CN115880973B - 伪球面坐标系的飞行模拟机视景生成方法、装置和设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及伪球面坐标系的飞行模拟机视景生成方法、装置和设备，首先基于飞行模拟机的WGS84坐标系及墨卡托投影得到伪球面坐标系；然后根据伪球面坐标系动态修改飞行模拟机和其它物体在WGS84坐标系视景中的三维位置；重复修改形成基于伪球面坐标系的飞行模拟机视景。本发明在WGS84坐标系和墨卡托投影之间建立一个缩放因子，将视景的WGS84坐标系转换为伪球面坐标系，从视觉上弥补墨卡托投影距离和真实地球的视觉差距，使得飞行模拟机在飞行过程中，飞行员能更精确的根据飞行模拟机场景画面结合实际经验估算出自己所在高度；通过将地形按照伪球面坐标系变化，不同经纬度地区地形高度动态调整，飞行员可以更好的参考飞行模拟机周围景物，指导飞行。
Description
技术领域
本发明属于飞行模拟机技术领域，具体涉及一种伪球面坐标系的飞行模拟机视景生成方法、装置和设备。
背景技术
飞行模拟机视景是飞行仿真系统的一个主要的子系统，视景模拟器为飞行员提供飞行训练时真实世界的座舱外景象，其图形生成和显示质量直接影响飞行训练的效果。视景中包含飞行仿真所需的模型场景，其中包含地形、机场、飞行模拟机在视景中位置视角的模拟等。
飞行模拟机视景系统需要对大范围视景进行建模，一般而言，可以使用基于平板地球和基于WGS84坐标系两种方法对视景坐标系进行建模。
使用平板地球坐标系，计算简单，使用墨卡托投影，能够十分方便的实现场景卫片的覆盖。平板地球忽略了地球的曲率，使用直线距离代替了真实地球的大圆距离，小尺度场景计算过程中，场景大小相比于地球曲率半径可以忽略不计，计算精度足够；但飞行模拟机使用的视景场景往往需要跨越多个城市、国家，其场景尺度非常大，忽略地球曲率半径导致的坐标计算误差已经到了无法忽略，甚至会显著影响飞行员的视点，必须进行修正。为了解决此问题，目前通用的解决方法是建立WGS84球面坐标系，但是，球面坐标系对于模型相关计算复杂性有质的变化，此外，现有的各种天气、地形、云、动态海洋等特效插件普遍只支持平板地球，使用球面坐标系还导致模拟机视景建模过程中需要对上述插件进行重新开发，以适应于球面坐标系，工作量巨大。
发明内容
为了克服现有技术存在的问题，本发明提供一种伪球面坐标系的飞行模拟机视景生成方法、装置和设备，用于克服目前存在的缺陷。
一种伪球面坐标系的飞行模拟机视景生成方法，所述方法包括步骤：
S1.基于飞行模拟机的WGS84坐标系及墨卡托投影得到伪球面坐标系；
S2.根据伪球面坐标系动态修改飞行模拟机在WGS84坐标系视景中的三维位置；
S3.根据伪球面坐标系动态修改其它物体在WGS84坐标系视景中的三维位置；
S4.重复S2-S3形成基于伪球面坐标系的飞行模拟机视景。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，S1包括：
S11.根据飞行模拟机的墨卡托投影得到其在WGS84坐标系下的纬度;
S12.根据所述纬度得到缩放因子，所述缩放因子用于缩放飞行模拟机在墨卡托投影下的高度，得到缩放高度；
S13.根据墨卡托投影和所述缩放高度得到所述伪球面坐标系的任意一点的坐标。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述S11中的所述纬度通过如下公式确定：
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述S12中的缩放因子通过如下公式确定：
所述缩放高度通过如下公式确定：
，其中，
为已知的任意一点在WGS84坐标系下的海拔高度，
为伪球面上的高度。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述伪球面坐标系的任意一点的坐标通过如下公式确定:
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述横坐标
通过如下公式确定：
