基于三維場景的飛行回放仿真系統研究

趙向領

（中國民航大學 空管學院，天津300300）

0 引 言

飛行數據記錄器 （flight data recorder，FDR）、快速存取記錄器 （quick access recorder，QAR）以及數字式記錄器 （digital ACMS recorder，DAR）作為現代大中型民用飛機常用機載設備，記錄了飛機各系統工作狀況、飛行員操作以及發動機工作狀態等機載數據。這些數據客觀、全面反映了飛機的飛行狀態，不僅是飛行性能監控、飛行技術檢查、安全評估和飛機維護工作的重要數據參考［1］，也是事故及事故征候調查、不安全事件分析的重要依據［2］。

目前，對機載數據的分析和研究主要是通過數據列表、二維曲線圖以及數據表格等形式，操作和判斷過程抽象，很難直觀有效地把握復雜數據集各參數之間動態的內在關系以及其反應的復雜行為與狀況［3］。而視景仿真技術的發展，為機載數據可視化提供了可能。當前美國SimAuthor公司生產的FlightViz［4］自譽為飛行數據分析與可視化的領跑者，以3D視覺效果重現飛行軌跡，但造價昂貴；中國民用航空局航空安全技術中心研發了基于交互式三維圖形飛行仿真系統EasyFlight［5］，主要用于重大事故和事故征候的飛行模擬再現和典型案例仿真制作，但在航空公司很少見其蹤影。

遠航通研發的QAR飛行數據三維回放產品［6］，僅用于國航的一發失效應急起飛程序的輔助設計和教育課件開發。文獻 ［7］在FlightGear軟件基礎上進行飛行回放開發，但開放性軟件的地形數據可信度以及機場及障礙物經緯度受到質疑。文獻 ［8］在Google Earth上進行飛行程序設計與模擬飛行開發，由于開發結果必須上傳到國外服務器，保密性受到威脅，知識產權存在爭議。

本文參考飛行訓練仿真系統，設計了飛機飛行回放的仿真系統，解決了大規模數據實時顯示的關鍵問題，在普通筆記本電腦上實現了三維場景中的飛行動態回放。該方法造價低廉，且回放流暢。

1 飛行回放原理

1.1 數據處理與驅動飛行

航班飛行后的機載數據經過破譯處理后得到原始的飛行數據，從該數據中提取有關飛機經緯度位置、飛行高度、俯仰角、偏航角、滾轉角、航跡角、偏流角、真空速、地速等飛機的位置、姿態、速度等信息，進行坐標轉換與去噪處理獲得飛行狀態數據，之后利用飛行狀態數據驅動飛機模型運動。基本過程如圖1所示。

圖1 驅動飛行原理

坐標轉換是把經緯度坐標轉換成為仿真中可用的直角坐標，以飛機某一特定定位點為坐標原點，X軸向東，Z軸向北，Y軸背離地心向上。由墨卡托投影的等角性質，可將等角航線轉換為直線，提高顯示的準確度和保真度，通過式 （1）實現。

其中

式中：（B，L）——任意點經緯度，（X，Z）——對應的直角坐標，（B0，L0）——坐標原點的經緯度，a、b、f、e、e′——地球橢球體的長半軸、短半軸、扁率、第一偏心率、第二偏心率，N——卯酉圈曲率半徑。

由于飛行干擾與擾動、機載設備精度與數據采集模式的影響使得轉換數據出現明顯差錯，甚至矛盾，如果不進行處理，在飛行回放中會出現不正常的振動和擺動，本文通過去噪處理和平滑性處理解決。終端區近地面飛行時，要考慮到飛機與地面之間的關系，要求飛機位置與地形位置匹配準確度高。考慮到飛機起飛著陸時必然在跑道上，此時高度數據為零或機場標高；飛機離地或即將著陸時，定位點也比較多，這些點都可以用來修正和校對飛行軌跡。

1.2 可見三維場景信息的確定

飛行回放仿真中飛行的場景必不可少，且飛行場景信息應當與飛機飛行的位置和姿態動態變化，因此要根據飛機位置和姿態確定可見的場景區域，在該區域內顯示地形，建筑物等場景信息，從而實現在三維場景中進行動態回放。

