基于GMap.NET的無人機航跡再現(xiàn)設(shè)計與應(yīng)用＊

馬 野 吉宏安

（海軍大連艦艇學院 大連 116018）

1 引言

無人機在飛行過程中，各種因素都可能導(dǎo)致飛行偏航，甚至造成飛行事故。飛行再現(xiàn)技術(shù)，能夠迅速還原飛機各系統(tǒng)的工作情況和各種飛行狀態(tài)信息，從而正確估計飛行狀態(tài)的變化趨勢、分析可能存在的故障隱患及危害度，并提供安全級別報警和應(yīng)采取的應(yīng)急措施，因此，被廣泛應(yīng)用于飛行事故中的飛參數(shù)據(jù)分析［1］。

目前，國內(nèi)外的飛行再現(xiàn)技術(shù)在有人駕駛飛機上的使用已經(jīng)非常成熟，可以實現(xiàn)三維的飛行仿真，但三維的仿真需要搜集大量數(shù)據(jù)以建立真實地景模型，系統(tǒng)龐大復(fù)雜，對計算機的圖形硬件有較高的要求［2～3］，在無人機的使用方面有較大局限性。本文著重介紹的無人機二維航跡再現(xiàn)技術(shù)，能夠供工作人員迅速、準確的判斷出偏航區(qū)域，方便、快捷的尋找到問題參數(shù)，而且操作簡便，對硬件要求低，更具有實際使用價值。

2 主體結(jié)構(gòu)設(shè)計

無人機航跡再現(xiàn)作為無人機飛參分析系統(tǒng)的重要組成部分，是一種利用電子地圖，結(jié)合飛參數(shù)據(jù)，真實反映無人機飛行全程軌跡變化的技術(shù)。論文所研究的系統(tǒng)選擇了GMap.NET控件作為開發(fā)航跡再現(xiàn)模塊的核心，其總體結(jié)構(gòu)分為三個部分，如圖1所示。

圖1 無人機航跡再現(xiàn)模塊機構(gòu)圖

1）地圖瀏覽。系統(tǒng)從飛行記錄中獲取飛參數(shù)據(jù)，并自動加載該飛行區(qū)域的地圖，供用戶執(zhí)行瀏覽、拖動、縮放等操作。

2）航線預(yù)置。提供了在地圖上繪制航跡點、航線并對進行管理的功能，在偏航分析中，通過實際航線與預(yù)置航線的比對，可以迅速標繪出偏航位置，達到偏航報警的功能。

3）航跡再現(xiàn)。可以對飛行航跡的快速還原，也可以同步其它飛參數(shù)據(jù)共同進行飛行狀態(tài)的動態(tài)演示。

3 技術(shù)實現(xiàn)

3.1 地圖瀏覽

地圖加載與瀏覽是無人機航跡再現(xiàn)的核心。基于GMap.NET電子地圖的應(yīng)用大多是在線地圖，對離線地圖的使用很少。本系統(tǒng)中應(yīng)用的是GMap.NET離線地圖的嵌入與瀏覽，其與用戶交互的模型如圖2所示。

圖2 GMap.NET離線地圖模型

圖3 柵格模型

3.1.1 地圖數(shù)據(jù)庫建立原理

GMap.NET中的電子地圖采用柵格化的數(shù)學模型，是直接采用面域或空域枚舉來直接描述空間目標對象的［4］。如圖3所示，該模型的特點是：同一地理區(qū)域，拼接地圖的圖片數(shù)量與地圖縮放的級數(shù)以及地圖分辨率均成正比［5］。

地圖數(shù)據(jù)庫存儲和管理著海量的地圖圖片，存儲時對每張圖片都指定了URL。不同地圖對圖片URL的命名有不同的規(guī)則。以百度地圖為例，圖4所示為地圖中圖片的URL，1位置代表的是分布式服務(wù)器地址，2位置是根據(jù)墨卡托投影算法解算出來的坐標，3位置是圖片所在的層級數(shù)，4位置代表當前版本號，5位置表示通過瀏覽器訪問，6位置是固定值［6］。

圖4 百度地圖URL地址

GMap.NET支持對在線地圖的圖片獲取，通過GetImageFrom（）方法，把選定區(qū)域的各個層級的地圖圖片提取出來，并打包生成.gmdb文件，即系統(tǒng)中所用到的離線地圖數(shù)據(jù)包。

