三维显示管制系统研究.doc

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1、分类号 编 号 UDC 密 级 中 国 民 航 飞 行 学 院毕业设计（论文）题 目 三维显示管制系统研究 作者姓名 周 宇 指导教师姓名及职称 肖伟 讲 师 系及专业名称 交通运输 提交日期 答辩日期 答辩委员会主任 评阅人 2004年06月06日摘要：虚拟现实是采用以计算机技术为核心的高技术生成逼真的视、听感觉一体化的特定范围的虚拟环境,它最追求的是能够给使用者提供三维立体的虚拟世界，是一种新的人机界面形式。本文介绍了空中交通管制服务系统的组成和工作原理，以及空中交通管制的三维显示内容，通过分析空中交通管制的各要素，建立了三维仿真显示框架和仿真环境模型。主要讨论在现有雷达设备的基础上，对空

2、中交通管制系统中雷达数据显示的功能进行了研究，并在此基础上给出了雷达数据显示的体系结构。实现计算机的三维仿真，目的是为了把计算机技术应用于空中交通管制服务管制领域，为现代化的管制指挥提供更多外部信息，和更为人性化的界面和操纵，以及更优化的管制环境，为保证飞行安全提供更有利的保障。关键词：空中交通管制，三维显示，仿真，雷达管制ABSTRACT：Conjecture actuality is a conjecture environment which adopts high technique based computer-technique to product a core born par

3、ticular scope with integral feeling of look and listen, it pursues a conjecture world which can provide three dimensions to the users, also it is a new interface form of person machine .This paper introduces constitution and work principle of the air traffic control system, and three dimensions mani

4、fested contents of air traffic control, by analyzing each main factor of the air traffic control, establishes three dimensions imitated-true manifestation frame and imitated-true environment model. Primarily discussing in the foundation of the current radar equipments, how to research the manifested

5、 function of radar data in air traffic control system, and based on the foundation to show the system construction, which was manifested by radar data. Realizing the imitated-true three dimensions of computer, the purpose is for applying the computer technique in the air control realm, providing mor

6、e exterior in formations for the modern control management, and more humanized interface and operations.Key phrase: Air traffic control, three dimensions manifestation, imitated-true, radar control0、 前言随着我国民航事业的迅速发展10年来 ，我国航空运输以10以上的年增长速度发展对空中交通服务提出了前所未有的新要求，航班流量的不断增加，机场内起降飞机的数量也日益增长，为了摆脱目前这种状态，各地都采

7、取了许多措施，包括：增加跑道数量，完善空域结构，使机场终端区内的进离场航线更加合理；进一步和军航进行沟通和协调，理顺军民航管制部门之间的协调关系；北京、上海、广州三地的终端区内，以及整个京广航路已经实现了全程雷达管制。所有这些都有效地增大了航班流量，提高了航班正常率，收到了良好的经济效益和社会效益。但是，空中交通日趋繁忙，日益增长的飞行总量与相对有限的空中交通管制能力之间的矛盾，己成为各国航空界急需解决的问题。为提高航空运输系统容量和效率，保障航空安全，就必须提高空中交通管制能力。仿真技术具有广泛的应用领域，已由过去单纯的数学仿真，发展成分布式的、具有良好人机交互能力的联网仿真，可支持从概念设

8、计、方案论证、工程实现、校核验证等产品开发的全周期。本文在空中交通管制领域采用仿真技术，提出了空中交通管制仿真环境模型，对关键问题进行了研究。另外，用虚拟现实技术为使用者呈现出具有强烈沉浸感的三维视景和空间立体环境，将空中交通管制仿真技术和飞行模拟器技术结合在一起，扩展了功能，构造出一个分布式虚拟环境。1、背景目前，由于机场配套工程、交通限制、容量能力、空域限制等原因，空中管制压力仍然很大。所以我们需要更高水平的管制手段、管制方法、优秀的管制设备来保障空中交通安全和提高效率，需要更多创新。管制员普遍采取目视判断和基于对本场跑道，滑行道，停机位等环境的熟悉，对二维雷达显示屏幕获取航空器信息，和对

