趙向領(lǐng)

（中國(guó)民航大學(xué) 空管學(xué)院，天津300300）

0 引 言

飛行數(shù)據(jù)記錄器 （flight data recorder，F(xiàn)DR）、快速存取記錄器 （quick access recorder，QAR）以及數(shù)字式記錄器 （digital ACMS recorder，DAR）作為現(xiàn)代大中型民用飛機(jī)常用機(jī)載設(shè)備，記錄了飛機(jī)各系統(tǒng)工作狀況、飛行員操作以及發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)等機(jī)載數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)客觀、全面反映了飛機(jī)的飛行狀態(tài)，不僅是飛行性能監(jiān)控、飛行技術(shù)檢查、安全評(píng)估和飛機(jī)維護(hù)工作的重要數(shù)據(jù)參考［1］，也是事故及事故征候調(diào)查、不安全事件分析的重要依據(jù)［2］。

目前，對(duì)機(jī)載數(shù)據(jù)的分析和研究主要是通過(guò)數(shù)據(jù)列表、二維曲線圖以及數(shù)據(jù)表格等形式，操作和判斷過(guò)程抽象，很難直觀有效地把握復(fù)雜數(shù)據(jù)集各參數(shù)之間動(dòng)態(tài)的內(nèi)在關(guān)系以及其反應(yīng)的復(fù)雜行為與狀況［3］。而視景仿真技術(shù)的發(fā)展，為機(jī)載數(shù)據(jù)可視化提供了可能。當(dāng)前美國(guó)SimAuthor公司生產(chǎn)的FlightViz［4］自譽(yù)為飛行數(shù)據(jù)分析與可視化的領(lǐng)跑者，以3D視覺(jué)效果重現(xiàn)飛行軌跡，但造價(jià)昂貴；中國(guó)民用航空局航空安全技術(shù)中心研發(fā)了基于交互式三維圖形飛行仿真系統(tǒng)EasyFlight［5］，主要用于重大事故和事故征候的飛行模擬再現(xiàn)和典型案例仿真制作，但在航空公司很少見(jiàn)其蹤影。

遠(yuǎn)航通研發(fā)的QAR飛行數(shù)據(jù)三維回放產(chǎn)品［6］，僅用于國(guó)航的一發(fā)失效應(yīng)急起飛程序的輔助設(shè)計(jì)和教育課件開(kāi)發(fā)。文獻(xiàn) ［7］在FlightGear軟件基礎(chǔ)上進(jìn)行飛行回放開(kāi)發(fā)，但開(kāi)放性軟件的地形數(shù)據(jù)可信度以及機(jī)場(chǎng)及障礙物經(jīng)緯度受到質(zhì)疑。文獻(xiàn) ［8］在Google Earth上進(jìn)行飛行程序設(shè)計(jì)與模擬飛行開(kāi)發(fā)，由于開(kāi)發(fā)結(jié)果必須上傳到國(guó)外服務(wù)器，保密性受到威脅，知識(shí)產(chǎn)權(quán)存在爭(zhēng)議。

本文參考飛行訓(xùn)練仿真系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了飛機(jī)飛行回放的仿真系統(tǒng)，解決了大規(guī)模數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示的關(guān)鍵問(wèn)題，在普通筆記本電腦上實(shí)現(xiàn)了三維場(chǎng)景中的飛行動(dòng)態(tài)回放。該方法造價(jià)低廉，且回放流暢。

1 飛行回放原理

1.1 數(shù)據(jù)處理與驅(qū)動(dòng)飛行

航班飛行后的機(jī)載數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)破譯處理后得到原始的飛行數(shù)據(jù)，從該數(shù)據(jù)中提取有關(guān)飛機(jī)經(jīng)緯度位置、飛行高度、俯仰角、偏航角、滾轉(zhuǎn)角、航跡角、偏流角、真空速、地速等飛機(jī)的位置、姿態(tài)、速度等信息，進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換與去噪處理獲得飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)，之后利用飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)飛機(jī)模型運(yùn)動(dòng)?；具^(guò)程如圖1所示。

圖1 驅(qū)動(dòng)飛行原理

坐標(biāo)轉(zhuǎn)換是把經(jīng)緯度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成為仿真中可用的直角坐標(biāo)，以飛機(jī)某一特定定位點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，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(zhì)，可將等角航線轉(zhuǎn)換為直線，提高顯示的準(zhǔn)確度和保真度，通過(guò)式 （1）實(shí)現(xiàn)。

