CN104613967B - 便携式机载导航***的航图管理方法 - Google Patents

便携式机载导航***的航图管理方法 Download PDF

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Abstract

一种便携式机载导航***的航图管理方法。其包括获取航图坐标标定；完成航空器定位；对航图进行分层与分割而得到航图子图；设置航空器在导航***中显示位置的焦点信息；确定航空器所在子图的焦点子图索引；实现对导航***的航图背景初始化显示；对导航***背景航图进行平移与旋转；根据用户的缩放操作对***背景航空进行航图缩放等步骤。本发明提供的便携式机载导航***的航图管理方法是以标准航图作为机载导航***的背景，在内存空间受限条件下，对航图采用四叉树方式进行分层与分割，通过对航空的有效索引与调用，可实现导航***对航图的加载、平移、旋转、缩放等操作，从而有效地解决了航图占用内在效率问题。

Description

便携式机载导航***的航图管理方法
技术领域
本发明属于导航技术领域，特别是涉及一种低成本、高可靠性、便携式的便携式机载导航***的航图管理方法。
背景技术
机载导航***作为保障航行安全的重要***，能为其它机载***及飞行员提供实时的飞机位置、速度、姿态等信息。特别是在基于性能航行(Performance basednavigation，PBN)中，机载导航***的性能直接影响航空器的运行，因此对于航行安全至关重要。目前，常见的机载导航***主要有：惯性导航***、大气数据***、卫星导航***、近距陆基无线电导航***等。这些机载导航***通常价格比较昂贵，常常只是装备在体量较大、价值昂贵的公共运输航空的航空器上。对于通航的航空器来说，由于其具有体积小、载荷低、速度慢、高度低、价格便宜等特点，通常会选择结构简单、价格低廉且能够满足安全运行需求的机载导航***。
目前，机载导航***的研究主要是基于台式计算机或便携计算机开发的***，一类是将机载导航***如惯性导航、无线电导航等导航***提供的位置信息与地理信息***平台提供的航图信息结合，将导航信息显示在航图上，另一类是利用GPS提供航空器位置信息，并将航空器位置指示在电子航图上。这些***存在的主要问题在于***的便携性差。
随着平板电子产品的大量涌现，民航开始使用平板电脑作为电子飞行包(Electronic Flight Bag,EFB)。电子飞行包是供飞行员使用的，用于显示各种航行数据，进行各种飞行准备时的计算与检查的便携电子设备。虽然电子飞行包在一定范围内可以替代传统纸质航图，但无法实现航空器位置的实时显示。
平板电脑的出现，特别是内置GPS功能的平板电脑的出现为开发便携式机载导航***提供了可能。但由于平板电脑的内在空间受限，所以无法简单地加载航图，因此需要针对航图的加载与管理进行研究。
发明内容
为了解决便携式机载导航***的航图背景的索引、加载、平移、旋转、缩放等操作，本发明的目的在于提供一种便携式机载导航***的航图管理方法。
为了达到上述目的，本发明提供便携式机载导航***的航图管理方法包括顺序进行的下列步骤：
1)根据机载导航***所使用的航图中若干关键点坐标，获取航图经纬度坐标与位图像素坐标映射关系的航图坐标标定的S1阶段；
2)根据步骤1)获得的航图经纬度坐标与位图像素坐标映射关系，由航空器经纬度坐标信息计算出航空器在航图上的位图像素坐标，从而完成航空器定位，由此获得航空器位置及前后位置信息的S2阶段；
3)采用四叉树方式对航图进行分层与分割而得到航图子图的S3阶段；
4)设置航空器在导航***中显示位置的焦点信息的S4阶段；
5)根据步骤2)获得的航空器位置信息和步骤3)分割后的航图子图，确定航空器所在子图的焦点子图索引的S5阶段；
6)根据步骤5)索引的焦点子图及***焦点的缺省信息，在显示屏幕上放置焦点子图及相关邻近子图，实现对导航***的航图背景初始化显示的S6阶段；
7)根据步骤2)获得的航空器前后的位置信息、步骤4)的焦点信息和步骤5)的焦点子图，对导航***背景航图进行平移与旋转的S7阶段；