9、本空域的认识，按照各种相关规定，从而对地面，空中交通运行进行控制。这种以主观、大部分指挥凭借经验的管制方法、监管措施容易出现人为失误。有很大的、做出错误决定的空间，特别是在机场繁忙，高峰期或机场低能见情况下，存在很大的安全隐患。俗话说：“智者千虑，必有一失。”何况管制员每一分每一秒都需要面对，都需要判断思考，都需要做出决定。为了帮助管制员更好的掌握交通情况，增加外部设备携带信息，减少安全隐患，使管制指挥更加直观、可靠。本文正是基于这一背景下对三维显示管制系统运用于空中交通管制加以研究的。1.2 空管系统研究历史空管的研制技术一直受到国内外民航科技界的重视。为了适应民航事业的发展，我国从70年代

10、就开始了空中交通管制系统有关设备的研制，迄今为止已有20多年历史，经历了以下几个阶段：第一阶段（70年至84年）：国内研制与引进、吸收相结合的阶段。783厂于70年代初完成空管二次监视雷达样机的研制；经周恩来总理批准从法国汤姆逊CSF公司引进空管系统。第二阶段（84年至91年）：研制雷达管制系统配套设备和空管1号、2号系统阶段。在这一阶段中，代表性项目有720厂研制了远程航路一次监视雷达、784厂研制了终端近程一次监视雷达、783厂研制了空管二次监视雷达，760厂研制了双频段塔台和指挥地空通信电台、28所研制了塔台高亮度光栅扫猫显示器和管制中心自主式大管面随机混合和综合显示器等、完成了独立远程

11、二次雷达航路（含塔台）管制系统（简称1号系统）的研制和一、二次雷达采用合装体制的终端进近（含塔台）管制系统（简称2号系统）的研制。第三阶段（91年至95年）：重大科研项目攻关和批量研制管制中心系统及开发新的雷达管制系统阶段。其代表性项目有除军航区域管制中心、分区管制中心和机场管制中心、磁记录设备、空管气象雷达等关键设备的成功研制外，还有为了满足民航空管建设的需要，由28研究所、14研究所、38研究所联合进行空管3号和空管4号系统的研制。第四阶段（96年至今）：加强系统顶层设计，为国家空管装备建设全面提供服务阶段。其代表性项目和服务内容有确定总体技术单位和拟制“九五”全国空管系统总体技术方案及有

12、关技术标准和规范、继续向民航用户提供性能价格比好的空管设备、搞好空管设备的引进工作、加速空管3号系统和空管4号系统的研制、开展航空电讯网（ATN）关键技术研究，发展ATN网络技术、开展新航行系统总体技术和关键技术研究、以及拟定建设全国三大管制中心等。1.2.1目前我国引进的国外雷达系统由于国家的投资非常有限，发展的速度太慢，到目前为止，研制出的设备系统还远远不能满足我国航空事业的迅猛发展，我国许多民用机场都在使用进口的空管系统，如美国的 RAMON （雷神）,意大利的 ALENIA（阿拉利亚）,日本的 TOSHIBA （乐芝）法国的 THOMSON （汤姆逊）以及欧洲猫（EUROPEAN CA

13、T2000）。1.3研制空管系统的必要性我国经济持续快速的增长，极大地促进了我国航空运输事业的发展，并带动了与之相适应的现代化空管设备的全面建设，国家在近几年就投资了数亿元。无疑我国今后对空管自动化系统的需求量是很大的。交通信息的获取，对每个管制员来说都非常重要。现阶段雷达系统普遍采用二维显示，限制了传递到管制员大脑中的信息量，很大部分工作需要发挥管制员的空间想象能力。然而，现阶段管制工作复杂，情况多变。由于健康状况、思想状况、情绪状况，并且需要进行英语通话、处置特殊情况、大流量指挥等诸多因数。分散了管制员注意力，管制员工作受到限制。三维显示目的在于运用现代计算机图形技术，生成印象深刻，形象直

14、观的三维情景。提供给管制员，改善管制员工作环境，帮助管制员做出正确判断，理解飞机状态，发现并调配冲突。对该领域的研究，不仅可以填补国内空白，节约了费用，而且更重要的是会进一步发展壮大国内的空管产业，产生巨大的社会效益和经济效益。2、雷达系统总体结构原理雷达系统提供雷达位置显示、地图资料、标牌、与安全有关的告警信息，具有高水准的可靠性、有效性，是管制员获取交通信息的途径。管制员利用雷达提供的信息直接应用于管制过程，并且提供雷达管制服务，雷达情报服务。雷达系统的设计采用开放式系统结构，由高分辨率彩色图形显示器和高性能商用计算机等组成。整个系统采用TCP/IP网络协议。系统的总体结构逻辑图如图1：图

