何碧容，蔡 倩

(南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，南京 211100)

基于Web墨卡托投影的導(dǎo)航電子地圖設(shè)計(jì)

何碧容，蔡 倩

(南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，南京 211100)

針對(duì)目前無人機(jī)地面測控站導(dǎo)航模塊的局限，提出了基于Web墨卡托投影原理的導(dǎo)航電子地圖的設(shè)計(jì)方案，使用ImageStone類庫簡化了電子地圖的制作，并實(shí)現(xiàn)了電子地圖的繪制、平移及縮放功能；在此基礎(chǔ)上完成了航跡規(guī)劃、實(shí)際飛行航線的實(shí)時(shí)顯示以及航線保存等功能，大大提高了地面站的導(dǎo)航地圖與導(dǎo)航信息融合顯示的實(shí)時(shí)性；經(jīng)過無人機(jī)仿真系統(tǒng)的測試，驗(yàn)證了方案設(shè)計(jì)的合理性和可行性，該導(dǎo)航電子地圖能夠高效、準(zhǔn)確地完成各項(xiàng)導(dǎo)航任務(wù)。

Web墨卡托投影；導(dǎo)航電子地圖；無人機(jī)；地面測控站

0 引言

由于在軍事及民用方面的廣泛用途和特殊功能，無人機(jī)的研發(fā)受到極大重視[1]。導(dǎo)航電子地圖作為無人機(jī)地面測控站系統(tǒng)的重要模塊，對(duì)監(jiān)測無人機(jī)的飛行狀況及實(shí)現(xiàn)無人機(jī)導(dǎo)航功能起著重要作用。導(dǎo)航電子地圖要求除了可以實(shí)現(xiàn)電子地圖的基本功能之外，還需要具備航線規(guī)劃、航跡顯示、導(dǎo)航參數(shù)顯示等功能[2-4]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，導(dǎo)航電子地圖的設(shè)計(jì)逐漸成熟，目前國內(nèi)學(xué)者已經(jīng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的大部分方案均是基于ActiveX組件的二次開發(fā)[4-9]，能很好的實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航電子地圖的導(dǎo)航功能。

在實(shí)際工程應(yīng)用中，簡化電子地圖的制作以及提高地圖分辨率成為目前亟待解決的問題。為了提升導(dǎo)航電子地圖的導(dǎo)航性能，本文基于Web墨卡托投影原理，使用面向?qū)ο缶幊陶Z言設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)地面站導(dǎo)航電子地圖模塊，開發(fā)過程無需依賴其他地理信息系統(tǒng)(geographic information system, GIS)軟件，簡化了電子地圖的制作并提高了地圖顯示的分辨率和實(shí)時(shí)性。

1 地圖投影模型

1.1 墨卡托投影

地圖投影是利用一定數(shù)學(xué)法則把地球表面的經(jīng)、緯線轉(zhuǎn)換到平面上的理論和方法，投影方式有等角投影、等面積投影以及等距投影等。墨卡托投影采用等角投影方式，也稱為正軸等角圓柱投影。 該原理假設(shè)地球被圍在一中空的圓柱里，其基準(zhǔn)緯線(即赤道)與圓柱相切，再假想地球中心有一盞燈，把球面上的圖形投影到圓柱體上，將該圓柱體展開，得到一幅選定基準(zhǔn)緯線上的“墨卡托投影”繪制出的地圖。圖1所示為墨卡托投影原理示意圖。

(1)

圖1 墨卡托投影原理示意圖

1.2Web墨卡托投影

墨卡托投影沒有角度變形，它的經(jīng)緯線都是平行直線，且相交成直角，經(jīng)線間隔相等，緯線間隔從基準(zhǔn)緯線處向兩極逐漸增大。由于其等角特性，廣泛用于航海、航空領(lǐng)域。Web墨卡托投影與常規(guī)墨卡托投影的主要區(qū)別就是Web墨卡托投影把地球模擬為球體而非橢球體，這種假設(shè)主要是為了計(jì)算簡便，所引起的理論誤差極小，當(dāng)比例尺很大時(shí)，這種誤差可以忽略不計(jì)。

將地球視為球體，設(shè)地球半徑為R=6 378 137 m，則a=b=R，第一偏心率e=0。根據(jù)式(1)可以得到墨卡托投影式的簡化形式：

(2)

2 地面站導(dǎo)航電子地圖的設(shè)計(jì)

