沈笑云，徐天宇，焦衛(wèi)東

（中國民航大學(xué) 智能信號和圖像處理天津市重點實驗室，天津300300）

0 引 言

在機(jī)組操縱原因造成的飛行事故中有一種叫做 “可控飛行撞地（controlled flight into terrain，CFIT）”，是在飛行中飛機(jī)處于完全適航的狀態(tài)下，由于未知地形操縱導(dǎo)致飛機(jī)撞到山峰、山脈、障礙物等而發(fā)生的事故。這類事故可能發(fā)生在大部分的飛行階段，但更常見于進(jìn)近和著陸階段，在整個飛行事故中的所占比例比較大，據(jù)國外統(tǒng)計的資料，客機(jī)死亡人數(shù)約80%是由CFIT 造成的。

近地警告系統(tǒng)（ground proximity warning system，GPWS）是一種機(jī)載警告系統(tǒng)，它只在飛機(jī)起飛或復(fù)飛和進(jìn)近著陸階段、且無線電高度低于2450英尺時起作用。在上述條件下，根據(jù)飛機(jī)的形態(tài)和地形條件，如果飛機(jī)接近地面時出現(xiàn)不安全的情況，近地警告系統(tǒng)就在駕駛艙內(nèi)發(fā)出視覺和聲音兩種報警信息，以提醒飛行員采取有效措施。增強(qiáng)型近地警告系統(tǒng)（enhanced ground proximity warning system，EGPWS）除了保留原有GPWS的模式報警功能外，還增加了一個前視地形預(yù)警模塊。隨著我國通用航空的快速發(fā)展，由于通用飛機(jī)具有在地形近處飛行和較強(qiáng)的機(jī)動性等特點，研究適用于通用飛機(jī)的EGPWS顯得非常必要。

本文基于World Wind三維地理信息系統(tǒng)，根據(jù)通用航空飛機(jī)的特點，建立高分辨率的地形數(shù)據(jù)庫，對快速的前視預(yù)警算法進(jìn)行仿真實驗。設(shè)計實現(xiàn)EGPWS 仿真系統(tǒng)，可以做到及時為通用飛機(jī)近地提供警告。

1 EGPWS的工作原理

如圖1，EGPWS包括前視地形警戒和地形顯示兩個新增功能，其工作原理請參見文獻(xiàn)［1］。

2 近地警告系統(tǒng)的建模

通過對以上提到系統(tǒng)的分析，本文借鑒其部分原理，設(shè)計出針對通用航空飛機(jī)的EGPWS 仿真系統(tǒng)。其包括3個主要核心模塊：地形數(shù)據(jù)庫、地形顯示和前視地形預(yù)警模塊。

圖1 EGPWS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 地形數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用

EGPWS相對于GPWS的突出特點是前視地形預(yù)警功能，而其工作原理主要是由于自身具有全球地形數(shù)據(jù)庫。如何建立地形數(shù)據(jù)庫在本仿真系統(tǒng)中非常必要，地形數(shù)據(jù)量應(yīng)該足夠小，使相關(guān)的數(shù)據(jù)處理的方法更容易實現(xiàn)。例如地形數(shù)據(jù)搜索和更新，滿足實時的地形顯示的需要并準(zhǔn)確及時地提供近地警告功能［2］。

全球地形數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建是實現(xiàn)地形顯示和前視地形預(yù)警功能的基礎(chǔ)，全球地形數(shù)據(jù)庫基于方形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)建模，它被廣泛應(yīng)用在數(shù)字高程建模中［3］。由于其結(jié)構(gòu)簡單，存儲的數(shù)據(jù)量小，可以更方便的進(jìn)行分析和計算。此外，還有機(jī)場數(shù)據(jù)庫，其中包括機(jī)場名稱，跑道長度、方向，跑道入口位置，跑道中心線的位置和機(jī)場高度等。

在山區(qū)或者機(jī)場周圍需要高精度的分辨率，但是在海洋領(lǐng)域，不管分辨率如何，最大高程值都是相同的，在這些地區(qū)不需要較高的分辨率。這些因素都將考慮在地形數(shù)據(jù)庫的建立中。

