某機(jī)場(chǎng)目視助航設(shè)施的設(shè)計(jì)報(bào)告（論文）

某機(jī)場(chǎng)目視助航設(shè)施的設(shè)計(jì)報(bào)告目錄TOC\o"1-3"\h\u28461第1章緒論 第1章緒論1.1論文研究背景和意義飛行員在控制飛機(jī)飛行時(shí)，按領(lǐng)航和駕駛條件有儀表飛行和目視飛行兩種控制方式。在目視飛行中，飛行員主要通過(guò)目視參考物來(lái)判斷飛機(jī)的飛行狀態(tài)，確定飛機(jī)姿態(tài)、方向以及位置。但在夜間、低能見(jiàn)度或其他復(fù)雜天氣條件下，飛行員只能通過(guò)助航燈光完成目視飛行。在目視飛行中駕駛飛機(jī)最困難、最危險(xiǎn)的階段是向跑道進(jìn)近時(shí)的判斷和隨后的著陸機(jī)動(dòng)。這時(shí)，飛行員不僅要仔細(xì)地控制飛機(jī)速度，同時(shí)還要不斷地進(jìn)行三維的調(diào)整以跟蹤正確的航道。假若沒(méi)有目視設(shè)施的幫助而要保持準(zhǔn)確的進(jìn)近航道將是一項(xiàng)困難的工作。據(jù)統(tǒng)計(jì)飛行器事故有41%是發(fā)生在進(jìn)近和著陸階段，而且在進(jìn)近和著陸過(guò)程中近70%的事故是在夜晚或低能見(jiàn)度條件下發(fā)生的，所以設(shè)計(jì)出不受惡劣天氣和夜晚能見(jiàn)度影響的目視助航設(shè)施就尤為重要。機(jī)場(chǎng)助航燈光的作用是在低能見(jiàn)度條件下確保飛機(jī)安全著陸所需的正確跑道標(biāo)識(shí)、進(jìn)近方向、隊(duì)列和姿態(tài)信息，例如精密進(jìn)近坡度指示器用來(lái)幫助飛行員判斷進(jìn)近下滑角度，跑道中線燈和邊燈用來(lái)提供側(cè)面和豎向定線指引。為了滿足這些要求，助航燈光分為多種類型，每種類型的助航燈光都有各自要求如構(gòu)型、顏色、坎德拉、有效范圍等。1.2本文的主要研究工作論文主要針對(duì)飛行員虛擬飛行時(shí)的機(jī)場(chǎng)助航燈光形態(tài)進(jìn)行模擬，以VC++6.0為開(kāi)發(fā)環(huán)境，以O(shè)penGL作為可視化支撐軟件，建立助航燈光視景仿真系統(tǒng)。本文主要研究?jī)?nèi)容如下：（1）詳細(xì)分析了Ⅱ類精密進(jìn)近跑道燈光系統(tǒng)，并確定了系統(tǒng)仿真環(huán)境機(jī)場(chǎng)目視助航燈光是機(jī)場(chǎng)助航設(shè)施之一，本文詳細(xì)分析了Ⅱ類精密進(jìn)近跑道燈光系統(tǒng)的構(gòu)型、顏色、坎德拉、有效范圍等四個(gè)方面。本文要研究的是飛行模擬器的機(jī)場(chǎng)助航燈光實(shí)時(shí)視景仿真，都是大規(guī)模的場(chǎng)景模型，加上飛機(jī)速度快，因此，要求圖像的生成和調(diào)用實(shí)時(shí)性非常高。因此，經(jīng)過(guò)綜合考慮，本文選擇OpenGL技術(shù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)處理。（2）進(jìn)行了助航燈光仿真系統(tǒng)建模助航燈光仿真系統(tǒng)模型分為基于飛行員視覺(jué)的、晴朗氣象條件下光照模型。其中，基于飛行員視覺(jué)的光照模型又分為單燈空間照度模型、排燈空間照度模型；為下一步模擬仿真機(jī)場(chǎng)助航燈光奠定理論基礎(chǔ)。（3）完成了機(jī)場(chǎng)助航燈光系統(tǒng)的視景仿真在VC++環(huán)境下借助OpenGL圖形庫(kù)分別對(duì)晴朗氣象條件下的助航燈光系統(tǒng)進(jìn)行了視景仿真，并實(shí)現(xiàn)了光點(diǎn)亮度的自動(dòng)調(diào)節(jié)。1.3主要工具介紹本文要研究的是模擬器的機(jī)場(chǎng)助航燈光實(shí)時(shí)視景仿真，都是大規(guī)模的場(chǎng)景模型，加上飛機(jī)速度快，因此，要求圖像的生成和調(diào)用實(shí)時(shí)性非常高。因此，經(jīng)過(guò)綜合考慮，本文選擇OpenGL技術(shù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)處理。1.3.1OpenGL功能特點(diǎn)OpenGL是一個(gè)開(kāi)放的三維圖形軟件包，可與各種主流操作系統(tǒng)兼容，已經(jīng)開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序可以十分方便地在各種平臺(tái)間移植，具有極強(qiáng)的穩(wěn)定性；OpenGL使用效率高，開(kāi)發(fā)出的圖形性能好、質(zhì)量高；能夠緊跟最新硬件發(fā)展和計(jì)算機(jī)圖形繪制算法的發(fā)展。目前OpenGL具有七大功能：（1）建模：OpenGL能夠繪制點(diǎn)、線和多邊形。應(yīng)用這些基本的形體，我們可以構(gòu)造出幾乎所有的三維模型。OpenGL通常用模型的多邊形的頂點(diǎn)來(lái)描述三維模型。（2）變換：在OpenGL中，觀察可以通過(guò)不同的幾何變換來(lái)完成，而幾何變換利用矩陣變換實(shí)現(xiàn)的。