一种基于性能导航的飞行程序设计系统及验证平台和验证方法

摘要

本发明是一种基于性能导航的飞行程序设计系统及验证平台和验证方法，属于航空导航领域。本发明的程序设计系统基于AIXM核心数据库，能够自动绘制程序保护区、评估障碍物、生成航图，可实现PBN程序保护区与传统飞行程序保护区的无缝连接等功能。系统可以根据飞行程序设计完成的数据自动生成航图，也可根据需求客户化编辑和修改，做到程序设计、出版一次完成。利用本发明可以直接在验证平台的导航数据库进行添加PBN程序，验证过程中可对导航数据库进行编辑和修改。另外，本发明增加了视景数据库，在验证PBN飞行程序时，能根据视景中的地形地貌直观发现程序设计的缺陷和不足，对程序进一步修改完善。

说明书

技术领域

本发明属于航空导航领域，具体涉及一种基于性能导航的飞行程序设计系统及验证平台 和验证方法。

背景技术

中国经济的高速发展促进了民航业的迅速增长，1978年以来，中国民航运输总周转量年 增长率为18％，约为同期GCP增长速度的2倍左右。2000年中国民航运输总周转量为世界第 九位，2003年为第五位，2004年为第三位，2005年跃居到世界第二位。近年来一直保持着 第二的位置，已成为民航大国。虽然中国民用航空运输系统整体保持着快速稳步发展，然而 中国民航的快速发展也面临诸多挑战，主要包括：

(1)特殊机场众多

特殊机场是指飞行环境复杂、机场保障条件不足，为保证飞行安全，需要采取特别应对 措施的机场。我国目前有38个特殊机场，海拔2438米(8000英尺)以上的高高原机场有8 个，还有更多的高原和复杂机场正在建设中。受地形和地理条件的影响，这些机场和区域的 传统地基导航设施难以满足运行需要，且投资巨大，维护成本高。

(2)东西部发展不平衡

由于我国地区经济发展的不平衡，东部地区拥有较完善的基础设施和地基导航系统，监 视雷达可实现多重覆盖。但西部地区的基础设施和地面导航台建设不完善，导航台和监视雷 达的信号覆盖不完全。随着西部经济的快速发展，西部地区民航基础设施的建设面临严峻挑 战。

传统导航时利用接收地面导航台的信号，通过向台和背台飞行实现对航空器的引导，其 航路和飞行程序受地面导航台的布局与设备种类的制约，精度有限，现在的运行概念和技术 手段不能解决上述问题。随着机载设备能力的提高以及卫星导航及其它先进技术的不断发展， 国际民航组织(ICAO)提出了“基于性能的导航(PBN：Performance Based Navigation)” 概念。PBN的引入体现了航行方式从基于传感器导航到基于性能导航的转变。PBN较传统程序 具有如下优势：

●精确地引导航空器，提高飞行运行安全性；

●提供垂直引导，实施连续稳定的下降程序，减少可控撞地的风险；

●改善全天候运行，保障地形复杂机场运行的安全；

●实现灵活而优化的飞行航径，增加飞机业载，减少飞行时间，节省燃油。

PBN原型源于RNAV(区域导航)和RNP(所需性能导航)概念。其概念是九十年代初期 国际民航组织研究发展新航行系统(FANS)时提出的，最初是应用在跨洋飞行的空域管理和 空中交通间隔调配。随着机载导航技术的不断创新，PBN的定义和内涵也在不断变化。国际 民航组织在整合已有研究成果的基础上，2008年正式提出了基于性能的导航概念，明确了 RNAV和RNP是两种不同形式的PBN，其应用范围也拓广到了飞行的各个阶段。PBN是航空强 国目前正在研究的热门课题，也是国际航空界公认为未来航行发展的趋势。

最早应用PBN技术的是美国阿拉斯加航空公司。在朱诺机场使用PBN程序后实现了地形 复杂和低天气标准运行。目前美国有近10个复杂程度不同的机场使用了PBN程序，仅阿拉斯 加航空公司2003-2004年间，经统计减少备降返航603个航班，并每年节约500万美元。基 于性能的导航技术的应用为航空公司带来了高安全可靠性和巨大的经济效益。国际上除美国 外，加拿大、新西兰、澳大利亚也开展了PBN技术的研究与应用。欧盟国家也在积极关注PBN 技术的发展，并在积极推动这些技术在欧洲的实施，并将PBN作为欧洲天空一体化的重要技 术支撑之一。

PBN技术的日臻成熟与完善，为中国民航的快速、安全发展提供了有效解决问题的途径。 国际民航组织第36届大会决议指出：“各缔约国应在2009年完成PBN实施计划，确保在2016 年之前，以全球一致和协调的方式过渡到PBN运行”。中国民航局为此发布了《中国民航基 于性能导航(PBN)实施路线图》，在中国大力推广PBN航行新技术。中国民航PBN实施路线 图也于2009年出台。其实施策略将分为三个阶段，即近期(2009-2012)、中期(2013-2016)、 远期(2017-2025)。近期实行PBN重点应用，中期实行PBN全面应用，远期实行PBN与CNS/ATM 系统整合。

西藏拉萨机场的复杂性让传统程序遇到了很多难以克服的瓶颈，PBN飞行程序完美地解 决了这个问题。PBN技术的应用为中国民航的发展翻开了新的一页。继拉萨之后，目前国内 有西藏林芝、邦达、阿里，以及云南的丽江、湖南的张家界、安徽的黄山、吉林的延吉等机 场相继实施了PBN程序。PBN程序的应用解决了这些地形复杂机场运行标准高、空域复杂等 弊端，为航空公司与机场带来了可观的效益。但上述国内机场运行的PBN程序都是国外公司 所设计，核心技术依然掌握在国外公司的手里。目前具备PBN程序设计能力的只有波音公司、 空客公司以及美国Naverus公司，国外公司也看好了中国市场的巨大潜力，对中国进行技术 上的封锁，这对中国民航提高安全运行，推荐新技术应用，由民航大国提升到民航强国十分 不利。

目前，全世界范围内仅有法国和意大利有设计开发的PBN飞行程序设计软件，其包括：

(1)GITAN(法国)

Geotitan飞行程序设计软件是法国民航学院(ENAC)与法国航空数据信息公司CGX于 2001年投入研发的商用软件。软件主要建立了一套基于AIXM的航空地形数据库，完全整合 ICAO Doc8168-0PS/611规范，实现自动绘制保护区，自动评估障碍物，自动制作航图和编制 报告等功能。

(2)FPDAM软件(意大利)

FPDAM是意大利IDS公司开发的一款先进的飞行程序设计和空域管理软件。它的主要特 点是能以三维的方式设计仪表飞行程序，并建立了一个完整的航空数据库平台，不仅为它的 飞行程序管理软件提供平台提供数据，还支持雷达信号分析，空域程序设计等提供可靠数据 保证，其用传统导航信息和区域导航概念提供程序设计的交互环境。

FPDAM为用户工作提供了如下功能：

●对于新建机场、机场改造提供快速的仪表飞行程序设计；

●在保证间隔和MEA/MEL/LSALT确认的同时，设计航路航线；

●对地面导航设施临时超出服务范围，重新规划路线和重新设计航线；

●对有限制的空域进行定义和修改；

●空域存在军事训练或其它重要空中事件期间，对有临时限制的区域进行管理；

●对新建机场周围障碍物及周围环境的评估；

●对机场的总规划进行分析；

●可用飞行模式检查所设计仪表飞行程序。

国内目前只有适用于传统飞行程序设计与分析功能的系统，还没有PBN飞 行程序设计的系统。

另外，国外航空飞行模拟飞行平台比较成熟与完善。从初级模拟器到高级全动模拟机已 成系列应用于飞行员的各个阶段培训。但是专门应用于程序验证的平台目前在国内外尚无商 用平台。所以目前程序的验证都使用飞行员训练用的全动模拟机，这对程序验证来讲存在的 一个主要问题就是验证周期时间长的问题，因为程序编码由FMS导航数据库公司制作，FMS 导航数据库的制作周期是28天，验证后如果发现程序有问题需要修改，则需等到下一个制作 周期才可修改，一个PBN程序设计完成一般需要修改两三次以上，每修改一次需要等28天修 改导航数据库，修改次数越多，耗费周期越多，时间太长。同时也存在着使用全动模拟机验 证费用高昂的困难。