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述纵坐标
通过如下公式确定：
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述S3中的其它物体包括地形。
本发明还提供了一种伪球面坐标系的飞行模拟机视景生成装置，用于实现所述的方法，包括：
伪球面生成模块，用于基于飞行模拟机的WGS84坐标系及墨卡托投影得到伪球面坐标系；
第一动态修改模块，用于根据伪球面坐标系动态修改飞行模拟机在WGS84坐标系视景中的三维位置；
第二动态修改模块，用于根据伪球面坐标系动态修改其它物体在WGS84坐标系视景中的三维位置；
视景生成模块，用于根据第一和第二动态修改模块的修改结果形成基于伪球面坐标系的飞行模拟机视景。
本发明还提供一种计算机设备，所述计算机设备包括处理器和存储器，所述存储器中存储有计算机程序，所述计算机程序由所述处理器加载并执行以实现所述的方法。
本发明的有益效果
与现有技术相比，本发明有如下有益效果：本发明在WGS84坐标系和墨卡托投影之间建立一个缩放因子，将视景的WGS84坐标系转换为伪球面坐标系，从视觉上弥补墨卡托投影距离和真实地球的视觉差距，使得飞行模拟机在飞行过程中，飞行员能更精确的根据飞行模拟机场景画面结合实际经验估算出自己所在高度；通过将地形按照伪球面坐标系变化，不同经纬度地区地形高度动态调整，与原视景地形相比，修改后的地形与实际飞行情况相似，飞行员可以更好的参考飞行模拟机周围景物，指导飞行。
附图说明
图1为本发明的实施例的平板地图与伪球面缩放后画面高度差示意图；
图2为本发明调整飞行模拟机的高度的前后对比效果图；
图3为本发明的方法流程图。
具体实施方式
为了更好的理解本发明的技术方案，本发明内容包括但不限于下文中的具体实施方式，相似的技术和方法都应该视为本发明保护的范畴之内。为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
应当明确，本发明所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图3所示，本发明的一种伪球面坐标系的飞行模拟机视景生成方法，所述方法包括步骤：
S1.基于飞行模拟机的WGS84坐标系及墨卡托投影得到伪球面坐标系；
S2.根据伪球面坐标系动态修改飞行模拟机在WGS84坐标系视景中的三维位置；
S3.根据伪球面坐标系动态修改其它物体在WGS84坐标系视景中的三维位置；
S4.重复S2-S3形成基于伪球面坐标系的飞行模拟机视景。
本发明的伪球面坐标系是在墨卡托投影的基础上，将墨卡托投影所在平面增加一个高度坐标轴使其成为三维空间坐标系，将增加轴命名为高度轴，其高度轴随不同经纬度在墨卡托投影的缩放误差而变化，通过不同经纬度高度变化弥补墨卡托投影在不同纬度地区的视觉误差，这种将墨卡托投影与不同经纬度高度轴高度变化结合形成的坐标系称之为伪球面坐标系。
本发明的具体操作过程如下：
步骤一：基于飞行模拟机的WGS84坐标系及墨卡托投影得到伪球面坐标系；
在视景中为了方便的模拟飞机在真实世界的飞行场景，往往会使用墨卡托的地球投影，但引入后又会出现不同纬度地区地面景物被缩放，导致飞行模拟机在视角上的高度感与真实飞行对不上，因此本发明采用伪球面坐标系，将伪球面坐标系结合墨卡托投影所在平面，并采用随经纬度变化的高度轴，实时调整高度位置。
飞行模拟机由真实飞行数据给出的实时WGS84坐标来驱动，WGS84坐标系是根据地球椭球建立的坐标系，其在任何位置都不会有距离上的误差，而墨卡托坐标的距离随着纬度上升而距离逐渐被拉长，因此根据飞行模拟机的墨卡托投影得到其在WGS84坐标系下的纬度;根据所述纬度得到缩放因子，所述缩放因子用于缩放飞行模拟机在墨卡托投影下的高度，得到缩放高度，可以反向弥补高度方向的距离的高度感偏低问题；根据墨卡托投影和所述缩放高度得到所述伪球面坐标系的任意一点的坐标。
其具体的操作过程如下：
1.根据墨卡托投影得到其在WGS84坐标系下的纬度。
上式（1）中
为墨卡托投影所在平面任选一点k在X轴方向的坐标，为已知量，变量