地形數(shù)據(jù)的實時搜索和更新：地形數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)被用于地形近地警告和地形顯示，在處理地形的近地警告的同時地形信息也被顯示在CDTI上。地形近地警告是基于當(dāng)前飛機(jī)的位置、速度等信息，通過搜索地形數(shù)據(jù)庫，實時確定當(dāng)前飛機(jī)位置周圍的地形，并進(jìn)行調(diào)用與存儲。

為了根據(jù)飛機(jī)的當(dāng)前位置實時更新地形數(shù)據(jù)，應(yīng)該提供一個較大的地形顯示范圍并減少地形數(shù)據(jù)的處理時間。本文采用分層形式建立數(shù)據(jù)緩存區(qū)，如圖2所示。飛機(jī)周圍的地形數(shù)據(jù)具有最高精度的分辨率。隨著距離的增加，地形數(shù)據(jù)的分辨率精度也隨之下降。當(dāng)前飛機(jī)的位置在第一層，這一層中，地形數(shù)據(jù)的分辨率精度是最高的。接下來是第二層和第三層，它們的精度逐漸降低。在每一層中，地形數(shù)據(jù)以當(dāng)前飛機(jī)的位置為其中心來存儲，當(dāng)飛機(jī)飛越到每層地形邊界時，二次緩存的地形數(shù)據(jù)將被更新，如圖2所示。這種分層結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)具有可變精度的分辨率，并且可以減少內(nèi)存中的數(shù)據(jù)量處理，對于大規(guī)模的地形顯示可以縮短處理時間［4］。

圖2 前視地形數(shù)據(jù)的搜索和更新

2.2 前視地形預(yù)警的實現(xiàn)

除了著陸，前視地形預(yù)警工作在所有飛行階段，其工作高度在30英尺以上。通過整合當(dāng)前飛機(jī)的位置、高度、速度等其它信息和自身的全球地形數(shù)據(jù)庫。對在安全區(qū)域中潛在的危險地形，前視地形預(yù)警將給出相應(yīng)的警戒和警告。安全區(qū)域分為在飛機(jī)前方的前視水平區(qū)域和在飛機(jī)下方的下視垂直區(qū)域。

2.2.1 前視水平安全區(qū)域的建立

根據(jù)通航小型飛機(jī)飛行的環(huán)境有很大不同，可能是白天或黑夜、目視氣象條件或儀表氣象條件（VMC／IMC），設(shè)計有兩種前視地形預(yù)警模式：正常模式和低空模式［5］。正常模式比低空模式給通航小型飛機(jī)提供更大的前視預(yù)警范圍，適合在在儀表氣象條件或黑夜條件下使用。低空模式適合在白天目視飛行規(guī)則條件下使用，這主要是因為通航小型飛機(jī)大多是在近地飛行，飛行員容易看到直升機(jī)外面地形的情形。根據(jù)實際情況選擇不同的預(yù)警模式。

前視水平安全區(qū)域是根據(jù)飛機(jī)的地速、飛機(jī)當(dāng)前位置的經(jīng)緯度和飛機(jī)的磁航向角的基礎(chǔ)上建立的。為了減少不必要的警戒和警告，前視地形預(yù)警范圍是有限的。同時有兩種不同距離的前視水平安全區(qū)域，正常模式下，飛機(jī)與有碰撞危險的地形有30s的飛行距離，此為警戒判斷區(qū)域，另一種警告判斷區(qū)域是飛機(jī)與有碰撞危險的地形有20s的飛行距離；低空模式下，警戒判斷區(qū)域范圍為20s的飛行距離，警告判斷區(qū)域范圍為15s的飛行距離。

本研究探索以職工之家為依托，下設(shè)護(hù)士之家、男護(hù)士之家、人文關(guān)懷小組和興趣活動小組，通過開展專題心理知識講座、讀書征文活動、興趣活動小組、心理沙龍等多種活動形式，對護(hù)理人員心理狀況進(jìn)行分析研究并進(jìn)行心理疏導(dǎo)以緩解護(hù)理人員心理壓力。