同时，国外用于PBN程序验证的模拟机版本差异大，跨越时间长，不是全部模拟机都具 有所验证机场的模拟机视景数据库，在PBN程序验证时有的模拟机可以安装验证机场的视景， 但有的却不能安装，在安装了验证机场视景的模拟机上进行验证时，验证过程中EGWPS地 形数据库一旦告警，可根据机场视景直接发现问题，对程序进行修改，而缺乏视景数据的模 拟机出现地形告警时，对出现的问题需要深入研究讨论，多次验证飞行来确定原因。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种基于性能导航PBN飞行程 序设计系统及验证平台，解决PBN程序设计过程中航路点的精确性、数据库编码的准确性、 程序设计的合理性以及程序验证周期过长等难题，满足国内航空市场快速增长的需求，满足 ICAO和我国民航对PBN程序的运行需求，降低设计成本与航空公司的应用成本。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于性能导航PBN飞行程序设计系统，所述系统包括三层：底层、中间层和最上层， 其中：

所述底层为基于AIXM的核心数据库层，其收集了各种数据库，包括AIPs和NOTAM；

所述中间层是SUPERMAP组件层，其通过数据库引擎与底层进行双向交互；

所述最上层为应用层；

所述应用层包括：

1)PBN飞行程序辅助设计应用模块，其处理来自本地的数据和外部的中央数据库的数据， 通过中间层与数据库引擎进行双向交互；本地的数据是指Supermap SDB文件形式存储的数 据；

2)制图应用模块，其根据标准航图模板生成航图，通过中间层与数据库引擎进行双向 交互；

3)ARINC424编码输出应用模块，包括对基础数据和飞行程序数据进行编码；对基础数 据进行编码的过程是对数据按先后顺序生成数据表格输出，对飞行程序数据进行编码则是提 取关键信息，并对关键信息重新排序，最后按顺序生成数据表格文件；数据库引擎将数据传 送给ARINC424编码输出应用模块；

此模块提供三部分功能：A，根据飞行程序方案文件中的部分基础数据和飞行程序 进行编码前预处理；B，提供用户对预处理后内容再次编辑；C，导出设计自动编码功 能。

4)SUPERMAP DESKPRO(超图公司的桌面软件)浏览航图应用模块或地图文件，利用 SUPERMAP DESKPRO浏览航图模块，利用桌面软件在地图处理上的功能对设计好的航图进行加 工，完成程序设计软件不能完成的功能；

数据库引擎将数据传送给SUPERMAP DESKPRO浏览航图应用模块或地图文件；

5)基于模板和数据的报告模块，其根据数据库引擎传送来的数据，按设计的模板，自 动生成报告文件。

所述PBN飞行程序辅助设计应用模块自动检查设计是否符合PBN飞行程序航路点序列规 则，并生成标称航迹与保护区；同时按规则分段存储，便于保护区的分段评估；实现RNAV或 RNP保护区与传统ILS保护区的无缝连接；对人工障碍物和DEM障碍物进行识别；自动进行 进场、离场、起始进近、中间进近、非精密进近、ILS-OAS、APV-BARO OAS各个阶段和目视 面障碍物评估，给出参考性建议。

所述PBN飞行程序辅助设计应用模块包括三层：

(1)显示层和参数设置界面：所述显示层用于可视化分层显示PBN飞行程序设计的各 个程序设计元素，所述程序设计元素包括跑道，导航台，保护区；所述参数设置界面用于图 形化设置程序设计元素所需要的参数；

(2)业务逻辑层：是该模块的核心层，其负责与所述显示层和参数设置界面进行交互， 以及与底层的数据库进行交互，同时完成算法的调用；

(3)数据存储层：包括本地配置文件、本地SUPERMAP数据源和基于AIXM的中央数据 库；所述本地配置文件通过XML解析器与业务逻辑层进行交互；所述本地SUPERMAP数据源通 过SUPERMAP SDX+引擎和引擎与业务逻辑层进行交互；所述基于AIXM的中央数据库通过 SQLSERVER数据库引擎与业务逻辑层进行交互。

一种用于对所述基于性能导航的飞行程序设计系统进行验证的验证平台，所述验证平台 包括飞行动力学系统、飞行管理与导引系统、飞行控制系统、发动机系统、大气数据与惯性 平台系统、中央监控系统、操纵系统、仪表系统和视景系统；所述发动机系统包括燃油系统；

所述飞行动力学系统包括气动系数模块和运动方程模块，所述气动系数模块是飞机各种 条件下升、阻力以及力矩系数的集合，在计算过程中通过实时查询获得此刻的飞机各种气动 系数值。它通过接收操纵系统的飞机舵面、襟翼位置，以及相关飞行参数，利用这些参数查 询气动系数，再利用气动系数计算气动力和力矩，并将计算结果输送到运动方程模块；

所述运动方程模块接收气动系数模块的气动力和力矩、以及发动机系统的推力值、燃油 重量及飞机重心位置、以及标准大气数据，利用这些条件以及飞机初始值，解算飞机六自由 度非线性全量运动方程，得到飞机的姿态、速度、升降率、位置以及其它飞行参数，并将这 些参数重新反馈给气动系统模块，重新查询获取气动系数并进行气动力以及气动力矩计算， 再传递给运动方程模块，周而复始重复上述计算过程，实现飞行动力学计算；

所述飞行管理与导引系统，自身带有导航数据库、飞机性能数据库以及气动数据和发动 机数据库，实现飞行管理与飞行引导两部分功能；所述飞行管理部分，通过人机界面输入起 飞初始参数以及离场以及进场、进近飞行程序，以使飞机按此飞行程序进行离场、降落；

所述飞行引导部分，接收飞机动力学系统以及飞行控制系统传送的信息，与数据库中的 飞行计划比对，计算出当前的速度、航向以及航迹误差，再传递给飞行控制系统与发动机系 统，实现对速度、航向以及航迹偏差的控制，之后，飞机动力学系统以及飞行控制系统再将 计算得到的新信息反馈给飞行管理与导引系统，再次计算偏差并进行控制，周而复始重复上 述过程，完成导航过程，使飞机按预期航迹飞行。同时，飞行管理与导引系统对导航源的精 度、以及位置精度进行计算，并在精度不符合要求时进行报警；

所述飞行控制系统，接收飞行管理与导引系统发送的当前航迹和航向偏差，利用预先设 计的控制率，计算得到修正偏差所需要的飞机舵面以及襟翼操纵量，将操纵量数据传递到翼 面舵机，执行操作，使飞机改变姿态以及航向，按照预期的航迹飞行；

所述发动机系统，接收飞行管理与导引系统发送的当前速度和高度偏差，利用预先设计 的发动机油门控制率，计算得到修正偏差所需要的燃油流量以及自动油门操纵量，将操纵量 数据传递到发动机系统，执行操作，使发动机改变推力，从而改变速度、高度等飞行参数， 达到预期的飞行指标；

所述大气数据与惯性平台系统，包括大气数据处理部分和惯性平台部分，所述大气数据 处理部分通过传感器获得大气的动压、静压、总压、大气温度这些基本参数，来计算当前的 大气基本参数和气压高度、空速信息；所述惯性平台部分通过三个轴向加速度计得到飞机加 速度信息，通过积分获得三轴的速度信息，再次积分获得三维位置信息，利用大气数据的空 速信息，计算得到当前风速，利用气压信号，得到气压修正高度；

所述中央监控系统，接收来自其它所有系统的数据，对各系统工作状态和数据进行监控， 一旦出现数据超限以及状态异常，将以音频以及视频信息进行报警，提醒机组注意；

所述操纵系统提供了机组手动操纵飞机的设备，包括转向轮、驾驶杆、油门杆和脚蹬， 机组通过这些设备直接将操纵指令发送给飞行控制系统、翼面舵机、发动机系统，在起飞、 降落以及执行流量调整、管制指令时人工进行操纵，在系统失效、突发意外时也可以人工操 控飞机；

所述仪表系统包括主飞行显示器、导航显示器；所述仪表系统接收来自大气数据与惯性 系统、飞行管理与导引系统、飞行动力学系统和飞行控制系统的参数，对当前飞行姿态、速 度、升降率、马赫数、高度、航迹、导航信息、地形信息、大气数据、飞行计划数据进行显 示，供机组查看，以了解目前飞行状态；

