薛 峰，劉一超，李 慧，鄭媛媛

（1.空軍石家莊飛行學(xué)院 信息管理中心，河北 石家莊050081；2.河北經(jīng)貿(mào)大學(xué) 人文學(xué)院，河北 石家莊050061）

目前絕大多數(shù)飛機(jī)都安裝了飛行參數(shù)記錄系統(tǒng)FDR（Flight Data Recorder），F(xiàn)DR記錄了飛機(jī)在空中的飛行姿態(tài)、速度、高度、地理位置等信息。利用飛行參數(shù)逼真地再現(xiàn)飛行過(guò)程，能為飛行安全分析、飛行事故調(diào)查、飛行訓(xùn)練質(zhì)量評(píng)估、飛行員操縱品質(zhì)評(píng)估提供準(zhǔn)確、客觀(guān)的依據(jù)[1]。飛行過(guò)程再現(xiàn)是在模擬真實(shí)三維地形環(huán)境的基礎(chǔ)上，根據(jù)飛行參數(shù)重現(xiàn)飛機(jī)的空中姿態(tài)、繪制飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)航跡和飛機(jī)的飛行軌跡垂面，直觀(guān)、逼真地再現(xiàn)飛機(jī)的飛行過(guò)程。以往的飛行過(guò)程還原系統(tǒng)需要依靠計(jì)算機(jī)圖形工作站和視景生成系統(tǒng)，這種方式可以獲得完美的飛行回放逼真效果，但由于機(jī)器笨重、價(jià)格昂貴、維修成本高，故不能全面推廣[2]。因此開(kāi)發(fā)一種低成本的、能夠在普通配置電腦上運(yùn)行的飛機(jī)飛行過(guò)程再現(xiàn)系統(tǒng)迫在眉睫。本文基于成熟、先進(jìn)的Skyline技術(shù)開(kāi)發(fā)了一個(gè)飛行過(guò)程再現(xiàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠完整、準(zhǔn)確、逼真地再現(xiàn)飛行過(guò)程，可使每一位飛行人員在講評(píng)室或休息室里即可方便地再現(xiàn)當(dāng)天的飛行過(guò)程，幫助他們檢查當(dāng)天飛行質(zhì)量、提高飛行技術(shù)。

1 Skyline的組成與特點(diǎn)

Skyline軟件系統(tǒng)公司是全球領(lǐng)先的三維空間地理信息可視化軟件供應(yīng)商。Skyline軟件主要包括Terra Builder、Terra Gate和Terra Explorer 3種產(chǎn)品，它 們?yōu)閿?shù)據(jù)生產(chǎn)、編輯、互聯(lián)網(wǎng)發(fā)布提供了成熟的解決方案，給用戶(hù)提供一站式服務(wù)，并開(kāi)放了所有的API，不論是在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中還是單機(jī)應(yīng)用，讓用戶(hù)能夠根據(jù)自己的需求定制功能，建立個(gè)性化的三維地理信息系統(tǒng)，通過(guò)三維交互的方式來(lái)展示大量的空間地理數(shù)據(jù)，并在此基礎(chǔ)上整合自身的業(yè)務(wù)平臺(tái)。使用Skyline系列交互應(yīng)用程序，用戶(hù)可以創(chuàng)建自定義的虛擬三維可視化場(chǎng)景，并進(jìn)行瀏覽、查詢(xún)和分析。三維可視場(chǎng)景由航空和衛(wèi)星影像、地形高程數(shù)據(jù)和其他的二維及三維信息層融合而成。Skyline具有獨(dú)特的功能，不需要數(shù)據(jù)預(yù)處理，能夠快速融合不同的、分布式的實(shí)時(shí)傳輸?shù)脑磾?shù)據(jù)，快速創(chuàng)建實(shí)時(shí)的三維交互式環(huán)境。鑒于此，本文選擇Skyline作為飛行過(guò)程再現(xiàn)開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)平臺(tái)。

2 飛行過(guò)程再現(xiàn)的前期準(zhǔn)備

2.1 三維數(shù)據(jù)發(fā)布和三維數(shù)據(jù)顯示

首先利用Terra Builder將空域內(nèi)1 m分辨率的遙感影像和30 m分辨率的高程數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)縫拼接，生成遙感地形文件（*.mpt），其中遙感影像來(lái)源于Google Earth，高程數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院科學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)SRTM數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)；然后利用Terra Gate將生成的地形文件在服務(wù)器上進(jìn)行發(fā)布；再利用TerraExplore Pro建立*.Fly工程，分別引入發(fā)布的遙感地形文件，并添加三維飛機(jī)模型和三維立體空域；最后利用IIS將*.Fly工程在服務(wù)器上進(jìn)行發(fā)布?？蛻?hù)端的三維顯示控件通過(guò)讀取服務(wù)器發(fā)布的*.Fly文件即可進(jìn)行三維場(chǎng)景的顯示。

2.2 飛機(jī)模型的建立

為了形象、逼真地模擬較為復(fù)雜的飛機(jī)結(jié)構(gòu)及以后控制的方便，首先利用3DMAX 9.0對(duì)飛機(jī)的部件如起落架、升降舵等進(jìn)行三維建模，然后將各部件放在統(tǒng)一的坐標(biāo)系中組合，生成完整的飛機(jī)模型。建立的模型需要輸出成Skyline可以接受的格式如*.xpl、*.xpc等。這里采用Pander插件將3DMAX中的飛機(jī)模型轉(zhuǎn)換為*.xpl格式。其中xpl速度更快，網(wǎng)絡(luò)發(fā)布較之xpc更有優(yōu)勢(shì)。

3 飛行過(guò)程的再現(xiàn)

