通航飛行計劃評估系統設計與實現

吳仁彪，馬亞冰，王曉亮

（中國民航大學天津市智能信號與圖像處理重點實驗室，天津 300300）

通航飛行計劃評估系統設計與實現

吳仁彪，馬亞冰，王曉亮

（中國民航大學天津市智能信號與圖像處理重點實驗室，天津 300300）

為保障通用航空飛行的安全、合法和高效，針對通用航空飛行高度低、路線相對靈活、受地形地物和配載影響大等特點，提出一種通用航空飛行計劃評估系統設計與實現方法。飛行計劃評估以復雜評估要素的提取與處理為基礎，利用基于飛機性能工程的方法評估飛機燃油、配載以及起飛越障等關鍵指標，利用高精度地形插值的方法計算低空飛行剖面，利用2D/3D一體化地理信息系統平臺實現飛行計劃執行全過程3D可視化評估。系統測試表明，所設計和實現的飛行計劃評估系統能夠從關鍵指標、垂直飛行剖面以及三維可視化3個方面展開評估，從而為通用航空飛行計劃的制訂和審批提供依據，滿足通用航空對飛行計劃評估服務的需求。

通用航空；飛行計劃評估；飛行剖面；3D可視化；地理信息系統

伴隨著中國低空空域的逐步開放，通用航空在農、牧、林、交通以及科學研究等眾多領域應用越來越廣泛[1]，在“十三五”規劃中更是強調加快完善水利、鐵路、公路、水運、民航、通用航空、管道、郵政等基礎設施網絡，在國家層面上首次將通用航空和民航并列[2]。

為應對中國通航快速發展的需求，保障飛行安全，提高飛行作業效率，需逐步建立完善的通航服務保障系統，而飛行計劃評估系統是通航服務保障系統的重要組成部分。通用航空與一般運輸航空相比通常具有飛行高度低，飛行路線相對靈活，受地形地物和配載影響大，飛行器機動靈活、性能各異，作業區域情況復雜等特點，所以通航服務保障系統有別于一般運輸航空，通航飛行計劃的評估也與一般運輸航空有所不同。

國外通航發達國家已有一些公司開發了能夠提供通航飛行計劃評估功能的軟件。例如美國CSC DUATS公司開發的Golden Eagle FlightPrep系統和英國SkyDemon公司開發的SkyDemon Flight Planning系統[3-4]。這些軟件主要用于幫助飛行員或航空公司制訂飛行計劃，而中國通航服務保障對于飛行計劃評估除以上需求外，還有為計劃審批提供依據的需求。此外，由于中國與國外在空域管理政策、飛行服務技術、通航發展水平、地形地貌特征、飛行支持數據等方面的差異，上述軟件和相應方法無法直接應用于解決中國通航飛行計劃評估的問題。國內學者在通用航空和軍用航空飛行航跡的評估方面，已開展了有價值的研究[5-6]，但還缺少針對通用航空系統的飛行計劃評估方法的相關研究。

本文提出了一種通用航空飛行計劃評估系統設計與實現的方法，根據中國通航飛行和低空開放的特點，從飛行計劃涉及的關鍵指標、垂直飛行剖面以及三維可視化3個方面對通航飛行計劃展開評估技術研究。實驗測試表明，利用本文方法所設計和實現的通航飛行計劃評估系統可為通用航空飛行計劃評估服務提供有效的技術支撐。

1 系統設計方法

1.1 評估要素設計

針對通用航空飛行的特點，根據影響通用航空飛行的主要要素，通過關鍵指標評估、垂直剖面評估以及三維可視化評估3個方面實現通用航空飛行計劃的評估。

1.1.1 關鍵指標評估

關鍵指標評估通過定量化計算與通用航空飛行密切相關的指標，給出相應評估結果。主要包括：①飛機配載平衡評估：計算載重是否超過最大允許量，即確認載重是否超標，同時按配載信息計算飛機重心位置，確認飛機重心是否在合理范圍內。②飛機燃油消耗評估：計算執行飛行計劃總的航行距離，參照不同機型在爬升、巡航、下降各個階段對燃油的消耗，計算完成飛行計劃所需燃油量，結合飛行計劃中飛機起始飛行所搭載的燃油量，評估剩余燃油是否在安全范圍內。③跑道方向越障高度評估：根據飛行計劃中的機型信息，確定執行飛行計劃的機型性能參數，根據跑道方向障礙物與跑道的距離、障礙物的高度，按照通航飛機爬升率計算飛機的越障高度是否符合安全起飛標準。④飛機及飛行員適航評估：評估執行飛行計劃機型和飛行員是否有相應儀表或目視飛行的飛行資質[7]。

