CJ818飞机座舱显示的合成视景系统研究

据库。地形数据是 SVS系统的核心组成部分, 其他 的数据由飞行航路、报警信息、自动驾驶提示、大气 数据、跑道信息等组成。地形的数据由海拔高度信
另外有一些数据对于 SVS 系统也是非 常必要 的, 例如航行通告 ( No tice To A irm en, 简称 NOTAM ) 信息 [ 6] 。目 前 飞 行 管 理 系 统 ( F light M anagem ent
系统的综合视景显示 ( Syn thetic V ision D isplay, 简称 范围是非常有限的, 在这些极端的气象条件特别是
SVD) 技术很容易实现, 但是可认证的航空嵌入式系 在大雨的环境下, 雷达可能是目前唯一的可以满足
统的 SVD 技术实现则非常困难。目前在 SVS系统 探测要求的传感器。但是雷达得到的图像无法与红
魏 博等: C J818飞机座舱显示的合成视景系统研究
符号, 最后将他们送到绘图引擎中在最终的 3D图像 中显示。
图 1 SV S系统结构图
2 关键问题
通常地形数据库中也包含一些不同种类的传感 器数据, 例如红外 探测器、地 形探测雷达等 探测数
SVS是一项正在研究中的课题, 还有许多的问 据, 它们与修 正算法一起来改 善数据库的精确 性。
随着这些系统广泛应用, 就需要一个标准的应 用程序接口 ( Applicat ion P rog ramm ing Interface, 简称 AP I) 来规范硬 件资源 在航空 电子系 统中的 应用。 目前 OpenGL 技术得 到了广泛的关注。 OpenGL 是 一个得到航空软件组织认可的技术。 OpenGL 支持 2D和 3D的集成显示, 是一种发展了许多年的 AP I 技术, OpenGL的前身是 SG I公司为其图形工作站开 发的 IRIS GL。它在仿真、游戏、CAD、专业的图形 处理领域都得到了广泛的应用。同时 OpenGL 也为 多图形绘制提供标准接口, 允许在不同的图形芯片 上应用。
对于将 NOTAM 合成到显示信息中的需要。相关的 研究表明将 NOTAM 信息集成到显示中时, 会增强
提供必要的报警信息。
飞行员的决策能力, 减少错误发生的可能并且降低
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民用飞机设计与研究 2009年增刊
飞行员的负担。因此 选择必要的数 据在飞行中显 示, 对于安全飞行有积极的作用。 2. 2 硬件方面
数据、障碍物数据及机场数据等组成的。动态数据 NOTAM 提供。虽然使用导航指示可以保证航空飞
是由各种传感器反馈的数据, 如方位数据、数据链、 行的安全性, 但是假如飞机偏离了航线, 飞行员必须
雷达数据、红外图像数据等组成的。 SVS系统中通 了解所有的空中和地面上的禁区情况。这就产生了
过这些数据综合显示飞行轨迹、障碍物和地形信息, 可以为飞行员制定下一步飞行计划提供信息, 并且
在硬件方 面, OpenGL 技术以及 一些公司例如 NV id ia和 AT I公司的 桌面绘图产品 都可以移植到 这些嵌入式系统中, 这样可以弥补嵌入式系统硬件 性能上的不足。美国航空工程师协会研究将货架商 品 ( Comm erc ial O ff- T he- She l,f 简称 COTS) 图像硬 件技术融合到玻璃座舱的设计中, 他们通常使用从 桌面和移动计算机中借鉴来的商用图像芯片。这些 芯片具有浮点 运算精度、先进的显示 解决方案、32 位色技术和一个支持 2D、3D 的集成显示。它们提 供先进的绘图技术, 例如平滑阴影、光线效果、透明 效果等。这些图像系统能够为用户提供一个大规模 和高质量图像绘制的解决方案。
OpenGL ES标准是由 Khronos研发小组开发的 一个子系统, 他具有很 好的通用性和 可认证性能。 这个团体致力于将 OpenGL 移植到嵌入式系统和多 媒体系统中使用。 OpenGL ES 可以 为嵌入式系统 如 PDA等提供高性能绘图方法, 这个系统可以在未 来的 SVS系统开发中起到重要作用。 2. 3 软件方面
