基于FlightGear的制导弹药飞行实测数据可视化研究

张 龙，赵志勤，刘晓蕾，田中梁

（西北机电工程研究所，陕西咸阳 712099）

基于FlightGear的制导弹药飞行实测数据可视化研究

张 龙，赵志勤，刘晓蕾，田中梁

（西北机电工程研究所，陕西咸阳 712099）

为分析飞行数据是否满足飞行性能要求，观测飞行过程中制导弹药部件间的相对运动，应用FlightGear飞行模拟平台，研究了制导弹药三维模型建模方法、可视化场景绘制技术、飞行实测数据的处理方法和三维模型的实测数据驱动技术，构建了制导弹药飞行实测数据驱动的数据可视化系统，实现了制导弹药飞行过程的多视角可视化，直观再现了制导弹药飞行过程中的飞行轨迹以及不同部件之间的相对运动关系，为判断制导弹药飞行数据有效性和飞行控制过程等提供了可视的技术手段。

制导弹药；飞行实测数据；数据驱动；可视化；FlightGear

当前，国内外制导弹药技术发展迅速，对各种类型制导弹药需求越来越迫切。制导弹药研发过程中既要控制研发经费又要加快研发进度，这就要求研发过程中应用新的设计手段与试验方法。数字化设计与试验技术的发展为这一要求提供了可能性，特别是虚拟现实技术的发展，推动数字仿真向动态场景发展，可实现从设计到试验全过程的数据可视化。

数据可视化源于科学计算可视化，是运用计算机图形学、图像处理技术和虚拟现实将数据转化为图形或者场景并进行交互处理的理论、方法和技术［1］。制导弹药飞行试验中，采用弹载飞行数据记录仪记录飞行数据，构建基于飞行数据驱动的数据可视化系统，提供了多视角飞行数据观察方式。数据可视化系统可以基于OpenGL（Open Graphic Library）的开发技术实现［2］，也可以利用VEGA等专用仿真工具实现，但是上述方法存在开发周期长、费用高、数据转换繁琐等问题，更适用于航空航天等领域。对于制导弹药实测飞行数据可视化，笔者阐述了基于FlightGear构建低成本、高效的实测数据驱动数据可视化系统。FlightGear是一个开源的飞行模拟器，该可视化引擎具有跨平台、多场景、可交互、开放性等特点。利用FlightGear作为飞行仿真可视化引擎，具有可扩展性强、开发周期短、系统建设简单、使用方便等优点［3］。

1 数据驱动可视化仿真框架

制导弹药实测飞行数据可视化仿真框架包括可视化场景绘制、制导弹药三维建模、系统交互配置、实测数据处理和数据驱动模块开发等部分。可视化场景绘制完成发射装置、制导弹药的载入与绘制操作，实现动态场景中的地形、天气等显示效果；系统交互配置建立制导弹药三维模型与实测数据的交互关系；数据驱动模块将实测数据发送到可视化场景中，驱动三维模型在场景中动态显示。整套系统仿真框架如图1所示。

笔者基于FlightGear平台，针对某型制导弹药有控飞行试验记录数据，使用Matlab／Simlink工具，建立试验数据的载入与驱动模块，利用Flight-Gear提供的外部数据输入／输出接口，将飞行航迹／姿态以及舵面动作等记录数据，通过数据网络实时传递，驱动FlightGear可视化引擎，实现在飞行仿真中，飞行姿态、环境条件及地形信息的三维实时可视化显示。

2 制导弹药的三维建模

制导弹药的三维建模是实现数据可视化的关键部分。制导弹药三维模型在AC3D软件下构建，模型包含结构信息、材质信息和位置信息等。AC3D是个跨平台的3D模型制作软件，与Flight-Gear具有良好的接口，AC3D的数据格式可以直接载入FlightGear场景中。考虑到制导弹药飞行历程数据可视化的负载需求，出于对模型运行流畅性的保证，尽量降低模型复杂度，简化了内部结构细节特征。另外，由于飞行历程数据包括制导弹药舵面等部件的动作信息，还需明确定义相关部件属性，对部件名称、舵面编号以及相关转轴等信息进行编辑。

以某型制导弹药模型制作为例，使用AC3D建立制导弹药模型，如图2所示。

3 可视化场景绘制

飞行试验记录数据可视化场景由以下部分构成：制导弹药、发射装置、地形、天空、特效。

FlightGear提供了全球地形文件，每块地形文件都是10°×10°的压缩包，压缩包名字以经纬度命名，地形文件安装在Scenery场景目录下。地形场景直接由FlightGear根据地理经纬度坐标载入。天空场景可根据实际试验环境设置风场、紊流、光线、云雾等效果。

