CN104457735A - 基于World Wind的4D航迹显示方法 - Google Patents

Abstract

一种基于World Wind的4D航迹显示方法。其包括对航空器飞行动态数据进行整理；对航空器投影坐标进行变换，以得到其投影位置；引入管制空域GIS数据，以得到空域背景；将上述航空器投影位置与空域背景进行合成，以得到结合了空域背景的航空器投影位置；根据确定的结合了空域背景的航空器投影位置，将上述航空器飞行动态数据以综合信息形式进行显示等阶段。本发明利用World Wind平台为显示子***的三维空域背景进行渲染，采用透明的目标层对航空器的动态信息进行显示，并通过空间变换的方式使航空器在目标层的位置与三维空域背景相一致，能为管理员提供更为直观的空域动态信息，有利于提高空中交通指挥有效性和可靠性。

Description

基于World Wind的4D航迹显示方法

技术领域

本发明属于显示技术领域，特别是涉及空管指挥***四维航迹显示方法。 

背景技术

航空器四维(4Dimensional，简称4D)航迹是以空间和时间形式对航空器运行的空间位置(经度、纬度和高度)和时间进行精确描述的方法，是美国下一代空中交通管理***(Next Generation Air Transportation System，简称NEXTGEN)和欧洲天空一体化空管研究(Single European Sky ATM Research，简称SESAR)计划的重要支撑技术之一。基于4D航迹的运行可显著减少航空器航迹的不确定性，提高空域和机场资源的安全性与利用率。同时，4D航迹在飞行冲突研究、空域规划、航迹规划、飞行仿真、空管支持和飞行事故调查分析中都具有重要意义。 

航迹显示是将航空器的当前位置及飞行轨迹实时地显示在监控器上，以使空中交通管制员及时了解管制空域内的航空器动态，以避免偏航和冲突。现行民航空管指挥***对航空器4D航迹信息的显示是采用二维动态显示模式，即在显示器上仅能够直观地显示出管制空域内航空器的水平分布情况，航空器的高度信息是通过标牌形式数字化表征的，通过对航空器位置信息的刷新呈现其时间信息。管制员对航空器之间相对位置的掌控需要在头脑中重构现实三维动态场景，这对管制员的技术要求较高、难度较大，不利于对高密度航空器进行管制。新一代空中交通管理***(NEXTGEN和SESAR)的出现与应用，对航空器的4D航迹管理提出了更高的要求。例如：在新一代空中交通管理***中，出于节能及降噪的考虑，将采用持续下降进近技术引导航空器着陆，这要求管制员对处于进近阶段航空器的4D航迹有更准确地掌握。而目前二维动态显示模式难以胜任这一要求，需要探索新的、更适合于新一代空中交通管理***的航空器4D航迹显示方法。 

在航空器4D航迹显示技术方面，国内外学者进行了大量有益的探索。一些学者对航空器4D航迹显示的可行性及应用价值进行了研究，如：Below等对4D航迹在座舱显示***中进行了尝试应用，对4D航迹显示与飞行安全进行评估；Teutsch等探讨了4D航迹在未来空管***的应用可行性，对管制员在航空器不同的飞行阶段的管控能力进行研究，阐述4D航迹在空管自动化***的应用价值；Lin等建立了三维实时目标定位轨迹显示预测***，用于监视地面目标的运行轨迹并作出预测，为4D航迹监视***的监视提 供理论依据。上述研究并未对4D航迹显示技术原理进行深入阐述。张志敏等建立实时航迹显示***，将时间信息引入二维航迹显示，结合地图三点定位原理，使用大背景漫游技术提高显示定位精度。虽然该研究实现了航迹的实时显示，但仍局限于传统的二维平面显示。还有一些学者提出将三维地理信息***(Geographic Information System，简称GIS)引入空管指挥***的显示中。Lin等研究了三维轨迹监视***的实现方法和关键技术问题；崔文等建立基于GIS组件的航迹标绘***，安良等研究了GIS在雷达显示控制***中的应用价值。上述成果表明三维GIS在空管指挥***的航空器4D航迹中具有重要作用。田良辉等利用美国宇航局(NASA)开发的三维可视化数字GIS浏览***——World Wind——建立了航空器模拟轨迹3D演示***，用于对航空器的空间飞行状态进行模拟演示。 

