一种三维交互式模拟航迹生成方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种三维交互式模拟航迹生成方法及系统，涉及空管技术领域，旨在针对现有航迹生成过程的不足提供一种多种航迹数据源的模拟航迹生成方法。本发明技术要点包括：模拟航迹生成步骤，接收航迹源数据，根据航迹源数据生成实时模拟航迹；交互式控制步骤，接收用户输入的模拟控制指令并根据模拟控制指令对模拟航迹过程进行控制；航迹显示步骤，将模拟航迹结果进行显示。
【专利说明】
一种三维交互式模拟航迹生成方法及系统
技术领域
[0001]本发明涉及空管技术领域，尤其是一种三维交互式模拟航迹生成方法。
【背景技术】
[0002]航管雷达是空中交通管理系统监视空中飞行情况的重要信息源之一，是确保飞行安全、实现雷达管制和提高空域容量的基础。常用的航管雷达有一次监视雷达(PSR)、二次监视雷达(SSR)、场面监视雷达(SMR)等。其中，一次监视雷达提供的信息包括目标母体至雷达的距离，距离变化率或径向速度、方位、高度等；空管二次雷达提供飞行器代码，以及距离、方位、高度等重要数据;场面监视雷达的回波信号通过目标点迹和航迹处理，形成综合的机场场面动态画面，还可以通过实孔径成像处理，显示机场场面的高分辨雷达图形，实现必要的目标识别和静止目标或障碍物成像。空中交通管理自动化系统处理雷达的监视数据，产生单监视源航迹，处理雷达航迹、ADS-B航迹、ADS-C航迹，建立系统航迹，实现系统航迹与飞行计划的耦合，产生基于航迹的耦合。
[0003]但是现有的航迹建立过程存在以下不足:
航迹的数据来源单一，适用场景具有唯一性；
模拟航迹的生成方法较为单一，不能很好的满足航管监视和空中交通管理系统测试和评定的需求；
航迹缺少交互式控制，不能根据训练及想定要求灵活地模拟任意航迹；
航迹显示简单、没有提供真实实时的三维航迹显示环境。模拟航迹在三维仿真环境中可动态实时全面的显示，更直观，信息更全面，给用户提供更好的沉浸感、真实感、交互性。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题是:针对上述存在的问题，首先提供根据多种航迹数据源生成模拟航迹的方法。
[0005]本发明提供的三维交互式模拟航迹生成方法，包括:
模拟航迹生成步骤，接收航迹源数据，根据航迹源数据生成实时模拟航迹；
交互式控制步骤，接收用户输入的模拟控制指令并根据模拟控制指令对模拟航迹过程进行控制；
航迹显示步骤，将模拟航迹结果进行显示。
[0006]进一步，所述航迹源数据包括四维轨迹信息、屏幕取点数据、飞行计划、GPX数据、雷达航迹和系统航迹。
[0007]进一步，生成实时模拟航迹的方法为简单插值航迹模拟方法或飞行动力学仿真方法。
[0008]进一步，所述模拟控制指令包括重新加载航迹、停止航迹计算、修正高度以及航迹生成速度控制。
[0009]进一步，航迹显示步骤进一步包括:通过加载对应飞行器的模型，进一步在显示画面中展示飞行器的位置、俯仰角、横滚角及航向角。
[0010]本发明还提供可一种与上述方法步骤一一对应的三维交互式模拟航迹生成系统，包括:
模拟航迹生成模块，用于接收航迹源数据，根据航迹源数据生成实时模拟航迹;并根据交互式控制模块提供的模拟控制指令对模拟航迹过程进行控制；以及向航迹显示模块输出模拟航迹结果；
交互式控制模块，用于接收用户输入的模拟控制指令；
航迹显示模块，用于将模拟航迹结果进行显示。
[0011]进一步，航迹显示模块还用于通过加载对应飞行器的模型，在显示画面中展示飞行器的位置、俯仰角、横滚角及航向角。
[0012]综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是:三维交互式模拟航迹生成方法提供飞行器的位置、速度、姿态等信息，为航管监视系统提供试验数据，测试航管监视系统的性能、验证功能的正确性;为雷达模拟仿真提供测试数据;为空中交通自动化系统提供测试数据源。