OpenGL提供了平移、旋轉(zhuǎn)、變比、鏡像等變換矩陣，同時(shí)也為用戶自定義幾何變換提供了手段。（3）顏色模式設(shè)置：在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中，顏色是通過(guò)計(jì)算機(jī)的顯示器表現(xiàn)出來(lái)的。顯示器采用的時(shí)RGB顏色系統(tǒng)，一種顏色的呈色效果取決于其3個(gè)分量的強(qiáng)度。（4）光照和材質(zhì)設(shè)置：在OpenGL簡(jiǎn)單光照模型中的幾種光分為：輻射光（EmittedLight）、環(huán)境光（AmbientLight）、漫反射光（DiffuseLight）和鏡面光（SpecularLight）。材質(zhì)是用光反射率來(lái)表示，對(duì)環(huán)境光與漫反射光的反射程度決定了材質(zhì)的顏色，（5）紋理映射（TextureMapping）。利用OpenGL紋理映射功能可以使得對(duì)象不再有簡(jiǎn)單的純色，而是表達(dá)出具有一定材質(zhì)的復(fù)雜對(duì)象。（6）效果處理。OpenGL提供融合（Blending）、反走樣（Antialiasing）和霧（fog）的特殊圖象效果處理。以上三條可使被仿真物更具真實(shí)感，增強(qiáng)圖形顯示的效果。（7）雙緩存動(dòng)畫(huà)（DoubleBuffering）。即先在內(nèi)存中生成下一幅圖象，然后把已經(jīng)生成的圖象從內(nèi)存拷貝到屏幕上。此外，利用OpenGL還能實(shí)現(xiàn)深度暗示（DepthCue）、運(yùn)動(dòng)模糊（MotionBlur）等特殊效果。從而實(shí)現(xiàn)了消隱算法。1.3.2OpenGL繪圖流程絕大多數(shù)OpenGL實(shí)現(xiàn)都有相似的操作順序，OpenGL的基礎(chǔ)是一個(gè)流水線模型。如圖2-5所示。圖1.1OpenGL繪圖流程幾何圖元在程序中通過(guò)描述空間位置、頂點(diǎn)、像素來(lái)指定其形狀由應(yīng)用程序生成。OpenGL有兩種繪制模式：立即模式和保留模式。立即模式是只要各圖元在程序中被定義就立即傳入OpenGL流水線。保留模式即通過(guò)顯示列表將一些命令組織在一起然后執(zhí)行。以上說(shuō)明了OpenGL的基本工作流程，按照這個(gè)流程可以總結(jié)出如何創(chuàng)建一個(gè)三維景物的基本方法，大致可以包括以下幾個(gè)主要環(huán)節(jié)：首先，建模。包括幾何建模和行為建模，幾何建模處理物體的幾何和形狀的表示，研究圖形圖像數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等基本問(wèn)題；行為建模處理物體運(yùn)動(dòng)和行為的描述。其次，設(shè)置視點(diǎn)。體現(xiàn)物體與視點(diǎn)的空間位置關(guān)系。最后，設(shè)置環(huán)境。表現(xiàn)場(chǎng)景的特征，進(jìn)行環(huán)境效果處理。

第2章助航燈光系統(tǒng)機(jī)場(chǎng)目視助航燈光是機(jī)場(chǎng)目視助航設(shè)施的重要組成部分，主要包括進(jìn)近燈、精密進(jìn)近坡度指示器、跑道入口燈和翼排燈、跑道接地帶燈、跑道中線燈、跑道邊燈、跑道末端燈、停止排燈、滑行道中線燈、滑行道邊燈、機(jī)坪泛光照明系統(tǒng)等，每種類型的助航燈光都有各自的顏色、光強(qiáng)等級(jí)、照射角度、最小光源有效范圍等要求。燈光的光強(qiáng)是根據(jù)不同的氣候條件、能見(jiàn)度而相應(yīng)變化的。各類燈光通過(guò)其構(gòu)型、顏色、光強(qiáng)等相互協(xié)調(diào)，引導(dǎo)飛行員完成飛行任務(wù)，保障飛行安全。2.1燈具典型參數(shù)2.1.1跑道燈光系統(tǒng)跑道燈光包括跑道入口燈和翼排燈、跑道中線燈、跑道邊燈、跑道接地帶燈、跑道末端燈。圖2.1顯示了Ⅱ類精密進(jìn)近跑道燈光。圖2.1Ⅱ類精密進(jìn)近跑道燈光跑道入口燈和翼排燈用于為飛機(jī)提供跑道入口位置信息，跑道中線燈用于向正在起飛、著陸或在跑道上滑跑的飛機(jī)提供跑道中線位置信息，跑道接地帶燈是著陸飛機(jī)最早接觸跑道的那部分跑道燈光。Ⅱ類精密進(jìn)近跑道必須設(shè)置跑道中線燈和跑道接地帶燈，夜間使用的精密進(jìn)近跑道必須設(shè)置跑道邊燈，設(shè)有跑道邊燈的跑道必須設(shè)置跑道末端燈。表2.1顯示了跑道燈光系統(tǒng)中各類燈的特性。表2.1跑道燈光系統(tǒng)特性特性類型位置顏色(向跑道進(jìn)近方向)橫向問(wèn)距縱向間距必要性跑道入口燈垂直于跑道軸線，距跑道端不大于3m綠色3m必須翼排燈從跑道邊燈線向外側(cè)仲出至少10m綠色3m非跑道中線燈沿跑道中線設(shè)置，偏差不大于60cm距跑道入口0-2300m間發(fā)白光；2300m-2900m間紅白交替；2900m-3200m間發(fā)紅光15m必須跑道邊燈沿跑道邊緣不大于3m處距跑道入口0-2600m間發(fā)白光；2600m-3200m間發(fā)黃光30m必須跑道末端燈設(shè)在跑道端以外不大于3m處紅色3m必須跑道接地帶燈對(duì)稱于跑道中線，從跑道入口開(kāi)始縱向延不中900m白色18m必須2.1.2進(jìn)近燈光系統(tǒng)Ⅱ類精密進(jìn)近燈光系統(tǒng)由中線燈、側(cè)邊燈和橫排燈組成。