摘要：利用地理信息技術和三維可視化技術，結合分布式的衛(wèi)星影像地圖、數(shù)字高程數(shù)據(jù)和矢量地理信息等海量數(shù)據(jù)提取管理手段，在動態(tài)重構的三維空間場景中，實現(xiàn)對飛行器軌跡的三維動態(tài)顯示。系統(tǒng)具備支持陸、海、空多維度下，伴隨時間空間場景變化，各型設備、設施等實體運動、數(shù)據(jù)交聯(lián)等態(tài)勢信息的一體化綜合表現(xiàn)能力，給指揮人員的決策帶來極大方便。

關鍵詞：EV-Globe平臺；飛行器；三維顯示；轉發(fā)控制

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2013）04-0941-04

Aircraft Dynamic Display of Three-dimensional Trajectory System Design

YANG Wei， WANG Hong-xu

（91，550 Troops Command and Control Center， Dalian 116023， China）

Abstract： The use of geographic information technology and 3D visualization techniques， combined with distributed mass data extraction of satellite image maps， digital elevation data and vector geographic information management tools to achieve dynamic reconstruction of three-dimensional space scene on the aircraft trajectory The three-dimensional dynamic display. System has to support the multi-dimensions of land， sea， and air， along with the time and space scene change， the situation information of the movement of all types of equipment， facilities， and other entities， the cross-linking data integration performance ability and a great convenience to the command staff of the decision-making .

Key words： EV-Globe platform； aircraft； 3D display； forwarding control

地理信息系統(tǒng)（GIS）是以采集、存儲、管理、描述、分析地球表面及空間和地理分布有關的數(shù)據(jù)的信息系統(tǒng)[1]。它是以地理空間數(shù)據(jù)庫為基礎，在計算機硬、軟件環(huán)境的支持下，對空間相關數(shù)據(jù)進行采集、管理、操作、分析、模擬和顯示，并采用地理模型分析方法，適時提供多種空間和動態(tài)的地理信息，為地理研究、綜合評價、管理、定量分析和決策服務而建立起來的一類計算機應用系統(tǒng)。

隨著計算機技術的飛速發(fā)展，GIS 得到了廣泛的重視和應用，目標定位與GIS的集成也已深入到各行各業(yè)特別是軍事領域。它可以實現(xiàn)目標信息在地圖上的可視化、一體化和集成化，能夠在地圖上實時動態(tài)地跟蹤目標和顯示地理方位，給用戶的決策帶來極大的方便，尤其是為高技術條件下的軍事作戰(zhàn)任務提供了高效、快速的決策方案。

EV-Globe是大型三維空間信息服務平臺。集成了最新的地理信息系統(tǒng)（GIS）技術和三維軟件技術，具有大范圍的、海量的、多源的數(shù)據(jù)一體化管理和快速三維實時漫游功能，支持三維空間查詢、分析和運算，提供全球范圍的基礎影像資料，能夠方便快速的構建三維空間信息服務系統(tǒng)。EV-Globe平臺具有以下功能：直觀的全空間三維可視化能力、海量多元數(shù)據(jù)集成、高效的三維模型渲染與分析、三維特效功能、逼真的海水渲染效果、地圖服務器端的數(shù)據(jù)動態(tài)更新切割。

1 系統(tǒng)設計目標

飛行器三維軌跡動態(tài)顯示系統(tǒng)設計的目標是利用地理信息技術和三維可視化技術，將飛行器等關鍵對象和要素嵌入空間，結合衛(wèi)星影像地圖、數(shù)字高程數(shù)據(jù)和矢量地理信息，在動態(tài)構建的三維空間場景中，實現(xiàn)對三維軌跡顯示信息的分層表現(xiàn)、空間表現(xiàn)和立體表現(xiàn)，以滿足顯示需求。

