表示地形特徵(線性或多邊形特徵由於障礙的形狀是隨著高度動態地改變，因此以靜態的多邊形表示障礙並不適合即時的動態飛行路徑規劃。地形八分樹被组織成線性數列，其中每一個元素代表樹狀結構的一個葉端節點。每一個節點以一個單整數表示，且表示網格點檔案的等量元素組。使用八分樹簡化了從地形資料庫中擷取障礙物的操作。八分樹地形模型包括2-維(2-D)及3-維(3-D)的資訊。不過樹狀編碼的方法允許2-D的四分樹空間與3-D八分樹空間中射應之節點間一對一直接投影。此允許在四分樹空間中計算3-D的飛行路徑，大幅簡化了計算工作。使用表示法也簡化了諸如鄰接點的位置、決定兩點間的路徑段、以及幾何座標與節點位址間轉換等工作。 3.核心、路徑規劃演算法 3.1陣礙物的擷取 •9- 本紙掁尺度適ΛΙ石^固家標準（CNS ) A4規格（2Ι〇Χ297公犛) -------；--装------.η------Φ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作社印策 f 44 06 8 ； Λ7 B? 五、發明说明（8) 3.1.1發覺障礙物在地形八分樹中，刻分高度值在飛行高度以上的節點是所謂的“危險節點”，此意味飛機進入被這些節點佔據的地形區域就不安全。危險節點數列是四分樹的子集，表示導航空間的節點。不過，危險節點數列並不提供導航空間中任何明確的地勢資訊（例如連接性或邊界條件卜在圓3 中，顯示危險區域中包含26個節點，組織成一個排序序列，但節點1或節點26是否屬於相同的連接區域並不確定。此外，縱使危險節點被“散佈”到整個導航空間，也只有少數幾個危險節點會使指定的飛行路徑瀕於險境。例如，在圖4 中，有5個連接的危險區域，但對於要到目的1的路徑而言，玎能的障礙物只限於區域A到C。與目前方向有開的危險節點稱為障礙節點，並被組織成一組位置碼，它代表飛機導航空間中危險區帶所涵蓋的範圍。組織漳礙物的步驟如下： (1) 根據高度臨限值從地形八分樹中擷取危險節點數列β 以適當的垂直刻分因數Κ將地形组織成區帶或層面，例如20公尺的區帶。檢視八分樹的每一個節點，看是否有Κ值（嵌在位置碼中）超過臨限值者。κ值小於臨限值者略之不計。所得到的數列包括導航空間中所有具有潛在危險的節點" (2) 使用“產生與測試，，策略，藉對位於指定之起始點（3)與目的點（G)間直接路徑的碰撞檢查（或是偵測交又點）得到障礙物節點數列。直接路徑是點S與G間的直線，決 • 10- 本紙張尺度通财關家標準（CNS > Α视格（2_似297公楚） · --- [ . 批水 I 訂線 , - . - (請先閱讀背面之注意事項再填艿本頁) 經濟部中央標準局貝工消費合作社印策 4 0 6^ ' Λ7 B? · ' 五、發明説明（9 ) 定在點S與G間之直線上的八分樹節點。沿著線上的每一個點，從S點開始，對照危險葉端節點數列檢查《如果線上的點與任何危險節點匹配，則蒐尋空間葉端節點被存入數列中，供後續擴展危險區帶。有時，沿著直接路徑上的點，有超過一個以上的分量與相同的障礙物節點相交。 (3)增長連接的危險區帶，以定出區域的頂點做為航點》危險區帶擴展處理包括尋找毗鄰於要被擴展之葉端節點的障礙物葉端節點。此擴展處理的主要目的是為得到一組在導航空間中對應於危險區帶的航點；接著使用這些航點做為可能的飛行路徑，偏離以避免與地形碰撞。 3.1.2危險區帶的擴展計算它鄰接的4個主要方向的位置碼以擴展障礙物葉端節點》此項運算是遞迴地執行，一直到達邊界節點，邊界節點是在危險葉端節點數列中沒有任何鄰接節點的節點。鄰接節點的大小與目前“正在擴展中”之節點的大小可能不同，其中2d乘2d之節點的大小是2d，且節點之層次定義為d。為等大小的鄰接節點蒐尋危險節點數列。如果在數列中沒有發現等大小的鄰接節點，則重複此動作蒐尋較大的鄰接節點，且重複進行直到發現鄰接節點*或是樹狀結構到達鄰接根部的層次。如果經過此項處理後仍未發現鄰接節點，即顯示也許 •11- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4規格（2丨0X297公釐）辦水訂線 * - - (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) Λ7 Β7 44 06 8 8 五、發明説明（10 ) 存在一些大小較小的鄰接節點，或該節點是邊界節點。