一种基于HUD增强的空管塔台视景显示方法

摘要

本发明公开了一种基于HUD增强的空管塔台视景显示方法，将HUD技术应用于塔台，根据管制席位观察视角，将航空器、车辆等目标的实时状态与塔台外景精准匹配融合的重要辅助信息直接投影显示在塔台玻璃上，减少管制员低头观察屏幕获取信息与抬头观察外景的切换次数。同时HUD能够切换EVS、SVS等模式增强视景显示能力，解决在夜视、大雾、低能见度、视角遮挡等场景下造成的视觉观察能力弱问题，实现基于HUD增强的全天候空管塔台视景显示与管制能力，减轻塔台管制员的工作负荷，提高塔台管制指挥运行效率。

权利要求

1.一种基于HUD增强的空管塔台视景显示方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，实时接收机场场面监视信息；

步骤2，识别场面上的目标，获取目标相关信息、机场基本信息和气象信息，将场面目标id

与目标相关信息关联；目标通过目标标识号Tj 唯一标识，0 ≤ j ≤ N，N表示场面上的目coord

标数量；目标的位置信息记为Tj ；将目标相关信息与步骤2.1中识别出的场面目标进行mes

关联，记第j个目标的目标相关信息集合为Tj ；

id coord mes

步骤2.3，通过目标标识号Tj 将目标的位置信息Tj 与目标相关信息Tj 联系在一起，并生成场面目标集合T：

T = {T1T2T3 … Tj … TN}          （1）id coord mes

Tj = {Tj Tj Tj }          （2）步骤3，计算目标投影坐标、目标相关信息的投影范围坐标、目标的路线投影坐标、机场基本信息的投影范围坐标、气象信息的投影范围坐标和告警投影坐标；

步骤4，根据机场气象观测系统给出的能见度数据，选择投影模式；

步骤5，根据投影模式以及投影坐标向塔台玻璃上投影各项信息；

步骤3包括步骤3.1，将目标的位置信息转换成投影坐标，生成本席位视角下可见目标集合，计算可见目标集合中目标的标示框坐标；

步骤3.1.1，根据透视投影中一点透视的原理，将HUD投影仪作为灭点，灭点在Z轴；HUDcoord coord

投影仪摆放位置即为管制员相对应视角，将目标的位置信息Tj 转换到投影坐标Cj ：coord x0 y0

Cj =(Cj , Cj )            （3）步骤3.1.2，以HUD投影仪投射的显示屏幕为投影显示范围边界，水平方向坐标范围是x0  y0

[0，100]，垂直方向坐标范围是[0，400]，根据目标投影坐标，若0≤Cj ≤100且0≤Cj ≤

400，则表明该目标相对所述显示屏幕可见，否则裁剪目标；

生成当前席位视角下可见目标集合Tv =  {Tv1Tv2Tv3 … Tvi … TvN’}，Tvi  = id coord mes coord{Tvi Tvi Tvi Cvj }，Tvi表示可见目标集合第i个目标的信息集合，包括目标标识号id coord mes coord x0 y0Tvi 、目标的位置信息Tvi 、目标相关信息Tvi 和目标投影坐标Cvj =(Cvj , Cvj )，取值从场面目标集合T和步骤3.1.1计算获得的投影坐标中获得；N’表示当前席位视角下可见目标集合中目标数量，N’≤ N；

coord

步骤3.1.3，根据目标的位置信息Tvi 计算得到目标与塔台的距离d，计算缩放系数S：

S= 1 ‑ d /DMAX         （4）其中，DMAX是塔台可观测最远距离；

xy_range

步骤3.1.4，根据目标的投影坐标集合求出目标的标示框坐标Cvi ：xy_range x1 y1 x2 y1 x2 y2 x1 y2Cvi = {(Ci , Ci ), (Ci , Ci ) , (Ci , Ci ), (Ci , Ci ) }     （5）其中，

x1 x0

Ci = Cvi ‑PX*S/2x2 x0

Ci = Cvi +PX*S/2y1 y0

Ci = Cvi ‑PY*S/2y2 y0

Ci = Cvi +PY*S/2         （6）PX、PY是目标的标示框的显示尺寸；

xy_range

Ci 中包含的是将目标标示出来的矩形四个顶点的投影坐标。

2.根据权利要求1所述的一种基于HUD增强的空管塔台视景显示方法，其特征在于，步骤2中根据场面监视信息和机场视频监控系统输出的场面视频，识别出场面上目标并获取目标的位置信息，所述目标包括航空器和车辆；

实时接收塔台空管管制自动化系统、飞行计划处理系统、场面监视与引导系统、气象观测系统和机场视频监控系统传输的系统信息，并将所述系统信息分为目标相关信息、机场基本信息和气象信息，所述机场基本信息包括跑道长度、跑道宽度、滑行道编号和停机位编号在内的与场面目标无关的固定信息；所述气象信息包括风速、水平能见度、天气和低云云高；

所述目标相关信息根据目标类别确定：当目标为航空器时，起飞离场的航空器目标相关信息包括：飞行计划信息、航空器类别和呼号、高度表拨正值、离场转弯方向、离场程序、飞行速度、飞行高度和跑道号码；着陆的航空器目标相关信息包括：飞行计划信息、航空器类别和呼号、高度表拨正值、进场程序、滑行速度、跑道号码；机场场面上的其他航空器目标相关信息包括飞行计划信息、航空器类别、呼号和速度；所述航空器类别包括超大型、大型机、中型机、小型机和公务机；当目标为车辆时，车辆目标相关信息包括：交通车呼号和交通车速度。

