王立波，張復(fù)春，高文琦，易龍龍

（中國人民解放軍空軍航空大學(xué)航空理論系，吉林長春130022）

軍事模擬飛行訓(xùn)練是當(dāng)今世界空軍提高飛行訓(xùn)練效果的一種必然趨勢。所謂軍事模擬訓(xùn)練，是在由模擬訓(xùn)練器/系統(tǒng)實現(xiàn)模擬作戰(zhàn)環(huán)境、作戰(zhàn)過程和武器裝備的作戰(zhàn)效應(yīng)下，所進行的嚴(yán)格軍事訓(xùn)練或軍事作戰(zhàn)演習(xí)或戰(zhàn)法研究演練的全過程[1]。FlightGear是一個開源的飛行模擬軟件，由Curt Olson開發(fā)設(shè)計并發(fā)布到互聯(lián)網(wǎng)供大家學(xué)習(xí)使用[2]。大多數(shù)商業(yè)用的飛行模擬器收費都很高，Curt Olson開發(fā)FlightGear的目的正是為發(fā)展價格低廉但功能強大的飛行模擬器，建立一個先進的飛行模擬框架用于學(xué)術(shù)研究，免費提供給用戶使用。FlightGear的源代碼對于任何人都是公開和可修改的，在二次開發(fā)方面做的非常友好，不需改動代碼重新編譯就可以滿足大部分開發(fā)上的需要，大大降低非開發(fā)工作的額外開銷。所以可以根據(jù)自己的需求做進一步開發(fā)，這樣既能利用FlightGear自身的強大功能，又可以滿足個性化需要。FlightGear以其強大的功能和開放式源代碼的優(yōu)勢得到越來越多的客戶和游戲愛好者的青睞，也逐漸成為科學(xué)研究的首選模擬仿真軟件。

1 FlightGear飛行模擬軟件總體結(jié)構(gòu)

FlightGear是一款大型的功能強大飛行模擬軟件，其中集成了許多輕量級開源軟件。FlightGear使用的主要組件關(guān)系如圖1[3]所示。

圖1 FlightGear主要組件關(guān)系Fig.1 Main component relationship in FlighteGear

FlightGear作為一個通用的飛行模擬系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)組織非常復(fù)雜，各個系統(tǒng)不是獨立基于FlightGear飛行模擬系統(tǒng)研究的，而是相互之間有聯(lián)系并且互相支持的。FlightGear使用SimGear作為仿真引擎，通過Plib包實現(xiàn)跨平臺、網(wǎng)絡(luò)通信等功能，使用OpenAL提供聲音效果，使用OpenGL進行圖像處理。FlightGear主要包括動力學(xué)系統(tǒng)、飛行器模塊、時間系統(tǒng)、視景系統(tǒng)、音效系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、坐標(biāo)系系統(tǒng)、平顯分系統(tǒng)、日志分系統(tǒng)等。各模塊之間的關(guān)系如圖2所示。

FlightGear是通過C++語言開發(fā)的，具體的運行過程如圖3[4]所示。

圖2 FlightGear各模塊之間的關(guān)系Fig.2 Relationship between the various modules in FligterGear

圖3 FlightGear的運行流程Fig.3 Operational scheme of FlightGear

FlightGear運行流程里面主要包括2個主循環(huán)，主循環(huán)1讀取配置文件后，通過Idle_state參數(shù)的迭代完成各模塊的初始化工作。主要包括加載數(shù)據(jù)、飛行器模型、動力學(xué)模型、環(huán)境模型、SSG模塊、OpenGL參數(shù)的初始化。循環(huán)1的窗口系統(tǒng)主要完成啟動界面的渲染。

主循環(huán)2負(fù)責(zé)運行過程中的系統(tǒng)的更新，是整個運行程序的主體。此時的窗口系統(tǒng)主要完成視景系統(tǒng)的渲染，并加載菜單用于對仿真環(huán)境進行配置和調(diào)節(jié)。

2 XML配置文檔

在FlightGear軟件系統(tǒng)中大量的使用了XML文檔作為配置文件，用于定義系統(tǒng)運行環(huán)境、外界數(shù)據(jù)（包含云層、地形等）以及各類飛行器的載入及配置等等。

