專利名稱：用于通用航空的路徑規(guī)劃、地形回避及飛航環(huán)境警覺系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明廣義而言與降低在控制下飛入地障的意外災(zāi)害有關(guān)，明確地說，與在控制下飛入地障之意外的地形警覺以及警告系統(tǒng)的地形資料處理及演算法有關(guān)。
在控制下飛入地障(Controlled Flight into Terrain,CFIT)警告所使用的資料是由飛行管理電腦、全球定位系統(tǒng)(GPS)接收機(jī)及其它的機(jī)載裝備所提供。已知技術(shù)的CFIT警告是根據(jù)飛機(jī)所接收的最近位置及速度資料的曲線-配合外推預(yù)測三維的飛行路徑。接著將此預(yù)測的飛行路徑與鄰近區(qū)域的內(nèi)部地形高層圖比較，并計(jì)算飛機(jī)與地形發(fā)生碰撞的潛在威脅的評估。上述類型的系統(tǒng)約可向前察看120秒。這就是所謂的“無障礙時(shí)間”相對于“還有多少時(shí)間碰撞”的警告，也就是“地形回避”相對于“地形警覺”。
美國的航空公司致力于降低CFIT意外災(zāi)害可回溯到1947年。已知技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)地面接近警告系統(tǒng)(GPWS)使用無線電高度計(jì)資料，如果飛機(jī)的地形凈空不足，即會提供音響警告。如果飛入陡峭的地形，即會發(fā)生警告延遲的情形，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)的GPWS是靠俯視的無線電高度計(jì)偵測上升的地形。
Allied Signal公司提供“加強(qiáng)”型的GPWS-EGPWS，以及SextantAvionique公司提供的“地面碰撞回避系統(tǒng)”(GCAS)可在座艙顯示器上繪出飛行路徑四周的地形，并提供早期預(yù)警。這兩種系統(tǒng)都是環(huán)繞著三維地形資料建立，并根據(jù)飛機(jī)的爬升性能實(shí)施真正的前視預(yù)測能力。其技術(shù)分成三部分；GPS及其它高精度導(dǎo)航系統(tǒng)的出現(xiàn)，提供精確的定位并以很短的時(shí)間更新；使用較高速及較大存儲器的計(jì)算技術(shù)；以及精確、復(fù)雜的全球地形資料庫，包括全球數(shù)字化地形高度資料庫(DTED)。

圖1顯不DASSAULT ELECTRONIQUE GCAS的GPWX系統(tǒng)概略圖。
在EGPWS及GCAS中，地形資料庫是系統(tǒng)的核心。前視演算法以此資料庫與飛機(jī)的未來投影位置做比較，并根據(jù)此發(fā)出警告。使用DTED可使系統(tǒng)顯示飛機(jī)附近的地形。飛行期間，會顯示DTED中飛機(jī)下方的山峰及地形，以提供飛行員對飛航環(huán)境的警覺。很多前視警告，諸如與地形沖突的飛行剖面或飛行路徑都可以事先預(yù)警。在山區(qū)中緊急下降時(shí)，或是更改飛行路徑以回避惡劣天候時(shí)，前視警告更有助于防止任何情況導(dǎo)致CFIT。
不過，地形資料庫占據(jù)了極大量的存儲空間。如果在10000公里乘10000公里的區(qū)域內(nèi)以每百公尺的間距繪制地形高層圖，就需要1010個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)。很明顯，由于要連續(xù)存取1010個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的計(jì)算非常龐大，因此需要減少或壓縮這些資訊。此外，利用地形還可以做很多導(dǎo)航功能，諸如可以做最佳的飛行規(guī)劃，或根據(jù)即時(shí)的飛航環(huán)境緊急變更路徑，當(dāng)演算法的復(fù)雜度增加時(shí)，這些都受制于資料擷取的數(shù)量及計(jì)算的成本。不再經(jīng)由進(jìn)一步處理或借助其它格式的地形實(shí)料，諸如特征或向量表示法，DTED并無法給予資料元素間的幾何關(guān)系。
本發(fā)明的目的即是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供用于通用航空的路徑規(guī)劃、地形回避及飛航環(huán)境警覺系統(tǒng)。
在很多應(yīng)用方面，特別是飛行管理，必須存取整個(gè)DTED資料庫以決定或更改飛行的航點(diǎn)。在此所描述與地形警覺警告，以及與導(dǎo)航安全有關(guān)的問題，是在編碼的地形導(dǎo)航空間執(zhí)行。數(shù)字化地形高度資料(DTED)的網(wǎng)格點(diǎn)檔案的編碼，是根據(jù)表示空間資料結(jié)構(gòu)的衍生式四分樹(quad-tree)表示法。DTED檔案中的每一個(gè)元素，都被編碼成關(guān)于它在網(wǎng)格點(diǎn)檔案中的位置的Morton編號序列，劃分的高度資料(scaled elevation data)及涵蓋等量(等高度)范圍是其特點(diǎn)。在此種資料結(jié)構(gòu)下，DTED可以架構(gòu)成一組上升序列的整數(shù)。每一個(gè)整數(shù)代表一個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)中的平面位置、劃分的高度以及涵蓋的范圍交錯(cuò)編碼成一組位元位置以構(gòu)成一個(gè)整數(shù)。編碼的數(shù)列被定義成地形的八分樹(Oct-tree)模型。導(dǎo)航功能不僅為了高度資料而參考地形八分樹，同時(shí)也在其上執(zhí)行處理及運(yùn)算，至此導(dǎo)航空間從DTED陣列轉(zhuǎn)換到它的編碼整數(shù)數(shù)列。
在以地形八分樹為基礎(chǔ)的導(dǎo)航空間上可以執(zhí)行數(shù)種導(dǎo)航功能。以下展現(xiàn)一種以飛行高度定義動(dòng)態(tài)危險(xiǎn)區(qū)帶的較佳實(shí)施例。在較佳實(shí)施例中，定出最小飛行高度上方的的一組地形高度節(jié)點(diǎn)的位置并聚集這些位置。本發(fā)明所發(fā)展的諸如碰撞檢查、山區(qū)邊界以及區(qū)域增長技術(shù)的演算法是在這些地形模型上的基本運(yùn)算。在另一種較佳實(shí)施例中，采用能見度圖法(visibilitygraph approach)做動(dòng)態(tài)路徑選擇，以降低對即時(shí)計(jì)算的需要。此方法藉建立地形的部分能見度圖以縮小搜尋空間，并排除不影響選擇飛行路徑的地形細(xì)節(jié)，且地形的大小與導(dǎo)航空間的大小無關(guān)。
