专利名称：一种机载gps航摄导航控制系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及导航领域，尤其涉及一种机载GPS航摄导航控制系统。
背景技术：
机载GPS (Global Positioning System,全球定位系统)飞行控制技术是通过GPS
的高精度定位技术实现飞行特殊导航，特别是针对各种机载航空摄影、机载雷达、加载 激光等飞机平台的导航。由于飞机不仅需要按照特定的航线飞行，而且还需要任务载荷 在飞行过程中实现规定的操作。因此，需要对飞机的飞行和任务载荷进行统一管理和控 制，协调各个部分共同完成任务。在航空摄影领域，为了保证前后影像、左右影像的重叠度，同时精密测量每幅 航空影像的中心点坐标，一般都采用机载GPS导航和定点曝光控制系统。国际上普遍采 用的机载GPS导航与定点曝光系统是德国的IGI公司的CCNS系统和Leica公司的Ascot 系统，CCNS系统目前已发展到了 CCNS4。

实用新型内容本实用新型要解决的技术问题是提供一种机载GPS航摄导航控制系统，可以通 过一台计算机两个显示屏的方式实现飞行员和摄影员的双人作业，保证飞行员和摄影员 获得相同的导航信息，以便各自完成相应的动作。为了解决上述问题，本实用新型提供了一种机载GPS航摄导航控制系统，包 括用于捕获GPS信号，产生并输出用于指示本系统位置的GPS数据的航空GPS接 收机、航空数码相机；还包括用于根据航线和目标点的位置数据以及所述GPS数据，计算用于指示本系统与 所述航线和目标点之间位置关系的导航信息、并根据所述导航信息进行导航的机载计算 机，与所述GPS接收机相连；用于向飞行员显示所述导航信息的第一显示屏，以及用于向摄影员显示所述导 航信息的第二显示屏；所述第一、第二显示屏分别与所述机载计算机相连。进一步地，所述机载计算机与所述航空数码相机相连，发送相机控制命令给所 述航空数码相机。进一步地，所述机载计算机包括用于保存目标点的第一存储器；用于保存角度阈值κ的第二存储器；用于计算至少包括Dtogrt和θ target的导航信息的第一计算单元；所述Dtogrt是本系 统与目标点在水平面上投影的距离，所述θ 是本系统与目标点连线与航线在水平面上 投影的夹角；[0015]用于比较所述θ 和角度阈值K，当κ时输出表示航线进入失败的 信号，当时输出表示航线进入成功的信号的比较单元，与所述第一计算单元、 第二存储器相连；[0016]用于当进入航线时根据所选择的航线设置第一存储器中的目标点、当进入航线 成功后将所选择的航线上的第一个曝光点设置存为目标点、每次当所述航空数码相机曝 光后，记录当前位置并将所选择航线上的下一个曝光点存为目标点、以及当进行机场引 导时将机场存为目标点的处理器，与所述第一存储器、比较单元相连。[0017]进一步地，所述机载计算机还包括[0018]用于保存引导参数的第三存储器；所述引导参数分为粗引导和精密引导；[0019]用于保存第一距离阈值R的第四存储器；[0020]用于保存第二距离阈值r的第五存储器；[0021]用于当Dtog6t大于R或etog6t大于K时，发送指示禁止手动曝光的相机控制命 令的第一控制单元，与所述航空数码相机、第一计算单元、第二存储器、第四存储器相 连；[0022]用于当Dtog6t小于R，且Qtog6t小于K时，如果Dtog6t变小发送指示允许手动曝 光的相机控制命令，如果Dtogrt变大，所述引导参数为粗引导时发送指示自动曝光的相机 控制命令，所述引导参数为精密引导时发送指示允许手动曝光的相机控制命令的第二控 制单元，与所述航空数码相机、第一计算单元、第二、第三、第四存储器相连；[0023]当Dtoget小于第二距离阈值!·且Qtoget小于K时，如果Dtoget变小发送指示允许手 动曝光的相机控制命令，如果Dtogrt变大发送指示自动曝光的相机控制命令的第三控制单 元，与所述航空数码相机、第一计算单元、第二存储器、第五存储器相连。[0024]进一步地，所述航空数码相机包括[0025]用于保存手动曝光的使能状态的寄存器；[0026]用于自动曝光的自动快门；[0027]用于当收到指示允许手动曝光的相机控制命令时将所述寄存器的值置为“使 能”、当收到指示禁止手动曝光的相机控制命令时将所述寄存器的值置为“不使能”、 以及当收到指示自动曝光的相机控制命令时控制所述自动快门曝光，并将所述寄存器的 值置为“不使能”的处理器。