基于World Wind的民航導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫設(shè)計及實現(xiàn)

沈笑云，孟 健，焦衛(wèi)東，張思遠(yuǎn)（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）

基于World Wind的民航導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫設(shè)計及實現(xiàn)

沈笑云，孟 健，焦衛(wèi)東，張思遠(yuǎn)
（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）

導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫可用于導(dǎo)航計算、導(dǎo)航臺自動調(diào)諧管理和輔助完成飛機(jī)實時定位等，是飛行管理計算機(jī)所必須的數(shù)據(jù)源。為了開發(fā)高逼真度的飛行模擬視景系統(tǒng)，設(shè)計了一種基于World Wind的導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫并進(jìn)行實現(xiàn)。數(shù)據(jù)庫包括機(jī)場、跑道、儀表著陸系統(tǒng)、測距儀系統(tǒng)等信息，可實現(xiàn)全球?qū)Ш綌?shù)據(jù)的查詢、修改與顯示以及飛行計劃的控制與顯示，并最終在World Wind中實現(xiàn)所有信息的三維顯示。以數(shù)字高程數(shù)據(jù)及高清遙感影像為視景模型，結(jié)合飛行模擬插件，并借助于World Wind平臺，完成了一套以該數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)的飛行模擬視景系統(tǒng)。

導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫；飛行管理計算機(jī)；World Wind；飛行模擬視景系統(tǒng)

導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)是由文字和航圖轉(zhuǎn)變成飛行管理計算機(jī)所能認(rèn)讀的磁盤或磁帶資料，需要一定的編碼規(guī)范即ARINC424規(guī)范[1]。ARINC424規(guī)范數(shù)據(jù)是被國際廣泛使用的導(dǎo)航數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)格式，它也是飛行管理計算機(jī)存儲的機(jī)載導(dǎo)航數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)。導(dǎo)航數(shù)據(jù)總庫由杰普遜公司根據(jù)杰普遜航圖資料和世界各國所提供的航行資料匯編編制而成。世界上僅有的2家導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫生產(chǎn)廠家——杰普遜公司和霍尼韋爾公司從數(shù)據(jù)總庫中提取出所需數(shù)據(jù)，然后為用戶制成數(shù)據(jù)庫磁盤或磁帶，供飛行使用。中國也對國內(nèi)導(dǎo)航數(shù)據(jù)的編碼進(jìn)行過整合。國航運控中心針對民航導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫國內(nèi)數(shù)據(jù)更新技術(shù)進(jìn)行了研究，指出目前國航的實際情況是，所訂購的杰普遜數(shù)據(jù)（ARINC424規(guī)范數(shù)據(jù)）并不包括國內(nèi)對外不開放導(dǎo)航數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)恰是國內(nèi)航空公司使用最頻繁導(dǎo)航數(shù)據(jù)之一[2]。因此需要利用應(yīng)用程序生成國內(nèi)導(dǎo)航數(shù)據(jù)的ARINC424規(guī)范數(shù)據(jù)，替換或補充杰普遜“全球”數(shù)據(jù)的國內(nèi)部分，實現(xiàn)完整的全球?qū)Ш綌?shù)據(jù)庫，供國內(nèi)航空公司使用。

World Wind是美國宇航局發(fā)布的一款開源的三維地理信息系統(tǒng)（geographic information system，GIS），以地理空間數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，在計算機(jī)軟硬件的支持下，運用系統(tǒng)工程和信息科學(xué)的理論，科學(xué)管理和綜合分析具有空間內(nèi)涵的地理數(shù)據(jù)，以提供管理、決策等所需信息的技術(shù)系統(tǒng)[3]。GIS是綜合處理和分析地理空間數(shù)據(jù)的一種技術(shù)系統(tǒng)，是以測繪測量為基礎(chǔ)，以數(shù)據(jù)庫作為數(shù)據(jù)儲存和使用的數(shù)據(jù)源，以計算機(jī)編程為平臺的全球空間分析即時技術(shù)。

本文主要針對導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫巨大的應(yīng)用前景，根據(jù)導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，對機(jī)場、跑道、導(dǎo)航設(shè)備等設(shè)計建立數(shù)據(jù)庫，存儲FMC中所必須的導(dǎo)航數(shù)據(jù)。并結(jié)合三維GIS，重點標(biāo)注其重要導(dǎo)航參數(shù)，如機(jī)場名稱，跑道編號，導(dǎo)航設(shè)備調(diào)諧頻率等，建立基于真實數(shù)字高程數(shù)據(jù)和高清遙感影像的飛行模擬視景系統(tǒng)，有助于飛行員了解航線范圍內(nèi)的地物地貌特征、各導(dǎo)航臺信號對本機(jī)的支持情況等，是飛行模擬器必須具備的模塊。

