使用基于距离的修剪的四叉树地形数据压缩制造技术

树形结构将地形区域表示为以父子关系组织的嵌套多边形，每个多边形关联到特定地理位置。树形结构定义至少一个父节点和多个子节点，一些是包含高度值的叶节点。处理器使用距离度量来改变树形结构拓扑，评估第一父节点的所有叶节点子节点是否位于距飞行器跑道预定距离以外，并且如果是，则通过在第一父节点中存储表示叶节点子节点的相应高度值中的最大值的高度值并通过移除叶节点子节点，将第一父节点转换为叶节点；以及对每个剩余的父节点进行迭代重复，直到已确定数据结构中的每个剩余的父节点都不能在不违反精度要求的情况下进行修剪。行修剪。行修剪。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】使用基于距离的修剪的四叉树地形数据压缩
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2019年8月7日提交的美国专利申请第16/534,872号的优先权，其通过引用整体并入本文。


[0003]本公开总体上涉及用于飞行器的地形避开和警告系统。更具体地，本公开涉及使用基于距离的修剪技术填充的用于这种地形避开和警告系统的地形高度数据结构。

技术介绍

[0004]本部分提供与本公开有关的背景信息，其不一定是现有技术。
[0005]现代飞行器包括一系列不同的危险防护系统，诸如地形避开和警告系统(terrain avoidance and warning system，TAWS)。TAWS是机载危险防护系统的示例，其设计为当飞行器在到地球(例如到地面或地面安装结构，诸如建筑物或通信塔)的预定接近距离以内时进行检测和警报。当飞行器在地面上方数千英尺时，地形避开不是一个问题。当飞行器下降到地球表面上方约1000英尺或距任何山、丘陵或其他障碍物1000英尺以下飞行时，地形避开问题开始起作用。在美国，联邦法规详细说明这些要求。例如，参见14CFR 91.515和14CFR 91.177。其他司法管辖区具有可比的法规。
[0006]飞行器通常具有能够评估海拔的若干系统，从该海拔可以计算或推断地面上方的高度。典型的TAWS装置采用机载数据库系统，该系统将飞行器纬度
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经度(经纬度)位置与存储的地面高程相关联。GPS系统(或其他导航参考系统)提供飞行器的当前经纬度位置，该位置用于访问数据库以查找飞行器位置处或飞行器飞行路径中的地面高程。如果飞行器的飞行路径将使飞行器太靠近地面(或在地上竖立的结构)，则TAWS警告飞行员，并且也可以调用其他安全系统或自动驾驶系统。
[0007]传统上，TAWS可以捆绑作为驾驶舱航空电子的一部分，诸如地面接近警告系统，并且通常与飞行器飞行控制系统(flight control system，FCS)分离。
[0008]在设计为进行到全球任何地方的长距离飞行的飞行器中，机载TAWS数据库可能在托管它的航空电子系统上放置繁重的数据存储需求。简单地说，地球具有大的表面积。为了以高分辨率捕获整个地球表面，地形数据需要大量存储——超过典型的FCS数据存储资源的可用容量。以透视法来看，在1弧秒的水平分辨率下，对于1度纬度乘1度经度的正方形的数据，从航天飞行器雷达地形测绘使命获得的高分辨率地形数据消耗25MB。一弧秒对应于大约30米的分辨率。3弧秒(较低分辨率)的数据需要3MB的数据。在任何一种情况下，捕获整个地球表面的存储要求都是巨大的。
[0009]在某些产品工程方案中，解决方案只是：使用更大、更强大的计算机，具有更大的存储容量。然而，在飞行器应用中，更大并不总是更好。重量限制和其他系统设计考虑禁止具有更大存储容量的更强大计算机的任何实际使用。此外，还有实际和监管原因解释为何简单地换出FCS计算机以用于更大的模型是不可行的。设计、策划和建造商业或军用飞行器
需要数年，并且在许多情况下，为已经收到监管批准并通过严格测试证明稳健性的现有组件替换新组件是根本不可行的。因此，需要与现有FCS计算机系统一起工作的不同解决方案。