对于新一代空中交通管理***，由于对航空器4D航迹的精细化管理，需要管制员对负责空域内的航空器间的相对位置有较直观的掌控。显示航空器4D航迹的直观技术是利用三维动态显示***来实现，在三维显示***上增加动态信息即可。当前较成熟的三维显示技术，如分光立体眼镜、全息投影等，都可以实现很好的三维效果，然而利用这些技术构建的显示***很容易给使用者造成疲劳，不适于长时间使用，因此，新一代空中交通管理***的显示子***既需要满足对显示的航空器4D航迹具备直观三维效果，又要满足管制员能够长时间在显示***前工作的要求。 

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种能够符合新一代空中交通管理***显示子***实际需求的基于World Wind的4D航迹显示方法。 

为了达到上述目的，本发明提供基于World Wind的4D航迹显示方法包括顺序进行的下列步骤： 

(1)对空管指挥***移交的航空器飞行动态数据进行整理的S1阶段； 

(2)对航空器投影坐标进行变换，以得到其投影位置的S2阶段； 

(3)引入管制空域GIS数据，以得到空域背景的S3阶段； 

(4)将上述步骤(2)得到的航空器投影位置与步骤(3)得到的空域背景进行合成，以得到结合了空域背景的航空器投影位置的S4阶段； 

(5)根据步骤(4)确定的结合了空域背景的航空器投影位置，将步骤(1)存贮及管理的航空器飞行动态数据以综合信息形式进行显示的S5阶段。 

在步骤(1)中，所述的对空管指挥***移交的航空器飞行动态数据进行整理的方法是将符合空管雷达及管制中心设施间协调移交数据规范和欧洲监视数据移交标准规定的航空器飞行动态数据以结构体形式存贮，并以哈希表及链表形式进行管理，航空器飞行动态数据包括识别信息、飞行动态数据、时间信息以及其它特征信息。 

在步骤(2)中，所述的对航空器投影坐标进行变换，以得到其投影位置的方法是将航空器的经度、纬度、高度信息根据WGS-84坐标标准变换为以地心为原点的模型坐标系坐标；然后以显示屏幕中心对应的地球表面点为原点构建世界坐标系，并将航空器坐标由模型坐标转换为世界坐标；根据视景空间关系构建投影坐标系，将航空器的世界坐标转换为屏幕上显示的投影坐标。 

在步骤(3)中，所述的引入管制空域GIS数据，以得到空域背景的方法是将NASA开发的World Wind三维动态显示***作为背景平台，利用其外部接口将地表高程数据及纹理加载到***中。 

在步骤(4)中，所述的将上述步骤(2)得到的航空器投影位置与步骤(3)得到的空域背景进行合成，以得到结合了空域背景的航空器投影位置的方法是在三维动态显示背景层的前方放置一个透明的目标层，在目标层上标记出航空器的位置，使航空器处于实际空域背景环境中。 

在步骤(5)中，所述的根据步骤(4)确定的结合了空域背景的航空器投影位置，将步骤(1)存贮及管理的航空器飞行动态数据以综合信息形式进行显示的方法是根据步骤(4)确定的结合了空域背景的航空器投影位置，利用航空器识别信息检索出步骤(1)所存贮及管理的航空器飞行动态数据，并将这些数据以航空器的尾迹、标牌形式在目标层中进行绘制。 

本发明提供的基于World Wind的4D航迹显示方法在实现对航空器4D航迹三维动态显示的同时，还能够很好地与传统的显示子***模式兼容。该方法利用World Wind平台为显示子***的三维空域背景进行渲染，采用透明目标层对航空器的动态信息进行显示，并通过空间变换的方式使航空器在目标层的位置与三维空域背景相一致。本发明方法利用ADS-B采集空域内航空器的实时动态信息作为实验信息源，对航空器的4D航迹进行显示。实验结果表明，所提出的4D航迹显示技术与传统空中交通显示技术兼容，并能够为管理员提供更为直观的空域动态信息，有利于提高空中交通指挥的有效性和可靠性。 