1 研究與方法

本文研究內(nèi)容主要包括3個部分：導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫的設(shè)計及建立，導(dǎo)航數(shù)據(jù)二維視圖，導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫與三維地理信息系統(tǒng)World Wind的結(jié)合。導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫設(shè)計及建立的研究主要是對導(dǎo)航數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分析，對數(shù)據(jù)源中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后建立Access數(shù)據(jù)庫；導(dǎo)航數(shù)據(jù)的二維視圖主要是對MSChart控件進(jìn)行研究；最后在World Wind實現(xiàn)導(dǎo)航數(shù)據(jù)的三維顯示部分主要對World Wind的三維渲染機(jī)制進(jìn)行研究。本數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Database system block diagram

1.1 導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫的設(shè)計

導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫中導(dǎo)航數(shù)據(jù)處理直接影響飛行器飛行安全和經(jīng)濟(jì)效益，可信的導(dǎo)航數(shù)據(jù)及合理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是飛行模擬器原型系統(tǒng)開發(fā)和保證模擬飛行的逼真性、可靠性的必要條件[4]。本文以模擬飛行軟件Flight Gear和Microsoft Flight Simulator X的導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫為數(shù)據(jù)源，并通過航行資料匯編對導(dǎo)航數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)，分別根據(jù)機(jī)場、跑道、航路點、DME臺、ILS臺的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，組織建立Access數(shù)據(jù)庫。

1.1.1 機(jī)場數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

在飛行計劃中經(jīng)過的機(jī)場，會在導(dǎo)航儀表中顯示，便于飛行員通過陸空通話報告飛機(jī)位置、獲取地面信息等。飛行管理計算機(jī)會存儲飛機(jī)歸航機(jī)場的經(jīng)緯度信息、登機(jī)門IRS參考信息、ILS設(shè)備等。本文中機(jī)場數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)類型主要為：機(jī)場編號、所在地、國際民航組織辨識符、所在位置經(jīng)緯度信息、機(jī)場的海拔高度等[5]。根據(jù)已有數(shù)據(jù)源對機(jī)場數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行編輯，以天津機(jī)場為例，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如表1所示。表中第一行表示機(jī)場數(shù)據(jù)類型，第二行為對應(yīng)的具體數(shù)據(jù)。

表1 機(jī)場數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Tab.1 Airport data structure

1.1.2 跑道數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

飛機(jī)著陸時需要對準(zhǔn)歸航機(jī)場的跑道，飛行管理計算機(jī)中會存儲飛行計劃中起始跑道的信息，包括跑道的經(jīng)緯度、長度、寬度、方位角等信息。本文中建立的跑道數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)類型主要為：跑道編號、辨別符、方位角、長度、寬度、經(jīng)緯度、標(biāo)高、表面材質(zhì)等。每一條跑道都有2個方位數(shù)值，假設(shè)一條為35°，那么另一個方位為215°。跑道表面材質(zhì)分為4種類型：ASP、GRE、CON、U，表示4種跑道材質(zhì)分別為瀝青、草地、混凝土和未知類型。同樣以天津機(jī)場18L和36R為例，跑道的數(shù)據(jù)類型如表2所示。

表2 跑道數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Tab.2 Runway data structure

1.1.3 航路點數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

飛行員制定飛行計劃時，在控制顯示組件（control display unit，CDU）依次輸入計劃中經(jīng)過的航路點名稱，飛行管理計算機(jī)通過對飛機(jī)IRS和無線電導(dǎo)航設(shè)備的信號計算出飛機(jī)的瞬時位置，并發(fā)送指令至自動駕駛儀，引導(dǎo)飛機(jī)從起飛機(jī)場至目的地機(jī)場。導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫存儲相應(yīng)的航路點名稱、位置信息，是輔助飛行管理計算機(jī)計算飛機(jī)瞬時位置的必要數(shù)據(jù)。本文中航路點的數(shù)據(jù)類型為：航路點編號、名稱、經(jīng)緯度信息。

