地理信息技术在机载增强合成视景中的应用

文/杨秋月 张侃 王江峰

（航空工业上海航空电器有限公司 上海市 201101）

1 引言

据统计，全世界超过30%的民航重大飞行事故属于可控飞行撞地事故（Controlled Flight Into Terrain，CFIT）。调查表明，沙尘、雨雾、光线不足等外部能见度受限是造成CFIT事故最主要的原因之一[1]。机载增强合成视景就是为了提高飞行机组在这种外部能见度受限环境下的态势感知能力、提升飞行安全性而研制的。

机载增强合成视景是一种“虚实结合”的图像显示技术，其利用各种传感器、数据库信息，通过传感器数据成像及计算机合成的方式生成飞机外部的三维场景图像，并显示在机载显示终端上。国外对于机载增强合成视景的研究较为成熟，美国国家航空航天局(NASA)最早提出了相关的概念，并进行了持续的深入研究。在NASA的支持与带动下，美国的各大航空设备生产商纷纷加入增强合成视景的研究行列，先后研制出了多种符合适航认证标准的增强合成视景产品。发展至今，美国已形成了以Honeywell、Rockwell Collins为主导，Garmin、Avidyne、Aspen、Dynon等多家公司百花齐放的局面。此外，法国、英国、德国等欧洲国家也生产出了各自的增强合成视景产品。我国在该领域的研究起步较晚，但近年来也取得了一定的成果：航空工业洛阳光电设备研究所研制出了国内首个增强视景系统，西安航空计算技术研究所实现了适用于机载合成视景系统的地形可视化系统[2]，上海无线电电子研究所开发出了具有增强合成视景功能的综合座舱演示样机等。

2 地理信息技术与机载增强合成视景的概念

地理信息技术主要指以遥感（Remote Sensing，RS）、全球定位系统（Global Positioning System，GPS），以及地理信息系统（Geographical Information System，GIS）为主的科学技术领域，也称“3S”技术。其中，遥感技术主要利用不同物体对电磁波反射或辐射强度的不同对物体进行识别，得到相应的航片、卫星影像或雷达、红外等传感器数据；全球定位系统利用GPS卫星发送的导航电文进行实时解算，得到接收机所处位置的当前经纬度、高度及速度，主要用于定位和导航；地理信息系统利用遥感技术和全球定位系统所获取的外界地理信息数据，进行一系列的数据处理，得到符合应用需求的输出。作为机载增强合成视景的重要技术基础，地理信息技术为机载增强合成视景提供了广泛的高程及纹理数据源、传感器成像数据源、精确的位置姿态信息，以及可用于显示直观三维地形场景的数据处理方法，机载增强合成视景也因此成为地理信息技术在航空领域的典型应用。

机载增强合成视景（Enhanced Synthetic Vision）是一种将外部三维地形场景显示给飞行机组的电子方法，其实质是机载合成视景（Synthetic Vision）与机载增强视景（Enhanced Vision）相结合的一种视景显示技术。其中，机载合成视景以地形、障碍物、机场数据库为基础，根据全球定位系统等导航设备提供的位置、高度速度等信息，利用计算机实时生成飞机外部环境的虚拟三维视景，并输出到机载显示器上；无论外部天气及实际能见度如何，机载合成视景均能为飞行机组提供与晴朗的白天一样清晰的视野。机载增强视景是利用雷达等前视成像传感器探测到的数据经转换处理后实时生成飞机外地物的图像，并显示到机载显示器上，它显示的是飞机外部的真实场景图像。机载增强合成视景融合了上述两种视景技术生成的图像，两种图像以某种方式共同显示在同一显示器上。多项研究结果表明，机载增强合成视景能有效提升飞行机组在视觉受限或地形不熟悉情况下的态势感知能力及操作精度，降低潜在CFIT事故的发生率[3]。

3 地理信息技术在机载增强合成视景中的具体应用

3.1 遥感技术在机载增强合成视景中的应用

3.1.1 高程数据库

机载增强合成视景的高程数据库是三维地形表面建模的基础，地形建模实质上就是根据高程数据生成高低起伏的地形表面模型。目前主流的机载合成视景大多使用数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）作为高程数据库，而获取DEM数据最主要的手段之一就是遥感技术。