3.1.2 GMapProvider接口原理

GMap.NET采取了良好的代碼結(jié)構(gòu)，緩存、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都遵循了低耦合－高內(nèi)聚的原則，每個模塊之間的聯(lián)系都是基于接口編程的［7］。GMapProvider就是GMap.NET地圖數(shù)據(jù)源的接口。

由于不同的地圖對于圖片URL的命名有不同的規(guī)則，所以，當客戶端通過GMapProvider接口調(diào)用地圖時，必須對所加載地圖的URL命名規(guī)則進行明確，調(diào)用流程如圖5所示。

圖5 GMapProvider接口調(diào)用流程

3.1.3 地圖的顯示與操作

通過對地圖數(shù)據(jù)庫和GMapProvider接口的準備，實現(xiàn)了離線地圖的顯示功能。通過定義了一系列的鼠標動作，如支持對地圖的拖動瀏覽、地圖的縮放、地圖的標注以及鷹眼等［8］，最終完善了GMap.NET控件在無人機航跡再現(xiàn)系統(tǒng)中的應(yīng)用。

3.2 航線預(yù)置

對飛參數(shù)據(jù)進行分析時，把預(yù)置航線與再現(xiàn)航線進行比對，可以直觀地尋找出偏差位置以及偏離時刻，極大地簡化了數(shù)據(jù)分析的難度，提高了工作效率［9］。

航線預(yù)置可分為兩個部分：一是航線繪制，二是航線管理。GMap.NET地圖控件的分層結(jié)構(gòu)式框架，支持多圖層繪制。同時，提供的一系列功能強大接口，可供用戶定制標繪點、標繪線的顏色、形狀、大小等，大大簡化了航線標繪的過程。航線預(yù)置流程如圖6所示。

圖6 航線預(yù)置流程程序圖

航線管理是通過數(shù)據(jù)庫，將預(yù)置的航線進行編號管理，并提供航線瀏覽查詢和重復(fù)利用。

3.3 航跡再現(xiàn)

實現(xiàn)航跡再現(xiàn)，需要用到隨時間不斷變化的飛行軌跡數(shù)據(jù)。根據(jù)無人機飛行記錄系統(tǒng)記錄的導(dǎo)航信息就可以描述飛行軌跡變化情況了。特殊情況下根據(jù)飛行速度、航向及姿態(tài)等信息，也可以換算出位置信息，這就需要在加載地圖前，對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理［10］。

3.3.1 航跡繪制

GMap.NET為航線繪制提供了一個GMapRoute接口，只需要定義一個List〈〉列表，并將所有的航跡點添入列表中，GMap.NET便可以根據(jù)列表信息，繪制出整個飛行過程的航跡線。

3.3.2 動態(tài)演示

航跡的動態(tài)演示過程結(jié)合了飛參數(shù)據(jù)分析共同進行。系統(tǒng)在演示實時軌跡的同時，對發(fā)動機參數(shù)、變速箱溫度、外界溫度等一系列飛參數(shù)據(jù)的變化曲線也進行了繪制，工作人員可根據(jù)需要，隨時對相應(yīng)的參數(shù)曲線進行分析，對超出閾值范圍的參數(shù)，系統(tǒng)還提供自動報警。動態(tài)演示流程如圖7所示。

圖7 航跡再現(xiàn)動態(tài)演示程序流程

3.3.3 航跡再現(xiàn)效果

圖8 航跡再現(xiàn)即動態(tài)演示效果

無人機的航跡再現(xiàn)效果如圖8所示，圖8（a）為無人機實際航跡圖，地圖上方為功能區(qū)，提供對飛行記錄的選擇以及演示參數(shù)的控制，左上角則實時顯示了無人機實時位置信息，并算出了飛行航程。圖8（b）是同步顯示的各項參數(shù)的飛參曲線，左側(cè)的參數(shù)區(qū)域可以對所要查詢的飛參數(shù)據(jù)進行選擇。

4 結(jié)語

本文構(gòu)建的無人機航跡再現(xiàn)系統(tǒng)，在GMap.NET控件的平臺上，探討了離線地圖數(shù)據(jù)庫的建立原理以及GMapProvider接口技術(shù)，實現(xiàn)了多種地圖格式的離線瀏覽與操作；研究了地圖的標繪方法，設(shè)計了預(yù)置航線數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)了航跡預(yù)置的功能；結(jié)合對飛參數(shù)據(jù)的獲取和分析，實現(xiàn)了無人機航跡再現(xiàn)的二維動態(tài)演示。整個系統(tǒng)的設(shè)計簡潔美觀，可操作性強。

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