中線燈：位于跑道中線延長(zhǎng)線上，長(zhǎng)900m，縱向間距30m，單向發(fā)白光。側(cè)邊燈：從入口延伸到270m，長(zhǎng)270m，縱向間距30m，單向發(fā)紅光。大橫排：距跑道入口300m，長(zhǎng)30m，單向發(fā)白光。小橫排：距跑道入口150m，長(zhǎng)18m，單向發(fā)白光。圖2.2顯示了Ⅱ類精密進(jìn)近跑道內(nèi)端300m的進(jìn)近燈光。圖2.2Ⅱ類精密進(jìn)近跑道內(nèi)端300m進(jìn)近燈光進(jìn)近燈光系統(tǒng)分為簡(jiǎn)易、Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ類精密進(jìn)近燈光系統(tǒng)。論文仿真的是Ⅱ類精密進(jìn)近跑道，因此進(jìn)近燈光系統(tǒng)按Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)仿真，Ⅱ類精密進(jìn)近燈特性如表2-2所示。表2.2Ⅱ類精密進(jìn)近燈光系統(tǒng)特性特性類型位置特性顏色縱向問(wèn)距橫向問(wèn)距長(zhǎng)度中線短排燈位于距跑道入口30m至900m的跑道中線延長(zhǎng)線上白色30m1m4m側(cè)邊燈位于中線兩側(cè)，距跑道入口30m至270m處紅色30m18m4m橫排燈小橫排小橫排設(shè)在距入口150m處白色1m18m大橫排大橫排設(shè)在距入口300m處30m2.1.3精密進(jìn)近坡度指示器精密進(jìn)近坡度指示器（PrecisionApproachPathIndicator，簡(jiǎn)稱PAPI）的作用是為完成飛機(jī)著陸任務(wù)的飛行員提供正確的進(jìn)近航道指示，PAPI系統(tǒng)由涵蓋四個(gè)等距設(shè)置的急劇變色燈具的翼排組成，一般設(shè)在跑道左側(cè)。PAPI翼排燈的顏色特性如下：（1）當(dāng)?shù)陀谶M(jìn)近坡很多時(shí)，看到的四個(gè)燈具均顯示紅色。（2）當(dāng)略低于進(jìn)近坡度時(shí)，從跑道道邊由近及遠(yuǎn)依次顯示三紅一白；（3）當(dāng)正在或接近進(jìn)近坡度時(shí)，從跑道道邊由近及遠(yuǎn)依次顯示兩紅兩白；（4）當(dāng)略高于進(jìn)近坡度時(shí)，從跑道道邊由近及遠(yuǎn)依次顯示一紅三白；（5）當(dāng)高于進(jìn)近坡度很多時(shí)，看到的四個(gè)燈具均顯示白色；PAPI燈必須位于如圖2.3所示的基本構(gòu)形的位置，允許存在圖中所給出的安裝容差，最靠近跑道的燈具距跑道道邊15m(±1m)，燈具間隔一般情況下為9m(±1m)，最低不小于6m。構(gòu)成翼排燈的燈具必須安裝得使在進(jìn)近中的飛機(jī)飛行員看來(lái)基本上是在一條水平線上。圖2.3PAPI燈的定位2.1.4順序閃光燈（1）安裝位置：順序閃光燈與進(jìn)近燈光系統(tǒng)中的中線短排燈基本重疊，安裝在距跑道入口300m到距跑道入口900m之間。（2）閃光頻率：2次/秒。（3）閃光順序：從最外端的燈向著跑道入口逐個(gè)順序閃光直到系統(tǒng)中最里面的燈。順序閃光燈可獨(dú)立于其他進(jìn)近燈單獨(dú)控制運(yùn)行。2.2光強(qiáng)分布照明器一般是由光源、照明燈具及其附件共同組成的。助航燈是用于機(jī)場(chǎng)的照明器。機(jī)場(chǎng)中對(duì)助航燈有許多要求，如發(fā)光強(qiáng)度，光束角和顏色等。不同種類的助航燈的發(fā)光強(qiáng)度是不同的；助航燈的發(fā)光顏色有白色、綠色、紅色、黃色等；助航燈有單向發(fā)光的，有雙向發(fā)光的，還有全向發(fā)光的。如果僅由光源構(gòu)成，助航燈是不可能滿足這些要求的，而照明燈具及其附件則使助航燈具備了這些性質(zhì)。2.2.1極坐標(biāo)配光曲線助航燈具的光強(qiáng)測(cè)量值，是在通過(guò)光源中心面以不同的角度檢測(cè)得到的。因此，可以得到燈具配光的極坐標(biāo)曲線是以角度為函數(shù)，從一個(gè)給定的方向，將各個(gè)角度的光強(qiáng)用矢量標(biāo)注出來(lái)，連接矢量頂端的連線。機(jī)場(chǎng)中有許多助航燈的光強(qiáng)僅集中分布在一個(gè)很小的立體空間角內(nèi)且其光強(qiáng)分布不對(duì)稱，因此若采用極坐標(biāo)配光曲線，則配光曲線僅集中分布在極坐標(biāo)中的一個(gè)很小的角度范圍內(nèi)，不能清晰地表示出助航燈的光強(qiáng)分布。2.2.2直角坐標(biāo)配光曲線對(duì)于聚光很強(qiáng)的投光燈，其光強(qiáng)集中分布在一個(gè)很小的立體空間角內(nèi)，極坐標(biāo)配光曲線難以表達(dá)其光強(qiáng)的分布特性，因而配光曲線一般繪制在直角坐標(biāo)系上。機(jī)場(chǎng)助航燈的光強(qiáng)分布是不對(duì)稱的，即使在同一角度的面上，其各點(diǎn)的光強(qiáng)值也是有很大差別的，因此若用直角坐標(biāo)配光曲線，也不能完整地表示出助航燈的光強(qiáng)分布信息。