题有待于解决。比如说 3D图形的显示系统开发和 而且 SVS系统允许飞机在低能见 度条件下飞行在
认证、综合信息的显示方式、传感器的使用等等。
最低的高度要求上, 因此这也增加了对环境探测的
Hale Waihona Puke Baidu
基于嵌入式系统的航空电子显示技术与传统的 要求。红外探测器可以为客 机的夜间飞行 获取图
桌面图像显示系统之间存在巨大的区别。基于桌面 像。但是在有雾的气象条件下, 红外探测器的探测
SV S 系 统 的主 要 实现 方 式 是利 用 目前 已 经成 熟 的技术, 比如说全球定位系统 ( G lobal Position ing System, 简称 GPS) 导航技术、地形数据库技术和传感器 技术, 提取需要 的信息通过 3D 技术将信 息集成显 示, 并以 / 空中高速路 0的管道方式引导飞行的航路。 它可以显示地形、地面障碍物、空中交通情况、飞机 着陆进场图、跑道情况、报警信息、自动驾驶提示、大 气数据等信息。无论机外的能见度情况如何都可以 为飞行员提供清晰的舱外环境三维图像。 SVS的目 标是为飞行员提供操纵安全, 使飞行员能够在仪表 飞行气 象条件 ( Instrum ent M eteoro log ica l Cond itions, 简 称 IM C ) 下 进 行 目 视 飞 行 规 则 ( V isua l F light Ru le)。 SVS是一个革命性的驾驶舱显示技术, 将对 下一代民机座舱显示系统产生重要的影响。
民用飞机设计与研究 C ivil A ircraft Design and R esearch
C J818飞机座舱显示的合成视景系统研究
魏 博 徐 州 刘 超 崔德刚 ( 上海飞机设计研究所, 北京航空航天大学大型飞机高级人才培训班 )
摘要: 所谓合成视景系统 ( Syn th et ic V ision System, 简称 SV S) , 就是通过地形数据、飞机位置、航 向和姿态信息等, 对飞行航迹、趋势矢量和周围 环境进行描绘, 改进飞行员情境意识, 从而提高安全性, 降低可控飞行撞地的可能性, 并可减轻飞行员 的工作量, 降低飞 行员手动操纵误 差 [ 1]。 分析了应用于 C J818飞机的 SV S系统基本结构、工作原 理、系统软 硬件以及 数据库方 面的问题, 探讨了 SV S 系统的可 认证性 能, 最后 对目前 SV S系统的研发和应用情况作了介绍。 关键词: 座舱显示系统; 合成视景系统; 飞机传感器; 航空电子
SVS系统信息的显示、处理方式会使驾 驶员对 信息的认识产生重要的影响。当在显示综合化信息 中的数据时, 可能会导致一些信息被忽视, 而被忽略 的信息有可能是非常重要的。所以数据的处理和显 示方式是 SVS系 统非常重要 的因素之 一。图 1 是 SV S系统的基本体系结构 [ 3] 。
实时的 GPS 定位信息 ( 1) 和方位数 据 ) 陀 螺, 罗经数据 ( 2) 用来将 3D 地形数据 库中的数据坐标 和飞行计划的数 据坐标转 换为期望 坐标系下 的坐 标。将得到的地形 ( 8) 和飞行路径 ( 9) 坐标结果提 供给绘图引擎。空中交通, 气象条件和空中交通管 制 ( ATC ) 的信 息由数 据链 ( 3) 提供。将 这些数 据 ( 4) 显示的几何坐标转换为期望坐标系下的坐标, 得 到的位 置信 息提 供给 2D 转 化 引擎。目前 大多 数 SVS实验的坐标系都是以飞机的位置为坐 标原点, 但是也不排 除选择其他的参 考坐标系的可 能。 2D 转化引擎为数据 ( 5) 选择适合的符号并且将坐标信 息送到绘图引擎中 ( 10) 。 SVS系 统一般在 PFD 上 面显示, 包括常规的高度、空速、姿态和航向指示等; 其中高度信息、大气信息和空速数据是由数字大气 信息计算机 ( DADC ) 提供的, 并产生相应的 刻度和
息构成, 也包括卫星图像、特征数据、趋势矢量数据、 System, 简称 FM S)关于飞行轨迹的数据库的更新周
潜在的障碍物等。这些数据可以分为动态数据和静 期一般是 3个星期。对于临时的空中禁区, 维护需