[0028]进一步地，所述机载计算机包括[0029]用于根据所述导航信息和所述飞行员导航屏的分辨率确定所述飞行员导航屏的 第一显示比例尺的第二计算单元；[0030]用于将本系统显示在所述第一显示屏的中心，根据所述第一显示比例尺和所述 导航信息确定所述航线和目标点在所述飞行员导航屏中的显示位置并进行显示的第一显 示控制器，与所述第一显示屏、第二计算单元相连。[0031]进一步地，所述机载计算机包括[0032]用于保存所述摄影员显示屏上显示的地面区域大小的第六存储器；[0033]用于根据所述摄影员显示屏的大小，确定所述摄影员显示屏的第二显示比例尺 的第三计算单元；[0034]用于以所述摄影员显示屏的一个点作为参考点，根据所述第二显示比例尺，确定本系统、航线及目标点在所述摄影员显示屏上的显示位置并进行显示的第二显示控制器，与所述第二显示屏、第三计算单元相连。进一步地，所述第一显示屏为9寸液晶电视。本实用新型的技术方案采用一机双屏技术，进一步还可以采用小液晶电视代替 大显示屏，既可以完成导航信息的显示，又能够充分节省飞机的驾驶舱的空间。采用AV 电缆的链接，简洁方便。同时，液晶电视又可以作为工作闲暇的娱乐。本实用新型的一个优化方案可以采用一个计算机利用导航数据完成对导航和航 摄的控制，这种设计可以充分利用航线的信息，最大限度地节省飞行过程的操控环节， 以最小的代价实现单次飞行的最大输出。将导航和摄影的控制融为一体，减少了运算 量，降低了成本。本实用新型的又一优化方案根据不同的作业习惯分别为飞行员和摄影师提供不 同的显示视角。

图1是实施例一的机载GPS航摄导航控制系统的示意框图；图2是实施例一中GPS导航参数计算示意图。
具体实施方式
下面将结合附图及实施例对本实用新型的技术方案进行更详细的说明。需要说明的是，如果不冲突，本实用新型实施例以及实施例中的各个特征可以 相互结合，均在本实用新型的保护范围之内。实施例一，一种机载GPS航摄导航控制系统，如图1所示，包括用于捕获GPS信号，产生并输出用于指示本系统位置的GPS数据的航空GPS接 收机、航空数码相机；其特征在于，还包括用于根据航线和目标点的位置数据以及所述GPS数据，计算用于指示本系统与 所述航线和目标点之间位置关系的导航信息、并根据所述导航信息进行导航的机载计算 机，与所述GPS接收机相连；用于向飞行员显示所述导航信息的第一显示屏，以及用于向摄影员显示所述导 航信息的第二显示屏；所述第一、第二显示屏分别与所述机载计算机相连。本实施例中，所述机载计算机还可以与所述航空数码相机相连，发送相机控制 命令给所述航空数码相机。本实施例中，所述航线的位置数据可以预存多组在所述机载计算机中，在飞行 时选择其中一条航线作为当前航线，或是在飞行前保存进所述机载计算机；所述目标点 可以实时设置其位置，也可以预存多个，然后从中选择，比如可以将需要进行拍照的曝 光点依次设置为当前的目标点。本实施例中，所述飞机的GPS数据可以但不限于包括以下之一或其任意组合 本系统的三维空间坐标、时间、本系统的航向角、本系统的飞行速度和高度。为了满足机载GPS导航的要求，系统最好选择航空型GPS接收机。航空型GPS接收机的最大特点就是能够适应高速运动条件下的GPS信号的稳定捕获，同时提供高速 的数据输出速率。目前商用的航空GPS接收机最大的数据输出速率可以达到20Hz。航 空GPS接收机需要能够提供实时的三维空间坐标、精密的时间、航向角、飞行速度和航 高，定位精度优于5米，且天线的安装对飞机的创伤需要尽量小。[0052]本实施例中，所述航空数码相机是航空摄影的核心部件；所述航空数码相机的 各种控制参数和运行状态可以由所述机载计算机实时设置，同时，所述航空数码相机所 拍摄的相片的传输和存储也都是由所述机载计算机自动完成，相片可以保存在所述机载 计算机中，或由所述机载计算机保存至独立的存储设备中。[0053]本实施例中，由于整个机载GPS航摄导航控制系统是一个有一定时间要求的实 时控制系统，同时航空摄影飞行需要高安全性保障，因此，机载计算机的稳定性和运算 速度都需要特殊要求。在该系统中，机载计算机主要作用是控制各种设备协同工作，显 示各种导航信息，具有一定运算量。因此，机载计算机需要选择稳定性较好的工业控制 类计算机。由于协同工作的设备较多，需要对机载计算机的接口进行扩展。为了实现一 机双屏的导航显示，机载计算机的显示卡需要能够支持扩展屏幕。