對軟件設計方案和硬件的選擇，在確保系統(tǒng)正常運行的基礎上，保證系統(tǒng)有一定的處理能力余量；保證系統(tǒng)具有一定的先進性。系統(tǒng)設計盡可能做到操作簡單、易用。采用開放式結構及成熟先進的技術和開發(fā)平臺，兼顧未來的使用需求和技術發(fā)展趨勢，以便系統(tǒng)不斷擴充、完善。保證系統(tǒng)的可靠性，具備較強的容錯能力與適應突發(fā)事件能力，具有必要的冗余設計和應急處置方案，防止因突發(fā)事件而導致數(shù)據(jù)丟失或系統(tǒng)喪失支持能力。

2 系統(tǒng)硬件組成

三維軌跡動態(tài)顯示系統(tǒng)主要由兩臺數(shù)據(jù)服務器、兩臺態(tài)勢圖形工作站、兩臺轉發(fā)控制微機以及相應的網絡設備組成，設計成主備機配置。系統(tǒng)結構如圖1所示。

2.1 數(shù)據(jù)服務器

用于存儲數(shù)字高程數(shù)據(jù)、地理信息矢量數(shù)據(jù)、衛(wèi)星影像信息、飛行器數(shù)據(jù)文件等，飛行器數(shù)據(jù)文件包括軌跡數(shù)據(jù)、動態(tài)模型、靜態(tài)場景、測控裝備參數(shù)及模型等。

2.2 態(tài)勢圖形工作站

用于飛行器飛行全過程的三維綜合態(tài)勢顯示，包含飛行航跡、速高曲線、軌跡參數(shù)、特征點事件等。

2.3 轉發(fā)控制工作站

用于接收實時數(shù)據(jù)，為態(tài)勢圖形工作站提供控制指令和數(shù)據(jù)源。

2.4 網絡設備

網絡設備包括千兆交換機、網卡、網線以及配套工具等。用于完成數(shù)據(jù)服務器、轉發(fā)與控制工作站和態(tài)勢圖形工作站之間的信息交換。

3 系統(tǒng)軟件接口

系統(tǒng)外部軟件接口包括操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、三維空間信息開發(fā)平臺、顯示服務器軟件等。操作系統(tǒng)為系統(tǒng)運行提供基礎支持；數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)管理服務；三維空間信息開發(fā)平臺提供GIS服務和基本的三維操作服務；指揮顯示服務器軟件為系統(tǒng)實時提供飛行器位置、姿態(tài)、遙測指令等信息。系統(tǒng)操作系統(tǒng)選用Microsoft Windows7和Microsoft Windows Server2008；數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)選用Microsoft SQL Server2008；三維空間信息開發(fā)平臺選用EV-Globe3.1，系統(tǒng)軟件接口關系如圖2所示。

4 系統(tǒng)軟件設計

4.1 軟件結構

軟件由三維顯示模塊和轉發(fā)控制模塊兩部分組成，如圖3所示。其中，三維顯示模塊在三維地理信息平臺的支持下，通過調用衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)高程數(shù)據(jù)及地理信息矢量數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)，構建所需三維地理虛擬環(huán)境；在三維可視化技術支持下，通過驅動模型、特效等完成相關信息的可視化展示；地理信息開發(fā)平臺主要為三維顯示模塊提供高程數(shù)據(jù)、地理信息矢量數(shù)據(jù)、衛(wèi)星影像信息等。轉發(fā)控制模塊主要完成數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)發(fā)送、控制命令生成與流程驅動等功能，在設計中通過UD協(xié)議通信，控制三維顯示模塊的場景渲染，完成態(tài)勢信息綜合顯示，采用實時數(shù)據(jù)驅動和人工干預相結合的方式，驅動流程執(zhí)行。

