面向可视导航的飞行终端区复杂环境建模方法

发布时间：2017-09-09 20:12

  本文关键词：面向可视导航的飞行终端区复杂环境建模方法

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【摘要】：据统计,在世界范围内,飞行器着陆阶段接近机场并准备降落过程中发生的飞行事故占事故总数的63.3%,死亡人数比例达60%,迫切需要研究新的飞行器安全进近的理论和方法。特别是我国的航空运输量已跃居世界第二位,东部机场繁忙,西部机场环境复杂,飞行器在进近过程中受到地形、电磁、气象等复杂环境的影响,加之飞行器自身的高速运动和飞行终端区环境的动态变化,使得进近飞行安全问题在复杂环境下显得尤为突出。因此,面向飞行终端区进近可视导航应用,复杂机场空地环境的高精度、高分辨率、高效建模成为国内外学术前沿和热点难题。本文面向飞行器可视导航应用,针对现有GIS时空数据模型以地理实体为核心隐式的表达动态性而缺乏对复杂环境时空变化机制表达的局限,提出了一系列地形、气象和电磁等空地环境要素变化快速探测与科学建模的理论方法,实现了对机场环境的多维表达、实时环境感知和高效安全导航决策,建立了机场空地环境一体化、要素综合化、表现直观化的精准空地环境模型,突破了多维空地环境信息无缝融合和集成管理的技术瓶颈,实现空地环境的地形地貌,三维地物与目标模型,气象预报信息以及机场终端区电磁环境信息综合应用,真实、全面、及时、准确地表达机场环境和态势。在语义空间建立统一的威胁态势信息场体素模型, 实时探测和感知机场环境威胁态势的动态变化,统一繁杂的警告信息,减少显示的混乱,避免不必要的干扰,实现快速、精准的导航决策,有望显著提高飞行终端区统一信息模型的应用效能,为可视导航提供关键基础支撑。本文的主要研究内容包括下面几个方面：第一,面向飞行器可视导航,系统研究了飞行终端区复杂环境的威胁态势信息在语义空间的统一表达模型,提出了对多源、多尺度、多种分布类型的机场空地环境信息在语义空间的统一建模方法。该模型强调了“变化”在模型中的驱动作用和中心地位,明确了事件、过程、特征三者与时空变化之间的关系,以体素为最高层次的抽象,明确了模型只关心变化前后的状态及其影响,理论和实验证明,该模型适合飞行导航的应用特点。第二,研究了威胁态势信息场模型数据高效组织管理方法,包括数据的组织方法、多分辨率场模型的简化方法、变化驱动的场模型更新方法。建立了威胁语义约束的3DOR树组织结构和空间索引,该结构结合了多层次八叉树支持多分辨率的特性和R树的节点平衡特性,适合威胁语义约束下分布不均数据场的组织、更新和动态调度。第三,研究了适合可视导航的威胁态势场体素模型的实时可视化方法和空间分析算法,包括变化驱动的威胁态势信息场实时体绘制方法、体素模型的剖分分析算法和缓冲体分析算法,实现了对数据场的高效可视化分析。第四,分析了当前机场跑道入侵的主要检测方法,提出了基于坐标转换和轨迹缓冲体分析的跑道入侵检测信息的实时接入方法体素化表达方法,通过模拟实验验证了方法的可行性。第五,结合项目实际和本文研究内容,选取了我国西藏林芝机场作为典型机场,开发了原型实验系统。提出了原型系统的构架和各类数据结构,重点对论文提出的一系列方法和算法进行了验证和分析,包括基于语义约束3DOR树的多分辨率数据组织实验,变化驱动的信息场体绘制和动态更新实验,体素模型的剖分分析、缓冲体分析实验,跑道入侵检测信息的实时接入实验。通过实验验证和分析,证明了本文提出的模型、方法和算法的有效性和实用性。
【关键词】：虚拟地理环境 时空数据模型 可视导航 时空数据组织 多尺度表达模型 时空索引
【学位授予单位】：武汉大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V249.3;V328
【目录】：