一旦可以很容易地決定飛機(jī)飛行路徑及地形區(qū)域的地勢，數(shù)種用于飛機(jī)導(dǎo)航的CFIT警告功能也變得很容易執(zhí)行。此外，它意含為了執(zhí)行幾何計(jì)算而存取具有地形高度資料的資料庫。經(jīng)由利用八分樹地形模型的多重及可變解析度的特性，使用地形資料做為參考的一系列CFIT警告功能可以很容易地實(shí)施。其功能包括地面迫近警告、障礙物提示、地形遮障、地形透視影像、被動(dòng)測距、即時(shí)路徑選擇及路徑規(guī)劃、氣象顯示覆疊、以及航點(diǎn)覆疊。
已知技術(shù)的路徑規(guī)劃方法是使用預(yù)先定義的障礙物模型。此外，擷取DTED的資料的數(shù)量及計(jì)算的成本都是負(fù)面的因素。在本發(fā)明中，在執(zhí)行飛行計(jì)劃期間，危險(xiǎn)區(qū)帶動(dòng)態(tài)地改變。此外，使用一層八分樹地形，使得線上運(yùn)算能力更為如裕。
從以下的詳細(xì)描述并配合附圖，將可明了本發(fā)明的目的及優(yōu)點(diǎn)。
圖1顯示已知技術(shù)的GPWS的系統(tǒng)概略圖。
圖2顯示位置碼及2-D、3-D投影的位元交錯(cuò)編碼。
圖3顯示有危險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)的導(dǎo)航空間的例子。
圖4顯示相關(guān)的飛行方向中可能的危險(xiǎn)區(qū)帶。
圖5顯示在危險(xiǎn)區(qū)帶擴(kuò)展區(qū)間(危險(xiǎn)區(qū)帶參考圖3)，使用危險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)數(shù)列的二分法搜尋決定邊界節(jié)點(diǎn)。
圖6顯示在結(jié)合邊界類型及航點(diǎn)位置。
圖7顯示危險(xiǎn)區(qū)帶擴(kuò)張及導(dǎo)出航點(diǎn)。
圖8顯示相對于不同起始點(diǎn)與目的點(diǎn)的危險(xiǎn)區(qū)帶。
圖9顯示能見度圖及它的樹狀結(jié)構(gòu)。
圖10顯示即時(shí)飛行路徑規(guī)劃的實(shí)施例范例。
圖11顯示障礙回避的實(shí)施例的范例。
圖12顯示產(chǎn)生地形透視影像的實(shí)施例的范例。
較佳實(shí)施例詳細(xì)說明1、地形模型在影像處理的領(lǐng)域，藉將陣列遞回地次分成許多四分象限，四分樹可以代表二維區(qū)域(2n×2n二進(jìn)位陣列的格式)。如果該四分象限是由1s或0s混合而成，它可以進(jìn)一步次分成許多四分象限，此過程一直重復(fù)到一個(gè)四分象限只由1s或0s構(gòu)成(被稱為葉端節(jié)點(diǎn))為止。事實(shí)上，1s(或0s)的大區(qū)域是由單一的四分象限或樹狀結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)表示。同樣地，三維的物件可以八分樹代表，2n×2n×2n陣列可次分成八分象限(octant)。如果八分象限中的元素都相同，該八分樹結(jié)束；否則再進(jìn)一步產(chǎn)生8個(gè)下一層的八分象限，以更詳細(xì)表現(xiàn)八分象限。
在本發(fā)明的較佳實(shí)施例中，采用另一種形式的八分樹結(jié)構(gòu)。加入第四個(gè)參數(shù)S，以代表葉端節(jié)點(diǎn)的大小。藉由它的三維座標(biāo)及大小的資訊，地表的地區(qū)域可以用一個(gè)3-D的位置碼表示。將地表的一個(gè)峰點(diǎn)(I,J,K)對映到一個(gè)節(jié)點(diǎn)的位置碼的方法，是由三元素的(I,J,K)與S位元交錯(cuò)編碼成16進(jìn)位值所構(gòu)成。因此，在每個(gè)位置上，S位元在K位元之前，K位元在J位元?dú)庵?、以及J位元在I位元之前。在(I,J,K)與S交錯(cuò)編碼之后，位置碼是一組數(shù)字(0,1,2,3,4,5,6,7,8,C)其中之一。位置碼中數(shù)字“8”或“C”出現(xiàn)的次數(shù)代表經(jīng)過合并的節(jié)點(diǎn)的大小資訊。
在圖2的例中，節(jié)點(diǎn)的第4n-1個(gè)位元的組合(即每一個(gè)數(shù)字的第1個(gè)位元的組合)等于I值的二進(jìn)位表示法。分別為第(4n-1+1)個(gè)位元重復(fù)此種組合成為J，第(4n-1+2)個(gè)位元成為K，以及第(4n-1+3)個(gè)位元構(gòu)成大小的值S，其中n(n=1,2,…)是解析度參數(shù)。雖然節(jié)點(diǎn)的4個(gè)分量(即I,J,K,S)間完全獨(dú)立，但它們是以一個(gè)單值代表。編碼及解碼處理，都可在此位元交錯(cuò)的設(shè)計(jì)下使用逐位元運(yùn)算執(zhí)行。
地形八分樹中所使用的定址設(shè)計(jì)是Morton編號序列，它也是利用前述的位元交錯(cuò)編碼構(gòu)成。對3-D位置碼的I,J位元執(zhí)行modulo-4運(yùn)算可以得到2-D的位置碼，其中將K位元指定成0，以及S位元保留不改變。在圖2中，節(jié)點(diǎn)<00001473>16在IJ平面上的投影是<00001033>16；對經(jīng)過合并的節(jié)點(diǎn)<0000148C>16而言，投影碼是<00001088>16。
2、導(dǎo)航空間的模型化一般而言，目前的路徑規(guī)劃法是由兩個(gè)階段構(gòu)成。在第一階段，產(chǎn)生由所有可能路徑構(gòu)成的搜尋空間，它們都避開起始點(diǎn)與目的點(diǎn)間的障礙。一旦產(chǎn)生出搜尋空間，第二階段是尋找一條滿足特定限制條件的路徑。典型上，這些方法是基于導(dǎo)航空間(障礙、地形及威脅)是靜態(tài)的，且是事先完全知曉的假設(shè)。
很多已知技術(shù)的飛行路徑規(guī)劃演算法是利用對導(dǎo)航空間中路徑的“成本”的知識，藉著使定義路徑“成本”的某些客觀函數(shù)最小化得到最佳路徑。這些演算法是“最短路徑問題”的衍生。共同的策略是預(yù)處理搜尋空間以降低即時(shí)計(jì)算的成本。預(yù)處理的方法可分為兩類，一是根據(jù)地形高度組織搜尋空間圖，另一種是將預(yù)先計(jì)算的成本值嵌入搜尋空間的圖中。另本發(fā)明所描述的飛行路徑規(guī)劃演算法是根據(jù)對飛行高度、飛行距離及到目的地的時(shí)間的限制。雖然飛機(jī)已了然任務(wù)期間的導(dǎo)航空間，但障礙物會隨著操作的限制條件改變，因此要在任務(wù)期間即時(shí)發(fā)覺。