8)利用步骤4)的焦点信息和步骤5)的焦点子图，根据用户的缩放操作对***背景航图进行航图缩放的S8阶段。
在步骤1)中，所述的根据机载导航***所使用的航图中若干关键点坐标，获取航图经纬度坐标与位图像素坐标映射关系的航图坐标标定的方法是：采用一次拟合算法建立经纬度坐标与航图位图像素坐标之间的转换矩阵，利用标准航图上不少于3个已知航路点的经纬度坐标建立方程组，采用最小二乘算法求解转换矩阵中的未知参数，获得航图经纬度坐标与位图像素坐标之间的映射关系。
在步骤3)中，所述的采用四叉树方式对航图进行分层与分割而得到航图子图的方法是：将最高分辨率的原始航图定义为第0层，并将其分辨率作为归一化分辨率，通过抽取像素点处理获得M层不同分辨率的航图，然后以导航***显示屏尺寸为参数将每层航图分割为标准尺寸的子图。
在步骤4)中，所述的设置航空器在导航***中显示位置的焦点信息的方法是：将航空器所处的屏幕位置定义为焦点，表征焦点的信息包括航空器显示的屏幕位置信息及航向信息，焦点信息或采用***缺省设置信息，或通过用户操作进行调整。
在步骤5)中，所述的根据步骤2)获得的航空器位置信息和步骤3)分割后的航图子图，确定航空器所在子图的焦点子图索引的方法是：利用步骤2)获得的航空器位置信息，根据***缺省分辨率，在步骤3)分割出的不同图层的子图中确定出航空器所在的子图，即焦点子图。
在步骤6)中，所述的根据步骤5)索引的焦点子图及***焦点的缺省信息，在显示屏幕上放置焦点子图及相关邻近子图，实现对导航***的航图背景初始化显示的方法是：根据***缺省的焦点信息将步骤5)索引的焦点子图放置到相应位置处，并将焦点子图同层的邻近子图按照顺序放置到显示背景中，形成航图背景初始拼接。
在步骤7)中，所述的根据步骤2)获得的航空器前后的位置信息、步骤4)的焦点信息和步骤5)的焦点子图，对导航***背景航图进行平移与旋转的方法是：当航空器位置改变时，利用步骤2)获得的航空器前后位置信息，计算出航空器飞行的距离及航向，同时结合步骤4)的焦点信息，换算出背景航图的平移量及旋转量，对背景航图进行相应的平移及旋转。
在步骤8)中，所述的利用步骤4)的焦点信息和步骤5)的焦点子图，根据用户的缩放操作对***背景航图进行航图缩放的方法是：将***的缩放率与上、下门限值比较，当缩放率在门限范围内，则不改变航图图层，在本图层内进行缩放显示；若缩放率超过门限，则切换到新的图层，通过加载新图层的子图，完成缩放显示，同时，缩放率随着图层的切换进行更新。
本发明提供的便携式机载导航***的航图管理方法是以标准航图作为机载导航***的背景，在内存空间受限条件下，对航图采用四叉树方式进行分层与分割，通过对航空的有效索引与调用，可实现导航***对航图的加载、平移、旋转、缩放等操作，从而有效地解决了航图占用内在效率问题。
附图说明
图1是本发明提供的便携式机载导航***的航图管理方法流程图；
图2是***航图坐标标定效果图；
图3是***背景航图局部放大效果图；
图4是***航图经过平移、旋转后的效果图；
图5是航空器位置信息动态更新后的示意图。
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便携式机载导航***的航图管理方法进行详细说明。
图1是本发明提供的便携式机载导航***的航图管理方法流程图。
如图1所示，本发明提供的便携式机载导航***的航图管理方法包括按顺序进行的下列步骤：
1)根据机载导航***所使用的航图中若干关键点坐标，获取航图经纬度坐标与位图像素坐标映射关系的航图坐标标定的S1阶段：
本发明中的航空器实时经纬度信息来自于便携设备内置的GPS模块，机载导航***以标准航图为背景，因此，其首要任务是将航空器标注在航图的正确位置。由于标准航图是以位图形式提供的，所以GPS模块提供的航空器经纬度坐标需要转换为航图的位图像素坐标，从而实现在航图正确位置上对航空器的标注。将航空器经纬度坐标转换为位图像素坐标的过程称为航图坐标标定。