三維顯示模塊在邏輯上通過數(shù)據(jù)驅動及渲染驅動構成模塊的運行機制。三維顯示模塊通過讀取配置文件對系統(tǒng)進行初始化，啟動UDP偵聽線程和渲染線程。通過UPD偵聽線程接收轉發(fā)控制模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)處理結果和命令集對彈道位置狀態(tài)進行更新，對場景要素進行控制等。渲染線程通過幀同步與刷新機制對飛行器、場景要素及地理信息等進行更新渲染。三維顯示模塊信息流程圖如下。

4.2 三維顯示模塊功能設計

三維顯示模塊主要用于飛行器飛行過程三維可視化實時顯示和其它模型及關鍵事件的精細化動畫演示。三維顯示模塊在EV-Globe平臺的支持下，完成各種環(huán)境的虛擬顯示及相關信息的可視化展示。根據(jù)需求分析，三維顯示模塊具體包括：飛行軌跡顯示、參數(shù)曲線繪制、視角管理、地理信息管理、顯示管理、動態(tài)模型管理等子模塊。

1）飛行軌跡顯示

飛行軌跡顯示主要是根據(jù)實際測量出來的飛行器軌跡數(shù)據(jù)進行展示，使用空間軌跡和軌跡參數(shù)信息來顯示實測軌跡。

空間軌跡顯示主要是在三維地理空間通過繪制軌跡的方式展示飛行器實測軌跡信息。軌跡線可分為理論軌跡和實測軌跡，理論軌跡可用于對飛行器狀態(tài)進行預示，同時也可用于與實測軌跡進行比較顯示。

理論軌跡是根據(jù)預先裝訂的理論軌跡文件，在三維空間進行繪制顯示。理論軌跡數(shù)據(jù)采用excel表的設計方式，方便理論數(shù)據(jù)的編輯和管理。

實測軌跡是通過UDP包接收轉發(fā)控制模塊處理的軌跡數(shù)據(jù)，進行實時顯示。通過連續(xù)顯示實時接收的數(shù)據(jù)，展示飛行器當前運動位置及運動趨勢。理論軌跡和實測軌跡均具備空間數(shù)據(jù)點和投影數(shù)據(jù)點的顯示模式。空間數(shù)據(jù)點模式是以空間數(shù)據(jù)點、空間圖標模式繪制的空間軌跡；投影數(shù)據(jù)點模式是以投影數(shù)據(jù)點、投影圖標模式繪制空間軌跡在地球表面上的投影點軌跡。飛行軌跡顯示形式靈活、多樣，系統(tǒng)支持多條軌跡同時繪制顯示，軌跡上的點大小、顏色，以及軌跡的顯示或隱藏，用戶可設置，設置參數(shù)可存入配置文件。

2）動態(tài)模型管理

三維動態(tài)模型表現(xiàn)是三維顯示與二維顯示的主要不同點。軟件設計通過加入三維動態(tài)模型，將飛行器等實體的外形、結構、動作、運動方式等進行表現(xiàn)，提高顯示的直觀性。

系統(tǒng)中模型對象的位置及姿態(tài)采用實時數(shù)據(jù)驅動的方式，模型的表現(xiàn)包括三維模型、動畫、特效等要素。動畫用于展示模型的運動狀態(tài)，特效用于模擬如起飛、噴氣等動態(tài)效果，兩者結合展示關鍵事件，增強表現(xiàn)效果。

模型管理可分為模型裝訂、動畫配置及演示、特效綁定及演示、動態(tài)模型的位置姿態(tài)驅動。模型采用專業(yè)建模軟件構建，根據(jù)需求制作關鍵事件的動畫。模型文件由系統(tǒng)讀取并裝訂，在系統(tǒng)中通過特效編輯器綁定特效。利用工具軟件創(chuàng)建三維模型后，生成模型文件，在三維顯示模塊中進行裝訂加載，可對模型進行添加、刪除，并對模型的位置等相關屬性進行編輯。用戶可對系統(tǒng)中裝訂加載的模型進行動畫配置，包括將動畫集與模型部件進行綁定，通過動畫集調用的方式對模型動作進行驅動演示。同時，通過動畫調用的方式對部件進行隱藏。用戶可對系統(tǒng)中加載的模型進行特效綁定，指定模型部件使用的特效，并可設定綁定特效的大小、位置等屬性