附图说明

图1是本发明提供的基于World Wind的4D航迹显示方法流程图； 

图2是观察坐标系示意图； 

图3是透明目标图层与背景图层关系图； 

图4是航空器综合信息显示示意图； 

图5是管制空域多目标航迹俯视图； 

图6是管制空域多目标航迹侧视图； 

图7是图6中某目标航迹局部放大图。 

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的基于World Wind的4D航迹显示方法进行详细说明。 

图1是本发明提供的基于World Wind的4D航迹显示方法流程图。 

如图1所示，本发明提供的基于World Wind的4D航迹显示方法包括按顺序进行的下列步骤： 

(1)对空管指挥***移交的航空器飞行动态数据进行整理的S1阶段： 

空管指挥***通过局域网将显示所需的航空器飞行动态数据分发给显示子***。根据空管雷达及管制中心设施间协调移交数据规范(MH/T 4008-200)和欧洲监视数据移交标准(SUR.ETI.ST05.2000-STD-09-01)等规定，航空器飞行动态数据主要包括： 

1)识别信息：该信息可以是ICAO规定的每架航空器的唯一24位识别码，也可以是机载二次雷达应答机提供的12位识别码； 

2)飞行动态数据：主要包括航空器的三维位置、地速、爬升速度、偏向角、紧急状态等实时变化的信息； 

3)时间信息：指分发给显示子***的数据包中所包含的时间信息，该信息用于标记产生数据包内点迹或航迹报告的时刻。空管指挥***可以接收来自不同传感器(如航管一次雷达、航管二次雷达、ADS-B等)生成的飞行动态数据。这些数据的获取在时间上、空间上不同步，为同步在显示子***中处理，需要标记报告产生的时间信息； 

4)其它特征：这类信息主要包括航班号、航空器类型等，通常这类信息用于对航空器的辅助说明，在航空器飞行全程基本不变。 

利用上述信息可将生成航空器4D航迹所必需的位置、历史尾迹、速度大小及方向、 高度、识别等信息。 

本发明采用哈希表形式对上述航空器4D航迹的关键信息进行管理，并以航空器的识别信息作为哈希表的键属性，实现目标的划分。空域内航空器的增、减及跟踪是通过对哈希表对象的创建、删除及更新等方式进行管理。 

(2)对航空器投影坐标进行变换，以得到其投影位置的S2阶段： 

空域内航空器的位置通常利用其经度、纬度和高度来表示，由于在空管指挥***的显示子***采用平面显示器，航空器需要以屏幕坐标的形式给出其在屏幕投影的位置，因此需要将航空器的地理坐标变换到屏幕投影坐标形式。 

假设由空管指挥***分发到显示子***的某航空器的经度、纬度和高度分别为α、β和h。World Wind以地球球心为原点构建地球模型坐标系。该坐标的z轴与地球自转轴相同指向北极，x-y平面位于赤道面，x轴穿过格林威治子午线。在WGS-84坐标体系下，航空器在模型坐标系中的坐标(x_m,y_m,z_m)为： 

$\left\{\begin{array}{c}{x}_m=(r+h)\cos \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}\\ y_m=(r+h)\sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}\\ z_m=[r(1-e^2)+h]\sin \mathrm{\β}\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，r为等效半径： 

$r=\frac{R_e}{{\left({1-e}^2{\sin }^2\mathrm{\β}\right)}^{1/2}}---\left(2\right)$

e＝0.0818为地球偏心率，R_e为地球赤道半径，R_e＝6378137米。在World Wind中，三维场景的旋转平移都不会影响航空器在模型坐标系中的位置。 

将显示器屏幕中心所对应的地球表面点视为原点，构造世界坐标系，该坐标系的各个坐标轴与地球模型坐标系上对应的坐标轴平行。世界坐标系的原点在地球模型坐标系中的坐标为(x₀,y₀,z₀)，则航空器在世界坐标系的位置为(x_w,y_w,z_w)。考虑不同坐标系间变换中平移的影响，将各坐标分别表示为(x_m,y_m,z_m,1)和(x_w,y_w,z_w,1)，则两者关系为： 