1.1.4 導(dǎo)航臺站數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

導(dǎo)航臺數(shù)據(jù)存儲類型必須包括以下方面：導(dǎo)航臺類別、位置、頻率、標(biāo)高、標(biāo)識等。本文中考慮的導(dǎo)航臺類型分為5類：VOR：全向信標(biāo)；DME：測距機(jī)；VORDME：全向信標(biāo)與測距機(jī)合裝；ILS：儀表著陸系統(tǒng)；ILS-DME：測距機(jī)與儀表著陸系統(tǒng)合裝。

以天津大王莊DME臺為例，導(dǎo)航臺數(shù)據(jù)類型如表3所示，包括導(dǎo)航臺編號、辨識碼、名稱、頻率、導(dǎo)航臺類型、經(jīng)緯度、標(biāo)高等。ILS的數(shù)據(jù)類型相對DME、VOR要多出幾項：下滑角、航向角、所屬跑道等，如表4所示。以北京首都機(jī)場INJ儀表著陸系統(tǒng)為例，其中Loc為進(jìn)近航向角，Gs Angle為下滑角。

表3 導(dǎo)航臺數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Tab.3 Data structure of navigation station

表4 儀表著陸系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Tab.4 ILS data structure

1.2 MSChart圖表控件

MSChart是微軟在2008年發(fā)布的圖表顯示控件，適用于.NET Framework 3.5 SP1的ASP.NET和Windows Form圖標(biāo)控制項[6]。MSChart控件給圖形統(tǒng)計和報表圖形顯示提供了很好的解決辦法，使用SQL語言對數(shù)據(jù)庫和圖表控件進(jìn)行綁定，進(jìn)行包括查詢、修改、刪除等操作。通過設(shè)置屬性對數(shù)據(jù)進(jìn)行點、線等標(biāo)注，MSChart控件可以實現(xiàn)絕大部分類型的 Microsoft Graph圖表，能方便地實現(xiàn)條形圖、柱狀圖、餅狀圖、散點圖、面積圖和組合圖等。

MSChart控件以O(shè)LE DB的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)綁定。OLE DB即對象鏈接與嵌入式數(shù)據(jù)庫（object linking and embedding database），是微軟為以統(tǒng)一方式訪問不同類型的數(shù)據(jù)存儲設(shè)計的一種應(yīng)用程序接口，是一組用組件對象模型（COM）實現(xiàn)的接口。其被設(shè)計成ODBC的一種高級替代者和繼承者，可以把其功能擴(kuò)展到支持更多種類的非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫。

本文研究內(nèi)容中導(dǎo)航數(shù)據(jù)的二維視圖即通過MSChart圖表控件顯示。在C#窗體中嵌入MSChart控件，通過SQL語言對數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)以平面直角坐標(biāo)的方式顯示。MSChart控件常用的屬性包括：①ChartAreas：增加多個繪圖區(qū)域，每個繪圖區(qū)域包含獨立的圖表組、數(shù)據(jù)源。②Series：圖表集合，即為最終顯示的餅圖、柱狀圖、線圖、點圖等構(gòu)成的集合；可將多種相互兼容的類型放在一個繪圖區(qū)域內(nèi)，形成復(fù)合圖。③Legends：圖例說明。④Label：數(shù)據(jù)點標(biāo)簽文本或圖形。

1.3 World Wind三維可視化機(jī)制

World Wind是由美國宇航局（NASA）阿莫斯研究中心的科研人員開發(fā)的開源地理信息系統(tǒng)。World Wind將Landsat 7衛(wèi)星圖像和航天飛機(jī)遙感數(shù)據(jù)結(jié)合在一起，讓用戶體驗三維地球遨游的感覺。低分辨率的Blue marble數(shù)據(jù)現(xiàn)在包含的初始安裝內(nèi)，當(dāng)用戶放大到特定區(qū)域時，附加的高分辨率數(shù)據(jù)將會自動從NASA服務(wù)器上被下載。World Wind允許用戶修改World Wind軟件本身。軟件基于DirectX的C#語言編寫，調(diào)用微軟SQL Server影像庫Terrain Server來進(jìn)行全球地形三維顯示。