2.1 功能分析

無人機(jī)在起飛之前需要在導(dǎo)航電子地圖上預(yù)設(shè)飛行航線，該預(yù)設(shè)航線信息將通過無線通信鏈路發(fā)送到機(jī)載導(dǎo)航計(jì)算機(jī)，引導(dǎo)無人機(jī)按照預(yù)設(shè)航線飛行。在飛行過程中無人機(jī)的實(shí)際航線與飛行狀況等數(shù)據(jù)會(huì)通過下行鏈路傳輸回地面測控站，經(jīng)過解析之后在電子地圖上繪制出無人機(jī)的實(shí)際航線[5]。本文設(shè)計(jì)的導(dǎo)航電子地圖的功能如下：

(1)實(shí)現(xiàn)簡便快捷地對(duì)地圖進(jìn)行放大、縮小、平移、定位等基本功能；

(2)實(shí)現(xiàn)飛行航線的預(yù)設(shè)功能，能夠靈活操作航點(diǎn)添加、刪除等功能；

(3)實(shí)現(xiàn)無人機(jī)實(shí)際飛行航線的顯示，并保存飛行數(shù)據(jù)。

2.2 軟件實(shí)現(xiàn)

2.2.1 電子地圖獲取與顯示

現(xiàn)在越來越多的電子地圖服務(wù)用到瓦片地圖技術(shù)，瓦片地圖技術(shù)是一種地圖預(yù)緩存技術(shù)，即將選定好經(jīng)緯度范圍的地圖，按照瓦片級(jí)別和指定圖片尺寸切成若干行和列的正方形圖片，以指定格式保存成圖像文件存儲(chǔ)下來，形成金字塔模型的靜態(tài)地圖緩存[11-12]。本文使用瓦片地圖下載器下載所需經(jīng)緯度范圍的地圖文件，并將地圖圖片保存為JPG格式。

本文基于MicrosoftVisualStudio2010開發(fā)平臺(tái)，使用MFC編程思想完成軟件開發(fā)。MFC(MicrosoftFoundationClass，微軟基礎(chǔ)類庫)是一套面向?qū)ο蟮暮瘮?shù)庫，它將大部分的WindowsAPI(ApplicationProgrammingInterface，應(yīng)用程序編程接口) 封裝到C++類中，以類成員函數(shù)的形式提供給程序開發(fā)人員調(diào)用[13]。本文使用MFCAppWizard向?qū)Чぞ邉?chuàng)建地圖顯示窗口，在此基礎(chǔ)上將已經(jīng)下載好的電子地圖圖片繪制在窗口中。

本文設(shè)計(jì)了可手動(dòng)選擇地圖文件的功能，即在地圖顯示窗口菜單欄上添加“地圖選擇”子菜單，為該子菜單添加消息響應(yīng)函數(shù)，在函數(shù)中編寫實(shí)現(xiàn)“打開文件”對(duì)話框功能的代碼。鼠標(biāo)單擊該子菜單會(huì)彈出一個(gè)“打開文件”對(duì)話框，查找到目標(biāo)地圖文件并選中，則會(huì)在地圖顯示窗口中繪制出所選地圖。程序運(yùn)行效果如圖2所示。

圖2 地圖文件選擇對(duì)話框

圖片的繪制需要用到專門的圖像處理函數(shù)，本文使用ImageStone類庫來實(shí)現(xiàn)對(duì)地圖圖片的操作。ImageStone是一套功能強(qiáng)大的C++圖像處理庫，它完全由頭文件組成，可以對(duì)JPG、GIF、PNG、TIFF、TGA等格式的圖像文件進(jìn)行讀寫操作，能夠?qū)崿F(xiàn)約100種特殊的圖像處理。顯示地圖圖片之前需要加載地圖文件并將圖片選入設(shè)備描述表，創(chuàng)建一個(gè)ImageStone類庫中FCObjImage類的對(duì)象并調(diào)用以下兩個(gè)成員函數(shù)實(shí)現(xiàn)地圖圖片的顯示功能：函數(shù)boolLoad(constwchar_t*szFileName,FCImageProperty*pProperty=0) 實(shí)現(xiàn)地圖文件的加載，其中參數(shù)szFileName表示文件存儲(chǔ)路徑；函數(shù)voidDraw(HDChdc,RECTrect_on_DC,RECT*pOnImage=NULL)const實(shí)現(xiàn)地圖文件的繪制，其中參數(shù)hdc為設(shè)備描述表的句柄，參數(shù)rect_on_DC為設(shè)備描述表的繪圖區(qū)域，參數(shù)pOnImage為地圖圖片的繪制區(qū)域。

