复杂条件下飞行器进近可视导航的基础理论研究

项目名称： 复杂条件下飞行器进近可视导航的基础理论研究

首席科学家： 戴琼海 清华大学

起止年限： 2010年1月-2014年8月

依托部门： 国家自然科学基金委员会 教育部

一、研究内容

科学问题之一：多维动态复杂空地环境统一表示

在复杂地形、气象、电磁和多类威胁目标等特殊环境下，针对飞行器所呈现的位置和姿态变化的复杂运动，重点研究各种环境因素的几何、物理和行为模型的数字表达，各因素间空间关系的数字表达，以及它们在数据库中的表达；威胁目标对飞行器周边态势的影响与实时获取、跟踪与识别方法。在高动态、多干扰条件下，探索多谱段窄带环境下的自适应高效传输机理，研究多优先级的空地、空空数据链协同传输方法。主要研究内容如下：

(1) 终端区复杂环境变化因素精确获取方法；

(2) 终端区空地环境的多维动态表示模型；

(3) 空地移动网络的自适应协同传输方法。

科学问题之二：多源多尺度景象鲁棒匹配及合成视觉时空映射关系

终端区能见度的变化以及飞行器位置、姿态变化引起的视点、视角变化是飞行器实现可视自主进近的难题。为此，需要进行多源误差形成机理分析，多源多尺度景象鲁棒匹配与融合方法、多视角多光照条件下图像增强与真实场景的反演算法以及飞行器动态运动下物理空间和合成视觉空间的时空映射关系等研究。主要内容如下：

(1) 导航定位、地理模型等多源数据误差及作用机理；

(2) 进近景象匹配误差补偿理论与鲁棒熵融合方法；

(3) 不同能见度增强的真实场景反演与多视点交互行为导航控制；

(4) 进近可分级导航视场精准重建理论。

科学问题之三：可信导航视场下的自主进近优化

各种异类、异质传感器误差分布及误差传播特性是影响航空导航精度的关键因素，建立综合导航定位完好性风险模型，研究空地协同的完好性监测方法。揭示可视化导航的各种误差（定位误差、飞行误差和显示误差）耦合作用的机理，探索各种误差置信度提高的方法，建立可信的可视化进近导航；揭示飞行器间交通态势的变化规律，提出飞行器与威胁目标的实时预警与冲突解脱方法，研究适

应可视导航模式的空地协同的自主进近队列优化、引导技术与实现方法。研究内容如下：

(1) 空地协同的完好性风险模型；

(2) 复杂进近的可视导航置信理论；

(3) 空地协同实时交通态势感知方法；

(4) 进近队列优化与引导方法。

二、预期目标

总体目标

针对我国中长期科技发展规划对大型飞机、中国卫星导航系统的重大战略需求，研究飞行器在复杂条件下进近可视导航的基础科学问题，建立飞行器进近复杂环境多维动态模型；研究飞行器威胁目标的实时识别、轨迹预测与地空数据传输方法；研究飞行进近景象鲁棒匹配与视景增强，刻画飞行器导航定位信息、环境模型数据、多视角场景的时空映射关系；揭示可视化导航的各种误差互相耦合作用的机理，探索各种误差置信度提高的方法，建立高可信的可视化进近导航；实现低能见度条件下飞行器交通态势实时感知，提出威胁目标的实时预警与冲突解脱方法。

在终端区环境多源异构数据精确获取与可靠传输、进近景象鲁棒匹配与时空合成视觉的时空配准以及飞行器可信导航和自主进近理论与方法等方面取得原创性成果，使我国飞行器导航进近研究达到国际先进水平。为国家培养一批从事飞行器导航研究的青年学术带头人和研究骨干。

五年预期目标

解决复杂环境下飞行器进近的可视导航基础科学问题，包括飞行终端区复杂场景建模的理论与方法，飞行器威胁目标的实时识别与地空传输理论与方法，飞行进近景象鲁棒匹配与合成视觉理论与方法，飞行器可信导航与自主优化进近理论与方法，飞行器进近可视导航仿真与验证等，为可视导航的关键技术创新提供先进理论与方法。

（1） 建立适合进近空域复杂环境三维动态表示的统一信息模型，提出地形、气象、电磁、机场区域尾涡变化等复杂环境变化信息的压缩采样与高精度动态表示、以及多源时空数据多尺度时空信息融合的理论方法。

