基于osgEarth的雷達(dá)三維態(tài)勢顯示軟件設(shè)計

中圖分類號：TP319 文獻標(biāo)志碼：A

0引言

雷達(dá)作為一種通過發(fā)射和接收無線電波感知周圍態(tài)勢的電子設(shè)備，在軍事、民用及氣象等領(lǐng)域具有重要作用。雷達(dá)終端態(tài)勢軟件作為信息感知與交互的核心載體，能夠直觀展示雷達(dá)在不同工作模式下的波束掃描方式與掃描范圍，實現(xiàn)波束運動軌跡的精確模擬與可視化。這對于優(yōu)化雷達(dá)性能、增強環(huán)境適應(yīng)性、降低研發(fā)周期與成本、提升用戶使用體驗具有重要意義。當(dāng)前主流三維引擎（如 STK、Cesium、Unity、osgEarth等[1）中，osgEarth憑借開源特性、強靈活性、高可拓展性、優(yōu)秀的國產(chǎn)化兼容能力及豐富的地理信息基礎(chǔ)功能，在無人機監(jiān)視、航空航天、地理測繪[3-5]、軍事仿真[等領(lǐng)域逐漸成為熱門工具。本文基于osgEarth引擎，設(shè)計并實現(xiàn)了一款雷達(dá)三維態(tài)勢顯示軟件，可動態(tài)顯示雷達(dá)波束（發(fā)射波束、接收波束、跟蹤波束）在不同工作模式下的掃描范圍、掃描策略等信息，同時實現(xiàn)雷達(dá)目標(biāo)模型加載與驅(qū)動、航跡繪制與管理等功能，為雷達(dá)的研發(fā)提供支撐。

1osgEarth與OpenSceneGraphic

OpenSceneGraphic（OSG）作為一種基于OpenGL的開源三維圖形顯示引擎，采用模塊化架構(gòu)，具備優(yōu)秀的渲染能力，廣泛應(yīng)用于游戲開發(fā)、虛擬/增強現(xiàn)實、飛行模擬等領(lǐng)域。osgEarth是基于OSG構(gòu)建的地理空間渲染引擎，在繼承其底層圖形能力的基礎(chǔ)上，擴展了地理數(shù)據(jù)處理、地形渲染及空間可視化工具鏈。兩者形成互補技術(shù)棧：OSG提供核心三維渲染支持，osgEarth專注地理信息集成，共同為三維應(yīng)用開發(fā)提供支撐。

2需求分析

本軟件的核心需求包括6個方面。

地圖加載：高精度地圖影像是定位模型三維位置的基礎(chǔ)支撐，軟件須支持流程的離線地圖數(shù)據(jù)加載能力。

模型管理：針對雷達(dá)態(tài)勢關(guān)鍵要素（如發(fā)射波束、接收波束、掃描屏、威力范圍等），須實現(xiàn)三維模型構(gòu)建與動態(tài)更新功能，精確反映其運動狀態(tài)。

網(wǎng)絡(luò)通信：軟件應(yīng)支持實時接人雷達(dá)系統(tǒng)，接收雷達(dá)前端傳輸?shù)牟ㄊ鴧?shù)及態(tài)勢信息等數(shù)據(jù)，為外部信息交互提供通道。

視角管理：支持視角切換、存儲與快速定位功能，確保用戶可多角度觀測空間內(nèi)模型位置關(guān)系。

參數(shù)設(shè)置：須配置雷達(dá)關(guān)鍵參數(shù)（如位置坐標(biāo)、威力覆蓋范圍、波束顏色及數(shù)量），支持動態(tài)調(diào)整場景顯示效果。

航跡管理：具備航跡數(shù)據(jù)實時接入與解析能力，實現(xiàn)航跡模型、標(biāo)牌、尾跡及垂直高度剖面顯示并自動清除失效航跡及對應(yīng)模型。

3軟件設(shè)計

3.1 軟件架構(gòu)

本軟件基于國產(chǎn)銀河麒麟操作系統(tǒng)，采用Qt5.6.2開發(fā)。軟件整體架構(gòu)如圖1所示，采用自上而下的分層設(shè)置，根據(jù)功能劃分為數(shù)據(jù)層、平臺層、應(yīng)用層。

