試飛監(jiān)控電子地圖設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要： 電子地圖的直觀性、可閱讀性越來(lái)越來(lái)被各行各業(yè)所青睞，飛行試驗(yàn)是飛機(jī)在一定的空域進(jìn)行的風(fēng)險(xiǎn)性試驗(yàn)，其對(duì)地理信息的依賴更加強(qiáng)烈。在對(duì)試飛監(jiān)控電子地圖的功能需求分析后，提出了運(yùn)用MapX組件與可視化高級(jí)語(yǔ)言相結(jié)合的開(kāi)發(fā)模式，重點(diǎn)對(duì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析，提出了解決地理信息系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的方法，使非專業(yè)開(kāi)發(fā)者同樣能得心應(yīng)手地開(kāi)發(fā)出符合用戶需求的地理信息系統(tǒng)產(chǎn)品。

關(guān)鍵詞： 飛行試驗(yàn)； 電子地圖； GIS； MapX

中圖分類號(hào)： TN711?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2013）13?0131?03

Design and implementation of flight?test monitoring electronic map

WANG Yan?lu， LIU Yu?qiao

（Chinese Flight Test Establishment， Xi’an 710089， China）

Abstract： Electronic map gets more and more popular due to its visualized and readable features. Flight test is a risky experimentation in certain airspace， and it heavily relies on geography information. After the analysis of the functional requirement of flight test monitoring electronic map， an development mode combining MapX groupware and visualized high?level language is proposed in this paper. We particularly analyze the key technologies during development process and bring forward a method of geographic information system exploitation， which makes non?professional developer can also easily develop geographic information products to meet demands of the users.

Keywords： flight test； electronic map； GIS； MapX

0 引 言

由于飛行試驗(yàn)過(guò)程的高風(fēng)險(xiǎn)性，實(shí)時(shí)監(jiān)控是每一個(gè)型號(hào)定型試飛過(guò)程中重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。試飛監(jiān)控電子地圖實(shí)時(shí)顯示飛機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)、狀態(tài)和所處的空域、航路等信息，清晰直觀的圖形、數(shù)據(jù)為指揮員和技術(shù)人員提供飛行指揮依據(jù)。對(duì)飛行科目的優(yōu)質(zhì)完成和預(yù)防事故的發(fā)生起著至關(guān)重要的作用。電子地圖涉及到的信息數(shù)據(jù)具有很強(qiáng)的地理特征，如空域、航路、山峰、河流、地界等，因此飛行監(jiān)控電子地圖軟件的開(kāi)發(fā)實(shí)際上就是地理信息系統(tǒng)[1] （Geographical Information System，GIS）的二次開(kāi)發(fā)。

GIS是在計(jì)算機(jī)硬件、軟件支持下，對(duì)整個(gè)或部分地球表層空間中的有關(guān)地理分布數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)、管理、運(yùn)算、分析和可視化表達(dá)的信息處理與管理系統(tǒng)。傳統(tǒng)GIS雖然在功能上已經(jīng)比較成熟，但是由于這些系統(tǒng)多是基于十多年前的軟件技術(shù)開(kāi)發(fā)的，屬于獨(dú)立封閉的系統(tǒng)。同時(shí)，GIS軟件變得日益龐大，二次開(kāi)發(fā)難度大，費(fèi)用昂貴，阻礙了GIS的普及和應(yīng)用。組件式GIS的出現(xiàn)為傳統(tǒng)GIS面臨的多種問(wèn)題提供了全新的解決思路。

本文設(shè)計(jì)的試飛監(jiān)控電子地圖采用可視化開(kāi)發(fā)語(yǔ)言Delphi 和 MapX 組件結(jié)合的開(kāi)發(fā)模式，運(yùn)用組件式軟件技術(shù)對(duì)試飛中的飛機(jī)進(jìn)行精確定位，繪制飛行軌跡，并同時(shí)顯示飛機(jī)各系統(tǒng)的工作狀態(tài)，是非專業(yè)人員進(jìn)行GIS開(kāi)發(fā)的成功應(yīng)用，在多個(gè)型號(hào)試飛過(guò)程中發(fā)揮了很好的作用。