建立FlightGear场景载入的批处理命令如下：

命令依次为程序调用、网络设置、制导弹药模型（MsGuide01）载入、环境设置、初始位置设置、初始姿态设置等。

由于制导弹药由相应的发射装置发射，需在场景中载入发射装置，笔者利用FlightGear的preferences.xml配置文件载入由AC3D建立的发射装置三维模型，配置命令为：＜scenario＞Launcher＜／scenario＞。在对应的Launcher.xml配置文件中，通过＜latitude＞、＜longitude＞、＜speed＞等属性定义发射装置在场景中的位置和速度等信息。

4 飞行记录数据处理

某制导弹药飞行模式采用制导弹药为卷弧尾翼稳定方式，弹体在卷弧尾翼作用下高速旋转。制导部安装在弹药前段，考虑到制导部旋转适应性的问题，需要对制导弹药进行滚转控制，而直接利用鸭舵控制滚转时，鸭舵产生的下洗流场作用在卷弧尾翼上，会导致滚转控制困难，甚至失效。因此采用在弹体与制导部之间增加旋转隔离轴承的方式解决该问题。制导弹药飞行时，制导部在鸭舵控制下不旋转，弹体则自由旋转。鸭舵既控制制导部的滚转姿态又控制全弹弹道轨迹。根据以上描述，飞行试验实测关键数据内容如表1所示。

表1 飞行试验实测关键数据

表1中，飞行实测数据由不同设备测试记录，记录的时间基准与记录间隔并不相同，部分数据的参考坐标也不相同。飞行实测数据可视化系统要求支持这些不同来源、不同类型的数据，支持数据动态回放，同时可以调节回放速率。根据上述要求，利用Matlab／Simulink工具可以较为方便地完成数据处理工作。将上述数据内容以时间插值的方式建立模型，并设定数据发送频率为每秒30帧，以驱动飞行模拟视图的更新。

飞行实测数据与数据可视化仿真系统之间坐标不匹配，在数据可视化仿真系统设计中，采用以椭球WGS84世界坐标系为基准的坐标转换在视景仿真系统中的实现方法［4］。表1中，弹载数据记录仪记录的弹道轨迹为WGS84直角坐标系下的数据，而FlightGear采用大地坐标系，因此须将进行WGS84直角坐标到大地坐标的坐标转换，图3给出了两者坐标转换关系。

图3中，Oxeyeze为WGS84直角坐标，原点位于旋转椭球体中心，ze与地球自转轴重合，正向沿地球自转方向，xe和ye轴位于赤道平面内，xe轴穿过本初子午线，ye轴穿过东经90°子午线，制导弹药P点的位置用P点在该坐标系内的坐标（xe，ye，ze）来表示。大地坐标坐标原点位于椭球中心，地面上P点的大地子午面NP′Q与本初子午面所构成的二面角β称为P点大地经度，由本初子午面算起，向东为正，向西为负。P点对于椭球的法线PP′与赤道平面的夹角α为P点的大地纬度，由赤道平面算起，向北为正，向南为负。P点沿法线到椭球面（PP′）的距离为大地高度H，从椭球面起算，向外为正，向内为负，P点位置用纬经高（α，β，H）来表示。

5 数据驱动设置

为了通过实测飞行数据驱动FlightGear运行，需要按照FlightGear定义的网络通信协议编写接口驱动，以本文所构建的制导弹药飞行数据可视化为例，如表1所示，需要16个变量信息。按照这16个变量信息进行编程，并通过UDP协议发送到FlightGear节点，实现和FlightGear的交互。

实测飞行数据与FlightGear交互过程中不但要驱动制导弹药位置与姿态更新，还需驱动4个控制舵面偏转及制导部旋转姿态的更新。因此需要将16个变量信息与制导弹药运动及相应部件的对应关系进行配置。在FlightGear软件系统中大量使用了XML文档作为配置文件，XML（Extensible Markup Languager）［5-7］是W3C（World Wide Web Consortium）组织提出的Web上数据表示和数据交换的标准。

本文构建三维模型与变量信息之间的XML配置文件，格式如下：

上述程序中＜type＞定义了动作类型，＜object-name＞为动作部件名称，＜property＞为对应的驱动信息接口，＜center＞定义了旋转中心，＜axis＞定义旋转轴。

在XML配置文件基础及网络通信接口驱动的基础上构建数据驱动的可视化仿真模块，模块在Simulink下构建如图4所示。

图4中，Flight-test Data为飞行实测数据处理模块；Interface Driver为接口驱动程序；Send Data模块为UDP协议发送模块；Simulation Pace模块用以设置可视化场景的播放速率；Generate Run Script为FlightGear初始设置的脚本文件生成模块。仿真模块运行时先运行dos（′runfg ＆′）命令启动FlightGear界面，然后运行Simulink模块即可实现实测飞行数据的可视化，其飞行场景和飞行轨迹如图5所示。