如果該節點未出現於節點數列^，它可能包含於上層已合併的節點令。具有二分蒐尋程序之最後比較迴圈中使用之投影碼的節點涵蓋被查詢的節點，或是被被查詢的節點涵蓋。可藉發現此項特徵，以決定是否有任何大小相同之鄰接節點的四分象限存在。如果測試中之節點的鄰接節點涵蓋用於最後比較迴圈的位置碼，就需要進行進一步蒐尋，否則目前的擴展節點是邊界。例如，圖3 t之節點21的擴展處理，在“南方”遇到邊界，在北及東方連接障礙物節點，以及在“西方’’需要進一步處理到下一層，如囷5所示。使用分別對應於北方側、東方側、西方側、南方側的添加碼ί、2、4、及8對障礙物的邊界類型編碼。零顯示該節點沒有任何一側是在邊界上。圖6顯示危險區帶及可能之航點的位置。例如，具有邊界碼13的節點是頂點節點。它在NW及SW對角方向有兩個航點。航點是由其在對角方向之鄰接節點之西北角的位置碼表示。且在將它附加到航點數列前，還需要檢查該航點是否位於危險區帶數列以及已為航點數列中的一員》還有兩種方法可以用來縮小擴展節點的大小’或是使用較粗解析度層的節點近似°當需要較詳細資訊時實施第一種方法。其方法是次分目前的擴展節點，並各別擴展每一個下一層的四分象限。在此情況，將目前的擴展節點當成邊界節點處理，且它的邊界類型被更新。此項處理被遞迴地執行，直到發現鄰接節點，或一直處理到邊界節點。 • 12 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（2IOXM7公楚） ---------装-------tT------線 c#先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局貝工消費合作社印聚 44068 經濟部中央標準局員工消費合作社印装 Λ7 B7 五、發明説明（11 ) 第二種方法是利用地形八分樹的層系特性*為減少頂點的數量（且因此縮小能見度圖的大小），而非目前擴展之節點的大小，將等大小之鄰接節點的位置碼指定為邊界節點，並結束擴展處理β亦即，近似處理是“截除，，比目前之擴展解析度水準低的節點。目前已擴展之節點的邊界碼按上述方法更新。 3.1.3航點定位每逢鄰接節點被定位，它顯示在目前的方向需要進一步擴展’否則該節點已遇到一個邊界節點。在所有4個主要方向都檢視過後，即得到障礙物節點的邊界類型》從該邊界類型，可以直接決定該節點是否是障礙物節點。擴展處理從鄰接節點遞迴地進行，並使用障礙物節點數列參考已擴展的節點’以避免重複檢視相同的障礙節點》圖7顯示危險區帶的擴展。在擴展處理期間，得到邊界節點的邊界類型以決定是否是危險區帶的頂點》如果它是頂點節點，接著在“對角方向”毗鄰危險區帶產生一個航點，如圖7b所示0 在對SEED數列的所有成員施加擴展處理之後，就得到沿著起始點與目的點間直接飛行路徑上的危險區帶，它與飛行路徑的整體方向有關。圖83-(1顯示具有危險節點的飛航區，以及沿著起始點舆目的點節點間之不同直接路徑上的障礙物對應區域。危險區帶的確實地勢資訊是擷取自特定的地形八分樹，並被轉換成一組航點。接著使用這些航 •13- 本紙張尺度適用中固國家揉準（CNS ) A4規格（210X297公釐) ---------^—-----ΐτ------^ (諳先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 8 經濟4T中央標準局員工消費合作社印裂 Λ7