參數(shù)rect_on_DC與參數(shù)pOnImage均為屏幕坐標(biāo)值，由于圖片的繪制是在設(shè)備描述表所提供的畫布上進(jìn)行，則圖片的繪制區(qū)域與設(shè)備描述表的繪圖區(qū)域在坐標(biāo)上有一個(gè)相對(duì)關(guān)系，為了確定參數(shù)pOnImage的值，需要進(jìn)行屏幕坐標(biāo)與平面坐標(biāo)的相互轉(zhuǎn)換。屏幕坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)為屏幕左上角，X軸向右為正，Y軸向下為正；平面直角坐標(biāo)系以屏幕中心為原點(diǎn)，X軸向右為正，Y軸向上為正。設(shè)平面坐標(biāo)為(x,y)，轉(zhuǎn)換后的屏幕坐標(biāo)為(m,n)，則坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式如下：

(3)

本文所使用的地圖圖片在物理意義上表示了一定的經(jīng)緯度范圍，假設(shè)地圖經(jīng)緯度范圍分別為經(jīng)度lon0～lon1，緯度lat0～lat1，通過公式(1)將經(jīng)緯度范圍轉(zhuǎn)換為平面坐標(biāo)范圍，設(shè)轉(zhuǎn)換后的平面坐標(biāo)范圍分別為X軸imgx0～imgx1，Y軸imgy0～imgy1。由于圖片是用像素來度量的，包含像素寬度和像素高度，若直接使用公式(2)來進(jìn)行平面坐標(biāo)到屏幕坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換得到地圖圖片繪制區(qū)域，會(huì)導(dǎo)致圖片變形失真。本文將設(shè)備描述表的繪圖區(qū)域，即參數(shù)rect_on_DC設(shè)置為地圖顯示窗口的客戶區(qū)大小(0,0,winwidth,winheight)，使用公式(2)將該屏幕坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為平面坐標(biāo)(winx0,winy0,winx1,winy1)，根據(jù)公式(3)確定地圖圖片繪制區(qū)域的左上角和右下角的屏幕坐標(biāo)，即可避免圖片變形。

(4)

2.2.2 地圖平移及縮放功能實(shí)現(xiàn)

使用上述原理進(jìn)行編程可以實(shí)現(xiàn)靜態(tài)電子地圖的繪制，接下來為地圖添加平移及縮放等動(dòng)態(tài)功能，使用戶能夠方便快捷地瀏覽地圖。本文通過控制鼠標(biāo)的操作實(shí)現(xiàn)地圖的縮放及平移，鼠標(biāo)滾輪前滾地圖放大，滾輪后滾地圖縮小，按下鼠標(biāo)左鍵并拖動(dòng)地圖實(shí)現(xiàn)地圖上下左右平移。

對(duì)地圖進(jìn)行平移及縮放操作實(shí)際上是根據(jù)平移量及縮放量修改地圖圖片繪制區(qū)域的屏幕坐標(biāo)，從而將地圖進(jìn)行重繪。設(shè)movex為地圖沿X軸平移的距離，movey為地圖沿Y軸平移的距離，mapscale為地圖的縮放倍數(shù)，將公式(2)進(jìn)行修改得到公式(5)，如下：

(5)

對(duì)地圖圖片的繪制進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)時(shí)使用公式(4)所表述的原理進(jìn)行平面坐標(biāo)與屏幕坐標(biāo)的相互轉(zhuǎn)換，即可實(shí)現(xiàn)地圖的平移及縮放功能。

本文通過控制鼠標(biāo)滾輪的滾動(dòng)來實(shí)現(xiàn)地圖的縮放，在程序中添加WM_MOUSEWHEEL鼠標(biāo)滾輪消息響應(yīng)函數(shù)，設(shè)置初始縮放倍數(shù)mapscale=1，在函數(shù)中判斷鼠標(biāo)滾輪的滾動(dòng)方向，滾輪前滾則將mapscale的值修改為mapscale×1.3；滾輪后滾則將mapscale的值修改為mapscale/1.3。根據(jù)所得新的縮放倍數(shù)對(duì)地圖進(jìn)行重繪即可。地圖的平移是通過鼠標(biāo)左鍵按下并拖動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，因此需要對(duì)WM_MOUSEMOVE、WM_LBUTTONDOWN以及WM_LBUTTONUP這3個(gè)消息的消息響應(yīng)函數(shù)進(jìn)行重載。具體實(shí)現(xiàn)流程如圖3所示。