在标准航图中，由于导航台、机场等关键航路点的经纬度坐标已知，可以利用这些关键点坐标对航图进行标定。假设在航图上可获得N个关键航路点的经纬度坐标，(λn,θn)为第n个关键航路点的经纬度坐标，在航图上可获取的该航路点的像素坐标估计为采用一次拟合算法可得：
其中，为航图中选定N个关键航路点的像素坐标估计构成的2×N维数据矩阵，具体为
G为相应航路点经纬度构成的3×N维数据矩阵，
A为2×3维标定矩阵，
E为2×N维标定误差矩阵。
航图坐标标定过程就是由式(1)估计出标定矩阵A的过程，可采用最小二乘法进行求解，即：
求解式(5)可得标定矩阵估计值：
显然，当采用一次拟合时，标定矩阵估计值可由式(6)计算的前提是选定参考点数N≥3，而且随着选定参考点数N的增加，由式(6)计算出的标定矩阵估计值的精度也相应地提高。
2)根据步骤1)获得的航图经纬度坐标与位图像素坐标映射关系，由航空器经纬度坐标信息计算出航空器在航图上的位图像素坐标，从而完成航空器定位，由此获得航空器位置及前后位置信息的S2阶段：
航空器定位是指由航空器的经纬度坐标求解出其在原始标准航图上的像素坐标的过程。航空器当前的经纬度坐标(λ0,θ0)由便携式设备内置的GPS模块提供。利用标定矩阵估计值
可以计算出航空器在原始标准航图中所对应的位图像素坐标(x0,y0)。
利用航空器前后的位置变化还可以计算出航空器在相应时间间隔内飞行的距离与航向。
3)采用四叉树方式对航图进行分层与分割而得到航图子图的S3阶段：
本步骤采用四叉树方式对航图进行分层和分割。航图的分割是将航图接约定尺寸均匀地分割为若干子图。航图的分层是通过降分辨率的方式，使不同层的子图所呈现的空域范围尺度不同，从而实现***在不同分辨率下的航图管理。
将最高分辨率的原始标准航图定义为第0层，将其分辨率作为归一化分辨率。通过抽取像素点处理获得M层航图，分别标以第0,1,…,(M-1)层。相邻两层间像素点数量在x、y轴方向为2倍关系，即第m层航图的分辨率为1/2m，这样分辨率低的图层与分辨率高的图层相比，相同尺寸的子图，前者将呈现更大区域的航行信息，后者将提供更精细的航行信息。
假设平板设备显示屏幕的宽与高尺寸分别为w和h个像素，定义参数：
d＝f(w,h) (8)
即参数d是由w和h的某种函数关系确定的。
令每一级航图均以航图的左上角为原点，以参数d为正方形子图的边长，对各层航图进行分割。第m层航图的第r行，第c列的子图定义为(m,r,c)。显然，对于子图(m,r,c)的左上角像素为第m层航图的第[(r-1)d-1]行、第[(c-1)d+1]列的像素。
由于相邻两层间分辨率为2倍关系，所以第m层的某一子图所呈现的空域范围在第m-1层由4个子图呈现，相反，在第m+1层由某个子图的1/4部分呈现。
4)设置航空器在导航***中显示位置的焦点信息的S4阶段：
本步骤将航空器在导航***屏幕上显示的位置定义为焦点。焦点涉及的信息包括焦点所处屏幕位置的横、纵坐标(xc,yc)，以及航空器航向相对屏幕垂直向上方向的顺时针角度θc，即可综合表示为(xc,yc,θc)。
焦点信息是对航图进行加载、平移、旋转及缩放等操作的基准。焦点信息可以通过***预设，也可由用户进行修改，从而使导航***对不同兴趣区域进行观察。
5)根据步骤2)获得的航空器位置信息和步骤3)分割后的航图子图，确定航空器所在子图的焦点子图索引的S5阶段：
本步骤将航空器所在的子图定义为焦点子图。由步骤(4)可知，焦点子图亦为焦点所在的子图。根据步骤(3)中的分割子图参数d可以确定航空器所处的第0层航图的子图编号：
其中表示向上舍入操作。若将该子图左上角像素定义为[1 1]T，即第1行第1列元素，则航空器在该子图的像素坐标为：
由于导航***启动时，***背景不一定以第0层航图为基准的，可以是0～(M-1)层中的任意一层。根据***分辨率为s，可利用：
确定焦点航图所在的图层m。
根据航图上下层之间的关系，可以利用式(9)和(10)确定的航空器在第0层的子图及子图坐标信息进一步确定航空器在第m层的子图编号：
该子图即为焦点子图。也可以进一步确定航空器在焦点子图的像素坐标：
