基于Skyline技术的飞行过程再现

2013-03-11刘一超郑媛媛

网络安全与数据管理 2013年17期

薛峰，刘一超，李慧，郑媛媛

（1.空军石家庄飞行学院信息管理中心，河北石家庄050081；2.河北经贸大学人文学院，河北石家庄050061）

目前绝大多数飞机都安装了飞行参数记录系统FDR（Flight Data Recorder），FDR记录了飞机在空中的飞行姿态、速度、高度、地理位置等信息。利用飞行参数逼真地再现飞行过程，能为飞行安全分析、飞行事故调查、飞行训练质量评估、飞行员操纵品质评估提供准确、客观的依据[1]。飞行过程再现是在模拟真实三维地形环境的基础上，根据飞行参数重现飞机的空中姿态、绘制飞机的运动航迹和飞机的飞行轨迹垂面，直观、逼真地再现飞机的飞行过程。以往的飞行过程还原系统需要依靠计算机图形工作站和视景生成系统，这种方式可以获得完美的飞行回放逼真效果，但由于机器笨重、价格昂贵、维修成本高，故不能全面推广[2]。因此开发一种低成本的、能够在普通配置电脑上运行的飞机飞行过程再现系统迫在眉睫。本文基于成熟、先进的Skyline技术开发了一个飞行过程再现系统，该系统能够完整、准确、逼真地再现飞行过程，可使每一位飞行人员在讲评室或休息室里即可方便地再现当天的飞行过程，帮助他们检查当天飞行质量、提高飞行技术。

1 Skyline的组成与特点

Skyline软件系统公司是全球领先的三维空间地理信息可视化软件供应商。Skyline软件主要包括Terra Builder、Terra Gate和Terra Explorer 3种产品，它们为数据生产、编辑、互联网发布提供了成熟的解决方案，给用户提供一站式服务，并开放了所有的API，不论是在网络环境中还是单机应用，让用户能够根据自己的需求定制功能，建立个性化的三维地理信息系统，通过三维交互的方式来展示大量的空间地理数据，并在此基础上整合自身的业务平台。使用Skyline系列交互应用程序，用户可以创建自定义的虚拟三维可视化场景，并进行浏览、查询和分析。三维可视场景由航空和卫星影像、地形高程数据和其他的二维及三维信息层融合而成。Skyline具有独特的功能，不需要数据预处理，能够快速融合不同的、分布式的实时传输的源数据，快速创建实时的三维交互式环境。鉴于此，本文选择Skyline作为飞行过程再现开发的基础平台。

2 飞行过程再现的前期准备

2.1 三维数据发布和三维数据显示

首先利用Terra Builder将空域内1 m分辨率的遥感影像和30 m分辨率的高程数据进行无缝拼接，生成遥感地形文件（*.mpt），其中遥感影像来源于Google Earth，高程数据来源于中国科学院科学数据库SRTM数据服务系统；然后利用Terra Gate将生成的地形文件在服务器上进行发布；再利用TerraExplore Pro建立*.Fly工程，分别引入发布的遥感地形文件，并添加三维飞机模型和三维立体空域；最后利用IIS将*.Fly工程在服务器上进行发布。客户端的三维显示控件通过读取服务器发布的*.Fly文件即可进行三维场景的显示。

2.2 飞机模型的建立

为了形象、逼真地模拟较为复杂的飞机结构及以后控制的方便，首先利用3DMAX 9.0对飞机的部件如起落架、升降舵等进行三维建模，然后将各部件放在统一的坐标系中组合，生成完整的飞机模型。建立的模型需要输出成Skyline可以接受的格式如*.xpl、*.xpc等。这里采用Pander插件将3DMAX中的飞机模型转换为*.xpl格式。其中xpl速度更快，网络发布较之xpc更有优势。

3 飞行过程的再现

3.1 总体设计

系统分为数据层、逻辑层、表现层3层结构。表现层主要负责与用户进行交互，提供飞行回放控制、飞行航迹绘制、飞行垂面绘制、飞行飘带绘制等功能；逻辑层是为表现层服务，提供各种服务接口，负责与Terra Explore提供接口交互；数据层负责提供地形数据、飞行数据包和飞机模型，如图1所示。

图1 飞行过程再现总体设计

3.2 详细流程

系统首先一次性把飞行数据读入内存中，然后加载*.mpt格式的三维场景文件到3D显示控件中，依靠时钟函数Timer按照一定的时钟频率读取内存中已经建立好的索引飞行数据，利用Terra Explore提供的二次开发接口和3D显示控件，真实还原飞机的位置和姿态信息，其主要流程如图2所示。

图2 飞行过程再现详细流程

3.3 轨迹与姿态分析

本系统为更便于飞机的飞行过程和飞行姿态的分析，提供了飞行回放控制、观察视角视距调整、飞行航迹绘制、飞行垂面绘制和飞行飘带绘制等功能。回放控制包括2倍快放、1/2慢放和拖放功能。快放和慢放的实现原理主要是调整时钟函数Timer的运行周期，周期变大则读取内存中数据的频率慢，周期变小则读取内存中数据的频率快。拖放的实现：首先通过建立时间与飞行参数序列的索引值，拖动进度条上的滑块，得到拖放后的时间索引值，再根据索引值去更新飞机的位置和姿态信息。使用户通过拖放进度条将飞机置于任意期望到达的位置，满足反复、连续、仔细观察的需要。观察视角是指飞机相对于观察者的方位角，视角调整功能提供东、南、西、北、上和地面6个角度可以使用户根据需要在飞机运动过程中随时选择适合观察的视角。观察视距是指飞机相对于观察者的远近，使用者可以通过鼠标滚轮控制观察飞机的距离，得到最佳的观察效果。观察视角和视距的控制主要通过IPlane5接口中的MovePosition方法实现。飞行航迹绘制、飞行垂面绘制和飞行飘带绘制在三维地形中分别绘制出飞机的轨迹、垂面和飘带，飞行航迹展现了飞行过程中飞机与地面位置之间的关系，飞行垂面直观刻画了飞行过程中飞机高度的变化和地面地形之间的位置关系，直观展现飞机运动变化，满足对复杂飞机状态变化的描述，利于对飞机飞行过程中的动作进行分析。