$\left[\begin{array}{c}{x}_w\\ y_w\\ z_w\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& -x_0\\ 0& 1& 0& -y_0\\ 0& 0& 1& {-z}_0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_m\\ y_m\\ z_m\\ 1\end{array}\right]---\left(3\right)$

以虚拟观测点为原点(如图2中相机1的位置)朝向并垂直于投影平面为z轴，平行于投影平面的水平方向为x轴，构成观察坐标系，航空器在观察坐标系中的坐标表示为 (x_c,y_c,z_c,1)： 

$\left[\begin{array}{c}{x}_c\\ y_c\\ z_c\\ 1\end{array}\right]=M_2\·M_1\·\left[\begin{array}{c}{x}_w\\ y_w\\ z_w\\ 1\end{array}\right]---\left(4\right)$

其中，M₁为相机1的变换矩阵，具体形式为： 

$M_1={\left[\begin{array}{cccc}{\sin \mathrm{\α}}_c& -{\sin \mathrm{\α}}_c\sin {\mathrm{\β}}_c& -\cos {\mathrm{\α}}_c\cos {\mathrm{\β}}_c& 0\\ -{\cos \mathrm{\α}}_c& -\cos {\mathrm{\α}}_c\sin {\mathrm{\β}}_c& -{\sin \mathrm{\α}}_c\cos {\mathrm{\β}}_c& 0\\ 0& \cos {\mathrm{\β}}_c& -\sin {\mathrm{\β}}_c& 0\\ r_c\cos {\mathrm{\α}}_c\cos {\mathrm{\β}}_c& r_c\sin {\mathrm{\α}}_c\cos {\mathrm{\β}}_c& r_c\sin {\mathrm{\β}}_c& 1\end{array}\right]}^T---\left(5\right)$

[·]^T表示矩阵转置操作，α_c、β_c和r_c分别表示相机1的经度、纬度和相机1到地面的距离，M₂为旋转矩阵： 

和θ分别表示沿观察坐标系的x轴和z轴旋转的角度。 

视景空间V在观察坐标系下是由前取景面S1和后取景面S2截出的锥形区域构成，如图2所示。以前取景面S1作为投影面，观察坐标系的z轴与投影面的点作为投影坐标系的原点，投影坐标系的x轴和y轴分别平行于观察坐标系的x轴和y轴。观察坐标系中(x_c,y_c,z_c,1)处航空器在投影面的坐标是由观察坐标系原点与航空器连线交投影面的点所确定，因此航空器的投影坐标与x_c和y_c呈线性关系，与z_c呈倒数关系。利用三角变换可得： 

$\left[\begin{array}{c}{x}_p^{\′}\\ y_p^{\′}\\ r_p\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}{s}_w/2& 0& 0& 0\\ 0& s_h/2& 0& 0\\ 0& 0& \tan (\mathrm{\φ}/2)& 0\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{x}_c\\ y_c\\ z_c\\ 1\end{array}\right]---\left(7\right)$

式中s_w和s_h分别表示前取景面在观察坐标系中的宽度与高度，φ为视角大小，在三维显示***中，φ通常是固定的，x′_p和y′_p为未利用z_c进行非线性变换前的投影坐标，1/r_p为投影坐标缩放比例系数，所以，航空器在投影面的坐标为： 

$\left\{\begin{array}{c}{x}_p=x_p^{\′}/r_p\\ y_p=y_p^{\′}/r_p\end{array}\right.---\left(8\right)$