1.1.2 垂直剖面評估

從地形數據庫存儲的數字高程模型中提取經度、緯度和高程數據，通過高精度等分插值方法得到計劃航跡所在垂直方向的地形剖面，結合各航跡點飛行高度，繪制可變巡航高度的通航飛行計劃航跡剖面，評估飛行計劃各個階段飛機與地面間的高度是否留有足夠的安全余量。

1.1.3 三維可視化評估

針對通用航空飛行與地面地形地物關系密切的特點，采用三維可視化的方式直觀評估通用航空飛行計劃的風險。主要包括：①航線威脅評估：從地形數據庫存儲的數字高程模型中提取經度、緯度和高程數據，構建三維地理模型，根據飛行計劃中各航跡點經度、緯度坐標及飛行高度信息計算航跡空間位置，評估計劃航跡是否經過或接近管制區、監視區、報告區以及禁飛區；②作業區域氣象條件評估：根據氣象預報和實況數據得到危險氣象區域信息，評估計劃航跡是否穿越或接近危險氣象區域。

1.2 系統設計

飛行計劃評估系統由飛行計劃評估終端（FPET）和飛行計劃評估數據庫兩部分組成。為實現通用航空飛行計劃評估系統的各項功能，設計飛行計劃評估終端的各主要系統模塊如圖1所示。主要包括：飛行計劃評估模塊、飛行計劃接收與管理模塊、評估結果輸出與可視化呈現模塊、二三維一體化地理信息系統平臺管理模塊。飛行計劃評估終端外部通過ADO數據訪問技術實現飛行計劃評估終端與飛行計劃評估數據庫的信息交互，通過網絡時間協議服務器（NTP）獲取系統統一時鐘，通過數據管理系統（DMS）獲取相關配置信息。各主要系統模塊具體說明如下：

圖1 飛行計劃評估系統模塊結構圖Fig.1 Module structure diagram of flight plan evaluation system

1）飛行計劃評估模塊

飛行計劃評估模塊是為通用航空飛行計劃評估系統提供飛行計劃評估服務的核心功能模塊，該模塊可結合接收到的通用航空飛行計劃具體內容，從關鍵定量化指標、低空飛行剖面、三維計劃航跡3個方面實現通用航空飛行計劃評估。

2）飛行計劃接收與管理模塊

飛行計劃接收與管理模塊是為通用航空飛行計劃評估終端提供飛行計劃接收與管理服務的功能模塊，其按照服務內容可以分為飛行計劃接收、飛行計劃管理兩個主要模塊，其中飛行計劃接收又包含網絡傳輸、手工輸入和文件導入3種方式，而飛行計劃管理又包含對飛行計劃的添加、修改、刪除和保存功能。

3）評估結果輸出與可視化呈現模塊

評估結果輸出與可視化呈現是為系統提供飛行計劃評估結果輸出與可視化呈現服務的功能模塊，其主要包括評估結果輸出、飛行計劃預演示兩個主要部分，而評估結果輸出是將所涉及的關鍵定量化指標、低空飛行剖面、三維計劃航跡3項重要評估結果整理后以表單的形式輸出，飛行計劃預演示是利用二三維一體化地理信息系統平臺，實現對所提交飛行計劃的可視化呈現。

4）二三維一體化地理信息系統平臺管理模塊

二三維一體化地理信息系統平臺管理模塊是為通用航空飛行計劃評估終端提供地圖管理服務的功能模塊，采用二三維一體化地理信息平臺，對于飛行高度低、容易受地面地物影響的通用航空飛行給出更加直觀有效的評估結果。具體又包括圖層管理、顯示中心管理、控制區域管理以及關鍵點管理4個主體部分。

2 系統實現方法

1）飛行計劃評估模塊實現方法

飛行計劃評估模塊實現過程如圖2所示，其主要從圖中虛線框的關鍵定量化指標、低空飛行剖面、三維計劃航跡3個方面實現通用航空飛行計劃評估。關鍵定量化指標包括飛機配載平衡、飛機燃油消耗、跑道方向越障高度、飛機及飛行員適航4個部分，從飛行計劃評估數據庫中的飛行計劃表中提取與上述指標相關的飛行計劃報文數據，參照各個機型的飛行手冊，基于飛機性能工程方法評估各個關鍵量化指標，將各個量化指標的評估結果傳入飛行計劃評估數據庫。低空飛行剖面評估從飛行計劃評估數據庫中獲取計劃航跡點的經、緯度和高程數據，通過高精度等分插值方法結合二三維一體化地理信息系統平臺提取計劃航跡所在垂直方向的地形剖面，評估計劃航跡在垂直方向上與地形之間是否保持足夠的安全余量。三維計劃航跡評估包括航線威脅評估和作業區域氣象條件評估兩部分，航線威脅評估從飛行計劃評估數據庫中獲取計劃航跡點的經、緯度和高程數據，將計劃航跡數據導入二三維一體化地理信息系統平臺，在三維空間中評估計劃航跡與管制區、監視區、報告區以及與禁飛區之間的位置關系，作業區域氣象條件評估從飛行計劃評估數據庫中獲取天氣數據，評估計劃航跡與危險氣象區域的空間位置關系。

