飞行器三维轨迹动态显示系统的设计

摘要：利用地理信息技术和三维可视化技术，结合分布式的卫星影像地图、数字高程数据和矢量地理信息等海量数据提取管理手段，在动态重构的三维空间场景中，实现对飞行器轨迹的三维动态显示。系统具备支持陆、海、空多维度下，伴随时间空间场景变化，各型设备、设施等实体运动、数据交联等态势信息的一体化综合表现能力，给指挥人员的决策带来极大方便。

关键词：EV-Globe平台；飞行器；三维显示；转发控制

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）04-0941-04

Aircraft Dynamic Display of Three-dimensional Trajectory System Design

YANG Wei， WANG Hong-xu

（91，550 Troops Command and Control Center， Dalian 116023， China）

Abstract： The use of geographic information technology and 3D visualization techniques， combined with distributed mass data extraction of satellite image maps， digital elevation data and vector geographic information management tools to achieve dynamic reconstruction of three-dimensional space scene on the aircraft trajectory The three-dimensional dynamic display. System has to support the multi-dimensions of land， sea， and air， along with the time and space scene change， the situation information of the movement of all types of equipment， facilities， and other entities， the cross-linking data integration performance ability and a great convenience to the command staff of the decision-making .

Key words： EV-Globe platform； aircraft； 3D display； forwarding control

地理信息系统（GIS）是以采集、存储、管理、描述、分析地球表面及空间和地理分布有关的数据的信息系统[1]。它是以地理空间数据库为基础，在计算机硬、软件环境的支持下，对空间相关数据进行采集、管理、操作、分析、模拟和显示，并采用地理模型分析方法，适时提供多种空间和动态的地理信息，为地理研究、综合评价、管理、定量分析和决策服务而建立起来的一类计算机应用系统。

随着计算机技术的飞速发展，GIS 得到了广泛的重视和应用，目标定位与GIS的集成也已深入到各行各业特别是军事领域。它可以实现目标信息在地图上的可视化、一体化和集成化，能够在地图上实时动态地跟踪目标和显示地理方位，给用户的决策带来极大的方便，尤其是为高技术条件下的军事作战任务提供了高效、快速的决策方案。

EV-Globe是大型三维空间信息服务平台。集成了最新的地理信息系统（GIS）技术和三维软件技术，具有大范围的、海量的、多源的数据一体化管理和快速三维实时漫游功能，支持三维空间查询、分析和运算，提供全球范围的基础影像资料，能够方便快速的构建三维空间信息服务系统。EV-Globe平台具有以下功能：直观的全空间三维可视化能力、海量多元数据集成、高效的三维模型渲染与分析、三维特效功能、逼真的海水渲染效果、地图服务器端的数据动态更新切割。

1 系统设计目标

飞行器三维轨迹动态显示系统设计的目标是利用地理信息技术和三维可视化技术，将飞行器等关键对象和要素嵌入空间，结合卫星影像地图、数字高程数据和矢量地理信息，在动态构建的三维空间场景中，实现对三维轨迹显示信息的分层表现、空间表现和立体表现，以满足显示需求。

对软件设计方案和硬件的选择，在确保系统正常运行的基础上，保证系统有一定的处理能力余量；保证系统具有一定的先进性。系统设计尽可能做到操作简单、易用。采用开放式结构及成熟先进的技术和开发平台，兼顾未来的使用需求和技术发展趋势，以便系统不断扩充、完善。保证系统的可靠性，具备较强的容错能力与适应突发事件能力，具有必要的冗余设计和应急处置方案，防止因突发事件而导致数据丢失或系统丧失支持能力。

