基于三维仿真的飞行姿态与航迹监控软件的设计

祁 春，霍朝晖，刘成玉，覃杨森

（中国飞行试验研究院 陕西 西安 710089）

飞行试验是飞机及相关航空产品设计定型的重要阶段，具有技术综合性强、风险性大、耗资大、周期长等特点[1]。随着近年来新机和改型机大量涌现，加之风险科目、极限科目不断增加，飞行试验对安全、质量和科目架次有效性的要求更加苛刻和严格，而地面遥测实时监控系统在这些方面起着至关重要的作用。传统的实时监控软件多采用数据列表、数据表格和二维曲线图等形式反映飞机的过程和状态，直观性差、难以准确把握参数间的相关性和发掘数据的本质特征[2-3]。随着计算机技术、图像技术、多媒体等技术的发展，可视化三维仿真在飞行试验中得到青睐，它利用人的视觉特性，将飞行数据以图像形式展示，真实感和视觉感强[4]，利于对飞行整体状态的把握，而且试飞结束后还可利用回放形式逼真再现飞行全过程，可作为事后分析的重要依据。文中详细介绍了基于三维仿真的飞行姿态和航迹监控软件的总体设计架构、主要模块的功能和设计方法。实际应用表明：三维模型驱动和场景设计满足型号试飞要求，人机接口友好，画面运行稳定、流畅，在保障试飞任务的高质量完成和安全上发挥着重要作用。

1 总体结构设计

飞行姿态与航迹监控软件实时接收遥测数据，利用数据驱动目标三维模型各部件的动作以及在三维场景中运动，反映出试验机的姿态、位置和航迹等信息。根据试验任务需求，软件的总体设计结构如图1所示。整个软件在结构上主要由数据源管理、试验任务管理、三维姿态显示和地图航迹显示等部分组成。

图1 软件总体结构Fig.1 Overall structure of the software

2 模块设计

2.1 数据源管理

数据源管理主要对实时数据处理系统（以下简称实时系统）的网络通信、数据平滑处理和试验任务结束后的数据回放进行管理。模块直接从系统任务中提取目标飞机的试验参数和运行所需的相关信息，自动与实时系统建立网络连接。同时，对提取的试验参数按照规定的格式进行字符串组合，以TCP方式发送至实时系统，实时系统依据参数字符串对网络数据进行解析，提取参数对应的数据，转换为工程数据后返回给数据接口构件。由于遥测数据在传输链路上会因干扰产生跳点数据，将直接影响到三维飞机模型的连续运行和地图航迹线的光滑度。所以，对接收到的工程数据应作平滑滤波处理，消除或者减弱跳点数据对三维运行效果的影响，而数据平滑处理的原则是既要消除数据中的干扰成分又要保持原有数据的变化特性。基于这一点，本设计中采用了五点三次平滑法，利用多项式最小二乘法逼近对工程数据插值滤波和平滑处理，数据源管理模块处理流程如图2所示。

图2 数据源管理模块处理流程Fig.2 Processing flow of data source management module

另外，数据源管理模块设计有回放功能，通过加载试验目标参数信息和试验数据，设置回放动作，包括回放起止时间、回放速率等来再现历史飞行过程，可作为飞行演示或者为故障排查提供依据。

2.2 试验任务管理

试验任务管理包括任务基础信息管理、参数管理、目标属性管理和数据源类型管理。任务基础信息管理主要是设置试验任务的名称、飞机代码、试验时间、任务描述等相关信息，由于数据源管理从任务系统中提取试验参数是依据任务名称进行的，所以要求任务名称具有唯一性。

参数管理分为试验参数管理、目标驱动参数管理和虚拟平显参数管理等模块。试验参数管理模块对XML格式的试验参数文件进行解析，读取试验目标的参数信息，加载到内存后进行统一管理，并按照飞机编号完成试验参数的分组，具备参数检索接口；驱动参数管理模块完成模型驱动参数和试验参数的一对一绑定，为了驱动模型运行，绑定的试验参数必须包含经度、纬度、高度、俯仰角、横滚角和航向角等。同时，该模块可以将试验参数的绑定信息存储至任务文件当中，便于后续的直接调用；虚拟平显参数管理模块从平显配置文件中读取各显示元素的参数名称，并与对应的试验参数进行绑定，用于驱动画面各图形元素的运动。

目标属性管理主要根据不同的试验任务要求选择对应的试验目标，由于各试验目标自身属性不同，需要外部提供相应的信息驱动来保证目标属性的正常运行，所以目标属性也需要绑定相应的试验参数信息。

数据源类型管理主要负责试验目标与实时系统接口进行绑定，以实现从对应的实时系统通道中获取试验数据以驱动目标的运行。

2.3 三维姿态显示

三维姿态显示是软件的核心部分。主要是利用试飞试验数据实时驱动模型各部件的动作及在三维场景中的运行，反映出目标飞机在三维空间中的位置、姿态和系统状态信息。设计上分为两个阶段：三维建模与场景驱动。模型的构建要求和真实试验机的外观和尺寸保持一致，建模采用了Multigen公司的Creator软件，Creator是一款高效的实时三维建模工具软件，拥有针对实时应用优化的数据格式，整合了大量有效的工具来建立“所见即所得”的层级可视化数据库环境，能够构建高度逼真、高度优化的三维模型[5-6]。而驱动场景则采用了真实的数字高程数据和卫星影像数据，逼真的显示了试验场地和周边的主要建筑物。在利用试验数据驱动模型各部件动作之前，对有关位置和姿态的试验数据均进行了滤波和平滑处理，以确保三维模型连续、稳定运行。另外，模型的驱动须有目标编号、经度、纬度、高度、速度、俯仰角、横滚角和航向角等试验数据。图3为某民机模型的三维态势显示效果图。