另外机载计算机需要 连接GPS接收机和航空数码相机，通过集成相关的相机控制接口就可以实现对相机的实 时控制，还需要两个串行控制埠和一个高速的数据传输1394端口。[0054]本实施例中，所述导航信息可以包括以下之一或其任意组合目标航线、目标 曝光点、目标航向角、目标距离、航线的垂距和方向、容限范围和曝光状况等。[0055]本实施例中，所述机载计算机所进行的数据通讯包括GPS数据的输入和相机控 制命令的输出。一般的航空GPS接收机都提供标准的RS232串行端口，并且输出速率都 在9600bps以上。所述航空数码相机的命令端口也采用了标准的1^232串行端口。数据 通讯速率为9600bps。[0056]在Win32下，可以使用两种编程方式实现串口通讯，其一是调用的Windows的 API函数，其二是使用ActiveX控件。由于ActiveX控件对内部细节进行了封装，缺乏灵 活性，不适合该系统的开发。使用API调用，可以清楚地掌握串口通信的机制，自由灵 活地控制串口数据传输。根据GPS数据和相机控制命令的传输方式的不同，GPS端口采 用了异步方式打开，可以提高系统的工作效率。而航空数码相机的命令端口采用了同步 方式打开，提高系统的实时性。为了提高系统的工作效率，所述机载计算机对通讯端口 的操作全部采用了多线程方式，这样可以与航线的管理实现很好的互操作，保证摄影员 对航线管理的实时性。[0057]随着计算机技术的发展，现在流行的计算机显示卡都支持计算机屏幕的扩展， 即将逻辑相连的显示界面扩展到两个物理分离的显示终端上，用来实现多种信息的显 示。该技术应用于航空摄影测量就可以解决飞行员和摄影员导航的一致性问题。[0058]本实施例中，所述机载计算机保存了机场位置数据、航线数据、目标点数据。 航线数据可以是预存的，也可以是根据所进行的任务的要求计算出来的。航线数据包括 航线的正向进入的方位角、航线正向起始点坐标和航线正向结束点坐标。[0059]本实施例中，根据航摄相片的重叠度要求，所述曝光条件可以但不限于为以下 条件中的任一个或其任意组合[0060]a、本系统(即载有本系统的飞行器)位置与目标点之间的水平距离小于给定的距离阈值；b、本系统(即载有本系统的飞行器)航向角与航线方向的夹角小于给定的角度 阈值；C、当航线未完成时偏离航线，该航线作废，航线重飞。本实施例中，设定两个曝光允许距离阈值，分别为第一距离阈值R和第二距离 阈值r;以目标点为圆心，第一距离阈值为半径所构成的外围圆形为允许曝光缓冲范围； 以目标点为圆心，第二距离阈值为半径所构成的内部圆形为最佳曝光范围；设定与航线 方向的夹角允许曝光的角度阈值κ (图2)。航线正向起点A和航线正向终点B的坐标分 别为(XA，YA，ZA)、(XB，YB, Zb)。所述导航信息至少包括本系统与目标点在水平 面上投影的距离Dta_，本系统与目标点连线与航线在水平面上投影的夹角；还可以 包括本系统当前的偏航线距离Dline为，该距离为本系统到当前航线在水平面上投影的垂 直距离，本系统与目标点连线的坐标方位角ata_。第一、第二距离阈值及角度阈值根据实际的拍摄要求设置，还可以综合数码相 机的性能进行设置。假设飞机当前时刻的坐标为(XP，Yp, Zp)，将所有坐标通过高斯投影变换到同 一带的高斯平面上，得到飞机当前高斯坐标(xP，yP，hP)、航线起点A的坐标(xA，yA， hA)、终点B的高斯坐标(xB，yB，hB)，当前的目标点T的高斯坐标(xT，yx, hT)。则
权利要求1.一种机载GPS航摄导航控制系统，包括用于捕获GPS信号，产生并输出用于指示本系统位置的GPS数据的航空GPS接收 机、航空数码相机；其特征在于，还包括用于根据航线和目标点的位置数据以及所述GPS数据，计算用于指示本系统与所述 航线和目标点之间位置关系的导航信息、并根据所述导航信息进行导航的机载计算机， 与所述GPS接收机相连；用于向飞行员显示所述导航信息的第一显示屏，以及用于向摄影员显示所述导航信 息的第二显示屏；所述第一、第二显示屏分别与所述机载计算机相连。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述机载计算机与所述航空数码相机相连，发送相机控制命令给所述航空数码相机。