15、1 系统总体结构逻辑图系统的信息处理流程如图2：图2 系统信息处理流程图可以从系统信息处理流程图看到：来自各路雷达的数据信息进入多通道雷达数据处理单元进行雷达数据的通信协议转换、雷达数据格式转换、异地雷达投影平面坐标变换等处理后，处理结果以两种方式发送出去：一是直接把处理管制员操作席，以备系统降级工作时所需；二是把处理结果发送到多雷达数据融合处理机进行多路雷达数据的相关融合处理。多雷达数据融合的结果也以两种方式发送出去：一是把处理结果发送到管制员操作席数据显示以及一些进一步的处理；二是把处理结果发送到冲突探测及低高度报警处理机做飞行冲突探测和低安全高度报警处理。冲突探测及低高度报警处理机把相应

16、的报警信息发送到各个管制员操作席位。2.1多通道雷达数据处理以雷达监视为基础的陆基航行系统，由于受视距系统传播距离的限制以及传播特性的多样性，在机场及航线沿途必须密集布置许多雷达，而在海洋和荒漠无雷达覆盖的区域上空飞行的飞机仍无法被监视，只能靠增加飞行间隔来保障飞行安全，空间利用率低。新航行系统由通信、导航、监视和空中交通管制组成，其中监视即自动相关监视（ ADSAutomatic Dependent Surveillance），它由飞机上的航行和定位系统测定飞机的四维位置数据，通过地空通信数据链自动送到地面空中交通管制中心，进行空中交通管制和流量管理。然而，目前我国民航的飞机绝大多数并不具备

17、ADS能力，雷达仍是获取信息的主要手段。由于受视距系统传播距离的限制以及传播特性的多样性的原因，现在民航使用的雷达的覆盖范围一般在400KM之内，为了增强对飞机观测的可靠性，增加对飞机观测的范围，于是在机场和航线沿途的雷达分布比较密集。对空中的某一些飞机，将被地理位置不同的雷达同时探测到，又因为各部雷达的旋转周期不同、测量的精度不一致、探测到同一架飞机的区间不同步以及通信线路的数据传输延迟等诸多原因，雷达目标探测精度可能不太精确。因此应对地面雷达系统进行联网，尽可能充分利用所有的雷达信息，将互联的雷达信息最终传送到管制员手里，首先需要进行多通道雷达数据处理。多通道雷达数据处理系统主要完成雷达数

18、据的通信协议转换、雷达数据格式转换、异地雷达投影平面坐标变换等功能。雷达数据经该处理单元处理完后，由该单元的网络通讯模块将数据发送到多雷达融合处理系统或管制员工作席位。 多通道雷达数据处理需要雷达信息处理机软件来实现。内容多，任务复杂，实时性要求高，故在进行软件时全部采用结构化模块设计，这有利于根据实际引接雷达的具体情况进行扩展或拆卸，能够缩短程序代码，优化程序结构，提高软件执行效率。系统工作时，软件的执行流程如图3：图3 软件执行流程图2.2多雷达数据融合处理系统管制员采用的计算机系统是由雷达系统中央主机的处理后联网构成的，这一阶段主要的难点是雷达数据的处理，对于计算机之间的网络连接倒是次要

19、的。对于主机端口的数据处理需要一定的硬件解码系统，在现有的雷达系统中都有这种设备，为了尽量的减少改造成本，基于对现有的硬件不做重大改动的情况下，对已有数据进行处理，不增加其他特殊译码过程。系统接为了保持信息的准确、精度、可靠，接收来自多个雷达的数据，而最后显示到达管制员处只有唯一的信息，所以系统需要对多雷达数据进行融合处理。多雷达数据融合处理系统是整个系统雷达信息处理的中心，它把多通道雷达处理单元送来的多路雷达数据信息进行实时融合处理成综合雷达数据，并将处理结果送往冲突及低高度报警处理系统和有关管制员席位作进一步处理。数据融合模式可以划分成三个层次： 一是目标数据处理系统的基本需求，根据多雷达

20、的测量位置数据和特性数据来确定所辨识目标的数据库、目标航迹和原始数据。包括：（1）数据归一化处理(把多雷达所收到的数据转换成共同空间基准和时间基准的数据结构)（2）数据互联(将数据按目标对应分类，每一目标的对应观测数据都分在同一类中，在密集跟踪环境里许多目标的未知特性很接近，这就需要多种策略。另外，数据互联还要确定新的观测数据是对应新的目标，还是对应融合数据库中的某一类观测数据老目标。)（3）跟踪估计(确定目标的位置和速度)（4）识别(特征信息的提取和处理) 二是位置的处理，通过对目标数据、目标间的关系以及时空模型的评定实现。三是目标空间态势估计和辅助决策，辅助决策是依据数据融合所提供的客观、

