摘要：飞行模拟器作为一种安全、经济且有效的训练助手，引起了各国军方以及民航的高度关注，不断加大研制和采购费用的力度。飞行训练器和地勤训练器等诸如此类的飞行模拟器应运而生。本文分析了飞行模拟器的结构设计与仿真。
关键词：飞行模拟器；结构设计；仿真；
飞行模拟器可以让飞行员的训练不受气候、地形地域和环境的限制，可以针对飞行特情进行训练，大大提高了训练的安全性，并降低了训练费用。 一、飞行模拟器软件分析与设计 1.系统特点。研究型飞行模拟器软件通常有(10 ～ 100) ×104 行代码，这些软件和硬件是有机的整体，存在大量的通讯关系。模拟器内部系统间关系处理不好会导致模拟器软硬件耦合严重、重构难度难以承受。可重构飞行模拟器设计的主要任务就是识别那些可能发生的变化，通过软件和硬件的合理设计减小系统变化的影响范围。研究型模拟器可能会面临多种变更，其中最主要的有3 种:一是机型的改变: 多数模拟器都是针对某一特定机型建立的软件和硬件，当试验针对另一机型的某些系统时，则要求模拟器改变所模拟机型。二是飞机内部飞行模拟舱>隐框窗
系统的变更: 几乎所有试验都会改变飞机内某些系统的特性，如区域导航试验、飞行控制系统研究等，都是针对飞机某一特定系统进行试验。三是飞机座舱的变更: 当模拟机型或者飞机内部系统发生变化时，为了得到逼真的座舱环境某些试验要求飞机座舱也随之更改。 2.研究型模拟器软件主框架。模拟器的总体软件结构原理图: 实时管理系统负责为整个仿真模型提供定时和步长; 外部环境模型实现了大气、地形、天气等环境模型; 飞行模拟器硬件接口为座舱硬件提供调用接口; 仿真模型用来实现具体的仿真模型; 系统模型用于接受实时管理系统的指令，创建并协调其他3 类模型。仿真模型是主要研究对象，该软件框架设计的目的是将仿真模型从飞行模拟器的其他模型中独立出来，减少飞机机型的变更对其他模型的影响。仿真模型可以是飞机模型、汽车模型或者是舰船模型，论文针对飞机进行研究。飞机模型是飞机作为整体概念表现给外部系统的特性，负责与外界模型交互、管理和协调各个飞机内部系统、实现对外的接口。系统模型保证了飞机模型、模拟器硬件接口系统和环境模型的独立，无论机型的调整还是座舱接口的调整都可以相对独立的进行，减小了系统的关联和耦合。mesh设备
3.飞机模型及飞机系统模型设计。为了逼真的复现飞机状态，飞机模型需要对飞机内的物理模型进行精确的建模。模拟器将飞机系统划分为:一是飞机内部系统: 空调系统、自 动飞行系统、通讯系统、电气系统、防火系统、飞行控制系统、燃油系统、液压系统、防冰防雨系统、电子显示系统、起落架系统、灯光系统、飞行管理系统、导航系统、氧气系统、引气系统、辅助动力系统、舱门系统、发电机系统、发动机系统、座舱面板系统。二是飞机特性系统: 飞行动力学系统、传感器系统、声音模拟系统、视景模拟系统、飞机重量系统、自动测试系统、试验控制台系统。所有试验都需要对某些飞机系统进行修改，且飞机系统间交互非常复杂，简化飞机模型重构需要实现2 个目标:一是合理软件设计使得各个飞机系统既相互联系又不互相影响; 二是对飞机系统进行统一有效的管理，不因具体系统不同而导致管理方法上的差别。以上2 个条件满足后，飞机系统和其内部的物理模型就可以添加、删除和修改。采用面向对象设计模式中的中介者模式和外观模式来实现这2 个目标。中介者模式适用于存在严重耦合的多对多的对象系统，可以减少对象间的依赖、解除系统耦合、增加模型的复用。中介者模式将物理模型间的交互转换为对飞机系统模型的依赖。采用中介者模式后，飞机系统被划分为2 类模型: 飞机系统模型，用于处理各个飞机系统间的数据联系和交互及接受飞机模型的统一管理和调用是物理模型的中介者; 飞机系统物理模型，则用于处理飞机系统内部逻辑、性能和联系。中介者模式虽然使系统模型独立且更容易理解，但是大量的逻辑和调用都被转移到中介者类中会导致中介者类过于复杂，
外观模式能够辅助和简化中介者模型。使用外观模式能后系统物理模型对外部系统的依赖被转换为对中介者接口的依赖，在设计之初就得到一个相对稳定的仿真架构，只要接口不变各个飞机系统内部的物理模型可以按需要进行添加和更换，也可以利用面向对象技术中的继承和多态对模型进行扩充和更改。飞机系统对外有3 个接口: 输入数据接口为具体的物理模型从其他系统选择数据源; 输出数据模型存放了等待其他系统调用的数据; 控制调用接口服务于飞机模型，接受飞机模型调用保持对飞机模型接口的统一性。采用外观模式后系统级物理模型成为仅仅依赖其自身输入数据的自治模型，有利于独立的单元测试和模型复用，而且能够和飞机的物理界面保持一致，使物理模型更容易理解。并从外部仿真计算机获取物理模型的输出数据，外部仿真计算机可以采用VC + +、Matlab 等多种开发平台，简化了系统设计和开发的工作，减少编译和模型建立时间、即插即用。
二、仿真实现
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结合以上分析构建了如图1所示系统软件结构和飞行动力学系统的实现类图，其他飞机系统实现与此相似，以下为主要类的说明:RealTimeControl: 实时管理系统类。SimulationControl: 飞行仿真控制类，用于协调主仿真模型和实时管理系统。Sim: 主仿真
类，用来实现和协调仿真模型，协调环境模型、座舱接口模型和飞机模型。 Environment、B737Model 和CockpitInterface 类是用于描述环境模型、飞机模型和座舱接口模型的类。B737Model: 飞机模型类，包含了一个飞机系统模型链表，链表内的模型一起组合成为一个中介者，用来协调和管理各个具体的飞机物理模型。B737AeroSystem: 飞行动力学中介者类，用来获取其他系统对动力学模型的输入，将输出提供给其他飞机系统并实现系统调用接口。AeroModel: 通用飞行动力学类，也采用中介者模式构建，集成了起落架、空气力学、地面力学、接触判断、输入和输出等系统类。B737AeroModel: 737 飞行动力学类，飞机系统内的飞行动力学系统，中介者模式和外观模式的使用使飞机系统物理模型可以很方便的挂载在相关的系统模型内，当需要进行模型更换时只要保持相应的界面不变系统就能正常运行，不会对其他系统产生影响，简化了飞机系统模型的变更。选择适合模拟器采集系统的通讯协议，并为通讯协议建立驱动程序。任何通讯都是建立在某种通讯协议基础之上，本文采用了CAN 协议做为采集盒与主控计算机的通讯基础，而随着技术的发展肯定会有更先进的通讯技术融入到模拟器中来，协议层减少了采集系统对具体通讯协议的依赖． 同时也保证在系统发生常规变更时不必考虑通讯协议和驱动程序。
飞行模拟器总是随着研究目的变化而不断变更，有效应对系统变更是增加研究型模拟
器重构能力的核心问题。中介者模式和外观模式可以通过增加飞机系统层来减少飞机物理模型之间的耦合，减小模型变更对其它模型的影响。
基于CAN 总线的一对一采集系统能够在座舱面板进行重构时通过保留、复用原有的采集硬件和软件来减少座舱面板变更的工作量。
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