3.根据权利要求2所述的一种基于HUD增强的空管塔台视景显示方法，其特征在于，步骤3还包括：

步骤3.2，计算可见目标集合中目标相关信息的投影范围坐标；

步骤3.3，计算可见目标集合中目标的路线投影坐标；

步骤3.4，计算机场基本信息的投影范围坐标；

步骤3.5，计算气象信息的投影范围坐标；

步骤3.6，若存在告警信息，分析告警信息的类型，将告警信息与目标相关联，并根据告警信息提供的危险出现位置计算对应告警投影坐标。

4.根据权利要求3所述的一种基于HUD增强的空管塔台视景显示方法，其特征在于，步骤3.2包括：

目标相关信息的投影范围需满足不能与任意目标的投影以及标示框范围重合、不能与其他目标相关信息的投影范围重合两个条件；

xy_range mes

根据目标的标示框坐标Ci 和其所对应的目标相关信息Tvi 的内容分配并计算目xy_range

标相关信息的投影范围坐标Mi ：xy_range x1 y1 x2 y1 x1 y2 x2 y2Mi = {(Mi , Mi ), (Mi , Mi ), (Mi , Mi ), (Mi , Mi )}     （7）xy_range

Mi 中包含的是目标所对应的目标相关信息的投影坐标范围的四个顶点坐标。

5.根据权利要求4所述的一种基于HUD增强的空管塔台视景显示方法，其特征在于，步骤3.3包括：

步骤3.3.1，当目标为航空器时，从飞行计划处理系统和空管管制自动化系统中获取进离场航空器相对应计划信息中的起飞路线、滑行路线和降落路线的实际位置信息，计算出xy

投影坐标集合Si ：

xy take_off slide landingSi  = (Si Si Si )            （8）take_off slide其中Si 为航空器起飞路线的投影坐标集合，Si 为航空器滑行路线的投影坐标landing

集合，Si 为航空器降落路线的投影坐标集合，当航空器状态为三种状态中的一种时，另xy

外两种状态下的坐标集合为空，当航空器为在停机位上停靠的状态时，集合Si 为空；

步骤3.3.2，当目标为车辆时，通过机场场面监控系统中的车辆行进路线，计算车辆行xy

进路线投影坐标集合Si ：

xy line

Si  = (Si )            （9）xy

当车辆停靠时集合Si 为空。

6.根据权利要求5所述的一种基于HUD增强的空管塔台视景显示方法，其特征在于，步骤3.4包括：

选取跑道两端的四个端点作为特征点，四个端点的坐标值通过查航行情报中的机场基xy_range

本信息获得，通过投影计算得到四个特征点的投影显示坐标R ：xy_range x y x y x y x yR = {(R1, R1), (R2, R2), (R3, R3), (R4, R4)}     （10）xy_range xy_center同时根据R 计算跑道中心线两个端点的投影显示坐标R ：xy_center x x y y x x y yR = {((R1+R2)/2, (R1+R2)/2), ((R3+R4)/2, (R3+R4)/2)}          （11）选取滑行道的关键特征点，所述关键特征点的坐标值通过查航行情报中的机场基本信息获得，逐点计算投影坐标，获得关键特征点投影坐标；

停机位简化为一个点，该点的坐标值通过查航行情报中的机场基本信息获得，对该点计算投影坐标，获得停机位投影坐标。

7.根据权利要求6所述的一种基于HUD增强的空管塔台视景显示方法，其特征在于，步骤3.5计算气象信息的投影范围坐标时，按照HUD投影仪投射的显示屏幕坐标固定区域范xy_range

围，以HUD左下角为屏幕原点坐标（0,0），气象信息按照使用习惯显示在W ：xy_range x1 y1 x2 y1 x1 y2 x2 y2W = {(W , W ), (W , W ), (W , W ), (W , W )}    （12）x1 x2 y1 y2

其中，W = 20,W = 150,W =20,W = 150    （13）步骤3.6包括：

实时接收航空器飞行/滑行路线的冲突告警信息，获取告警信息提供的危险出现位置坐标，计算危险出现位置的投影坐标；

实时接收车辆行进路线的冲突告警信息，获取告警信息提供的危险出现位置坐标，计算危险出现位置的投影坐标；

跑道被入侵时，获取入侵位置坐标，计算危险出现位置的投影坐标；

滑行道被入侵时，获取入侵位置坐标，计算危险出现位置的投影坐标。

8.根据权利要求7所述的一种基于HUD增强的空管塔台视景显示方法，其特征在于，步骤4中能见度数据为10‑20公里，判定能见度好；能见度数据低于10公里，判定能见度差；

所述投影模式包括正常模式、EVS增强显示模式和SVS模式；

投影模式的选择包括：

当能见度好时，选择正常模式；当能见度差时，选择EVS增强显示模式；当航空器在高原地区起降或者飞行过程中存在由于高程态势影响的告警时，选择SVS模式。

9.根据权利要求8所述的一种基于HUD增强的空管塔台视景显示方法，其特征在于，步骤5包括：

当投影模式为正常模式时，各项信息包括场面目标的标示框、目标相关信息、动态目标的路线和告警信息，以矩形标示框显示目标位置并跟随目标移动，以标牌显示目标相关信息，航空器的起飞路线、滑行路线、降落路线以动态虚线形式显示；

当投影模式为EVS增强显示模式时，在正常模式基础上，场面上的目标的表示方式为目标图标和矩形框同时投影在塔台玻璃上，跑道、滑行道和停机位根据其形状以轮廓显示在塔台玻璃上；跑道以图形形式显示于HUD投影仪投射的显示屏幕中，有两种显示方式：一种xy_range