所述视景系统接收当前飞行姿态、速度、升降率、马赫数、高度、航迹、导航信息，利 用自带的三维地形数据库，提供飞行中的虚拟三维场景，包括三维地形、三维大气环境、机 场终端区环境、三维飞机模型；提供发动机、以及外界自然环境中的音响效果，为机组模拟 飞行提供逼真的三维视觉以及听觉信息。

所述视景系统包括飞行数据接口，内存调度模块、缓冲区管理模块、视景裁剪模块、渲 染输出模块；

所述飞行数据接口实时地按时间序列接收模拟机产生的飞行数据，并提取飞机的相关信 息来驱动视景；

所述内存调度模块根据飞机数据接口中得到的视点位置和视野的范围，计算需读入内存 数据的范围保证内存中的数据范围可以满足未来一段时间内的渲染需要，并根据视点的变化 更新内存中的数据；

所述缓冲区管理模块的功能是调度数据、简化模型；当观察视点在虚拟地形场景中漫游 时，根据视点的范围和视游走向，系统将进入视野内的数据从内存中调入缓冲区；所述缓冲 区包括渲染缓冲区和数据缓冲区；渲染缓冲区指的是根据当前用户视野范围，所划定的一个 可视范围，落入该范围内的地形必须进行渲染，由数据管理器负责数据缓冲区的更新；所述 渲染缓冲区表现为当前渲染缓冲区中所有数据单元的指针列表，由场景管理器负责缓冲区的 更新；由于数据的调度需要花费一定的时间，因此，需要在数据块进入视野之前，需要提前 调度那些可能很快进入视野的数据块，；

所述视景裁剪模块：屏幕上显示的图像是二维景物在垂直于视线方向的二维成像平面上 的投影，渲染输出前必须对物体和视图体的相对位置进行判断，然后由则所述视景裁剪模块 进行如下处理：如果物体完全位于视图体外，则抛弃掉；如果物体完全位于视图体内，则把 它变换到屏幕坐标系并进行渲染；如果物体与视图体相交，则用视图体对物体进行裁剪，然 后渲染位于视图体之内的那部分；

所述渲染输出模块：渲染输出模块根据当前渲染缓冲区中所有数据单元的指针列表进行 渲染输出；在视点移动时，场景管理器负责根据视点参数实时的对渲染缓冲区中各个单元进 行更新，将新的进入渲染缓冲区的单元指针加入指针列表，并删除那些已经移出渲染缓冲区 单元的指针，同时，使用轮询机制，不断的向场景管理器询问当前渲染缓冲区中的数据是否 已经准备好，如准备好就继续进行渲染，这样实现循环的渲染视景。

所述视景系统采用的是真实的地形、纹理、机场数据生成的视景数据库；

所述视景系统采用单显卡和专用分屏硬件，所述专用分屏硬件采用图形扩展模块技术， 将输入的一路VGA信号分配到为三路信号，并让Windows 2000/XP操作系统按照合适的比例 将图像信号输出到显示屏。

使用所述验证平台进行验证的方法，所述方法包括以下步骤：

(1)录入导航数据库：通过升级导航数据库界面，启动导航数据库编辑系统，飞行验 证人员选择要输入的信息类型，输入对应的各种数据，输入数据完毕后，生成数据库，重启 飞行验证平台；

(2)设置飞行参数，进行地面验证：验证人员通过停机坪界面，设置参数，验证人员 按照标准飞行程序，进行飞行前的各种操作；

(3)起飞后进行空中验证：验证人员按照标准的飞行程序进行起飞的各种操作；

(4)进近阶段验证：当飞机处于进近阶段时，导航系统按照预定的梯度下降至程序设 计的速度，垂直制导系统将自动引导飞机到DH+50高度，不依靠仪表着陆系统，在GPS PRIMARY 模式下，实现自动着陆。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)首次创建了航行数据交互模型，该模型能够有效的将机场、三维数据地形、障碍 物数据以及航行情报资料自动铰链在一起为程序设计提供基础数据。

(2)实现了PBN程序自动设计。本发明能够根据航行数据库中的基础数据，按照ICAO 和FAA的规章与规范，自动评估障碍物，智能的选取最优的进离场路线，并能快速生成航行 情报文档。极大的提高了程序设计的效率。

(3)飞行程序导航数据库完整性验证。FPCAD能够对已经完成的飞行程序，按照软件格 式数据要求，自动的完成程序完整性验证。主要包括航路点、程序高度、航段是否符合规范 要求等，为飞行的安全提供一种检验的手段。

(4)PBN程序只需在本发明的程序验证平台上进行飞行验证，成本明显比全动模拟机低， 程序验证初期不需要FMS导航数据库公司制作编码，可以直接在验证平台的导航数据库进行 添加PBN程序，验证过程中可对导航数据库进行编辑和修改，程序修改不需要等28天周期， 实时修改导航数据库即可再次验证。直到程序修改完善后，再提交给FMS导航数据库公司 (Smith公司和Honeywell公司)完成编码，交付航空公司即可投入运行。

附图说明

图1是本发明基于性能导航PBN飞行程序设计系统的架构框图。

图2是图1中的PBN飞行程序辅助设计应用模块的结构框图。

图3是本发明的验证平台的架构框图。

图4是本发明基于性能导航PBN飞行程序设计系统自动生成连接的保护区图。

图5是本发明基于性能导航PBN飞行程序设计系统中的APV-BARO VNAV障碍物评估参 数输入界面。

图6是本发明基于性能导航PBN飞行程序设计系统中的APV-BARO VNAV障碍物评估结 果图。

图7是图6的评估结果在地图上的显示图。

图8是本发明基于性能导航PBN飞行程序设计系统中的航图自动生成界面。

图9是本发明中的视景系统的结构模块图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

如图1所示，一种基于性能导航PBN飞行程序设计系统，所述系统包括三层：底层、中 间层和最上层，其中：

1，底层为基于AIXM的核心数据库层：

收集了AIPs、NOTAM和其它数据；

在飞行程序设计中，会涉及到诸如机场，导航台，飞行程序、障碍物等大量数据，如何 实现这些数据利于保存、查看、交互是一个重要问题，针对这个问题，本发明采用国际航空 数据交换模型AIXM建立数据库，整合航空数据资源，实现对航空信息的统一管理，为PBN程 序设计和验证系统提供准确、可靠的数据支持。

真实的导航台，航线、机场、地形等相关数据是保证飞行程序规划、评估制图、编码的 基础。采用独立的数据库服务机制，才能保证数据的安全性，降低数据冗余度，数据管理的 有效性及数据的可靠性是实现本发明的关键。采用基于AIXM(航空信息交换模型)模型创建 数据库，采用以数据为中心的运行模式，从数据采集，程序设计到最后程序验证都是由唯一 的数据源生产的，减少数据在传递过程中出现的错误和误差，保证程序质量。

AIXM模型建立的目的是在通过满足ICAO附件15所描述的对航空领域的数据要求，来 支持AIS数据需求。随着区域导航(RNAV)、所需导航性能(RNP)以及机载计算机导航系统 的应用，航空数据/信息的角色和重要性发生了重大变化。航空信息/数据的损坏或者错误对 航行安全构成潜在威胁。为了满足机载计算机导航系统运行所需的航行资料在提供中的统一 性和兼容性要求，缔约国应尽可能避免采用国际使用规定之外的标准和程序。

AIXM模型的建立是基于国际民航组织(ICAO)标准和建议措施(SARPS)包含在AIPs中 但未被ICAO和SARPS涵盖的数据概念工业标准，如ARINC 424(主要用于对仪表进近和离 场程序编码)。

2，中间层是SUPERMAP组件层(即图1中SUPERMAP OBJECT)

通过数据库引擎与底层进行双向交互；

3，最上层为应用层

其中，应用层包括PBN飞行程序辅助设计应用模块、制图应用模块、ARINC424编码输出 应用模块、SUPERMAP DESKPRO浏览航图应用模块、基于模板和数据的报告模块和传统飞行程 序设计应用模块，具体如下：