數(shù)據(jù)層：整合地圖數(shù)據(jù)、航跡數(shù)據(jù)、模型數(shù)據(jù)等核心信息源。

平臺層：由銀河麒麟操作系統(tǒng)、OSG/osgEarth圖形工具鏈及Qt5.6.2開發(fā)框架構(gòu)成。

應(yīng)用層：實現(xiàn)三維態(tài)勢顯示功能，集成需求分析中提出的地圖加載、模型管理、網(wǎng)絡(luò)通信等核心模塊。

圖1軟件架構(gòu)

3.2場景構(gòu)建

osgEarth作為OSG的擴展，在OSG節(jié)點樹（NodeTree）基礎(chǔ)上引人地理信息系統(tǒng)（GeographicInformationSystem，GIS）功能，實現(xiàn)地理空間數(shù)據(jù)的三維可視化。osgEarth提供包括地球節(jié)點、圖層節(jié)點等GIS專用節(jié)點類型。雷達(dá)三維態(tài)勢軟件基于此特性，結(jié)合雷達(dá)場景需求，構(gòu)建完整三維場景對應(yīng)的節(jié)點樹，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2節(jié)點樹

整體節(jié)點樹以根節(jié)點（rootNode）為頂層基座，其下衍生4大核心功能節(jié)點。

地球節(jié)點（earthNode）：基于osgEarth引擎實現(xiàn)全球地形、影像及矢量數(shù)據(jù)的加載與渲染。

光源節(jié)點（lightNode）：控制場景光照參數(shù)（強度、方向、顏色）及陰影生成。

天空節(jié)點（skyNode）：動態(tài)模擬大氣散射、云層及天體運動，構(gòu)建環(huán)境背景。

相機節(jié)點（cameraNode）：管理視點位置、視野（FOV）投影模式（正交/透視）及導(dǎo)航交互。

雷達(dá)節(jié)點（radarNode）作為地球節(jié)點的葉節(jié)點，承擔(dān)雷達(dá)實體定位功能并掛載子節(jié)點容器。該節(jié)點存儲雷達(dá)坐標(biāo)、型號及工作參數(shù)，同時作為波束、掃描屏、航跡等子節(jié)點的父容器。

子節(jié)點功能如下。

波束組節(jié)點（beamNodeGroup）：集成發(fā)射波束、接收波束、跟蹤波束的幾何模型，實時驅(qū)動波束空間形態(tài)與狀態(tài)更新。

掃描屏節(jié)點（scanscreenNode）：可視化波束在方位-距離維的掃描范圍邊界。

航跡組節(jié)點（trackNodeGroup）：按目標(biāo)類型（無人機、導(dǎo)彈、艦船等）實例化三維模型，驅(qū)動模型位姿隨航跡數(shù)據(jù)動態(tài)變換，同步渲染標(biāo)牌與尾跡，并自動清理失效航跡關(guān)聯(lián)資源。

該架構(gòu)支持多雷達(dá)節(jié)點并行掛載，各雷達(dá)子節(jié)點（如波束、航跡）可根據(jù)前端數(shù)據(jù)流動態(tài)配置與擴展。

3.3地圖加載功能

osgEarth具有豐富的地圖加載機制，支持多源地理數(shù)據(jù)的集成顯示與高效渲染。該引擎提供2種地圖構(gòu)建模式：XML配置文件（.earth文件）和代碼動態(tài)構(gòu)建。本軟件采用.earth文件配置模式，通過定義以下參數(shù)實現(xiàn)地圖的加載與配置。

基礎(chǔ)屬性：包括地圖名稱、坐標(biāo)系（WGS84）、初始視點參數(shù)（viewpoint）。

性能機制：包括本地緩存策略（LRU淘汰規(guī)則）、多線程加載及渲染優(yōu)化參數(shù)。

數(shù)據(jù)源配置：包括文件路徑（本地存儲/網(wǎng)絡(luò)URL）加載驅(qū)動類型（如GDAL/TMS）。

為兼顧全局覆蓋效率與局部區(qū)域精度，本軟件設(shè)計雙層地圖加載架構(gòu)（全球影像基底層、雷達(dá)周邊瓦片增強層）。基底層加載高精度GeoTIFF格式全球影像（world.tif），通過GDAL驅(qū)動解析地理參考數(shù)據(jù)，建立基礎(chǔ)地理信息框架。增強層在雷達(dá)位置動態(tài)疊加TMS格式瓦片地圖，基于視點距離動態(tài)調(diào)度高分辨率瓦片。當(dāng)視角縮小時自動加載高清瓦片，確保雷達(dá)周邊區(qū)域清晰度；視角遠(yuǎn)離時降級為全局影像，減少資