6)根据步骤5)索引的焦点子图及***焦点的缺省信息，在显示屏幕上放置焦点子图及相关邻近子图，实现对导航***的航图背景初始化显示的S6阶段：
根据步骤(5)索引的焦点子图(m,rm,cm)以及航空器在焦点子图中的像素坐标(x′m,y′m)及***焦点参数(xc,yc,θc)可以确定焦点子图左上角像素在屏幕上的坐标为(xc-x′m+1,yc-y′m+1)。
根据步骤(3)对航图的分层与分割原则，可以确定与焦点子图相关的同图层的8个子图，分别为(m,rm±1,cm±1)，(m,rm,cm±1)和(m,rm±1,cm)。这些子图与焦点子图按顺序共同拼接成***的初始航图背景。
7)根据步骤(2)获得的航空器前后的位置信息、步骤(4)的焦点信息和步骤(5)的焦点子图，对导航***背景航图进行平移与旋转的S7阶段：
当用户对导航***显示界面进行平移操作时，航空器位置与焦点位置脱离，此时需要重新计算焦点处的像素点坐标。
航空器前后位置的变化可以用航空器在第0层航图的像素坐标变化表示，假设航空器在第0层航图的当前像素坐标为pn＝(xn,yn)，新的像素坐标为pn+1＝(xn+1,yn+1)。由于航空器位置的变化，需要通过对航图的平移与旋转，使航空器新位置坐标对准焦点。根据焦点参数及不同层间航图关系，作为显示背景的第m层航图的平移量为：
其中α为***缩放率，缺省值为1，用户可以对其进行修改。
航图平移后，以焦点为中心的旋转角度可以由***的测向设备提供，也可由前后位置关系获得：
Δθ＝arg[pn pn+1]-arg[pn-1 pn]+θc (15)
其中，arg[pn pn+1]表示由点pn指向点pn+1矢量的辐角。
8)利用步骤4)的焦点信息和步骤5)的焦点子图，根据用户的缩放操作对***背景航图进行航图缩放的S8阶段：
本发明允许用户对航图进行缩放操作，以获得更好的导航显示效果。
航图的缩放不仅可以在本层航图内进行，也可以发生于相邻图层间的切换。一旦发生不同图层间的切换，需要使新图层的航图保持与原图层相同的焦点信息及方向信息。
当***缩放率α大于当放大门限αin时，***背景图层由第m层切换到第m-1层，同时缩放率更新为α′＝α/2，并根据步骤(5)重新索引焦点子图，并由步骤(6)完成航图图层切换后的背景刷新过程。
当***缩放率α小于当缩小门限αout时，***背景图层由第m层切换到第m+1层，同时缩放率更新为α′＝2α，并根据步骤(5)重新索引焦点子图，并由步骤(6)完成航图图层切换后的背景刷新过程。
当***缩放率α处于(αout,αin)内时，不发生图层间切换，相应图层子图按α倍放大显示。
***放大门限αin和缩小门限αout应满足：
为防止邻近图层间切换抖动，门限αin和αout需满足：
即：
αin>2αout (18)
实验结果
本发明提供的便携式机载导航***的航图管理方法有效性可用以下实验来验证。
利用Eclipse开发平台的Android开发工具ADT搭建***仿真平台，并以航图ZBAA的天津地区为实验空域，通过向***定位模块发送位置仿真数据来验证***功能。
利用航图ZBAA中的导航点PEK、CG、P75、NIKIT、TONIL对航图进行标定，然后，根据标定结果将航图加载到***中。利用仿真平台向***发送导航点VYK的坐标。由图2可见，***焦点正确地定位于导航点VYK的位置。对图2进行局部放大，如图3所示。可见，***焦点被准确地定位于导航点VYK处。因此，本发明采用的航图标定方法是有效的。
对图3所示场景进行旋转、平移操作，航图背景的改变如图4所示。比较图4与图3可见，***显示进行旋转与平移后，改变的是焦点的参数，而航空器与航图之间的位置未发生改变。
通过仿真平台向***周期地发送航空器位置数据，通过改变航空器位置数据，模拟出航空器飞行的状态。由图5可见，航空器位置参数的变化，使得航空器与航图之间的相对位置发生改变。与图2相比，***焦点位置并未发生变化。

Claims (8)

1.一种便携式机载导航***的航图管理方法，其特征在于：其包括按顺序进行的下列步骤：
1)根据机载导航***所使用的航图中若干关键点坐标，获取航图经纬度坐标与位图像素坐标映射关系的航图坐标标定的S1阶段；