按照步骤3.4计算获得的R 依次连线四个端点以四边形图形显示，另一种以跑道中心xy_center

线形式按照R 两个端点连线显示，管制员能够根据实际需求选择切换跑道显示方式；

滑行道以文字和图形形式显示于HUD投影仪投射的显示屏幕中，显示时将步骤3.4计算获得的关键特征点投影坐标中各点逐次连接以分段线的形式进行显示，滑行道的编号以文字形式在滑行道每个投影点旁显示；停机位简化为一个点显示，将步骤3.4计算获得的停机位投影坐标进行显示，停机位编号以文字形式在投影点旁显示；

当投影模式为SVS模式，在正常模式基础上，场面上同时投影高程态势和告警信息；所述高程态势根据预先存储在投影系统中的高原地区塔台附近的高程态势图获得；管制员能够根据自己的需要选择主动开启或关闭高程态势显示；

所有投影模式下，管制员能够根据自己的需要选择显示或隐藏气象信息和/或飞行计划信息。

说明书

一种基于HUD增强的空管塔台视景显示方法

技术领域

[0001] 本方法涉及抬头显示技术领域，尤其涉及一种基于HUD增强的空管塔台视景显示方法。

背景技术

[0002] 抬头显示技术（HUD，Head Up Display）的基本原理是叠加背景并显示辅助信息，已经在航空机载、车载等多个领域得到成功应用。该技术在飞行员的驾驶过程中，能够将重
要信息投射到飞行员前方的显示器上，使得飞行员无需低头就可以方便快捷地获取提示信
息。随着HUD技术的发展，逐渐出现了可以与之融合的各项技术，包括增强视景系统EVS
（Enhanced Vision System）以及合成视景系统SVS（Synthetic Vision System）等。其中，
EVS模式可将画面增强显示，SVS模式是由地形数据库存储的地形模型构建的虚拟视景。

[0003] 随着航空业的飞速发展，日常出行、货物运输等需求日益增多，繁忙机场日均服务航班在上千架次以上，而首都机场日均航班数量已经达到了1600架次以上。塔台管制员的
工作包括对飞行器推出、开车、滑行、放行以及落地的管制，直接影响到航空器的运行安全
以及机场运行效率。塔台管制员的工作席位上部署有多套系统的屏幕，为其提供管制工作
所需的飞行计划、雷达监视、气象情报、灯光系统等各类信息，如图1所示，同时还需要透过
塔台透明玻璃掌握跑道和飞行器的实时情况。因此，管制员在工作时需要频繁进行低头、抬
头来观察席位上多个屏幕信息和塔台外机场场面的实时状态，使得管制员工作负荷大，易
导致生理疲劳。针对上述问题，充分发挥HUD技术的优势特点可以有效解决塔台管制员工作
痛点。

发明内容

[0004] 发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种基于HUD增强的空管塔台视景显示方法。

[0005] 为了解决上述技术问题，本发明公开了一种基于HUD增强的空管塔台视景显示方法。

[0006] 基于HUD的增强显示投影以帧为单位持续更新，单个管制席位下单帧投影计算过程如下。

[0007] 步骤1，实时接收机场场面监视信息。

[0008] 步骤2，识别场面上的目标，获取目标相关信息、机场基本信息和气象信息，将场面目标与目标相关信息关联。

[0009] 步骤3，计算目标投影坐标、目标相关信息的投影范围坐标、目标的路线投影坐标、机场基本信息的投影范围坐标、气象信息的投影范围坐标和告警投影坐标。

[0010] 步骤4，根据机场气象观测系统给出的能见度数据，选择投影模式。

[0011] 步骤5，根据投影模式以及投影坐标向塔台玻璃上投影各项信息。

[0012] 在一种实现方式中，步骤2包括：步骤2.1，根据场面监视信息和机场视频监控系统输出的场面视频，识别出场面上目标并获取目标的位置信息，所述目标包括航空器和车辆；
id
目标通过目标标识号Tj 唯一标识，0 ≤ j ≤ N，N表示场面上的目标数量；目标的位置信
coord
息记为Tj 。

[0013] 步骤2.2，实时接收塔台空管管制自动化系统、飞行计划处理系统、场面监视与引导系统、气象观测系统和机场视频监控系统传输的系统信息，并将所述系统信息分为目标
相关信息、机场基本信息和气象信息，所述机场基本信息包括跑道长度、跑道宽度、滑行道
编号和停机位编号在内的与场面目标无关的固定信息；所述气象信息包括风速、水平能见
度、天气和低云云高。

[0014] 所述目标相关信息根据目标类别确定：当目标为航空器时，起飞离场的航空器目标相关信息包括：飞行计划信息、航空器类别/呼号、高度表拨正值、离场转弯方向、离场程
序、飞行速度/高度和跑道号码；着陆的航空器目标相关信息包括：飞行计划信息、航空器类
别/呼号、高度表拨正值、进场程序、滑行速度、跑道号码；机场场面上的其他航空器目标相
关信息包括飞行计划信息、航空器类别/呼号和速度；所述航空器类别包括超大型、大型机、
中型机、小型机和公务机；当目标为车辆时，车辆目标相关信息包括：交通车呼号和交通车
速度。