XML（Extensible Markup Language可擴展標(biāo)記語言）[5-7]是W3C（World Wide Web Consortium）組織提出的Web上數(shù)據(jù)表示和數(shù)據(jù)交換的標(biāo)準(zhǔn)[8]，是萬維網(wǎng)聯(lián)盟（W3C）創(chuàng)建的一組規(guī)范，用于在Web上組織、發(fā)布各種信息。XML主要有兩類作用：第一類作用是作為元標(biāo)記語言，定義各種實例標(biāo)記語言的標(biāo)準(zhǔn)；第二類作用是作為標(biāo)準(zhǔn)交換語言，擔(dān)負(fù)其描述交換數(shù)據(jù)的作用。在信息世界中，XML擔(dān)任著“國際語言”的重要角色，是互聯(lián)網(wǎng)上和企業(yè)間交換和發(fā)布數(shù)據(jù)的主要互操作標(biāo)準(zhǔn)。它即可以滿足迅速增長的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的需求，還能夠確保在通過網(wǎng)絡(luò)進行交互操作時，具有良好的互操作性與可靠性。XML以其數(shù)據(jù)和表現(xiàn)相分離的特性和強大的數(shù)據(jù)表達(dá)能力，已經(jīng)成為互聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)庫的橋梁。XML的特點如下表1所示。

XML的諸多特點和優(yōu)點，使它適合表現(xiàn)許多復(fù)雜的數(shù)據(jù)關(guān)系，有利于不同系統(tǒng)間的信息交流，因而可以充當(dāng)網(wǎng)際語言，成為數(shù)據(jù)和文檔交換的標(biāo)準(zhǔn)機制。

3 飛行數(shù)據(jù)的采集和處理

飛行模擬軟件的飛行數(shù)據(jù)有著很重要的作用和價值，可以幫助分析飛行動力學(xué)模型設(shè)計的是否合理，輔助評估飛行模擬訓(xùn)練的質(zhì)量和飛行考核，可以幫組飛行訓(xùn)練人員檢查自己的飛行軌跡、飛行狀態(tài)，并通過采集記錄的數(shù)據(jù)驅(qū)動視景系統(tǒng)來會回看自己的飛行情況。所以無論真實飛行和模擬飛行，飛行數(shù)據(jù)的實時采集都是必不可少的。

1）飛行參數(shù)的采集和記錄

雖然FlightGear在模擬飛行時可以產(chǎn)生大量飛行數(shù)據(jù)，但是FlightGear本身并沒有提供數(shù)據(jù)的對外輸出，一些重要的數(shù)據(jù)可以在飛機座艙的儀表和平視顯示器上可以看到。在系統(tǒng)啟動之后也可以通過手動打開日志記錄功能記錄相關(guān)的數(shù)據(jù)，但是通過手動打開日志記錄界面需要重新添加數(shù)據(jù)的名字和路徑，并且系統(tǒng)不會自動記憶，每次重新飛行都需要重新輸入，還有一點不足就是系統(tǒng)自帶的日志記錄系統(tǒng)所能記錄的數(shù)據(jù)的數(shù)量有限的，不能滿足數(shù)據(jù)分析的需求。想要隨心所欲的獲得數(shù)據(jù)這里有兩種方法可以解決，一種是通過重新編譯FlightGear在Main函數(shù)里加入寫文件操作，記錄相關(guān)信息。另一種方法是通過xml文檔配置相關(guān)參數(shù)。本文選取載入XML配置文檔的方法實現(xiàn)，因為通過XML文檔加載需要記錄的方式很靈活，可以隨時添加、刪除、修改所需的參數(shù)，具有良好的擴展性。

表1 XML的特點Tab.1 The character of XML

FlightGear通過命令行啟動時可以通過命令－－config=path（配置文件的路徑和文件名）此條命令載入相關(guān)配置，如配置文件log－config.xml保存在cProgram FilesFlightGear下，則用命令：

－－config="C:Program FilesFlightGearlog－config.xml"載入。通過此方式保存的數(shù)據(jù)格式為CSV（逗號分隔值文件），下面將具體的數(shù)據(jù)讀取和保存方法介紹如下：