其中

式中：（B，L）——任意點(diǎn)經(jīng)緯度，（X，Z）——對(duì)應(yīng)的直角坐標(biāo)，（B0，L0）——坐標(biāo)原點(diǎn)的經(jīng)緯度，a、b、f、e、e′——地球橢球體的長(zhǎng)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(dòng)、機(jī)載設(shè)備精度與數(shù)據(jù)采集模式的影響使得轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)出現(xiàn)明顯差錯(cuò)，甚至矛盾，如果不進(jìn)行處理，在飛行回放中會(huì)出現(xiàn)不正常的振動(dòng)和擺動(dòng)，本文通過(guò)去噪處理和平滑性處理解決。終端區(qū)近地面飛行時(shí)，要考慮到飛機(jī)與地面之間的關(guān)系，要求飛機(jī)位置與地形位置匹配準(zhǔn)確度高?？紤]到飛機(jī)起飛著陸時(shí)必然在跑道上，此時(shí)高度數(shù)據(jù)為零或機(jī)場(chǎng)標(biāo)高；飛機(jī)離地或即將著陸時(shí)，定位點(diǎn)也比較多，這些點(diǎn)都可以用來(lái)修正和校對(duì)飛行軌跡。

1.2 可見(jiàn)三維場(chǎng)景信息的確定

飛行回放仿真中飛行的場(chǎng)景必不可少，且飛行場(chǎng)景信息應(yīng)當(dāng)與飛機(jī)飛行的位置和姿態(tài)動(dòng)態(tài)變化，因此要根據(jù)飛機(jī)位置和姿態(tài)確定可見(jiàn)的場(chǎng)景區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)顯示地形，建筑物等場(chǎng)景信息，從而實(shí)現(xiàn)在三維場(chǎng)景中進(jìn)行動(dòng)態(tài)回放。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

視景仿真技術(shù)在航空方面主要是應(yīng)用于飛行訓(xùn)練仿真和飛行器駕駛模擬［9－11］，飛行軌跡回放方面應(yīng)用很少。本文參考飛行訓(xùn)練仿真系統(tǒng)，采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)式飛行可視化仿真技術(shù)［12］實(shí)現(xiàn)飛行回放，即按照時(shí)間順序，對(duì)某次飛行的真實(shí)歷史飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)從不同視角進(jìn)行可視化仿真。

該飛行回放系統(tǒng)分為5個(gè)模塊和3種數(shù)據(jù) （如圖2所示）。5個(gè)模塊包括：機(jī)載數(shù)據(jù)的提取與轉(zhuǎn)化模塊，飛行運(yùn)動(dòng)仿真模塊，視景驅(qū)動(dòng)模塊，綜合顯示與實(shí)體對(duì)象管理模塊和安全分析與評(píng)估模塊。3種數(shù)據(jù)有：機(jī)載數(shù)據(jù)，地形高程數(shù)據(jù)和三維實(shí)體模型。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

機(jī)載數(shù)據(jù)的提取與轉(zhuǎn)化用于從經(jīng)過(guò)初步處理的機(jī)載數(shù)據(jù)中提取經(jīng)緯度、航向、速度等重要信息，做經(jīng)緯度修正、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、航跡計(jì)算、軌跡平滑處理、偏差消除等工作。

飛行運(yùn)動(dòng)仿真模塊是通過(guò)外界輸入設(shè)備或準(zhǔn)備好時(shí)飛行數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)飛機(jī)再現(xiàn)真實(shí)飛行。顯示飛機(jī)運(yùn)動(dòng)的位置、航向、姿態(tài)等。

視景驅(qū)動(dòng)模塊通過(guò)攝像機(jī)或飛機(jī)駕駛艙前窗來(lái)確定所能見(jiàn)到的場(chǎng)景，確定顯示區(qū)域及其區(qū)域內(nèi)部要顯示場(chǎng)景信息。

綜合顯示與實(shí)體對(duì)象管理模塊用于把可見(jiàn)的場(chǎng)景所需數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)讀入內(nèi)存，根據(jù)景物與地形塊的位置拓?fù)潢P(guān)系，把可見(jiàn)景物和地形顯示出來(lái)，并把不可見(jiàn)的場(chǎng)景信息卸載，回收內(nèi)存。