圖2 飛行計劃評估模塊實現過程Fig.2 Implementation of flight plan evaluation module

2）飛行計劃接收與管理模塊實現方法

飛行計劃接收與管理模塊的實現過程如圖3所示，其主要由飛行計劃接收模塊和飛行計劃管理模塊兩部分構成。飛行計劃接收方式有網絡傳輸、手工輸入和文件導入3種，其中網絡傳輸利用通用航空綜合運行支持系統內網接收由飛行計劃受理終端傳送來的飛行計劃數據，手工輸入通過與飛行計劃評估終端界面交互的形式錄入飛行計劃數據，文件導入是采用規定格式飛行計劃數據文件的方式錄入飛行計劃數據，通過上述3種方式接收的飛行計劃最終都被導入飛行計劃評估數據庫。飛行計劃管理的方式包括對飛行計劃的添加、修改、刪除和保存操作，通過與飛行計劃評估終端界面交互的形式實現上述對飛行計劃的管理操作，完成上述操作后的飛行計劃數據都將被導入飛行計劃評估數據庫。

3）評估結果輸出與可視化呈現模塊實現方法

評估結果輸出與可視化呈現模塊的實現過程如圖4所示，其主要由評估結果輸出和評估結果預演示兩部分組成。評估結果輸出基于二三維一體化地理信息系統平臺得到低空飛行剖面和三維計劃航跡，同時結合基于飛機性能工程的關鍵定量化指標，最終以表單文件的形式輸出上述3項評估結果。評估結果預演示利用飛行計劃評估終端從飛行計劃評估數據庫中獲取的計劃航跡點的經、緯度和高程數據，實現基于二三維一體化地理信息系統平臺的飛行計劃預演示及評估結果可視化呈現。

圖3 飛行計劃接收與管理模塊實現過程Fig.3 Implementation of flight plan reception and management module

圖4 評估結果輸出與可視化呈現模塊實現過程Fig.4 Implementation of evaluation results output and visualization module

4）地理信息系統平臺管理模塊實現方法

二三維一體化地理信息系統平臺管理模塊的實現過程如圖5所示，其主要包括圖層管理、顯示中心管理、控制區管理以及關鍵點管理4個部分。圖層管理將航路、計劃航線、控制區以及關鍵點數據引入地理信息系統的圖層場景，圖層化管理上述可視化數據[9]。顯示中心管理通過與飛行計劃評估終端界面的交互，編輯顯示中心的經、緯度以及比例尺來改變地理信息系統視角。控制區管理將通用航空中的禁飛區、管制區、監視區、報告區以及異常天氣區等信息整合為各類控制區，通過與飛行計劃評估終端界面的交互實現對上述區域的添加、編輯與保存操作。關鍵點管理將通用航空中的DME、VOR、機場以及地標點等數據整合為各類關鍵點，基于二三維一體化地理信息系統平臺實現上述各類關鍵點的添加、編輯與保存操作。

圖5 二三維一體化地理信息系統平臺管理模塊實現過程Fig.5 Implementation of 2D/3D GIS platform management module

3 系統運行與測試結果

圖6 系統運行與測試情況Fig.6 System operation and test

如圖6（a）為通用航空綜合運行支持系統中心服務站的實物圖，圖中第二行顯示器最右側為飛行計劃評估系統的顯示，系統運行主界面如圖6（b）所示。對于表1所示的通用航空飛行計劃，其關鍵指標評估結果如表2所示，從關鍵指標評估結果可以看出飛機重心位置符合88.90 cm～120.47 cm的條件，從飛機燃油消耗評估結果可以看出飛機剩余燃油量大于評估機型Cessna 172的不可用燃油量[10]，其剩余燃油量在安全范圍內，從跑道方向越障高度評估結果可以看出飛機超越障礙物高度滿足大于100 m的安全高度限制，飛機及飛行員適航評估結果可以由相關機型性能、飛行員執照信息獲取，其具備相應飛行資質。

表1 飛行計劃基本信息Tab.1 Basic information of flight plan

表2 飛行計劃關鍵指標評估結果Tab.2 Result of key indices evaluation for flight plan

垂直剖面評估結果比較如圖7所示，其中橫軸為飛行距離，縱軸為飛行高度，上方折線為計劃航跡垂直剖面，下方曲線為地形剖面邊界，圖7（a）中計劃航跡與地形之間存在較大安全間隔，其在垂直剖面內符合安全飛行的限制條件，垂直剖面評估結果為合格，圖7（b）中計劃航跡與地形之間存在相交的點，地形會對正常飛行造成威脅，垂直剖面評估結果為不合格。