利用式(8)获得的航空器的投影坐标(x_p,y_p)可以实现在透明目标层上对航空器的定位。 

(3)引入管制空域GIS数据，以得到空域背景的S3阶段： 

空管指挥***的显示子***采用的是综合显示器，它将涉及航行安全的要素，如机场、导航台站、航线、特殊空域、障碍物等集成为航空器飞行态势显示的背景信息，使管制员能够更清晰明了地掌握空域运行状况。美国的NEXTGEN和欧洲的SESAR等新一代空中交通管理***均要求对航空器的管理由基于时间管理向基于航迹管理方向发展，这一方面要求显示子***应能够为管制员提供管制空域的三维动态显示，另一方面也要求显示子***能够提供更为丰富的背景信息，特别需要在机场附近的终端区域引入GIS信息，如数据高程模型(Digital Elevation Model，简称DEM)信息、地图图像信息等，用于显示终端区域地貌信息。 

本发明利用NASA开发的World Wind***作为空管指挥***三维动态显示的背景平台。World Wind具备Direct3D引擎的三维图形渲染机制，可以在地球模型上进行图像、模型等的渲染。World Wind还提供XML文件形式的数据接口，通过这个接口，本地地图瓦片分割图像和DEM高程数据可以加载到World Wind平台内。三维GIS的显示为指挥空域中的航空器提供目标周围参考，可直接对周边地形和环境等加以判断，丰富空管指挥***的显示内容，缩小了管制员与飞行员的视景差距，从而提高管制效率和准确度。 

通过World Wind的XML文件接口还可以加载气象云图、雷达信号强度等其它管制信息，进一步丰富空管指挥***三维动态显示的背景信息。 

(4)将上述步骤(2)得到的航空器投影位置与步骤(3)得到的空域背景进行合成，以得到结合了空域背景的航空器投影位置的S4阶段： 

步骤(2)所得到的航空器在显示屏幕上的投影位置需要与步骤(3)生成的管制空域背景信息协调一致，使显示子***能够将航空器正确地定位于背景环境中。如步骤(3)所述，World Wind可采用XML文件形式接收外部数据加载，但航空器的位置信息不宜于采用此接口加载，原因在于World Wind的三维场景渲染是通过Direct3D引擎渲染的。场景信息发生变化将会触发Direct3D引擎对场景重新渲染。当航空器位置信息通过XML文件接口加载时，将会触发Direct3D引擎。由于航空器的位置信息更新频繁，且空域内目标数较多，采用此方法会频繁触发Direct3D引擎。Direct3D引擎渲染过程计算复杂度高、时间负荷大，不适于频繁调用。 

本发明提供的方法是在三维场景显示层L2的前方放置一层用于绘制目标动态的透明的目标层L1，如图3所示。将三维场景的动态渲染与航空器动态信息更新相分离，从 而使Direct3D引擎只在三维场景发生变化时被调用，而目标动态信息的更新不会触发Direct3D引擎。 

目标层L1的引入解决了Direct3D引擎受目标更新信息影响而频繁调用问题，减少了航空器动态绘制的时间负荷，保证航空器4D航迹显示的实时性。关于航空器在目标层显示的位置与三维场景位置的一致性问题，本发明提供的方法是在步骤(2)中采用与步骤(3)同步变化的坐标系。 

(5)根据步骤(4)确定的结合了空域背景的航空器投影位置，将步骤(1)存贮及管理的航空器飞行动态数据以综合信息形式进行显示的S5阶段： 

航空器的综合显示信息包括航空器当前位置、历史航迹、飞行标牌、投影线和速度线等，通过这些信息的显示实现对航空器4D航迹的描述。 

本发明根据每个航空器的识别信息，对步骤(1)管理的哈希表中的对象检索，获取航空器一段时间内的飞行动态数据，并利用这些数据根据航空器的尾迹、标牌等信息显示类别生成相应的绘制参数，并以步骤(4)确定的结合了空域背景的航空器投影位置为中心在目标层L1上进行绘制，如图4所示，完成航空器的综合信息显示任务。 

实验结果 

本发明提供的基于World Wind的4D航迹显示方法可以通过以下实验进一步说明。 

实验采用的数据源为ADS-B接收机实时接收的北京空域内航空器动态数据。这些动态数据包括ICAO识别码、二次雷达识别码、实时三维位置信息(经度、纬度、高度)、速度信息、航向信息、时间信息等。 