安全分析與評(píng)估報(bào)告模塊在飛行過(guò)程中判斷飛機(jī)與障礙物的相互關(guān)系，檢查超障余度，檢查飛行數(shù)據(jù)與參考值的偏離等相關(guān)信息，記錄評(píng)判偏離是否在允許范圍內(nèi)，確定偏離較大的物理量。

機(jī)載數(shù)據(jù)是機(jī)載記錄設(shè)備記錄的，經(jīng)過(guò)初步處理的飛行狀態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)，本文采用的是QAR數(shù)據(jù)。

地形高程數(shù)據(jù)是機(jī)場(chǎng)周邊的地形高度信息，用于真實(shí)再現(xiàn)機(jī)場(chǎng)及周邊環(huán)境，建立自然障礙物。

三維實(shí)體模型是飛機(jī)、候機(jī)樓、塔臺(tái)等三維模型和航路、進(jìn)離場(chǎng)程序、障礙物評(píng)價(jià)面等虛擬實(shí)體模型。

為實(shí)現(xiàn)三維真實(shí)場(chǎng)景的飛行回放，需要對(duì)大規(guī)模地形數(shù)據(jù)需要恰當(dāng)?shù)奶幚恚駝t會(huì)影響動(dòng)畫(huà)顯示效果。地形數(shù)據(jù)處理在于如何快速連續(xù)地動(dòng)態(tài)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(shù)據(jù)處理

3.1 地形數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)調(diào)入和渲染

機(jī)場(chǎng)終端區(qū)是飛行事故、事故征候的多發(fā)區(qū)，飛機(jī)的起飛與降落也是飛機(jī)性能保障的關(guān)鍵階段，在這個(gè)階段，對(duì)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(qū)的飛行回放與演練更具實(shí)際意義。

在三維場(chǎng)景中回放飛機(jī)在終端區(qū)的起降，逼真的機(jī)場(chǎng)及其周邊建筑物、障礙物等場(chǎng)景信息必不可少，飛行回放的場(chǎng)景地形數(shù)據(jù)占整個(gè)程序數(shù)據(jù)處理的很大部分，高精度的地形場(chǎng)景不僅給人清晰、真實(shí)之感，而且可以更精確的飛行回放。由于計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理能力的有限性與廣大地形數(shù)據(jù)的無(wú)限性矛盾，大規(guī)模的地理信息數(shù)據(jù)顯示通常是飛行仿真和場(chǎng)景漫游的速度瓶頸，如果不恰當(dāng)處理將會(huì)限制飛行回放的質(zhì)量，這就要求設(shè)計(jì)分塊地形場(chǎng)景的動(dòng)態(tài)顯示和處理［13－15］。

地形數(shù)據(jù)一般采用地形高程模型 （digital elevation model，DEM），把地形高程數(shù)據(jù)分成很多小塊，按平面坐標(biāo)形式編號(hào)。如圖3所示，通過(guò)飛機(jī)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(jī)當(dāng)前所在地形塊的索引坐標(biāo)，及圖上地形塊①。調(diào)入該地形塊①，并以其為中心調(diào)入周邊相鄰的8個(gè)地形塊②、③、④、⑤、⑥、⑦、⑧、⑨，之后渲染，經(jīng)過(guò)緩沖區(qū)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(jī)所在地形塊，如果仍在原來(lái)地形塊，則只把緩沖區(qū)中渲染好的場(chǎng)景顯示，不再讀取和渲染；如果飛機(jī)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?、诩捌渲苓叺?個(gè)地形塊，渲染并顯示，從而實(shí)現(xiàn)地形的動(dòng)態(tài)更新。

3.2 高度確定地形數(shù)據(jù)精度層次

飛機(jī)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(shù)據(jù)即可滿足視覺(jué)要求，但飛機(jī)在機(jī)場(chǎng)終端區(qū)運(yùn)行時(shí)要考慮飛機(jī)相對(duì)于跑道、障礙物、相關(guān)飛行程序等的關(guān)系，必然要顯示高清晰地形場(chǎng)景，因此，飛機(jī)的高度決定了地形數(shù)據(jù)的精度。

如圖4所示，不同精度數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)是在高精度數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上人為降低數(shù)據(jù)精度，地形塊大小不變，地形數(shù)據(jù)范圍增大。本文調(diào)用高度精度地形數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換高度設(shè)為400m，800m和1500m這4個(gè)精度層次。