根據(jù)通航小型飛機(jī)的性能參數(shù)，同時方便建模與算法研究，本文以飛機(jī)為圓心，磁航向角作為角平分線在90°范圍內(nèi)判斷是否有潛在的地形危險［6］，由此建立的前視水平安全區(qū)域模型為如圖3所示。

圖3 前視水平安全區(qū)域

以正常模式為例，前視水平警戒判斷區(qū)域的范圍由飛機(jī)飛行到有危險地形或者障礙物的時間t乘以飛機(jī)當(dāng)前的地速V 決定。如上面提到飛行時間t為30s，計算前視水平警戒判斷區(qū)域的范圍S1如下式所示

前視水平警告判斷區(qū)域的范圍由飛機(jī)飛行到有危險地形或者障礙物的時間t乘以飛機(jī)當(dāng)前的地速V 決定，如上面提到飛行時間t為20s，計算前視水平警告判斷區(qū)域的范圍S2如下式所示

2.2.2 前視垂直安全區(qū)域的建立

前視垂直安全區(qū)域距離取決飛機(jī)和附近或目的地機(jī)場跑道的水平距離，其目的是用來防止飛機(jī)在起飛或者進(jìn)近時產(chǎn)生不必要的警戒和警告。飛機(jī)垂直安全距離和到機(jī)場的水平距離的函數(shù)關(guān)系如圖4所示。

圖4 飛機(jī)垂直安全距離和到機(jī)場的水平距離的函數(shù)關(guān)系

在圖4中，水平的X 軸表示飛機(jī)距離機(jī)場跑道的水平距離（1n mile≈1852 m），而垂直的Y 軸表示前視垂直安全區(qū)域范圍的垂直距離（1ft≈0.3 m）。當(dāng)飛機(jī)距離跑道末端在x1范圍之內(nèi)，垂直安全距離一直維持在0，也就是說在該范圍內(nèi)，飛機(jī)的地形警戒和警告將不能被啟動。從x1點開始，隨著水平距離的增加，垂直安全距離也將以每海里100英尺增加，直到最后增加到500英尺高，隨后一直保持到x2為12海里處。從此點開始，垂直安全距離再次以每海里100英尺直到增加到800英尺，然后高度不再改變。當(dāng)飛機(jī)飛行在3000英尺高度以上前視垂直安全區(qū)域范圍的距離將保持800英尺高度不變。

2.3 地形顯示功能

地形顯示是根據(jù)當(dāng)前飛機(jī)狀態(tài)參數(shù)，如位置、姿態(tài)和軌跡等信息，實時顯示一定范圍內(nèi)的地形，在機(jī)載的CDTI儀表上顯示二維地形地圖，在World Wind三維地理系統(tǒng)中顯示三維地形場景，同時還具有實時繪制二維或三維的航圖功能。

本文利用World Wind三維地理信息系統(tǒng)，通過第三人稱視角來觀察三維地形場景，構(gòu)建包含導(dǎo)航臺、障礙物和飛機(jī)等的3D 模型庫。當(dāng)系統(tǒng)運行時，每個模型將通過提供的對象參數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換、縮放和重新定位?？梢詫崟r清楚地檢測飛機(jī)與地形的關(guān)系，有利于觀察飛機(jī)的高度和其周圍的地形。從而更方便地分析基于地形表明基礎(chǔ)上的近地警告研究。

3 近地警告系統(tǒng)的仿真與應(yīng)用

本文基于World Wind三維地理信息系統(tǒng)開發(fā)了一個EGPWS仿真系統(tǒng)，研究了一些關(guān)鍵問題，如地形數(shù)據(jù)的組織和動態(tài)讀取、實時渲染性能、并實現(xiàn)了地形的三維仿真和二維儀表的實時顯示、信息讀取、顯示和綜合分析近地警告功能。

