ADS—B飛行器航跡監視的三維可視化探討

摘 要：文章通過分析ADS-B二維航跡監視的局限性，提出了ADS-B與三維地理信息系統結合的構想，并詳細論述了ADS-B三維航跡監視系統的實現方法和關鍵技術問題。

關鍵詞：ADS-B；監視系統；地理信息系統；三維可視化

引言

ADS-B（廣播式自動相關監視）是一種新型的基于衛星定位和地空數據鏈的航空器運行監控技術。飛行學院于2005年開始引入ADS-B系統，加強了對訓練飛機的運行監視，進而提升了飛行安全品質，使學院的管制指揮達到了世界一流水平，也為學院帶來了巨大的經濟效益。目前飛行學院使用的ADS-B系統的軟硬件都是從美國ADS-B Technologies公司進口的產品，價格昂貴，維護成本高。從學院的長遠發展和未來新技術推廣方面考慮，如果能夠實現整個系統的國產化，必將大幅減少飛行訓練的投資成本。

1 ADS-B技術簡介及存在的問題

ADS-B系統主要包括機載通用訪問收發機（UAT）和地面基站（GBT）兩部分。裝載ADS-B系統的飛機接收GPS定位信息并計算得到飛機的精確位置信息，然后將其與飛機的其他數據結合，通過UAT對外廣播，作用空域中載有ADS-B系統的飛機和地面GBT接收該廣播信息并進行數據處理，然后傳送給顯示終端進行實時跟蹤顯示，這樣就實現了監控飛機飛行狀態的功能。目前ADS-B系統的終端顯示軟件都是經過ADS-B服務器的授權可以通過普通網絡獲取服務器發送的飛機經度、緯度、高度、速度、航向、識別碼等信息，結合軟件自帶的地圖數據，在顯示器上恢復飛機實時的飛行狀態，供空管指揮人員參考。

該終端顯示系統也有很多不足：只能以二維平面的形式顯示飛機所在的水平位置，其他如速度、高度、航向等僅能以數字顯示，不夠直觀；顯示終端的地圖數據是不帶高程信息的簡單地形圖，不能很好的反映真實的地形地貌以及建筑物信息。據了解，目前國內正在使用的ADS-B顯示系統都是平面二維系統，無法對飛行器活動進行三維感知和立體呈現，這一現狀亟需得到改善。

2 ADS-B與三維GIS結合的意義

作為一項新興的監視技術，ADS-B技術已經成為各國民航技術界的研究熱點。而隨著虛擬現實技術的飛速發展，三維地理信息系統（GIS）也越來越多的應用于交通、測量、建筑等方面，利用三維GIS進行飛行仿真驗證的研究也不鮮見。但把ADS-B技術與三維GIS相結合的研究和相關成果卻很少見。

歐洲的IDS公司設計的飛行程序安全性評估工具（FPSAT）是一款優秀的飛行程序三維可視化仿真驗證系統，可以通過讀入飛行程序數據完整的模擬飛行全過程，并且可以進行障礙物評估、地面及衛星導航信號可用性評估，氣象因素評估等。美國羅克韋爾柯林斯公司正在進行RNP程序的四維航跡規劃研究，通過實時探測地形障礙物信息計算下一步航路，并通過三維仿真軟件呈現，這一目標的實現需要以高性能的嵌入式系統和高速算法為基礎，技術難度較大。

目前國內虛擬現實技術發展迅速，其中涉及地理信息的虛擬現實應用更是方興未艾，國內有多個自主知識產權的三維GIS，其中關于民航空域規劃、飛行仿真的虛擬現實研究成果較多，可以成為我們很好的借鑒。利用現有的可擴展的三維GIS，結合ADS-B技術獲得飛機運行的實時參數，在顯示終端上還原飛機的飛行高度、速度、姿態軌跡等，結合高精度的地形數據實現逼真的仿真飛行，有非常大的研究和實用價值。

3 ADS-B三維航跡監視系統實現方法

鑒于傳統ADS-B飛機監視目標的二維打點顯示的不足，以及三維GIS在三維可視化方面的優勢，如果把ADS-B數據與三維GIS結合，以三維GIS為基礎進行系統開發，建立機場空域內逼真的高分辨率三維地形地貌模型環境，然后在其中構劃三維航線與保護區，并設計數據處理模塊來接收和處理ADS-B服務器中飛機監視數據，利用處理后的數據控制飛機模型進行六自由度的仿真飛行以實時呈現飛機真實的飛行狀態，并保留飛行軌跡回放功能，這種方法能夠以更加形象逼真的形式將飛行運行狀況提供給管制人員，根據高低起伏的三維地形和障礙物可以判斷和預警飛機與地形的安全距離，而且飛機間的水平和垂直間隔也一目了然，將極大的豐富ADS-B顯示終端的功能。

（1）技術路線

以三維GIS為平臺，構建機場終端區內帶有高程信息的高清三維地形環境，構劃機場固定飛行程序的立體航線、保護區輪廓、扇區等，接收ADS-B服務器GBT發出的運行飛機的位置、高度、速度、航行等數據，數據經處理模塊可控制三維飛機模型在屏幕上實時地仿真飛行，立體直觀地體現空域內眾多飛機的運行狀態。

（2）研究內容和關鍵技術問題

使用精確高程信息和高清地形紋理的網絡地形數據庫，并結合終端區更為精確的地形地物數字模型，反映飛行程序運行區域的地形地貌以及主要障礙物信息；根據具體的飛行程序航圖生成三維航跡和保護區輪廓；設計數據處理模塊，對ADS-B服務器提供的飛機信息進行解碼、預處理和卡爾曼濾波，實現飛機速度和姿態的控制；動態模擬眾多飛機的飛行全過程；同步顯示飛行狀態參數等。所涉及的關鍵技術問題如下：

（1）GBT服務器發出的飛機信息的網絡捕獲；

（2）飛機信息的解碼、濾波；

（3）通過飛機位置信息提取飛機姿態的算法；

（4）高分辨率三維地形環境的建立，數據分層以及高效率的顯示調度；

（5）機場空域重要建筑物的建模；

（6）飛行程序平面航圖向三維航圖的轉換算法；

（7）飛機眾多造成CPU負荷過重，需進行多任務多線程的程序優化。

4 結束語

本文提出的ADS-B航跡監視的三維可視化方法的創新點有： ADS-B技術與三維GIS的結合； 平面航圖的三維立體化； 飛行狀態監控觀察的三維立體化。該方法能夠實現對飛機運行狀況的三維實時監控，同時顯示飛行區域的地形起伏等自然環境，可以有效地輔助管制人員的指揮工作，增加飛行運行的安全性，必將成為ADS-B監視技術未來的發展方向。

參考文獻

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作者簡介：趙瑞（1984-），男，碩士，助工，畢業于中國民航大學，單位：中國民航飛行學院洛陽分院，現從事民航通信和監視工作。