2.2.3等光強(qiáng)配光曲線對(duì)一般照明燈具來(lái)說(shuō)，極坐標(biāo)配光曲線是表示光強(qiáng)分布最常用的方法。而對(duì)于光強(qiáng)分布不對(duì)稱的燈具，常采用等光強(qiáng)配光曲線表示光強(qiáng)，簡(jiǎn)稱等光強(qiáng)曲線。即橫坐標(biāo)表示光束軸線與水平方向形成的夾角，縱坐標(biāo)表示光束軸線與垂直方向形成的夾角，坐標(biāo)系中每一點(diǎn)表示該點(diǎn)的光強(qiáng)。等光強(qiáng)配光曲線包括圓形等光強(qiáng)圖和矩形等光強(qiáng)圖。助航燈屬于光強(qiáng)分布不對(duì)稱的燈具，采用等光強(qiáng)曲線描述其光強(qiáng)分布特性。依據(jù)國(guó)際民航公約附件14，飛機(jī)著陸過(guò)程關(guān)鍵參照燈具的等光強(qiáng)曲線是呈橢圓形的，且燈具光強(qiáng)水平出射角大于垂直出射角，即該橢圓的長(zhǎng)軸位于水平方向，短軸位于垂直方向。每一條閉合曲線上的所有點(diǎn)的光強(qiáng)都是相同的，曲線內(nèi)各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)均大于曲線上的光強(qiáng)。兩曲線間對(duì)應(yīng)點(diǎn)的光強(qiáng)值介于外等光強(qiáng)曲線和內(nèi)等光強(qiáng)曲線對(duì)應(yīng)光強(qiáng)值之間。助航燈光系統(tǒng)中有跑道燈，滑行道燈，進(jìn)近燈等。各種燈都有自己的等光強(qiáng)曲線要求。進(jìn)近燈的標(biāo)準(zhǔn)等光強(qiáng)曲線是三環(huán)的橢圓形曲線，橢圓均對(duì)稱與公共垂直和水平軸，燈具的內(nèi)傾角為2°，燈具的垂直度數(shù)的范圍為0°~16.5°；跑道燈的標(biāo)準(zhǔn)等光強(qiáng)曲線是三環(huán)的橢圓形曲線，橢圓均對(duì)稱與公共垂直和水平軸，內(nèi)傾角范圍是2°~4.5°，垂直度數(shù)范圍為0°~14.5°，各個(gè)不同的跑道燈有對(duì)應(yīng)的內(nèi)傾角，曲線也略有不同；滑行道燈的標(biāo)準(zhǔn)等光強(qiáng)曲線是三環(huán)的橢圓形曲線，橢圓均對(duì)稱與公共垂直和水平軸，燈具的垂直角度范圍為0°~14.5°。準(zhǔn)備用于跑道視程的滑行道中線燈的等光強(qiáng)曲線為長(zhǎng)方形的兩環(huán)曲線，內(nèi)傾角為15.75°，垂直角度范圍為0°~15°。其中三個(gè)特殊的高光強(qiáng)滑行道中線燈的等光強(qiáng)曲線是五環(huán)的，內(nèi)傾角是17°，準(zhǔn)備用于較高光強(qiáng)的先進(jìn)的地面活動(dòng)引導(dǎo)和控制系統(tǒng)中的直線段上的高光強(qiáng)滑行道中線燈的標(biāo)準(zhǔn)等光強(qiáng)曲線為多邊形的等光強(qiáng)曲線，垂直角度為0°~18°。如下圖2-4：縱向間距30m的跑道中線燈的等光強(qiáng)曲線。圖2.4縱向間距30m的跑道中線燈的等光強(qiáng)曲線ICAO附件14中明確給出了助航燈平均光強(qiáng)的網(wǎng)格點(diǎn)算法，水平和垂直方向的網(wǎng)格密度都是1（如上圖中黑線標(biāo)出的就是基本的網(wǎng)格點(diǎn)），適用測(cè)出的代表主光束的橢圓上的和橢圓以內(nèi)的各網(wǎng)格點(diǎn)上的光強(qiáng)值，計(jì)算出網(wǎng)格點(diǎn)上的各光強(qiáng)值的算術(shù)平均值即主光束的平均光強(qiáng)。在日間不同的能見(jiàn)度范圍內(nèi)的光強(qiáng)設(shè)置，附件14都給出了相應(yīng)的主光束范圍。2.3本章小結(jié)本章首先分別對(duì)跑道燈光系統(tǒng)、進(jìn)近燈光系統(tǒng)、精密進(jìn)近坡度指示器、順序閃光燈的顏色、光強(qiáng)等級(jí)、照射角度、最小光源有效范圍等燈具典型特性進(jìn)行了逐一介紹，然后分析了助航燈的光強(qiáng)分布，為下文的設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。

第3章助航燈光的設(shè)計(jì)仿真本章的主要內(nèi)容是設(shè)計(jì)助航燈光仿真系統(tǒng)模型。助航燈光仿真系統(tǒng)模型分為基于飛行員視覺(jué)、晴朗氣象條件下光照模型、雨雪場(chǎng)景模型及霧化場(chǎng)景模型。其中，晴朗氣象條件下的光照模型又分為單燈空間照度模型、排燈空間照度模型。光是否能被看到是由光在觀察者眼睛里產(chǎn)生的照度確定的。同一光源發(fā)出的光，可以以不同的程度照明物體。人眼接收到的照度與距離D滿足阿拉德定律：（3.1）其中，E為人眼接收到的照度，單位lx；I為光強(qiáng)，單位cd；T為大氣透射系數(shù)，單位距離的投射比，單位km；D為人眼到光源的距離，單位km。