源消耗。

此方案通過全局低精度影像與局部高精度瓦片的動態(tài)協(xié)同，在保障全場景渲染性能的同時，滿足雷達(dá)態(tài)勢顯示對關(guān)鍵區(qū)域高清展示的需求。

3.4 網(wǎng)絡(luò)通信功能

本軟件通過直接數(shù)字頻率合成（DataDistributionService，DDS）實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信功能，采用發(fā)布—訂閱模型完成與系統(tǒng)內(nèi)其他設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交互。發(fā)送數(shù)據(jù)為雷達(dá)控制命令，接收數(shù)據(jù)包括波束信息、掃描屏信息、航跡信息等，用于后續(xù)顯示和處理。

3.5模型管理功能

本軟件具備繪制雷達(dá)發(fā)射/接收/跟蹤波束、掃描屏、威力范圍等模型的功能，模型繪制管理流程如圖3所示。

接收波束參數(shù)：通過網(wǎng)絡(luò)接收雷達(dá)前端發(fā)送的波束參數(shù)報文，該報文包含當(dāng)前時刻所有波束的參數(shù)，包括最大探測距離、波束寬度、波束類型、發(fā)射/接收波束數(shù)量、波束方位角/俯仰角等信息。

形成波束模型：根據(jù)波束類型創(chuàng)建發(fā)射波束和接收波束的組節(jié)點，向其中添加對應(yīng)數(shù)量的波束模型。波束模型為一個圓錐體，圓錐體各頂點坐標(biāo)與地圖坐標(biāo)系一致，圓錐體頂點位于雷達(dá)地理坐標(biāo)，圓錐角對應(yīng)波束寬度，高度對應(yīng)雷達(dá)最大探測距離，通過osg：：Vec3Array頂點數(shù)組構(gòu)建出模型幾何體并依據(jù)波束方位角/俯仰角通過osg：：MatrixTransform矩陣變換將模型定位至空間正確位置和指向。

動態(tài)更新：當(dāng)接收到波束參數(shù)報文時，將當(dāng)前波束節(jié)點內(nèi)的所有波束模型銷毀，更新最新波束模型狀態(tài)和位置，循環(huán)上述流程形成連續(xù)的波束掃描動畫。

3.6視角管理功能

osgEarth通過視點參數(shù)（Viewpoint）與相機操控器（EarthManipulator）管理三維空間視角。

視點參數(shù)：包含焦點位置、視角參數(shù)：焦點位置定義了視點所聚焦的地理坐標(biāo)位置，該位置坐標(biāo)系與地圖配置的坐標(biāo)系一致；視角參數(shù)包括了焦距、俯仰角、方位角，用以定義相機與焦點位置的相互關(guān)系。

相機操控器：支持視點跳轉(zhuǎn)與交互控制等功能，可實現(xiàn)視角拖拽平移、滾輪縮放、俯仰角調(diào)整等操作。

本軟件的視角管理功能提供視角切換、當(dāng)前視角保存及預(yù)設(shè)視角切換能力，滿足三維地球場景下的多角度觀測。

3.7參數(shù)設(shè)置功能

本軟件具有豐富的參數(shù)設(shè)置功能，包括雷達(dá)站點信息設(shè)置（雷達(dá)地理位置信息、雷達(dá)名稱、型號/編號等），場景設(shè)置（大氣顯隱、光照顯隱、地圖顯隱等），視角設(shè)置（視角保存、視角加載等），波束設(shè)置（波束數(shù)量、波束模型顏色、波束刷新間隔），航跡設(shè)置（航跡信息表頁、航跡歷史位置個數(shù)、航跡刷新間隔等）等。通過上述設(shè)置實現(xiàn)對雷達(dá)前端以及顯示內(nèi)容的交互控制。