（2）制定威胁目标信息特征多层次分析和自适应提取方法，揭示空地异构网络协同传输机理，提出基于动态反馈信息的自适应高效传输方法，建立面向服务的传输控制与动态负载分配机制。

（3）研究飞行进近多源数据误差形成机理、飞行进近多源多尺度景象鲁棒匹配与熵融合方法，实现景象鲁棒匹配与视觉增强。研究组合导航信息、高精度

三维地表模型数据与多视角重建场景的时空映射关系和合成视觉的连续时空配准方法。

（4）揭示可视化导航的各种误差互相耦合作用的机理，探索各种误差置信度提高的方法，建立高可信的可视化进近导航；研究飞行态势的实时处理、以及综合交通态势与威胁目标实时告警、危险规避与冲突解脱方法，研究适应可视导航模式的空地协同的自主进近队列优化、引导技术与实现方法。

在国内外重要刊物上发表论文300篇以上，其中SCI和EI收录200篇以上，撰写专著5本以上，申请发明专利50项以上。培养和建立一支具有一定规模的、以中青年科学家为骨干、多学科交叉融合的高水平人才队伍，包括杰出青年基金获得者、教育部“长江学者”特聘教授和“教育部新世纪优秀人才”等。

三、研究方案

学术思路

（1）多学科交叉融合、强强联合的合作思路

图1研究内容与所属学科关系

如图1所示，本课题的三大主要内容涉及地形地貌数据获取与传输、鲁棒景象匹配和合成视觉、可信导航与自主进近等诸多环节，它们分属航空、信息、交通和地学等多个学科。

本课题针对可视导航的基础核心技术，围绕多源异构数据精确获取与可靠传输、多源数据的多尺度鲁棒景象匹配与可分级进近导航视场重建、可信导航视场下的自主进近优化等重要科学问题，采取联合航空、信息科学、交通和地球科学等学科交叉融合的思路，各学科实力雄厚的科研单位强强联合，拟在飞行终端区复杂场景建模的理论与方法、地空传输理论与方法、飞行器威胁目标的实时识别与鲁棒匹配理论与方法、飞行进近景象合成视觉理论与方法与飞行器可信导航与自主进近理论与方法等方面取得原创性成果。

（2）以解决可视导航瓶颈问题为突破口的研究思路

本项目将立足于我国航空导航的现状，针对未来的导航需求，研究可视导航的关键基础问题，突破现阶段制约可视导航技术发展的瓶颈，如复杂四维场景的快速建模、地空数据协同宽带传输、各种气象条件下的鲁棒景象匹配和导航视场重建、可信导航视场下的自主进近优化等。本项目针对各个瓶颈问题将提出新理论、新方法，为自主研制开发我国可视导航系统提供先进理论，以推动我国大型飞机和中国卫星导航系统的快速发展。

技术途径

本项目的技术途径是结合复杂条件下飞行器进近安全可视导航的发展趋势，从增强自主进近安全性中凝练科学问题，采取理论研究与实验验证相结合、技术基础研究与原理性验证相结合的方式，将高校的理论研究能力和研究所的工程技术优势结合，进行优势资源整合，开展可视导航的基础科学理论和核心技术研究，为“复杂条件下飞行器进近可视导航”的研究提供理论基础与技术支撑。

特色与创新

（1）项目特色

1) 多学科综合交叉

本项目研究进近空域复杂环境下安全高效的可视导航的基础科学问题，涉及学科范围广泛，是航空、信息、交通、地学等多学科的典型交叉研究方向，多学科交叉特色鲜明。研究时空复杂环境建模、地空协同传输、实时导航视场重建、完好性监测和联合精密定位等问题，都是从重大工程中凝练的科学问题，显现出多学科交叉的特色。

2) 紧扣国家重大战略需求

本项目瞄准大型飞机、中国卫星导航系统等国家重大专项，开展进近空域复杂环境多维动态建模的理论与方法、飞行器飞行行为与地空动态环境之间的时空一致性、动态环境感知与自主导航的理论与方法这三个科学问题的研究，将有力地支撑重大专项的研究，对于研制机载导航设备，推动中国卫星导航的航空应用具有重要作用。