21、完整、清晰的目标运动态势而进行分析的。多雷达数据融合处理就是对来自多源的信息和数据进行检测、分类、互联、相关、综合等互联、相关、综合等多级多方面的处理，以得到完整及时的精确状态和身份，再送往管制员工作席位作进一步处理。2.2.1多雷达数据融合处理的程序实现该部分要实现是接收来自多通道雷达数据接口处理机的多部雷达数据信息，首先进行目标数据提取、检测和互联，判断该目标信息来自哪路雷达、是新目标还是旧目标并对数据库做相应处理；接着进行航迹的时间及空间对准；然后对雷达航迹作相关处理；最后对航迹数据加权融合；当这些工作都做完再把最终处理结果送往冲突探测及低高度报警处理系统和管员工作席位做进一步处理。多雷

22、达数据融合处理流程图如图4所示：图4多雷达数据融合处理流程图2. 2.2目标航迹数据的接收、提取和互联包括各路雷达目标航迹数据的接收、提取、互联、新航迹号的生成、丢失目标的外推及剔除(正北处理)等。为了更清晰明了的说明该部分程序的处理功能，其处理流程如图5所示：图5 目标数据的接收、提取和互联流程图 首先，对接收到的数据信息进行检测，判断该数据帧是哪一类数据，若是正北数据帧则进行正北处理(丢失目标航迹的外推和剔除)，若是航迹数据帧则进行航迹数据的提取和互联处理，若是扇区数据帧则不做任何处理。如果当前接收到的数据信息是航迹数据帧，则先从该数据帧中提取出它所描述的目标的各种参数填入上述的数据结构里

23、面，这些必要参数包括目标的极坐标位置、高度、速度、航向、航迹号、二次代码和各种报告描述，同时把该目标的丢失标志置为3(外推3个周期)和更改其被探测到的次数。在数据结构里，保存了该目标的位置、高度、速度和航向的最新的5个历史数据。 然后，根据数据帧中的雷达号字位来判断本航迹信息是哪部雷达的量测数据，再用目标的航迹号来判断本目标是这部雷达量测到的老目标还是新目标(对于同一部雷达来说，它所量测到的目标的航迹号是各不相同的)。如果是老目标，则把该部雷达的数据列表中所对应的记录项数据结构的内容更改过来。如果是新目标，则把已赋值的数据结构作为一条新的记录项加入该部雷达的数据列表里。 如果接收到的数据帧所描

24、述的目标是新目标，还必须为它设置一个新航迹号。如果当前接收到的数据信息是正北数据帧，则进行正北处理，即数据库中目标航迹的外推与剔除处理。首先是对每一部雷达数据列表中目标航迹进行判断，如果某一个目标已连续三个周期没被该雷达量测到，则从此部雷达的数据列表中剔除该目标所对应的记录项；如果某一个目标己丢失，但又没有达到三个周期，则根据该目标的最新历史位置、速度和航向来外推他的动态参数。当多雷达的目标航迹经过相关融合处理后，就已得到了所期望的融合目标航迹，剩下的工作就是把这些融合处理结果发送到冲突探测及低高度报警处理机和各个管制员工作席位做进一步处理。2.3冲突及低高度报警处理系统航空是对安全要求极高的

25、一个部门，良好的空中交通安全管制是对人民生命财产安全的有力保障。所以能够提供合理必要的报警信息是一套优秀空管系统的基本特性。接收多雷达数据融合处理系统的处理结果融合后的雷达数据，并进行飞行冲突探测和低于安全高度报警处理，然后把相应的报警信息发送到管制员工作席位。报警类型可分为：（1）短期飞行冲突探测及报警该功能按中国民航“航路”和“进近”冲突（2）标准进行冲突探测和报警处理。（3）最低安全高度报警系统能自动计算目标在未来一段时间内是否与地面障碍物在高度上危险接近，如果发生危险接近，则立即向A T C显示席位发出低高度预警信息，当目标进入危险区，则发出低高度报警信息。为了实现系统的报警处理功能，