本發(fā)明中所描述的飛行路徑規(guī)劃演算法是在代表導(dǎo)航空間的地形八分象限結(jié)構(gòu)上執(zhí)行，且不使用任何其它的資料格式來表示地形特征(線性或多邊形特征)。由于障礙的形狀是隨著高度動(dòng)態(tài)地改變，因此以靜態(tài)的多邊形表示障礙并不適合即時(shí)的動(dòng)態(tài)飛行路徑規(guī)劃。地形八分樹被組織成線性數(shù)列，其中每一個(gè)元素代表樹狀結(jié)構(gòu)的一個(gè)葉端節(jié)點(diǎn)。每一個(gè)節(jié)點(diǎn)以一個(gè)單整數(shù)表示，且表示網(wǎng)格點(diǎn)檔案的等量元素組。使用八分樹簡化了從地形資料庫中擷取障礙物的操作。
八分樹地形模型包括2-維(2-D)及3-維(3-D)的資訊。不過樹狀編碼的方法允許2-D的四分樹空間與3-D八分樹空間中對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)間一對一直接投影。此允許在四分樹空間中計(jì)算3-D的飛行路徑，大幅簡化了計(jì)算工作。使用2-D表示法也簡化了諸如鄰接點(diǎn)的位置、決定兩點(diǎn)間的路徑段以及幾何座標(biāo)與節(jié)點(diǎn)位址間轉(zhuǎn)換等工作。
3．核心路徑規(guī)劃演算法3.1障礙物的擷取3.1.1發(fā)覺障礙物在地形八分樹中，劃分高度值在飛行高度以上的節(jié)點(diǎn)是所謂的“危險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)”，此意味飛機(jī)進(jìn)入被這些節(jié)點(diǎn)占據(jù)的地形區(qū)域就不安全。危險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)數(shù)列是四分樹的子集，表示導(dǎo)航空間的節(jié)點(diǎn)。不過，危險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)數(shù)列并不提供導(dǎo)航空間中任何明確的地勢資訊(例如連接性或邊界條件)。在圖3中，顯示危險(xiǎn)區(qū)域中包含26個(gè)節(jié)點(diǎn)，組織成一個(gè)排序序列，但節(jié)點(diǎn)1或節(jié)點(diǎn)26是否屬于相同的連接區(qū)域并不確定。此外，縱使危險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)被“散布”到整個(gè)導(dǎo)航空間，也只有少數(shù)幾個(gè)危險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)會使指定的飛行路徑瀕于險(xiǎn)境。例如，在圖4中，有5個(gè)連接的危險(xiǎn)區(qū)域，但對于要到目的1的路徑而言，可能的障礙物只限于區(qū)域A到C。
與目前方向有關(guān)的危險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)稱為障礙節(jié)點(diǎn)，并被組織成一組位置碼，它代表飛機(jī)導(dǎo)航空間中危險(xiǎn)區(qū)帶所涵蓋的范圍。組織障礙物的步驟如下(1)根據(jù)高度臨限值從地形八分樹中擷取危險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)數(shù)列。以適當(dāng)?shù)拇怪眲澐忠驍?shù)K將地形組織成區(qū)帶或?qū)用?，例?0公尺的區(qū)帶。檢視八分樹的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)，看是否有K值(嵌在位置碼中)超過臨限值。K值小于臨限值者略之不計(jì)。所得到的數(shù)列包括導(dǎo)航空間中所有具有潛在危險(xiǎn)的節(jié)點(diǎn)。
(2)使用“產(chǎn)生與測試”策略，藉對位于指定的起始點(diǎn)(S)與目的點(diǎn)(G)間直接路徑的碰撞檢查(或是偵測交叉點(diǎn))得到障礙物節(jié)點(diǎn)數(shù)列。直接路徑是點(diǎn)S與G間的直線，決定在點(diǎn)S與G間的直線上的八分樹節(jié)點(diǎn)。沿著線上的每一個(gè)點(diǎn)，從S點(diǎn)開始，對照危險(xiǎn)葉端節(jié)點(diǎn)數(shù)列檢查。如果線上的點(diǎn)與任何危險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)匹配，則搜尋空間葉端節(jié)點(diǎn)被存入數(shù)列中，供后續(xù)擴(kuò)展危險(xiǎn)區(qū)帶。有時(shí)，沿著直接路徑上的點(diǎn)，有超過一個(gè)以上的分量與相同的障礙物節(jié)點(diǎn)相交。
(3)增長連接的危險(xiǎn)區(qū)帶，以定出區(qū)域的頂點(diǎn)做為航點(diǎn)。危險(xiǎn)區(qū)帶擴(kuò)展處理包括尋找毗鄰于要被擴(kuò)展的葉端節(jié)點(diǎn)的障礙物葉端節(jié)點(diǎn)。此擴(kuò)展處理的主要目的是為得到一組在導(dǎo)航空間中對應(yīng)于危險(xiǎn)區(qū)帶的航點(diǎn)；接著使用這些航點(diǎn)做為可能的飛行路徑，偏離以避免與地形碰撞。
3.1.2危險(xiǎn)區(qū)帶的擴(kuò)展計(jì)算它鄰接的4個(gè)主要方向的位置碼以擴(kuò)展障礙物葉端節(jié)點(diǎn)。此項(xiàng)運(yùn)算是遞回地執(zhí)行，一直到達(dá)邊界節(jié)點(diǎn)，邊界節(jié)點(diǎn)是在危險(xiǎn)葉端節(jié)點(diǎn)數(shù)列中沒有任何鄰接節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)。鄰接節(jié)點(diǎn)的大小與目前“正在擴(kuò)展中”的節(jié)點(diǎn)的大小可能不同，其中2d乘2d的節(jié)點(diǎn)的大小是2d，且節(jié)點(diǎn)的層次定義為d。為等大小的鄰接節(jié)點(diǎn)搜尋危險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)數(shù)列。如果在數(shù)列中沒有發(fā)現(xiàn)等大小的鄰接節(jié)點(diǎn)，則重復(fù)此動(dòng)作搜尋較大的鄰接節(jié)點(diǎn)，且重復(fù)進(jìn)行直到發(fā)現(xiàn)鄰接節(jié)點(diǎn)，或是樹狀結(jié)構(gòu)到達(dá)鄰接根部的層次。