2.2.3 航線規(guī)劃

航線規(guī)劃主要是根據(jù)目標(biāo)航路預(yù)先設(shè)定好無人機(jī)的飛行任務(wù)，包括飛行航線、飛行高度、速度等。將規(guī)劃好的航線繪制在電子地圖上，并與無人機(jī)在執(zhí)行飛行任務(wù)的過程中傳輸回來的實(shí)際航線進(jìn)行比較，可以更加直觀地觀察到無人機(jī)的飛行狀況，如遇特殊情況可以及時(shí)對(duì)無人機(jī)的航向作出調(diào)整。

圖3 地圖平移功能實(shí)現(xiàn)流程圖

為了在規(guī)劃航線時(shí)便于添加航點(diǎn)，本文通過控制鼠標(biāo)的操作來實(shí)現(xiàn)航跡點(diǎn)的添加。點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵會(huì)彈出“添加航點(diǎn)”、“刪除航點(diǎn)”等子菜單，再用鼠標(biāo)左鍵單擊“添加航點(diǎn)”子菜單即可在鼠標(biāo)所在位置繪制出一個(gè)航點(diǎn)。當(dāng)添加多個(gè)航點(diǎn)時(shí)，程序自動(dòng)將新添加的航點(diǎn)與前一航點(diǎn)用直線連接起來形成航線。若要?jiǎng)h除某個(gè)已經(jīng)繪制好的航點(diǎn)，則將鼠標(biāo)放在該航點(diǎn)上并選擇“刪除航點(diǎn)”子菜單，程序自動(dòng)刪除該航點(diǎn)信息并將其余航點(diǎn)按照新的排序重新連接形成一條新的航線。

2.2.4 飛行航線的顯示

為了更加直觀地觀測無人機(jī)的飛行狀態(tài)，地面站將會(huì)接收無人機(jī)傳輸?shù)南滦袪顟B(tài)幀并將其進(jìn)行解析，得到無人機(jī)當(dāng)前的經(jīng)緯度坐標(biāo)與航向，將此數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)在預(yù)先設(shè)定好的保存實(shí)際航點(diǎn)的數(shù)組中，再按照順序取出該數(shù)組中保存的經(jīng)緯度坐標(biāo)，通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換原理轉(zhuǎn)換成屏幕坐標(biāo)后繪制并顯示在地圖上，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)飛行航跡的實(shí)時(shí)顯示。

航跡點(diǎn)的繪制分為航點(diǎn)繪制和航線繪制兩部分。航點(diǎn)繪制需要使用到MFC中CDC類的Ellipse()成員函數(shù)，Ellipse()函數(shù)原型為：BOOLCDC::Ellipse(intx1,inty1,intx2,inty2)，參數(shù)x1、y1、x2、y2的值通過該航點(diǎn)的屏幕坐標(biāo)來確定。航線繪制需要使用MoveTo()和LineTo()這兩個(gè)繪圖函數(shù)，函數(shù)原型分別為：BOOLCDC::MoveTo(intx,inty);BOOLCDC::LineTo(intx,inty)。MoveTo()函數(shù)的參數(shù)為前一航點(diǎn)的屏幕坐標(biāo)值，LineTo()函數(shù)的參數(shù)為下一航點(diǎn)的屏幕坐標(biāo)值，航點(diǎn)之間用直線連接起來形成航線。為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)更新航點(diǎn)信息，在程序中添加一個(gè)定時(shí)器，達(dá)到定時(shí)時(shí)間就對(duì)航線進(jìn)行重繪操作，實(shí)現(xiàn)電子地圖上實(shí)時(shí)顯示飛行航線。圖4為航點(diǎn)繪制流程圖，航線繪制流程與航點(diǎn)繪制流程類似，不在此贅述。

圖4 航點(diǎn)繪制流程圖

2.2.5 飛行航線的保存

為了能夠在無人機(jī)飛行任務(wù)完成后將飛行航線記錄并保存下來便于查看，本文設(shè)計(jì)了航跡線保存功能。在地圖顯示窗口的菜單欄上創(chuàng)建一個(gè)“保存航線”子菜單，點(diǎn)擊該子菜單即可將當(dāng)前界面上顯示的航線添加為地圖圖片上的元素并保存為JPG格式的圖片，存入目標(biāo)文件夾。

首先創(chuàng)建一個(gè)內(nèi)存DC并將目標(biāo)地圖文件選入，需要調(diào)用ImageStone類庫中FCImageDrawDC類的成員函數(shù)FCImageDrawDC(HBITMAPhBMP)來實(shí)現(xiàn)。航跡線的繪制流程可以參照?qǐng)D4，但由于此時(shí)航點(diǎn)繪制的參照為地圖文件，因此在進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換時(shí)不能直接轉(zhuǎn)換成屏幕坐標(biāo)，而是轉(zhuǎn)換成相對(duì)于地圖文件的坐標(biāo)，設(shè)某航點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)為(lon,lat)，轉(zhuǎn)換后的坐標(biāo)為(a,b)，使用如下公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換：