[0013]模拟航迹的生成数据源方式可以为屏幕取点数据，4D轨迹数据，GPX轨迹点、飞行计划、雷达航迹和系统航迹等，可以引接google earth的GPX数据，可以接受飞行计划报文、四维轨迹文件等作为数据源，可以接收监视数据处理软件输出的雷达航迹和系统航迹等，方便进行测试数据的保存、读取、重放等。
[0014]根据不同需求，模拟的方法有所不同，可产生不同效率和不同效果的模拟航迹结果。交互式控制航迹的模拟过程中，用户可以进行控制包括停止航迹的模拟、重新加载航迹数据源和航迹计算方式、修正巡航高度数据等，三维场景中将动态反映用户的操作结果。
[0015]提供的模拟航迹显示模块，对航迹模拟的效果提供更直观、更丰富的演示，为用户提供了更好的沉浸感、真实感和交互性，发挥了实时三维仿真的优势。
【附图说明】
[0016]本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中:
图1为本发明系统原理框图。
[0017]图2为四维轨迹信息处理流程图。
[0018]图3为从屏幕取点得到模拟数据源的流程图。
【具体实施方式】
[0019]本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
[0020]本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
[0021]本发明公开了一种三维交互式模拟航迹生成方法，属于空管系统中飞行器模拟监控领域。该方法包括模拟航迹生成步骤、交互式控制步骤及航迹显示步骤。通过本发明可以生成三维模拟航迹，航迹的生成可以动态交互，如图1所示。其中， 模拟航迹生成步骤
从航迹数据源接收数据，根据算法生成飞行器的实时航迹状态信息，航迹生成过程接受用户输入的模拟控制指令的控制，并输出模拟航迹结果。
[0022](I)接收航迹源数据
航迹数据源包含:四维轨迹信息、屏幕取点数据、飞行计划、GPX数据、雷达航迹和系统航迹等。
[0023]四维航迹是以空间和时间形式，对某一飞行器航迹中的各点空间位置(经度、玮度和高度)和时间的精确描述，基于航迹的运行是指在4D航迹的航路上使用“控制到达时间”，即控制飞行器通过特定航路点的“时间窗”。四维轨迹生成保证了飞行器沿预定航路飞行时是否满足高度、速度、爬升梯度等方面的限制以及飞行器到达某一点所需的时间。基于精确的数学模型、飞行器性能模型，结合标准的空中运动包括起飞的空中段、起飞飞行航迹、爬升、巡航、下降、进近和着陆的空中段，各段都可以用质心动力学方程等来描述。在高密度空域把基于4D航迹的运行(Trajectory based Operat1n)作为基本运行机制之一，是未来对大流量、高密度、小间隔条件下空域实施管理的一种有效手段，可以显著地减少飞行器航迹的不确定性，提高空域和机场资源的安全性和利用率。
[0024]实现四维轨迹预测的途径通常有最优控制法和过程综合法两种，结合飞行器的实际飞行特点，通常采用的是过程综合法。过程综合法指通过指定进入测量点(EM)和测量定位点(MF)，从进入测量点开始，控制飞行器按照四维轨迹飞行，在指定时间到达测量定位点。四维轨迹的简易处理流程如图2所示，演示了飞行器在等高度飞行和等Ma/CAS数飞行时的航迹解算方法，其中CAS表示高度加速到的表速，TAS表示真空速，Ma表示马赫数。
[0025]屏幕取点数据是这样得到的，根据鼠标点击事件获取位置点信息，通过坐标系的转换得到取点的经玮度信息，再根据设置的起飞高度、巡航高度、降落高度、速度、加速度、运动阶段(起飞、爬升、巡航、下降、进近、着陆)等参数，形成航迹数据源，如图3所示。
[0026]飞行计划通过获得空中交通自动化系统中的飞行计划情报或航行情报等生成模拟数据源，包括了飞行计划的获取、验证、解析、轨迹控制点生成等。
[0027]GPXCGPS exchange Format，GPS交换文件)用以描述路点、轨迹、路程，用标签保存了位置、海拔和时间，可以用来在不同的GPS设备和软件之间交换数据XML、KML、GPX等可用GPSBab Ie软件进行转换。
