一種基于WorldWind的儀表飛行程序三維可視化仿真系統(tǒng)
作者：鄭曉敏
隨著三維地理信息系統(tǒng)( GIS)的飛速發(fā)展，三維仿真技術已經(jīng)應用于很多領域，三維GIS和飛行校驗技術相結合是一個非常有意義的研究方向。國內某些單位也對基于性能的導航飛行程序驗證進行了研究，通過GDI+繪圖和SuperMap Objects平臺的二次開發(fā)，實現(xiàn)了終端區(qū)航圖與地形信息相結合。在三維環(huán)境中可以動態(tài)模擬對導航設備飛行校驗的整個過程，并結合真實地理信息了解地形地貌，對導航設備的校驗信號進行實時仿真，在飛行仿真領域有重大應用前景。
本文以某跑道標準儀表進近程序為例，利用三維地理信息系統(tǒng)WorldWind的二次開發(fā)功能，提出了在WorldWind上實現(xiàn)飛行航跡、高程數(shù)據(jù)和高分辨率地理環(huán)境等三維可視化的方法，并在三維環(huán)境下進行儀表程序可視化和飛行仿真驗證，實現(xiàn)三維仿真和儀表程序初始驗證的有機結合。
1 儀表進近程序
所有儀表飛行程序都分別針對離場、航路、進場、進近幾個階段進行設計。其中，針對進近設計的儀表程序，根據(jù)對飛機進近的引導方式不同，分為兩類：精密進近( PA)、非精密進近(NPA)。目前，國際民航組織( ICAO)公約附件10中標注了3類精密進近標準：CAT I，CAT II和CAT III，引導要求如表1所示。
ICAO對3類精密進近都有嚴格的性能指標要求。一般情況下，精密進近所體現(xiàn)的外觀特性為“一定能夠提供滿足性能要求的水平面和垂直面的引導”，即精密進近不僅要提供水平面和垂直面引導，還必須要滿足性能要求。
儀表進近飛行程序從規(guī)定的進場航路或起始進近定位點( IAF)開始，到能夠完成目視著陸的一點為止（除CAT III外，任何進近程序最后都必須建立目視參考），且包括復飛程序。
除復飛階段外，進近程序分為3個階段：起始進近階段、中間進近階段、最后進近階段（著陸階段）。有些情況下，為突出著陸過程也把進近稱為“進近著陸”。目視與儀表程序、進近程序間關系如圖1所示。
目前民航主要采用精密進近，精密儀表進近使用的引導設施主要為儀表著陸系統(tǒng)( ILS)或精密進近雷達( PAR)。另外，精密進近在操作時要關注本機與跑道人口處的距離，在操作過程中會使用指點信標或測距機( DME)所提供的數(shù)據(jù)作為進近參考，因此使用的程序常被稱為ILS/DME程序。
圖2是某機場的ILS/DME精密儀表進近程序圖。圖2僅為水平操作部分，因精密進近對垂直操作也給出相應要求，因此航圖還包含垂直操作部分，如圖3所示。
目前，民航和空管程序設計單位所用航圖為平面圖，其繪制采用手繪和計算機輔助的方式。航圖的校對和驗證評估多采用平面和實際校驗飛行方式，周期長而且成本較高。
2 WorldWind與XML
WorldWind是由美國宇航局和開源社區(qū)共同開發(fā)的三維地理信息系統(tǒng)，具有完善的插件機制和強大的可擴展性。31，在地理信息服務、科學研究、災害監(jiān)測、系統(tǒng)二次開發(fā)等方面得到廣泛應用。
WorldWind內部由XML實現(xiàn)數(shù)據(jù)描述和軟件配置，World Model、圖層、插件、Http和WMS請求、三維渲染、緩存處理等通過XML數(shù)據(jù)和配置文件實現(xiàn)交互式瀏覽、本地緩存等。XML文件通常用于描述和保存地理信息（如點、線、圖像、面和三維模型等），并由WorldWind
解釋和渲染。WorldWind啟動或者刷新地球模型時，根據(jù)XML地理信息配置文件，將已定義的渲染對象加載到相應圖層，這些渲染對象就包括Icon（點），LineFeature（線），PolygonFeature（面）等。由于WorldWind是一款儲存信息量龐大的三維地理信息系統(tǒng)軟件，對硬件配置有較高的要求，重新啟動或者刷新會耗費一定的時間。雖然這不利于飛行程序的實時設計，但可用于對完成設計的飛行程序進行虛擬化展示和驗證。
作為一款優(yōu)秀的三維地理信息系統(tǒng)，WorldWind在設計之初就已考慮支持二次開發(fā)的功能，它有一套優(yōu)秀的插件機制，支持多種語言和插件形式。完全開放的源碼配合插件機制，使WorldWind的擴展性十分強大。在WorldWind源代碼的Plugin SDK項目中，含有編寫插件類必備的相關類。所以本文利用XML存儲航路信息，結合WorldWind的二次開發(fā)功能實現(xiàn)儀表飛行程序的設計驗證，以直觀、立體的方式展示儀表飛行程序。
3儀表飛行程序的三維仿真
3.1 三維場景搭建