为k点在WGS84坐标系下的对应的纬度，
为圆周率3.14，r为地球半径，取6378245.0。
其中，
为在墨卡托投影所在平面任选一点k在Y轴方向的坐标，为已知量，degreeY为k点对应在地球上的点到地球地心连线与本初子午线所在平面的夹角，
为圆周率3.14，r为地球半径。
上式中
为所选k点在WGS84坐标系下的经度，
为圆周率3.14，atan为反正切函数，exp为指数函数，以自然数e为底。
2.计算不同经纬度下单位距离下的高度缩放因子，所述缩放因子用于缩放飞行模拟机在墨卡托投影下的高度，得到缩放高度。
首先利用单位距离对应的纬度计算出缩放因子，结果如下式：
上式中Ratio为缩放因子，
由上述公式（3）得到，
为圆周率3.14，cos为三角余弦函数。
3.然后求解缩放高度，通过下式（5）得到
最后，伪球面坐标系的各点坐标通过公式（6）获得：
其中，
为飞行模拟机在视景内的伪球面坐标系下的横坐标和纵坐标，
为飞行模拟机在墨卡托投影所在平面下的横坐标，
为飞行模拟机在墨卡托投影所在平面下的纵坐标。
步骤二：根据伪球面坐标系动态修改飞行模拟机在WGS84坐标系视景中的三维位置。
根据计算出的伪球面坐标系，得出伪球面坐标系的坐标公式，并根据伪球面坐标公式动态修改飞行模拟机所在视景场景中的三维位置，即原视景是基于WGS84坐标系，通过本发明建立的伪球面坐标系将该视景修改为基于伪球面系下的视景，此步骤先行动态修改飞行模拟机的三维位置，修改为基于伪球面坐标系下的三维位置。
在飞行模拟机在其三维场景中飞行时，飞行模拟机的位置由WGS84的经纬度以及水平面高度决定飞行模拟机在三维场景中的位置，因此需要对飞行模拟机的飞行的位置数据进行处理得出飞行模拟机在实际三维场景中的实际坐标位置。
伪球面坐标系中的横坐标
通过下式（7）求取：
上式中，
为飞行模拟机在WGS84坐标系下当前经度值，为已知量，
为圆周率3.14。
伪球面坐标系中的纵坐标通过下式（8）求取：
上式中，
为当前飞行模拟机在WGS84坐标系下的纬度，r为地球的半径6378245.0，log是以自然数e为底的对数，tan为正切函数，
为圆周率3.14。
由式（7）-（8）求取得到
和
的值，由公式（6）也就相应得到
的值，即得到了伪球面坐标系中各点的坐标。
根据上式（6）-（8），计算出飞行模拟机在伪球面坐标系下的视景的位置后，重新设置其位置，在中高纬度地区，修改后的飞行模拟机视野高度明更高，如图2所示，左侧为修改前的WGS84坐标系下的海拔高度，右侧为在伪球面坐标系下的高度，相同俯仰角度下右侧视野中能见到山顶。在伪球面坐标系下，飞行模拟机高度进行了缩放修改，比较修改前后的高度，修改后的高度更接近于真实飞机的视角画面。
步骤三：根据伪球面坐标系动态修改其它物体在WGS84坐标系视景中的三维位置，即调整视景中除飞行模拟机以外的其它物体的比例。
由于地形使用平面墨卡托投影的原因，地形上的高度也会比实际高度低，也需要采用同样的方式修改。视景中的其它物体包括地形，而地形采用地形瓦片的形式动态加载，在视景中三维场景坐标与墨卡托坐标仅有平移关系，在地形瓦片加入到视景三维场景的过程中，将瓦片的WGS84坐标转换为伪球面坐标系下的坐标，根据前述步骤中的公式（1）-(5)对当前瓦片进行高度轴方向的距离缩放，在地形瓦片加载到视景的过程中重新调整了每个地形瓦片三维网格点高度。经过此修改后地形的高度，略高于修改前平面墨卡托地形高度，也就是说与对飞行模拟机的高度调节相反，对地形进行略高于原先高度的修改，如图1所示，①山脉底图为修正缩放比前的地形高度，②网格为修正缩放后的地形网格，对照可得，②的地形高度高于①的原始墨卡托的地形高度。
S4.重复S2-S3形成基于伪球面坐标系的飞行模拟机视景。
本发明在WGS84坐标系和墨卡托投影之间建立一个缩放因子，从视觉上弥补墨卡托投影距离和真实地球的视觉差距。对于场景中的物体，先获取物体的场景坐标，场景中物体的坐标都是基于WGS84坐标系的，因此，将这些物体在WGS84坐标系视景中的三维位置进行修改，修改为基于伪球面坐标系下的坐标表示，重复修改飞行视景中的飞行模拟机和其它物体的三维位置，最终得到基于伪球面坐标系下的飞行模拟机视景。