[0015] 将目标相关信息与步骤2.1中识别出的场面目标进行关联，记第j个目标的目标相mes
关信息集合为Tj 。

[0016] 步骤2.3，通过目标标识号Tjid将目标的位置信息Tjcoord与目标相关信息Tjmes联系在一起，并生成场面目标集合T。

[0017] T = {T1 T 2 T 3 … Tj … TN}          （1）。

[0018] Tj = {Tjid Tjcoord Tjmes}          （2）。

[0019] 在一种实现方式中，步骤3包括：步骤3.1，将目标的位置信息转换成投影坐标，生成本席位视角下可见目标集合，计算可见目标集合中目标的标示框坐标。

[0020] 步骤3.2，计算可见目标集合中目标相关信息的投影范围坐标。

[0021] 步骤3.3，计算可见目标集合中目标的路线投影坐标。

[0022] 步骤3.4，计算机场基本信息的投影范围坐标。

[0023] 步骤3.5，计算气象信息的投影范围坐标。

[0024] 步骤3.6，若存在告警信息，分析告警信息的类型，将告警信息与目标相关联，并根据告警信息提供的危险出现位置计算对应告警投影坐标。

[0025] 在一种实现方式中，步骤3.1包括：步骤3.1.1，根据透视投影中一点透视的原理，将投影仪作为灭点，灭点在Z轴；投影仪摆放位置即为管制员相对应视角，将目标的位置信
coord coord
息Tj 转换到投影坐标Cj 。

[0026] Cjcoord=(Cjx0, Cjy0)            （3）。

[0027] 步骤3.1.2，以HUD投影仪投射的显示屏幕为投影显示范围边界，水平方向坐标范x0  y0
围是[0，100]，垂直方向坐标范围是[0，400]，根据目标投影坐标，若0≤Cj ≤100且0≤Cj
≤400，则表明该目标相对所述显示屏幕可见，否则裁剪目标不在后续步骤中考虑。

[0028] 生成当前席位视角下可见目标集合Tv = {Tv1 Tv2 Tv3 … Tvi … TvN’}，Tvi = id coord mes coord
{Tvi  Tvi  Tvi  Cvj }，Tvi表示可见目标集合第i个目标的信息集合，包括目标标识
id coord mes coord x0
号Tvi 、目标的位置信息Tvi 、目标相关信息Tvi 和目标投影坐标Cvj =(Cvj , 
y0
Cvj )，取值从场面目标集合T和步骤3.1.1计算获得的投影坐标中获得；N’表示当前席位视
角下可见目标集合中目标数量，N’≤ N。

[0029] 步骤3.1.3，根据目标的位置信息Tvicoord计算得到目标与塔台的距离d，计算缩放系数S。

[0030] S= 1 ‑ d /DMAX         （4）。

[0031] 其中，DMAX是塔台可观测最远距离，能够根据不同机场塔台视野情况进行调整。

[0032] 步骤3.1.4，根据目标的投影坐标集合求出目标的标示框坐标Cvixy_range。

[0033] Cvixy_range= {(Cix1, Ciy1), (Cix2, Ciy1) , (Cix2, Ciy2), (Cix1, Ciy2) }     （5）。

[0034] 其中，Cix1= Cvix0‑PX*S/2，Cix2= Cvix0+PX*S/2，Ciy1= Cviy0‑PY*S/2，Ciy2= Cviy0+PY*S/2         （6）。

[0035] PX、PY是目标的标示框的显示尺寸，按照目标的形状类别获得经验尺寸大小，目标的形状类别包括超大型、大型机、中型机、小型机、公务机和车辆。

[0036] Cixy_range中包含的是将目标标示出来的矩形四个顶点的投影坐标。

[0037] 在一种实现方式中，步骤3.2包括：目标相关信息的投影范围需满足不能与任意目标的投影以及标示框范围重合、不能与其他目标相关信息的投影范围重合两个条件。

[0038] 根据目标的标示框坐标Cixy_range和其所对应的目标相关信息Tvimes的内容分配并xy_range
计算目标相关信息的投影范围坐标Mi 。

[0039] Mixy_range= {(Mix1, Miy1), (Mix2, Miy1), (Mix1, Miy2), (Mix2, Miy2)}     （7）。

[0040] Mixy_range中包含的是目标所对应的目标相关信息的投影坐标范围的四个顶点坐标。

[0041] 在一种实现方式中，步骤3.3包括：步骤3.3.1，当目标为航空器时，从飞行计划处理系统和空管管制自动化系统中获取进离场航空器相对应计划信息中的起飞路线、滑行路
xy
线和降落路线的实际位置信息，计算出投影坐标集合Si 。

[0042] Sixy = (Sitake_off Sislide Silanding)            （8）。

[0043] 其中Sitake_off为航空器起飞路线的投影坐标集合，Sislide为航空器滑行路线的投影landing
坐标集合，Si 为航空器降落路线的投影坐标集合，当航空器状态为三种状态中的一种
xy
时，另外两种状态下的坐标集合为空，当航空器为在停机位上停靠的状态时，集合Si 为空。

[0044] 步骤3.3.2，当目标为车辆时，通过机场场面监控系统中的车辆行进路线，计算车xy
辆行进路线投影坐标集合Si 。

[0045] Sixy = (Siline)            （9）。

[0046] 当车辆停靠时集合Sixy为空；根据场面目标属性不同，集合Sixy内容不同，投影方式可为图像与文字的不同组合。

[0047] 在一种实现方式中，步骤3.4包括：选取跑道两端的四个端点作为特征点，四个端点的坐标值通过查航行情报中的机场基本信息获得，通过投影计算得到四个特征点的投影
xy_range
显示坐标R 。