[0028]雷达航迹包括单雷达航迹和雷达融合航迹等，雷达航迹信息描述了某个时间点上目标的位置姿态等信息。监视处理处理软件接收雷达数据，对雷达数据进行规格化，进行单雷达航迹关联跟踪、多雷达数据融合、航迹管理以及实时质量控制，输出单雷达航迹和多雷达航迹。
[0029]系统航迹由监视数据处理软件输出。监视数据处理软件接收、处理雷达和ADS-B等监视数据，通过多雷达数据融合和多监视源数据融合等处理，得到连续完整、稳定可靠的系统航迹。
[0030](2)生成实时模拟航迹
模拟航迹的生成有两种可选的方法，简单插值航迹模拟和飞行动力学仿真。
[0031]简单插值航迹模拟利用插值的方法，在数据源提供的位置点之间进行插值，输出连续的航迹信息。其中，针对不同的航迹数据源，有不同的插值方法。
[0032]GPX和四维轨迹模拟，可以根据路径点间的时间差、路程差，进行插值，生成连续航迹。而屏幕取点没有对应的时间信息，根据速度、加速度采取模糊控制。在起飞、爬升、下降、进近、着陆等阶段，根据飞行器的参数，参考飞行实际，调整加速度系数进行航迹控制，而在巡航阶段，根据巡航速度控制航迹生成。飞行计划得到的航迹数据源信息包括了执行日期、机型、尾流类型、起飞机场、目的地机场、巡航高度、实际起飞时间、降落机场、降落时间、巡航速度、航路点等信息，通过四维轨迹预测可以得到轨迹点，再进行四维轨迹的实时模拟计算。如果对航迹的精度要求不高，而效率要求较高时，可以在飞行的起飞、爬升、巡航、下降、进近、着陆阶段，根据飞行计划数据，进行简单的插值计算，得到模糊但是计算效率高的航迹模拟数据。雷达航迹和系统航迹描述了飞行器在某个时刻的位置点、姿态、速度等信息，可选择速度和时间计算飞行器的位置增量，与航迹中的位置点计算后得到飞行器的实时模拟位置。
[0033]简单插值模拟航迹生成只能进行粗糙的航迹模拟，计算简单，速度快，适应多飞行器计算，如果要求进行精细的航迹模拟，则需要结合4D轨迹点，进行飞行器动力学仿真。
[0034]飞行动力学是飞行进行逼真的航迹模拟的基础，通过不同飞行器的各种参数，飞行控制、在不同环境下的力作用，得到飞行器的速度、加速度、姿态等信息。精确的飞行动力学仿真可以得到与实际飞行轨迹几乎吻合的航迹。FlightGear作为最著名的跨平台开源的飞行模拟软件之一，具有强大真实的飞行仿真功能、开放式的程序架构和预留的外部数据输入/输出接口。飞行引擎，提供飞行器的实时模拟飞行，利用飞行动力学模型，基于气动力学系数或几何信息控制飞行器的姿态、位置等信息。在各种飞行条件下能得到准确的与实际飞行比较吻合的仿真结果。较典型的飞行模型有UIUC、Beech99、Marchetti S-211 jettrainer、JSB、YASim等。利用fdm的相应接口，对不同类型的飞行器，进行飞行仿真模拟，生成每个时刻对应的位置(经度、玮度、高度)和姿态(俯仰角pitch、横滚角roll、航向角heading)等信息。
[0035](3)模拟控制
接收交互式控制命令和参数，对模拟航迹生成过程进行控制。模拟控制指令包括:重新加载、停止航迹计算、修正高度、航迹生成速度控制等。当模拟控制指令为重新加载航迹时，则对于同一个飞行器，停止航迹的计算，删除原始航迹，重新加载新的航迹计算模式和新的航迹数据源并继续航迹计算。
[0036]当模拟控制指令为停止航迹计算时，则停止航迹的计算和更新显示，停止显示的航迹画面上的飞行器位置和姿态的更新。
[0037]当模拟控制指令为修正高度，则根据输入参数修正飞行器巡航、起飞、降落等阶段的高度值。
[0038]当模拟控制指令为航迹生成速度控制时，则根据输入参数加速或减速模拟航迹生成的进度。
[0039](4)模拟航迹输出
将航迹模拟的结果输出，输出的内容包括了飞行器实时的位置(经度、玮度、高度)，姿态(俯仰角pitch、横滚角roll、航向角heading)等信息。
[0040]交互式控制步骤