在助航燈光場(chǎng)景中，助航燈的發(fā)光特性動(dòng)態(tài)變化過(guò)程如下：模擬燈光在仿真坐標(biāo)軸系中的位置是固定不變的，而飛行員視點(diǎn)位置在仿真程序運(yùn)行中不斷變化，因此視點(diǎn)與助航燈光的水平角度、垂直角度不斷變化，助航燈的等光強(qiáng)曲線特性決定光強(qiáng)值所在的區(qū)間，導(dǎo)致光強(qiáng)值I不斷變化。助航燈光光學(xué)特性示意圖如圖3.1所示。圖3.1助航燈光光學(xué)特性示意圖水平角度與垂直角度可根據(jù)助航燈光光學(xué)特性示意圖表示為：（3.2）（3.3）（3.4）其中，（Xe，Ye，Ze）為當(dāng)前視點(diǎn)位置，（Xn，Yn，0）為助航燈在仿真坐標(biāo)軸系中的位置，f為助航燈的等光強(qiáng)圖的光強(qiáng)值與，的關(guān)系。3.1單燈空間照度模型本課題中所采用的點(diǎn)光源直射照度的計(jì)算方法是逐點(diǎn)計(jì)算法。逐點(diǎn)計(jì)算法又稱平方反比法，這種方法適用于一些重要場(chǎng)所的一般照明、局部照明和外部照明的照度計(jì)算，但不適用于周圍反射性很高的場(chǎng)所的照度計(jì)算。對(duì)于機(jī)場(chǎng)的位置來(lái)說(shuō)，其范圍內(nèi)并無(wú)反射性較強(qiáng)的外界景物或建筑物，可以適用于助航燈的空間照度計(jì)算。逐點(diǎn)計(jì)算法可用于水平面、垂直面和傾斜面上的照明計(jì)算。（1）水平面照度計(jì)算點(diǎn)光源在水平面上產(chǎn)生的照度符合平方反比定律。如圖3.2所示，光源S垂直投射到包括P點(diǎn)的指向平面N（與入射光方向垂直的平面）上，則該面單元面積dAn上的光通量為：（3.5）式中dω表達(dá)光源S投向面積元dAn的立體角。按立體角的定義：（3.6）光源在指向平面N上P點(diǎn)所產(chǎn)生的法線方向照度En（簡(jiǎn)稱法線照度）為：（3.7）光源在水平面H上P點(diǎn)所產(chǎn)生的照度Eh為：（3.8）或：（3.9）式中：Eh表示水平面照度，單位為lx；Iθ表示光源（燈具）照射方向的光強(qiáng)，單位為cd；l表示光源（燈具）與計(jì)算點(diǎn)之間的距離，單位為m；h表示光源（燈具）離工作面的高度，單位為m；cosθ表示光線入射角θ的余弦，其值為h/l。圖3.2助航燈的水平面照度計(jì)算示意圖（2）垂直面照度計(jì)算如圖3.3所示，光源在垂直面V上P點(diǎn)所產(chǎn)生垂直面照度Ev的計(jì)算，與水平面照度計(jì)算方法相類似。（3.10）式中Ev表示垂直面照度，單位為lx?；蛘撸谇蟪鏊矫嬲斩群?，再乘以系數(shù)d/h，即：（3.11）式中d表示計(jì)算點(diǎn)至光源之間的水平距離，單位為m。圖3.3助航燈的垂直面照度計(jì)算示意圖（3）傾斜面照度計(jì)算在實(shí)際應(yīng)用中，有時(shí)還需要計(jì)算傾斜面上的照度。在飛行過(guò)程中，假設(shè)飛行員眼睛的位置為點(diǎn)P，對(duì)于點(diǎn)P接收到的照度值，不僅與燈具的安裝方式有直接關(guān)系，還與眼睛所看的方向有關(guān)。任意兩個(gè)平面上同一點(diǎn)的照度之比為光源至該平面的垂線長(zhǎng)度之比。圖3.4照度矢量運(yùn)算示意圖如圖3.4所示，若En為P點(diǎn)的法線照度，根據(jù)矢量運(yùn)算法則，En在x、y、z三維空間坐標(biāo)軸上的分量分別為：，，式中，α、β、θ分別為En矢量與x、y、z軸之間的夾角。反之，若已知照度矢量的分量（Ex，Ey，Ez），根據(jù)矢量運(yùn)算法則，其合成矢量En等于各照度矢量在這個(gè)方向上投影的代數(shù)和，即：（3.12）如圖3.5所示，任意傾斜面N上的計(jì)算點(diǎn)P的照度Ei，可根據(jù)點(diǎn)光源在該點(diǎn)已知的水平面H照度Eh，乘以傾斜照度系數(shù)Ψ而求得，即：（3.13）（3.14）圖3.5點(diǎn)光源的傾斜面照度計(jì)算示意圖3.2排燈空間照度模型在飛行進(jìn)近過(guò)程中，相對(duì)于飛行員的視角，機(jī)場(chǎng)助航燈光的光源尺寸遠(yuǎn)小于光源到被照點(diǎn)之間的距離。因此，以II類進(jìn)近燈光系統(tǒng)300m的橫排燈為例，其空間照明立面圖如圖3.6所示，機(jī)場(chǎng)上方空間任意一點(diǎn)的水平照度可采用點(diǎn)光源的點(diǎn)照度計(jì)算公式為：（3.15）式中：Er表示r點(diǎn)的水平照度，lx；Eri表示第i個(gè)燈具對(duì)r點(diǎn)產(chǎn)生的水平照度，lx；Ri表示燈具i至r點(diǎn)的距離，m；θi表示第i個(gè)燈具至r點(diǎn)連線與垂直方向的夾角；Iθi表示對(duì)r點(diǎn)有影響的第i個(gè)燈具在θi方向上的光強(qiáng)，cd。圖3.6空間照明立面圖通常，對(duì)于某一類助航燈光系統(tǒng)的燈具，ICAO是有統(tǒng)一規(guī)定的，所以燈具光源高度、間距均相同。ICAO附件14中明確規(guī)定II類進(jìn)近燈光系統(tǒng)300m的橫排燈，其燈間距在1m至4m之間。