2 系统硬件组成

三维轨迹动态显示系统主要由两台数据服务器、两台态势图形工作站、两台转发控制微机以及相应的网络设备组成，设计成主备机配置。系统结构如图1所示。

2.1 数据服务器

用于存储数字高程数据、地理信息矢量数据、卫星影像信息、飞行器数据文件等，飞行器数据文件包括轨迹数据、动态模型、静态场景、测控装备参数及模型等。

2.2 态势图形工作站

用于飞行器飞行全过程的三维综合态势显示，包含飞行航迹、速高曲线、轨迹参数、特征点事件等。

2.3 转发控制工作站

用于接收实时数据，为态势图形工作站提供控制指令和数据源。

2.4 网络设备

网络设备包括千兆交换机、网卡、网线以及配套工具等。用于完成数据服务器、转发与控制工作站和态势图形工作站之间的信息交换。

3 系统软件接口

系统外部软件接口包括操作系统、数据库管理系统、三维空间信息开发平台、显示服务器软件等。操作系统为系统运行提供基础支持；数据库管理系统提供数据管理服务；三维空间信息开发平台提供GIS服务和基本的三维操作服务；指挥显示服务器软件为系统实时提供飞行器位置、姿态、遥测指令等信息。系统操作系统选用Microsoft Windows7和Microsoft Windows Server2008；数据库管理系统选用Microsoft SQL Server2008；三维空间信息开发平台选用EV-Globe3.1，系统软件接口关系如图2所示。

4 系统软件设计

4.1 软件结构

软件由三维显示模块和转发控制模块两部分组成，如图3所示。其中，三维显示模块在三维地理信息平台的支持下，通过调用卫星影像数据、数据高程数据及地理信息矢量数据等数据，构建所需三维地理虚拟环境；在三维可视化技术支持下，通过驱动模型、特效等完成相关信息的可视化展示；地理信息开发平台主要为三维显示模块提供高程数据、地理信息矢量数据、卫星影像信息等。转发控制模块主要完成数据接收、数据处理、数据发送、控制命令生成与流程驱动等功能，在设计中通过UD协议通信，控制三维显示模块的场景渲染，完成态势信息综合显示，采用实时数据驱动和人工干预相结合的方式，驱动流程执行。

三维显示模块在逻辑上通过数据驱动及渲染驱动构成模块的运行机制。三维显示模块通过读取配置文件对系统进行初始化，启动UDP侦听线程和渲染线程。通过UPD侦听线程接收转发控制模块发送的数据处理结果和命令集对弹道位置状态进行更新，对场景要素进行控制等。渲染线程通过帧同步与刷新机制对飞行器、场景要素及地理信息等进行更新渲染。三维显示模块信息流程图如下。

4.2 三维显示模块功能设计

三维显示模块主要用于飞行器飞行过程三维可视化实时显示和其它模型及关键事件的精细化动画演示。三维显示模块在EV-Globe平台的支持下，完成各种环境的虚拟显示及相关信息的可视化展示。根据需求分析，三维显示模块具体包括：飞行轨迹显示、参数曲线绘制、视角管理、地理信息管理、显示管理、动态模型管理等子模块。

1）飞行轨迹显示

飞行轨迹显示主要是根据实际测量出来的飞行器轨迹数据进行展示，使用空间轨迹和轨迹参数信息来显示实测轨迹。

空间轨迹显示主要是在三维地理空间通过绘制轨迹的方式展示飞行器实测轨迹信息。轨迹线可分为理论轨迹和实测轨迹，理论轨迹可用于对飞行器状态进行预示，同时也可用于与实测轨迹进行比较显示。

理论轨迹是根据预先装订的理论轨迹文件，在三维空间进行绘制显示。理论轨迹数据采用excel表的设计方式，方便理论数据的编辑和管理。

实测轨迹是通过UDP包接收转发控制模块处理的轨迹数据，进行实时显示。通过连续显示实时接收的数据，展示飞行器当前运动位置及运动趋势。理论轨迹和实测轨迹均具备空间数据点和投影数据点的显示模式。空间数据点模式是以空间数据点、空间图标模式绘制的空间轨迹；投影数据点模式是以投影数据点、投影图标模式绘制空间轨迹在地球表面上的投影点轨迹。飞行轨迹显示形式灵活、多样，系统支持多条轨迹同时绘制显示，轨迹上的点大小、颜色，以及轨迹的显示或隐藏，用户可设置，设置参数可存入配置文件。

2）动态模型管理

三维动态模型表现是三维显示与二维显示的主要不同点。软件设计通过加入三维动态模型，将飞行器等实体的外形、结构、动作、运动方式等进行表现，提高显示的直观性。

系统中模型对象的位置及姿态采用实时数据驱动的方式，模型的表现包括三维模型、动画、特效等要素。动画用于展示模型的运动状态，特效用于模拟如起飞、喷气等动态效果，两者结合展示关键事件，增强表现效果。

