基于osgEarth的雷達三維態勢顯示軟件設計

中圖分類號：TP319 文獻標志碼：A

0引言

雷達作為一種通過發射和接收無線電波感知周圍態勢的電子設備，在軍事、民用及氣象等領域具有重要作用。雷達終端態勢軟件作為信息感知與交互的核心載體，能夠直觀展示雷達在不同工作模式下的波束掃描方式與掃描范圍，實現波束運動軌跡的精確模擬與可視化。這對于優化雷達性能、增強環境適應性、降低研發周期與成本、提升用戶使用體驗具有重要意義。當前主流三維引擎（如 STK、Cesium、Unity、osgEarth等[1）中，osgEarth憑借開源特性、強靈活性、高可拓展性、優秀的國產化兼容能力及豐富的地理信息基礎功能，在無人機監視、航空航天、地理測繪[3-5]、軍事仿真[等領域逐漸成為熱門工具。本文基于osgEarth引擎，設計并實現了一款雷達三維態勢顯示軟件，可動態顯示雷達波束（發射波束、接收波束、跟蹤波束）在不同工作模式下的掃描范圍、掃描策略等信息，同時實現雷達目標模型加載與驅動、航跡繪制與管理等功能，為雷達的研發提供支撐。

1osgEarth與OpenSceneGraphic

OpenSceneGraphic（OSG）作為一種基于OpenGL的開源三維圖形顯示引擎，采用模塊化架構，具備優秀的渲染能力，廣泛應用于游戲開發、虛擬/增強現實、飛行模擬等領域。osgEarth是基于OSG構建的地理空間渲染引擎，在繼承其底層圖形能力的基礎上，擴展了地理數據處理、地形渲染及空間可視化工具鏈。兩者形成互補技術棧：OSG提供核心三維渲染支持，osgEarth專注地理信息集成，共同為三維應用開發提供支撐。

2需求分析

本軟件的核心需求包括6個方面。

地圖加載：高精度地圖影像是定位模型三維位置的基礎支撐，軟件須支持流程的離線地圖數據加載能力。

模型管理：針對雷達態勢關鍵要素（如發射波束、接收波束、掃描屏、威力范圍等），須實現三維模型構建與動態更新功能，精確反映其運動狀態。

網絡通信：軟件應支持實時接人雷達系統，接收雷達前端傳輸的波束參數及態勢信息等數據，為外部信息交互提供通道。

視角管理：支持視角切換、存儲與快速定位功能，確保用戶可多角度觀測空間內模型位置關系。

參數設置：須配置雷達關鍵參數（如位置坐標、威力覆蓋范圍、波束顏色及數量），支持動態調整場景顯示效果。

航跡管理：具備航跡數據實時接入與解析能力，實現航跡模型、標牌、尾跡及垂直高度剖面顯示并自動清除失效航跡及對應模型。

3軟件設計

3.1 軟件架構

本軟件基于國產銀河麒麟操作系統，采用Qt5.6.2開發。軟件整體架構如圖1所示，采用自上而下的分層設置，根據功能劃分為數據層、平臺層、應用層。

數據層：整合地圖數據、航跡數據、模型數據等核心信息源。

平臺層：由銀河麒麟操作系統、OSG/osgEarth圖形工具鏈及Qt5.6.2開發框架構成。

應用層：實現三維態勢顯示功能，集成需求分析中提出的地圖加載、模型管理、網絡通信等核心模塊。

圖1軟件架構

3.2場景構建

osgEarth作為OSG的擴展，在OSG節點樹（NodeTree）基礎上引人地理信息系統（GeographicInformationSystem，GIS）功能，實現地理空間數據的三維可視化。osgEarth提供包括地球節點、圖層節點等GIS專用節點類型。雷達三維態勢軟件基于此特性，結合雷達場景需求，構建完整三維場景對應的節點樹，具體結構如圖2所示。