圖7 垂直剖面評估結果比較Fig.7 Results comparison of vertical profile evaluation

三維計劃航跡評估結果比較如圖8所示，其中飛機模型所在折線為計劃航跡，圖8（a）中從三維計劃航跡評估結果看，計劃航跡周圍不存在禁飛區、異常天氣區等威脅區域，其與地面地物之間也保持一定安全距離，其三維計劃航跡評估結果為合格，圖8（b）中半透明區域“ForbidArea”為禁飛區，從三維計劃航跡評估結果看，計劃航跡中有部分航段已經進入禁飛區，其三維計劃航跡評估結果為不合格。

圖8 三維計劃航跡評估結果比較Fig.8 Results comparison of 3D plan trajectory evaluation

4 結語

本文給出了通用航空飛行計劃評估系統的設計與實現方法。利用二三維一體化地理信息系統平臺和基于數據庫的客戶端/服務器架構，從關鍵指標評估、垂直剖面評估以及三維可視化評估3個方面實現通用航空飛行計劃的評估。評估系統密切結合中國通用航空飛行的特點，評估結果中既包括直觀的三維可視化評估結果，也包括定量化的評估指標。本文方法設計與實現的通用航空飛行計劃評估系統可以為通用航空飛行計劃的制訂和審批提供技術支撐。

[1]馮 超．中國通用航空發展空間與產業鏈[J]．中國流通經濟,2014 (5):117-121.

[2]中共中央關于制定國民經濟和社會發展第十三個五年規劃的建議[EB/OL]．(2015-11-03)[2016-03-20].http://politics.people.com.cn/n/2015/1103/c1001-27772701-2.html.

[3]SKYDEMON．SkyDemon Flight Planning System[DB/OL]．http：//divelements.co.uk/plan/.

[4]DUATS C．Golden Eagle FlightPrep System[DB/OL]．http：//www.flightprep.com/.

[5]黃邦菊,林俊松,鄭瀟雨,等．復雜地形下直升機救援最佳飛行路徑分析[J].測繪地理信息,2013,38(5):42-48.

[6]李 猛,王道波,柏婷婷,等．基于蟻群優化算法和人工勢場的無人機航跡規劃[J]．應用科學學報,2012,30(2):215-220.

[7]王曉亮,馬亞冰,王 鵬,等．一種適用于通用航空的飛行計劃評估系統及實現方法:中國,201410839569[P]．2014-12-31.

[8]吳仁彪,王 鵬,王曉亮．通用航空綜合運行支持流程設計[J]．中國民航大學學報:2014,32(3):1-5.

[9]夏元友,盧 清．基于MO的GIS交通信息查詢系統[J]．武漢理工大學學報,2009,31(2):244-250.

[10]CESSNA AIRCRAFT COMPANY．Pilot’s operating handbook:Cessna model 172[EB/OL]．(2016-02-23)[2016-03-20].http：//www.skywarri orinc.com/downloads/POH%20BOOKS/172N%20POH.pdf.

（責任編輯：劉智勇）

Design and implementation of flight plan evaluation system for general aviation

WU Renbiao,MA Yabing,WANG Xiaoliang
（Intelligent Signal and Image Processing Key Lab of Tianjin,CAUC,Tianjin 300300,China）

A design and implementation method of flight plan evaluation system for general aviation considering the characteristics of general aviation such as lower flight height,flexible route,significant effects of terrain and load is proposed to guarantee the safety,legality and efficiency of flight.The flight plan evaluation is based on extraction and processing of complex evaluation factors.The aircraft performance engineering method is exploited to evaluate key indices such as fuel cost,load balance and takeoff obstacle height;a high precision interpolation method for terrain is utilized to calculate the low altitude flight profile and a 2D/3D platform of geographic information system is employed to evaluate the whole flight procedure in 3D visualization style.System test indicates that the flight plan evaluation system designed with the presented method could evaluate a flight plan from key indices,flight profile and 3D visualization.This system could support the preparation and approval of flight plan and satisfy the requirement of flight plan evaluation service for general aviation.

general aviation;flight plan evaluation;flight profile;3D visualization;geographic information system

V355；TP311.1

：A

：1674－5590（2016）06－0001－05

2016-04-05；

：2016-05-10

：國家科技支撐計劃項目（2011BAH24B12）；國家自然科學基金項目（11402294）；中央高校基本科研業務費專項（3122015D003）

吳仁彪（1966—），男，湖北武漢人，教授，博士，研究方向為信號和信息處理及其在雷達、通信和導航中的應用.