基于WorldWind的仪表飞行程序三维可视化仿真

    孟凡胜，  刘  君，  马韶璞，  王艳群

    （中国民航大学天津市智能信号与图像处理重点实验室，天津300300）

摘要：针对目前仪表飞行程序多采用平面图和数表方式给出的不足，提出一种结合三维地理信息系统WorldWind的可视化飞行程序验证方法。首先在WorldWind中搭建虚拟化三维环境；然后输入机场定位点、航迹和导航台坐标等关键参数，通过三维坐标转换和插值等方法进行处理；最后根据所得数据在三维环境中生成仪表飞行程序，并进行飞行模拟仿真。实验表明，该系统能够方便快速地完成仪表飞行程序的三维可视化且具有较好的扩展性，可用于仪表飞行程序的辅助设计及验证。

关键词：飞行仿真；三维可视化；仪表飞行程序；计算机辅助设计

中图分类号：TP391.9    文献标志码：A    文章编号：1671-637X(2015)12 -0084 -04

0  引言

    飞行程序是为航空器设定的在飞行各阶段内使用的飞行路线，是制定机场最低运行标准的基础之一，其设计基本原则：保障飞行安全、提高运行效率、节约成本、操作简便。所谓进近，就是飞机脱离航路、高度逐渐降低、朝向目的机场飞行并最终在跑道上着陆的过程。进近过程是飞行中最复杂、最容易出现事故的过程，因为这个过程目前还主要由驾驶员手动完成，且操作繁琐、时间较长（一般30 min左右），加上终端区飞机密度较大，容易出现事故。因此，进近程序在整个飞行程序中十分重要。

    随着三维地理信息系统( GIS)的飞速发展，三维仿真技术已经应用于很多领域，三维GIS和飞行校验技术相结合是一个非常有意义的研究方向。国内某些单位也对基于性能的导航飞行程序验证进行了研究，通过GDI+绘图和SuperMap Objects平台的二次开发，实现了终端区航图与地形信息相结合。在三维环境中可以动态模拟对导航设备飞行校验的整个过程，并结合真实地理信息了解地形地貌，对导航设备的校验信号进行实时仿真，在飞行仿真领域有重大应用前景。

    本文以某跑道标准仪表进近程序为例，利用三维地理信息系统WorldWind的二次开发功能，提出了在WorldWind上实现飞行航迹、高程数据和高分辨率地理环境等三维可视化的方法，并在三维环境下进行仪表程序可视化和飞行仿真验证，实现三维仿真和仪表程序初始验证的有机结合。

1  仪表进近程序

    所有仪表飞行程序都分别针对离场、航路、进场、进近几个阶段进行设计。其中，针对进近设计的仪表程序，根据对飞机进近的引导方式不同，分为两类：精密进近( PA)、非精密进近(NPA)。目前，国际民航组织( ICAO)公约附件10中标注了3类精密进近标准：CAT I，CAT II和CAT III，引导要求如表1所示。

    ICAO对3类精密进近都有严格的性能指标要求。一般情况下，精密进近所体现的外观特性为“一定能够提供满足性能要求的水平面和垂直面的引导”，即精密进近不仅要提供水平面和垂直面引导，还必须要满足性能要求。

    仪表进近飞行程序从规定的进场航路或起始进近定位点( IAF)开始，到能够完成目视着陆的一点为止（除CAT III外，任何进近程序最后都必须建立目视参考），且包括复飞程序。

    除复飞阶段外，进近程序分为3个阶段：起始进近阶段、中间进近阶段、最后进近阶段（着陆阶段）。有些情况下，为突出着陆过程也把进近称为“进近着陆”。目视与仪表程序、进近程序间关系如图1所示。

    目前民航主要采用精密进近，精密仪表进近使用的引导设施主要为仪表着陆系统( ILS)或精密进近雷达( PAR)。另外，精密进近在操作时要关注本机与跑道人口处的距离，在操作过程中会使用指点信标或测距机( DME)所提供的数据作为进近参考，因此使用的程序常被称为ILS/DME程序。

    图2是某机场的ILS/DME精密仪表进近程序图。图2仅为水平操作部分，因精密进近对垂直操作也给出相应要求，因此航图还包含垂直操作部分，如图3所示。

    目前，民航和空管程序设计单位所用航图为平面图，其绘制采用手绘和计算机辅助的方式。航图的校对和验证评估多采用平面和实际校验飞行方式，周期长而且成本较高。

2  WorldWind与XML

    WorldWind是由美国宇航局和开源社区共同开发的三维地理信息系统，具有完善的插件机制和强大的可扩展性。31，在地理信息服务、科学研究、灾害监测、系统二次开发等方面得到广泛应用。

    WorldWind内部由XML实现数据描述和软件配置，World Model、图层、插件、Http和WMS请求、三维渲染、缓存处理等通过XML数据和配置文件实现交互式浏览、本地缓存等。XML文件通常用于描述和保存地理信息（如点、线、图像、面和三维模型等），并由WorldWind

