基于Google Earth的三維飛行仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王浚羽，姜荔峰，張峰，陳蕾

(空軍航空大學(xué)軍事仿真技術(shù)研究所，長春130022)

基于Google Earth的三維飛行仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王浚羽，姜荔峰，張峰，陳蕾

(空軍航空大學(xué)軍事仿真技術(shù)研究所，長春130022)

提出了一種利用Google Earth二次開發(fā)能力實(shí)現(xiàn)飛機(jī)六自由度飛行仿真的方法，使用KML語言描述了地景中的三維參考航線和飛行姿態(tài)，將Google SketchUp建立的飛機(jī)三維模型導(dǎo)入到Google Earth中，通過面向?qū)ο蟮木幊趟枷耄肕icrosoft VC++6.0對Google Earth進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)仿真系統(tǒng)的人機(jī)交互功能;系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu)，客戶端采用Google Earth瀏覽器，全部開發(fā)都在服務(wù)器端;系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果表明:該系統(tǒng)可逼真地模擬飛機(jī)飛行;系統(tǒng)還可以用于三維航跡研究分析、實(shí)時(shí)航跡監(jiān)視等，具有廣闊的開發(fā)前景。

Google Earth;航跡;飛行姿態(tài);六自由度飛行仿真

飛機(jī)在三維環(huán)境下的六自由度飛行仿真在飛行訓(xùn)練、飛行沖突研究、飛行事故調(diào)查、航跡規(guī)劃、飛行仿真和空域規(guī)劃等方面都具有重要意義。通常的飛行仿真，一般會(huì)用Creator、3Dmax等軟件創(chuàng)建三維模型，用Vega生成視景仿真，都需要地形模型的建立以及視景仿真，而且僅僅是針對某一局限區(qū)域內(nèi)。Google Earth是Google公司在2005年6月推出的虛擬地球軟件。Google Earth將衛(wèi)星圖片、航空照相以及GIS布置在一個(gè)三維的地球模型上。Google Earth使用了公共領(lǐng)域的圖片、受許可用的航空照相圖片、KeyHole間諜衛(wèi)星圖片以及很多其他衛(wèi)星所拍攝的圖片。還包含了實(shí)時(shí)的天氣信息，同時(shí)可對其進(jìn)行二次開發(fā)。本文介紹了一種以Google Earth作為平臺(tái)，運(yùn)用了Google Earth為用戶提供的兩種可擴(kuò)展接口，KML文件形式和組件(COM)API形式，使用KML語言描述飛機(jī)參考航跡和飛機(jī)在飛行過程中的姿態(tài)，通過可擴(kuò)展接口引入以VC++6.0為開發(fā)平臺(tái)的C++程序，設(shè)計(jì)出人機(jī)交互的控件控制窗口，不必做地形建模和視景仿真。系統(tǒng)采用了B/S架構(gòu)，客戶端采用了Google Earth Viewer，全部開發(fā)都在服務(wù)器端。用戶只需訪問服務(wù)器便能得到逼真的六自由度實(shí)時(shí)飛行仿真。

1 仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 可擴(kuò)展的Google Earth

Google Earth為用戶提供了2種可擴(kuò)展接口，分別是KML文件形式和組件(COM)API形式?；?COM)API的開發(fā)方式主要用來控制Google Earth的視角、實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫效果等功能;而基于KML的開發(fā)方式則主要用來生成地理要素，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的更新等。在實(shí)際的應(yīng)用中，需要將這2種開發(fā)方式結(jié)合使用，這樣才能取得較為理想的效果。本仿真系統(tǒng)就是使用了兩種方式相互配合。

在Google Earth COM API中，COM即組件技術(shù)，API即應(yīng)用編程接口。它是一個(gè)包括IApplicationGE、ICameraInfoGE、IFeatureGE、IFeatureCollectionGE、IPointOnTerrainGE等11個(gè)類的類庫。

在該類庫的11個(gè)類中，IApplicationGE類最為重要，Google Earth COM API類庫中的其他類的使用，都會(huì)涉及IApplicationGE類中的屬性或函數(shù)。在本仿真系統(tǒng)中，客戶端的初始化流程圖如圖1所示。

1.2 KML文件

KML的全稱為Keyhole Markup Language，最開始是由Keyhole公司開發(fā)的，基于XML(eXtensible Markup Language，可擴(kuò)展標(biāo)記語言)語法和文件格式的、用來描述和保存地理信息(如點(diǎn)、線、面、圖像、多邊形和3D模型等)的編碼規(guī)范，可以被Google Earth和Google Maps識(shí)別并顯示。