\M 五、發明説明（l2 ) 點構建出導航空間中的能見度囷，以決定最佳路徑》 3·2導航空間的轉換能見度圊是根據獲取階段期間所得到的一組航點所構建。這組航點暗含了導航空間中危險區帶的幾何資訊。演算法是考慮所有的點對(wfr(m，W,。)所構成，其中评^邮及wte 是危險區帶的起點、终點、或中間航點。要決定评^^及 wt。是否是有效飛行路徑段的端點，檢查之直線相對於危險區帶的“碰撞”。若且唯若連接兩點間的線段沒有發生交錯’ 。間的節點被能見度圖内的鏈結連接。碰撞檢查的原則與用於檢查起始點與目的點間之直接路徑的碰撞相同。只要偵測到碰撞，航點對的測試即告終止，否則測試將持續進行到達wt。。在測試過所有可能的航點對組合後，所得到的結果是能見度圖，其航點是圖的節點’航點所構成的路徑段是圖的孤β在圖9中存在數條路徑’它們是由通過航點序列速接起始點與目的點的許多直線所構成β 所使用的能見度圖法與絕大多數路徑規刻問題中所用的方法相同，其中障礙物空間的能見度圖是由多邊形障礙物數列所構建。不過，以下的考慮是針對根據地形八分樹的飛行路徑規割演算法：聚集沿著起始點與目的點間之理想直接路徑的障礙節點，以及那些限於直接路徑（或目前方向）附近的可能障礙 -14· 本紙張尺度適用中關家標準（CNS ) ( 210X297公楚—） ' -- , 11 35^ 訂線 J ' _ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) .44 06 8 8 Λ7 B*7 五、發明説明（13 物得到危險區帶。此方法意含將導般空間令不相關的危險知點剔除’並因此使航點的數量最小化。由於航點僅代表危險區域之障礙物的子集’此項處理提供了整個導航空間的部分能見度圊。圖8a-d顯示部分結構與它的能見度圖的範例。在碰撞檢查期間共要檢查W(W-l)/2個航點對，其中W 是包括起始點S與目的點G之航點的數量。構建能見度圈的時間複雜度正比於W(W-l)/2 β對任何導航空間而言，可以很容易看到航點W的數量小於頂點η的數量》此外，包含w 個航點之能見度圖的大小小於η個頂點之能見度圖的大小。很明顯’藉縮小能見度圖的大小可以大幅增進荒尋的速率。 (#先間讀背面之注意事項再填寫本頁) •架· -6 Γ 經濟部中央標隼局貝工消費合作社印製 3.3飛行路徑蒐尋在前節中已描述，能見度圖是以飛行路徑段之數列的型式來表示，路徑規刻問題已轉換成蒐尋開始節點與目的節點間之能見度圖的問題。例如，圖9顯示代表導航空間之路徑段的能見度圖。在圖中有7個節點，包括開始與目的點。它被重建成樹狀結構用以說明其結構，在其中目的節點G與其它節點在樹中出現超過一次。有數種技術可以用來蒐尋圖中的路徑，包括諸如深度優先、寬度優先及啟發式蒐尋。較佳實施例中描述啟發式蒐尋法，所加諸的限制條件使併入路徑規劃演算法中的連接數量最少。蒐尋期間，路徑段經過選擇，亦即儘量遠離-15- 本紙張尺度逍用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X297公釐） ι 44 06 8 8 Λ7 —-—- _____—_ B7 ‘ 五、發明説明（I4) 目前的位置’期望值量靠近目的地。換言之，使飛行路徑最短的方法與蒐尋最少連接的方法相反。定義成本函數以評估増加航點的影響，藉以決定那一組航點要在路徑規割常式中被擴展° 尋找真正的最隹路徑需要毫無遺漏的蒐尋。不過，最佳路徑也許不是即時空用需求所要的，因為可能會使棟取路徑的性能降低》對能見度囷中大量的節點而言，包羅無遠之方法的計算負荷極為嚇人，可以採用更有效率的啟發式蒐尋法，它是根據衍生自Dijkstra的演算法，也是熟知的 A*法。 4.即時動態環境應用如所預期，飛機的飛行路徑需要即時修改以四配飛行條件，且環境中的障礙物會改變，要根據目前的障礙物空間，為每一次飛行規割的改變存取地形資料庫以重建能見度囷。規劃新的飛行路徑必須在數秒内完成以便做到即時導航，此時間間隔包括飛行路徑規劃計算，以及架構路徑蒐尋空間》典型上，在即時的導航環境中，新的飛行路捏需要在請求的數秒内完成。事賁上，擷取航點與蒐尋能見度圖所花的時間，比規劃處理整個路徑的時間少得多。將建議路徑規劃演算法應用到即時動態環境的策略，是根據觀察將演算法應用到具有隨機產生之起始點與目的點的特定地形所得，並量測每一階段所花的時間。這些董測包括產生航 -16- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（21〇><2们公釐） (#先閱讀背面之注意事項再填鈣本1〕 - 經濟部中央標隼局貝工消費合作社印裝經濟部中央標準局負工消費合作社印聚 440688 Α7 五、發明説明（15 ) 點的時間，架構能見度闽的時間，以及在地形八分樹之不同解析度中發現路徑的時間°接著使用這些離線計算時間的結果用來“調整”指定地形的即時動態飛行路徑規劃演算法。