本发明还提供了一种基于伪球面坐标系的飞行模拟机视景生成装置，用于实现本发明的方法，包括如下模块：
伪球面生成模块，用于基于飞行模拟机的WGS84坐标系及墨卡托投影得到伪球面坐标系；
第一动态修改模块，用于根据伪球面坐标系动态修改飞行模拟机在WGS84坐标系视景中的三维位置；
第二动态修改模块，用于根据伪球面坐标系动态修改其它物体在WGS84坐标系视景中的三维位置；
视景生成模块，用于根据第一和第二动态修改模块的修改结果形成基于伪球面坐标系的飞行模拟机视景。
本发明还提供了一种计算机设备，所述计算机设备包括处理器和存储器，所述存储器中存储有计算机程序，所述计算机程序由所述处理器加载并执行以实现本发明所述的方法。
在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求书的保护范围内。
Claims (9)
1.一种伪球面坐标系的飞行模拟机视景生成方法，其特征在于，所述方法包括步骤：
S1.基于飞行模拟机的WGS84坐标系及墨卡托投影得到伪球面坐标系，包括：
S11.根据飞行模拟机的墨卡托投影得到其在WGS84坐标系下的纬度;
S12.根据所述纬度得到缩放因子，所述缩放因子用于缩放飞行模拟机在墨卡托投影下的高度，得到缩放高度；
S13.根据墨卡托投影和所述缩放高度得到所述伪球面坐标系的任意一点的坐标；
S2.根据伪球面坐标系动态修改飞行模拟机在WGS84坐标系视景中的三维位置；
S3.根据伪球面坐标系动态修改其它物体在WGS84坐标系视景中的三维位置；
S4.重复S2-S3形成基于伪球面坐标系的飞行模拟机视景。
2.根据权利要求1所述的伪球面坐标系的飞行模拟机视景生成方法，其特征在于，所述S11中的所述纬度通过如下公式确定：
，其中，
为已知的墨卡托投影所在平面中任取一点k的X坐标， 
为点k在WGS84坐标系下的纬度值。
3.根据权利要求2所述的伪球面坐标系的飞行模拟机视景生成方法，其特征在于，所述S12中的缩放因子通过如下公式确定：
;所述缩放高度通过如下公式确定： 
，其中，
为已知的点k在WGS84坐标系下的海拔高度，
为伪球面上的高度。
4.根据权利要求1所述的伪球面坐标系的飞行模拟机视景生成方法，其特征在于，所述伪球面坐标系的任意一点的坐标通过如下公式确定:
，其中，
为飞行模拟机在视景内的伪球面坐标系下的横坐标和纵坐标，
为飞行模拟机在墨卡托投影所在平面下的横坐标，
为飞行模拟机在墨卡托投影所在平面下的纵坐标。
5.根据权利要求4所述的伪球面坐标系的飞行模拟机视景生成方法，其特征在于，所述横坐标
通过如下公式确定：
,其中，
为飞行模拟机在WGS84坐标系下的位置点的实时纬度。
6.根据权利要求4所述的伪球面坐标系的飞行模拟机视景生成方法，其特征在于，所述纵坐标
通过如下公式确定：
，其中，
为飞行模拟机在WGS84坐标系下的位置点的实时经度，r为地球的半径，
为圆周率。
7.根据权利要求1所述的伪球面坐标系的飞行模拟机视景生成方法，其特征在于，所述S3中的其它物体包括地形。
8.一种伪球面坐标系的飞行模拟机视景生成装置，用于实现权利要求1-7任一项所述的方法，其特征在于，包括：
伪球面生成模块，用于基于飞行模拟机的WGS84坐标系及墨卡托投影得到伪球面坐标系；
第一动态修改模块，用于根据伪球面坐标系动态修改飞行模拟机在WGS84坐标系视景中的三维位置；
第二动态修改模块，用于根据伪球面坐标系动态修改其它物体在WGS84坐标系视景中的三维位置；
视景生成模块，用于根据第一和第二动态修改模块的修改结果形成基于伪球面坐标系的飞行模拟机视景。
9.一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括处理器和存储器，所述存储器中存储有计算机程序，所述计算机程序由所述处理器加载并执行以实现如权利要求1至7任一项所述的方法。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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