解释和渲染。WorldWind启动或者刷新地球模型时，根据XML地理信息配置文件，将已定义的渲染对象加载到相应图层，这些渲染对象就包括Icon（点），LineFeature（线），PolygonFeature（面）等。由于WorldWind是一款储存信息量庞大的三维地理信息系统软件，对硬件配置有较高的要求，重新启动或者刷新会耗费一定的时间。虽然这不利于飞行程序的实时设计，但可用于对完成设计的飞行程序进行虚拟化展示和验证。

    作为一款优秀的三维地理信息系统，WorldWind在设计之初就已考虑支持二次开发的功能，它有一套优秀的插件机制，支持多种语言和插件形式。完全开放的源码配合插件机制，使WorldWind的扩展性十分强大。在WorldWind源代码的Plugin SDK项目中，含有编写插件类必备的相关类。所以本文利用XML存储航路信息，结合WorldWind的二次开发功能实现仪表飞行程序的设计验证，以直观、立体的方式展示仪表飞行程序。

3仪表飞行程序的三维仿真

3.1  三维场景搭建

    由于WorldWind提供的某些地区的遥感影像不够清晰，为使仿真结果更加精确，本文描述的方法在WorldWind上加载机场终端区的高分辨率卫星遥感影像，图4a为机场的高清影像俯视图，视点高度为4 km。通过图层进行“金字塔”结构的瓦片划分，使高清影像内容随不同视点高度而变化，实现地图缩放功能。图4b为机场视点高度5.6 km的高清影像侧视图，图中还包含机场周边的村镇。机场及村镇等环境影像可随视点高度不同而改变。

    除高清影像地图加载外，高程数据加载也是三维环境搭建中必不可少的部分。利用WorldWind服务器数据源，可加载机场所在区域的高程数据，所用高程数据精度为90 m。图5为添加高程数据后的三维地形和地貌。

3.2  仪表飞行程序三维可视化

    要计算飞行航迹中各航段的解析方程，需要将这些关键定位点的坐标转换为平面直角坐标。为防止某些实际数据被不正当使用，本文中采用的所有数据被技术处理，但改动处不影响实验效果展示。

    假设地球表面上任意一点P在WGS-84椭球体表面上的位置可用地理坐标表示为（B，L）（B为纬度，L为经度），经过墨卡托投影转换后的平面直角坐标为(X，y)（赤道的投影为X轴），单位为m。取标准纬度为30°，原点纬度0°，原点经度0°，则由(B，L向(X，l，)的转换式为

式中：a，b分别为WGS-84椭球长短半轴；e’为第二偏心率。经过左边转换后的三维航迹，通过WorldWind二次开发接口和XML插件机制，可加载到WorldWind中。

    跑道进近程序如图6所示，图6a为跑道的部分程序，程序不包含复飞阶段。紫色和绿色部分起始于两个起始进近定位点，即两个不同方向飞机开始进近的位置。通过同样的方法，可对跑道2的仪表程序进行三维可视化显示，如图6b所示。

    一般情况下，飞机都会正常着陆而不用进行复飞，但因天气或飞行员技术等原因引起的复飞还是时有发生，特别是复飞程序也属于仪表程序的一个组成部分，图7中的仿真加入了复飞航段的程序。

    因视点高度原因，图7中远景处部分地图未能全部显示，这部分地图可随视角拉近而展现出来。

3.3仪表程序飞行仿真

    通过WorldWind的模型加载机制，可加载常见的飞机模型，并使模型沿仪表程序的航迹飞行，实现仪表飞行程序的虚拟验证，如图8所示。

    图8中，利用插件机制加载一架空客A380的飞机模型，并为模型开发标牌显示插件，使之实时显示模型的位置和时间信息。信息内容可根据用户需要设定，刷新速率也可根据不同终端的性能而改变。

4实验结果

    针对仪表飞行程序的特点，并结合其在精密进近中的应用，研究了飞行航迹从平面坐标向三维地理系统坐标转换的数学模型计算方法，并且利用WorldWind三维平台的二次开发接口，实现精密进近中标准仪表飞行程序航迹的三维可视化，最后通过调用Direct3D实现在高分辨率地形环境中沿三维航迹的飞行仿真。对机场仪表进近程序的模拟仿真结果表明，该方法能够方便快速地完成标准仪表飞行程序三维仿真，为飞行程序的辅助设计和验证提供了一个非常好的新思路。同时该成果还可作为民航技术推广的培训素材。

    本系统平台还可与地面或飞机的监视数据、定位系统等相结合，获得飞机运行的实时参数。利用这类参数，可在计算机上还原飞机的飞行高度、速度、姿态轨迹等，计算偏离航线的距离或飞行误差，实现对飞机运行的监视和预测，进一步提高飞行安全，细化和完善飞行程序设计标准。

    本系统还存在一些不足，特别是结合三维地理信息数据后刷新速度和程序运行效率较慢。另外，本系统主要考虑仪表飞行程序辅助设计和后期验证阶段，未考虑程序设计初期的障碍物评估和机场建设时期的选址评估，还有待扩展和完善。