3.1 總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)層、邏輯層、表現(xiàn)層3層結(jié)構(gòu)。表現(xiàn)層主要負(fù)責(zé)與用戶(hù)進(jìn)行交互，提供飛行回放控制、飛行航跡繪制、飛行垂面繪制、飛行飄帶繪制等功能；邏輯層是為表現(xiàn)層服務(wù)，提供各種服務(wù)接口，負(fù)責(zé)與Terra Explore提供接口交互；數(shù)據(jù)層負(fù)責(zé)提供地形數(shù)據(jù)、飛行數(shù)據(jù)包和飛機(jī)模型，如圖1所示。

圖1 飛行過(guò)程再現(xiàn)總體設(shè)計(jì)

3.2 詳細(xì)流程

系統(tǒng)首先一次性把飛行數(shù)據(jù)讀入內(nèi)存中，然后加載*.mpt格式的三維場(chǎng)景文件到3D顯示控件中，依靠時(shí)鐘函數(shù)Timer按照一定的時(shí)鐘頻率讀取內(nèi)存中已經(jīng)建立好的索引飛行數(shù)據(jù)，利用Terra Explore提供的二次開(kāi)發(fā)接口和3D顯示控件，真實(shí)還原飛機(jī)的位置和姿態(tài)信息，其主要流程如圖2所示。

圖2 飛行過(guò)程再現(xiàn)詳細(xì)流程

3.3 軌跡與姿態(tài)分析

本系統(tǒng)為更便于飛機(jī)的飛行過(guò)程和飛行姿態(tài)的分析，提供了飛行回放控制、觀(guān)察視角視距調(diào)整、飛行航跡繪制、飛行垂面繪制和飛行飄帶繪制等功能?；胤趴刂瓢?倍快放、1/2慢放和拖放功能?？旆藕吐诺膶?shí)現(xiàn)原理主要是調(diào)整時(shí)鐘函數(shù)Timer的運(yùn)行周期，周期變大則讀取內(nèi)存中數(shù)據(jù)的頻率慢，周期變小則讀取內(nèi)存中數(shù)據(jù)的頻率快。拖放的實(shí)現(xiàn)：首先通過(guò)建立時(shí)間與飛行參數(shù)序列的索引值，拖動(dòng)進(jìn)度條上的滑塊，得到拖放后的時(shí)間索引值，再根據(jù)索引值去更新飛機(jī)的位置和姿態(tài)信息。使用戶(hù)通過(guò)拖放進(jìn)度條將飛機(jī)置于任意期望到達(dá)的位置，滿(mǎn)足反復(fù)、連續(xù)、仔細(xì)觀(guān)察的需要。觀(guān)察視角是指飛機(jī)相對(duì)于觀(guān)察者的方位角，視角調(diào)整功能提供東、南、西、北、上和地面6個(gè)角度可以使用戶(hù)根據(jù)需要在飛機(jī)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中隨時(shí)選擇適合觀(guān)察的視角。觀(guān)察視距是指飛機(jī)相對(duì)于觀(guān)察者的遠(yuǎn)近，使用者可以通過(guò)鼠標(biāo)滾輪控制觀(guān)察飛機(jī)的距離，得到最佳的觀(guān)察效果。觀(guān)察視角和視距的控制主要通過(guò)IPlane5接口中的MovePosition方法實(shí)現(xiàn)。飛行航跡繪制、飛行垂面繪制和飛行飄帶繪制在三維地形中分別繪制出飛機(jī)的軌跡、垂面和飄帶，飛行航跡展現(xiàn)了飛行過(guò)程中飛機(jī)與地面位置之間的關(guān)系，飛行垂面直觀(guān)刻畫(huà)了飛行過(guò)程中飛機(jī)高度的變化和地面地形之間的位置關(guān)系，直觀(guān)展現(xiàn)飛機(jī)運(yùn)動(dòng)變化，滿(mǎn)足對(duì)復(fù)雜飛機(jī)狀態(tài)變化的描述，利于對(duì)飛機(jī)飛行過(guò)程中的動(dòng)作進(jìn)行分析。

3.4 程序演示

程序開(kāi)發(fā)平臺(tái)配置為：Inter（R）Core（TM）i5-2410M CPU 2.30 GHz，2 GB內(nèi) 存，NVIDIA NVS 4200 M顯 卡，編程環(huán)境為Windows 7操作系統(tǒng)，Visual Studio 2010開(kāi)發(fā)平臺(tái)。該程序可在普通筆記本電腦上流暢運(yùn)行。圖3是程序運(yùn)行界面。

圖3 程序運(yùn)行界面

本文利用Skyline技術(shù)實(shí)現(xiàn)了在普通配置的PC機(jī)上逼真地再現(xiàn)飛機(jī)的飛行過(guò)程，畫(huà)面連貫、無(wú)抖動(dòng)和跳躍，并實(shí)現(xiàn)了從不同角度觀(guān)察飛機(jī)飛行姿態(tài)。為飛行人員檢查飛行質(zhì)量、提高飛行技術(shù)提供了行之有效的技術(shù)手段，同時(shí)也為飛行安全分析、飛行事故調(diào)查提供了準(zhǔn)確、客觀(guān)的參考依據(jù)。

[1]倪世宏.基于Directx技術(shù)的飛機(jī)飛行過(guò)程再現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程，2004（24）：131.

[2]付戰(zhàn)平，邸亞洲，尚希良，等.基于OpenGL的飛行過(guò)程再現(xiàn)與仿真[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2002（9）：1197.

[3]周美娟.基于Skyline的公安三維GIS展現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)[J].測(cè)繪科學(xué)，2011（3）：213-215.