圖3模型管理流程

3.8航跡管理功能

本軟件具備航跡管理功能，通過網(wǎng)絡(luò)通信模塊接收雷達(dá)前端發(fā)送的目標(biāo)信息報文，包含目標(biāo)類型，位置信息，高度信息，批號，航跡狀態(tài)（新增、更新、刪除），航跡質(zhì)量，威脅等級，敵我屬性等關(guān)鍵參數(shù)。接收到的航機以批號和航跡狀態(tài)作為標(biāo)志進行更新和維護，若某航跡超過設(shè)定的5個連續(xù)雷達(dá)周期未更新或航跡質(zhì)量低于閾值（如1）則刪除該航跡。優(yōu)先加載顯示威脅等級高、距離較近、運動趨勢靠近雷達(dá)的航跡。軟件根據(jù)目標(biāo)的類型通過osgDB：：readNodeFile讀取對應(yīng)的模型，將模型添加進osg：：MatrixTransform矩陣節(jié)點中，根據(jù)目標(biāo)大小、向等參數(shù)，對模型進行縮放和旋轉(zhuǎn)，確保比例與朝向匹配實際目標(biāo)。基于目標(biāo)位置信息將模型精確定位至三維空間。每次目標(biāo)信息報文刷新，根據(jù)批號索引定位對應(yīng)模型，更新模型坐標(biāo)以形成連續(xù)運動動畫。為方便觀察，在目標(biāo)節(jié)點上增加目標(biāo)標(biāo)牌、目標(biāo)高度指示線和歷史尾跡線。

4軟件的仿真驗證

軟件測試環(huán)境包含2臺測試計算機，硬件配置如下，CPU：飛騰FT_2000;顯卡：AMD Rx550 ;內(nèi)存：32GB；操作系統(tǒng)：銀河麒麟V10。

雷達(dá)三維態(tài)勢顯示軟件運行在一臺測試計算機上，另一臺計算機運行雷達(dá)前端模擬軟件，通過模擬雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境向三維態(tài)勢顯示軟件發(fā)送數(shù)據(jù)，以驗證三維態(tài)勢軟件的運行效率和可靠性。

經(jīng)測試，在雷達(dá)前端模擬軟件同時以 100ms 間隔發(fā)送波束信息、3s間隔發(fā)送航跡信息的負(fù)載條件下，軟件能夠正常顯示波束與航跡模型、拖動攝像機切換視角流暢、模型運動連貫無卡頓、圖像刷新流暢平均幀數(shù)在25幀左右，能夠滿足三維顯示的需求，具體統(tǒng)計參數(shù)如表1所示。

表1統(tǒng)計參數(shù)

5結(jié)語

本文設(shè)計了一種基于osgEarth的雷達(dá)三維態(tài)勢顯示軟件，實現(xiàn)了地圖加載、網(wǎng)絡(luò)通信、模型管理、視角管理、參數(shù)設(shè)置、航跡管理等功能。在測試環(huán)境中，軟件在 100ms 間隔波束刷新及3s間隔航跡刷新頻率的情況下以平均幀率 25fps 流暢運行。后續(xù)將進一步提升渲染效率，擴展顯示規(guī)模，實現(xiàn)多雷達(dá)、多站點的多源集成，拓展軟件應(yīng)用范圍。

參考文獻

[1]張云燕，張科，李言俊，等.基于STK的月球任務(wù)設(shè)計與仿真[J].火力與指揮控制，2008（11）：13-16.

[2]王雷，丁華.基于osgEarth的大型三維空戰(zhàn)場景的搭建[J].軟件，2016（1）：114-116，131.

[3]于艷超，許捍衛(wèi)，吳小東.基于osgEarth的城市三維地物模型組織與調(diào)度研究[J].測繪與空間地理信息，2014（11） ：63-67.

[4]吳曉雪，王魏，李響，等.基于osgEarth虛擬校園漫游的研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2017（20）：18-21.

[5]吳小東，許捍衛(wèi).基于osgEarth的城市三維場景構(gòu)建[J].地理空間信息，2013（2）：107-110.

[6]韓哲，劉玉明，管文艷，等.osgEarth在三維GIS開發(fā)中的研究與應(yīng)用［J].現(xiàn)代防御技術(shù)，2017（2）：14-21.

（編輯戴啟潤）

Design of a radar 3 D situational display software based on osgEarth

SONG Kai， LI Huajun， DING Zhihui （No.8 Research Academyof CSSC，Nanjing 211153，China）

Abstract：Toaddressthelong-standing issuethatitisdiffcult tointuitivelydisplayradarsituationsinthreedimensional space，this paper designs and implements a radar 3Dsituation display software based on theosgEarth graphics library.Through design strategies such as software requirement analysis，software architecture design，and scene construction，thesoftware achieves functions including map loading，network communication，model management，perspective management，parameter seting，and track management.After being tested in a domesticmade environment，the software successully receives and displays radar beam and track data in real time，running smoothlyandstably，validating itscapabilityto efectively presentradar situations in thre-dimensional space.This achievement serves as a technical reference for the design of similar software.

Key words： OpenSceneGraphic; osgEarth; radar situational awareness; 3D earth