通航飞行计划评估系统设计与实现

吴仁彪，马亚冰，王晓亮

（中国民航大学天津市智能信号与图像处理重点实验室，天津 300300）

通航飞行计划评估系统设计与实现

吴仁彪，马亚冰，王晓亮

（中国民航大学天津市智能信号与图像处理重点实验室，天津 300300）

为保障通用航空飞行的安全、合法和高效，针对通用航空飞行高度低、路线相对灵活、受地形地物和配载影响大等特点，提出一种通用航空飞行计划评估系统设计与实现方法。飞行计划评估以复杂评估要素的提取与处理为基础，利用基于飞机性能工程的方法评估飞机燃油、配载以及起飞越障等关键指标，利用高精度地形插值的方法计算低空飞行剖面，利用2D/3D一体化地理信息系统平台实现飞行计划执行全过程3D可视化评估。系统测试表明，所设计和实现的飞行计划评估系统能够从关键指标、垂直飞行剖面以及三维可视化3个方面展开评估，从而为通用航空飞行计划的制订和审批提供依据，满足通用航空对飞行计划评估服务的需求。

通用航空；飞行计划评估；飞行剖面；3D可视化；地理信息系统

伴随着中国低空空域的逐步开放，通用航空在农、牧、林、交通以及科学研究等众多领域应用越来越广泛[1]，在“十三五”规划中更是强调加快完善水利、铁路、公路、水运、民航、通用航空、管道、邮政等基础设施网络，在国家层面上首次将通用航空和民航并列[2]。

为应对中国通航快速发展的需求，保障飞行安全，提高飞行作业效率，需逐步建立完善的通航服务保障系统，而飞行计划评估系统是通航服务保障系统的重要组成部分。通用航空与一般运输航空相比通常具有飞行高度低，飞行路线相对灵活，受地形地物和配载影响大，飞行器机动灵活、性能各异，作业区域情况复杂等特点，所以通航服务保障系统有别于一般运输航空，通航飞行计划的评估也与一般运输航空有所不同。

国外通航发达国家已有一些公司开发了能够提供通航飞行计划评估功能的软件。例如美国CSC DUATS公司开发的Golden Eagle FlightPrep系统和英国SkyDemon公司开发的SkyDemon Flight Planning系统[3-4]。这些软件主要用于帮助飞行员或航空公司制订飞行计划，而中国通航服务保障对于飞行计划评估除以上需求外，还有为计划审批提供依据的需求。此外，由于中国与国外在空域管理政策、飞行服务技术、通航发展水平、地形地貌特征、飞行支持数据等方面的差异，上述软件和相应方法无法直接应用于解决中国通航飞行计划评估的问题。国内学者在通用航空和军用航空飞行航迹的评估方面，已开展了有价值的研究[5-6]，但还缺少针对通用航空系统的飞行计划评估方法的相关研究。

本文提出了一种通用航空飞行计划评估系统设计与实现的方法，根据中国通航飞行和低空开放的特点，从飞行计划涉及的关键指标、垂直飞行剖面以及三维可视化3个方面对通航飞行计划展开评估技术研究。实验测试表明，利用本文方法所设计和实现的通航飞行计划评估系统可为通用航空飞行计划评估服务提供有效的技术支撑。

1 系统设计方法

1.1 评估要素设计

针对通用航空飞行的特点，根据影响通用航空飞行的主要要素，通过关键指标评估、垂直剖面评估以及三维可视化评估3个方面实现通用航空飞行计划的评估。

1.1.1 关键指标评估

关键指标评估通过定量化计算与通用航空飞行密切相关的指标，给出相应评估结果。主要包括：①飞机配载平衡评估：计算载重是否超过最大允许量，即确认载重是否超标，同时按配载信息计算飞机重心位置，确认飞机重心是否在合理范围内。②飞机燃油消耗评估：计算执行飞行计划总的航行距离，参照不同机型在爬升、巡航、下降各个阶段对燃油的消耗，计算完成飞行计划所需燃油量，结合飞行计划中飞机起始飞行所搭载的燃油量，评估剩余燃油是否在安全范围内。③跑道方向越障高度评估：根据飞行计划中的机型信息，确定执行飞行计划的机型性能参数，根据跑道方向障碍物与跑道的距离、障碍物的高度，按照通航飞机爬升率计算飞机的越障高度是否符合安全起飞标准。④飞机及飞行员适航评估：评估执行飞行计划机型和飞行员是否有相应仪表或目视飞行的飞行资质[7]。