2 系統結構

視景仿真技術在航空方面主要是應用于飛行訓練仿真和飛行器駕駛模擬［9－11］，飛行軌跡回放方面應用很少。本文參考飛行訓練仿真系統，采用數據驅動式飛行可視化仿真技術［12］實現飛行回放，即按照時間順序，對某次飛行的真實歷史飛行狀態數據從不同視角進行可視化仿真。

該飛行回放系統分為5個模塊和3種數據 （如圖2所示）。5個模塊包括：機載數據的提取與轉化模塊，飛行運動仿真模塊，視景驅動模塊，綜合顯示與實體對象管理模塊和安全分析與評估模塊。3種數據有：機載數據，地形高程數據和三維實體模型。

圖2 系統結構

機載數據的提取與轉化用于從經過初步處理的機載數據中提取經緯度、航向、速度等重要信息，做經緯度修正、坐標轉換、航跡計算、軌跡平滑處理、偏差消除等工作。

飛行運動仿真模塊是通過外界輸入設備或準備好時飛行數據驅動飛機再現真實飛行。顯示飛機運動的位置、航向、姿態等。

視景驅動模塊通過攝像機或飛機駕駛艙前窗來確定所能見到的場景，確定顯示區域及其區域內部要顯示場景信息。

綜合顯示與實體對象管理模塊用于把可見的場景所需數據動態讀入內存，根據景物與地形塊的位置拓撲關系，把可見景物和地形顯示出來，并把不可見的場景信息卸載，回收內存。

安全分析與評估報告模塊在飛行過程中判斷飛機與障礙物的相互關系，檢查超障余度，檢查飛行數據與參考值的偏離等相關信息，記錄評判偏離是否在允許范圍內，確定偏離較大的物理量。

機載數據是機載記錄設備記錄的，經過初步處理的飛行狀態參數數據，本文采用的是QAR數據。

地形高程數據是機場周邊的地形高度信息，用于真實再現機場及周邊環境，建立自然障礙物。

三維實體模型是飛機、候機樓、塔臺等三維模型和航路、進離場程序、障礙物評價面等虛擬實體模型。

為實現三維真實場景的飛行回放，需要對大規模地形數據需要恰當的處理，否則會影響動畫顯示效果。地形數據處理在于如何快速連續地動態顯示地形高程信息，紋理信息以及其表面的附屬物。

3 地形數據處理

3.1 地形數據的動態調入和渲染

機場終端區是飛行事故、事故征候的多發區，飛機的起飛與降落也是飛機性能保障的關鍵階段，在這個階段，對飛行員的飛行操作要求與爬升、巡航、下降相比要求較高。因此終端區的飛行回放與演練更具實際意義。

在三維場景中回放飛機在終端區的起降，逼真的機場及其周邊建筑物、障礙物等場景信息必不可少，飛行回放的場景地形數據占整個程序數據處理的很大部分，高精度的地形場景不僅給人清晰、真實之感，而且可以更精確的飛行回放。由于計算機數據處理能力的有限性與廣大地形數據的無限性矛盾，大規模的地理信息數據顯示通常是飛行仿真和場景漫游的速度瓶頸，如果不恰當處理將會限制飛行回放的質量，這就要求設計分塊地形場景的動態顯示和處理［13－15］。

地形數據一般采用地形高程模型 （digital elevation model，DEM），把地形高程數據分成很多小塊，按平面坐標形式編號。如圖3所示，通過飛機所在位置P（X，Z）確定 所 需 地 形 塊：ix＝ ［X／WIDTH］，iz＝ ［Z／HEIGHT］。WIDTH，HEIGHT分別表示地形塊的以像素為單位的寬度和高度，（ix，iz）為飛機當前所在地形塊的索引坐標，及圖上地形塊①。調入該地形塊①，并以其為中心調入周邊相鄰的8個地形塊②、③、④、⑤、⑥、⑦、⑧、⑨，之后渲染，經過緩沖區再顯示。

