ADS—B飛行器航跡監(jiān)視的三維可視化探討

摘 要：文章通過(guò)分析ADS-B二維航跡監(jiān)視的局限性，提出了ADS-B與三維地理信息系統(tǒng)結(jié)合的構(gòu)想，并詳細(xì)論述了ADS-B三維航跡監(jiān)視系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法和關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：ADS-B；監(jiān)視系統(tǒng)；地理信息系統(tǒng)；三維可視化

引言

ADS-B（廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視）是一種新型的基于衛(wèi)星定位和地空數(shù)據(jù)鏈的航空器運(yùn)行監(jiān)控技術(shù)。飛行學(xué)院于2005年開(kāi)始引入ADS-B系統(tǒng)，加強(qiáng)了對(duì)訓(xùn)練飛機(jī)的運(yùn)行監(jiān)視，進(jìn)而提升了飛行安全品質(zhì)，使學(xué)院的管制指揮達(dá)到了世界一流水平，也為學(xué)院帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。目前飛行學(xué)院使用的ADS-B系統(tǒng)的軟硬件都是從美國(guó)ADS-B Technologies公司進(jìn)口的產(chǎn)品，價(jià)格昂貴，維護(hù)成本高。從學(xué)院的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展和未來(lái)新技術(shù)推廣方面考慮，如果能夠?qū)崿F(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化，必將大幅減少飛行訓(xùn)練的投資成本。

1 ADS-B技術(shù)簡(jiǎn)介及存在的問(wèn)題

ADS-B系統(tǒng)主要包括機(jī)載通用訪問(wèn)收發(fā)機(jī)（UAT）和地面基站（GBT）兩部分。裝載ADS-B系統(tǒng)的飛機(jī)接收GPS定位信息并計(jì)算得到飛機(jī)的精確位置信息，然后將其與飛機(jī)的其他數(shù)據(jù)結(jié)合，通過(guò)UAT對(duì)外廣播，作用空域中載有ADS-B系統(tǒng)的飛機(jī)和地面GBT接收該廣播信息并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，然后傳送給顯示終端進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤顯示，這樣就實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控飛機(jī)飛行狀態(tài)的功能。目前ADS-B系統(tǒng)的終端顯示軟件都是經(jīng)過(guò)ADS-B服務(wù)器的授權(quán)可以通過(guò)普通網(wǎng)絡(luò)獲取服務(wù)器發(fā)送的飛機(jī)經(jīng)度、緯度、高度、速度、航向、識(shí)別碼等信息，結(jié)合軟件自帶的地圖數(shù)據(jù)，在顯示器上恢復(fù)飛機(jī)實(shí)時(shí)的飛行狀態(tài)，供空管指揮人員參考。

該終端顯示系統(tǒng)也有很多不足：只能以二維平面的形式顯示飛機(jī)所在的水平位置，其他如速度、高度、航向等僅能以數(shù)字顯示，不夠直觀；顯示終端的地圖數(shù)據(jù)是不帶高程信息的簡(jiǎn)單地形圖，不能很好的反映真實(shí)的地形地貌以及建筑物信息。據(jù)了解，目前國(guó)內(nèi)正在使用的ADS-B顯示系統(tǒng)都是平面二維系統(tǒng)，無(wú)法對(duì)飛行器活動(dòng)進(jìn)行三維感知和立體呈現(xiàn)，這一現(xiàn)狀亟需得到改善。

2 ADS-B與三維GIS結(jié)合的意義

作為一項(xiàng)新興的監(jiān)視技術(shù)，ADS-B技術(shù)已經(jīng)成為各國(guó)民航技術(shù)界的研究熱點(diǎn)。而隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的飛速發(fā)展，三維地理信息系統(tǒng)（GIS）也越來(lái)越多的應(yīng)用于交通、測(cè)量、建筑等方面，利用三維GIS進(jìn)行飛行仿真驗(yàn)證的研究也不鮮見(jiàn)。但把ADS-B技術(shù)與三維GIS相結(jié)合的研究和相關(guān)成果卻很少見(jiàn)。

歐洲的IDS公司設(shè)計(jì)的飛行程序安全性評(píng)估工具（FPSAT）是一款優(yōu)秀的飛行程序三維可視化仿真驗(yàn)證系統(tǒng)，可以通過(guò)讀入飛行程序數(shù)據(jù)完整的模擬飛行全過(guò)程，并且可以進(jìn)行障礙物評(píng)估、地面及衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)可用性評(píng)估，氣象因素評(píng)估等。美國(guó)羅克韋爾柯林斯公司正在進(jìn)行RNP程序的四維航跡規(guī)劃研究，通過(guò)實(shí)時(shí)探測(cè)地形障礙物信息計(jì)算下一步航路，并通過(guò)三維仿真軟件呈現(xiàn)，這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)需要以高性能的嵌入式系統(tǒng)和高速算法為基礎(chǔ)，技術(shù)難度較大。