[0048] Rxy_range= {(R1x, R1y), (R2x, R2y), (R3x, R3y), (R4x, R4y)}     （10）。

[0049] 同时根据Rxy_range计算跑道中心线两个端点的投影显示坐标Rxy_center。

[0050] Rxy_center= {((R1x+R2x)/2,  (R1y+R2y)/2), ((R3x+R4x)/2,  (R3y+R4y)/2)}    （11）。

[0051] 选取滑行道的关键特征点，所述关键特征点的坐标值通过查航行情报中的机场基本信息获得，逐点计算投影坐标，获得关键特征点投影坐标。

[0052] 停机位简化为一个点，该点的坐标值通过查航行情报中的机场基本信息获得，对该点计算投影坐标，获得停机位投影坐标。

[0053] 在一种实现方式中，步骤3.5计算气象信息的投影范围坐标时，按照HUD投影仪投射的显示屏幕坐标固定区域范围，以HUD左下角为屏幕原点坐标（0,0），一般气象信息按照
xy_range
使用习惯显示在W 。

[0054] Wxy_range= {(Wx1, Wy1), (Wx2, Wy1), (Wx1, Wy2), (Wx2, Wy2)}    （12）。

[0055] 其中，Wx1= 20,Wx2= 150,Wy1=20,Wy2= 150    （13）。

[0056] 步骤3.6包括：实时接收航空器飞行/滑行路线的冲突告警信息，获取告警信息提供的危险出现位置坐标，计算危险出现位置的投影坐标。

[0057] 实时接收车辆行进路线的冲突告警信息，获取告警信息提供的危险出现位置坐标，计算危险出现位置的投影坐标。

[0058] 跑道被入侵时，获取入侵位置坐标，计算危险出现位置的投影坐标。

[0059] 滑行道被入侵时，获取入侵位置坐标，计算危险出现位置的投影坐标。

[0060] 当风速大于13m/s或阵风大于20m/s时显示告警，计算告警位置的投影坐标。

[0061] 当能见度低于800m时显示告警，计算告警位置的投影坐标。

[0062] 当遇风切变、龙卷风、飑线、雷雨、冰雹时显示告警，计算告警位置的投影坐标。

[0063] 当出现4个以上低云且高度小于170m时显示告警，计算告警位置的投影坐标。

[0064] 在一种实现方式中，步骤4中能见度数据为10‑20公里，判定能见度好；能见度数据低于10公里，判定能见度差。

[0065] 所述投影模式包括正常模式、EVS增强显示模式和SVS模式。

[0066] 投影模式的选择包括：当能见度好时，选择正常模式；当能见度差时，选择EVS增强显示模式；当航空器在高原地区起降或者飞行过程中存在由于高程态势影响的告警时，选
择SVS模式。

[0067] 在一种实现方式中，步骤5包括：当投影模式为正常模式时，各项信息包括场面目标的标示框、目标相关信息、动态目标的路线和告警信息，以矩形标示框显示目标位置并跟
随目标移动，以标牌显示目标相关信息，航空器的起飞路线、滑行路线、降落路线以动态虚
线形式显示。

[0068] 当投影模式为EVS增强显示模式时，在正常模式基础上，场面上的目标的表示方式为目标图标和矩形框同时投影在塔台玻璃上，跑道、滑行道和停机位根据其形状以轮廓显
示在塔台玻璃上；跑道以图形形式显示于HUD投影仪投射的显示屏幕中，有两种显示方式：
xy_range
一种按照步骤3.4计算获得的R 依次连线四个端点以四边形图形显示，另一种以跑道
xy_center
中心线形式按照R 两个端点连线显示，管制员能够根据实际需求选择切换跑道显示
方式，同时因为跑道为机场最重要设备，目标明显，管制员对其较为熟悉，无需添加其他文
字信息（如跑道宽度、长度等基础信息）辅助显示；滑行道以文字和图形形式显示于HUD投影
仪投射的显示屏幕中，显示时将步骤3.4计算获得的关键特征点投影坐标中各点逐次连接
以分段线的形式进行显示，滑行道的编号以文字形式在滑行道每个投影点旁显示；停机位
简化为一个点显示，将步骤3.4计算获得的停机位投影坐标进行显示，停机位编号以文字形
式在投影点旁显示。

[0069] 当投影模式为SVS模式，在正常模式基础上，场面上同时投影高程态势和告警信息；所述高程态势根据预先存储在投影系统中的高原地区塔台附近的高程态势图获得；管
制员能够根据自己的需要选择主动开启或关闭高程态势显示。

[0070] 所有投影模式下，管制员能够根据自己的需要选择显示或隐藏气象信息和/或飞行计划信息。

[0071] 有益效果：本发明与现有技术相比，显著优点如下。

[0072] 1、投影信息与目标自动匹配并保持一致，提示信息及时有效，提高管制效率。

[0073] 传统方式下，塔台管制员需要通过观察席位电脑屏幕获取相关信息，同时需要通过思考将其与实际目标关联匹配起来，而本方法实时接收多种信息并融合显示，直接将信
息处理后投影在塔台玻璃上，并与目标直接关联匹配，简洁直观，相关信息一目了然，管制
员可以第一时间获取到有用信息，有利于管制员及时做出判断发出指令，提高指挥效率。

[0074] 2、减轻管制员工作负荷。

[0075] 目前塔台管制员在工作过程中需要从面前多个屏幕中获取进离场航空器路线、气象、飞行计划、冲突告警等多种类型信息，同时需要用眼睛观察塔台玻璃外机场场面的实时
情况，在综合判断后发出管制指令。上述过程中需要管制员不断地低头、抬头来接收多种来
源的信息，造成很大负担。本方法可以减少管制员低头从其他电脑屏幕中查找相关信息的
负担，减少人眼聚焦远近的不断切换。