通过遥感技术建立DEM的一般步骤为：

（1）通过机载雷达、卫星等航空航天遥感技术对地球表面进行扫描或摄影，得到大量的原始遥感观测数据；

（2）对上述原始遥感观测数据进行处理和解译，得到对应的地表高程信息；

（3）对地表高程信息进行采样、插值等处理后，制作成规则格网、不规则三角网或等高线等形式的数字高程模型，即DEM高程数据库。

例如，被广泛使用的SRTM DEM，就是由美国太空总署与国家测绘局利用“奋进”号航天飞机搭载雷达进行遥感测量得到的。“奋进”号航天飞机总共围绕地球飞行了176圈，采集了222小时23分钟的数据，得到了覆盖全球陆地表面80%以上的雷达影像数据，这些数据历时两年多的处理，最终制作成了数字高程模型SRTM DEM。另一主流的DEM数据库ASTER GDEM，是美国太空总署与日本经济产业省共同推出的一项DEM数据,该数据是通过对地观测卫星Terra搭载的先进星载热发射与反辐射仪对地球表面进行遥感测量后，对数据进行处理之后制成的[4]，该数据覆盖北纬83°到南纬83°之间的所有陆地表面。

遥感技术为机载增强合成视景提供了丰富的高程数据来源，且随着DEM数据融合技术的发展，不同来源的遥感数据可以进行直接或间接的融合，上述两种高程数据库均在局部使用了这种数据融合方法，以克服数据源各自的缺陷，提高数据精度。可以预见，随着遥感技术及相关数据处理技术的发展，用于机载增强合成视景的高程数据库精度将会越来越高。

3.1.2 纹理数据库

机载增强合成视景中另一个重要的数据库就是纹理数据库，该数据库为机载合成视景提供地形表面纹理贴图，以增强地形场景的真实感。根据RTCA DO-315B-2011标准的要求，机载合成视景显示的图像所描绘的地形特征必须易于识别，且与实际的外部场景一致。因此实际应用中，一般利用真实的遥感影像数据作为机载合成视景的原始纹理数据库来源。

遥感影像数据主要通过航空摄影测量或卫星摄影测量等遥感技术手段获取，这种影像数据具有真实的场景细节和丰富的地表特征，视觉效果上最为逼真，因此部分增强合成视景产品就采用了这种真实遥感影像作为纹理数据库。但也有一种观点认为，真实影像数据的细节信息过多，容易给飞行员带来视觉上的干扰，需要进行简化处理。目前常见的机载合成视景一般是利用遥感影像数据得到高程信息，再根据预先设置的高程-颜色映射表对每个象元进行分层设色，或是将可见光纹理与颜色梯度进行一定比例的混合，从而生成虚拟的纹理数据库。这种利用真实遥感影像数据生成的虚拟纹理数据库即保留了主要的地形特征，又避免了无用的细节干扰，因此受到各大机载合成视景生产商的青睐。

3.1.3 增强视觉传感器

用于机载增强合成视景的增强视觉传感器主要包括可见光传感器、红外成像仪、激光雷达、毫米波雷达等，这些增强视觉传感器通过拍摄或扫描等遥感技术实时地获取飞机周围的环境数据，这些数据经处理转换后生成实时场景图像在机载显示器上进行显示。与利用预置的机载地形数据库生成的虚拟图像不同，增强视觉传感器生成的是当前飞机外部实时的真实场景图像，这对于机载数据库可能存在的缺陷——数据错误/不完整或是与实际地形误差过大的情况来说，将是一个有力的补充。另外，增强视觉传感器能探测到随机障碍物、移动目标等严重威胁飞行安全但不在机载数据库中的信息，增强视觉传感器与机载合成视景的这种优势互补也是促使两者结合的重要原因之一。

增强视觉传感器在机载增强合成视景中的作用主要体现在飞机距离地面高度较低的情形下，例如起飞、降落等飞行阶段，或是执行低空飞行任务时。一般地，机载增强合成视景的三维地形场景图像融合策略为：当飞机远离机场或是距离地面高度较高时，机载显示器上以显示虚拟的三维地形场景图像为主；随着飞机高度逐渐降低或接近机场时，逐渐调整增强视觉传感器生成的图像在场景画面中的显示比例；当飞机高度进一步降低至一定高度时，主要显示增强视觉传感器生成的图像[5]。

增强视觉传感器不受全球定位系统定位精度以及地形数据库准确性和完好性的影响，如实地反映飞机外部的真实情况，特别是在飞机起飞、进近时能帮助飞行机组提前了解跑道及周围的实时环境信息，大幅度提升了飞行机组的安全性。

3.2 全球定位系统在机载增强合成视景中的应用

3.2.1 精准定位

对于机载增强合成视景来说，全球定位系统主要作用于合成视景部分。由于机载合成视景最主要的功能是为飞行机组提供当前位置下以飞行员视角显示的飞机外部场景，飞机位置的准确性尤为重要，甚至直接关系着机载合成视景的可用性。全球定位系统就是为机载合成视景提供实时位置信息的基本来源。