目前國(guó)內(nèi)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展迅速，其中涉及地理信息的虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用更是方興未艾，國(guó)內(nèi)有多個(gè)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的三維GIS，其中關(guān)于民航空域規(guī)劃、飛行仿真的虛擬現(xiàn)實(shí)研究成果較多，可以成為我們很好的借鑒。利用現(xiàn)有的可擴(kuò)展的三維GIS，結(jié)合ADS-B技術(shù)獲得飛機(jī)運(yùn)行的實(shí)時(shí)參數(shù)，在顯示終端上還原飛機(jī)的飛行高度、速度、姿態(tài)軌跡等，結(jié)合高精度的地形數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)逼真的仿真飛行，有非常大的研究和實(shí)用價(jià)值。

3 ADS-B三維航跡監(jiān)視系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法

鑒于傳統(tǒng)ADS-B飛機(jī)監(jiān)視目標(biāo)的二維打點(diǎn)顯示的不足，以及三維GIS在三維可視化方面的優(yōu)勢(shì)，如果把ADS-B數(shù)據(jù)與三維GIS結(jié)合，以三維GIS為基礎(chǔ)進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，建立機(jī)場(chǎng)空域內(nèi)逼真的高分辨率三維地形地貌模型環(huán)境，然后在其中構(gòu)劃三維航線與保護(hù)區(qū)，并設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)處理模塊來(lái)接收和處理ADS-B服務(wù)器中飛機(jī)監(jiān)視數(shù)據(jù)，利用處理后的數(shù)據(jù)控制飛機(jī)模型進(jìn)行六自由度的仿真飛行以實(shí)時(shí)呈現(xiàn)飛機(jī)真實(shí)的飛行狀態(tài)，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(yùn)行狀況提供給管制人員，根據(jù)高低起伏的三維地形和障礙物可以判斷和預(yù)警飛機(jī)與地形的安全距離，而且飛機(jī)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(shù)路線

以三維GIS為平臺(tái)，構(gòu)建機(jī)場(chǎng)終端區(qū)內(nèi)帶有高程信息的高清三維地形環(huán)境，構(gòu)劃?rùn)C(jī)場(chǎng)固定飛行程序的立體航線、保護(hù)區(qū)輪廓、扇區(qū)等，接收ADS-B服務(wù)器GBT發(fā)出的運(yùn)行飛機(jī)的位置、高度、速度、航行等數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)處理模塊可控制三維飛機(jī)模型在屏幕上實(shí)時(shí)地仿真飛行，立體直觀地體現(xiàn)空域內(nèi)眾多飛機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。

（2）研究?jī)?nèi)容和關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

使用精確高程信息和高清地形紋理的網(wǎng)絡(luò)地形數(shù)據(jù)庫(kù)，并結(jié)合終端區(qū)更為精確的地形地物數(shù)字模型，反映飛行程序運(yùn)行區(qū)域的地形地貌以及主要障礙物信息；根據(jù)具體的飛行程序航圖生成三維航跡和保護(hù)區(qū)輪廓；設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)處理模塊，對(duì)ADS-B服務(wù)器提供的飛機(jī)信息進(jìn)行解碼、預(yù)處理和卡爾曼濾波，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)速度和姿態(tài)的控制；動(dòng)態(tài)模擬眾多飛機(jī)的飛行全過(guò)程；同步顯示飛行狀態(tài)參數(shù)等。所涉及的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題如下：

（1）GBT服務(wù)器發(fā)出的飛機(jī)信息的網(wǎng)絡(luò)捕獲；

（2）飛機(jī)信息的解碼、濾波；

（3）通過(guò)飛機(jī)位置信息提取飛機(jī)姿態(tài)的算法；

（4）高分辨率三維地形環(huán)境的建立，數(shù)據(jù)分層以及高效率的顯示調(diào)度；

（5）機(jī)場(chǎng)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(zhuǎn)換算法；

（7）飛機(jī)眾多造成CPU負(fù)荷過(guò)重，需進(jìn)行多任務(wù)多線程的程序優(yōu)化。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的ADS-B航跡監(jiān)視的三維可視化方法的創(chuàng)新點(diǎn)有： ADS-B技術(shù)與三維GIS的結(jié)合； 平面航圖的三維立體化； 飛行狀態(tài)監(jiān)控觀察的三維立體化。該方法能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)飛機(jī)運(yùn)行狀況的三維實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)顯示飛行區(qū)域的地形起伏等自然環(huán)境，可以有效地輔助管制人員的指揮工作，增加飛行運(yùn)行的安全性，必將成為ADS-B監(jiān)視技術(shù)未來(lái)的發(fā)展方向。

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作者簡(jiǎn)介：趙瑞（1984-），男，碩士，助工，畢業(yè)于中國(guó)民航大學(xué)，單位：中國(guó)民航飛行學(xué)院洛陽(yáng)分院，現(xiàn)從事民航通信和監(jiān)視工作。