[0076] 3、减少建筑物遮挡目标对管制工作的影响。

[0077] 由于环境限制，部分机场场面中的被观测目标可能存在被航站楼遮挡的情况，本方法会将场面上识别出的所有目标标记出来并显示相关联信息，包括被遮挡目标，减少因
遮挡导致的对管制工作的不利影响。

[0078] 4、全天候运行，提高机场运行吞吐量。

[0079] 在夜视、低能见度等情况下，对管制员透过塔台玻璃观察机场态势存在不利影响，使得机场运行效率下降。本方法将HUD与EVS/SVS相结合，能有效解决夜视、低能见度等条件
下观察能力下降的问题，实现机场全天候运行。

附图说明

[0080] 下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。

[0081] 图1是塔台工作环境示意图。

[0082] 图2是透视投影坐标换算示意图。

[0083] 图3是单个投影仪的投影示意图。

[0084] 图4是投影布局示意图。

[0085] 图5是单帧投影的流程图。

[0086] 图6是识别目标、信息匹配流程图。

[0087] 图7是计算目标及信息投影坐标的流程图。

[0088] 图8是飞机标牌、跑道、进离场路线示意图。

[0089] 图9是低能见度、恶劣天气下的部分投影示意图。

[0090] 图10是SVS高程态势的示意图。

[0091] 图11是进离场路线冲突示意图。

[0092] 图12是停机位示意图。

[0093] 图13是跑道和灯光示意图。

具体实施方式

[0094] 下面将结合附图，对本发明的实施例进行描述。

[0095] 本方法的应用场景为机场塔台，基于塔台现有各类系统所提供的机场场面视频、监视、计划、气象等各类信息并进行融合，通过计算管制员观察视角的显示投影坐标，使用
HUD增强显示技术将关键信息以字符、图形等叠加并直接投射显示在以机场真实场景为背
景的塔台玻璃上，以减少管制员抬头低头获取信息的频次，同时能够辅助增强管制员在夜
视、大雾、低能见度、视角遮挡等不利条件下因观察能力弱而导致的管制困难问题。塔台现
有各类系统包括但不限于空管管制自动化系统、飞行计划处理系统、场面监视与引导系统、
气象观测系统和机场视频监控系统。

[0096] 根据不同塔台的实际大小和具体布局，决定HUD投影仪的个数和安装的位置角度，其中单个投影仪的投影示意图如图3所示。每台投影仪服务于一位管制员，投影的方向、视
角以及内容均以本席位管制员工作需求以及视角为参照标准。图4是假设塔台中有两个管
制席位时的投影布局示意图。

[0097] 不同塔台的席位分布不同，各席位管制员的工作内容不同，视角也不同。在进行投影工作之前，确认此塔台管制席位的个数以及各席位的视角信息和管制内容信息。投影是
以帧为单位的连续画面，图5为单个管制席位下单帧投影流程图，计算过程如下。

[0098] 步骤1，实时接收机场场面监视信息。

[0099] 步骤2，识别场面上的目标，获取目标相关信息、机场基本信息和气象信息，将场面目标与目标相关信息关联；如图6所示，具体包括：步骤2.1，根据场面监视信息和机场视频
监控系统输出的场面视频，识别出场面上目标并获取目标的位置信息，所述目标包括航空
id
器和车辆；目标通过目标标识号Tj 唯一标识，0 ≤ j ≤ N，N表示场面上的目标数量；目标
coord
的位置信息记为Tj 。

[0100] 步骤2.2，实时接收塔台空管管制自动化系统、飞行计划处理系统、场面监视与引导系统、气象观测系统和机场视频监控系统传输的系统信息，并将所述系统信息分为目标
相关信息、机场基本信息和气象信息，所述机场基本信息包括跑道长度、跑道宽度、滑行道
编号和停机位编号在内的与场面目标无关的固定信息；所述气象信息包括风速、水平能见
度、天气和低云云高；所述目标相关信息包括直接与目标本身相关的信息，将目标相关信息
mes
与步骤2.1中识别出的场面目标进行关联，记第j个目标的目标相关信息集合为Tj 。

[0101] 所述目标相关信息根据目标类别确定。

[0102] 当目标为航空器时，起飞离场的航空器目标相关信息包括：飞行计划信息、航空器类别/呼号、高度表拨正值、离场转弯方向、离场程序、飞行速度/高度和跑道号码；着陆的航
空器目标相关信息包括：飞行计划信息、航空器类别/呼号、高度表拨正值、进场程序、滑行
速度、跑道号码；机场场面上的其他航空器目标相关信息包括飞行计划信息、航空器类别/
呼号和速度；所述航空器类别包括超大型、大型机、中型机、小型机和公务机。

[0103] 当目标为车辆时，车辆目标相关信息包括：交通车呼号和交通车速度。

[0104] 步骤2.3，通过目标标识号Tjid将目标的位置信息Tjcoord与目标相关信息Tjmes联系在一起，并生成场面目标集合T。

[0105] T = {T1 T 2 T 3 … Tj … TN}          （1）。

[0106] Tj = {Tjid Tjcoord Tjmes}          （2）。

[0107] 步骤3，计算目标投影坐标、目标相关信息的投影范围坐标、目标的路线投影坐标、机场基本信息的投影范围坐标、气象信息的投影范围坐标和告警投影坐标；如图7所示，具
体包括：步骤3.1，将目标的位置信息转换成投影坐标，生成本席位视角下可见目标集合，计
算可见目标集合中目标的标示框坐标。