26、在进行冲突探测和低高度报警计算处理之前，还要做参数加载、地形图加载、数据的接收、航迹的预测以及丢失目标的剔除等前期处理，在冲突探测和低高度报警计算处理完后，把相应的报警信息发送到各管制员席位。冲突探测及低高度报警处理如图6所示： 图6 冲突探测及低高度报警处理流程图2.4管制员工作席位管制员工作席位是管制员工作、值班所在的地方，系统的大部分功能将在此席位上体现。主要由管制员雷达显示席位机、助理管制员雷达显示席位机、有线无线通信面板和进程单架组成。管制员工作席位能向管制员提供管制范围内空中飞行目标的各种必要信息和飞行动态，并提供人机交互手段。接收来自多雷达融合处理以后发来的雷达航迹信息并经过处理

27、过滤，显示于雷达屏幕上。管制员工作席位显示信息流程图7如下：图7 管制员工作席位显示信息流程图2.5飞行数据处理系统飞行数据处理系统是整个系统飞行数据处理中心，负责处理系统内部的所有飞行数据信息和航行情报信息，并将处理结果送往有关席位做进一步处理，飞行数据处理机直接与外界民航标准网络接口，接收和发送AFTN电报。其功能包括：飞行电报的编辑、接收和发送管理功能，飞行电报的存档管理功能，飞行计划的管理功能，以及航行资料处理和数据库管理功能等。2.7语音通信设备语音通讯设备保证管制员对受管制飞机的实时指挥。为管制中心提供平面通信和地空通信两种手段：(1)平面通信能实现管制中心内部以及管制中心与外界用

28、户的话音通信。(2)地空通信能通过管制中心的电台资源实现管制员与飞行员之间的对话，以及对电台的监听。2.6记录设备是系统保存历史信息的主要手段，它可以同步记录系统内的雷达数据信息和管制员与飞行员对话的话音信息，记录在硬盘介质上，并同时打上时间同步标志，当信息容量存储到一定程度时，再用外挂硬盘或者刻录光盘将数据备份出来。必要时，可将这些信息进行重演。2.8以太网整个系统由以太网连接，它内部数据通信的主干，通过TCP/IP和专用UDP协议，进行信息的可靠传输。 3、三维显示 目前，三维模拟显示被很多的行业所采用，如：航海中的船舶驾驶、用于军事空战仿真的空战、航空公司用来培养飞行人员而采用的用于模拟

29、各型民用航空器飞行。另外，就连很多游戏当中出现各种各样的三维模拟器。我们所看到场景非常真实，地形具备有高有低的层次感，并且山脉、河流、草地等地表特征必须非常鲜明。三维显示用于管制系统，则更加注重表示航空器相对于地面障碍的高度，相对于其他航空器的位置。采用计算机和电子技术的模拟器，它可实时显示三维运动实体。这类显示逼真效果好。提高管制员对交通情况的认识,对冲突的把握，减少人为因素所导致的飞行事故，增加安全系数。的确，从上面已经完成的工作可以看出，雷达系统的基本框架已经建立。但是，对于管制的三维显示系统生成技术方面的研究还不够。以下是三维显示对空中交通管制自动化系统中的主要设备关系，如雷达、雷达录

30、取设备、显示设备、人机互动、导航和通信设备等。三维显示中主要的位置数据来源于一次雷达的判定，而高度数据来源于二次雷达的返回信息。其关系结构如图8所示：图8 设备关系结构图3.1管制阶段空中交通管制的运行，可按照飞行阶段进行描述。以一个繁忙地区为例，飞机需要的空中交通管制服务可简述如下：起飞前，飞机的飞行计划通过程序被提交到航线经过的各个区段。塔台上接到计算机通知的地面活动管制员在收到已准备就序飞机的呼叫之后，向飞行员发出使用滑行道和跑道的指令及二次雷达监视代码，在飞机滑行过程中给出离场放行许可通知。当飞机到达跑道等待点时，管制员指挥飞机在适当时刻进入跑道起飞。当飞机在空中飞行时，终端区管制员负

31、责飞机的管制任务，协调飞机到达指定高度层进入航路。航路区段管制员引导飞机爬升到巡航高度，解决可能的交通冲突，并在飞机到达下一个终端区前与该终端区进行协调。终端区管制员引导飞机下滑到进近管制员的辖区。进近管制员将进场飞机引入等待区，进行顺序排队，将飞机引导到跑道中心延长线的一定距离和高度上。目的机场的空中飞行管制员为飞机发放着陆指令，引导飞机着陆，地面活动管制员向飞行员发布停靠地点和有关指令。由于飞行阶段不同，机场管制、进近管制、终端区管制的方法不同，三维显示方式也不一样，主要分为：区域管制，塔台管制和进近管制两部份。 3.1.1机场和进近管制的显示机场管制、进近管制的显示主要考虑本管制区域仿真