本发明提供的基于World Wind的4D航迹显示方法的俯视效果图如图5所示。图中较大实心圆点标识出航空器的当前位置，相应的标牌给出航空器的识别信息及速度、高度等信息，通过折线与航空器相连的若干小点表示航空器的历史位置，这些位置的连线形成了航空器的尾迹信息。由图5可见，本发明提供的基于World Wind的4D航迹显示方法在俯视时退化为与现行显示方法相兼容的显示方式。 

采用斜视时，本发明提供的基于World Wind的4D航迹显示方法对航空器4D航迹显示如图6所示。图6为较大场景显示情况，图7为图6中局部目标放大显示的情况。与图5相比，图6中航空器的显示增加了投影线，从而能够更直观地为管制员提供航空器的高度信息。而且World Wind引入的三维GIS信息更能够协助管制员掌握管制空域的动态。 

实验结果表明，本发明提供的基于World Wind的4D航迹显示方法既完善了空域地理信息，又实现航迹三维显示的突破，可协助管制员更清晰地掌握空域内各航空器间的相互位置，提高了空中交通指挥的有效性和可靠性。 

Claims (6)

1.一种基于World Wind的4D航迹显示方法，其特征在于，所述的基于World Wind的4D航迹显示方法包括按顺序进行的下列步骤：

(1)对空管指挥***移交的航空器飞行动态数据进行整理的S1阶段；

(2)对航空器投影坐标进行变换，以得到其投影位置的S2阶段；

(3)引入管制空域GIS数据，以得到空域背景的S3阶段；

(4)将上述步骤(2)得到的航空器投影位置与步骤(3)得到的空域背景进行合成，以得到结合了空域背景的航空器投影位置的S4阶段；

(5)根据步骤(4)确定的结合了空域背景的航空器投影位置，将步骤(1)存贮及管理的航空器飞行动态数据以综合信息形式进行显示的S5阶段。

2.根据权利要求1所述的基于World Wind的4D航迹显示方法，其特征在于：在步骤(1)中，所述的对空管指挥***移交的航空器飞行动态数据进行整理的方法是将符合空管雷达及管制中心设施间协调移交数据规范和欧洲监视数据移交标准规定的航空器飞行动态数据以结构体形式存贮，并以哈希表及链表形式进行管理，航空器飞行动态数据包括识别信息、飞行动态数据、时间信息以及其它特征信息。

3.根据权利要求1所述的基于World Wind的4D航迹显示方法，其特征在于：在步骤(2)中，所述的对航空器投影坐标进行变换，以得到其投影位置的方法是将航空器的经度、纬度、高度信息根据WGS-84坐标标准变换为以地心为原点的模型坐标系坐标；然后以显示屏幕中心对应的地球表面点为原点构建世界坐标系，并将航空器坐标由模型坐标转换为世界坐标；根据视景空间关系构建投影坐标系，将航空器的世界坐标转换为屏幕上显示的投影坐标。

4.根据权利要求1所述的基于World Wind的4D航迹显示方法，其特征在于：在步骤(3)中，所述的引入管制空域GIS数据，以得到空域背景的方法是将NASA开发的World Wind三维动态显示***作为背景平台，利用其外部接口将地表高程数据及纹理加载到***中。

5.根据权利要求1所述的基于World Wind的4D航迹显示方法，其特征在于：在步骤(4)中，所述的将上述步骤(2)得到的航空器投影位置与步骤(3)得到的空域背景进行合成，以得到结合了空域背景的航空器投影位置的方法是在三维动态显示背景层的前方放置一个透明的目标层，在目标层上标记出航空器的位置，使航空器处于实际空域背景环境中。

6.根据权利要求1所述的基于World Wind的4D航迹显示方法，其特征在于：在步骤(5)中，所述的根据步骤(4)确定的结合了空域背景的航空器投影位置，将步骤(1)存贮及管理的航空器飞行动态数据以综合信息形式进行显示的方法是根据步骤(4)确定的结合了空域背景的航空器投影位置，利用航空器识别信息检索出步骤(1)所存贮及管理的航空器飞行动态数据，并将这些数据以航空器的尾迹、标牌形式在目标层中进行绘制。