祁 春，霍朝暉，劉成玉，覃楊森

（中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院 陜西 西安 710089）

飛行試驗(yàn)是飛機(jī)及相關(guān)航空產(chǎn)品設(shè)計(jì)定型的重要階段，具有技術(shù)綜合性強(qiáng)、風(fēng)險(xiǎn)性大、耗資大、周期長(zhǎng)等特點(diǎn)[1]。隨著近年來(lái)新機(jī)和改型機(jī)大量涌現(xiàn)，加之風(fēng)險(xiǎn)科目、極限科目不斷增加，飛行試驗(yàn)對(duì)安全、質(zhì)量和科目架次有效性的要求更加苛刻和嚴(yán)格，而地面遙測(cè)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)在這些方面起著至關(guān)重要的作用。傳統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件多采用數(shù)據(jù)列表、數(shù)據(jù)表格和二維曲線圖等形式反映飛機(jī)的過(guò)程和狀態(tài)，直觀性差、難以準(zhǔn)確把握參數(shù)間的相關(guān)性和發(fā)掘數(shù)據(jù)的本質(zhì)特征[2-3]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖像技術(shù)、多媒體等技術(shù)的發(fā)展，可視化三維仿真在飛行試驗(yàn)中得到青睞，它利用人的視覺(jué)特性，將飛行數(shù)據(jù)以圖像形式展示，真實(shí)感和視覺(jué)感強(qiáng)[4]，利于對(duì)飛行整體狀態(tài)的把握，而且試飛結(jié)束后還可利用回放形式逼真再現(xiàn)飛行全過(guò)程，可作為事后分析的重要依據(jù)。文中詳細(xì)介紹了基于三維仿真的飛行姿態(tài)和航跡監(jiān)控軟件的總體設(shè)計(jì)架構(gòu)、主要模塊的功能和設(shè)計(jì)方法。實(shí)際應(yīng)用表明：三維模型驅(qū)動(dòng)和場(chǎng)景設(shè)計(jì)滿(mǎn)足型號(hào)試飛要求，人機(jī)接口友好，畫(huà)面運(yùn)行穩(wěn)定、流暢，在保障試飛任務(wù)的高質(zhì)量完成和安全上發(fā)揮著重要作用。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

飛行姿態(tài)與航跡監(jiān)控軟件實(shí)時(shí)接收遙測(cè)數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)目標(biāo)三維模型各部件的動(dòng)作以及在三維場(chǎng)景中運(yùn)動(dòng)，反映出試驗(yàn)機(jī)的姿態(tài)、位置和航跡等信息。根據(jù)試驗(yàn)任務(wù)需求，軟件的總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。整個(gè)軟件在結(jié)構(gòu)上主要由數(shù)據(jù)源管理、試驗(yàn)任務(wù)管理、三維姿態(tài)顯示和地圖航跡顯示等部分組成。

圖1 軟件總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of the software

2 模塊設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)源管理

數(shù)據(jù)源管理主要對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)）的網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)平滑處理和試驗(yàn)任務(wù)結(jié)束后的數(shù)據(jù)回放進(jìn)行管理。模塊直接從系統(tǒng)任務(wù)中提取目標(biāo)飛機(jī)的試驗(yàn)參數(shù)和運(yùn)行所需的相關(guān)信息，自動(dòng)與實(shí)時(shí)系統(tǒng)建立網(wǎng)絡(luò)連接。同時(shí)，對(duì)提取的試驗(yàn)參數(shù)按照規(guī)定的格式進(jìn)行字符串組合，以TCP方式發(fā)送至實(shí)時(shí)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)系統(tǒng)依據(jù)參數(shù)字符串對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，提取參數(shù)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為工程數(shù)據(jù)后返回給數(shù)據(jù)接口構(gòu)件。由于遙測(cè)數(shù)據(jù)在傳輸鏈路上會(huì)因干擾產(chǎn)生跳點(diǎn)數(shù)據(jù)，將直接影響到三維飛機(jī)模型的連續(xù)運(yùn)行和地圖航跡線的光滑度。所以，對(duì)接收到的工程數(shù)據(jù)應(yīng)作平滑濾波處理，消除或者減弱跳點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)三維運(yùn)行效果的影響，而數(shù)據(jù)平滑處理的原則是既要消除數(shù)據(jù)中的干擾成分又要保持原有數(shù)據(jù)的變化特性?；谶@一點(diǎn)，本設(shè)計(jì)中采用了五點(diǎn)三次平滑法，利用多項(xiàng)式最小二乘法逼近對(duì)工程數(shù)據(jù)插值濾波和平滑處理，數(shù)據(jù)源管理模塊處理流程如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)源管理模塊處理流程Fig.2 Processing flow of data source management module

另外，數(shù)據(jù)源管理模塊設(shè)計(jì)有回放功能，通過(guò)加載試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)參數(shù)信息和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，設(shè)置回放動(dòng)作，包括回放起止時(shí)間、回放速率等來(lái)再現(xiàn)歷史飛行過(guò)程，可作為飛行演示或者為故障排查提供依據(jù)。