32、实现。不仅让管制员了解飞机与飞机，飞机与障碍物相对位置。并且通过地空数据链，将相对位置信息通过地空数据链发送给飞机，让正在执行任务的飞机员了解周围情况。避免管制员错误指令的发出及飞行员盲目下高度。以机场管制显示为例，要完成了机场和多种型号飞机的建模，及三维转平面显示、地形生成及飞机飞行轨迹设计等部分工作，建立了仿真环境的框架。实现了机场管制人员在塔台上可观察到的全方位交通情况。如飞机的起飞、着陆过程和在停机坪与跑道端点之间的滑行过程。如果安装微波精密进近系统，当飞机从远台到着陆整个过程，由该系统扫描到飞机的五点信息（重心、左机翼、右机翼、头部、尾部）。加上计算机对飞机模拟，合成出飞机的着陆形态

33、，并在塔台显示，为管制员提供参考。还可以通过地数据链将飞机着陆形态的改变信息传给机组，帮助飞行员做出完成进近，着陆或者复飞的决定。机场管制显示可用于下列目的：机场结构仿真，如跑道、滑行道、停机坪及其它建筑布局的仿真，用来检验机场布局设计对引导、控制效率的影响。对管制人员工作环境的仿真，提高其人机交互性能和效率。机场飞行容量的评估。研究支持飞机自由飞行的管制方法，创建空中交通管理新概念。3.1.2区域管制的显示区域管制，一般为A，B类空域，由于地形影响较小，可以忽略地形显示，更多考虑到空间，限制区以及天气的显示。所以要求与机场管制、进近管制不一样。飞机图标对象：屏幕上的每一个飞机图标就代表了当前

34、天空中的一架飞机。这里的图标对象是一种抽象的表示，以简单的几何图形来表示飞机被雷达探测到的状态。目前雷达可以探测到的飞机状态有这样两种：仅具有一次雷达代码的飞机为圆球型；既有一次又有二次雷达代码，与系统信号相关，具有呼号的飞机为四棱锥；飞机对象的一切变化和属性均通过飞机图标对象表现。飞机图标对象直接接收飞机对象发送的消息，这些消息包括位置变化消息，飞机属性(高度，速度等)变化消息，冲突消息，航迹预估消息，报警消息。高空区域背景地图对象：高空区域背景地图是比较简单的一个界面对象。背景地图相当于一个用户查看飞机图标的参考坐标系，显示系统提供给用户的地图信息有航路，扇区，走廊，NDB点，VOR点，基

35、本测距圆环，机场，扇区报告点等几种。3.2三维环境的生成3.2.1 三维模型环境的建立在系统软件中，由于三维仿真的需要，需要大量的建立三维模型。不同的三维景物根据各自的特点，包括复杂程度，仿真的需求，它们各自的实现方法也不一样。飞机以及建筑物的三维模型在场景中是最复杂的，由于目的在于信息的交互，所以要求的精度不一样。借助软件如：Maya、3Dmax等。利用这些软件的强大建模功能，完成建立相应的模型后，保存为对应的文件格式，如：max和dxf格式。然后编写程序从该文件中读出需要的点的信息。这种方法是使用编写的文件格式转化程序。目前最为常用。首先用3Dmax构造3维实体，然后用转化程序将数据文件转

36、化为可使用的文件格式后，可以直接由C语言进行控制处理。经转化后的文件包含了表面点的坐标数组、构成三角面的点的索引数组，有的转化程序转化后的文件中还包括材质的定义数组等。这样建立模型方便、准确。( 一 )计算机系统中三维地形图的构建为了增加三维环境的逼真程度，组成逼真的三维地形是其中的重要一环。根据欲建立的整个三维场景的大小，以及逼真程度可以选取相应的三维地形组成方法。地形是自然界中异常复杂的景物，其三维真实感图形的绘制一直是国内外计算机图形学领域关注的热点。三维真实感地图能高度逼真地反映外部真实世界，相对于传统纸制地图和计算机生成的线划地图，实体地图，它具有可视化程度高，动态感强，存储和查询方