3.1 近地警告仿真系統(tǒng)的功能模塊

仿真系統(tǒng)包含4個功能模塊：飛行仿真、地形數(shù)據(jù)庫、前視地形預(yù)警和地形顯示功能模塊［7］。

在World Wind三維地理系統(tǒng)中，加載飛行仿真插件后［8］，結(jié)合飛機(jī)三維模型沿航跡進(jìn)行六自由度飛行仿真，對本機(jī)數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行實時采集，如實時飛行速度、航跡角、當(dāng)前位置經(jīng)緯度和無線電高度等信息。用SQL 數(shù)據(jù)庫平臺建立全球地形數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采用90m 分辨率精度的全球高程數(shù)據(jù)和具有15m 分辨率精度的數(shù)字正射影像圖。對于更重要的地區(qū)，如機(jī)場周邊和山區(qū)等，通過更高精度的高程數(shù)據(jù)和高分辨率的圖像來覆蓋原先較低分辨率的數(shù)據(jù)。

根據(jù)GDI＋圖像編程接口利用C＃語言編程開發(fā)CDTI儀表，具有全羅盤和擴(kuò)展羅盤兩種模式。在World Wind平臺實現(xiàn)地形數(shù)據(jù)庫和CDTI有機(jī)融合。讀取飛機(jī)當(dāng)前位置一定范圍內(nèi)的地形，在CDTI儀表上實時顯示其二維地形，地形顯示范圍大小可以進(jìn)行人工選擇控制，同時在World Wind三維地理系統(tǒng)中也可以通過第三人稱視角來觀察三維地形場景。

在CDTI儀表上除了地形顯示，當(dāng)危險地形或障礙物在警戒范圍之內(nèi)時，這個危險地形就會在CDTI儀表上被具有一定透明度的黃色覆蓋原來的地形。當(dāng)危險地形處在警告范圍，危險地形就會被具有一定透明度的紅色覆蓋。通過開發(fā)的前視地形預(yù)警模塊實現(xiàn)低空自由飛行中的近地警告功能，各功能模塊之間的關(guān)系如圖5所示。

圖5 EGPWS仿真系統(tǒng)功能模塊框架

3.2 仿真應(yīng)用

3.2.1 仿真系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定

EGPWS通過飛機(jī)的預(yù)測航跡和地形的海拔高度等信息進(jìn)行前視預(yù)警功能的警戒和警告判別［9］。其中，飛機(jī)短期的航跡可以根據(jù)當(dāng)前位置的經(jīng)緯度，無線電高度，俯仰角和速度等進(jìn)行計算。通過讀取航跡范圍內(nèi)的地形數(shù)據(jù)庫中的高程數(shù)據(jù)與飛機(jī)高度進(jìn)行對比，如超過報警閾值則發(fā)出警戒與警告信息［10］。

在World Wind平臺中，本文選擇中國境內(nèi)西南地區(qū)的一片山區(qū)進(jìn)行仿真實驗。加載飛行仿真插件并設(shè)定一條模擬的飛行航跡，通過外接飛行搖桿對飛機(jī)沿航跡進(jìn)行六自由度的控制。

當(dāng)仿真開始的時候，初始設(shè)定飛機(jī)的速度V 為250km／h，從無線電高度h為1000m 沿航線飛行。此時通過飛行搖桿控制飛機(jī)恒定俯仰角θ下降，下降速度為10m／s。假設(shè)飛機(jī)當(dāng)前位置的地形高度為h0，當(dāng)飛行t時刻后，飛機(jī)飛行的水平距離為D，此時地形高度為h1，如果當(dāng)前位置飛機(jī)高度小于垂直安全距離Δh則觸發(fā)警告，提醒飛行員采取相應(yīng)的規(guī)避措施。前視地形預(yù)警的航跡如圖6所示。