由圖3.1和圖3.6可知，（3.16）（3.17）因此，綜上所述，可以得到一排橫排燈的水平空間照度計(jì)算公式：（3.18）其中，，（Xe，Ye，Ze）為當(dāng)前視點(diǎn)位置，（Xi，Yi，0）為助航燈在仿真坐標(biāo)軸系中的位置，f為助航燈的等光強(qiáng)圖的光強(qiáng)值與θxi，θyi的關(guān)系。以上均是光源垂直投射到包括飛行員眼睛的指向平面（與入射光方向垂直的平面）。在實(shí)際飛行進(jìn)近過(guò)程中，飛行器會(huì)表現(xiàn)出不同姿態(tài)。由于飛機(jī)速度快，飛行員無(wú)法及時(shí)調(diào)整視線的方向，因此，還需考慮到垂直面和傾斜面的照度。由單燈空間照度模型可知，機(jī)場(chǎng)上方空間任意一點(diǎn)的垂直照度的計(jì)算公式如下：（3.19）式中，sinθ表示光線入射角θ的余弦機(jī)場(chǎng)上方空間任意一點(diǎn)的傾斜照度的計(jì)算公式如下：（3.20）式中，（Ex，Ey，Ez）為已知照度矢量的分量，α、β、θ分別為En矢量與x、y、z軸之間的夾角。

第4章系統(tǒng)設(shè)計(jì)的仿真實(shí)現(xiàn)為實(shí)現(xiàn)助航燈光系統(tǒng)設(shè)計(jì)，本文在VC++環(huán)境下利用OpenGL技術(shù)進(jìn)行了以下視景仿真：晴朗氣象條件下的助航燈模擬，并新增了光點(diǎn)亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)的功能。由于在民用機(jī)場(chǎng)跑道助航燈光系統(tǒng)中有三種燈具即恒定發(fā)光燈（強(qiáng)度及顏色與飛行狀態(tài)無(wú)關(guān)）、可變燈（顏色隨飛行狀態(tài)發(fā)生改變）和順序閃光燈，因此在助航燈光仿真模塊中分別對(duì)恒定發(fā)光燈、精密進(jìn)近坡度指示器（PAPI燈）、順序閃光燈進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。在飛機(jī)進(jìn)近過(guò)程中，從飛行員的視角來(lái)看，助航燈光可被看為一個(gè)個(gè)光點(diǎn)。在OpenGL中，由于光點(diǎn)既不能像其他普通光源一樣照亮視景數(shù)據(jù)庫(kù)中的其他景物對(duì)象，也不會(huì)影響仿真系統(tǒng)對(duì)視景數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行著色處理，因此本文利用光點(diǎn)來(lái)模擬助航燈光系統(tǒng)中的燈具。4.1恒定發(fā)光燈仿真由于跑道燈和進(jìn)近燈位置、顏色與飛行狀態(tài)無(wú)關(guān)，因此只需要在實(shí)現(xiàn)單個(gè)燈仿真的基礎(chǔ)上，繪制出多個(gè)燈，并按標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各類燈的位置、間距以及顏色進(jìn)行設(shè)置。根據(jù)ICAO附件14中的建議及要求，設(shè)定像素點(diǎn)的坐標(biāo)，顏色，亮度，并按照飛行員所看到的實(shí)際情況利用glPointSize()函數(shù)設(shè)置點(diǎn)的大小。這樣所得到的只是系統(tǒng)中簡(jiǎn)單的像素點(diǎn)的排列，且點(diǎn)是正方形，出現(xiàn)了鋸齒。為了優(yōu)化光點(diǎn)，還需以下四個(gè)操作。4.1.1反走樣化由于計(jì)算機(jī)生成的圖形是由離散點(diǎn)組成的數(shù)字化圖像，因而生成的圖形必然與真實(shí)景物之間存在一定誤差。這種誤差表現(xiàn)為圖形上的直線或光滑的曲線呈現(xiàn)鋸齒狀、彩色花紋失去原有的形態(tài)和色彩、細(xì)小物體在畫(huà)面上得不到反映等等。因此，需要將其進(jìn)行抗鋸齒反走樣化。4.1.2點(diǎn)參數(shù)在完成上述步驟后，光點(diǎn)的大小與亮度無(wú)論遠(yuǎn)近均相同，與當(dāng)前視點(diǎn)到燈光的距離無(wú)關(guān)，這與實(shí)際情況不一致。解決這種現(xiàn)象，其中一種方法是，使用glPointSize()和glEnable(GL_POINT_SMOOTH)來(lái)繪制大型的圓點(diǎn)，并使用霧效來(lái)實(shí)現(xiàn)距離改變的效果。然而，考慮到glBegin()和glEnd()之間不能調(diào)用函數(shù)glPointSize()，因此必須動(dòng)態(tài)地重新計(jì)算點(diǎn)的大小，并根據(jù)大小重新對(duì)點(diǎn)進(jìn)行分組。這樣做不但計(jì)算繁瑣，工作量巨大，而且占用內(nèi)存大，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性無(wú)法得到保證。應(yīng)用點(diǎn)參數(shù)擴(kuò)展功能能夠根據(jù)圖元距離視點(diǎn)的距離，自動(dòng)改變其大小和亮度，從而最大限度地提高性能。其具體形式為：voidglPointParameterfv(GLenumpname，GLfloat*param)。根據(jù)實(shí)際情況，文章選擇二次衰減方式。