飞行实测数据可视化系统可以显示制导弹药飞行轨迹与姿态，在可视化场景显示的同时也可以实时显示相应的数据曲线，实现数据曲线与飞行状态的对比分析。可视化系统也提供了从不同角度、不同层次全面了解飞行状态的功能，系统支持多种再现观察模式，可以从全局观察弹道轨迹变化、制导弹药姿态变化，也可以局部观察舵面偏转运动等。

6 结 论

1）采用FlightGear飞行模拟平台与Simulink软件结合的方式，实现制导弹药实测飞行数据可视化系统的构建，该系统实现简单且具有较强的可移植性和适应性。

2）基于实测飞行数据对制导弹药飞行历程进行可视化分析，为研究人员辨别数据有效性、飞行控制状态以及相对运动细节提供了直观的判断方式。

3）结合某制导弹药飞行实测数据，完成了数据可视化分析工作，特别是为该制导弹药制导部与弹体的相对旋转运动以及舵面既控制制导部滚转姿态又控制弹道轨迹时的复合运动提供了可视化的评定方式。

（References）

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［2］叶舸，田兆锋，闫楚良.基于OpenGL的飞机飞行实测数据可视化研究［J］.航空学报，2011，32（6）：1050-1057.YE Ke，TIAN Zhao-feng，YAN Chu-liang.Flight-test data visualization of aircraft’s flight course based on OpenGL［J］.Acta Aeronautica Et Astronautica Sinica，2011，32（6）：1050-1057.（in Chinese）

［3］郭卫刚，韩维，王秀霞.基于Matlab／Flightgear飞机飞行性能的可视化仿真系统［J］.实验技术与管理，2010，27（10）：110-112.GUO Wei-gang，HAN Wei，WANG Xiu-xia.Visual simulation system of flight perfomance based on Matlab／Flightgear［J］.Experimental Technology and Management，2010，27（10）：110-112.（in Chinese）

［4］王金华，严卫生，刘旭琳.视景仿真中的远程水下航行器坐标变换实现［J］.兵工学报，2010，31（9）：1145-1150.WANG Jin-hua，YAN Wei-sheng，LIU Xu-lin.Coordinate transformation of long distance underwater vehicles in visual simulation［J］.Acta Armamentarii，2010，31（9）：1145-1150.（in Chinese）

［5］尹泉，侯力，王玫，等.XML网页开发实例教程［M］.北京：机械工业出版社，2002.YI Quan，HOU Li，WANG Mei，et al.XML web development tutorial examples［M］.Beijing：China Machine Press，2002.（in Chinese）

［6］曾春华，王超，张鹏.XML编程从入门到精通［M］.北京：希望电子出版社，2002.ZENG Chun-hua，WANG Chao，ZHANG Peng.XML programming from entry to the master［M］.Beijing：Hope Electronic Press，2002.（in Chinese）

［7］张昌宏，王哗，丁展春.基于XML的企业应用集成方法研究［J］.舰船电子工程，2005，（6）：81-84.ZHANG Chang-hong，WANG Hua，DING Zhan-chun.Based on XML enterprise application integration method［J］.Ship Electronic Engineering，2005，（6）：81-84.（in Chinese）

Flight-test Data Visualization Research on Flight Course of Guided Munition Based on FlightGear

ZHANG Long，ZHAO Zhi-qin，LIU Xiao-lei，TIAN Zhong-liang
（Northwest Institute of Mechanical ＆Electrical Engineering，Xianyang 712099，Shaanxi，China）

In order to analyze if the flight-test data to satisfy the performance requirements of flight，and to observe the relative motions between guided munition parts during the course of flight，by use of FlightGear flight simulation platform，the guided munition modeling method of 3Dmodel，the rendering method of virtual scene，the processing method of flight-test data and the measured data driven technology of 3Dmodel were studied，and the visualization system of flight measured data of guided munition was constructed to realize multi-angle of view visualization during the course of flight of guided munition.This method can intuitively reappear the flight path of guided munition during the course of flight and relative motion between various parts，and it can provide visualization technological means for judging the flight data validity of the guided munition and flight control process.

guided munition；flight measured data；data drive；visualization；FlightGear

TJ765.4

A

1673-6524（2014）01-0092-05

2013-08-02；

2013-10-11

张龙（1984-），男，硕士，工程师，主要从事智能弹药与系统仿真技术研究。E-mail：zlong7＠163.com