由于WorldWind提供的某些地區(qū)的遙感影像不夠清晰，為使仿真結果更加精確，本文描述的方法在WorldWind上加載機場終端區(qū)的高分辨率衛(wèi)星遙感影像，圖4a為機場的高清影像俯視圖，視點高度為4 km。通過圖層進行“金字塔”結構的瓦片劃分，使高清影像內容隨不同視點高度而變化，實現(xiàn)地圖縮放功能。圖4b為機場視點高度5.6 km的高清影像側視圖，圖中還包含機場周邊的村鎮(zhèn)。機場及村鎮(zhèn)等環(huán)境影像可隨視點高度不同而改變。
除高清影像地圖加載外，高程數(shù)據(jù)加載也是三維環(huán)境搭建中必不可少的部分。利用WorldWind服務器數(shù)據(jù)源，可加載機場所在區(qū)域的高程數(shù)據(jù)，所用高程數(shù)據(jù)精度為90 m。圖5為添加高程數(shù)據(jù)后的三維地形和地貌。
3.2 儀表飛行程序三維可視化
要計算飛行航跡中各航段的解析方程，需要將這些關鍵定位點的坐標轉換為平面直角坐標。為防止某些實際數(shù)據(jù)被不正當使用，本文中采用的所有數(shù)據(jù)被技術處理，但改動處不影響實驗效果展示。
假設地球表面上任意一點P在WGS-84橢球體表面上的位置可用地理坐標表示為（B，L）（B為緯度，L為經(jīng)度），經(jīng)過墨卡托投影轉換后的平面直角坐標為(X，y)（赤道的投影為X軸），單位為m。取標準緯度為30°，原點緯度0°，原點經(jīng)度0°，則由(B，L向(X，l，)的轉換式為
式中：a，b分別為WGS-84橢球長短半軸；e’為第二偏心率。經(jīng)過左邊轉換后的三維航跡，通過WorldWind二次開發(fā)接口和XML插件機制，可加載到WorldWind中。
跑道進近程序如圖6所示，圖6a為跑道的部分程序，程序不包含復飛階段。紫色和綠色部分起始于兩個起始進近定位點，即兩個不同方向飛機開始進近的位置。通過同樣的方法，可對跑道2的儀表程序進行三維可視化顯示，如圖6b所示。
一般情況下，飛機都會正常著陸而不用進行復飛，但因天氣或飛行員技術等原因引起的復飛還是時有發(fā)生，特別是復飛程序也屬于儀表程序的一個組成部分，圖7中的仿真加入了復飛航段的程序。
因視點高度原因，圖7中遠景處部分地圖未能全部顯示，這部分地圖可隨視角拉近而展現(xiàn)出來。
3.3儀表程序飛行仿真
通過WorldWind的模型加載機制，可加載常見的飛機模型，并使模型沿儀表程序的航跡飛行，實現(xiàn)儀表飛行程序的虛擬驗證，如圖8所示。
圖8中，利用插件機制加載一架空客A380的飛機模型，并為模型開發(fā)標牌顯示插件，使之實時顯示模型的位置和時間信息。信息內容可根據(jù)用戶需要設定，刷新速率也可根據(jù)不同終端的性能而改變。
4實驗結果
針對儀表飛行程序的特點，并結合其在精密進近中的應用，研究了飛行航跡從平面坐標向三維地理系統(tǒng)坐標轉換的數(shù)學模型計算方法，并且利用WorldWind三維平臺的二次開發(fā)接口，實現(xiàn)精密進近中標準儀表飛行程序航跡的三維可視化，最后通過調用Direct3D實現(xiàn)在高分辨率地形環(huán)境中沿三維航跡的飛行仿真。對機場儀表進近程序的模擬仿真結果表明，該方法能夠方便快速地完成標準儀表飛行程序三維仿真，為飛行程序的輔助設計和驗證提供了一個非常好的新思路。同時該成果還可作為民航技術推廣的培訓素材。
本系統(tǒng)平臺還可與地面或飛機的監(jiān)視數(shù)據(jù)、定位系統(tǒng)等相結合，獲得飛機運行的實時參數(shù)。利用這類參數(shù)，可在計算機上還原飛機的飛行高度、速度、姿態(tài)軌跡等，計算偏離航線的距離或飛行誤差，實現(xiàn)對飛機運行的監(jiān)視和預測，進一步提高飛行安全，細化和完善飛行程序設計標準。
本系統(tǒng)還存在一些不足，特別是結合三維地理信息數(shù)據(jù)后刷新速度和程序運行效率較慢。另外，本系統(tǒng)主要考慮儀表飛行程序輔助設計和后期驗證階段，未考慮程序設計初期的障礙物評估和機場建設時期的選址評估，還有待擴展和完善。
5摘要：針對目前儀表飛行程序多采用平面圖和數(shù)表方式給出的不足，提出一種結合三維地理信息系統(tǒng)WorldWind的可視化飛行程序驗證方法。首先在WorldWind中搭建虛擬化三維環(huán)境；然后輸入機場定位點、航跡和導航臺坐標等關鍵參數(shù)，通過三維坐標轉換和插值等方法進行處理；最后根據(jù)所得數(shù)據(jù)在三維環(huán)境中生成儀表飛行程序，并進行飛行模擬仿真。實驗表明，該系統(tǒng)能夠方便快速地完成儀表飛行程序的三維可視化且具有較好的擴展性，可用于儀表飛行程序的輔助設計及驗證。
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