圖4 確定精度層次

4 仿真實(shí)驗(yàn)

本文基于三維場(chǎng)景的飛機(jī)回放仿真在普通筆記本電腦上實(shí)現(xiàn)。運(yùn)行配制為：Intel（R）Core （TM）2Duo，2.2GH，2GB 內(nèi) 存，NIVIDIA GeForce GT240T 顯 卡；Windows 7操作系統(tǒng)。底層三維引擎為OpenGL，軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)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(jī)場(chǎng)09L跑道飛機(jī)起飛的飛行回放演示。地形高程數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院科學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)的SRTM數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)，采用的是30m精度數(shù)據(jù)。SRTM以1經(jīng)緯度大小為一塊存儲(chǔ)，本文切割成了可動(dòng)態(tài)處理的128×128大小的地形塊。在渲染地形數(shù)據(jù)時(shí)可用最高精度在原數(shù)據(jù)精度基礎(chǔ)上擴(kuò)大30倍，其它不同精度相應(yīng)增大倍數(shù)，以實(shí)現(xiàn)1：1回放效果。機(jī)載數(shù)據(jù)為某航空公司開(kāi)辟高原航線試飛時(shí)的真實(shí)飛行數(shù)據(jù)。紋理數(shù)據(jù)來(lái)源于Google Earth，跑道信息來(lái)源于機(jī)場(chǎng)AIP，飛機(jī)3DS模型尚未加紋理。

經(jīng)演示，動(dòng)畫(huà)運(yùn)行速度20幀以上，動(dòng)畫(huà)比較連貫，可以達(dá)到真實(shí)場(chǎng)景飛行回放的目的。

仿真采用了多層次真實(shí)紋理，動(dòng)畫(huà)可達(dá)到微軟模擬飛行游戲的視覺(jué)效果，而國(guó)航用的遠(yuǎn)航通飛行引擎采用的是顏色紋理，且地理信息數(shù)據(jù)與飛機(jī)比例不搭配；FlightViz雖然用了真實(shí)紋理，紋理精度單一，近距離地貌效果顯示模糊。該原型機(jī)把進(jìn)離場(chǎng)程序及其保護(hù)區(qū)整合在了場(chǎng)景中，圖4中黃色透明帶即為RWY09L離場(chǎng)程序及保護(hù)區(qū)，F(xiàn)lightViz與EasyFlight仍然以輔助窗口顯示航圖形式顯示進(jìn)離場(chǎng)程序。此外，飛機(jī)模型還做有包圍盒 （Bounding Box）和碰撞檢測(cè)程序，在飛行回放中，如果飛機(jī)包圍盒與障礙物、飛行程序保護(hù)區(qū)相關(guān)平面以及與其它飛機(jī)模型包圍盒發(fā)生碰撞干涉時(shí)，會(huì)發(fā)出警告信息；而其它回放程序干涉問(wèn)題都是在飛行過(guò)程結(jié)束后在二維圖形中進(jìn)行分析，使得事故征候很難在回放中辨識(shí)出來(lái)。

圖5 飛行回放演示

5 結(jié)束語(yǔ)

本文主要完成了在虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中對(duì)飛機(jī)飛行軌跡的回放；給出了基于三維場(chǎng)景的飛行回放仿真系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；解決了高分辨率大規(guī)模地形數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示問(wèn)題。

該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了多視角復(fù)雜地形場(chǎng)景的飛行回放仿真，飛機(jī)狀態(tài)完全根據(jù)真實(shí)機(jī)載數(shù)據(jù)，能夠有效反應(yīng)飛行的狀態(tài)，可以用于輔助飛行品質(zhì)檢測(cè)以及事后事故調(diào)查。該系統(tǒng)應(yīng)用開(kāi)放地形數(shù)據(jù)和3DS飛機(jī)模型，而且地形數(shù)據(jù)塊按經(jīng)緯度排布，只需稍微處理就可以更換其它所需機(jī)場(chǎng)數(shù)據(jù)，擴(kuò)展性強(qiáng)。此外，如果把機(jī)載數(shù)據(jù)變成數(shù)據(jù)化的飛行程序，就可對(duì)新設(shè)計(jì)的飛行程序進(jìn)行試飛校驗(yàn)。

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