1 試飛監(jiān)控電子地圖的運(yùn)行環(huán)境

試飛實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)是一個(gè)以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，集遙測(cè)、信號(hào)處理和軟件技術(shù)為一體的局域以太網(wǎng)系統(tǒng)[2]，由遙測(cè)天線、前端服務(wù)器、數(shù)據(jù)服務(wù)器、分析顯示終端以及各種外部設(shè)備組成。系統(tǒng)組成如圖1所示。該系統(tǒng)搭建了一個(gè)基于TCP/IP協(xié)議的應(yīng)用層通信接口框架，實(shí)現(xiàn)了把飛機(jī)各系統(tǒng)參數(shù)和定位數(shù)據(jù)遙測(cè)接收并發(fā)送給每一個(gè)分析顯示終端。試飛監(jiān)控電子地圖運(yùn)行于分析顯示終端，實(shí)時(shí)接收遙測(cè)數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)各模塊完成所有的功能。

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圖1 試飛實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)組成

2 試飛監(jiān)控電子地圖設(shè)計(jì)

2.1 功能設(shè)計(jì)

在對(duì)飛行試驗(yàn)現(xiàn)有監(jiān)控運(yùn)行模式和電子地圖需求進(jìn)行反復(fù)分析研究基礎(chǔ)上，結(jié)合航空新型號(hào)試飛的特點(diǎn)，確定電子地圖的基本功能。

2.1.1 地圖范圍及顯示內(nèi)容

試飛監(jiān)控電子地圖以全國(guó)范圍真實(shí)地理環(huán)境為背景，運(yùn)行時(shí)根據(jù)配置信息自動(dòng)將地圖顯示范圍移動(dòng)到試驗(yàn)場(chǎng)周圍，并顯示當(dāng)前飛行空域、管制區(qū)范圍、預(yù)先飛行航跡。

2.1.2 數(shù)據(jù)接收

運(yùn)行于實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)上的電子地圖，能夠?qū)崟r(shí)接收數(shù)據(jù)服務(wù)器通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送的飛機(jī)遙測(cè)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后提供給電子地圖用于數(shù)據(jù)的更新顯示。

2.1.3 實(shí)時(shí)動(dòng)畫顯示

實(shí)時(shí)接收數(shù)據(jù)后電子地圖以動(dòng)畫的形式顯示飛機(jī)所在位置和姿態(tài)，繪制飛行軌跡，并同時(shí)以數(shù)字形式顯示時(shí)間、當(dāng)前經(jīng)度、當(dāng)前緯度、到機(jī)場(chǎng)距離、所處的方位、高度、速度等飛機(jī)基本信息。

2.1.4 數(shù)據(jù)處理

該軟件需具有通用數(shù)據(jù)處理功能，對(duì)空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、空間距離、方位、飛機(jī)采集參數(shù)的取位、拼接、工程量轉(zhuǎn)換等進(jìn)行計(jì)算。

2.1.5 快捷工具

在完成基本功能的前提下，電子地圖提供9個(gè)快捷工具，通過(guò)鼠標(biāo)在工具欄選擇后，可以對(duì)地圖進(jìn)行相應(yīng)的操作，在操作地圖的同時(shí)，飛行航跡和飛機(jī)圖標(biāo)也隨之變化，能夠更靈活的滿足用戶的需要。分別為：放大工具（對(duì)地圖進(jìn)行放大操作）；縮小工具（對(duì)地圖進(jìn)行縮小操作）；平移工具（對(duì)地圖進(jìn)行平移操作）；測(cè)距工具（測(cè)量地圖上任意兩點(diǎn)距離）；測(cè)點(diǎn)工具（測(cè)量地圖上任意點(diǎn)經(jīng)、緯度值）；中心點(diǎn)設(shè)置工具（將地圖上任意點(diǎn)設(shè)置為顯示中心）；圖層控制工具（對(duì)圖層進(jìn)行編輯、增加、刪除等操作）；飛機(jī)中心工具（以當(dāng)前飛機(jī)所在位置為中心顯示地圖）；航跡清除工具（清除已畫飛行軌跡）。

2.2 界面設(shè)計(jì)