• 摘要13-15
• ABSTRACT15-17
• 第一章 绪论17-27
• 1.1 研究背景与意义17-19
• 1.1.1 论文研究的背景17-18
• 1.1.2 论文研究的意义18-19
• 1.2 国内外研究现状与发展趋势19-25
• 1.2.1 飞行终端区环境信息统一表示19-21
• 1.2.2 GIS时空数据模型21-23
• 1.2.3 时空数据组织与管理方法23-25
• 1.3 论文主要研究内容25-27
• 1.3.1 论文研究目的与方法25
• 1.3.2 论文的研究内容安排25-27
• 第二章 终端区复杂环境信息在语义空间的统一表示模型27-42
• 2.1 概述27-30
• 2.1.1 飞行器可视导航的环境信息需求及难点27-30
• 2.1.2 现有GIS数据模型的局限30
• 2.2 终端区复杂环境信息统一表示的动态体素模型30-36
• 2.2.1 终端区复杂环境信息的统一语义表示30-31
• 2.2.2 面向变化的终端区复杂环境表达的模型31-35
• 2.2.3 威胁态势信息场的动态体素模型35-36
• 2.3 面向威胁态势信息可视服务的建模机制36-40
• 2.3.1 机场终端区可视导航信息服务分析36-37
• 2.3.2 模型的语义描述与信息服务37-39
• 2.3.3 模型的可视化分析推送机制39-40
• 2.4 模型的特点40-42
• 第三章 威胁态势信息场数据动态组织管理方法42-63
• 3.1 威胁态势信息场数据自适应组织42-50
• 3.1.1 多源环境数据的格网基准42-45
• 3.1.2 三维数据格网的建立与时空插值45-46
• 3.1.3 集成八叉树和R树的时空索引结构46-50
• 3.2 威胁态势信息场模型多分辨率体素建模50-55
• 3.2.1 复杂终端区环境的时空多尺度表达特点50-51
• 3.2.2 复杂动态环境的3级LOD表达51-53
• 3.2.3 面向八叉树降采样的体素多尺度建模算法53-55
• 3.3 变化驱动的威胁态势信息场动态更新算法55-61
• 3.3.1 变化驱动的环境信息场更新特点分析55-56
• 3.3.2 基于3DOR树的体素场变化探测与更新方法56-59
• 3.3.3 基于格网编码的体素场变化探测与更新算法59-61
• 3.4 本章小结61-63
• 第四章 跑道入侵信息的实时接入与体素化方法63-71
• 4.1 概述63
• 4.2 跑道入侵检测信息实时接入原理63-65
• 4.3 跑道入侵检测信息的实时接入与体素表达65-70
• 4.3.1 跑道入侵保护区的划定65-66
• 4.3.2 目标视频检测结果到体素场模型的实时接入66-67
• 4.3.3 基于目标体素缓冲体分析的跑道入侵判断67-70
• 4.4 本章小结70-71
• 第五章 威胁态势信息场实时可视化分析方法71-88
• 5.1 概述71-72
• 5.2 变化驱动的威胁态势信息场实时体绘制方法72-77
• 5.2.1 体数据的光线投射算法和实时调度策略72-74
• 5.2.2 射线求交计算74-75
• 5.2.3 变化驱动的威胁态势信息场实时体绘制算法75-77
• 5.3 威胁态势信息场体素模型实时剖分算法77-84
• 5.3.1 剖分面的表达与离散78-79
• 5.3.2 基于八叉树的剖分线段实时求交算法79-80
• 5.3.3 剖分线段递进遍历体素场算法80-84
• 5.4 威胁态势信息场模型实时缓冲体分析算法84-87
• 5.4.1 三维体素空间中的欧氏距离变换84-85
• 5.4.2 等距离体素扩张的缓冲体实时生成算法85-87
• 5.5 本章小结87-88
• 第六章 林芝机场环境建模及导航应用实验88-105
• 6.1 原型系统设计与实验数据描述88-93
• 6.2 基于3DOR树的多尺度体素建模实验93-96
• 6.3 变化驱动的信息场实时可视化分析实验96-102
• 6.3.1 变化驱动的信息场实时绘制和更新实验96-99
• 6.3.2 体素模型剖分计算实验99-101
• 6.3.3 体素模型缓冲体计算实验101-102
• 6.4 跑道入侵检测信息的实时接入模拟实验102-103
• 6.5 本章小结103-105
• 第七章 结论与展望105-107
• 7.1 结论105-106
• 7.2 展望106-107
• 参考文献107-117
• 攻读博士学位期间论文发表及科研工作117-118
• 致谢118

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本文编号：822522