如果經(jīng)過此項(xiàng)處理后仍未發(fā)現(xiàn)鄰接節(jié)點(diǎn)，即顯示也許存在一些大小較小的鄰接節(jié)點(diǎn)，或該節(jié)點(diǎn)是邊界節(jié)點(diǎn)。如果該節(jié)點(diǎn)未出現(xiàn)于節(jié)點(diǎn)數(shù)列中，它可能包含于上層已合并的節(jié)點(diǎn)中。具有二分搜尋程序的最后比較回圈中使用的投影碼的節(jié)點(diǎn)涵蓋被查詢的節(jié)點(diǎn)，或是被查詢的節(jié)點(diǎn)涵蓋?？山灏l(fā)現(xiàn)此項(xiàng)特征，以決定是否有任何大小相同的鄰接節(jié)點(diǎn)的四分象限存在。如果測試中的節(jié)點(diǎn)的鄰接節(jié)點(diǎn)涵蓋用于最后比較回圈的位置碼，就需要進(jìn)行進(jìn)一步搜尋，否則目前的擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)是邊界。例如，圖3中的節(jié)點(diǎn)21的擴(kuò)展處理，在“南方”遇到邊界，在北及東方連接障礙物節(jié)點(diǎn)，以及在“西方”需要進(jìn)一步處理到下一層，如圖5所示。
使用分別對應(yīng)于北方側(cè)、東方側(cè)、西方側(cè)、南方側(cè)的添加碼1、2、4及8對障礙物的邊界類型編碼。零顯示該節(jié)點(diǎn)沒有任何一側(cè)是在邊界上。如圖6顯示危險(xiǎn)區(qū)帶及可能的航點(diǎn)的位置。例如，具有邊界碼13的節(jié)點(diǎn)是頂點(diǎn)節(jié)點(diǎn)。它在NW及SW對角方向有兩個(gè)航點(diǎn)。航點(diǎn)是由其在對角方向的鄰接節(jié)點(diǎn)的西北角的位置碼表示。且在將它附加到航點(diǎn)數(shù)列前，還需要檢查該航點(diǎn)是否位于危險(xiǎn)區(qū)帶數(shù)列以及已為航點(diǎn)數(shù)列中的一員。
還有兩種方法可以用來縮小擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)的大小，或是使用較粗解析度層的節(jié)點(diǎn)近似。當(dāng)需要較詳細(xì)資訊時(shí)實(shí)施第一種方法。其方法是次分目前的擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)，并分別擴(kuò)展每一個(gè)下一層的四分象限。在此情況，將目前的擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)當(dāng)成邊界節(jié)點(diǎn)處理，且它的邊界類型被更新。此項(xiàng)處理被遞回地執(zhí)行，直到發(fā)現(xiàn)鄰接節(jié)點(diǎn)，或一直處理到邊界節(jié)點(diǎn)。第二種方法是利用地形八分樹的層系特性。為減少頂點(diǎn)的數(shù)量(且因此縮小能見度圖的大小)，而非目前擴(kuò)展的節(jié)點(diǎn)的大小，將等大小的鄰接節(jié)點(diǎn)的位置碼指定為邊界節(jié)點(diǎn)，并結(jié)束擴(kuò)展處理。亦即，近似處理是“截除”比目前的擴(kuò)展解析度水準(zhǔn)低的節(jié)點(diǎn)。目前已擴(kuò)展的節(jié)點(diǎn)的邊界碼按上述方法更新。
3.1.3航點(diǎn)定位每逢鄰接節(jié)點(diǎn)被定位，它顯示在目前的方向需要進(jìn)一步擴(kuò)展，否則該節(jié)點(diǎn)已遇到一個(gè)邊界節(jié)點(diǎn)。在所有4個(gè)主要方向都檢視過后，即得到障礙物節(jié)點(diǎn)的邊界類型。從該邊界類型，可以直接決定該節(jié)點(diǎn)是否是障礙物節(jié)點(diǎn)。擴(kuò)展處理從鄰接節(jié)點(diǎn)遞回地進(jìn)行，并使用障礙物節(jié)點(diǎn)數(shù)列參考已擴(kuò)展的節(jié)點(diǎn)，以避免重復(fù)檢視相同的障礙節(jié)點(diǎn)。圖7顯示危險(xiǎn)區(qū)帶的擴(kuò)展。在擴(kuò)展處理期間，得到邊界節(jié)點(diǎn)的邊界類型以決定是否是危險(xiǎn)區(qū)帶的頂點(diǎn)。如果它是頂點(diǎn)節(jié)點(diǎn)，接著在“對角方向”毗鄰危險(xiǎn)區(qū)帶產(chǎn)生一個(gè)航點(diǎn)，如圖7b所示。
在對SEED數(shù)列的所有成員施加擴(kuò)展處理之后，就得到沿著起始點(diǎn)與目的點(diǎn)間直接飛行路徑上的危險(xiǎn)區(qū)帶，它與飛行路徑的整體方向有關(guān)。圖8a-d顯示具有危險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)的飛航區(qū)，以及沿著起始點(diǎn)與目的點(diǎn)節(jié)點(diǎn)間的不同直接路徑上的障礙物對應(yīng)區(qū)域。危險(xiǎn)區(qū)帶的確實(shí)地勢資訊是擷取自特定的地形八分樹，并被轉(zhuǎn)換成一組航點(diǎn)。接著使用這些航點(diǎn)構(gòu)建出導(dǎo)航空間中的能見度圖，以決定最佳路徑。
3.2導(dǎo)航空間的轉(zhuǎn)換能見度圖是根據(jù)獲取階段期間所得到的一組航點(diǎn)所構(gòu)建。這組航點(diǎn)暗含了導(dǎo)航空間中危險(xiǎn)區(qū)帶的幾何資訊。演算法是考慮所有的點(diǎn)對(Wfrom,Wto)所構(gòu)成，其中Wfrom及Wto是危險(xiǎn)區(qū)帶的起點(diǎn)、終點(diǎn)、或中間航點(diǎn)。要決定Wfrom及Wto是否是有效飛行路徑段的端點(diǎn)，檢查Wfrom及Wto的直線相對于危險(xiǎn)區(qū)帶的“碰撞”。若且唯若連接兩點(diǎn)間的線段沒有發(fā)生交錯(cuò)，Wfrom及Wto間的節(jié)點(diǎn)被能見度圖內(nèi)的鏈結(jié)連接。
碰撞檢查的原則與用于檢查起始點(diǎn)目的點(diǎn)間的直接路徑的碰撞相同。只要偵測到碰撞，航點(diǎn)對的測試即告終止，否則測試將持續(xù)進(jìn)行到達(dá)Wto在測試過所有可能的航點(diǎn)對組合后，所得到的結(jié)果是能見度圖，其航點(diǎn)是圖的節(jié)點(diǎn)，航點(diǎn)所構(gòu)成的路徑段是圓的弧。在圖9中存在數(shù)條路徑，它們是由通過航點(diǎn)序列連接起始點(diǎn)與目的的點(diǎn)的許多直線所構(gòu)成。
所使用的能見度圖法與絕大多數(shù)路徑規(guī)劃問題中所用的方法相同，其中障礙物空間的能見度圖是由多邊形障礙物數(shù)列所構(gòu)建。不過，以下的考慮是針對根據(jù)地形八分樹的飛行路徑規(guī)劃演算法聚集沿著起始點(diǎn)與目的點(diǎn)間的理想直接路徑的障礙節(jié)點(diǎn)，以及那些限于直接路徑(或目前方向)附近的可能障礙物得到危險(xiǎn)區(qū)帶。此方法意含將導(dǎo)航空間中不相關(guān)的危險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)刪除，并因此使航點(diǎn)的數(shù)量最小化。由于航點(diǎn)僅代表危險(xiǎn)區(qū)域的障礙物的子集，此項(xiàng)處理提供了整個(gè)導(dǎo)航空間的部分能見度圖。圖8a-d顯示部分結(jié)構(gòu)與它的能見度圖的范例。