态数据两个部分, 静态信息是由导航数据、地形高度 要关闭一个跑道此类的情况, 暂时的修改信息会由
0 引言
飞机驾驶员视觉受限是目前世界范围内严重飞 行事故的主要因素之一。为了解决这个问题, 各国 的研究机构投入了大量的人力和物力用于开发新的 飞机座舱显示技术。合成视景系统就是在这个背景 下应运 而生 的。 SVS 系统 是一项 正在研 究中 的课 题, 它为飞行员提供了机外环境的综合显示, 提高了 驾驶员的情境意识, 加强了航空飞行的安全性, 减轻 了驾驶员的负担。
1 SV S系统结构
SVS系统主要依赖于 传感器、数据库和 先进的 3D绘图技术。合成视景使用计算 机来生成飞行器 周围环境的图像信息, 包括在实际的观测中用肉眼 无法看见的信息。 SVS 系统是由传感器、数据库信 息和显示图像的数据处理系统组成。
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传感器数据是机载传感器通过实时探测得到的 数据组成, 而数据库是与飞行相关的数据组成, 比如 地形信息等。美国国家航空航天局 ( NASA ) 计划用 航天 雷达 地 形任 务系 统 ( Shuttle R adar T opography M ission, 简称 SRTM )为 SVS系统提供世界地形数据 库 [ 2] 。数据处理系统的任务则是综合所有的数据进 行相关的 显示, 例如 地形信息、飞行航路的引 导信 息、报警信息等等。
软件编程在程序的开发、编程环境的选择以及 产品的认证上都有挑战。许多的 SVS研究把焦点
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集中在如何提高性能和显示内容上, 在航空软件认 证上没有足够的重视, 而这个恰恰是 SVS 系统的研 发的一个重点。
许多 AP I技术的应用多是采用面向对象的语言 比如说 C + + 。在设计中主要的问题是他们都是假 定在桌面或者服务器环境下工作的, 采用一些系统 工具例如 w indow s函数库、虚拟内存技术、IO 文件、 多线程技术等。因此就会带来一些兼容性的问题。 许多的工程师都是从 UN IX、微软的 W indow s、L inux 或者其他的商业平台上开始他们的职业生涯的。这 些操作系统为他们提供了大量的应用程序范例。这 些程序在高速的处理器上运行, 为每个处理器安排 大量的存储空间, 甚至有些提供虚拟内存技术为程 序提供几乎是无限的内存空间, 技术的升级是非常 迅速的。这些操作系统为软件开发者提供了非常宽 松的环境。相比较而言, 嵌入式的开发环境则比较 僵化: 一个特 定的开发系统支 持一个特定的芯 片。 工程师可能使用的是一个数十年前的开发系统。开 发者没有太多的可使用资源, 系统的资源被严格的 限定。
作为一个很好的 AP I技术, OpenGL 应该在航 空业中得到广泛的运用。但是整个 OpenGL 的规范 内容非常庞大, 它支持几乎所有种类的绘图, 系统对 资源要求很高, 而且作为这样一个庞大的数据库是 很难被认证的。我们需要做的是制定一个子系统, OpenGL 在航空显示的实际应用中有很多的功能并 没有被用到, 所以它的子系统只需要提供其应用的 必要组件即可。开发标准的 OpenGL 子系统是实现 其在航空系统中应用的一个重要途径。
因此用严格 航空软件测试 标准, 例如 DO178B 来检测所开发的程序时, 会发现许多问题。对于嵌 入式软件的开发要在完全理解整个软件体系结构的 基础上进行, 在开发前必须做一些规范以避免软件 的二次开发, 必须考虑以下几个方面:
显示技术上的难 点体现在三个 方面: 数据、硬件和 软件 [ 4] 。
外探测器得到的图像相比。对于 SVS系统而言, 传 感器的选 择也是 一个 非常重 要的因 素。 2005 年,
2. 1 数据方面 在数据方面, 目前有很多专业的数据提供商例
如霍尼韦尔公司、杰普逊公司都提供经过认证的数
NA SA 的 兰利 研究 中心 在一 架 装载 着 短 波 红外 摄 像 机以及毫米波雷达试验平台的波音 757上验证增强 型合成视景系统, 收到了良好的效果 [ 5] 。