1.1.2 垂直剖面评估

从地形数据库存储的数字高程模型中提取经度、纬度和高程数据，通过高精度等分插值方法得到计划航迹所在垂直方向的地形剖面，结合各航迹点飞行高度，绘制可变巡航高度的通航飞行计划航迹剖面，评估飞行计划各个阶段飞机与地面间的高度是否留有足够的安全余量。

1.1.3 三维可视化评估

针对通用航空飞行与地面地形地物关系密切的特点，采用三维可视化的方式直观评估通用航空飞行计划的风险。主要包括：①航线威胁评估：从地形数据库存储的数字高程模型中提取经度、纬度和高程数据，构建三维地理模型，根据飞行计划中各航迹点经度、纬度坐标及飞行高度信息计算航迹空间位置，评估计划航迹是否经过或接近管制区、监视区、报告区以及禁飞区；②作业区域气象条件评估：根据气象预报和实况数据得到危险气象区域信息，评估计划航迹是否穿越或接近危险气象区域。

1.2 系统设计

飞行计划评估系统由飞行计划评估终端（FPET）和飞行计划评估数据库两部分组成。为实现通用航空飞行计划评估系统的各项功能，设计飞行计划评估终端的各主要系统模块如图1所示。主要包括：飞行计划评估模块、飞行计划接收与管理模块、评估结果输出与可视化呈现模块、二三维一体化地理信息系统平台管理模块。飞行计划评估终端外部通过ADO数据访问技术实现飞行计划评估终端与飞行计划评估数据库的信息交互，通过网络时间协议服务器（NTP）获取系统统一时钟，通过数据管理系统（DMS）获取相关配置信息。各主要系统模块具体说明如下：

图1 飞行计划评估系统模块结构图Fig.1 Module structure diagram of flight plan evaluation system

1）飞行计划评估模块

飞行计划评估模块是为通用航空飞行计划评估系统提供飞行计划评估服务的核心功能模块，该模块可结合接收到的通用航空飞行计划具体内容，从关键定量化指标、低空飞行剖面、三维计划航迹3个方面实现通用航空飞行计划评估。

2）飞行计划接收与管理模块

飞行计划接收与管理模块是为通用航空飞行计划评估终端提供飞行计划接收与管理服务的功能模块，其按照服务内容可以分为飞行计划接收、飞行计划管理两个主要模块，其中飞行计划接收又包含网络传输、手工输入和文件导入3种方式，而飞行计划管理又包含对飞行计划的添加、修改、删除和保存功能。

3）评估结果输出与可视化呈现模块

评估结果输出与可视化呈现是为系统提供飞行计划评估结果输出与可视化呈现服务的功能模块，其主要包括评估结果输出、飞行计划预演示两个主要部分，而评估结果输出是将所涉及的关键定量化指标、低空飞行剖面、三维计划航迹3项重要评估结果整理后以表单的形式输出，飞行计划预演示是利用二三维一体化地理信息系统平台，实现对所提交飞行计划的可视化呈现。

4）二三维一体化地理信息系统平台管理模块

二三维一体化地理信息系统平台管理模块是为通用航空飞行计划评估终端提供地图管理服务的功能模块，采用二三维一体化地理信息平台，对于飞行高度低、容易受地面地物影响的通用航空飞行给出更加直观有效的评估结果。具体又包括图层管理、显示中心管理、控制区域管理以及关键点管理4个主体部分。