1)PBN飞行程序辅助设计应用模块，处理来自本地的数据和外部的中央数据库的数据， 集复杂的飞行程序、保护区、评估等业务逻辑于一体，通过SUPERMAP OBJECT与系统双向交 互；自动检查设计是否符合PBN飞行程序航路点序列规则，并生成标称航迹与保护区。同时 按规则分段存储，便于保护区的分段评估，实现RNAV/RNP保护区与传统ILS保护区的无缝连 接等。对人工障碍物和DEM障碍物识别，自动进行进场、离场、起始进近、中间进近、非精 密进近、ILS-OAS、APV-BARO OAS、等各阶段和目视面障碍物评估，给出参考性建议，程序设 计效率较人工作业大大提高。

如图2所示，PBN飞行程序辅助设计应用模块包括三层：

(1)显示层，和参数设置界面

(2)业务逻辑层：是该模块的核心层，负责与显示层和参数设置界面进行交互，以及 与底层三种不同来源的数据进行交互，同时完成算法的调用。

(3)数据存储层

包括本地配置文件、本地SUPERMAP数据源和基于AIXM的中央数据库。飞行程序的存储 有三种，一般在设计时，先从SQLSEVER取业务数据，从XML文件导入配置数据，设计完成后 再保存三类数据，在本地保存XML配置文件，本地SUPERMAP(图2中的SDX是数据库引擎) 数据源，服务器数据端保存在SQLSEVER里。图1中的数据库引擎包括了图2中的SQLSEVER 数据库引擎和SUPERMAP SDX+引擎等。

2)制图应用模块，即根据标准航图模板生成航图，通过SUPERMAP OBJECT与数据库引 擎进行双向交互；

3)ARINC424编码输出应用模块，与数据库引擎进行单向交互；

在飞行程序设计中编码的目的是为了让数据编码公司如(科林斯、霍尼韦尔等)能将飞 行程序设计者的理念准确无误的表达出来。参考ARINC424规范设计只是达到数据编码公司能 够识别编码，达到编码的通用性，如何保证编码的准确性、可靠性是我们关注的焦点。PBN 飞行程序设计软件可以准确的将设计的飞行程序自动转换为ARINC424编码，同时模拟机可以 直接识别其编码，自动转化加载到导航数据库中进行验证，发现问题，从飞行程序设计软件 进行修改，程序设计及验证人员不参与对编码数据的直接修改，减少人工操作带来的误差。

ARINC424规范数据是被国际广泛使用的导航数据标准格式，它也是FMC(Flight Management Computer)所载机载导航数据的基础。针对国内航空公司来说，大约有2/3的航 空数据在FMC中得不到有效利用，给飞行和航管人员造成极大的不便。另外，不能同时正确 和有效地使用国内导航数据，也是对国内航空数据的一种巨大浪费。

ARINC424规范数据也是实施航空新标准和新技术的前提。从整个中国民航看，缺少的并 不是航行情报导航数据，而是没有按规范格式形成导航数据。当前中国民航的导航数据仅适 用于国内出版和发行的产品，例如：NAIP、航班信息汇编、AIP、航线图等，而并不能推广到 世界应用设备或软件中。尤其是国内不开放导航数据部分，无法推广到国内航空公司当前使 用的国外系统当中，例如，国内三大航空公司所使用由美国开发的SOC系统，主要由国外生 产厂商提供的FMC等。而ARINC424规范数据正是导航数据拓展的最佳途径。仅结合目前国航 的实际情况看，所订购的JEPPESEN“全球”数据(ARINC424规范数据)并不包括国内对外不 开放导航数据，而这些数据恰是国内航空公司使用最频繁导航数据之一。本发明能生成国内 导航数据的ARINC424规范数据，替换或补充JEPPESEN“全球”数据的国内部分，实现完整 的全球导航数据库，供国内航空公司使用。

4)SUPERMAP DESKPRO浏览航图应用模块，或地图文件，与数据库引擎单向交互；

5)基于模板和数据的报告模块，即根据系统中已知的飞行程序等数据，按设计的模板， 自动报告文件，与数据库引擎单向交互；

6)传统飞行程序设计应用模块，此应用模块用虚线表示将来在此架构的基础上进行扩 充后加入，与数据库引擎单向交互。

由于底层采用的是航空信息交换模型建立的数据库，所以应用层具有很强的可扩展性。 此架构以独立的数据库为中心，应用扩展为导向，便于对数据和应用等资源进行整合利用。

本发明的基于性能导航PBN飞行程序设计系统实现了以下功能：

A，飞行程序设计：

选择航路点后，本发明根据飞行程序选择的导航设施和导航规范，进近类型、航空器类 型等自动处理数据，具体如下：

●检查航路点是否符合PBN飞行程序航路点序列规则；

●自动计算航路点的ATT、XTT、BV、半宽AW值；

●自动检查计算转变时最短稳定距离，并检查是否符合最短稳定距离的约束规则；

●自动生成标称航迹。

依据ICAO OPANS 8168 DOC，本发明完成了常用的飞行程序，进场，离场，等待，ILS， 以及RNAV“T”或“Y”程序设计。

B，自动绘制保护区

飞行程序设计中最大的工作量在于绘制保护区，但绘制过程是一个反复修改调整的过程， 单纯靠手工或CAD不但会消耗设计人员大量的精力，而且不准确易于出错。在本发明中，参 考ICAO PAN-OPS 8168及FAA规范，利用地理信息平台，采用参数化的方式自动绘制保护区， 减轻了程序设计人员的工作量，保证飞行程序的质量。

本发明提供了参数化，智能化的保护区绘制连接过程，使复杂的业务逻辑过程变得简单， 极大的提高了工作效率。主要体现在下面几个方面；

1、直线保护区的生成；

2、转弯保护区的生成，并分段存储，便于保护区的分段评估；

3、RNAV/RNP保护区与传统ILS保护区的无缝连接；

4、保护区之间的转换只需调节个另的航路点的参数，例如，复飞点转弯后接DF到复飞 点转弯后接TF，只需改变复飞点的下一点的航迹终结码即可。

5、保护区生成过程中的智能化提示。如果设置的参数不符合生成保护区的规则，软件立 即给出提示信息和建议信息。

本发明中的保护区绘制类型主要如表1所示，自动生成的保护区图如图4所示。

  序号   保护区类型   所属程序段   1   飞越转弯(Fly-Over)后接DF   飞行程序段转弯

  2   旁切转弯(Fly-By)   飞行程序段转弯   3   离场指定高度转弯后接DF   离场转弯   4   复飞指定高度转弯   复飞转弯   5   在复飞点转弯后接DF   复飞转弯   6   指定半径转弯(RF)   飞行程序段转弯   7   飞越转弯(Fly-OVER)后接TF   飞行程序段转弯   8   离场指定高度转弯后接CF   飞行程序段转弯   9   在复飞点转弯后接TF   飞行程序段转弯   10   在复飞点转弯后接CF   飞行程序段转弯   11   ILS   最后进近   12   ILS   复飞   13   RNP等待   等待   14   APV I/II procedures—GBAS   最后进近   15   APV I/II procedures—GBAS   复飞

表1

C，障碍物评估

飞行程序设计的一个重要环节就是障碍物评估，直接关乎程序的成败，关乎飞行安全。 按障碍物的来源主要分为两类，即人工障碍物和来自电子地图的数据(如电子高程数据DEM)， 而电子地图数据量大，比如，对于APV-BARO VNAV程序的电子地图上的位置点通常达到几十 万个，这样多的数据处理比较困难，本发明根据用户输入的参数和系统自动计算或获取的参 数，按照飞行程序障碍物评估规则，实现障碍物评估自动化。

本发明可以对RNAV，RNP标准程序进行按照ICAO附件、CAAC规章进行人工障碍物和DEM 障碍物识别、目视面和非目视面超障分析以及障碍物评估，最后精确得出障碍物所在超障面 和超障高等参数，给出参考性建议，同时交评估结果在二维GIS地图上显示。障碍物评估种 类包括：

●APV-BARO VNAV障碍物评估，如图5、图6和图7所示；

●标准进场、离场程序的分段障碍物评估；

●ILS-OAS障碍物评估；

●非精密进近障碍物评估；

●起始进近段障碍物评估；

●中间进近段障碍物评估。

D，本发明应用航空信息交换模型(AIXM)规范，输出采用ARINC424编码格式，所以部 分数据可与飞行模拟机共享，并互相交换，用于建立机场视景数据库、飞行数据等。共享的 数据包括：