在碰撞檢查期間共要檢查W(W-1)/2個(gè)航點(diǎn)對，其中W是包括起始點(diǎn)S與目的點(diǎn)G的航點(diǎn)的數(shù)量。構(gòu)建能見度圖的時(shí)間復(fù)雜度正比于W(W-2)/2。對任何導(dǎo)航空間而言，可以很容易看到航點(diǎn)W的數(shù)量小于頂點(diǎn)n的數(shù)量。此外，包含W個(gè)航點(diǎn)的能見度圖的大小小于n個(gè)頂點(diǎn)的能見度圖的大小。很明顯，藉縮小能見度圖的大小可以大幅增進(jìn)搜尋的速率。
3.3飛行路徑搜尋在前節(jié)中已描述，能見度圖是以飛行路徑段的數(shù)列的形式來表示，路徑規(guī)劃問題已轉(zhuǎn)換成搜尋開始節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)間的能見度圖的問題。例如，圖9顯示代表導(dǎo)航空間的路徑段的能見度圖，在圖中有7個(gè)節(jié)點(diǎn)，包括開始與目的點(diǎn)。它被重建成樹狀結(jié)構(gòu)用以說明其結(jié)構(gòu)，在其中目的節(jié)點(diǎn)G與其它節(jié)點(diǎn)在樹中出現(xiàn)超過一次。
有數(shù)種技術(shù)可以用來搜尋圖中的路徑，包括諸如深度優(yōu)先、寬度優(yōu)先及啟發(fā)式搜尋。較佳實(shí)施例中描述啟發(fā)式搜尋法，所加諸的限制條件使并入路徑規(guī)劃演算法中的連接數(shù)量最少。搜尋期間，路徑段經(jīng)過選擇，亦即盡量遠(yuǎn)離目前的位置，期望盡量靠近目標(biāo)點(diǎn)，以最短的方法與搜尋最少連接的方法期望擷取資料，評估增加航點(diǎn)的影響，藉以決定那一組航點(diǎn)可在常式中被擴(kuò)展。
尋找真正的最佳路徑需要毫無遺漏的搜尋。不過，最佳路徑也許不是即時(shí)空用需求所要的，因?yàn)榭赡軙箶X取路徑的性能降低。對能見度圖中大量的節(jié)點(diǎn)而言，包羅無遺的方法的計(jì)算負(fù)荷極為驚人，可以采用更有效率的啟發(fā)式搜尋法，它是根據(jù)衍生自Dijkstra的演算法，也是熟知的A*法。
4．即時(shí)動(dòng)態(tài)環(huán)境應(yīng)用如所預(yù)期，飛機(jī)的飛行路徑需要即時(shí)修改以匹配飛行條件，且環(huán)境中的障礙物會改變，要根據(jù)目前的障礙物空間，為每一次飛行規(guī)劃的改變存取地形資料庫以重建能見度圖，規(guī)劃新的飛行路徑必須在數(shù)秒內(nèi)完成以便做到即時(shí)導(dǎo)航，此時(shí)間間隔包括飛行路徑規(guī)劃計(jì)算，以及架構(gòu)路徑搜尋空間。
典型上，在即時(shí)的導(dǎo)航環(huán)境中，新的飛行路徑需要在請求的數(shù)秒內(nèi)完成。事實(shí)上，擷取航點(diǎn)與搜尋能見度圖所花的時(shí)間，比規(guī)劃處理整個(gè)路徑的時(shí)間少得多。將建議路徑規(guī)劃演算法應(yīng)用到即時(shí)動(dòng)態(tài)環(huán)境的策略，是根據(jù)觀察將演算法應(yīng)用到具有隨機(jī)產(chǎn)生的起始點(diǎn)與目的點(diǎn)的特定地形所得，并量測每一階段所花的時(shí)間。這些量測包括產(chǎn)生航點(diǎn)的時(shí)間，架構(gòu)能見度圖的時(shí)間，以及在地形八分樹的不同解析度中發(fā)現(xiàn)路徑的時(shí)間。接著使用這些離線計(jì)算時(shí)間的結(jié)果用來“調(diào)整”指定地形的即時(shí)動(dòng)態(tài)飛行路徑規(guī)劃演算法。
要改變導(dǎo)航空間的解析度，使用金字塔結(jié)構(gòu)的四分樹來代表導(dǎo)航空間與危險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)。得到金字塔結(jié)構(gòu)第K層方法是在第K+1層的2×2的窗口上施加最大值函數(shù)。不過，在金字塔結(jié)構(gòu)的上部各層中，可能因樹狀節(jié)點(diǎn)只取最大高程值的“合并”而使路徑被遮蔽，因此，在該層中可能找不到路徑。在即時(shí)的應(yīng)用中，最好避免在高解析度層建立大的能見度圖所致使的瓶頸。另一方面，避免較粗解析度層也很重要，它很容易隱藏有效路徑。決定適當(dāng)處理解析度層的方法，首先在預(yù)先定義的解析度層得到航點(diǎn)，估計(jì)能見度圖的大小，接著決定是否有需要切換到其它的層做路徑規(guī)劃。
例如，圖10展現(xiàn)在飛行任務(wù)期間連續(xù)改變目的點(diǎn)的即時(shí)模擬，起始點(diǎn)是(255,101)，目的點(diǎn)是(96,251)。預(yù)定的空速為400公尺/秒，飛行高度及作業(yè)的層設(shè)定成與使用者互動(dòng)。飛行期間，賦予新的飛行路徑規(guī)劃新的目的點(diǎn)(241,242)；演算法根據(jù)5-秒的限制條件預(yù)測新的起點(diǎn)是(204,148)。在相同層中發(fā)現(xiàn)路徑，且飛行高度如圖10所示。也可使用不同的基準(zhǔn)線、劃分因數(shù)、時(shí)間限制及飛行高度。
DTED的源檔案是中國臺灣國立中央大學(xué)太空暨遙測研究中心提供的5000分之一比例尺的高度資料，稱為數(shù)字地形模型資料(DTM)。DTM檔案是由40公尺的水平網(wǎng)格每一個(gè)交叉點(diǎn)的高度值所構(gòu)成，它的值是從20.48平方公里的DTM方塊中包含256K個(gè)高度值的SPOTLandmass地圖上的等高線作數(shù)學(xué)內(nèi)插而得。原始檔案可以大到216×216個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)，但實(shí)施例中被限制到29×29個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)以網(wǎng)化編碼的處理。