正常模式下前視地形預(yù)警的警戒和警告判別條件為式（3）和式（4）

圖6 前視地形預(yù)警的航跡

低空模式下前視地形預(yù)警的警戒和警告判別條件為式（5）和式（6）

World Wind平臺通過SQL數(shù)據(jù)庫實時搜索和更新地形數(shù)據(jù)，通過上述的判別條件，如果有危險地形或障礙物出現(xiàn)在警戒范圍之內(nèi)，CDTI上的相應(yīng)地形顯示將被黃色方塊覆蓋，同時伴隨著音頻警告信息 “注意地形”。如有危險地形或障礙物出現(xiàn)在警戒范圍之內(nèi)，CDTI上的相應(yīng)地形顯示將被紅色方塊覆蓋并顯示紅色 “PULL UP”字樣，同時伴隨著音頻信息 “地形，地形拉起”。

3.2.2 結(jié)果分析

因為EGPWS的前視地形預(yù)警具有兩種模式：正常模式和低空模式，所以本文在World Wind平臺中以正常天氣和大霧天氣兩種情況進(jìn)行實驗仿真，在較好的目視飛行條件下低空模式的仿真結(jié)果如圖7和圖8所示。圖7為World Wind平臺中三維地形場景的仿真效果圖；圖8（a）是根據(jù)飛機(jī)當(dāng)前的位置在CDTI顯示附近的地形地圖；圖8（b）為開啟前視地形預(yù)警功能后，CDTI上的警戒和警告地形范圍內(nèi)，有危險地形或障礙物出現(xiàn)時，地形被黃色或紅色方塊覆蓋的仿真效果圖。

圖7 低空模式下三維地形場景顯示

圖8 CDTI顯示

當(dāng)在不適合目視飛行規(guī)則的天氣條件下，采用正常模式。在World Wind中模擬大霧天氣來進(jìn)行此模式的仿真，仿真結(jié)果如圖9和圖10所示。圖9為在World Wind平臺中正常模式下三維地形場景的仿真效果圖，在圖10（a）中根據(jù)飛機(jī)當(dāng)前的位置在CDTI顯示附近的地形地圖，圖10（b）為開啟前視地形預(yù)警功能后，CDTI上的警戒和警告地形范圍內(nèi)，有危險地形或障礙物出現(xiàn)時，地形被黃色或紅色方塊覆蓋的仿真效果圖。

由于在World Wind中模擬大霧天氣，前視地形預(yù)警切換為正常模式，地形顯示范圍從2.5海里變?yōu)? 海里，從仿真結(jié)果看出圖10（a）顯示地形范圍是圖8（a）的兩倍，符合實際情況的要求。同時，正常模式下前視地形預(yù)警的警戒和警告時間也比低空模式有所增加，從圖10（b）中可以看出，當(dāng)開啟前視地形預(yù)警功能后黃色和紅色方塊的報警區(qū)域范圍也比圖8（b）中有所增加。當(dāng)在仿真中產(chǎn)生了近地報警提示的時候，飛機(jī)的飛行狀態(tài)也從 “FLIGHT GOOD”變成 “PULL UP”的紅色字樣進(jìn)行相應(yīng)的報警提示，如圖8（b）和圖10（b）所示。仿真結(jié)果與實際情況相一致。

圖9 正常模式下三維地形場景顯示

圖10 CDTI顯示

4 結(jié)束語

本文通過對增強(qiáng)型近地警告系統(tǒng)的功能和工作流程的研究，基于World Wind三維地理系統(tǒng)平臺進(jìn)行二次開發(fā)，設(shè)計了適用于通用航空中小型飛機(jī)的EGPWS 仿真系統(tǒng)，實現(xiàn)了對全球地形數(shù)據(jù)的快速搜索和更新、地形顯示模塊、前視預(yù)警模塊和飛行仿真模塊，在CDTI和World Wind中可以對大量地形數(shù)據(jù)進(jìn)行實時渲染并顯示為二維和三維地形地圖。通過三維仿真實驗，驗證了該系統(tǒng)具有良好的實時地形顯示功能和提供準(zhǔn)確的警告信息。能滿足EGPWS的設(shè)計需求，具有實際應(yīng)用的可行性和廣闊的前景，為開發(fā)適用于通用航空的EGPWS提供可靠的參考。

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