要改變導航空間的解析度，使用金字塔結構的四分樹來代表導航空間與危險節點。得到金字塔結構第k層方法是在第k+Ι層的2x 2的窗口上施加最大值函數》不過，在金字塔結構的上部各層中，可能因樹狀節點只取最大高程值的 “合併”而使路徑被遮蔽，因此’在該層中可能找不到路徑。在即時的應用中，最好避免在高解析度層建立大的能見度圖所致使的瓶頸。另一方面，避免較粗解析度層也很重要，它很容易隱藏有效路徑。決定適當處理解析度層的方法，首先在預先定義的解析度層得到航點，估計能見度圖的大小，接著決定是否有需要切換到其它的層做路徑規劃》例如，圖10展現在飛行任務期間連續改變目的點的即時棋擬，起始點是(255, 101)，目的點是（96, 251)。預定的空速為400公尺/秒，飛行高度及作業的層設定成與使用者互動。飛行期間，賦予新的飛行路徑規劃新的目的點(241, 242);演算法根據5-秒的限制條件預測新的起點是(204, 148)。在相同層中發現路徑，且飛行高度如圖10所示。也可使用不同的基準線、劃分因數、時間限制及飛行高度。 DTED的源檔案是中華民國台灣國立中央大學太空暨遙測研究中心提供的5000分之一比例尺的高度資料，稱為數位地形模型資料(DTM)。DTM檔案是由40公尺之水平網 -17- 本紙張尺度適用中國囤家標準（CNS ) A4規格（210X297公趁） ---------私衣|-----iT------東 < - - (請先閱讀背面之Vi意事項再填本頁) 44 06 8 8 Λ7 R? 經濟部中央標準局貝工消費合作社印掣五、發明説明（16) 格每一個交叉點的尚度值所構成，它的值是從2〇 48平方公里的DTM方塊令包含256K個高度值的sp〇T Landmass地囫上的等高線作數學内插而得。原始播案可以大到21、216 個網格點，但實施例中被限制到29x 29個網格點以簡化編碼之處理。如前所述’路徑規劃演算法可以在金字塔結構中較粗解析度層執行，以符合即時的限制條件>不過，地形高度資料是連續地改變’且地形八分樹表示法與地形相關，因此’與指定飛行高度相關的障礙物位置與連接性無法預測。一般來說，路徑規劃處理的實際作業層是由最小飛行高度決定’其必然也決定航點的數量。飛行高度低將產生大量的危險節點與障礙節點，因此，可以為某特定的作業環境採用較粗的作業層’以保持航點的數量低於預先定義的邊界值》由於即時的應用端視計算系統的性能、飛機的速率而定，即時的限制條件、允許規劃的時間及預先定義的處理層可以改變。 5.地形迴避與飛航環境警覺 5_1動態障礙物及天氣情況迴避本發明不僅根據四周的地形提供警告，且能給予沿著飛行路徑前方的地形資訊，它是從路徑規劃函數得到β — 旦新的路徑在線上規劃完成，即可以很容易地與GPWS及 GCAS的警告功能耦合。其它類型的危險涵蓋區域，諸如障礙物、山峰、天氣狀況（出現於空域中的雷雨、風切、或 -18 - 本紙張尺度適用中國g家標率（CNS ) A4規格（2敝297公楚） ---------装------.訂------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) Λ7 H7 4406 8 8 五、發明説明（17 ) 任何氣象狀況)也可以一组位置碼表示’復疊於地形高程圈上，並按前述方法執行。圖11顯示實施例的範例。 5.2供地形警覺的地形高程圖及地形遮蔽地形高程圖的產生，以及危險區帶 '山峰，與所選擇之飛行高度及飛行方向相關之障礙物的視線地形遮蔽的計算，都可以相同的位置碼表示。使用存取演算法擷取地形模型幸之節點參數。I, J，K參數指定平面位置及節點的高度，來自對照表的不同色瑪被指定到每一個高度帶；S表示構成該遮蔽區域之該節點涵蓋的區域。節點的子集得自碰撞檢查及尋找具有等量節點的區域，代表危險區帶、山峰、及障礙物。 