●电子地图数据

●飞行程序数据

●机场、跑道数据

●位置点数据

●障碍物数据

E，标准航图生成自动化

飞行程序设计的最终结果之一就是发布航图，自动生成符合国际标准或我国标准的航图 重要的是制作标准化的电子模板，然后利用SUPERMAP数据源中的数据添充模板，生成标准航 图。只需要修改其中的部分地方，如调整标注位置，即成为可发布的航图。

本发明根据标准航图模板生成航图，如图8所示。主要有生成下几种航图：

●RNAV标准进场图

●RNP标准进场图

●RNAV标准离场图

●RNAV仪表进近图

●RNP仪表进近图

F，基于业务规则的智能编辑功能，具体如下：

a，基于业务规则的可视化编辑功能，包括：

●按照程序各类型航路点的序列，通过图面及鼠标的操作来捕获来组成离场/进场(含进 近)程序的航路点；

●按照程序各类型航路点的序列，通过图面及鼠标的操作对程序的航路点进行向前添 加、向后添加、中间添加、删除、移除等操作；

b，基于业务规则的自动校验辅助编辑功能，包括：

●依据程序类型的航路点序列，自动判别各航路点的连接，并提示下一航路点的连接 类型；

●自动计算反馈飞越、旁切转弯的最短稳定距离；

●自动判定航迹转弯的可行性；

●自动计算反馈RF转弯的固定半径；

●通过航路点类型及点序自动识别航段类型；

●根据航段类型自动获取ICAO规定的表速，坡度，反应时间等数据； c，基于参数的飞行程序界面编辑功能，包括：

●可通过进离场的程序类型的选择确定绘制程序类型；

●可通过进近类型的选择确定进近的方式；

●可通过导航设施、导航规范及航空器类型的选择确定XTT、ATT、半宽等ICAO规定的 飞行程序分析设计所用参数；

●支持飞越、旁切转弯、直线程序的选择；

●支持指定高度和固定半径转弯的选择；

●支持TF，DF转弯；

●支持表速、坡度、风速、温度变量、飞行员反应时间等数据的修改。

本发明的基于性能导航PBN飞行程序设计系统满足了ICAO和我国民航对PBN程序的运 行需求，打破了国外程序服务提供商在该领域的垄断地位，首次在国内研发出PBN飞行程序 软件，为中国民航大力推进PBN飞行程序打下重要的基础，提供了必备的手段，对设计出的 PBN程序在保证飞行安全，提高运行效率方面具有重要意义，有显著的经济和社会效益。

基于性能导航程序验证平台：

PBN飞行程序在设计完成后，需要进行模拟飞行验证来保证设计完成后的程序的可靠性、 完整性，然后进行真正的试飞验证。传统的模拟飞行验证的方法是将设计好的程序交给导航 数据库制作公司(thalous、honeywell等公司)制作成每28天一次更新的导航数据库，然 后利用全动模拟机(FFS)或固模(FTD)加载导航数据库进行模拟飞行验证。这种验证方法在每 次程序设计或更新后都需要等待导航数据库的更新，导致飞行程序设计的周期长，效率低， 无法满足国内大量的RNP程序设计的需求，不利于RNP程序的设计和推广。为了提高验证的 效率，更快、更好的对RNP飞行程序进行验证，本发明设计了可高效、准确验证RNP飞行程 序的验证平台——基于性能导航程序验证平台。

如图3所示，所述验证平台包括飞行动力学系统、飞行管理与导引系统(FMGS)、飞行 控制系统、发动机系统(包含燃油系统)、大气数据(ADC)与惯性平台系统(IRS)、中央 监控系统(ECAM)、操纵系统、仪表系统和视景系统。

所述飞行动力学系统包括气动系数模块和运动方程模块，所述气动系数模块是飞机各种 条件下升、阻力以及力矩系数的集合，在计算过程中通过实时查询获得此刻的飞机各种气动 系数值。它通过接收操纵系统的飞机舵面、襟翼位置，以及起落架位置，和飞行速度、马赫 数、升降率、姿态等相关飞行参数，利用这些参数查询气动系数，再利用气动系数计算气动 力和力矩，并将计算结果输送到运动方程模块。

所述运动方程模块接收气动系数模块的气动力和力矩、以及发动机系统的推力值、燃油 重量及飞机重心位置、以及标准大气数据，利用这些条件以及飞机初始值，解算飞机六自由 度非线性全量运动方程，得到飞机的姿态、速度、升降率、位置以及其它飞行参数，并将这 些参数重新反馈给气动系统模块，重新查询获取气动系数并进行气动力以及气动力矩计算， 再传递给运动方程模块，周而复始重复上述计算过程，实现飞行动力学计算。

飞行管理与导引系统(FMGS)，自身带有导航数据库、飞机性能数据库以及气动数据和 发动机数据库，实现飞行管理与飞行引导两部分功能。实现导航管理(惯性、卫星以及地基 导航信号的计算、自动选择)、飞行计划、性能预测与优化以及自动驾驶管理、飞行指引指 令、自动油门指令。在飞行管理部分，可以通过人机界面(MCDU)输入起飞初始参数以及离 场以及进场、进近飞行程序，以使飞机按此飞行程序进行离场、降落。

FMGS的飞行引导部分，接收飞机动力学模块以及飞行控制系统传送的位置、速度等信息， 与数据库中的飞行计划比对，计算出当前的速度、航向以及航迹误差，再传递给飞行控制与 发动机系统，实现对速度、航向以及航迹偏差的控制，之后，动力学模块以及飞行控制系统 再将计算得到的新的位置、速度等信息反馈给FMGS，再次计算偏差并进行控制，周而复始重 复上述过程，完成导航过程，使飞机按预期航迹飞行。同时，它还可以对导航源的精度、以 及位置精度进行计算，并在精度不符合要求时进行报警。

飞行控制系统，接收飞行管理与导引系统发送的当前航迹、航向偏差，利用预先设计的 控制率，计算得到修正偏差所需要的飞机舵面以及襟翼操纵量，将操纵量数据传递到翼面舵 机，执行操作，使飞机改变姿态以及航向，按照预期的航迹飞行。

发动机系统(包含燃油系统)、同样接收飞行管理与导引系统发送的当前速度、高度偏 差，利用预先设计的发动机油门控制率，计算得到修正偏差所需要的燃油流量以及自动油门 操纵量，将操纵量数据传递到发动机系统，执行操作，使发动机改变推力，从而改变速度、 高度等飞行参数，达到预期的飞行指标。

大气数据(ADC)与惯性平台系统(IRS)中，大气处理机部分通过传感器获得大气的动 压、静压、总压、大气温度等基本参数，来计算当前的大气基本参数，以及气压高度、空速 等信息。同时，惯性平台部分通过三个轴向加速度计得到飞机加速度信息，通过积分获得三 轴的速度信息，再次积分获得三维位置信息，利用大气数据的空速信息，可以计算得到当前 风速，利用气压信号，得到气压修正高度。

中央监控系统(ECAM)，接收来自大气数据与惯性系统、飞行管理与导引系统、以及飞 行动力学系统、飞行控制系统、发动机系统等的数据，对各系统工作状态和数据进行监控， 一旦出现数据超限以及状态异常，将以音频以及视频信息进行报警，提醒机组注意。

操纵系统，提供了机组手动操纵飞机的设备，包括转向轮、驾驶杆、油门杆和脚蹬，机 组通过这些设备直接将操纵指令发送给飞行控制系统、翼面舵机、发动机系统等，起到了超 控飞行管理系统的功能，在起飞、降落以及执行流量调整、管制指令时人工进行操纵，在系 统失效、突发意外时也可以人工操控飞机。

仪表系统，主要包含主飞行显示器、导航显示器等。接收来自大气数据与惯性系统、飞 行管理与导引系统、以及飞行动力学系统、飞行控制系统的参数，对当前飞行姿态、速度、 升降率、马赫数、高度、航迹、导航信息、地形信息、大气数据、飞行计划等数据进行显示， 供机组查看，了解目前飞行状态。

视景系统，同样接收当前飞行姿态、速度、升降率、马赫数、高度、航迹、导航等信息， 利用自带的三维地形数据库，提供飞行中的虚拟三维场景，包含三维地形、三维大气环境、 机场终端区环境、三维飞机模型等，还提供了发动机、以及外界自然环境中的音响效果，为 机组模拟飞行提供逼真的三维视觉以及听觉信息，飞行环境具有较强的浸润感。