如前所述，路徑規(guī)劃演算法可以在金字塔結(jié)構(gòu)中較粗解析度層執(zhí)行，以符合即時(shí)的限制條件。不過，地形高度資料是連續(xù)地改變，且地形八分樹表示法與地形相關(guān)，因此，與指定飛行高度相關(guān)的障礙物位置與連接性無法預(yù)測。一般來說，路徑規(guī)劃處理的實(shí)際作業(yè)層是由最小飛行高度決定，其必然也決定航點(diǎn)的數(shù)量，飛行高度低將產(chǎn)生大量的危險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)與障礙節(jié)點(diǎn)，因此，可以為某特定的作業(yè)環(huán)境采用較粗的作業(yè)層，以保持航點(diǎn)的數(shù)量低于預(yù)先定義的邊界值。由于即時(shí)的應(yīng)用端視計(jì)算系統(tǒng)的性能、飛機(jī)的速率而定，即時(shí)的限制條件、允許規(guī)劃的時(shí)間及預(yù)先定義的處理層可以改變。
5．地形回避與飛航環(huán)境警覺5.1動(dòng)態(tài)障礙物及天氣情況回避本發(fā)明不僅根據(jù)四周的地形提供警告，且能給予沿著飛行路徑前方的地形資訊，它是從路徑規(guī)劃函數(shù)得到。一旦新的路徑在線上規(guī)劃完成，即可以很容易地與GPWS及GCAS的警告功能耦合。其它的類型的危險(xiǎn)涵蓋區(qū)域，諸如障礙物、山峰、天氣狀況(出現(xiàn)于空域中的雷雨、風(fēng)切或任何氣象狀況)也可以一組位置碼表示，覆疊于地形高程圖上，并按前述方法執(zhí)行。圖11顯示實(shí)施例的范例。
5.2供地形警覺的地形高程圖及地形遮蔽地形高程圖的產(chǎn)生，以及危險(xiǎn)區(qū)帶、山峰，與所選擇的飛行高度及飛行方向相關(guān)的障礙物的視線地形遮蔽的計(jì)算，都可以相同的位置碼表示。使用存取演算法擷取地形模型中的節(jié)點(diǎn)參數(shù)。I,J,K參數(shù)指定平面位置及節(jié)點(diǎn)的高度，來自對照表的不同色碼被指定到每一個(gè)高度帶；S表示構(gòu)成該遮蔽區(qū)域的該節(jié)點(diǎn)涵蓋的區(qū)域。節(jié)點(diǎn)的子集得自碰撞檢查及尋找具有等量節(jié)點(diǎn)的區(qū)域，代表危險(xiǎn)區(qū)帶、山峰、及障礙物。
5.3地形模型的透視影像提供一種產(chǎn)生地形模型的透視影像的方法，包括從地形模型擷取與存取資料供產(chǎn)生影像。使用存取演算法擷取地形模型中節(jié)點(diǎn)的參數(shù)。I,J,K參數(shù)賦予平面位置及節(jié)點(diǎn)的高度，來自對照表的不同色碼被指定到每一個(gè)高度帶；S表示構(gòu)成該地形透視影像的節(jié)點(diǎn)涵蓋的區(qū)域。直接使用地形模型做為輸入資料，不需要存取原始的DTED檔案。圖12顯示透視影像實(shí)施例的范例。
6．結(jié)論已知技術(shù)的規(guī)劃方法是使用預(yù)先定義的障礙物模型。不過，在飛行計(jì)劃執(zhí)行期間，每逢飛行高度改變，帶障礙物區(qū)域也改變。除此之外，在已知技術(shù)的DTED方法中，擷取的資料量以及計(jì)算的成本都是負(fù)面的因素，常在標(biāo)準(zhǔn)DTED系統(tǒng)中演算法的復(fù)雜度增加，最佳的飛行計(jì)劃或是在即時(shí)的飛航環(huán)境中緊急改變路徑，都可能會受資料擷取量及計(jì)算成本的限制。
在本發(fā)明中，提供一種根據(jù)八分樹地形的GFIT警告演算法，它以各種不同程度的解析度直接表示地形。八分樹結(jié)構(gòu)藉截除或近似不需要的資料，能在較粗解析度的層次以足夠的精確度將地形模型化，允許有效率地執(zhí)行地形參考工作。在本較佳實(shí)施例中，藉使用八分樹地形模型的特征，地形警覺及警告系統(tǒng)相關(guān)的功能，比根據(jù)DTED的已知方法執(zhí)行起來更有效率。此外，與已知技術(shù)的飛行前規(guī)劃系統(tǒng)相較，較佳實(shí)施例顯現(xiàn)即時(shí)飛行路徑規(guī)劃的能力。
對在飛航環(huán)境中的長程全球路徑規(guī)劃而言，無論是在預(yù)先規(guī)劃或在即時(shí)的飛航環(huán)境中，八分樹階層式的分解結(jié)構(gòu)避免路徑規(guī)劃階段中超量的地形細(xì)節(jié)。藉利用八分樹地形模型的啟發(fā)式特性，路徑規(guī)劃演算法可以在八分樹地形的任何一層作業(yè)。此外，路徑規(guī)劃法藉建立導(dǎo)航空間的部分能見度圖以縮減搜尋空間的大小，并不影響路徑的選擇及回避地形的細(xì)節(jié)。本發(fā)明所描述的八分樹地形及能見度圖法，已適合即時(shí)計(jì)算的要求。
對與CFIG警告相關(guān)的功能及障礙物回避而言，可以使用例如與飛行路徑規(guī)劃相同的設(shè)計(jì)。藉以八分樹地形或附加一層八分樹地形取代DTED，可以很容易地實(shí)施預(yù)測飛行路徑與地形資料庫間的比較，藉以偵測可能的碰撞并給予警告，或得到新的路徑供回避。此外，可以更有效率的方法執(zhí)行地形警覺及顯示。
雖然以上描述了本發(fā)明具代表性的實(shí)施例，此項(xiàng)描述并非限制本發(fā)明的范圍，它可以各種形式的實(shí)施例實(shí)施。例如，即時(shí)飛行路路徑規(guī)劃演算法可以嵌在飛行管理電腦(FMC)中做為飛行管制。另一方面，當(dāng)在山區(qū)或在有建筑物或人造障礙物的都會區(qū)，從即時(shí)飛行路徑規(guī)劃與編碼的地形資料庫得到的飛行路徑及地形剖面，給予飛機(jī)前視能力，特別是通用航空的應(yīng)用上。因此，此能力可以很容易地延伸到在控制下飛入地障、地面接近警造及障礙物回避。此外，地形警覺及顯示也可耦合至座艙飛航資訊顯示(CDTI)成為其特性之一。
從地形資料庫的觀點(diǎn)，以有限的成本，地形模型可以單獨(dú)使用，或與DTED資料庫的已知技術(shù)平行使用，甚至取代目前的DTED資料庫，在軍用的領(lǐng)域，諸如任務(wù)規(guī)劃、地形回避、地形追隨、地形匹配、雷達(dá)及威脅視線遮蔽、通視遮蔽等都可實(shí)施。在非航空方面的應(yīng)用，諸如海床表示、聲納涵蓋、GSM基地臺涵蓋范圍的估計(jì)等，也都可以適用。