首先建立一個XML格式的文檔，根據(jù)需要保存的數(shù)據(jù)進行添加相關(guān)標(biāo)簽，關(guān)聯(lián)相關(guān)變量當(dāng)程序運行時就會將需要的數(shù)據(jù)保存在指定的文件內(nèi)。下面以X軸加速度、地速和海拔高度為例進行說明：

以上是保存X軸加速度、地速和高度的XLM配置文件，＜enabled＞true＜/enabled＞定義模擬飛行時啟動數(shù)據(jù)保存；＜filename＞data.csv＜/filename＞定義數(shù)據(jù)保存的名字和格式；＜interval－ms＞1000＜/interval－ms＞定義采集數(shù)據(jù)的時間間隔，單位為毫秒；＜delimiter＞，

＜/delimiter＞定義數(shù)據(jù)之間的分割符，為逗號；在＜entry＞標(biāo)簽起始和＜/entry＞結(jié)束之間就是定需要保存的數(shù)據(jù)和具體路徑，＜title＞x－accel＜/title＞定義要讀取和保存變量的名稱，為X軸方向的加速度；＜property＞/accelerations/pilot/x－accelfps_sec＜/property＞定義X軸方向加速的的具體路徑和單位；路徑和單位必須和內(nèi)部存儲器保持一致，否則將會出現(xiàn)錯誤。以下兩個變量定義方式同上，這里就不在贅述。同理要讀取和保存其它變量和數(shù)據(jù)的方法也同上（可以同時保存兩個相同的數(shù)據(jù)）。某段飛行時保存的數(shù)據(jù)（時間、X軸加速度、俯仰角、地速、滾轉(zhuǎn)角、俯仰角、航向角）如圖4所示。

圖4 飛行數(shù)據(jù)日志Fig.4 Flight data log

2）飛行數(shù)據(jù)的處理

記錄和保存的飛行數(shù)據(jù)可以直接被評價模塊調(diào)用，評價模塊的主界面、數(shù)據(jù)載入和成績輸出界面如圖5所示。評價模塊是以VC++6.0為平臺開發(fā)的，可以通過載入的模擬飛行數(shù)據(jù)與預(yù)定航線數(shù)據(jù)進行比較，按照一定的規(guī)則和權(quán)重，計算出模擬飛行的成績，如圖6所示。

通過評價結(jié)果中顯示不同飛行階段的飛行成績和飛行變量的曲線，能夠很直觀的反映出每個飛行階段的狀況，便于飛行人員對照檢查。

圖5 流程界面Fig.5 Process interface

圖6 成績和飛行曲線Fig.6 Result and flight curve

評價模塊把整個飛行分為起飛滑行、爬升、平飛、降落4個階段，可以分別計算出這4個階段的飛行成績，最后以不同權(quán)重求和得出最后的總成績。評價模塊的階段指標(biāo)和權(quán)重可以自行設(shè)置，根據(jù)不同機型，不同的飛行任務(wù)進行修改調(diào)整，如圖7所示。

4 結(jié)論

1）通過加載數(shù)據(jù)采集的XML配置文件，實現(xiàn)了對FLightGear飛行模擬軟件的數(shù)據(jù)的采集，解決了FlightGear自帶的日志記錄系統(tǒng)記錄數(shù)據(jù)個數(shù)有限的缺點。此方法可以根據(jù)評價模塊所需數(shù)據(jù)，設(shè)置配置文件采集和記錄所需參數(shù)。

2）通過評價模塊載入記錄的數(shù)據(jù)，可以對訓(xùn)練人員進行測評得出的成績，可以作為輔助考核的一項指標(biāo)。并且可以對評價的指標(biāo)和不同階段的權(quán)重進行設(shè)置，滿足了對新增機型和不同任務(wù)的匹配，有很好的擴展性。

FlightGear以其開源性和靈活性等特點，已經(jīng)成為眾多學(xué)者學(xué)術(shù)研究的最佳選擇。在未來飛行模擬軟件的設(shè)計和應(yīng)用中，F(xiàn)lightGear將會得到更多的關(guān)注和應(yīng)用，本文實現(xiàn)的數(shù)據(jù)采集方式和評價模塊的加入將對基于FLightGear設(shè)計的飛行模擬軟件有一定的實用價值。

圖7 評價系統(tǒng)的設(shè)置Fig.7 Evaluation system setting

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