圖2節點樹

整體節點樹以根節點（rootNode）為頂層基座，其下衍生4大核心功能節點。

地球節點（earthNode）：基于osgEarth引擎實現全球地形、影像及矢量數據的加載與渲染。

光源節點（lightNode）：控制場景光照參數（強度、方向、顏色）及陰影生成。

天空節點（skyNode）：動態模擬大氣散射、云層及天體運動，構建環境背景。

相機節點（cameraNode）：管理視點位置、視野（FOV）投影模式（正交/透視）及導航交互。

雷達節點（radarNode）作為地球節點的葉節點，承擔雷達實體定位功能并掛載子節點容器。該節點存儲雷達坐標、型號及工作參數，同時作為波束、掃描屏、航跡等子節點的父容器。

子節點功能如下。

波束組節點（beamNodeGroup）：集成發射波束、接收波束、跟蹤波束的幾何模型，實時驅動波束空間形態與狀態更新。

掃描屏節點（scanscreenNode）：可視化波束在方位-距離維的掃描范圍邊界。

航跡組節點（trackNodeGroup）：按目標類型（無人機、導彈、艦船等）實例化三維模型，驅動模型位姿隨航跡數據動態變換，同步渲染標牌與尾跡，并自動清理失效航跡關聯資源。

該架構支持多雷達節點并行掛載，各雷達子節點（如波束、航跡）可根據前端數據流動態配置與擴展。

3.3地圖加載功能

osgEarth具有豐富的地圖加載機制，支持多源地理數據的集成顯示與高效渲染。該引擎提供2種地圖構建模式：XML配置文件（.earth文件）和代碼動態構建。本軟件采用.earth文件配置模式，通過定義以下參數實現地圖的加載與配置。

基礎屬性：包括地圖名稱、坐標系（WGS84）、初始視點參數（viewpoint）。

性能機制：包括本地緩存策略（LRU淘汰規則）、多線程加載及渲染優化參數。

數據源配置：包括文件路徑（本地存儲/網絡URL）加載驅動類型（如GDAL/TMS）。

為兼顧全局覆蓋效率與局部區域精度，本軟件設計雙層地圖加載架構（全球影像基底層、雷達周邊瓦片增強層）。基底層加載高精度GeoTIFF格式全球影像（world.tif），通過GDAL驅動解析地理參考數據，建立基礎地理信息框架。增強層在雷達位置動態疊加TMS格式瓦片地圖，基于視點距離動態調度高分辨率瓦片。當視角縮小時自動加載高清瓦片，確保雷達周邊區域清晰度；視角遠離時降級為全局影像，減少資

源消耗。

此方案通過全局低精度影像與局部高精度瓦片的動態協同，在保障全場景渲染性能的同時，滿足雷達態勢顯示對關鍵區域高清展示的需求。

3.4 網絡通信功能

本軟件通過直接數字頻率合成（DataDistributionService，DDS）實現網絡通信功能，采用發布—訂閱模型完成與系統內其他設備的網絡數據交互。發送數據為雷達控制命令，接收數據包括波束信息、掃描屏信息、航跡信息等，用于后續顯示和處理。

3.5模型管理功能

本軟件具備繪制雷達發射/接收/跟蹤波束、掃描屏、威力范圍等模型的功能，模型繪制管理流程如圖3所示。

接收波束參數：通過網絡接收雷達前端發送的波束參數報文，該報文包含當前時刻所有波束的參數，包括最大探測距離、波束寬度、波束類型、發射/接收波束數量、波束方位角/俯仰角等信息。

形成波束模型：根據波束類型創建發射波束和接收波束的組節點，向其中添加對應數量的波束模型。波束模型為一個圓錐體，圓錐體各頂點坐標與地圖坐標系一致，圓錐體頂點位于雷達地理坐標，圓錐角對應波束寬度，高度對應雷達最大探測距離，通過osg：：Vec3Array頂點數組構建出模型幾何體并依據波束方位角/俯仰角通過osg：：MatrixTransform矩陣變換將模型定位至空間正確位置和指向。

動態更新：當接收到波束參數報文時，將當前波束節點內的所有波束模型銷毀，更新最新波束模型狀態和位置，循環上述流程形成連續的波束掃描動畫。

3.6視角管理功能

osgEarth通過視點參數（Viewpoint）與相機操控器（EarthManipulator）管理三維空間視角。

視點參數：包含焦點位置、視角參數：焦點位置定義了視點所聚焦的地理坐標位置，該位置坐標系與地圖配置的坐標系一致；視角參數包括了焦距、俯仰角、方位角，用以定義相機與焦點位置的相互關系。