技术实现思路

[0010]所公开的系统采用有效的数据压缩技术，其使用基于嵌套多边形(例如，四叉树)的数据结构的基于距离的修剪，以在飞行器起飞和着陆操纵需要的情况下提供高分辨率地形高度数据，同时在不需要高分辨率数据的情况下放宽存储要求。因此，所公开的系统提供了一种数据存储方案，针对预期进行到全球任何地方的长距离飞行的飞行器，该方案将适应当前TAWS要求，而不会使现有FCS资源紧张。
[0011]在一个方面，所公开的系统生成非暂时性计算机可读存储器中的紧凑地形高度数据存储。存储在非暂时性计算机可读存储器中的树形数据结构将地形区域表示为以父子关系组织的嵌套多边形，每个多边形具有将多边形关联到地形区域内的特定地理位置的节点点。树形数据结构的父子关系定义至少一个父节点和多个子节点，其中子节点中的至少一些是叶节点——没有子节点的节点——每个叶节点存储高程或高度值。距离计算器提供地形区域内包含至少一条飞行器跑道的区域与至少一个多边形的节点点之间的地理距离度量。
[0012]修剪处理器通过以下方式使用距离度量来改变树形数据结构的拓扑：(a)评估第一父节点的所有叶节点子节点的节点点是否位于距包含至少一条飞行器跑道的区域预定地理距离以内，并且如果是，则通过在第一父节点中存储表示叶节点子节点的相应高度值中的最大值的高度或高程值并通过移除叶节点子节点，将第一父节点转换为叶节点，以及(b)对每个剩余的父节点进行迭代重复，直到已确定数据结构中的每个剩余的父节点都不能在不违反预定精度要求的情况下进行修剪。
[0013]除了基于距跑道的距离进行修剪之外，修剪处理器还基于特定的或预定的垂直精度进行修剪，该垂直精度基于距跑道的距离而变化。例如，在跑道3海里以内，应用可以要求45米的垂直精度。因此，对于在3海里圆形内的父节点，修剪处理器对其子节点的最小和最大高程进行比较，并且仅在最小到最大增量小于45米时将叶节点修剪成它们的最大值。在距跑道更大的距离处，增加该值以允许数据更加粗化。
附图说明
[0014]本文描述的附图仅用于所选实施例的说明性目的，而不是所有可能的实现方式。因此，附图的特定选择并不旨在限制本公开的范围。
[0015]图1描绘了有助于理解所公开的压缩技术的示例性四叉树数据结构；
[0016]图2描绘了用于有效地组织在飞行器的危险防护系统中使用的数据库的修剪后的四叉树数据结构；
[0017]图3是示出如何使用修剪算法来生成图2的四叉树的流程图；
[0018]图4解释了用于构建在图3中描绘的过程中采用的四叉树数据结构的Z顺序曲线算法；
[0019]图5是与在图3中描述的修剪算法结合使用的示例性矩阵数据结构；以及
[0020]图6是示出如何使用修剪后的四叉树数据结构的流程图。
具体实施方式
[0021]以下详细描述本质上仅是示例性的，而且并不旨在限制本专利技术或本专利技术的应用和使用。此外，并不旨在受到在本专利技术的前述
技术介绍
或以下详细描述中提出的任何理论的约束。
[0022]地形数据压缩系统采用使用特定树形数据结构所组织的地形数据库，其中树的每个父子级别表示不同尺寸的多边形地形区域。在本公开中，已选择四边多边形(例如正方形)来进行说明。考虑到以下事实，即，父正方形可以被相等地细分为四个子正方形，所公开的树形数据结构在本文中被称为四叉树数据结构。其他几何形状也是可能的。
[0023]例如，在生产用途中，多边形可能在较高纬度处表示为长方形(而不是正方形)。这是因为越靠近两极，经线越靠在一起，因此纬度/经度轴上的正方形不是以英尺或米为单位的正方形。在赤道处，1弧秒的正方形大约是100
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100英尺，但是在60度纬度处，它北/南仍然是100英尺本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于生成非暂时性计算机可读存储器中的紧凑地形高度数据存储的装置，包括：存储在非暂时性计算机可读存储器中的树形数据结构，所述树形数据结构将地形区域表示为以父子关系组织的嵌套多边形，每个多边形具有将所述多边形关联到所述地形区域内的特定地理位置的节点点；所述树形数据结构的所述父子关系定义至少一个父节点和多个子节点，其中所述子节点中的至少一些是没有子节点的叶节点，每个所述叶节点存储高度值；距离计算器，其提供所述地形区域内包含至少一条飞行器跑道的区域与至少一个多边形的所述节点点之间的距离度量；修剪处理器，其通过以下方式使用所述距离度量来改变所述树形数据结构的拓扑：(a)评估第一父节点的所有叶节点子节点的所述节点点是否位于距包含所述至少一条飞行器跑道的所述区域预定距离以外，并且如果是，则通过在所述第一父节点中存储表示所述叶节点子节点的相应高度值中的最大值的高度值并通过移除所述叶节点子节点，将所述第一父节点转换为叶节点，以及(b)对每个剩余的父节点进行迭代重复，直到已确定所述数据结构中的每个剩余的父节点都不能在不违反预定精度要求的情况下进行修剪。2.根据权利要求1所述的装置，其中所述预定精度要求指定垂直精度，所述垂直精度取决于距跑道的距离。3.根据权利要求1所述的装置，其中所述树形数据结构是四叉树数据结构，并且所述嵌套多边形是正方形。4.根据权利要求1所述的装置，其中每个多边形的所述节点点对应于所述多边形的预定角部。5.根据权利要求1所述的装置，其中所述树形数据结构具有至少三层父子关系。6.根据权利要求1所述的装置，其中只有叶节点存储高度值。7.根据权利要求1所述的装置，其中所存储的高度值以预定最小垂直分辨率的增量来表示。8.根据权利要求1所述的装置，其中所述树形数据结构使用大小设置为表示尺寸约为0.86弧秒乘0.86弧秒的地形网格的叶节点来初始地存储在存储器中。9.一种生成非暂时性计算机可读存储器中的紧凑地形高度数据存储以用于飞行器危险防护系统的方法，包括：在所述存储器中分配树形数据结构，所述树形数据结构将地形区域表示为以父子关系组织的嵌套多边形，每个多边形具有将所述多边形关联到所述地形区域内的特定地理位置的节点点，所述树形数据结构的所述父子关系定义至少一个父节点和多个子节点，其中所述子节...

【专利技术属性】
技术研发人员：格雷戈里，
申请(专利权)人：湾流航空航天公司，
类型：发明
国别省市：