2.2 試驗(yàn)任務(wù)管理

試驗(yàn)任務(wù)管理包括任務(wù)基礎(chǔ)信息管理、參數(shù)管理、目標(biāo)屬性管理和數(shù)據(jù)源類(lèi)型管理。任務(wù)基礎(chǔ)信息管理主要是設(shè)置試驗(yàn)任務(wù)的名稱(chēng)、飛機(jī)代碼、試驗(yàn)時(shí)間、任務(wù)描述等相關(guān)信息，由于數(shù)據(jù)源管理從任務(wù)系統(tǒng)中提取試驗(yàn)參數(shù)是依據(jù)任務(wù)名稱(chēng)進(jìn)行的，所以要求任務(wù)名稱(chēng)具有唯一性。

參數(shù)管理分為試驗(yàn)參數(shù)管理、目標(biāo)驅(qū)動(dòng)參數(shù)管理和虛擬平顯參數(shù)管理等模塊。試驗(yàn)參數(shù)管理模塊對(duì)XML格式的試驗(yàn)參數(shù)文件進(jìn)行解析，讀取試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)的參數(shù)信息，加載到內(nèi)存后進(jìn)行統(tǒng)一管理，并按照飛機(jī)編號(hào)完成試驗(yàn)參數(shù)的分組，具備參數(shù)檢索接口；驅(qū)動(dòng)參數(shù)管理模塊完成模型驅(qū)動(dòng)參數(shù)和試驗(yàn)參數(shù)的一對(duì)一綁定，為了驅(qū)動(dòng)模型運(yùn)行，綁定的試驗(yàn)參數(shù)必須包含經(jīng)度、緯度、高度、俯仰角、橫滾角和航向角等。同時(shí)，該模塊可以將試驗(yàn)參數(shù)的綁定信息存儲(chǔ)至任務(wù)文件當(dāng)中，便于后續(xù)的直接調(diào)用；虛擬平顯參數(shù)管理模塊從平顯配置文件中讀取各顯示元素的參數(shù)名稱(chēng)，并與對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行綁定，用于驅(qū)動(dòng)畫(huà)面各圖形元素的運(yùn)動(dòng)。

目標(biāo)屬性管理主要根據(jù)不同的試驗(yàn)任務(wù)要求選擇對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，由于各試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)自身屬性不同，需要外部提供相應(yīng)的信息驅(qū)動(dòng)來(lái)保證目標(biāo)屬性的正常運(yùn)行，所以目標(biāo)屬性也需要綁定相應(yīng)的試驗(yàn)參數(shù)信息。

數(shù)據(jù)源類(lèi)型管理主要負(fù)責(zé)試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)與實(shí)時(shí)系統(tǒng)接口進(jìn)行綁定，以實(shí)現(xiàn)從對(duì)應(yīng)的實(shí)時(shí)系統(tǒng)通道中獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)以驅(qū)動(dòng)目標(biāo)的運(yùn)行。

2.3 三維姿態(tài)顯示

三維姿態(tài)顯示是軟件的核心部分。主要是利用試飛試驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)模型各部件的動(dòng)作及在三維場(chǎng)景中的運(yùn)行，反映出目標(biāo)飛機(jī)在三維空間中的位置、姿態(tài)和系統(tǒng)狀態(tài)信息。設(shè)計(jì)上分為兩個(gè)階段：三維建模與場(chǎng)景驅(qū)動(dòng)。模型的構(gòu)建要求和真實(shí)試驗(yàn)機(jī)的外觀和尺寸保持一致，建模采用了Multigen公司的Creator軟件，Creator是一款高效的實(shí)時(shí)三維建模工具軟件，擁有針對(duì)實(shí)時(shí)應(yīng)用優(yōu)化的數(shù)據(jù)格式，整合了大量有效的工具來(lái)建立“所見(jiàn)即所得”的層級(jí)可視化數(shù)據(jù)庫(kù)環(huán)境，能夠構(gòu)建高度逼真、高度優(yōu)化的三維模型[5-6]。而驅(qū)動(dòng)場(chǎng)景則采用了真實(shí)的數(shù)字高程數(shù)據(jù)和衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，逼真的顯示了試驗(yàn)場(chǎng)地和周邊的主要建筑物。在利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型各部件動(dòng)作之前，對(duì)有關(guān)位置和姿態(tài)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)均進(jìn)行了濾波和平滑處理，以確保三維模型連續(xù)、穩(wěn)定運(yùn)行。另外，模型的驅(qū)動(dòng)須有目標(biāo)編號(hào)、經(jīng)度、緯度、高度、速度、俯仰角、橫滾角和航向角等試驗(yàn)數(shù)據(jù)。圖3為某民機(jī)模型的三維態(tài)勢(shì)顯示效果圖。

圖3 某民機(jī)模型的三維態(tài)勢(shì)顯示效果圖Fig.3 3D situation operation effect of some civil aircraft module