全球定位系统由GPS卫星、地面监控站及用户接收机三部分组成。全球定位系统实现定位的原理为：GPS卫星按照一定频率不断地向地面监控站发送卫星的实时位置，地面监控站接收到GPS卫星发送的导航电文后，进行解析和误差校正，然后将更新后的信息上注到GPS卫星，GPS卫星再将带有改正数的导航电文发送给用户接收机，用户接收机将这种导航电文进行解算后，就可以得到自身较为精确的位置信息，主要包括经度、纬度、高度、速度等。得到了飞机的准确位置，机载合成视景就可以利用这些信息计算飞行员视角下的可见区域，从而调取相应区域的高程及纹理数据，生成该区域的虚拟地形场景。

由于全球定位系统在机载合成视景中的重要作用，如何提高全球定位系统的定位精度也成为各大研究机构的关注热点。将全球定位系统与惯性导航系统结合使用是一种常见的提高定位精度的方式，目前主流的机载增强合成视景基本上都采用了这种方法。

3.2.2 导航指引

导航指引功能是机载增强合成视景的一个重要功能。全球定位系统为机载增强合成视景提供飞机实时的位置、速度等信息，机载增强合成视景根据这些数据结合飞机的航向、方位等信息预测飞机下一时刻的轨迹，并指引飞机进行航行或进场着陆。

机载增强合成视景常见的导航指引方式是在视景显示画面叠加飞行航径矢量，一般以绿色或白色带水平及垂直指示线的小圆圈来表示，飞行航径矢量指示了飞机的飞行线路及飞机与周围环境的空间关系，可以辅助飞行员进行操作决策。随着导航技术的发展，新一代的机载增强合成视景融入了一种更加直观的导航，即根据飞机当前位置与设定的目的地在空中实时地规划一条安全的通行路径，以封闭或半封闭的线条绘制出视觉上连续的“空中高速公路”或“空中隧道”，飞行员只需要使飞机保持在机载显示器上显示的“管道”内飞行，就可以保障飞行安全。目前，Dynon、Garmin等公司均生产出了具有该功能的机载增强合成视景产品。

3.3 地理信息系统在机载增强合成视景中的应用

三维地形场景显示是机载增强合成视景最基础也是最重要的功能，飞行机组正是通过显示在机载显示器上的三维地形场景来获取飞机外部环境信息的，而这一过程贯穿了地理信息系统的应用。

如何对地理信息数据进行存储、调度及显示是地理信息系统应用到机载增强合成视景的关键环节。首先，三维地形场景显示所需的数据——高程、纹理以及机场等数据库均属于地理信息数据，对于高程、纹理数据，一般采用对原始数据进行分幅、分层预处理，然后按照层号及经纬度或行列号对数据文件进行编码后存储[6]；对于机场数据，一般以文件的形式存储区域内所有机场的位置、跑道方向和高度等信息。然后，在地形绘制的过程中，负责计算和调度的模块实时地计算飞机当前位置下的可视区域及下一时刻飞机可能进入的区域，并按照计算结果从上述高程、纹理和机场数据库中调取相应的数据。接着，负责实时绘制的模块使用这些数据建立地形模型并进行纹理映射及场景渲染。最终，将上述场景数据转化成图形化的输出并显示到机载显示器上。因此，三维地形场景显示本质上也可以说是地理信息系统在航空领域的一种三维可视化应用。

4 结论

地理信息技术在机载增强合成视景上的应用，是“3S”技术集成应用的典型实例。一方面，随着地理信息技术的发展，通过遥感技术获取的地形数据精度将越来越高，通过全球定位系统获取的位置、姿态数据将越来越精确，通过地理信息系统处理地形数据的方法也将越来越高效，这种趋势势必会促进机载增强合成视景在态势感知、导航、进近等方面性能的提升；另一方面，目前的全球定位系统早已不仅仅指美国的“GPS”，还包括我国的北斗系统、俄国的GLONASS系统以及欧盟的Galileo系统[7]，全球定位系统的快速发展大大提升了机载增强合成视景的可用性；再者，包括我国北斗在内的国内外主要全球定位系统，都在加快建设各自的全球定位系统增强系统，该增强系统拓展了全球定位系统的外延，基于该技术发展而来的GBAS、SBAS、ABAS又进一步提升了机载增强合成视景的精度和可靠性[8]；最后，国家已越来越重视机载航电领域的自主可控，最近提出的“中国制造2025”计划已将航空航天装备列为重点发展领域，作为综合显示控制系统的关键技术，机载增强合成视景也必会得到大力的发展。