3）參數(shù)曲線繪制

根據(jù)顯示需求，三維顯示模塊具備高度、速度等參數(shù)時間特性信息的表現(xiàn)，具備理論、實測數(shù)據(jù)對比顯示的表現(xiàn)形式。系統(tǒng)采用在三維空間場景疊加參數(shù)曲線窗體的方式對參數(shù)曲線進行繪制表現(xiàn)。為了滿足多參數(shù)曲線繪制的需求，三維顯示模塊設計可設置多個曲線窗體進行參數(shù)繪制。

曲線的橫軸為時間值，縱軸為參數(shù)值，曲線的設置包含時間 軸設置和縱軸設置兩部分。時間軸參數(shù)包括起始刻度、終止刻度、刻度大小、字體等；縱軸設置包括最大值、最小值、刻度大小、理論曲線顏色、實測數(shù)據(jù)顏色、單位、系數(shù)等。用戶可對曲線窗體進行管理，包括設置曲線窗體的大小、位置以及曲線窗體的顯示或隱藏等。

4）視角管理

視角管理采用視角分組和視角列表的方式對視角進行組織。視角分為固定視角模式、同步視角模式等。固定視角采用固定觀察者位置和視角方向，對觀察目標進行靜態(tài)觀察；同步視角采用跟隨目標移動方式，以動態(tài)的視角觀察目標特寫、實時動態(tài)等信息。

通過視角分組和視角列表選擇視角，用戶可對每一個視角進行編輯，包括視角捕獲、添加視角、視角修改和視角刪除等功能。由于視角參數(shù)的復雜性不利于用戶以參數(shù)設置方式進行編輯，設計采用靈活的場景捕獲方式，用戶通過人機交互界面鼠標拖動等形式，提取視角參數(shù)捕獲視角，以及進行修改編輯。用戶可通過視角預覽的方式對場景進行調用，檢查視角是否滿足需求。為了使系統(tǒng)便于擴展，提高準備效率，用戶可對視角文件進行導入、導出，提高視角的復用性和繼承性。

4.3 轉發(fā)控制模塊功能設計

轉發(fā)控制模塊主要完成數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)發(fā)送、控制指令生成與發(fā)送等功能。同時為了適應多任務的需求及后續(xù)任務發(fā)展需要，轉發(fā)控制模塊具備信息可靈活調整、功能方便擴展、代碼修改量少、方便任務準備等特性，任務信息的設置采用配置文件的方式設計。通過配置文件的方式對任務信息進行管理，具備多任務處理的能力。轉發(fā)控制模塊主要具備以下子模塊：數(shù)據(jù)處理、軌跡控制、動態(tài)模型控制、視角控制、地理信息控制、顯示控制、理論數(shù)據(jù)模擬飛行。

5 結束語

本文從軍事任務的實際需要出發(fā)，對飛行器三維軌跡動態(tài)顯示系統(tǒng)進行了設計。系統(tǒng)在三維空間場景中，通過多種表現(xiàn)方式對飛行器三維軌跡和其它關鍵要素進行實時顯示。重點解決了隨著空間場景變化，如何將飛行器等實體運動與陸、海、空多維度相結合，實現(xiàn)態(tài)勢信息一體化的綜合顯示問題。系統(tǒng)的設計使得飛行器的飛行過程更加直觀生動，數(shù)據(jù)準確豐富，為指揮人員的決策提供了有力的技術支持。

隨著計算機技術特別是軟件技術的不斷發(fā)展，三維顯示系統(tǒng)在軍事領域的應用必將越來越廣泛，將會為提高軍事效益和經濟效益作出更大貢獻。

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