该系统具备复现空中飞行环境的功能，可以对飞行员进行起飞、着陆、爬升、转弯、机 动飞行模拟，同时也可以对飞机性能、操纵品质、机载系统性能进行分析研究。该验证平台 的飞机系统仿真模型包括飞行动力学模型、发动机系统模型、操纵系统模型、导航系统模型、 飞行管理系统模型等，模型间的各种逻辑控制关系与真实飞机一致。飞机各子系统的功能和 性能仿真是精确、可运行的，操作人员可以和他们在真实飞机上一样操作这些系统。

为了更好的完成飞行程序的验证，更好的模拟飞行验证过程的真实环境，还原实际的飞 行过程，有必要为验证飞行提供视景。飞行视景是飞行验证系统的重要组成部分，可为程序 验证人员提供持续、稳定的目视地形参考，为飞行的进近提供跑道的真实位置。比如，在程 序设计中最后几个定位点的高度对飞机是否可以顺利降落，起着决定性的作用。程序设计完 成后，通过视景并结合飞机的性能进行验证飞行，可以非常好的判定最后定位点的高度的设 定是否合理、可行。此外还可为程序人员提供障碍物和地形信息，可以通过飞行视景直观的 感受飞机的飞行超障和保护区的设计是否合理、符合规范。

如图9所示，所述飞行视景系统的包括：飞行数据接口，内存调度模块、缓冲区管理模 块、视景裁剪模块、渲染输出模块。

飞行数据接口：实时的按时间序列接收模拟机产生的飞行数据并提取飞机的六自由度参 数等相关信息，来驱动视景。

内存调度模块：由于机场视景系统地形数据的海量特征，以及图像处理硬件条件的限制， 难以在地形场景建立阶段一次性的载入所有数据。在本系统中，内存调度模块会根据飞机数 据接口中得到的视点位置和视野的范围，实时控制所需渲染图像的范围，并将对应的数据读 入内存。

缓冲区管理模块：本模块的功能是调度数据、简化模型。当观察视点在虚拟地形场景中 漫游时，根据视点的范围和视游走向的预测，系统将要进入视野内的数据从数据库中调入缓 冲区；所述缓冲区包括渲染缓冲区和对数据缓冲区。当观察视点在虚拟地形场景中漫游时， 根据视点的范围，进入视点的数据必须进行渲染，同时，由于数据的调入和建模需要一个过 程，根据对视点漫游走向的预测。系统还需要为那些将要进入视野内的块从数据库中调入数 据并进行建模。为了解决这个问题，为当前视点建立了渲染缓冲区和数据缓冲区，分别负责 数据的渲染和调度。

渲染缓冲区和数据缓冲区。渲染缓冲区指的是根据当前用户视野范围，以及其采用的漫 游方式，所划定的一个可视范围，落入该范围内的地形必须进行渲染，否则用户就会看到一 个不完整的场景。渲染缓冲区的大小和形状不仅需要考虑用户的视点参数，如距离、视角等， 还需要考虑当前所采用的漫游方式。对于飞行漫游可以建立扇形缓冲区，扇形的半径和视距 的长度相关，扇形的夹角则由视角来决定。缓冲区的半径主要由飞行员视距决定。

由于数据的调度需要花费一定的时间，因此，需要在数据块进入视野之前，需要提前调 度那些可能很快进入视野的数据块。通过在渲染缓冲区周围建立数据缓冲区，可以在数据渲 染之前，调入潜在可见的数据，进而进行建模和渲染。数据缓冲区的范围的划定和渲染缓冲 区一样，也需要基于当前用户所采用的漫游方式进行。

缓冲区的数据管理和渲染。在实时漫游时，每一帧渲染之前都需要对渲染缓冲区和数据 缓冲区中的各个单元进行判断，以确定当前需要进行渲染的数据和根据需要从二级存储中载 入的数据。这里使用数据管理器和场景管理器来分别负责数据的调度和场景的渲染。在场景 管理器中，负责对当前视点的位置、方向和漫游速度等信息进行跟踪，以此确定渲染缓冲区 和数据缓冲区的范围，并维护一个指向渲染缓冲区的指针。渲染缓冲区表现为当前渲染缓冲 区中所有数据单元的指针列表，在视点移动时，场景管理器负责根据视点参数实时的对渲染 缓冲区中各个单元进行更新，将新的进入渲染缓冲区的单元指针加入指针列表。并删除那些 已经移出渲染缓冲区单元的指针。同时，场景渲染管理使用一种“轮询”机制。不断的向数 据管理器询问当前渲染缓冲区中的数据是否已经准备好，在数据缓冲区设计合理的情况下， 那些进入渲染缓冲区的数据应该已经准备完毕，即该询问应该总是得到肯定的答狂。场景管 理器在得到确认以后，对渲染缓冲区中的数据块进行渲染。

缓冲区中数据的管理主要由数据管理器负责，在数据管理器中同时维护二级存储数据库 的信息和当前数据缓冲区的一个指针列友。数据管理器按照数据块进入数据缓冲区的先后顺 序，从后台数字高程模型数据库中调入各个分辨率的数据。同时，从场景管理器中接收数据 的调度确认请求，并向场景管理器发送相应的确认信息。

数据调度、简化和渲染的多线程实现。数据从数据库中调入、建模简化乃至渲染需要一 定的过程。同时，实时虚拟场景要求对场景的渲染以及漫游必须能够保持场景显示的连续性。 因此，理想的状态是数据的调度和场景的渲染能够同时进行，保持数据在调度和显示之间的 连续性。在多CPU架构的大型虚拟环境中，可以将场景按照屏幕上的区域进行分块，每个分 块使用一个单独的CPU进行建模和显示处理，多个CPU并行计算来得到整个场景的实时虚拟 图像。这是一种横向的并行处理算法，适合在集群式的计算机网络平台上建立的虚拟现实环 境。而在单处理器的微机上，则可以基于系统的多线程支持来实现。这里，将负责数据调度 以及简化的数据管理器和负责场景渲染的场景管理器分别放在两个线程之问实现，线程之间 通过事件通知协调数据的调度和渲染。

视景裁剪模块：二维几何对象是在物体坐标系中建立的，但屏幕上显示的图像只是在给 定视点和视线方向下，二维景物在垂直于视线方向的二维成像平面(屏幕)上的投影。将场 景中的景物从物体坐标系转换到了视点坐标系后，接下来的工作是要把视点坐标系中的坐标 转换到屏幕坐标系中，在这之前，必须对物体和视图体的相对位置进行测试，这种测试是必 要的，因为对位于视图体外的物体进行透视变换或正交变换是毫无意义的，并且在视图体外， 屏幕空间变换的定义是病态的。

在视点坐标系中，一个给定的物体与视图的关系可分为以下几类：

●物体完全位于视图体外，可以马上抛弃掉。

●物体完全位于视图体内，把它变换到屏幕坐标系并进行渲染。

●物体与视图体相交，需要用视图体对物体进行裁剪，然后渲染位于视图体之内的那 部分。

要判定一个物体和视图体的关系，即确定该物体是否在当前视景内，首先要确定视图六 个裁剪平面的方程，然后计算物体和各个裁剪平面之间的距离，按这些距离来进行判断。

渲染输出模块：渲染缓冲区表现为当前渲染缓冲区中所有数据单元的指针列表，在视点 移动时，场景管理器负责根据视点参数实时的对渲染缓冲区中各个单元进行更新，将新的进 入渲染缓冲区的单元指针加入指针列表。并删除那些已经移出渲染缓冲区单元的指针。同时， 场景渲染管理使用一种“轮询”机制。不断的向数据管理器询问当前渲染缓冲区中的数据是 否已经准备好，然后对渲染缓冲区中的数据块进行渲染。

所述视景的制作过程为：数据处理、影像融合、飞行视景数据库建模、飞行模拟视景系 统和基于微机的飞行模拟视景显示，前三部分是对视景资料处理生成视景数据的过程，后两 部分是图像的渲染和显示。原始的照片、地形、矢量数据等通过这种处理最后生成视景数据 库，通过微机渲染生成飞行视景。