2 系统实现方法

1）飞行计划评估模块实现方法

飞行计划评估模块实现过程如图2所示，其主要从图中虚线框的关键定量化指标、低空飞行剖面、三维计划航迹3个方面实现通用航空飞行计划评估。关键定量化指标包括飞机配载平衡、飞机燃油消耗、跑道方向越障高度、飞机及飞行员适航4个部分，从飞行计划评估数据库中的飞行计划表中提取与上述指标相关的飞行计划报文数据，参照各个机型的飞行手册，基于飞机性能工程方法评估各个关键量化指标，将各个量化指标的评估结果传入飞行计划评估数据库。低空飞行剖面评估从飞行计划评估数据库中获取计划航迹点的经、纬度和高程数据，通过高精度等分插值方法结合二三维一体化地理信息系统平台提取计划航迹所在垂直方向的地形剖面，评估计划航迹在垂直方向上与地形之间是否保持足够的安全余量。三维计划航迹评估包括航线威胁评估和作业区域气象条件评估两部分，航线威胁评估从飞行计划评估数据库中获取计划航迹点的经、纬度和高程数据，将计划航迹数据导入二三维一体化地理信息系统平台，在三维空间中评估计划航迹与管制区、监视区、报告区以及与禁飞区之间的位置关系，作业区域气象条件评估从飞行计划评估数据库中获取天气数据，评估计划航迹与危险气象区域的空间位置关系。

图2 飞行计划评估模块实现过程Fig.2 Implementation of flight plan evaluation module

2）飞行计划接收与管理模块实现方法

飞行计划接收与管理模块的实现过程如图3所示，其主要由飞行计划接收模块和飞行计划管理模块两部分构成。飞行计划接收方式有网络传输、手工输入和文件导入3种，其中网络传输利用通用航空综合运行支持系统内网接收由飞行计划受理终端传送来的飞行计划数据，手工输入通过与飞行计划评估终端界面交互的形式录入飞行计划数据，文件导入是采用规定格式飞行计划数据文件的方式录入飞行计划数据，通过上述3种方式接收的飞行计划最终都被导入飞行计划评估数据库。飞行计划管理的方式包括对飞行计划的添加、修改、删除和保存操作，通过与飞行计划评估终端界面交互的形式实现上述对飞行计划的管理操作，完成上述操作后的飞行计划数据都将被导入飞行计划评估数据库。

3）评估结果输出与可视化呈现模块实现方法

评估结果输出与可视化呈现模块的实现过程如图4所示，其主要由评估结果输出和评估结果预演示两部分组成。评估结果输出基于二三维一体化地理信息系统平台得到低空飞行剖面和三维计划航迹，同时结合基于飞机性能工程的关键定量化指标，最终以表单文件的形式输出上述3项评估结果。评估结果预演示利用飞行计划评估终端从飞行计划评估数据库中获取的计划航迹点的经、纬度和高程数据，实现基于二三维一体化地理信息系统平台的飞行计划预演示及评估结果可视化呈现。

图3 飞行计划接收与管理模块实现过程Fig.3 Implementation of flight plan reception and management module

图4 评估结果输出与可视化呈现模块实现过程Fig.4 Implementation of evaluation results output and visualization module

4）地理信息系统平台管理模块实现方法

二三维一体化地理信息系统平台管理模块的实现过程如图5所示，其主要包括图层管理、显示中心管理、控制区管理以及关键点管理4个部分。图层管理将航路、计划航线、控制区以及关键点数据引入地理信息系统的图层场景，图层化管理上述可视化数据[9]。显示中心管理通过与飞行计划评估终端界面的交互，编辑显示中心的经、纬度以及比例尺来改变地理信息系统视角。控制区管理将通用航空中的禁飞区、管制区、监视区、报告区以及异常天气区等信息整合为各类控制区，通过与飞行计划评估终端界面的交互实现对上述区域的添加、编辑与保存操作。关键点管理将通用航空中的DME、VOR、机场以及地标点等数据整合为各类关键点，基于二三维一体化地理信息系统平台实现上述各类关键点的添加、编辑与保存操作。

图5 二三维一体化地理信息系统平台管理模块实现过程Fig.5 Implementation of 2D/3D GIS platform management module