雖然本發(fā)明是參考較佳實(shí)施例顯示與描述，并以附圖的方式說明，但不能視為對其的限制。熟悉此方面技術(shù)的人士，可想像出的各種的等效修改、刪減及替換，以及任何特殊的實(shí)施例，都不會偏離本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種為通用航空執(zhí)行即時(shí)飛行路徑選擇及路徑規(guī)劃的方法，包括以下的步驟使用數(shù)字化地形高度資料(DTED)產(chǎn)生地形模型；使用此地形模型提供導(dǎo)航空間；存取與擷取地形模型以產(chǎn)生地形高層圖；在導(dǎo)航空間上賦予起始點(diǎn)與目的點(diǎn)，以在地形高層圖上決定直接飛行路徑的地面軌跡；根據(jù)地面軌跡及飛行高度識別危險(xiǎn)區(qū)帶；使用該危險(xiǎn)區(qū)帶定出一組供回避的航點(diǎn)；構(gòu)建導(dǎo)航空間的能見度圖，它是一組無碰撞的路徑段；藉飛行路徑搜尋演算法連接起始點(diǎn)與目的點(diǎn)；以及從地形模型得到飛行路徑的地形剖面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于該地形模型是八分樹地形。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于該地形模型是四分樹及八分樹結(jié)構(gòu)的衍生型。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于該地形模型包含一組節(jié)點(diǎn)，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)以一個(gè)整數(shù)表示。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于每一個(gè)該節(jié)點(diǎn)包含4個(gè)參數(shù)I,J,K,S；將DTED檔案的每一個(gè)高度峰點(diǎn)I,J,K對映到對應(yīng)的八分樹的3-D位置碼得到4個(gè)參數(shù)I,J,K,S；參數(shù)I,J定義平面位置的2-D座標(biāo)，加上高度K,I,J,K定義空間位置的3-D座標(biāo)；引入高度的劃分因數(shù)，它將地形高度分成許多帶；參數(shù)K代表劃分的高度；該八分樹中，出現(xiàn)于對應(yīng)的四分樹的相同四分象限中具有等劃分高度值的節(jié)點(diǎn)被合并；劃分因數(shù)可以是非線性，或從一基線開始以取代平均海平面高度；參數(shù)S是節(jié)點(diǎn)的涵蓋范圍，且增加它以用來表示節(jié)點(diǎn)的大小；該4個(gè)參數(shù)I,J,K,S以它們的位元位置交錯(cuò)編碼構(gòu)成一個(gè)代表節(jié)點(diǎn)的整數(shù)；以及每一個(gè)地形高度資料具有它唯一對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于定義的該導(dǎo)航空間是用來配置可能的飛行路徑的區(qū)域；該導(dǎo)航空間結(jié)合八分樹與四分樹，以提供在地形高度資料上的3-D與2-D操作；以及將3-D位置碼中的K位元?jiǎng)h除可得到2-D位置碼。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于得以該地形高層圖的步驟如下使用存取演算法存取該地形模型；存取一個(gè)節(jié)點(diǎn)即表示存取該節(jié)點(diǎn)所涵蓋的區(qū)域；使用擷取演算法擷取該地形模型的節(jié)點(diǎn)的參數(shù)，其中I,J,K參數(shù)賦予節(jié)點(diǎn)的平面位置與高度，來自對照表的不同色碼被指定到每一個(gè)高度帶，S表示構(gòu)成該地形高層圖的節(jié)點(diǎn)所涵蓋的范圍。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于地面軌跡是直線線段，其形式是節(jié)點(diǎn)的數(shù)列；危險(xiǎn)區(qū)帶是節(jié)點(diǎn)的數(shù)列，得自碰撞檢查中其高度與飛行高度沖突的節(jié)點(diǎn)；每一個(gè)無碰撞的路徑段是直線線段，其形式是節(jié)點(diǎn)的數(shù)列；航點(diǎn)表示于2-D的位置碼中；以及能見度圖是執(zhí)行每一條航點(diǎn)對間的線段的碰撞檢查以決定一組無碰撞的路徑線段架構(gòu)而成。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于由于導(dǎo)航空間中該危險(xiǎn)區(qū)帶的幾何區(qū)域特征，使用根據(jù)能見度圖的路徑搜尋演算法。
10.一種執(zhí)行即時(shí)動(dòng)態(tài)碰撞檢查的方法，包括以下的步驟使用數(shù)字化地形高度資料DTED產(chǎn)生地形模型；使用此地形模型提供導(dǎo)航空間；存取與擷取地形模型以產(chǎn)生地形高層圖；根據(jù)飛行高度識別導(dǎo)航空間上的節(jié)點(diǎn)的數(shù)列；賦予飛行路徑線段的地面軌跡，它是在地形高層圖上的節(jié)點(diǎn)的數(shù)列，以及藉搜尋沿著路徑線段的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)對照危險(xiǎn)區(qū)帶的節(jié)點(diǎn)數(shù)列，以決定與危險(xiǎn)區(qū)帶相沖突的飛行路徑線段。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于所執(zhí)行的碰撞檢查是檢查出現(xiàn)于兩種節(jié)點(diǎn)數(shù)列中相同的節(jié)點(diǎn)。
12.一種執(zhí)行即時(shí)動(dòng)態(tài)天氣狀況回避的方法，包括使用數(shù)字化地形高度資料DTED產(chǎn)生地形模型；使用此地形模型提供導(dǎo)航空間；存取與擷取地形模型以產(chǎn)生地形高層圖；在導(dǎo)航空間賦予起始點(diǎn)與目標(biāo)點(diǎn)以決定直接飛行路徑在地形高層圖上的地面軌跡；根據(jù)地面軌跡與飛行高度識別危險(xiǎn)區(qū)帶；賦予天氣狀況涵蓋區(qū)域，它是以節(jié)點(diǎn)的數(shù)列表示；將天氣涵蓋區(qū)域的節(jié)點(diǎn)數(shù)列加到危險(xiǎn)區(qū)帶的節(jié)點(diǎn)數(shù)列；使用該新的危險(xiǎn)區(qū)帶配置一組航點(diǎn)供回避；構(gòu)建新導(dǎo)航空間的能見度圖，其中是一組無碰撞的路徑線段；以飛行路徑搜尋演算法連結(jié)起始點(diǎn)與目標(biāo)點(diǎn)；以及從地形模型得到飛行路徑的地形剖面。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于天氣狀況涵蓋區(qū)域是一組位置碼，覆蓋于該地形高層圖；以及天氣狀況可以是雷雨、風(fēng)切或任何出現(xiàn)于空中的氣候狀況。
