基于Skyline技術的飛行過程再現

薛 峰，劉一超，李 慧，鄭媛媛

（1.空軍石家莊飛行學院 信息管理中心，河北 石家莊050081；2.河北經貿大學 人文學院，河北 石家莊050061）

目前絕大多數飛機都安裝了飛行參數記錄系統FDR（Flight Data Recorder），FDR記錄了飛機在空中的飛行姿態、速度、高度、地理位置等信息。利用飛行參數逼真地再現飛行過程，能為飛行安全分析、飛行事故調查、飛行訓練質量評估、飛行員操縱品質評估提供準確、客觀的依據[1]。飛行過程再現是在模擬真實三維地形環境的基礎上，根據飛行參數重現飛機的空中姿態、繪制飛機的運動航跡和飛機的飛行軌跡垂面，直觀、逼真地再現飛機的飛行過程。以往的飛行過程還原系統需要依靠計算機圖形工作站和視景生成系統，這種方式可以獲得完美的飛行回放逼真效果，但由于機器笨重、價格昂貴、維修成本高，故不能全面推廣[2]。因此開發一種低成本的、能夠在普通配置電腦上運行的飛機飛行過程再現系統迫在眉睫。本文基于成熟、先進的Skyline技術開發了一個飛行過程再現系統，該系統能夠完整、準確、逼真地再現飛行過程，可使每一位飛行人員在講評室或休息室里即可方便地再現當天的飛行過程，幫助他們檢查當天飛行質量、提高飛行技術。

1 Skyline的組成與特點

Skyline軟件系統公司是全球領先的三維空間地理信息可視化軟件供應商。Skyline軟件主要包括Terra Builder、Terra Gate和Terra Explorer 3種產品，它 們為數據生產、編輯、互聯網發布提供了成熟的解決方案，給用戶提供一站式服務，并開放了所有的API，不論是在網絡環境中還是單機應用，讓用戶能夠根據自己的需求定制功能，建立個性化的三維地理信息系統，通過三維交互的方式來展示大量的空間地理數據，并在此基礎上整合自身的業務平臺。使用Skyline系列交互應用程序，用戶可以創建自定義的虛擬三維可視化場景，并進行瀏覽、查詢和分析。三維可視場景由航空和衛星影像、地形高程數據和其他的二維及三維信息層融合而成。Skyline具有獨特的功能，不需要數據預處理，能夠快速融合不同的、分布式的實時傳輸的源數據，快速創建實時的三維交互式環境。鑒于此，本文選擇Skyline作為飛行過程再現開發的基礎平臺。

2 飛行過程再現的前期準備

2.1 三維數據發布和三維數據顯示

首先利用Terra Builder將空域內1 m分辨率的遙感影像和30 m分辨率的高程數據進行無縫拼接，生成遙感地形文件（*.mpt），其中遙感影像來源于Google Earth，高程數據來源于中國科學院科學數據庫SRTM數據服務系統；然后利用Terra Gate將生成的地形文件在服務器上進行發布；再利用TerraExplore Pro建立*.Fly工程，分別引入發布的遙感地形文件，并添加三維飛機模型和三維立體空域；最后利用IIS將*.Fly工程在服務器上進行發布。客戶端的三維顯示控件通過讀取服務器發布的*.Fly文件即可進行三維場景的顯示。

2.2 飛機模型的建立

為了形象、逼真地模擬較為復雜的飛機結構及以后控制的方便，首先利用3DMAX 9.0對飛機的部件如起落架、升降舵等進行三維建模，然后將各部件放在統一的坐標系中組合，生成完整的飛機模型。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中的飛機模型轉換為*.xpl格式。其中xpl速度更快，網絡發布較之xpc更有優勢。

3 飛行過程的再現

3.1 總體設計

系統分為數據層、邏輯層、表現層3層結構。表現層主要負責與用戶進行交互，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；邏輯層是為表現層服務，提供各種服務接口，負責與Terra Explore提供接口交互；數據層負責提供地形數據、飛行數據包和飛機模型，如圖1所示。

圖1 飛行過程再現總體設計

3.2 詳細流程

系統首先一次性把飛行數據讀入內存中，然后加載*.mpt格式的三維場景文件到3D顯示控件中，依靠時鐘函數Timer按照一定的時鐘頻率讀取內存中已經建立好的索引飛行數據，利用Terra Explore提供的二次開發接口和3D顯示控件，真實還原飛機的位置和姿態信息，其主要流程如圖2所示。

圖2 飛行過程再現詳細流程

3.3 軌跡與姿態分析

本系統為更便于飛機的飛行過程和飛行姿態的分析，提供了飛行回放控制、觀察視角視距調整、飛行航跡繪制、飛行垂面繪制和飛行飄帶繪制等功能。回放控制包括2倍快放、1/2慢放和拖放功能。快放和慢放的實現原理主要是調整時鐘函數Timer的運行周期，周期變大則讀取內存中數據的頻率慢，周期變小則讀取內存中數據的頻率快。拖放的實現：首先通過建立時間與飛行參數序列的索引值，拖動進度條上的滑塊，得到拖放后的時間索引值，再根據索引值去更新飛機的位置和姿態信息。使用戶通過拖放進度條將飛機置于任意期望到達的位置，滿足反復、連續、仔細觀察的需要。觀察視角是指飛機相對于觀察者的方位角，視角調整功能提供東、南、西、北、上和地面6個角度可以使用戶根據需要在飛機運動過程中隨時選擇適合觀察的視角。觀察視距是指飛機相對于觀察者的遠近，使用者可以通過鼠標滾輪控制觀察飛機的距離，得到最佳的觀察效果。觀察視角和視距的控制主要通過IPlane5接口中的MovePosition方法實現。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的軌跡、垂面和飄帶，飛行航跡展現了飛行過程中飛機與地面位置之間的關系，飛行垂面直觀刻畫了飛行過程中飛機高度的變化和地面地形之間的位置關系，直觀展現飛機運動變化，滿足對復雜飛機狀態變化的描述，利于對飛機飛行過程中的動作進行分析。

3.4 程序演示

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

圖3 程序運行界面

本文利用Skyline技術實現了在普通配置的PC機上逼真地再現飛機的飛行過程，畫面連貫、無抖動和跳躍，并實現了從不同角度觀察飛機飛行姿態。為飛行人員檢查飛行質量、提高飛行技術提供了行之有效的技術手段，同時也為飛行安全分析、飛行事故調查提供了準確、客觀的參考依據。

[1]倪世宏.基于Directx技術的飛機飛行過程再現[J].計算機工程，2004（24）：131.

[2]付戰平，邸亞洲，尚希良，等.基于OpenGL的飛行過程再現與仿真[J].系統仿真學報，2002（9）：1197.

[3]周美娟.基于Skyline的公安三維GIS展現應用系統[J].測繪科學，2011（3）：213-215.