3 系统运行与测试结果

图6 系统运行与测试情况Fig.6 System operation and test

如图6（a）为通用航空综合运行支持系统中心服务站的实物图，图中第二行显示器最右侧为飞行计划评估系统的显示，系统运行主界面如图6（b）所示。对于表1所示的通用航空飞行计划，其关键指标评估结果如表2所示，从关键指标评估结果可以看出飞机重心位置符合88.90 cm～120.47 cm的条件，从飞机燃油消耗评估结果可以看出飞机剩余燃油量大于评估机型Cessna 172的不可用燃油量[10]，其剩余燃油量在安全范围内，从跑道方向越障高度评估结果可以看出飞机超越障碍物高度满足大于100 m的安全高度限制，飞机及飞行员适航评估结果可以由相关机型性能、飞行员执照信息获取，其具备相应飞行资质。

表1 飞行计划基本信息Tab.1 Basic information of flight plan

表2 飞行计划关键指标评估结果Tab.2 Result of key indices evaluation for flight plan

垂直剖面评估结果比较如图7所示，其中横轴为飞行距离，纵轴为飞行高度，上方折线为计划航迹垂直剖面，下方曲线为地形剖面边界，图7（a）中计划航迹与地形之间存在较大安全间隔，其在垂直剖面内符合安全飞行的限制条件，垂直剖面评估结果为合格，图7（b）中计划航迹与地形之间存在相交的点，地形会对正常飞行造成威胁，垂直剖面评估结果为不合格。

图7 垂直剖面评估结果比较Fig.7 Results comparison of vertical profile evaluation

三维计划航迹评估结果比较如图8所示，其中飞机模型所在折线为计划航迹，图8（a）中从三维计划航迹评估结果看，计划航迹周围不存在禁飞区、异常天气区等威胁区域，其与地面地物之间也保持一定安全距离，其三维计划航迹评估结果为合格，图8（b）中半透明区域“ForbidArea”为禁飞区，从三维计划航迹评估结果看，计划航迹中有部分航段已经进入禁飞区，其三维计划航迹评估结果为不合格。

图8 三维计划航迹评估结果比较Fig.8 Results comparison of 3D plan trajectory evaluation

4 结语

本文给出了通用航空飞行计划评估系统的设计与实现方法。利用二三维一体化地理信息系统平台和基于数据库的客户端/服务器架构，从关键指标评估、垂直剖面评估以及三维可视化评估3个方面实现通用航空飞行计划的评估。评估系统密切结合中国通用航空飞行的特点，评估结果中既包括直观的三维可视化评估结果，也包括定量化的评估指标。本文方法设计与实现的通用航空飞行计划评估系统可以为通用航空飞行计划的制订和审批提供技术支撑。

[1]冯 超．中国通用航空发展空间与产业链[J]．中国流通经济,2014 (5):117-121.

[2]中共中央关于制定国民经济和社会发展第十三个五年规划的建议[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]黄邦菊,林俊松,郑潇雨,等．复杂地形下直升机救援最佳飞行路径分析[J].测绘地理信息,2013,38(5):42-48.

[6]李 猛,王道波,柏婷婷,等．基于蚁群优化算法和人工势场的无人机航迹规划[J]．应用科学学报,2012,30(2):215-220.

[7]王晓亮,马亚冰,王 鹏,等．一种适用于通用航空的飞行计划评估系统及实现方法:中国,201410839569[P]．2014-12-31.

[8]吴仁彪,王 鹏,王晓亮．通用航空综合运行支持流程设计[J]．中国民航大学学报:2014,32(3):1-5.

[9]夏元友,卢 清．基于MO的GIS交通信息查询系统[J]．武汉理工大学学报,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.

（责任编辑：刘智勇）

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

：国家科技支撑计划项目（2011BAH24B12）；国家自然科学基金项目（11402294）；中央高校基本科研业务费专项（3122015D003）

吴仁彪（1966—），男，湖北武汉人，教授，博士，研究方向为信号和信息处理及其在雷达、通信和导航中的应用.