試飛監(jiān)控電子地圖要求有簡(jiǎn)潔、清晰、明了的界面，將其劃分為菜單區(qū)、工具欄、地圖區(qū)、數(shù)值顯示區(qū)，飛行監(jiān)控電子地圖主界面如圖2所示。

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圖2 主界面

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)對(duì)試飛監(jiān)控電子地圖需要完成的功能分析，經(jīng)過(guò)歸納整理，將該軟件劃分為五個(gè)主模塊，它們分別是試驗(yàn)配置模塊、網(wǎng)絡(luò)接收模塊、地圖繪制模塊、地圖操作模塊、算法庫(kù)模塊。主模塊下又有若干子模塊，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

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圖3 試飛監(jiān)控電子地圖結(jié)構(gòu)

3 關(guān)鍵技術(shù)分析及實(shí)現(xiàn)方法

從以上設(shè)計(jì)能夠看出，試飛監(jiān)控電子地圖軟件屬于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理范疇，又具備地圖管理的特征，要求在地圖背景下，用可視化的方法來(lái)顯示和分析基于位置的數(shù)據(jù)，同時(shí)又要求與多個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)緊密結(jié)合，保證網(wǎng)絡(luò)通信暢通、數(shù)據(jù)處理準(zhǔn)確可靠、操作簡(jiǎn)單明了。鑒于以上要求，GIS與可視化、網(wǎng)絡(luò)化編程的高效集成變得尤為重要。

3.1 MapX與Delphi結(jié)合技術(shù)

組件式軟件技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)今軟件技術(shù)的潮流之一，MapX是MapInfo公司推出的基于ActiveX技術(shù)的可編程控件[4]，為開(kāi)發(fā)人員提供了一個(gè)快速、易用、功能強(qiáng)大的地圖化組件。在VB、VC、Delphi、PowerBuilder等可視化開(kāi)發(fā)環(huán)境中，只需在設(shè)計(jì)階段將MapX控件放入窗體中，并對(duì)其進(jìn)行編程以設(shè)置屬性、調(diào)用方法或相應(yīng)事件，即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的空間可視化、專題分析、地理查詢、地圖編輯等豐富的地理信息系統(tǒng)功能。

Delphi是目前非常流行的信息管理系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具，全面支持面向?qū)ο缶幊蹋羌晒δ軓?qiáng)并易于使用的高級(jí)語(yǔ)言，內(nèi)置多種對(duì)象類型，方便連接和訪問(wèn)多種數(shù)據(jù)庫(kù)。用它進(jìn)行管理信息系統(tǒng)開(kāi)發(fā)速度快、功能強(qiáng)、效率高、成本低。

使用MapX控件與Delphi編程語(yǔ)言的結(jié)合，實(shí)際上相當(dāng)于用OLE的方式在可視化編程語(yǔ)言中嵌入了一個(gè)更為精煉、實(shí)用的MapInfo系統(tǒng)，使用可視化開(kāi)發(fā)語(yǔ)言對(duì)MapInfo Professional不具備的功能可以進(jìn)行極大的擴(kuò)充，具有簡(jiǎn)單、快捷、高效的開(kāi)發(fā)特點(diǎn)，使其充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，將復(fù)雜的問(wèn)題簡(jiǎn)單化，很好的解決了飛行試驗(yàn)中的實(shí)際問(wèn)題。

3.2 圖層、圖元控制技術(shù)

MapX是一個(gè)功能齊全使用復(fù)雜的組件[5]，如何建立MapX 圖層、圖元和如何控制圖元的運(yùn)動(dòng)成為實(shí)現(xiàn)時(shí)的難點(diǎn)。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，采用動(dòng)態(tài)圖層、圖元控制的方法，完成飛行軌跡繪制與清除、機(jī)場(chǎng)標(biāo)識(shí)、飛機(jī)圖標(biāo)顯示及運(yùn)動(dòng)的功能。