本數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)需要在World Wind上三維顯示飛行計劃航線、機(jī)場信息、導(dǎo)航臺信息，分別對應(yīng)生成Line（線）、Icon（標(biāo)記）、Model（模型）。在SDK中需要調(diào)用 的 類 庫 對 應(yīng) 為 ：LineFeatrue、IconFeatrue、ModelFeatrue。在World Wind中實現(xiàn)導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫的三維顯示步驟如下：①以FlightGear為數(shù)據(jù)源，分析數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)，建立Access數(shù)據(jù)庫；②通過C#窗體界面對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行查詢、顯示等操作，將查詢得到的數(shù)據(jù)自動生成緩存文件。③World Wind中直接讀取緩存文件，通過修改World Wind.cs的源代碼，實現(xiàn)導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫與三維GIS的結(jié)合。

2 結(jié)果與分析

在完成導(dǎo)航數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的分析后，以FlightGear的數(shù)據(jù)作為導(dǎo)航數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)源，建立Access導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫。導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫分3個功能模塊：飛行計劃模塊、導(dǎo)航臺模塊和機(jī)場模塊。

2.1 飛行計劃模塊

本系統(tǒng)的飛行計劃模塊主要是通過查詢關(guān)鍵航路點的名稱，確定關(guān)鍵航路點的位置，并將這些點連接成線，生成飛行計劃。基于Visual C#窗體開發(fā)導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫的查詢界面，實現(xiàn)人機(jī)交互操作。如圖2所示，查詢界面可以對所設(shè)定飛行區(qū)域內(nèi)的航路點、機(jī)場、導(dǎo)航臺進(jìn)行查詢，并且可輸入航路點的名稱生成飛行計劃。查詢得到的航路點、機(jī)場、導(dǎo)航臺等信息可以通過DataGridView控件顯示，并可對Access導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，保存等操作。并使用MSChart控件對查詢得到的導(dǎo)航信息進(jìn)行二維顯示，并使用不同的標(biāo)識對其進(jìn)行標(biāo)注。

圖2 數(shù)據(jù)庫查詢顯示界面Fig.2 Database query interface

以京滬航線為例，根據(jù)京滬航線的飛行計劃，依次輸入的15個關(guān)鍵航路點名稱，在已建立的Access導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行查詢，查詢結(jié)束后，點擊標(biāo)有關(guān)鍵航路點的checkbox控件，即可從下面的DataGridView控件中出現(xiàn)關(guān)鍵航路點的數(shù)據(jù)視圖，包括航路點編號、經(jīng)緯度、名稱、辨識符等。同時，在最下方的MSChart控件中會二維顯示飛行計劃的航線，如圖3所示，橫縱坐標(biāo)分別為經(jīng)度和緯度，黑色三角標(biāo)記關(guān)鍵航路點的位置，兩點間線代表飛行計劃航線。

圖3 飛行計劃顯示Fig.3 Flight plan display

在數(shù)據(jù)庫查詢后，生成查詢數(shù)據(jù)的緩存文件，緩存文件中包括飛行計劃中航路點的經(jīng)緯度、高度、名稱等信息，在World Wind中調(diào)用LineFeature類對飛行計劃航線在三維地理信息系統(tǒng)上進(jìn)行渲染，渲染后利用world Window.Current World.Renderable Objects. Add（）函數(shù)，將航線加入當(dāng)前的世界坐標(biāo)中，由于京滬航線較長，需要World Wind中攝像機(jī)高度為1 500 km才能完全顯示，在這個攝像機(jī)高度World Wind無法加載高清影像，因此顯示結(jié)果與在MSChart中類似。

2.2 機(jī)場模塊

機(jī)場的位置會在飛機(jī)的導(dǎo)航儀表ND中顯示，以便于飛行員了解飛機(jī)即將經(jīng)過的機(jī)場，飛行員通過與空管地勤人員溝通，了解當(dāng)時機(jī)場的天氣、跑道、起降情況，可以幫助飛行員做出正確的判斷。根據(jù)機(jī)場的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，建立導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫的機(jī)場模塊，具體的機(jī)場顯示信息包括：機(jī)場編號、辨識符、經(jīng)緯度、標(biāo)高、跑道名稱以及跑道航向角。

同樣以京滬航線周圍的機(jī)場為例，導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫機(jī)場模塊分別在二維MSChart控件（如圖4所示）和三維地理信息系統(tǒng)World Wind（如圖5所示）中顯示。圖4和圖5中圓形標(biāo)記即為機(jī)場的位置。在World Wind中，標(biāo)記為Icon類，通過調(diào)用數(shù)據(jù)庫緩存文件，實現(xiàn)對機(jī)場Icon的三維渲染。通過Rotation和Description的方法調(diào)用機(jī)場跑道的航向角，實現(xiàn)機(jī)場跑道航向角的顯示。