视景系统采用真实的地形、纹理、机场数据生成的视景数据库；

为验证人员提供连续的大范围的地形视景；

机场图像包括机场附近的地形、地貌，文化特征，机场内的跑道和滑行道和航站楼等；

可控天气系统、云底高、能见度、跑道视程和机场灯光；

视景图像与空气动力的程序设计匹配，并提供与姿态有关的准确环境图像。

本发明的视景系统采用了基于PC和电视屏幕的硬件的解决方案，在PC图形显示卡的选 择上考虑帧速率的要求而选用高性能显卡。在三屏显示硬件的选择中，不采用通常的多显示 卡技术，而是采用单显卡+专用分屏硬件的设计方式。专用的分屏硬件采用了图形扩展模块 (GXM)技术，将输入的一路VGA信号分配到为三路信号，并让Windows 2000/XP操作系统按 照合适的比例将图像信号输出到显示屏。具体配置环境如下：

1)CPU：AMD Athlon(tm)64X2Dual Core Processor 3800+；

2)内存/硬盘：4G/500G；

3)显示卡/显存：GeForce 7600GS/256M

将以视景渲染系统为核心的视景系统与以飞行管理引导仿真系统为核心的飞行验证系统 相整合，建立双方的通讯协议，实现飞行数据，控制数据与视景系统的通讯，使视景系统的 显示与飞机的飞行运行准确对应相关。

验证系统和视景系统之间的通讯协议是建立在TCP/IP传输控制协议上的客户化通讯标 准，用来传输飞行的位置、姿态、操纵和性能参数。

将验证系统和视景系统结合，设计的核心是从时间序列的飞行数据中提取相关信息，来 驱动视景数据库。而作为关键的飞行数据中的主要信息是飞机的六自由度参数：相对于机场 和地形的三维空间坐标和相对于机体的三个姿态角(head、roll、pitch)。通过这6个参数 的信息，便可以唯一确定飞机某一时刻的飞行状态，程序在功能设计上实时的将6自由度信息 显示在屏幕之上。

本发明的验证平台实现了如下功能：

1，飞行管理引导系统(FMGS)的仿真：FMGS接收来自于大气数据计算机、惯性基准系统、 导航数据库、多功能控制显示组件(MCDU)以及飞行控制组件(FCU)等系统的输入，经过处 理后给自动驾驶、自动油门、主飞行显示(PFD)、导航显示(ND)以及工作状态控制台提供 信号。FMGS可以使用用户自己提供的导航数据库。飞行管理引导系统在本质上就是一个飞行 管理计算机系统，它是多处理机系统，包括导航处理机、性能处理机和输入/输出处理机三部 分。数字数据传送采用ARINC-429格式。通过对飞机特性手册、飞行手册等相关资料的分析， 构架出飞行管理引导系统的程序框图，实现对FMGS的仿真，其中导航处理机模块接收来自大 气数据计算机模块输入的大气参数、飞机起飞位置参数、惯性基准系统输入的最佳导航台的 距离方位参数以及无线电导航系统的方位参数等，然后通过优化这些数据，计算出飞机当前 位置和飞行参数，并输出到自动飞行程序设计系统、电子飞行仪表系统等相关系统；性能处 理机模块则根据当前的大气条件确定出在某一性能指标下的最优飞行剖面。

1)多功能控制显示组件(MCDU)的仿真：MCDU是FMGS进入人/机对话的一个重要部件， 通过仿真多功能控制显示组件(MCDU)来实现向飞行管理计算机(FMC)输入所需的飞行计算 航路和性能参数，它提供真实、精确和完整飞行计划的装入和显示。通过利用实时仿真技术、 网络通讯技术和计算机的图形处理技术，解决了MCDU所涉及到的数据传输、电子页面生成和 组织、页面切换、故障处理及实时运行等各种关键问题，实现了对MCDU的仿真，并采用触摸 屏作为输入介质驱动模拟键盘，完成了MCDU的各类键的输入功能。

2)自动飞行(Auto Flight)的实现：按照飞机自动飞行程序设计系统的组成及功能， 将整个自动飞行程序设计系统划分成接口模块、逻辑模块、俯仰控制率模块、横滚控制率模 块、偏航阻尼器模块和发动机系统模块六大部分，接口模块主要仿真自动飞行程序设计系统 重要的接口输入量，并采用主迭代速率采集和监控这些输入信号的变化；逻辑模块接收来自 接口模块的开关量、标志量和自动飞行程序设计系统俯仰、横滚控制模块、自动油门模块、 飞行管理计算机及有关分系统模块当前的各种状态量与标志量，仿真自动飞行程序设计系统 各种接通逻辑和各种飞行方式下的工作模式，以及姿态指引仪、自动驾驶仪工作状态并将这 些标志量输至飞行方式信号牌(FMA)上显示，同时还送到飞行控制组件(FCU)上驱动相应 的指示灯和警告信号；俯仰控制率模块仿真飞行指引系统和自动驾驶仪系统俯仰控制回路功 能，完成在俯仰方式所有工作模式下的姿态指引仪控制率，计算并生成驱动姿态指引仪俯仰 指令杆的指令信号和仿真自动驾驶仪控制率，生成驱动升降舵的指令信号；横滚控制率模块 仿真飞行指引系统和自动驾驶仪系统横滚控制回路功能，完成各种工作模式下的控制率计算， 生成横滚指令杆驱动信号和副翼偏角控制指令信号；偏航阻尼器模块仿真飞机操纵系统偏航 阻尼器功能，当自动飞行程序设计系统接通自动驾驶仪的俯仰、横滚通道工作时，偏航阻尼 器必须接通，接收飞机偏航率信号、大气数据计算机输出的校正空速，计算出方向舵控制指 令，达到保持航向稳定性，阻尼荷兰滚引起的振荡，提供协调转弯等功能；发动机系统模块 仿真自动油门控制系统功能，可运行在与俯仰飞行方式协调的工作模式下，获得并保持所需 的油门杆位置。自动飞行程序设计系统内各模块间的信息交换通过本地公共数据区实现，自 动飞行程序设计系统与其他分系统间的信息交换通过全局公共数据区传递。

3)飞行控制组件(FCU)的仿真：驾驶员通过FCU设置自动驾驶和自动油门，并且通过 FCU可以预选高度、速度/马赫数、航向、航迹等FMGS的输入信息，这些参数是俯仰、横滚、 控制律计算的参考基准。

4)电子飞行仪表系统(EFIS)的仿真：飞行仪表是飞机性能参数和导航参数显示的窗口， 给飞行员提供座舱内的视觉信息。我们采用计算机实时图形图像技术在计算机终端上生成数 字式图形仪表，这些仿真仪表在外观、指示方式和功能上都与真实飞机上的仪表一致，将飞 行参数、导航参数、电气系统参数、发动机参数等实时显示并提供给驾驶员，满足飞行训练 的需要。实现电子飞行仪表符号发生器的功能，为主飞行显示(PFD)和导航显示(ND)提供 符号输出。电子飞行仪表符号发生器处理来自于飞机各子系统及部件的输入信息，产生格式 化的被电子飞行仪表系统(EFIS)所使用的信号。

2，在无实物的情况下实现所有相关飞行科目的训练

利用分屏显示卡、串行卡、触摸屏实现操作，在无实物的情况下实现所有相关飞行科目 的训练。

3，完成了以下仿真硬件的研制，使得飞行员能够在更逼真的环境中训练：

1)完成侧杆、油门杆和转弯手轮的仿真硬件研制；

2)完成飞行控制组件FCU的仿真硬件研制；

3)完成多功能控制显示组件MCDU的仿真硬件研制。

4，视景系统有下面的技术突破：

1)应用地理信息系统技术，处理地形矢量数据和DEM数据，融合校准后还原真实的地 形数据，保证虚拟仿真环境可用性、可靠性。

2)纹理的采集和处理技术，利用遥感影像预处理技术(几何纠正、辐射纠正、信息增 强)、纹理融合技术，处理多种影像数据，使纹理可保留更多的信息、使视景更逼近真实的 飞行环境。