[0108] 步骤3.1.1，如图2所示，根据透视投影中一点透视的原理，将投影仪作为灭点，灭coord
点在Z轴；投影仪摆放位置即为管制员相对应视角，将目标的位置信息Tj 转换到投影坐
coord
标Cj 。

[0109] Cjcoord=(Cjx0, Cjy0)            （3）。

[0110] 记目标的位置信息Tjcoord=(Tjx, Tjy, Tjz)，则目标的位置信息Tjcoord转换到投影坐coord
标Cj 表示为如下公式。

[0111]   （4）。

[0112] 其中，R为3×3的正交旋转变换矩阵，T为3×1的平移变换矩阵，R和T为HUD显示设备的具体参数，需要在实际安装环境经过设备标定后确定。

[0113] 后续步骤中计算位置投影坐标的过程和步骤3.1.1相同，不再重复描述。

[0114] 步骤3.1.2，以HUD投影仪投射的显示屏幕为投影显示范围边界，水平方向坐标范x0  y0
围是[0，100]，垂直方向坐标范围是[0，400]，根据目标投影坐标，若0≤Cj ≤100且0≤Cj
≤400，则表明该目标相对所述显示屏幕可见，否则裁剪目标。

[0115] 生成当前席位视角下可见目标集合Tv = {Tv1 Tv2 Tv3 … Tvi … TvN’}，Tvi = id coord mes coord
{Tvi  Tvi  Tvi  Cvj }，Tvi表示可见目标集合第i个目标的信息集合，包括目标标识
id coord mes coord x0
号Tvi 、目标的位置信息Tvi 、目标相关信息Tvi 和目标投影坐标Cvj =(Cvj , 
y0
Cvj )，取值从场面目标集合T和步骤3.1.1计算获得的投影坐标中获得；N’表示当前席位视
角下可见目标集合中目标数量，N’≤ N。

[0116] 步骤3.1.3，根据目标的位置信息Tvicoord计算得到目标与塔台的距离d，计算缩放系数S。

[0117] S= 1 ‑ d /DMAX         （5）。

[0118] 其中，DMAX是塔台可观测最远距离，能够根据不同机场塔台视野情况进行调整。

[0119] 步骤3.1.4，根据目标的投影坐标集合求出目标的标示框坐标Cvixy_range。

[0120] Cixy_range= {(Cix1, Ciy1), (Cix2, Ciy1) , (Cix2, Ciy2), (Cix1, Ciy2) }     （6）。

[0121] 其中，Cix1= Cvix0‑PX*S/2，Cix2= Cvix0+PX*S/2，Ciy1= Cviy0‑PY*S/2，Ciy2= Cviy0+PY*S/2      （7）。

[0122] PX、PY是目标的标示框的显示尺寸，按照目标的形状类别获得经验尺寸大小，目标的形状类别包括超大型、大型机、中型机、小型机和车辆。

[0123] 超大型：PX=16，PY=10。

[0124] 大型机：PX=15，PY=9。

[0125] 中型机：PX=12，PY=8。

[0126] 小型机：PX=8，PY=6。

[0127] 车辆：PX=6，PY=4。

[0128] Cixy_range中包含的是将目标标示出来的矩形四个顶点的投影坐标。

[0129] 步骤3.2，计算可见目标集合中目标相关信息的投影范围坐标。

[0130] 目标相关信息的投影范围需满足不能与任意目标的投影以及标示框范围重合、不能与其他目标相关信息的投影范围重合两个条件。

[0131] 根据目标的标示框坐标Cixy_range和其所对应的目标相关信息Tvimes的内容分配并xy_range
计算目标相关信息的投影范围坐标Mi 。

[0132] Mixy_range= {(Mix1, Miy1), (Mix2, Miy1), (Mix1, Miy2), (Mix2, Miy2)}     （8）。

[0133] Mixy_range中包含的是目标所对应的目标相关信息的投影坐标范围的四个顶点坐标。

[0134] 步骤3.3，计算可见目标集合中目标的路线投影坐标。

[0135] 步骤3.3.1，当目标为航空器时，从飞行计划处理系统和空管管制自动化系统中获取进离场航空器相对应计划信息中的起飞路线、滑行路线和降落路线的实际位置信息，计
xy
算出投影坐标集合Si 。

[0136] Sixy = (Sitake_off Sislide Silanding)            （9）。

[0137] 其中Sitake_off为航空器起飞路线的投影坐标集合，Sislide为航空器滑行路线的投影landing
坐标集合，Si 为航空器降落路线的投影坐标集合，当航空器状态为三种状态中的一种
xy
时，另外两种状态下的坐标集合为空，当航空器为在停机位上停靠的状态时，集合Si 为空。

[0138] 步骤3.3.2，当目标为车辆时，通过机场场面监控系统中的车辆行进路线，计算车xy
辆行进路线投影坐标集合Si 。

[0139] Sixy = (Siline)            （10）。

[0140] 当车辆停靠时集合Sixy为空。

[0141] 步骤3.4包括：选取跑道两端的四个端点作为特征点，四个端点的坐标值通过查航xy_range
行情报中的机场基本信息获得，通过投影计算得到四个特征点的投影显示坐标R 。

[0142] Rxy_range= {(R1x, R1y), (R2x, R2y), (R3x, R3y), (R4x, R4y)}     （11）。

[0143] 同时根据Rxy_range计算跑道中心线两个端点的投影显示坐标Rxy_center。

[0144] Rxy_center= {((R1x+R2x)/2,  (R1y+R2y)/2), ((R3x+R4x)/2,  (R3y+R4y)/2)}    （12）。