5.3地形模型的透視影像提供一種產生地形模型之透視影像的方法，包括從地形模型擷取與存取資料供產生影像0使用存取演算法擷取地形模型中節點的參數。I，J，K參數賦予平面位置及節點的高度，來自對照表的不同色碼被指定到每一個高度帶； S表示構成該地形透視影像之節點涵蓋的區域。直接使用地形模型做為輸入資料，不需要存取原始的DTED檔案。圖12顯示透視影像實施例的範例。 6.結論習知技術的規劃方法是使用預先定義的障礙物模型。 -19- 本紙張尺度適用中國國家榡準（CNS ) 規格（210/29"7公嫠) ------- ---^------ir------懷 » - · (請先閲讀背而之注意事項再填寫本κ) 經濟部中央標準局員工消費合作社印31 經濟部中央榇準局貝工消費合作社印簟 “0688 Α7 Β1 五、發明説明（I8 ) 不過，在飛行計畫執行期間，每逢飛行高度改變，危險區帶障礙物區域也改變。除此之外，在習知技術的DTED方法中，擷取的資料量以及計算的成本都是負面的因素。當在標準DTED系統中演算法的複雜度增加，最佳的飛行計畫或是在即時的飛航環境中緊急改變路徑，都可能會受資料擷取量及計算成本的限制。在本發明中，提供一種根據八分樹地形的GFIT警告演算法》它以各種不同程度的解析度直接表示地形》八分樹結構藉截除或近似不需要的資料，能在較粗解析度的層次以足夠的精確度將地形模型化，允許有效率地執行地形參考工作。在本較佳實施例令，藉使用八分樹地形模型的特徵，地形警覺及警告系統相關的功能，比根據DTED的習知方法執行起來更有效率《此外，與習知技術的飛行前規刻系統相較，較佳實施例顯現即時飛行路徑規劃的能力。對在飛航環境中的長程全球路徑規割而言，無論是在預先規刻或在即時的飛航環境中，八分樹階層式的分解結構避免路徑規劃階段中超量的地形細節。藉利用八分樹地形模型的啟發式特性，路徑規劃演算法可以在八分樹地形的任何一層作業·》此外，路徑規劃法藉建立導航空間的部分能見度圖以縮減笼尋空間的大小，並不影響路徑的選擇及迴避地形的細節。本發明所描述的八分樹地形及能見度圖法，已適合即時計算的要求β 對與CHG警告相關的功能及障礙物迴避而言，可以使用例如與飛行路徑規刻相同的設計β藉以八分樹地形或附 ---------裝------訂------線 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁> •20- ΜΑ 06 8 8五、發明説明（I9 ) Α7 B? 鯉濟部中央標準局貝工消費合作社印聚加一層八分樹地形取RDTED，可以报容易地實施預測飛行路徑與地形資料庫間的比較，藉以偵測可能的碰撞並給予警告’或得到新的路徑供迴避。此外，可以更有效率的方法執行地形警覺及顯示，雖然以上描述了本發明具代表性的實施例，此項描述並非限制本發明的範圍，它可以各種型式的實施例實施。例如’即時飛行路徑規劃演算法可以嵌在飛行管理電腦 (FMC)中做為飛行管制。另一方面，當在山區或在有建築物或人造障礙物的都會區，從即時飛行路徑規劃與編碼的地形資料庫得到的飛行路徑及地形剖面，給予飛機前視能力’特別是通用航空之應用上<»因此，此能力可以很容易地延伸到在控制下飛入地障、地面接近警告及障礙物迴避。此外’地形警覺及顯示也可耦合至座艙飛航資訊顯示 (CDTI)成為其特性之一。從地形資料庫的觀點，以有限的成本，地形模型可以單獨使用’或與DTED資料庫的習知技術平行使用，甚至取代目前的DTED資料庫。在軍用的領域，諸如任務規劃、地形迴避、地形追隨、地形匹配、雷達及威脅視線遮蔽、通視遮蔽等都可實施。在非航空方面的應用，諸如海床表示、聲納涵蓋、GSM基地台涵蓋範圍的估計等，也都可以適用。雖然本發明是參考較佳實施例顯示與描述，並以圈的方式說明，但不能視為對其的限制。熟悉此方面技術的人士，可想像出各種的修改 '刪減、及替換，以及任何特殊• 21 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS > A4说格（2l〇X2W公釐) (請先閱讀背面之注意事項再填艿本頁) -Φ Γ

I \Μ 五、發明説明（20) 的實施例，都不會偏離本發明的範圍 (請先閲讀背而之注意事項再填寫本頁) .裝.