KML在吸收和借鑒開放地理信息系統(tǒng)協(xié)會(huì)OGC制定的GML(Geography Markup Language)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，舍去地理模型中拓?fù)潢P(guān)系的描述，簡化描述元素，使用了一種基于標(biāo)簽(tags)的語法格式來描述地理信息，使KML文件在Google Earth的顯示過程與HTML網(wǎng)頁被瀏覽器處理的過程相類似，也就是說，通過KML標(biāo)準(zhǔn)形成的KML文件是通過Google Earth瀏覽器解釋，并在Google Earth瀏覽器表現(xiàn)出來的。Google Earth中的地圖數(shù)據(jù)、地物地標(biāo)以及其他的一些附加的信息圖層大部分是利用KML/KMZ文件來組織的。下面按經(jīng)度緯度高度的順序，描述一個(gè)起始點(diǎn)坐標(biāo)為(125 m，43 m，500 m)，終點(diǎn)坐標(biāo)為(125.2 m，43.9 m，500 m)的三維平面地標(biāo)KML文件為:

＜kml

xmlns="http://www.opengis.net/kml/2.2"xm lns:gx ="http://www.google.com/km l/ext/2.2"xmlns:km l="http://www.opengis.net/kml/2.2"xmlns:atom="http://www.w3.org/2005/Atom"＞

＜Folder＞

＜name＞三維平面地標(biāo)＜/name＞＜o(jì)pen＞1＜/open＞

＜Placemark＞＜LineString＞＜extrude＞1＜/extrude＞＜tessellate＞1＜/tessellate＞

＜altitudeMode＞relativeToGround＜/altitudeMode＞

＜coordinates＞125，43，500 125.2，43.9，500

＜/coordinates＞＜/LineString＞＜/Placemark＞＜/Folder＞＜/km l＞

KML文件是文本格式，通過簡單的幾段代碼就可以表示出多樣的地理信息。Google Earth中各種地理信息用不同的圖層添加進(jìn)來，通過編寫KML文件就可以把點(diǎn)、線、圖片、地標(biāo)、3D模型等疊加在Google Earth上。

1.3 Google Sketchup三維建模平臺(tái)

本文以Google SketchUp作為飛機(jī)三維模型建立的平臺(tái)。SketchUp是一款易于使用的3D設(shè)計(jì)軟件，是一套直接面向設(shè)計(jì)方案和創(chuàng)作過程的模型設(shè)計(jì)工具，它的創(chuàng)作過程不但能夠充分表達(dá)設(shè)計(jì)者的思想而且較大程度地滿足了與客戶即時(shí)交流的需要，它使得設(shè)計(jì)者可以直接在電腦上進(jìn)行較為直觀的構(gòu)思設(shè)計(jì)。再者，SketchUp已經(jīng)和Google Earth進(jìn)行了較好的兼容，可通過“添加影像”將待建模區(qū)域在Google Earth中的遙感影像導(dǎo)入到SketchUp中，這樣便可在Sketch－Up環(huán)境中的遙感影像區(qū)域進(jìn)行建筑物模型的構(gòu)建。Sketch－Up中的文件格式默認(rèn)的為skp格式，導(dǎo)入到GE(Google Earth縮寫)中后為kmz格式，還可通過格式轉(zhuǎn)換保存為kml文件，這兩種格式的文件為文本形式，因此文件很小，易于傳輸。

SketchUp這一GE針對虛擬現(xiàn)實(shí)(VR，Virtual Reality)技術(shù)提供的模型設(shè)計(jì)軟件，較之于專業(yè)軟件，雖然在功能等方面有一定的局限性，還無法達(dá)到專業(yè)軟件的水平，但是其簡單直觀方便的操作使其具有更大的普及性，可應(yīng)用于對建模等沒有非常精細(xì)要求的諸多領(lǐng)域。圖2為通過SketchUp建立三維飛機(jī)模型。

1.4人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

通過Microsoft VC++6.0對Google Earth進(jìn)行開發(fā)，在MFC開發(fā)環(huán)境中，添加控件、編寫控件對應(yīng)功能的代碼、運(yùn)行調(diào)試，直至系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定良好。人機(jī)交互界面的職能劃分及人機(jī)交互界面如圖3、圖4所示。

圖3 人機(jī)交互界面職能劃分

圖4 人機(jī)交互界面

1.5 機(jī)動(dòng)性約束

飛機(jī)在運(yùn)動(dòng)過程當(dāng)中限于飛機(jī)本身的性能，如最大轉(zhuǎn)彎角、最大爬升/下滑角等，因此，為了增進(jìn)飛行仿真系統(tǒng)的逼真度，還需要對相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行限制約束。本文所涉仿真系統(tǒng)就最大轉(zhuǎn)彎角和最大爬升/下滑角進(jìn)行了如下約束。

