基于Google Earth的三维飞行程序设计仿真

[摘 要]提出了一种利用Google Earth二次开发实现飞行程序设计三维仿真的新方法。系统通过GE提供的扩展接口，使用KML语言生成三维飞行程序保护区并实现飞机飞行的仿真动画演示。系统为C/S架构，开发使用均在单机上。三维保护区可为设计人员提供直观简单的判别依据，模拟仿真还可验证程序设计结果的精确性和可靠性。

[关键词]飞行程序设计 Google Earth 仿真

中图分类号： 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）24-0004-01

1 引言

飞行程序设计是一门涉及面广而使用专业的设计学科，需要综合考虑飞行技术、飞机性能、空管指挥等直接相关因素，还要涉及地理地形、气象条件、设计施工等间接影响条件。

飞行程序所设计的航迹对地面的人工障碍物非常敏感，而在广大西部地区现有的地形图均比较陈旧，大部分是上世纪70年代的测绘成果图，缺乏近期地形地貌的变动信息。GE是Google公司推出的虚拟地球仪软件。它把卫星影像、航空照相和GIS地形布置在一个地球的三维模型上。GE的卫星图片和航空影像更新快、像素高并配准了地理坐标信息，可以将真实的设计坐标与地球影像相结合进行参考。

2 系统结构

2.1 开发方式

GE提供了两种开发模式，一种是组建（COM）API形式，允许第三方应用程序从GE查询信息并能给GE发送命令，应用程序通过调用GE主类来控制其3D视图、使用KML功能等。本系统只是利用GE平台来实现飞行程序设计的参考和评估，GE平台本身的功能已经足够强大且能满足设计工作中的需要，因此本次系统开发采用了另一种开放模式即：KML文件形式。KML文件是基于XML语法格式的文件，其编辑简单，易于修改，可根据不同的要求融合各种地标信息。文中将详细介绍GE在VisualC#平台下的二次开况并实现飞行程序保护区的评估及飞行航迹动态模拟仿真等功能。

2.2 系统结构

系统结构如（图1）所示，主要包括软件系统和GE浏览端，各种设计参数（VOR、NDB、所处航段）、跑道数据（坐标、高度、尺寸数据）、飞行参数（高度、速度）等数据汇集到软件系统，同时加入人工控制飞行航迹3D模拟的控制参数，通过GE接口规范生成相应的KML文件，将KML文件发送到GE浏览器生成三维飞行程序保护区及航迹模拟。

2.3 3D保护区设计

传统的飞行程序保护区为平面类型，由对应的点、线、面组成，而3D保护区在传统的基础上对各点增加相应的高度，形成一个三维立体结构的保护区，保护区的高度统一为海拔高度。设计结果中控制点高度是标称航迹上的高度，在标称航迹高度上减去对应航段的超障余度才是真正的保护区高度。GE软件中要实现3D保护区需要在KML文件命名对应的保护区段落，在此段落内设计保护区结构，实现具有经纬度和高度的点组合，由两点生成线，再由四条线组合成矩形面，最终实现3D保护区。对于由曲面构成的保护区，曲面计算方法用积分的思想细分区段最后拼接出完整的保护区。

2.4 模拟仿真原理

GE软件支持时间轴工具并可将格式为.dae的三维模型放置于GE三维场景中，模拟仿真原理为动画制作中的逐帧动画原理，将三维模型按照一定的时间距离关系分布在GE三维视图中，用时间轴来控制每个对应帧上的飞机出现或消失，从而产生动画效果。设定一个飞机的初始速度值来确定时间与距离之间的关系，将这些信息写入KML文件中的时间轴标识中，此标识内包括模型信息、坐标点位置、高度等。GE软件通过读取KML文件中时间轴标识中的坐标、高度、时间点等关键信息来产生连续帧动画。动画的播放速度和每次出现帧数可以用GE的时间轴工具属性来控制，还可以选择是否循环播放动画。

时间轴动画KML文件编码段为：

air3

3

4

2.5 模型姿态设置

模拟飞行中飞机模型有各种姿态变化，模型姿态是三维飞机模型在空中的机体轴相对于地面的角位置。通常用三个角度来表示：①俯仰角，模型机体纵轴与水平面的夹角。②偏航角，模型机体纵轴在水平面上的投影与该面试参数线之间的夹角。③滚转角，模型对称平面与通过模型机体纵轴的铅垂平面间的夹角。

模型KML文件编码段为：

absolute

105.17485123

34.21433616

1256

150

偏航角对应编码中的项，俯仰角对应编码中的项，滚转角对应编码中的项。

3 应用成果

（图2）中的飞机模型沿设计的三维标称航迹起飞，保护区边界线明显的投影在地表面上，直观的体现出起飞航迹与地面障碍物之间的关系。

4 结语

本文介绍了一种利用Google Earth二次开发实现飞行程序设计三维仿真的新方法。充分利用Google Earth信息量大，地图影像更新快的特点有效的解决了飞行程序设计过程中对地面人工障碍物的影响情况的评判问题。飞行程序设计是一个小众又很专业的学科，因而飞行程序设计的成果常常让大部分人感觉生涩难懂，模拟仿真可以把大量专业化词汇描述的设计成果直观的呈现在三维场景里，使人一目了然。

参考文献

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[2] 江宽，龚小鹏. Google AP I开发详解： Google Maps与GoogleEarth双剑合璧[M].北京： 电子工业出版社，2008.

[3] 马俊，杨忠，杨成顺，徐玲玲.基于Google Earth的人机交互平台设计[J].应用科技，2010（7）：6-10.