航迹交互式控制模块为用户提供控制航迹模拟的接口，包括重新加载、停止航迹计算、修正高度、航迹生成速度控制等。此步骤中还包括接收用户输入的控制命令和参数，对输入信息进行校验后，将正确的命令和参数提供给模拟航迹生成步骤。
[0041 ] 航迹显示步骤
显示运算出的航迹，给航管监视和空中交通自动化管理提供场景，以便验证。场景中飞行器可以用标牌、速度矢量线、历史轨迹标识，为了更形象的标识飞行器，可以通过加载对应飞行器的模型，进一步观察飞行器的位置、俯仰角pitch、横滚角roll、航向角heading等姿态信息。不同的飞行器对应不同的模型加载，同一飞行器可以有不同精度的模型，根据显示的需求、视点离模型的距离、配置文件等控制显示的模型，可以根据不同想定的不同需求，实现效果和效率的平衡。
[0042]在其他实施例中，本步骤还将航迹显示输出的航迹的模拟数据与真实的航迹进行对比，调整航迹生成过程的参数与权重，修正和优化航迹生成模块的效率和效果，生成平滑、近似真实且计算效率高的模拟航迹。
[0043]本发明还提供可一种与上述方法步骤一一对应的三维交互式模拟航迹生成系统，包括:
模拟航迹生成模块，用于接收航迹源数据，根据航迹源数据生成实时模拟航迹;并根据交互式控制模块提供的模拟控制指令对模拟航迹过程进行控制；以及向航迹显示模块输出模拟航迹结果；
交互式控制模块，用于接收用户输入的模拟控制指令；
航迹显示模块，用于将模拟航迹结果进行显示。
[0044]上述方法步骤的实施例同样适用于本软系统。
[0045]本发明并不局限于前述的【具体实施方式】。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
【主权项】
1.一种三维交互式模拟航迹生成方法，其特征在于，包括: 模拟航迹生成步骤，接收航迹源数据，根据航迹源数据生成实时模拟航迹； 交互式控制步骤，接收用户输入的模拟控制指令并根据模拟控制指令对模拟航迹过程进行控制； 航迹显示步骤，将模拟航迹结果进行显示。2.根据权利要求1所述的一种三维交互式模拟航迹生成方法，其特征在于，所述航迹源数据包括四维轨迹信息、屏幕取点数据、飞行计划、GPX数据、雷达航迹和系统航迹。3.根据权利要求1所述的一种三维交互式模拟航迹生成方法，其特征在于，生成实时模拟航迹的方法为简单插值航迹模拟方法或飞行动力学仿真方法。4.根据权利要求1所述的一种三维交互式模拟航迹生成方法，其特征在于，所述模拟控制指令包括重新加载航迹、停止航迹计算、修正高度以及航迹生成速度控制。5.根据权利要求1所述的一种三维交互式模拟航迹生成方法，其特征在于，航迹显示步骤进一步包括:通过加载对应飞行器的模型，进一步在显示画面中展示飞行器的位置、俯仰角、横滚角及航向角。6.一种三维交互式模拟航迹生成系统，其特征在于，包括: 模拟航迹生成模块，用于接收航迹源数据，根据航迹源数据生成实时模拟航迹;并根据交互式控制模块提供的模拟控制指令对模拟航迹过程进行控制；以及向航迹显示模块输出模拟航迹结果； 交互式控制模块，用于接收用户输入的模拟控制指令； 航迹显示模块，用于将模拟航迹结果进行显示。7.根据权利要求6所述的一种三维交互式模拟航迹生成系统，其特征在于，所述航迹源数据包括四维轨迹信息、屏幕取点数据、飞行计划、GPX数据、雷达航迹和系统航迹。8.根据权利要求6所述的一种三维交互式模拟航迹生成系统，其特征在于，生成实时模拟航迹的方法为简单插值航迹模拟方法或飞行动力学仿真方法。9.根据权利要求6所述的一种三维交互式模拟航迹生成系统，其特征在于，所述模拟控制指令包括重新加载航迹、停止航迹计算、修正高度以及航迹生成速度控制。10.根据权利要求6所述的一种三维交互式模拟航迹生成系统，其特征在于，航迹显示模块还用于通过加载对应飞行器的模型，进一步在显示画面中展示飞行器的位置、俯仰角、横滚角及航向角。
【文档编号】G08G5/00GK106019987SQ201610565313
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月19日
【发明人】付燕丽, 刘阳, 何长庚
【申请人】四川九洲空管科技有限责任公司