(6)

由于此時(shí)的設(shè)備兼容描述表是創(chuàng)建所得，因此航點(diǎn)繪制與航線繪制所使用的繪圖函數(shù)需要做相應(yīng)的修改，本文使用BOOLEllipse(HDChdc,intnLeftRect,intnTopRect,intnRightRect,intnBottomRect)來繪制航點(diǎn)，函數(shù)中參數(shù)hdc的值為前面所創(chuàng)建的內(nèi)存DC的句柄。同時(shí)，繪制航線的函數(shù)也需更換為WindowsAPI函數(shù)MoveToEx()和LineTo()，函數(shù)原型分別為：

BOOL_stdcallMoveToEx(HDChdc,intx,inty,LPOINTlppt)；

BOOL_stdcallLineTo(HDChdc,intx,inty)

同樣地，參數(shù)hdc為所創(chuàng)建的內(nèi)存DC的句柄。

2.2.6 測試結(jié)果分析

電子導(dǎo)航地圖模塊開發(fā)完成以后，為了實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航電子地圖模塊的功能測試與分析，本文將該模塊與無人機(jī)遙測仿真系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。該實(shí)驗(yàn)所需的無人機(jī)飛行過程中從機(jī)載端機(jī)傳輸回來的坐標(biāo)由工程車的運(yùn)行坐標(biāo)代替，導(dǎo)航電子地圖模塊與遙測仿真系統(tǒng)之間采用串口通信，在向遙測仿真系統(tǒng)發(fā)送接收數(shù)據(jù)的指令之后開始實(shí)時(shí)監(jiān)測工程車的運(yùn)行狀況，將傳輸回來的坐標(biāo)實(shí)時(shí)繪制在電子地圖界面上。

測試結(jié)果表明該軟件能夠正常實(shí)現(xiàn)電子地圖的顯示、平移及縮放；該軟件能夠準(zhǔn)確、清晰地在電子地圖上繪制出規(guī)劃航線，順利接收遙測數(shù)據(jù)并進(jìn)行解析，根據(jù)解析之后的經(jīng)緯度信息能夠準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地在地圖上繪制出實(shí)時(shí)航跡線；測試結(jié)束之后該軟件能夠完成飛行航線的保存功能，將此次飛行數(shù)據(jù)完整保存以便查看。圖5為實(shí)時(shí)運(yùn)行的測試結(jié)果，圖中黑色的線為規(guī)劃航線，白色的線為實(shí)際航線。

圖5 測試結(jié)果圖

3 結(jié)束語

本文基于Web墨卡托投影技術(shù)，建立了一個(gè)導(dǎo)航信息可視化良好的顯示界面。地圖資源的獲取簡單快捷，可以根據(jù)用戶需要下載不同分辨率、不同范圍的地圖文件。該軟件對(duì)于電子地圖的操作簡單靈活，提高了無人機(jī)系統(tǒng)的導(dǎo)航能力。由于開發(fā)過程中不需要與其他GIS軟件結(jié)合使用，具有很好的獨(dú)立性，該電子導(dǎo)航地圖模塊可以靈活地植入到其他導(dǎo)航測控系統(tǒng)中，也可以在此基礎(chǔ)上拓展其他功能，所設(shè)計(jì)的顯示系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于無人機(jī)地面測控站。

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Design of Navigation Electronic Map Based on Web Mercator

He Birong, Cai Qian

(College of Automation, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 211100,China)

Aimed at the restricted navigation module of unmanned aerial vehicle(UAV) ground control station(GCS), this paper designed a navigation electronic map based on Web Mercator. This module simplified the electronic map making by using ImageStone class library, and achieved the function of map plotting, translation, and zoom. On this basis, the paper completed route planning, real-time display of the route, saving the data and etc. The design of the navigation electronic map greatly increased the real-time display in the fusion of electronic map and navigation information. The test of UAV simulation system verified the rationality and availability of the design, the navigation electronic map can finish the navigation task efficiently and accurately.

web Mercator; navigation electronic map; unmanned aerial vehicle (UAV); ground control station(GCS)

2016-07-14；

2016-08-31。

何碧容(1993-),女，湖北天門人，碩士研究生，主要從事計(jì)算機(jī)測控技術(shù)、信號(hào)處理、嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用方向的研究。

1671-4598(2017)01-0119-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.01.034

TP311.5

A