相機操控器：支持視點跳轉與交互控制等功能，可實現視角拖拽平移、滾輪縮放、俯仰角調整等操作。

本軟件的視角管理功能提供視角切換、當前視角保存及預設視角切換能力，滿足三維地球場景下的多角度觀測。

3.7參數設置功能

本軟件具有豐富的參數設置功能，包括雷達站點信息設置（雷達地理位置信息、雷達名稱、型號/編號等），場景設置（大氣顯隱、光照顯隱、地圖顯隱等），視角設置（視角保存、視角加載等），波束設置（波束數量、波束模型顏色、波束刷新間隔），航跡設置（航跡信息表頁、航跡歷史位置個數、航跡刷新間隔等）等。通過上述設置實現對雷達前端以及顯示內容的交互控制。

圖3模型管理流程

3.8航跡管理功能

本軟件具備航跡管理功能，通過網絡通信模塊接收雷達前端發送的目標信息報文，包含目標類型，位置信息，高度信息，批號，航跡狀態（新增、更新、刪除），航跡質量，威脅等級，敵我屬性等關鍵參數。接收到的航機以批號和航跡狀態作為標志進行更新和維護，若某航跡超過設定的5個連續雷達周期未更新或航跡質量低于閾值（如1）則刪除該航跡。優先加載顯示威脅等級高、距離較近、運動趨勢靠近雷達的航跡。軟件根據目標的類型通過osgDB：：readNodeFile讀取對應的模型，將模型添加進osg：：MatrixTransform矩陣節點中，根據目標大小、向等參數，對模型進行縮放和旋轉，確保比例與朝向匹配實際目標。基于目標位置信息將模型精確定位至三維空間。每次目標信息報文刷新，根據批號索引定位對應模型，更新模型坐標以形成連續運動動畫。為方便觀察，在目標節點上增加目標標牌、目標高度指示線和歷史尾跡線。

4軟件的仿真驗證

軟件測試環境包含2臺測試計算機，硬件配置如下，CPU：飛騰FT_2000;顯卡：AMD Rx550 ;內存：32GB；操作系統：銀河麒麟V10。

雷達三維態勢顯示軟件運行在一臺測試計算機上，另一臺計算機運行雷達前端模擬軟件，通過模擬雷達網絡環境向三維態勢顯示軟件發送數據，以驗證三維態勢軟件的運行效率和可靠性。

經測試，在雷達前端模擬軟件同時以 100ms 間隔發送波束信息、3s間隔發送航跡信息的負載條件下，軟件能夠正常顯示波束與航跡模型、拖動攝像機切換視角流暢、模型運動連貫無卡頓、圖像刷新流暢平均幀數在25幀左右，能夠滿足三維顯示的需求，具體統計參數如表1所示。

表1統計參數

5結語

本文設計了一種基于osgEarth的雷達三維態勢顯示軟件，實現了地圖加載、網絡通信、模型管理、視角管理、參數設置、航跡管理等功能。在測試環境中，軟件在 100ms 間隔波束刷新及3s間隔航跡刷新頻率的情況下以平均幀率 25fps 流暢運行。后續將進一步提升渲染效率，擴展顯示規模，實現多雷達、多站點的多源集成，拓展軟件應用范圍。

參考文獻

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（編輯戴啟潤）

Design of a radar 3 D situational display software based on osgEarth

SONG Kai， LI Huajun， DING Zhihui （No.8 Research Academyof CSSC，Nanjing 211153，China）

Abstract：Toaddressthelong-standing issuethatitisdiffcult tointuitivelydisplayradarsituationsinthreedimensional space，this paper designs and implements a radar 3Dsituation display software based on theosgEarth graphics library.Through design strategies such as software requirement analysis，software architecture design，and scene construction，thesoftware achieves functions including map loading，network communication，model management，perspective management，parameter seting，and track management.After being tested in a domesticmade environment，the software successully receives and displays radar beam and track data in real time，running smoothlyandstably，validating itscapabilityto efectively presentradar situations in thre-dimensional space.This achievement serves as a technical reference for the design of similar software.

Key words： OpenSceneGraphic; osgEarth; radar situational awareness; 3D earth