3) 产、学、研强强联合

本项目从国家战略需求的重大工程中提炼科学问题，通过产、学、研强强联合的方式，组建我国可视导航领域自主创新团队。本项目整合国内在航空、信息科学、控制、交通和地球科学等学科的7个优势单位，开展综合交叉基础科学创新研究，为推动我国可视导航领域的技术进步奠定理论基础。

（2）研究方法创新

1) 采用观测与预测结合、矢量与标量结合、表面与实体结合的多模式描述方法，实现几何、物理与行为模型的统一表示；揭示受限条件下不确定时空现象表示的精度模型。

2) 基于网络跨层信息交互，建立面向服务的传输控制与动态负载分配机制，实现空地自适应协同传输。

3) 采用增强视景实时鲁棒匹配方法，解决飞行进近多源信息图像缺失，目标轮廓形变、地物威胁关键目标混叠问题。

4) 通过对适应飞行器飞行位置和姿态的变化与合成视觉的连续时空配准，构建多视角场景与综合导航显示的进近导航全视场。

5) 分析可视化导航的各种误差耦合作用的机理，建立空地协同的完好性监测和准确的定位误差、飞行误差、显示误差估计与补偿方法，实现进近阶段融合机场特征的可视化可信导航。

6) 根据飞行器性能和飞行安全指标要求，建立四维航迹预测模型，解决进近范围中短期多机联合冲突探测与解脱问题；利用合成视觉的连续时空配准实时优化飞行轨迹，实现空地协同的进近队列优化、引导。

可行性分析

开展飞行器进近可视导航技术的基础研究，符合国家中长期发展战略，将结合我国中长期科技发展规划中大型飞机和中国卫星导航系统两个重大专项的需求，可望提升我国航空导航领域的核心技术水平，具有重要的战略意义。

本项目的各项课题研究内容均是在现有研究基础上的创新与融合。课题牵头单位清华大学长期在微小卫星高精度定姿与控制、景象鲁棒匹配、基于光照与烟雾条件下的可视化和立体场景视频重构等方面开展研究工作，先后承担国家自然

科学基金重点项目、国家杰出青年基金、国家863计划重点项目和导向项目等多项国家级重大重点项目，并取得一系列创新性成果；与北京航空航天大学合作开展新一代空中交通管理系统的研究，与中国航空工业第六一八研究所合作，于2006年建立了导航与控制研究中心，开展了综合导航系统信息融合技术研究，在本领域取得了多项具有国际先进水平的原创性成果，研究成果将为本项目中的合成视觉的研究奠定基础。

北京航空航天大学在航空导航与空管领域承担了国家自然科学基金重点项目、国家杰出青年基金、国家863计划重大项目和国防重大工程等多项国家级项目，为组合导航、空天地通信网络的研究领域奠定了理论和技术基础。

武汉大学、上海交通大学、华南理工大学和中国科学院研究生院等单位分别承担了国家自然科学基金、国家863计划重点项目，其研发的大型三维地理信息系统软件平台、空地数据通信平台、图像信号处理平台为飞行终端区复杂地空环境集成建模，动态目标跟踪与识别，鲁棒景象匹配，合成视觉提供良好的基础。

中国航空工业第六一八研究所是我国航空工业飞行控制和惯性导航两大机载关键系统的研究发展中心，全面承担起国产新型战机飞控、惯导产品的配套研制任务。承担了多项国家级重大重点项目，具有很好的研究基础和试验条件，为本项目中复杂动态场景下可视化导航验证、飞行动态仿真等提供重要的条件，并为研究多源可视近进引导的工作机理和校验方法，以及建立可视导航系统提供评价体系奠定基础。

参与项目的七个申请单位在高精度动态场景建模、合成视觉、空天地通信、导航监测与定位技术、现代空管、电磁场与微波技术等相关学科具备雄厚的科研实力和交叉学科优势。项目参与单位包括“信息科学与技术国家实验室（筹）”、“航空科学与技术国家实验室（筹）”、“飞行器控制一体化国防科技重点实验室”、“测绘遥感信息工程国家重点实验室”、“航空工业飞行控制和惯性导航研究发展中心”等国家级研究基地，为本项目研究提供了良好的支撑平台。研究队伍由5名国家杰出青年基金获得者和2名教育部长江学者等优秀中青年学术骨干组成，为项目的开展提供了很好的人力保障。