如果視點(diǎn)離點(diǎn)圖元非常近，除數(shù)將為小數(shù)，導(dǎo)致計(jì)算得到的點(diǎn)大于實(shí)際大小，為避免這種情況，可以增大常量衰減系數(shù)或用參數(shù)GL_POINT_SIZE_MAX指定一個(gè)最大值。4.1.3顯示列表由于機(jī)場(chǎng)助航燈光系統(tǒng)包含的燈具數(shù)量巨大而且其光學(xué)特性，光強(qiáng)大小均不同，要逐個(gè)添加每一個(gè)燈具是相當(dāng)繁瑣的過(guò)程。多次重復(fù)繪制光點(diǎn)對(duì)計(jì)算機(jī)的整體運(yùn)行性能要求較高。為了提高仿真系統(tǒng)的性能，利用OpenGL中的顯示列表功能，將跑道燈光和進(jìn)近燈光中各類型的燈組織在一起。這樣把需要重復(fù)調(diào)用的函數(shù)存儲(chǔ)在顯示列表中，可以大大減少傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。4.1.4光強(qiáng)分布特性助航燈屬于光強(qiáng)分布不對(duì)稱的燈具，采用等光強(qiáng)曲線描述其光強(qiáng)分布特性。由于影響飛機(jī)安全起降的機(jī)場(chǎng)地面燈光主要有進(jìn)近燈光系統(tǒng)和跑道燈光系統(tǒng)，因此本文以進(jìn)近燈光系統(tǒng)的中線燈和橫排燈（白光）為例來(lái)分析說(shuō)明助航燈光的光強(qiáng)分布特性。如圖4.1所示，圖中的橢圓均對(duì)稱于公共垂直和水平軸。等光強(qiáng)曲線計(jì)算公式為：其中a分別為10°、14°、15°，b分別為5.5°、6.5°、8.5°。等光強(qiáng)曲線最小允許光強(qiáng)分別為1000cd，2000cd，10000cd，主光束的平均光強(qiáng)值為20000cd。燈具垂直調(diào)置角必須滿足主光束垂直覆蓋范圍，其要求如表4.1下：表4.1燈具垂直調(diào)置角距跑道入口的距離主光束垂直覆蓋范圍入口至315m0°~11°316m至475m0.5°~11.5°476m至640m5°~12.5°641m及以遠(yuǎn)2.5°~13.5°距離中線大于22.5m的橫排燈的燈具必須內(nèi)傾2°。所有其他燈具軸線必須平行于跑道中線。光束范圍在有效的跑道視程內(nèi)均能提供必要的進(jìn)近引導(dǎo)和起飛引導(dǎo)。圖4.1進(jìn)近燈光系統(tǒng)的中線燈和橫排燈（白光）進(jìn)近燈光系統(tǒng)的中線燈和橫排燈（白光）的光強(qiáng)分布特性的仿真的步驟可總結(jié)如下：（1）根據(jù)視點(diǎn)變化函數(shù)Position2()獲取當(dāng)前視點(diǎn)坐標(biāo)位置，然后計(jì)算得出其水平角度θx與垂直角度θy的值，并返回θx與θy的值；（2）建立光點(diǎn)更新函數(shù)update3()，在每次繪制圖像結(jié)束之前動(dòng)態(tài)更新光點(diǎn)亮度數(shù)據(jù)；（3）根據(jù)Position2()函數(shù)返回的θ值判斷并修改亮度數(shù)組成員的數(shù)據(jù)。其中，亮度數(shù)組是按照等光強(qiáng)細(xì)化分割圖轉(zhuǎn)換的亮度值建立的。（4）進(jìn)行下一個(gè)光點(diǎn)亮度的改變，直到全部光點(diǎn)結(jié)束；（5）調(diào)用光點(diǎn)更新函數(shù)update3()，重新繪制仿真圖像，并繼續(xù)進(jìn)行三維漫游。其中，助航燈光光強(qiáng)特性仿真流程圖如圖4.2所示。圖4.2助航燈光光強(qiáng)特性仿真流程圖綜上所述，恒定發(fā)光燈仿真的步驟可總結(jié)如下：（1）完成光點(diǎn)初始化，設(shè)定其基本要素；（2）進(jìn)行深度測(cè)試及抗鋸齒反走樣化，采用顯示列表技術(shù)提高模型的顯示速度；（3）利用點(diǎn)參數(shù)擴(kuò)展功能實(shí)現(xiàn)光點(diǎn)大小和亮度的自動(dòng)調(diào)節(jié)。（4）完成助航燈的光強(qiáng)分布特性仿真。跑道燈光和進(jìn)近燈光系統(tǒng)仿真效果如圖4.3和4.4所示。圖4.3跑道燈光系統(tǒng)仿真效果圖4.4進(jìn)近燈光系統(tǒng)仿真效果通過(guò)對(duì)跑道燈光和進(jìn)近燈光系統(tǒng)中各類燈位置、顏色、間距的設(shè)置建立了跑道燈光和進(jìn)近燈光系統(tǒng)的三維模型。鋸齒化處理使光點(diǎn)平滑，仿真效果清晰逼真，完成了跑道燈光和進(jìn)近燈光系統(tǒng)的仿真，為進(jìn)一步建立PAPI燈和順序閃光燈仿真模型打下了基礎(chǔ)。4.2PAPI燈仿真從進(jìn)近端看去，PAPI系統(tǒng)位于跑道的左側(cè)，由4個(gè)等距設(shè)置的多燈燈具形成的翼排組成，燈具離跑道入口的距離與機(jī)輪在跑道上方的凈距以及飛機(jī)在進(jìn)近姿態(tài)時(shí)的眼輪高度有關(guān)，如公式(4.1)所示。（4.1）其中：D1為燈具離跑道入口的距離，H為機(jī)輪在跑道入口上方的凈距，h為飛機(jī)在進(jìn)近姿態(tài)中的眼輪高度，θ為PAPI燈的燈具仰角。以空客A300為例，H=9m，h=9m。