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述机载计算机包括 用于保存目标点的第一存储器；用于保存角度阈值κ的第二存储器；用于计算至少包括Dta_和θ 的导航信息的第一计算单元；所述Dtogrt是本系统与 目标点在水平面上投影的距离，所述θ 是本系统与目标点连线与航线在水平面上投影 的夹角；用于比较所述和角度阈值κ，当κ时输出表示航线进入失败的信号， 当θ_》κ时输出表示航线进入成功的信号的比较单元，与所述第一计算单元、第二存 储器相连；用于当进入航线时根据所选择的航线设置第一存储器中的目标点、当进入航线成 功后将所选择的航线上的第一个曝光点设置存为目标点、每次当所述航空数码相机曝光 后，记录当前位置并将所选择航线上的下一个曝光点存为目标点、以及当进行机场引导 时将机场存为目标点的处理器，与所述第一存储器、比较单元相连。
4.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述机载计算机还包括 用于保存引导参数的第三存储器；所述引导参数分为粗引导和精密引导； 用于保存第一距离阈值R的第四存储器；用于保存第二距离阈值r的第五存储器；用于当Dtogrt大于R或大于K时，发送指示禁止手动曝光的相机控制命令的第 一控制单元，与所述航空数码相机、第一计算单元、第二存储器、第四存储器相连；用于当Dtog6t小于R，且etog6t小于κ时，如果Dtog6t变小发送指示允许手动曝光的 相机控制命令，如果Dtogrt变大，所述引导参数为粗引导时发送指示自动曝光的相机控制 命令，所述引导参数为精密引导时发送指示允许手动曝光的相机控制命令的第二控制单 元，与所述航空数码相机、第一计算单元、第二、第三、第四存储器相连；当Dtoget小于第二距离阈值!·且小于κ时，如果Dtoge/变小发送指示允许手动曝 光的相机控制命令，如果Dtogrt变大发送指示自动曝光的相机控制命令的第三控制单元， 与所述航空数码相机、第一计算单元、第二存储器、第五存储器相连。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述航空数码相机包括用于保存手动曝光的使能状态的寄存器；用于自动曝光的自动快门；用于当收到指示允许手动曝光的相机控制命令时将所述寄存器的值置为“使能”、 当收到指示禁止手动曝光的相机控制命令时将所述寄存器的值置为“不使能”、以及当 收到指示自动曝光的相机控制命令时控制所述自动快门曝光，并将所述寄存器的值置为 “不使能”的处理器。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述机载计算机包括用于根据所述导航信息和所述飞行员导航屏的分辨率确定所述飞行员导航屏的第一 显示比例尺的第二计算单元；用于将本系统显示在所述第一显示屏的中心，根据所述第一显示比例尺和所述导航 信息确定所述航线和目标点在所述飞行员导航屏中的显示位置并进行显示的第一显示控 制器，与所述第一显示屏、第二计算单元相连。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述机载计算机包括用于保存所述摄影员显示屏上显示的地面区域大小的第六存储器；用于根据所述摄影员显示屏的大小，确定所述摄影员显示屏的第二显示比例尺的第 三计算单元；用于以所述摄影员显示屏的一个点作为参考点，根据所述第二显示比例尺，确定本 系统、航线及目标点在所述摄影员显示屏上的显示位置并进行显示的第二显示控制器， 与所述第二显示屏、第三计算单元相连。
8.如权利要求1到7中任一项所述的系统，其特征在于所述第一显示屏为9寸液晶电视。
专利摘要本实用新型公开了一种机载GPS航摄导航控制系统，包括用于捕获GPS信号，产生并输出用于指示本系统位置的GPS数据的航空GPS接收机、航空数码相机；用于根据航线和目标点的位置数据以及所述GPS数据，计算用于指示本系统与所述航线和目标点之间位置关系的导航信息、并根据所述导航信息进行导航的机载计算机，与所述GPS接收机相连；用于向飞行员显示所述导航信息的第一显示屏，以及用于向摄影员显示所述导航信息的第二显示屏；所述第一、第二显示屏分别与所述机载计算机相连。本实用新型可以通过一台计算机两个显示屏的方式实现飞行员和摄影员的双人作业，保证飞行员和摄影员获得相同的导航信息，以便各自完成相应的动作。
文档编号G01C11/02GK201804119SQ20102029847
公开日2011年4月20日 申请日期2010年8月19日 优先权日2010年8月19日
发明者丁晓波, 李英成, 程鹏飞, 蔡艳辉 申请人:中国测绘科学研究院