1)最大轉(zhuǎn)彎角約束。它限制了三維飛機(jī)模型只能在小于或等于預(yù)先確定的最大轉(zhuǎn)彎角范圍內(nèi)轉(zhuǎn)彎。約束條件取決于實(shí)際飛行當(dāng)中飛機(jī)的機(jī)動(dòng)性能。設(shè)最大允許轉(zhuǎn)彎角為α，它是一個(gè)充分大值，具體值的設(shè)置可參照公開出版的書籍中的數(shù)據(jù)。

2)最大爬升/下滑角約束。該約束用于限制飛機(jī)模型在飛行過程中在高度方向上爬升和俯沖的最大角度。設(shè)定最大爬升/下滑角為θ，同樣，其為一有限值，具體值的設(shè)置可參照公開出版的書籍中的數(shù)據(jù)。

1.6 仿真實(shí)現(xiàn)

本仿真系統(tǒng)的演示可分為兩個(gè)部分。一個(gè)是靜態(tài)展示，通過人機(jī)交互界面設(shè)置不同參數(shù)，調(diào)整飛機(jī)姿態(tài);另一個(gè)是動(dòng)態(tài)演示，即六自由度飛行仿真。動(dòng)態(tài)演示過程中的飛行仿真如圖3所示。

2 結(jié)論及展望

本文介紹了一種利用Google Earth二次開發(fā)能力實(shí)現(xiàn)六自由度飛行仿真的方法。所設(shè)計(jì)的仿真系統(tǒng)采用了Browser/Server結(jié)構(gòu)，開發(fā)均在服務(wù)器端進(jìn)行，客戶端采用Google Earth Viewer，提高了系統(tǒng)的通用性。對于視景及地形模型細(xì)致程度要求不高的仿真系統(tǒng)省去了地形建模、視景仿真等過程，Google Earth在在線瀏覽的自動(dòng)加載工程中即可滿足視景仿真的要求。通過運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)該仿真系統(tǒng)的逼真度較高。將所做工作總結(jié)如下:首先，通過Google Sketchup進(jìn)行飛機(jī)三維模型的建立;其次，利用Google Earth作為仿真平臺(tái)，用KML語言描述起始點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)地標(biāo)、參考航跡和飛行姿態(tài);通過面向?qū)ο蟮木幊趟枷朐赩C++6.0這一平臺(tái)上用C++進(jìn)行人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)。

此系統(tǒng)可用于六自由度飛行仿真、航跡研究等，為飛行訓(xùn)練提供了便捷、高效的條件。同時(shí)可應(yīng)用于三維航跡規(guī)劃問題的可視化研究和實(shí)時(shí)的航跡監(jiān)視等領(lǐng)域，具有廣闊的開發(fā)前景。

圖3 動(dòng)態(tài)飛行仿真

［1］高彥麗，劉建平，賈云鵬.Google Earth和SketchUp環(huán)境下三維場景建立方法研究［J］.科技廣場，2012(5):245－247.

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(責(zé)任編輯周江川)

Design of 3D Flight Simulation System Based on Google Earth

WANG Jun－yu，JIANG LI－feng，ZHANG Feng，CHEN Lei
(Institute of Military Emulation Technique，Airforce and Aeronautical University，Changchun 130022，China)

This paper introduced amethod of 6－DOF flight simulation based on secondary development of Google Earth.3D reference flight tracks in the landscape and flight attitude were described by KMLmarkup language，and the 3D model of a plane created by Google SketchUp was put into Google Earth，by the object－oriented programming idea，using Microsoft VC++6.0 to control Google Earth to achieve the function of human－computer interaction of simulation system.The system was built on B/S architecture，and the entire developmentwas put on the server while the clients used Google Earth browser directly.System operation results show that the system can realistically simulate the movement of aircraft，which has low cost of development and good portability.It can also be used for 3D－route research and analysis and realtime track monitor，etc.with a promising development prospects.

Google Earth;flight track;flight attitude;6－DOF flight simulation

:A

1006－0707(2014)07－0100－03

format:WANG Jun－yu，JIANG LI－feng，ZHANG Feng，et al.Design of 3D Flight Simulation System Based on Google Earth［J］.Journal of Sichuan Ordnance，2014(7):100－102.

本文引用格式:王浚羽，姜荔峰，張峰，等.基于Google Earth的三維飛行仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.四川兵工學(xué)報(bào)，2014(7): 100－102.

10.11809/scbgxb2014.07.028

2014－01－27

王浚羽(1990—)，男，碩士研究生，主要從事航空宇航科學(xué)與技術(shù)研究。

TP391