圖3 確定地形塊

飛行顯示每刷新一次，判斷一次飛機所在地形塊，如果仍在原來地形塊，則只把緩沖區中渲染好的場景顯示，不再讀取和渲染；如果飛機到了新的地形塊，比如從①飛到了②，則全部卸載，然后以②為中心，讀取②及其周邊的8個地形塊，渲染并顯示，從而實現地形的動態更新。

3.2 高度確定地形數據精度層次

飛機爬升、巡航、下降階段一般距地面比較高，低精度地形高程信息甚至地理平面數據即可滿足視覺要求，但飛機在機場終端區運行時要考慮飛機相對于跑道、障礙物、相關飛行程序等的關系，必然要顯示高清晰地形場景，因此，飛機的高度決定了地形數據的精度。

如圖4所示，不同精度數據在同一屏幕上顯示大小相同，而顯示的視野大小不同。低精度數據是在高精度數據基礎上人為降低數據精度，地形塊大小不變，地形數據范圍增大。本文調用高度精度地形數據的轉換高度設為400m，800m和1500m這4個精度層次。

圖4 確定精度層次

4 仿真實驗

本文基于三維場景的飛機回放仿真在普通筆記本電腦上實現。運行配制為：Intel（R）Core （TM）2Duo，2.2GH，2GB 內 存，NIVIDIA GeForce GT240T 顯 卡；Windows 7操作系統。底層三維引擎為OpenGL，軟件開發平臺為VC＋＋6.0。三維模型建造工具3DMAX，紋理圖像處理軟件為Photoshop。

圖5是拉薩機場09L跑道飛機起飛的飛行回放演示。地形高程數據來源于中國科學院科學數據庫的SRTM數據服務系統，采用的是30m精度數據。SRTM以1經緯度大小為一塊存儲，本文切割成了可動態處理的128×128大小的地形塊。在渲染地形數據時可用最高精度在原數據精度基礎上擴大30倍，其它不同精度相應增大倍數，以實現1：1回放效果。機載數據為某航空公司開辟高原航線試飛時的真實飛行數據。紋理數據來源于Google Earth，跑道信息來源于機場AIP，飛機3DS模型尚未加紋理。

經演示，動畫運行速度20幀以上，動畫比較連貫，可以達到真實場景飛行回放的目的。

仿真采用了多層次真實紋理，動畫可達到微軟模擬飛行游戲的視覺效果，而國航用的遠航通飛行引擎采用的是顏色紋理，且地理信息數據與飛機比例不搭配；FlightViz雖然用了真實紋理，紋理精度單一，近距離地貌效果顯示模糊。該原型機把進離場程序及其保護區整合在了場景中，圖4中黃色透明帶即為RWY09L離場程序及保護區，FlightViz與EasyFlight仍然以輔助窗口顯示航圖形式顯示進離場程序。此外，飛機模型還做有包圍盒 （Bounding Box）和碰撞檢測程序，在飛行回放中，如果飛機包圍盒與障礙物、飛行程序保護區相關平面以及與其它飛機模型包圍盒發生碰撞干涉時，會發出警告信息；而其它回放程序干涉問題都是在飛行過程結束后在二維圖形中進行分析，使得事故征候很難在回放中辨識出來。

圖5 飛行回放演示

5 結束語

本文主要完成了在虛擬現實場景中對飛機飛行軌跡的回放；給出了基于三維場景的飛行回放仿真系統的系統結構；解決了高分辨率大規模地形數據實時顯示問題。

該系統實現了多視角復雜地形場景的飛行回放仿真，飛機狀態完全根據真實機載數據，能夠有效反應飛行的狀態，可以用于輔助飛行品質檢測以及事后事故調查。該系統應用開放地形數據和3DS飛機模型，而且地形數據塊按經緯度排布，只需稍微處理就可以更換其它所需機場數據，擴展性強。此外，如果把機載數據變成數據化的飛行程序，就可對新設計的飛行程序進行試飛校驗。

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