图3 某民机模型的三维态势显示效果图Fig.3 3D situation operation effect of some civil aircraft module

三维姿态显示模块可以根据任务需求选择空间观察模式，包括态势观察模式、跟随观察模式和平显观察模式。其中，态势观察模式提供一种三维场景的全局展现，可以方便观察飞机历史航迹线，多机及目标间的相对位置关系，以及飞机当前的位置和姿态，有利于从整体上的把控；跟随观察模式是一种近距离观察模式，可在较近距离观察目标飞机的姿态，提供多视角的跟随观察，如眩窗视角、中心点视角、尾随视角、俯视视角等；平显观察模式将切换至虚拟平显界面，并驱动各元素的运行。图形元素采用OpenGL进行绘制，并利用双缓存技术实现平滑的动画表现。图4为切换至平显观察模式的效果图。

图4 平显观察模式的效果图Fig.4 Operation effect of virtual HUD observing pattern

2.4 地图航迹显示

地图航迹显示是重要的辅助功能模块。该模块以二维电子地图为背景，采用中国2000大地基准和高斯-克吕格投影进行地图绘制，将1:100万矢量地图数据和1:25万矢量地图数据进行叠加融合处理。其中，1:100万矢量地图数据为全国背景地图，1:25万矢量地图数据为试验场地地图。试验场地采用30 m分辨率还原自然真彩色卫星图片，而机场附近则采用1 m分辨率还原自然真彩色卫星图片。

地图中能够实时显示目标飞机的位置信息，当观察的目标不在屏幕显示范围内时，可通过选择观察目标进行定位显示，目标将自动定位到窗口的中心，特别是在多目标任务中，可以实现目标间的自由切换。同时，能够实时显示目标的飞行航迹，能够通过航迹属性接口控制航迹显示的点数和颜色，并具有显示和清除航迹的功能，以满足试验任务需求。为了更好的反映出飞机的状态，在二维地图上提供了标牌显示控制，能够实时显示目标编号、时间、经度、纬度、海拔高度、速度和航向等参数信息，能够随目标同步移动。另外，设计有缩放（包括按比例缩放和无极缩放）、漫游、图层控制和距离测量等辅助功能手段。图5为地图航迹整体到局部的缩放显示效果。

3 结束语

随着三维仿真技术的成熟应用，在飞行试验领域也越来越得到青睐。飞行姿态与航迹监控软件采用高效实时三维建模工具软件Creator按照真实试验机外观和尺寸对目标飞机进行建模，结合真实的数字高程数据和卫星影像数据建立了逼真的驱动场景，多空间观察模式使得可以从不同角度反映出飞机的当前状态。而地图航迹显示模块能够实时显示目标位置和航迹信息，对整体信息的把握具有很重要的辅助作用。同时，软件的回放功能能够逼真再现飞行全过程，可作为飞行演示和事后分析的一种重要手段。

图5 地图航迹缩放显示效果Fig.5 Zooming operation effect of electronic map

飞行姿态与航迹监控软件采用了分层设计和功能模块化设计思想，有效控制了各个分系统、功能组件间的耦合关系，便于软件的维护和升级。该软件的成功研制，利于从全局和多个角度掌握目标的姿态、位置和系统状态信息，以准确作出试飞决策，在提高试飞效率和保障试飞安全方面发挥着重要作用。

[1]张建林.试飞监控系统及其应用[J].飞行试验，2004，20（3）:35-39.ZHANG Jian-lin.Test flight monitoring system and application[J].Flight Ttest，2004，20（3）:35-39.

[2]王永，崔玮，花逊蒙，等.直升机飞行控制三维动画仿真平台设计与实现[J].系统仿真学报，2009，21（20）:6440-6443.WANG Yong，CUI Wei，HUA Xun-meng，et al.Design and implementation of helicopter flight control base on 3D animation simulation[J].Journal of System Simulation，2009，21（20）:6440-6443.

[3]赵向领.基于三维场景的飞行回放仿真系统研究[J].计算机工程与设计，2012（4）:1518-1521.ZHAO Xiang-ling.Research of flight playback simulation system base on 3D scene[J].Computer Engineering and Design，2012（4）:1518-1521.

[4]丁斌，祖家奎.基于虚拟现实的无人机三维可视化仿真[J].计算机测量与控制，2007，15（12）:1769-1771.DING Bin，ZU Jia-kui.3D visualization simulation of UAV base on virtual reality[J].Computer Measurement and Control，2007，15（12）:1769-1771.

[5]徐鹤.基于Multigen Creator/Vega Prime无人机三维视景仿真系统的设计与实现[D].南京:南京航空航天大学，2008.

[6]贺涛，谢军，王文娟，等.基于Multigen的无人机任务飞行仿真系统[J].计算机工程，2010，36（1）:248-250.HE Tao，XIE Jun，WANG Wen-juan，et al.Flight simulation system of UAV task base on multigen[J].Computer Engineering，2010，36（1）:248-250.