JB 線經濟部中央標準局員工消費合作社印製 22 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐）

Claims

8 8 S 8 ABCD £4 06 b b 六、申請專利範圍 1. 一種為通用航空執行即時飛行路徑選擇及路徑規劃的方法，包括以下的步驟： ϋ n -= I n I I— - I - -i (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 使用數位化地形高度資料(DTED)產生地形模型；使用此地形模型提供導航空間；存取與擷取地形模型以產生地形高層囷；在導航空間上賦予起始點與目的點，以在地形高層圖上決定直接飛行路徑的地面軌跡；根據地面軌跡及飛行高度識別危險區帶；使用該危險區帶定出一組供迴避的航點；構建導航空間的能見度圈，它是一組無碰撞的路徑段 * 9 藉飛行路徑蒐尋演算法連接起始點與目的點；以及從地形模型得到飛行路徑的地形剖面。 2‘根據申請專利範圍第1項的方法，其乍該地形模型是八分樹地形β 3. 根據申請專利範圍第1項的方法，其令該地形模型是四分樹及八分樹結構的衍生型。經濟部中央揉準局員工消費合作社印— 4. 根據申請專利範圍第！項的方法，其中該地形模型包含一組節點，每一個節點以一個整數表示。 5. 根據申請專利範团第4項的方法，其中：每一個該節點包含4個參數I，J，K，S ; 將DTED檔案的每一個高度峰點〗，j，κ對映到對應之八分樹的3-D位置碼得到4個參數I, J，K, S ; 參數I, J定義平面位置的2-D座標，加上高度K，I，J，K • 23 · 本紙張尺度逍用中國國家梂率（CNS ) A4規格（210X297公釐）

夂、申請專利範圍定義士間位置的3七座標；引^度的劃分因數’它將地形高度分成許多帶；參數K代表刻分的高度； X ；^樹中出現於對應之四分樹之相同四分象限中具有等劃分高度值的節點被合併；畫J刀因數可以是非線性，或從一基線開始以取代平均海平面高度；參數S是節點的涵蓋範圍，且增加它以用來表示節點的大小；該4個參數I’J’ K，它們的位元位置交錯編碼構成一個代表節點的整數；以及每-個地形高度資料具有它准一對應的節點。 6_ ^據申請專利_第1項的方法，其中 &義的該導航”是用來配置可能之飛行路徑的區域 » > 該導航空間結合八分樹與四分樹，以提供在地形高度資料上的3_叫2蝴作；以及將3-D位置碼中的尺位元刪除即可得到2 D位置瑪。 7·根據f請專利範圍第5項的方法，其#得職地形高層圖的步驟如下：使用存取演算法存取該地形模型；存取一個節點即表示存取該節點所涵蓋的區域；使用擷取演算法擷取該地形模型之節點的參數，其中I， J，K參數賦予節點的平面位置與高度，來自對照表的不 -24- 本紙張尺度適用中國固家梯準（CNS ) A4規格（210 X 297公釐） ^^^1 1^^— ^^^^1 n^i IV ^^^^1 ^^^^1 ^^^^1 ^^^^1 ^^^^1 1^1 , , 3. 、? (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 44 06 A8 B8 C8 D8 π、申請專利範圍同色碼被指定到每一個高度帶，S表示構成該地形高層圈之節點所涵蓋的範圍。 m HB^i n^f ^^^^1 ^^^^1 ^^^^1 m· I flfe^i .mi uti ftm nfv— - 、言 (請先M讀背面之注$項再填寫本贾) 8·根據申請專利範圍第1項的方法，其中地面軌跡是直線線段，其形式是節點的數列；危險區帶是節點的數列，得自碰撞檢查中其高度與飛行高度衝突的節點；每一個無碰撞的路徑段是直線線段，其形式是節點的數列；航點表示於2-D的位置碼中；以及能見度圖是執行每一條航點對間之線段的碰撞檢查以決定一組無碰撞的路徑線段架構而成。 