3.2.1 動(dòng)態(tài)創(chuàng)建MapX對(duì)象

首先添加一個(gè)新的圖層[6]，定義好圖層顯示樣式，用于存放用戶所要增加和控制的圖元。然后在新圖層上增加兩個(gè)具有某些屬性的圖元對(duì)象，再將該圖層與其他圖層疊加。具體方法如下：使用Layers對(duì)象創(chuàng)建圖層，函數(shù)為：Map.Layers.CreateLayer；使用FeatureFactory對(duì)象創(chuàng)建圖元對(duì)象，函數(shù)為fFtrFactory.CreateSymbol；最后設(shè)置圖元的屬性，包括形狀、顏色等。

3.2.2 控制圖元對(duì)象的運(yùn)動(dòng)

試飛監(jiān)控電子地圖要求能實(shí)時(shí)顯示飛機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡和飛機(jī)運(yùn)行姿態(tài)，因此控制圖元對(duì)象的運(yùn)動(dòng)是非常重要的。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)實(shí)時(shí)接收網(wǎng)絡(luò)傳送的飛機(jī)位置、速度、姿態(tài)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)計(jì)算整理，在當(dāng)前活動(dòng)的圖層中，對(duì)添加的飛機(jī)圖元實(shí)時(shí)改變位置[7]，控制飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)通過(guò)設(shè)置圖元的旋轉(zhuǎn)角度來(lái)控制飛機(jī)機(jī)頭的轉(zhuǎn)動(dòng)。具體方法如下：

fFeature.style.SymbolFontRotation：=alpha； //設(shè)置飛機(jī)航向角

fFeature.Point.Set（dXpos， dYpos）； //設(shè)置位置參數(shù)

fFeature.Update； //刷新

3.3 通信與多線程技術(shù)

試飛監(jiān)控電子地圖的運(yùn)行環(huán)境是飛行試驗(yàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，由于技術(shù)的開(kāi)放性和多樣性，不同國(guó)家、不同時(shí)期研制的多種系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆绞缴喜槐M相同[8]，為了滿足多系統(tǒng)要求，設(shè)計(jì)時(shí)以插件的方式編寫與各版本系統(tǒng)相適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)接口[9]，依據(jù)配置模塊的定義，調(diào)用不同的接口。如果增加系統(tǒng)只需編寫接口程序就可方便的投入使用，很好的解決了軟件的通用性。

為了提高試飛監(jiān)控電子地圖的運(yùn)行效率，軟件采用多線程編程技術(shù)[10]，將數(shù)據(jù)接收、從主線程中分離，創(chuàng)建數(shù)據(jù)接收子線程。子線程完成數(shù)據(jù)接收后通知主線程，由主線程完成數(shù)據(jù)解算、飛機(jī)運(yùn)動(dòng)、軌跡繪制和數(shù)據(jù)顯示等功能。

4 結(jié) 語(yǔ)

試飛監(jiān)控電子地圖具有簡(jiǎn)潔的界面和強(qiáng)大的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接收、動(dòng)畫顯示及地圖操作功能，而且可同時(shí)顯示豐富的地理信息、航路信息。電子地圖直接用于試飛監(jiān)控，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，地理位置顯示準(zhǔn)確可靠，為指揮員和試飛工程師提供了準(zhǔn)確、清晰、可靠的數(shù)據(jù)顯示。

基于MapX組件的試飛監(jiān)控電子地圖在ARJ飛機(jī)等許多型號(hào)試飛實(shí)時(shí)監(jiān)控中得到了成功應(yīng)用，在飛行試驗(yàn)中發(fā)揮了重要的作用，得到了試飛工程師等用戶的肯定。它不僅適用于試飛實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，而且還適用于遙測(cè)接收人員使用，通過(guò)電子地圖為遙測(cè)跟蹤提供飛機(jī)的跟蹤信息，減少目標(biāo)丟失的次數(shù)，快速定位跟蹤目標(biāo)，提高跟蹤質(zhì)量。

本軟件雖然是為飛行試驗(yàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控而設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的，但其技術(shù)可適用于飛行訓(xùn)練，汽車試驗(yàn)等更大范圍的用戶群體。在新的需求下經(jīng)過(guò)進(jìn)一步完善和推廣，可接收光測(cè)、雷測(cè)、多目標(biāo)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)多數(shù)據(jù)流多目標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)控顯示。

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