圖4 MSChart中機(jī)場位置Fig.4 Airports location in MSChart

圖5 World Wind中機(jī)場及跑道方向角Fig.5 Airports and runway angle in WorldWind

2.3 導(dǎo)航臺模塊

導(dǎo)航臺模塊主要針對兩種使用頻率最高的導(dǎo)航臺：DME、VOR和ILS。本文針對的導(dǎo)航臺主要為DME 和ILS。ILS導(dǎo)航臺數(shù)據(jù)視圖如圖6所示。

圖6 ILS導(dǎo)航臺數(shù)據(jù)視圖Fig.6 ILS data view

DME導(dǎo)航臺的顯示仍以京滬航線為例，如圖7所示為京滬航線可使用的DME導(dǎo)航臺，DME導(dǎo)航臺使用 ModelFeature類進(jìn)行渲染，ModelFeature類是在World Wind中渲染3D模型的類，圖7中將DME臺的模型做100倍夸張?zhí)幚怼?/p>

圖7 京滬航線可用的DME導(dǎo)航臺Fig.7 Beijing-Shanghai route vailable DME navigation station

ILS臺的顯示則以天津濱海機(jī)場34L跑道為例，如圖8中分別顯示為航向臺天線、下滑臺天線和DME導(dǎo)航臺，在跑道中心線延長線的為航向臺天線，在跑道旁邊的為下滑臺天線，同樣進(jìn)行了夸張?zhí)幚?。結(jié)合World Wind中天津機(jī)場的高分辨率遙感影像，三維顯示導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫中的導(dǎo)航臺和機(jī)場信息。

3 結(jié)語

本文主要研究了導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫中的導(dǎo)航數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并將導(dǎo)航數(shù)據(jù)進(jìn)行處理建立Access數(shù)據(jù)庫，使用圖表控件生成導(dǎo)航數(shù)據(jù)視圖，以圖表的方式進(jìn)行查詢、修改、保存等操作。應(yīng)用MSChart控件生成二維地圖，集成了飛行計劃、機(jī)場、導(dǎo)航臺、航路點等信息。然后對World Wind進(jìn)行二次開發(fā)，使導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫與三維地理信息系統(tǒng)結(jié)合，結(jié)合GIS的高分辨率遙感影像，對導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行三維表達(dá)，為飛行模擬機(jī)中建立真實度較高飛行模擬視景，便于飛行員在實飛前更好地了解飛行計劃中航線的地貌特征和導(dǎo)航臺、機(jī)場分布等信息，具有較高的應(yīng)用價值和前景。

圖8 World Wind中天津機(jī)場導(dǎo)航數(shù)據(jù)三維可視化Fig.8 Tianjin airport navigation data visualization in World Wind

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[7]王行仁.飛行實時仿真系統(tǒng)及技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1998.

[8] Flight Management System（FMS）Instrument Procedures Development，Order 8260.40B，December 31，1998[R].Federal Aviation Administration.

（責(zé)任編輯：黃 月）

Design and implementation of civil aviation navigation database based on World Wind

SHEN Xiao-yun，MENG Jian，JIAO Wei-dong，ZHANG Si-yuan
（Tianjin Key Lab for Advanced Signal Processing，CAUC，Tianjin 300300，China）

Navigation database is necessary data sources for flight management computer which can be used for navigation calculation，auto-tuning management of the navigation station，and the real-time location of aircraft，etc. To develop high-fidelity flight simulation visual system，a navigation database based on World Wind is designed and implemented.This database includes the information about airports，runways，instrument landing system，and distance measuring system，etc.So the global navigation data can be queried，modified and displayed，also the flight plan can be controlled and displayed.Finally all information will be displayed in World Wind by three-dimension.Digital elevation data and high-definition remote sensing images acting as visual model，a flight simulation visual system based on the database is completed by the WW platform combined with a flight simulation plug-in.

navigation database；FMC；World Wind；flight simulation visual system

V249

A

1674－5590（2013）01－0046－05

2012-06-08；

2012-09-24

國家自然科學(xué)基金委員會與中國民用航空局聯(lián)合資助項目（61079009）；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費（ZXH2009 B008）

沈笑云（1965—），女，江蘇鹽城人，研究員，碩士，研究方向為民用航空導(dǎo)航，虛擬現(xiàn)實在民航中的應(yīng)用.