[0145] 选取滑行道的关键特征点，所述关键特征点的坐标值通过查航行情报中的机场基本信息获得，逐点计算投影坐标，获得关键特征点投影坐标。

[0146] 停机位简化为一个点，该点的坐标值通过查航行情报中的机场基本信息获得，对该点计算投影坐标，获得停机位投影坐标。

[0147] 步骤3.5，计算气象信息的投影范围坐标时，按照HUD投影仪投射的显示屏幕坐标xy_range
固定区域范围，以HUD左下角为屏幕原点坐标（0,0），气象信息按照使用习惯显示在W 。

[0148] Wxy_range= {(Wx1, Wy1), (Wx2, Wy1), (Wx1, Wy2), (Wx2, Wy2)}    （13）。

[0149] 其中，Wx1= 20,Wx2= 150,Wy1=20,Wy2= 150    （14）。

[0150] 步骤3.6，若存在告警信息，分析告警信息的类型，将告警信息与目标相关联，并根据告警信息提供的危险出现位置计算对应告警投影坐标，具体包括：实时接收航空器飞行/
滑行路线的冲突告警信息，获取告警信息提供的危险出现位置坐标，计算危险出现位置的
投影坐标。

[0151] 实时接收车辆行进路线的冲突告警信息，获取告警信息提供的危险出现位置坐标，计算危险出现位置的投影坐标。

[0152] 跑道被入侵时，获取入侵位置坐标，计算危险出现位置的投影坐标。

[0153] 滑行道被入侵时，获取入侵位置坐标，计算危险出现位置的投影坐标。

[0154] 当风速大于13m/s或阵风大于20m/s时显示告警，计算告警位置的投影坐标。

[0155] 当能见度低于800m时显示告警，计算告警位置的投影坐标。

[0156] 当遇风切变、龙卷风、飑线、雷雨、冰雹时显示告警，计算告警位置的投影坐标。

[0157] 当出现4个以上低云且高度小于170m时显示告警，计算告警位置的投影坐标。

[0158] 步骤4，根据机场气象观测系统给出的能见度数据，选择投影模式。

[0159] 能见度数据为10‑20公里，判定能见度好；能见度数据低于10公里，判定能见度差。

[0160] 所述投影模式包括正常模式、EVS增强显示模式和SVS模式。

[0161] 投影模式的选择包括：当能见度好时，选择正常模式；当能见度差时，选择EVS增强显示模式；当航空器在高原地区起降或者飞行过程中存在由于高程态势影响的告警时，选
择SVS模式。

[0162] 步骤5，根据投影模式以及投影坐标向塔台玻璃上投影各项信息。

[0163] 当投影模式为正常模式时，各项信息包括场面目标的标示框、目标相关信息、动态目标的路线和告警信息，以矩形标示框显示目标位置并跟随目标移动，以标牌显示目标相
关信息，航空器的起飞路线、滑行路线、降落路线以动态虚线形式显示；场面上的目标由投
影在塔台玻璃上的矩形框标示出。图8中航空器目标为透过塔台玻璃可见到的实际目标，将
它标示出的矩形框为投影内容；航空器、车辆等目标被标注出来并连接目标相关信息的标
牌，标牌示意图见图8中①；各航空器的起飞路线、滑行路线、降落路线以动态虚线形式投
影，图8中②为降落路线示意，③为起飞路线示意；实时接收航空器飞行/滑行路线的冲突告
警，在冲突处投影显示，如图11。跑道被入侵时显示告警、滑行道被入侵时显示告警，如图11
所示。

[0164] 当投影模式为EVS增强显示模式时，在正常模式基础上，场面上的目标的表示方式为目标图标和矩形框同时投影在塔台玻璃上，跑道、滑行道和停机位根据其形状以轮廓显
示在塔台玻璃上；跑道以图形形式显示于HUD投影仪投射的显示屏幕中，有两种显示方式：
xy_range
一种按照步骤3.4计算获得的R 依次连线四个端点以四边形图形显示，另一种以跑道
xy_center
中心线形式按照R 两个端点连线显示，管制员能够根据实际需求选择切换跑道显示
方式；滑行道以文字和图形形式显示于HUD投影仪投射的显示屏幕中，显示时将步骤3.4计
算获得的关键特征点投影坐标中各点逐次连接以分段线的形式进行显示，滑行道的编号以
文字形式在滑行道每个投影点旁显示；停机位简化为一个点显示，将步骤3.4计算获得的停
机位投影坐标进行显示，停机位编号以文字形式在投影点旁显示。

[0165] 能见度差，比如夜间或遇到恶劣天气时，使用EVS增强显示模式，场面上目标的表示方式为目标图标和矩形框同时投影在塔台玻璃上，如图9所示；跑道、滑行道和停机位等，
根据其形状以轮廓显示，并标注相应的跑道编码、滑行道号和停机位号，跑道标注示意如图
8中④所示，停机位示意图见图12。夜视场景下，跑道上会显示相对应的灯光信息，如图13所
示。

[0166] 当投影模式为SVS模式，在正常模式基础上，场面上同时投影高程态势和告警信息，如图10所示；所述高程态势根据预先存储在投影系统中的高原地区塔台附近的高程态
势图获得；管制员能够根据自己的需要选择主动开启或关闭高程态势显示。

[0167] 所有投影模式下，管制员能够根据自己的需要选择显示或隐藏气象信息和/或飞行计划信息。

[0168] 本发明提供了一种基于HUD增强的空管塔台视景显示方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普
通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和
润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实
现。