9·根據申請專利範園第1項的方法，其中由於導航空間中該危險區帶的幾何區域特徵’使用根據能見度圖的路徑蒐尋演算法。 —種執行即時動態碰撞檢查的方法，包括以下的步驟：使用數位化地形高度資料(DTED)產生地形模型；使用此地形模型提供導航空間；存取與擷取地形模型以產生地形高層圖；經濟部中央橾率局員工消費合作社印裝根據飛行高度識別導航空間上之節點的數列；賦予飛行路徑線段的地面軌跡，它是在地形高層圖上之節點的數列；以及藉蒐尋沿著路徑線段的每一個節點對照危險區帶的節點數列，以決定與危險區帶相衝突的飛行路徑線段。 11_根據申請專利範圍第10項的方法，其中所執行的碰撞檢 -25- 本紙張认域用中國B家榇率（CNS ) A4«WM 2丨GX297公羡） A8 B8 C8 D8 4406 8 8 六、申請專利範圍查是檢查出現於兩種節點數列中相同的節點。 12, —種執行即時動態天氣狀況迴避的方法，包括： 1^1 HI m - II _n^i ^^1 I- m HI I 1------------ . r -¾ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 使用數位化地形高度資料(DTED)產生地形模型；使用此地形模型提供導航空間；存取與擷取地形模型以產生地形高層圖；在導航空間賦予起始點與目標點以決定直接飛行路徑在地形高層围上的地面軌跡；根據地面軌跡與飛行高度識別危險區帶；賦予天氣狀況涵蓋區域’它是以節點的數列表示；將天氣涵蓋區域之節點數列加到危險區帶的節點數列，使用該新的危險區帶配置一組航點供迴避；構建新導航空間的能見度圖’其中是一组無碰撞的路徑線段；以飛行路徑蒐尋演算法連結起始點與目標點；以及從地形模型得到飛行路徑的地形剖面。 13·根據申請專利範園第12項的方法，其中：經濟部中央標準局貝工消費合作社印製天氣狀況涵蓋區域是一組位置碼，復蓋於該地形高層圖；以及天氣狀況可以是雷雨、風切或任何出現於空中的氣候狀況。 14. 一種執行即時動態障礙物迴避的方法，包括：使用數位化地形高度資料(DTED)產生地形模塑；使用此地形模型提供導航空間； -26- 本紙張尺度適用中國國家榇準（CNS ) A4规格（210X297公羞） Α8 Β8 C8 D8 440688 六'申請專利範圍存取與擷取地形模型以產生地形高層圈；在導航空間賦予起始點與目標點以決定直接飛行路徑在地形高層圖上的地面轨跡；根據地面軌跡與飛行高度識別危險區帶；賦予障礙物涵蓋的區域，它是以節點的數列表示；將障礙物涵蓋區域節點數列加到危險區帶節點數列；使用該新的危險區帶配置一組供迴避的航點；構建新導航空間的能見度圖，其中是一組無碰撞的路徑線段；以飛行路徑蒐尋演算法連結起始點與目標點；以及從地形模型得到飛行路徑的地形剖面。 15. 根據申請專利範圍第Μ項的方法，其中：障礙物涵蓋區域是一組位置碼，覆蓋於該地形高層圖 ;以及障礙物可以是地形、山峰、以及任何人造障礙物。 16. —種執行即時地形遮蔽供地形警覺的方法，包括：使用數位化地形高度資料(DTED)產生地形模型；使用此地形模型提供導航空間；存取與擷取地形模型以產生地形高層圖；根據飛行路徑的地面軌跡及飛行高度識別危險區帶、山峰、及障礙物涵蓋區域；計算視線的地形遮蔽；以及根據危險區域之參數I，J，K, S為地形遮蔽及警覺指定色碼》 -27- 本紙張尺度適用中國國家槺率（CNS ) A4规格（210X297公釐） H - - [ί— Λ mj (請先閱讀背面之注^r項再填寫本頁) 訂經濟部中央標率局员工消費合作社印策 ABCD π、申請專利範圍根據申請專利範園第16項的方法，其令該地形模型包含一組節點’每一個節點都是以整數代表。 