三維姿態(tài)顯示模塊可以根據(jù)任務(wù)需求選擇空間觀察模式，包括態(tài)勢(shì)觀察模式、跟隨觀察模式和平顯觀察模式。其中，態(tài)勢(shì)觀察模式提供一種三維場(chǎng)景的全局展現(xiàn)，可以方便觀察飛機(jī)歷史航跡線，多機(jī)及目標(biāo)間的相對(duì)位置關(guān)系，以及飛機(jī)當(dāng)前的位置和姿態(tài)，有利于從整體上的把控；跟隨觀察模式是一種近距離觀察模式，可在較近距離觀察目標(biāo)飛機(jī)的姿態(tài)，提供多視角的跟隨觀察，如眩窗視角、中心點(diǎn)視角、尾隨視角、俯視視角等；平顯觀察模式將切換至虛擬平顯界面，并驅(qū)動(dòng)各元素的運(yùn)行。圖形元素采用OpenGL進(jìn)行繪制，并利用雙緩存技術(shù)實(shí)現(xiàn)平滑的動(dòng)畫(huà)表現(xiàn)。圖4為切換至平顯觀察模式的效果圖。

圖4 平顯觀察模式的效果圖Fig.4 Operation effect of virtual HUD observing pattern

2.4 地圖航跡顯示

地圖航跡顯示是重要的輔助功能模塊。該模塊以二維電子地圖為背景，采用中國(guó)2000大地基準(zhǔn)和高斯-克呂格投影進(jìn)行地圖繪制，將1:100萬(wàn)矢量地圖數(shù)據(jù)和1:25萬(wàn)矢量地圖數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加融合處理。其中，1:100萬(wàn)矢量地圖數(shù)據(jù)為全國(guó)背景地圖，1:25萬(wàn)矢量地圖數(shù)據(jù)為試驗(yàn)場(chǎng)地地圖。試驗(yàn)場(chǎng)地采用30 m分辨率還原自然真彩色衛(wèi)星圖片，而機(jī)場(chǎng)附近則采用1 m分辨率還原自然真彩色衛(wèi)星圖片。

地圖中能夠?qū)崟r(shí)顯示目標(biāo)飛機(jī)的位置信息，當(dāng)觀察的目標(biāo)不在屏幕顯示范圍內(nèi)時(shí)，可通過(guò)選擇觀察目標(biāo)進(jìn)行定位顯示，目標(biāo)將自動(dòng)定位到窗口的中心，特別是在多目標(biāo)任務(wù)中，可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)間的自由切換。同時(shí)，能夠?qū)崟r(shí)顯示目標(biāo)的飛行航跡，能夠通過(guò)航跡屬性接口控制航跡顯示的點(diǎn)數(shù)和顏色，并具有顯示和清除航跡的功能，以滿(mǎn)足試驗(yàn)任務(wù)需求。為了更好的反映出飛機(jī)的狀態(tài)，在二維地圖上提供了標(biāo)牌顯示控制，能夠?qū)崟r(shí)顯示目標(biāo)編號(hào)、時(shí)間、經(jīng)度、緯度、海拔高度、速度和航向等參數(shù)信息，能夠隨目標(biāo)同步移動(dòng)。另外，設(shè)計(jì)有縮放（包括按比例縮放和無(wú)極縮放）、漫游、圖層控制和距離測(cè)量等輔助功能手段。圖5為地圖航跡整體到局部的縮放顯示效果。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著三維仿真技術(shù)的成熟應(yīng)用，在飛行試驗(yàn)領(lǐng)域也越來(lái)越得到青睞。飛行姿態(tài)與航跡監(jiān)控軟件采用高效實(shí)時(shí)三維建模工具軟件Creator按照真實(shí)試驗(yàn)機(jī)外觀和尺寸對(duì)目標(biāo)飛機(jī)進(jìn)行建模，結(jié)合真實(shí)的數(shù)字高程數(shù)據(jù)和衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)建立了逼真的驅(qū)動(dòng)場(chǎng)景，多空間觀察模式使得可以從不同角度反映出飛機(jī)的當(dāng)前狀態(tài)。而地圖航跡顯示模塊能夠?qū)崟r(shí)顯示目標(biāo)位置和航跡信息，對(duì)整體信息的把握具有很重要的輔助作用。同時(shí)，軟件的回放功能能夠逼真再現(xiàn)飛行全過(guò)程，可作為飛行演示和事后分析的一種重要手段。

圖5 地圖航跡縮放顯示效果Fig.5 Zooming operation effect of electronic map

飛行姿態(tài)與航跡監(jiān)控軟件采用了分層設(shè)計(jì)和功能模塊化設(shè)計(jì)思想，有效控制了各個(gè)分系統(tǒng)、功能組件間的耦合關(guān)系，便于軟件的維護(hù)和升級(jí)。該軟件的成功研制，利于從全局和多個(gè)角度掌握目標(biāo)的姿態(tài)、位置和系統(tǒng)狀態(tài)信息，以準(zhǔn)確作出試飛決策，在提高試飛效率和保障試飛安全方面發(fā)揮著重要作用。

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