37、便等优点。根据 DTM（ Digital Terrain Model）数据生成实际仿真地形。数字地形模型(DTM)是在空间数据库中存储，管理的空间地形数据集合的统称。是带有空间位置特征和地形属性特征的数字描述，是建立不同层次的资源与环境信息系统不可缺少的组成部分。生产应用中的基础数据，它们可以广泛地应用在多种领域，如农、林、牧、水利、交通、军事领域等。DTM中属性为高程的要素叫数字高程模型（DEM）。高程是地理空间的第三维坐标，DEM是地表单元上的高程集合，通常用矩阵表示，广义的DEM可包括等高线、三角网等，这里特指由地表网格单元构成的高程矩阵。DEM是建立DTM的“基础数据”或称为单要素图，

38、其它要素均可以从DEM数据直接或间接导出，因此称为“派生数据”。如：平均高程、坡度、坡向等仍是系统数据库中存储的一个层面或基本图件。对于DTM，只输入和存储数字高程模型DEM，并保证其精度符合要求，其它派主要素在需要的时候通过计算得到且精度就可以得到保证。某地区地表高程的变化可用多种方法模拟。用数学定义的表面或点、线影像都可用来表示DEM。（1）数学分块法数学方法拟合表面时需依靠连续的三维函数，连续的三维函数能以高平滑度表示复杂表面。局部拟合法是将复杂表面分成正方形像元，或面积大致相同的不规则形状小块，根据有限个离散点的高程，可得到拟合的DEM。（2）图形法，这包括线模式和点模式。线模式：表示

39、地形的最普通线模式是一系列描述高程曲线的等高线。地图（有等高线）便是数字地面模型的现成数据源，用扫描仪在这些图上自动获取DEM数据方面已做了许多工作。另外是根据备局部等值线上的高程点，通过插值公式计算各点的高程，得到DEM。点模式，该模式又包含如下三种方法： 人工网格法：将地形图蒙上格网，逐格读取中心或角点的高程值，构成数字高程模型。由于计算机中矩阵的处理比较方便，特别是以网格为基础的地理信息系统中高。程矩阵已成为DEM最通用的形式。网格法的缺点，即:地形简单的地区存在大量冗余数据;如果不改变网格大小，无法适用地形复杂程度不同的地区。立体像对分析：该方法就是通过遥感立体像对，根据视差模型，自动

40、选配左右影像的同名点，建立数字高程模型。在产生DEM数据时，地形变化复杂的地区，增加网格数量(提高分辨率)，而在地形起伏不大的地区，则减少网格数量(降低分辨率)。不规则三角网方法：对有限个离散点，每三个最邻近点连接成三角形，每个三角形代表一个局部平面，再根据每个平面方程，可计算各网格点高程，生成DEM。三维真实感地形图生成中，有以下几个关键性环节：（1）格式：地形图生成所用的原始数据为DTM数据中的DEM。此处DEM数据是用一系列等间隔的地形高程值来表示。它代表一块方形网格地形，格网交叉点就是对应地面某点的高程值。这些点的X，Y值可从方形区域的行列号和间距值中推算出来。 （2）坐标转换：通常的

41、DTM坐标系与使用的坐标系是不同的，因此三维地形图的生成、首先要进行空间三维坐标变换，即将世界坐标的地形数据（X，Y，Z）转换为机场为中心的坐标空间的数据（X， Y， Z）。然后把地形景物放置于该坐标系中的对应位置，并设置好视点以作为基准点观察地形场景。（3）地形模型的简化：一般来说，DTM数据量非常庞大，当然这也和所要生成地形的范围大小有关。对于如此庞大的数据量使用计算机来进行处理，则会使其运行速度变得很慢，在中所要求的地形生成的实时性则不能很好保证，故很有必要对地形模型进行简化和分层处理。在国内外已有用小波或倾角阈值编码法进行地形模型数据的简化的报道。也可以通过加大对DTM数据的采样间隔来

42、减少数据量，当然采样间隔小的地形图反映地形逼真，而且质感细腻，而采样间隔大则因信息损失大而导致失真度大，图形则变得粗糙。所以对DTM数据采样间隔的选取应综合考虑显示速度与显示效果之间的平衡。（4）地物模型建立：虚拟地形环境中，地物模型一般为实物模型，如街区、桥梁、汽车、丛林等。如果要直接通过三维建模或编程来开发，将是很复杂烦琐的，也需要大量相关学科的知识，对于这一类物体可以使用前面所提到的方法。即：用 3D MAX建立地物模型，然后利用转换软件，将该模型转化为 C文件并建立绘制该模型的显示列表。通过调用显示列表在相应的位置上绘制地物模型。（5）地物叠加：三维真实地形图所用的DEM数据中不仅应有