3)三维模型的构造技术，建立机场及终端区视景立体模型建模的方法和流程，机场及 终端区建筑物立体模型的建立，机场指示牌和灯光等立体模型。

4)采用虚拟现实技术和计算机三维仿真技术，开发视景渲染系统，实现真实度高，可 渲染出逼近真实飞行环境的场景；采用实例技术、外部引用技术、纹理映射技术、细节层次 (LOD)、子节点技术等对模型进行了优化处理。提高视景数据库在基于PC的视景实时渲染 系统运行的效率。

使用验证平台进行验证的方法，包括以下步骤：

(1)录入导航数据库：通过升级导航数据库界面，启动导航数据库编辑系统，飞行验 证人员选择要输入的信息类型，输入对应的各种数据，输入数据完毕后，生成数据库，重启 飞行验证平台；

(2)设置飞行参数，进行地面验证：验证人员通过停机坪界面，设置参数，验证人员 按照标准飞行程序，进行飞行腔的各种操作；

(3)起飞后进行空中验证：验证人员按照标准的飞行程序进行起飞的各种操作；

(4)进近阶段验证：当飞机处于进近阶段时，导航系统按照预定的梯度下降至程序设 计的速度，垂直制导系统将自动引导飞机到DH+50高度，不依靠仪表着陆系统，在GPS PRIMARY 模式下，实现自动着陆。

本发明的飞行程序设计系统和验证平台有如下创新：

1、针对PBN飞行程序必须以WGS84坐标进行编码输入飞机导航数据库进行自动飞行，而我 国地形图都是北京1954坐标系，地图坐标和程序坐标系不匹配问题，本发明采用地理信息系 统进行方案设计，实现WGS84坐标系与北京1954坐标系的相互转换，解决了在我国地形图(北 京1954坐标)上设计PBN飞行程序(WGS84坐标)坐标和精度的问题。

2、针对PBN程序要求精度高，手工设计程序效率低，准确率差的问题，该系统按照ICAO 和中国民航的程序设计规范，能够根据航路点、程序高度、航段类型等属性自动绘制程序保 护区、评估障碍物、生成航图，可实现PBN程序保护区与传统飞行程序保护区的无缝连接等功 能，提高工作效率，减少差错。

3、针对飞行程序完成设计后，需要根据程序路径重新绘制航图进行出版，工作量大，容 易出错，来回修改耗时长的问题，该系统可以根据飞行程序设计完成的数据自动生成航图， 也可根据需求客户化编辑和修改，做到程序设计、出版一次完成。

4、针对国外PBN程序验证使用全动模拟机成本高、导航数据库制作周期长的问题，本发 明的程序验证平台在验证初期不需要FMS导航数据库公司制作编码，可以直接在验证平台的导 航数据库进行添加PBN程序，验证过程中可对导航数据库进行编辑和修改，程序修改不需要等 28天周期，实时修改导航数据库即可再次验证。直到程序修改完善后，最终结果提交给FMS 导航数据库公司(Smith公司和Honeywell公司)完成编码，交付航空公司即可投入运行。

5、PBN飞行程序验证平台增加了视景数据库，在验证PBN飞行程序时，能根据视景中的地 形地貌直观发现程序设计的缺陷和不足，对程序进一步修改完善。

总之，本发明可以在程序设计工作环境中一次性完成程序设计、编码、验证及其迭代优 化过程。极大的提高了我国导航新技术在民用航空领域的应用水平。

本发明可应用于：

航空公司

1)精确引导航空器，提高运行的安全性

与传统飞行程序相比，PBN的精确导航能够引导飞机沿有利的地形飞行，其飞行轨迹的可 预测性、准确性以及操作的容易程度都远远优于传统程序。如：在高原机场运行中，飞机真 空速大，机动性差，增速和减速慢，飞行操作明显比平原机场迟钝。另外，高原地区飞行员 容易缺氧，反应能力下降，心理压力大。PBN程序的轨迹和高度要求明确，基本依靠自动飞行， 飞行员的主要任务是监控飞行状态，操作负荷大大降低。此外，PBN进近一般采取连续下降方 式(Continue Descend Approach，CDA)，减少飞机最后进近的下降梯度，飞行员容易控制 油门和进近着陆速度，提高了进近的稳定性。

2)增加航空公司业载

传统飞行程序考虑障碍物的范围比较大，对起飞爬升或复飞梯度要求较高。在高原机场， 航空公司往往不得不通过减少业载来满足飞机性能要求。使用PBN技术，则能充分利用地形特 点，缩小障碍物范围，降低爬升梯度要求，有效增加业载，提升航空公司的运行效益。

3)减少飞行时间，节省燃油

不依赖地面导航台的布设，点对点直接飞行，实现灵活优化的飞行航径，缩短飞行时间， 节省燃油，规避噪音敏感区，减少排放提高环保水平。

4)程序设计充分考虑飞行应急措施

传统飞行程序设计不考虑某些航空器的具体特性(如导航性能，空气动力性能等)，也不考 虑特殊情况(如发动机失效，导航台信号丢失等)。RNP程序则是根据所飞机型的机载设备能 力和飞机性能，并考虑了各种特殊情况，例如：起飞、进近和复飞过程中一台发动机失效，丢 失导航信号(如GPS失效)，自动飞行程序设计系统失效，飞行管理系统失效等。在此基础上还 针对所有特殊情况制定相应的处置预案，评估和分析整体安全水平。

5)充分发挥飞机的机载导航能力

RNP程序充分利用飞机的机载设备，发挥飞机的能力，以提高运行的安全性和经济性。与 传统的仪表进近程序和离场程序相比较，RNP运行具有非常明显的优势，并且特别适合用于受 地形、地面导航设施和空域等限制的机场和区域。

空管

1)航空器间水平和纵向间隔，提高空域的使用效率，增加空域容量，由于PBN技术使用 包容度的概念，所需空域较小，这样就有可能在有限的空域范围内安排更多的航线，减小航 线之间的横向间隔。由于PBN导航的精确性，可以实现进离场航线“立交桥”式的设计，从而 使进离场分离，避免航线汇聚，减轻管制员负担，在保证安全的前提下，有效地提升空域容 量。

2)降低管制员工作负荷

传统飞行程序需要管制员与飞行员频繁通话，进行航迹引导，PBN程序已存在飞机FMS导 航数据库内，航迹准确，可实现飞机自动飞行，便于指挥，减少管制员和飞行员的陆空语音 通信和雷达引导需求，降低工作负荷；

机场

1)改进机场运行的正常性

我国高原机场由于受地形限制，机场运行天气标准较高。其中，大多数高高原机场的实 际运行基本都要求是目视飞行。机场易受天气影响，运行正常性低。使用PBN程序，由于航迹 控制准确性高，需要的保护区小，可降低起飞和着陆标准，从而减少天气对航班的影响，提 高了机场运行的正常性。

2)节省投资费用和运行成本

PBN技术主要使用卫星导航，精度高、可靠性好、运行费用低，可减少对地面导航设施的 依赖，节省建设、值守、维护和校验等费用，降低机场的日常运行成本。此外，PBN还可降低 对机场净空处理的要求，有利用保护环境和减少机场建设的土石方量处理费用。

PBN运行可获得上述运行好处，但其核心在于PBN飞行程序设计。该系统为实现PBN飞行程 序的设计和验证打下了坚实基础，加速PBN程序在国内的推广应用。

系统的研制成功为我国民航按照中国民航PBN实施路线图的实施计划，提供了重要的技术 保障，系统的研制成果已成功应用于固原机场的PBN运行，证明所设计的飞行程序可用于实际 运行。中国国际航空公司已与安技中心签订了25个机场的PBN飞行程序合作协议，加速PBN飞 行程序运行在我国的应用与发展。

国内航空公司将全面参与国际航空竞争，航空公司的国际化发展进程，以及航空公司面 临越来越大的成本压力，需要使用本系统设计完成的PBN飞行程序来实现灵活、优化的自动飞 行，增加飞机业载，减少飞行时间，节省燃油；避开噪音敏感区，提高环保水平。

随着中国民航的快速发展，空域资源紧张，导致空中交通拥堵，一些机场的运行已经接 近饱和状态，现有运行概念和技术手段不能完全满足交通流量快速增长的需求。利用本系统 所完成的PBN飞行程序，可实施平行航路和增加终端区内进、离场航路定位点，提高交通流量； 减小航空器间水平和纵向间隔，增大空域容量；减少地空通信和雷达引导需求，便于指挥， 降低管制员和飞行员的工作负荷。

上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公 开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述 具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。