2)根据步骤1)获得的航图经纬度坐标与位图像素坐标映射关系，由航空器经纬度坐标信息计算出航空器在航图上的位图像素坐标，从而完成航空器定位，由此获得航空器位置及前后位置信息的S2阶段；
3)采用四叉树方式对航图进行分层与分割而得到航图子图的S3阶段；
4)设置航空器在导航***中显示位置的焦点信息的S4阶段；
5)根据步骤2)获得的航空器位置信息和步骤3)分割后的航图子图，确定航空器所在子图的焦点子图索引的S5阶段；
6)根据步骤5)索引的焦点子图及***焦点的缺省信息，在显示屏幕上放置焦点子图及相关邻近子图，实现对导航***的航图背景初始化显示的S6阶段；
7)根据步骤2)获得的航空器前后的位置信息、步骤4)的焦点信息和步骤5)的焦点子图，对导航***背景航图进行平移与旋转的S7阶段；
8)利用步骤4)的焦点信息和步骤5)的焦点子图，根据用户的缩放操作对***背景航图进行航图缩放的S8阶段。
2.根据权利要求1所述的便携式机载导航***的航图管理方法，其特征在于：在步骤1)中，所述的根据机载导航***所使用的航图中若干关键点坐标，获取航图经纬度坐标与位图像素坐标映射关系的航图坐标标定的方法是：采用一次拟合算法建立经纬度坐标与航图位图像素坐标之间的转换矩阵，利用标准航图上不少于3个已知航路点的经纬度坐标建立方程组，采用最小二乘算法求解转换矩阵中的未知参数，获得航图经纬度坐标与位图像素坐标之间的映射关系。
3.根据权利要求1所述的便携式机载导航***的航图管理方法，其特征在于：在步骤3)中，所述的采用四叉树方式对航图进行分层与分割而得到航图子图的方法是：将最高分辨率的原始航图定义为第0层，并将其分辨率作为归一化分辨率，通过抽取像素点处理获得M层不同分辨率的航图，然后以导航***显示屏尺寸为参数将每层航图分割为标准尺寸的子图。
4.根据权利要求1所述的便携式机载导航***的航图管理方法，其特征在于：在步骤4)中，所述的设置航空器在导航***中显示位置的焦点信息的方法是：将航空器所处的屏幕位置定义为焦点，表征焦点的信息包括航空器显示的屏幕位置信息及航向信息，焦点信息或采用***缺省设置信息，或通过用户操作进行调整。
5.根据权利要求1所述的便携式机载导航***的航图管理方法，其特征在于：在步骤5)中，所述的根据步骤2)获得的航空器位置信息和步骤3)分割后的航图子图，确定航空器所在子图的焦点子图索引的方法是：利用步骤2)获得的航空器位置信息，根据***缺省分辨率，在步骤3)分割出的不同图层的子图中确定出航空器所在的子图，即焦点子图。
6.根据权利要求1所述的便携式机载导航***的航图管理方法，其特征在于：在步骤6)中，所述的根据步骤5)索引的焦点子图及***焦点的缺省信息，在显示屏幕上放置焦点子图及相关邻近子图，实现对导航***的航图背景初始化显示的方法是：根据***缺省的焦点信息将步骤5)索引的焦点子图放置到相应位置处，并将焦点子图同层的邻近子图按照顺序放置到显示背景中，形成航图背景初始拼接。
7.根据权利要求1所述的便携式机载导航***的航图管理方法，其特征在于：在步骤7)中，所述的根据步骤2)获得的航空器前后的位置信息、步骤4)的焦点信息和步骤5)的焦点子图，对导航***背景航图进行平移与旋转的方法是：当航空器位置改变时，利用步骤2)获得的航空器前后位置信息，计算出航空器飞行的距离及航向，同时结合步骤4)的焦点信息，换算出背景航图的平移量及旋转量，对背景航图进行相应的平移及旋转。
8.根据权利要求1所述的便携式机载导航***的航图管理方法，其特征在于：在步骤8)中，所述的利用步骤4)的焦点信息和步骤5)的焦点子图，根据用户的缩放操作对***背景航图进行航图缩放的方法是：将***的缩放率与上、下门限值比较，当缩放率在门限范围内，则不改变航图图层，在本图层内进行缩放显示；若缩放率超过门限，则切换到新的图层，通过加载新图层的子图，完成缩放显示，同时，缩放率随着图层的切换进行更新。
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