14.一種執(zhí)行即時(shí)動(dòng)態(tài)障礙物回避的方法，包括使用數(shù)字化地形高度資料DTED產(chǎn)生地形模型；使用此地形模型提供導(dǎo)航空間；存取與擷取地形模型以產(chǎn)生地形高層圖；在導(dǎo)航空間賦予起始點(diǎn)與目標(biāo)點(diǎn)以決定直接飛行路徑在地形高層圖上的地面軌跡；根據(jù)地面軌跡與飛行高度識別危險(xiǎn)區(qū)帶；賦予障礙物涵蓋的區(qū)域，它是以節(jié)點(diǎn)的數(shù)列表示；將障礙物涵蓋區(qū)域節(jié)點(diǎn)數(shù)列加到危險(xiǎn)區(qū)帶節(jié)點(diǎn)數(shù)列；使用該新的危險(xiǎn)區(qū)帶配置一組供回避的航點(diǎn)；構(gòu)建新導(dǎo)航空間的能見度圖，其中是一組無碰撞的路徑線段；以飛行路徑搜尋演算法連結(jié)起始點(diǎn)與目標(biāo)點(diǎn)；以及從地形模型得到飛行路徑的地形剖面。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于障礙物涵蓋區(qū)域是一組位置碼，覆蓋于該地形高層圖；以及障礙物可以是地形、山峰以及任何人造障礙物。
16.一種執(zhí)行即時(shí)地形遮蔽供地形警覺的方法，包括使用數(shù)字化地形高度資料DTED產(chǎn)生地形模型；使用此地形模型提供導(dǎo)航空間；存取與擷取地形模型以產(chǎn)生地形高層圖；根據(jù)飛行路徑的地面軌跡及飛行高度識別危險(xiǎn)區(qū)帶、山峰及障礙物涵蓋區(qū)域；計(jì)算視線的地形遮蔽；以及根據(jù)危險(xiǎn)區(qū)域的參數(shù)I,J,K,S為地形遮蔽及警覺指定色碼。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于該地形模型包含一組節(jié)點(diǎn)，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都是以整數(shù)代表。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于該計(jì)算視線地形遮蔽是使用相同的位置碼表示法計(jì)算關(guān)于所選擇的飛行高度及飛行方向的視線地形遮蔽；危險(xiǎn)區(qū)帶、山峰及障礙物是以地形模型的節(jié)點(diǎn)的子集表示，且是從碰撞檢查及尋找等量節(jié)點(diǎn)的區(qū)域得到；以及I,J,K參數(shù)賦予節(jié)點(diǎn)的平面位置及高度，來自對照表的不同色碼被指定到每一個(gè)高度帶；S代表構(gòu)成該遮蔽區(qū)域的該節(jié)點(diǎn)的涵蓋范圍。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于每一個(gè)該節(jié)點(diǎn)包含4個(gè)參數(shù)I,J,K,S；將DTED檔案的每一個(gè)高度峰點(diǎn)I,J,K映射到對應(yīng)的八分樹的3-D位置碼得到4個(gè)參數(shù)I,J,K,S；參數(shù)I,J定義平面位置的2-D座標(biāo)，加上高度K,I,J,K定義空間位置的3-D座標(biāo)；引入高度的劃分因數(shù)，它將地形高度分成許多帶；參數(shù)K代表劃分的高度；該八分樹中，出現(xiàn)于對應(yīng)的四分樹的相同四分象限中具有等劃分高度值的節(jié)點(diǎn)被合并；劃分因數(shù)可以是非線性，或從一基線開始以取代平均海平面高度；參數(shù)S是節(jié)點(diǎn)的涵蓋范圍，且增加它利用來表示節(jié)點(diǎn)的大??；該4個(gè)參數(shù)I,J,K,S以它們的位元位置交錯(cuò)編碼以構(gòu)成一個(gè)代表節(jié)點(diǎn)的整數(shù)；以及每一個(gè)地形高度資料具有它唯一對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)。
20.一種產(chǎn)生地形模型的透視影像的方法，包括使用數(shù)字化地形高度資料DTED產(chǎn)生地形模型；使用此地形模型提供導(dǎo)航空間；以及從地形模型存取與擷取參數(shù)I,J,K,S以產(chǎn)生透視影像。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于該地形模型包含一組節(jié)點(diǎn)，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)是以一個(gè)整數(shù)表示。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于每一個(gè)該節(jié)點(diǎn)包含4個(gè)參數(shù)I,J,K,S；將DTED檔案的每一個(gè)高度峰點(diǎn)I,J,K映射到對應(yīng)的八分樹的3-D位置碼得到4個(gè)參數(shù)I,J,K,S；參數(shù)I,J定義平面位置的2-D座標(biāo)，加上高度K,I,J,K定義空間位置的3-D座標(biāo)；引入高度的劃分因數(shù)，它將地形高度分成許多帶；參數(shù)K代表劃分的高度；該八分樹中，出現(xiàn)于對應(yīng)的四分樹的相同四分象限中具有等劃分高度值的節(jié)點(diǎn)被合并；劃分因數(shù)可以是非線性，或從一基線開始以取代平均海平面高度；參數(shù)S是節(jié)點(diǎn)的涵蓋范圍，且增加它用來表示節(jié)點(diǎn)的大小；該4個(gè)參數(shù)I,J,K,S以它們的位元位置交錯(cuò)編碼以構(gòu)成一個(gè)代表節(jié)點(diǎn)的整數(shù)；以及每一個(gè)地形高度資料具有它唯一對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)。
23.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于該存取與擷取參數(shù)I,J,K,S包括直接使用地形模型做為輸入資料，不需要存取原始的DTED檔案，其中I,J,K參數(shù)賦予平面位置及節(jié)點(diǎn)的高度，來自對照表的不同色碼被指定到每一個(gè)高度帶，S代表構(gòu)成該地形的透視影像的節(jié)點(diǎn)所涵蓋的范圍。
全文摘要
本發(fā)明提供用于通用航空的路徑規(guī)劃、地形回避及飛航環(huán)境警覺系統(tǒng),是將一組高度超過最小飛行高度的地形節(jié)點(diǎn)被定位與聚集。本發(fā)明所發(fā)展的諸如碰撞檢查、山區(qū)邊界及區(qū)域增長技術(shù)等演算法是以此種地形模型上的基本運(yùn)算。另以能見度圖法做動(dòng)態(tài)路徑選擇,配合用來減少對即時(shí)計(jì)算的需求。此方法藉建立地形的部分能見度圖并排除不影響飛行路徑選擇的地形細(xì)節(jié)以減小搜索等空間,與導(dǎo)航空間的大小無關(guān)。利用八分樹地形模型的多重與可變解析度的特性,使一系列以地形資料做為參考的CFIT警告功能可以有效地應(yīng)用現(xiàn)有的機(jī)載地形資料源。
文檔編號G05D1/00GK1279393SQ9911007
公開日2001年1月10日 申請日期1999年7月2日 優(yōu)先權(quán)日1999年7月2日
發(fā)明者賈敏忠 申請人:賈敏忠