18.根據申請專利範圍第16項的方法，其中該計算視線地形遮蔽是使用相同的位置碼表示法計算關於所選擇之飛行高度及飛行方向的視線地形遮蔽；危險區帶、山峰、及障礙物是以地形模型之節點的子集表示’且是從碰撞檢查及尋找等量節點之區域得到 :以及 I，J，K參數賦予節點的平面位置及高度，來自對照表的不同色碼被指定到每一個高度帶；s代表構成該遮蔽區域之該節點的涵蓋範固》 19_根據申請專利範固第17項的方法，其中每一個該節點包含4個參數I，J，K，S ; 將DTED檔案的每一個高度峰點丨，j，κ映射到對應之八分樹的3-D位置碼得到4個參數I, j，K, S ; 參數I，J定義平面位置的2-D座標，加上高度K，I, J，JC 定義空間位置的3-D座標；引入高度的劃分因數，它將地形高度分成許多帶；經濟部中央棣率局負工消f合作杜印裝參數K代表劃分的高度；該八分樹中，出現於對應之四分樹之相同四分象限中具有等劃分高度值的節點被合併；劃分因數可以是非線性，或從一基線開始以取代平均海平面高度；參數S是節點的涵蓋範圍，且增加它用來表示節點的大 *28- 本紙張尺度適用中國國家標率（CNS )八4说格（2ι〇χ297公釐） 4 4 06 8 8 A8 B8 C8 D8 經濟部中央揉準局员工消費合作社印袋六、申請專利範圍小；該4個參數I，J，K，S以它們的位元位置交錯編碼以構成一個代表節點的整數；以及每一個地形高度資料具有它唯一對應的節點。 20. —種產生地形模型之透視影像的方法，包括：使用數位化地形高度資料(DTED)產生地形模型；使用此地形模型提供導航空間；以及從地形模型存取與擷取參數I，J，K, S以產生透視影像〇 21. 根據申請專利範園第20項的方法，其中該地形模型包含一組節點，每一個節點是以一個整數表示。 22·根據申請專利範園第21項的方法，其中每一個該節點包含4個參數I，J，K, S ; 將DTED檔案的每一個高度峰點I, J, K映射到對應之八分樹的3-D位置碼得到4個參數I, J, K, S ; 參數I，J定義平面位置的2-D座標，加上高度K，I，J，K 定義空間位置的3-D座標；引入高度的劃分因數，它將地形高度分成許多帶；參數K代表劃分的高度；該八分樹中，出現於對應之四分樹之相同四分象限中具有等劃分高度值的節點被合併；劃分因數可以是非線性，或從一基線開始以取代平均海平面高度；參數S是節點的涵蓋範圍，且增加它用來表示節點的大 -29- 本紙張xjt賴中關家梯率（CNS) Α4^_ (2ωχ297公着 n ^^^^1 n·— flmf —^ϋ· I 'HI ^i·— ffftli 眾-咨 (請先閲讀背面之注$項再填寫本頁) 44068 8 ABCD 七、申請專利範圍小；該4個參數I，J，K, S以它們的位元位置交錯編碼以構成一個代表節點的整數；以及每一個地形高度資料具有它唯一對應的節點。 23.根據申請專利範圍第20項的方法，其中該存取與擷取參數I，J，K，S包括：直接使用地形模型做為輸入資料，不需要存取原始的 DTOD檔案，其中I，J，K參數賦予平面位置及節點的高度，來自對照表的不同色碼被指定到每一個高度帶，S 代表構成該地形之透視影像之節點所涵蓋的範圍。 nf— im^i J— ^^^^1 ^^^^1 mil·, _^m *^—^1 ^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標率局員工消費合作社印裝 -30- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（2丨0 X 297公釐）