模型管理可分为模型装订、动画配置及演示、特效绑定及演示、动态模型的位置姿态驱动。模型采用专业建模软件构建，根据需求制作关键事件的动画。模型文件由系统读取并装订，在系统中通过特效编辑器绑定特效。利用工具软件创建三维模型后，生成模型文件，在三维显示模块中进行装订加载，可对模型进行添加、删除，并对模型的位置等相关属性进行编辑。用户可对系统中装订加载的模型进行动画配置，包括将动画集与模型部件进行绑定，通过动画集调用的方式对模型动作进行驱动演示。同时，通过动画调用的方式对部件进行隐藏。用户可对系统中加载的模型进行特效绑定，指定模型部件使用的特效，并可设定绑定特效的大小、位置等属性

3）参数曲线绘制

根据显示需求，三维显示模块具备高度、速度等参数时间特性信息的表现，具备理论、实测数据对比显示的表现形式。系统采用在三维空间场景叠加参数曲线窗体的方式对参数曲线进行绘制表现。为了满足多参数曲线绘制的需求，三维显示模块设计可设置多个曲线窗体进行参数绘制。

曲线的横轴为时间值，纵轴为参数值，曲线的设置包含时间 轴设置和纵轴设置两部分。时间轴参数包括起始刻度、终止刻度、刻度大小、字体等；纵轴设置包括最大值、最小值、刻度大小、理论曲线颜色、实测数据颜色、单位、系数等。用户可对曲线窗体进行管理，包括设置曲线窗体的大小、位置以及曲线窗体的显示或隐藏等。

4）视角管理

视角管理采用视角分组和视角列表的方式对视角进行组织。视角分为固定视角模式、同步视角模式等。固定视角采用固定观察者位置和视角方向，对观察目标进行静态观察；同步视角采用跟随目标移动方式，以动态的视角观察目标特写、实时动态等信息。

通过视角分组和视角列表选择视角，用户可对每一个视角进行编辑，包括视角捕获、添加视角、视角修改和视角删除等功能。由于视角参数的复杂性不利于用户以参数设置方式进行编辑，设计采用灵活的场景捕获方式，用户通过人机交互界面鼠标拖动等形式，提取视角参数捕获视角，以及进行修改编辑。用户可通过视角预览的方式对场景进行调用，检查视角是否满足需求。为了使系统便于扩展，提高准备效率，用户可对视角文件进行导入、导出，提高视角的复用性和继承性。

4.3 转发控制模块功能设计

转发控制模块主要完成数据接收、数据处理、数据发送、控制指令生成与发送等功能。同时为了适应多任务的需求及后续任务发展需要，转发控制模块具备信息可灵活调整、功能方便扩展、代码修改量少、方便任务准备等特性，任务信息的设置采用配置文件的方式设计。通过配置文件的方式对任务信息进行管理，具备多任务处理的能力。转发控制模块主要具备以下子模块：数据处理、轨迹控制、动态模型控制、视角控制、地理信息控制、显示控制、理论数据模拟飞行。

5 结束语

本文从军事任务的实际需要出发，对飞行器三维轨迹动态显示系统进行了设计。系统在三维空间场景中，通过多种表现方式对飞行器三维轨迹和其它关键要素进行实时显示。重点解决了随着空间场景变化，如何将飞行器等实体运动与陆、海、空多维度相结合，实现态势信息一体化的综合显示问题。系统的设计使得飞行器的飞行过程更加直观生动，数据准确丰富，为指挥人员的决策提供了有力的技术支持。

随着计算机技术特别是软件技术的不断发展，三维显示系统在军事领域的应用必将越来越广泛，将会为提高军事效益和经济效益作出更大贡献。

参考文献：

[1] 张文诗.数字地图及其应用[J].解放军测绘学院学报，2008，11（1）：58-61.

[2] 范新南，陈鹏，谢迎鹃.组件式GIS软件MapX的应用技术研究[J].微计算机信息，2007，19（8）：92-93.

[3] 赵松涛.SQL Server 2000应用及实例集锦[M].北京：人民邮电出版社，2002.

[4] 孟剑萍.高可用性软件架构设计和实现[J]，微型机与应用，2011，17：9-10.