43、地形表面的高程数据，而且还要有叠加在地形表面的各种人工和自然地物。人工和自然地物就其几何形状，分为线状地物，如公路、铁路、河流等；面状地物，如湖泊、居民区等，以及点状地物，如塔、井等。在DEM上叠加地物要完成两个匹配：（1）地物的位置数据在XY平面上与DEM格节点的匹配：（2）地物数据点高程与DEM格网节点高程的匹配。（二）仿真环境仿真环境的建立依赖于对现实系统进行全面的分析。仿真环境要求计算机生成飞机具有如下功能：具备基本动作能力，能按照运动学、动力学模型飞行。机载应答机的数据通信和无线电话提供了交互能力，驾驶舱仪表着陆系统(ILS)可修正下滑航迹。具有对所处环境的感知能力，如机场地形、跑道

44、位置、引导标志、风速等。初始状态可预先设定，提供了特殊情况的设定方法，具有自己的飞行计划。具有改变当前状态的行为能力，如接受命令改变飞行阶段。具有初步的认知、决策能力。从上述可以看出，计算机生成飞机具有感知、动作、行为、认知等属性，是仿真环境中的“智能”实体。在构造模型时按照上述顺序采用面向对象的分析和建模方法，建立由低到高的多层次模型。建立认知模型，需要将飞机驾驶员的知识、经验转化为规则，处理管制员命令、飞行阶段等高层次任务。认知模型决定了仿真飞机在特定情况下采用哪一种行为，行为模型又是由一系列基本的感知、动作组成的。仿真环境由3部分组成：实体、环境、管制设备。管制员通过管制设备参与仿真活动

45、。人、自然环境、实体/系统三者之间相互交互，构成了客观世界模型。飞机作为仿真中的主要实体可以采用以计算机生成角色技术、地形和天气等自然环境因素可采用三维图像来表示。管制设备包括雷达平面显示、人机交互、语音通讯等管制设备。他们的交互关系如图9所示： 图9 实体、环境、管制设备交互关系图仿真环境包括：机场管制人员使用的设备、机场、各种类型的飞机等。仿真环境仿照真实环境，在计算机中建立反映相关特征的模型。机场环境如跑道、滑行道、停机坪和其它机场建筑，以及运动实体如各种飞机、车辆具有相应的三维模型。构成了视景数据库。各种天气状况，如雾、雨、雪、雷电、云、光照等构成了天气模型。飞机等运动实体具有相应的动

46、力学模型和运动学模型。这些模型构成了虚拟环境。参照合成环境数据交换规范，采用统一建模语言描述环境模型，如图10所示： 图10 仿真环境模型图仿真环境按照TCP/IP方式用以太网将仿真飞机所在位置数据和变化信息，仿真自然环境变化信息连接起来，依照空中交通管制要求的变化增减仿真内容。3.3显示终端系统3.3.1实时生成由于各部雷达的地理位置不同，雷达的旋转周期也不一致，因此，对于空间被N部雷达覆盖的同一目标，在同一时间段内，系统获得的目标报告的时间先后和动态参数都可能不一致。必须分析确定合理的处理周期。现在我国民航所用的雷达的旋转频率差不多1215转/秒，周期在45秒之间，而又以4秒的居多，于是把

47、计算机数据刷新率和系统的处理周期T设为经验值4.1秒。每一个目标出现，先进行目标位置从极坐标系到直角坐标系的转换。然后将得到航迹都处理为一个，要用到该目标航迹的最新的5个历史数据。下面阐述一下处理的过程。当系统接收到一帧航迹数据信息时记录下当前系统时间t，公式： CT=NT + Tt可以得到目标航迹的对准时间CT。式中NT是周期定时器每次触发时记录下的系统时间，T为处理周期。然后从该目标对应的数据结构的极坐标位置数组中任取两个相邻的极坐标数据，先把它转换到直角坐标系下，就可以计算出这两点所确定的直线的斜率飞机位于这两个位置之间时的航向。于是可以得到目标最新的4个航向：航向1、航向2、航向2、航向3和航向4。再由这4个航向根据公式: 航向=(航向2 + 航向2 + 航向