在場(chǎng)景坐標(biāo)軸中PAPI燈的位置固定不變，視點(diǎn)坐標(biāo)在飛行進(jìn)近過(guò)程不斷改變，這就導(dǎo)致光束仰角θ不斷變化，從而導(dǎo)致PAPI燈的顏色發(fā)生改變。其變化過(guò)程如下：如果θ>3°30'，PAPI燈顯示4白光；如果θ>3°10'，PAPI燈顯示1白3紅；如果θ>2°50'，PAPI燈顯示2白2紅；如果θ>2°30'，PAPI燈顯示3白1紅；其余情況則顯示4紅。具體情況如圖4.5所示。圖4.5PAPI燈仰角以2號(hào)燈為例，當(dāng)θ<2°50'時(shí)為紅色，否則為白色：（4.2）其中：（XB，YB，0）是2號(hào)燈在場(chǎng)景坐標(biāo)軸中的位置，（XN，YN，ZN）為當(dāng)前視點(diǎn)位置。PAPI燈仿真的步驟可總結(jié)如下：（1）根據(jù)已完成的跑道燈光和進(jìn)近燈光系統(tǒng)仿真，按照式（4.1）計(jì)算PAPI燈與跑道入口間距D1，并確定PAPI燈的位置；（2）完成視點(diǎn)變化函數(shù)Position1()獲取當(dāng)前視點(diǎn)坐標(biāo)位置，然后計(jì)算得出仰角θ的值，并返回θ值；（3）建立光點(diǎn)更新函數(shù)update1()，在每次繪制圖像結(jié)束之前動(dòng)態(tài)更新光點(diǎn)亮度數(shù)據(jù)；（4）根據(jù)Position()函數(shù)返回的θ值判斷并修改顏色數(shù)組成員的數(shù)據(jù)，最后調(diào)用光點(diǎn)更新函數(shù)update1()，并重新繪制仿真圖像。其仿真流程如圖4.6所示。圖4.6精密進(jìn)近坡度指示器仿真流程圖PAPI燈仿真效果如下：當(dāng)高于進(jìn)近坡度很多時(shí)，PAPI四個(gè)燈均顯示白色，當(dāng)略高于進(jìn)近坡度時(shí)，離跑道最近的燈顯示紅色，其余三個(gè)燈顯示白色。如圖4.7所示。圖4.7高于進(jìn)近坡度當(dāng)接近進(jìn)近坡度或在進(jìn)近坡度上時(shí)，從跑道邊緣由近及遠(yuǎn)依次顯示兩紅兩白。如圖4.8所示。圖4.8在進(jìn)近坡度上當(dāng)略低于進(jìn)近坡度時(shí)離跑道最遠(yuǎn)的燈顯示白色，其余三個(gè)燈顯示紅色，當(dāng)?shù)陀谶M(jìn)近坡度很多時(shí)，四個(gè)燈均顯示紅色。如圖4.9所示。圖4.9低于進(jìn)近坡度4.3順序閃光燈仿真作為機(jī)場(chǎng)目視設(shè)施，順序閃光燈突出了機(jī)場(chǎng)跑道中線延長(zhǎng)線，以每秒兩次的頻率由最外端的燈向著跑道入口的方向逐漸順序閃光至系統(tǒng)最里面的燈，指明了飛機(jī)進(jìn)近與著陸的方向，給飛行員一個(gè)非常顯著的動(dòng)態(tài)提示，對(duì)準(zhǔn)跑道進(jìn)近著陸。順序閃光燈仿真的步驟可總結(jié)如下：（1）初始化定時(shí)指針P=0。其中指針P的數(shù)值代表某個(gè)閃光燈的顯示；（2）利用GLUT庫(kù)中自帶的glutTimerFunc()函數(shù)設(shè)定每幀的觸發(fā)時(shí)長(zhǎng)為50ms，觸發(fā)后運(yùn)行g(shù)lutPostRedisplay()來(lái)重新渲染一幀，指針P加1；（3）設(shè)定閃光燈更新函數(shù)update2()。若指針P=21，則完成一次閃光循環(huán)，顯示出燈向著跑道入口方向順序移動(dòng)，指針P重新歸零。其仿真流程如圖4.10所示。圖4.10順序閃光燈仿真流程圖4.4設(shè)計(jì)效果分析虛擬視景仿真與其他仿真不同，它沒(méi)有大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)試結(jié)果的分析，更多的是要通過(guò)圖像來(lái)反映調(diào)試結(jié)果。運(yùn)行仿真系統(tǒng)具體操作如下：在VC++環(huán)境中以打開(kāi)文件的方式輸入三維模型，編譯運(yùn)行程序，會(huì)出現(xiàn)助航燈光三維視景界面，利用鍵盤(pán)調(diào)節(jié)視點(diǎn)位置，利用鼠標(biāo)模擬飛行著陸過(guò)程。本文建立的仿真坐標(biāo)系以跑道入口與跑道中線的交點(diǎn)為原點(diǎn)，縱軸沿跑道中線指向進(jìn)近燈光前端，橫軸指向跑道左側(cè)，豎軸垂直于跑道平面指向天空，如圖5-11所示。假設(shè)飛機(jī)型號(hào)為A/185，圖4.11~4.14為基于飛行員視覺(jué)的II類目視盤(pán)旋精密進(jìn)近仿真圖，飛行員所處的坐標(biāo)分別為（1680，2700，500），（280，2000，250），（0，800，60），（0，200，15）。由仿真圖的對(duì)比可以看出，通過(guò)對(duì)跑道燈光和進(jìn)近燈光系統(tǒng)中各類燈位置、顏色、間距的設(shè)置建立了跑道燈光和進(jìn)近燈光系統(tǒng)的三維模型，鋸齒化處理使光點(diǎn)平滑，光點(diǎn)亮度和大小實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)調(diào)節(jié)，仿真效果清晰逼真；PAPI系統(tǒng)的顏色會(huì)