FlightGear飞行模拟器v2.12.1
贝珩
摘 要：开放的源代码的飞行模拟器软件FlightGear ，涵盖了除飞行空气动力学改进曲线以外的丰富内容，不仅视觉方面全面加入了多种自然环境和气象条件，其机载显示设备和仪表导航指示等功能都达到了以假乱真的程度。
关键词：飞行模拟器；飞行动态模块；TerraGear
1 模拟飞行器
FlightGear在飞行环境中仅会建立唯一的空气动力模型，如果飞行动态模块（FDM）拟真程度不高，用户的飞行感受将大打折扣。比如自动驾驶或者动态反馈，即使单独运行时的效果得再逼真，也可能会由于FDM的问题，而带给飞行员完全错误的飞行感受。
因此，FlightGear为所有的代码后面预留了一个面向对象的FDM接口，一旦发现当前的FDM无法满足用户的需求，额外的FDM将可以直接以代码的形式添加到对象中，而不影响现有应用程序的性能。
最早的FDM 名为LaRCsim，它以Cessna172初教机为原型，使用带有强制系数的硬编码的专用C源码编写，这一飞行模型能适用于绝大多数的飞机情况。包括专门为飞行培训设计的故障科目，如发动机熄火故障，不同程度的风切变等。
伊利诺伊大学的一个研究小组创建了LaRCsim的衍生物，它具备高度简化的模型，且唯一真正的用途仅仅是模拟飞行器的巡航状态，这个改动主要用来研究飞行器表面积累的冰层会对飞行操纵产生的影响。
另一个研究小组开发了一个完全参数化的FDM代码库，其中所有的信息可通过XML格式的文件进行检索。这个项目能独立运行一个完整的环境模拟，去测试空气动力学动作和其他行为指标，并收集FlightGear环境对象上的各类参数，以此提供一个集成的数据系统。这一模块主要提供初学者驾驶的教学机与资深飞行员操纵的试验机之间的数据对比。
在不依赖自动控制支持的情况下，学习操纵飞行器的一个重要方面是理解各种操纵极限和仪表误差，当然，这需要飞行数据指示出真实可用信息。但由于传感器固有的误差修正，仪表面板列示的信息也存在相应误差。当FlightGear仪表面板先进到仅有两个实施极限而没有任何误差的时候，程序开发者就从模拟简单的仪表进近到达了重现复杂的落地冲量变化的程度。
这段代码的复杂程度较高，即便一个简单的陀螺仪也可以发生很多导致误差的异常情况，比如转速下降、抖动、转轴偏移、因万向节故障而导致停转甚至反向转动、电源供电不足或者偶发闪断。基于大气数据的仪表会在特定的气象条件下出错、响应缓慢、因雨水而导致线路阻断甚至因冰雪覆盖而无法使用。无线电导航则受视线的限制、因丘陵和湖泊而发生特殊的反射现象、而远距离信号站的信号则会被路径上的其他飞行器干扰。这还不包括磁罗盘的各种误差情况。
2 模拟世界
TerraGear这一项目的目的是开发一种开放源代码的工具，包括渲染数据库和收集免费的数据去建立地表的3D模型以完成实时渲染功能。互联网上有许多方便可用的地理信息系统（GIS）。但由于FlightGear的核心数据必须不受限制，因此该项目默认仅使用源码而非任何有强制权限的衍生产品。符合这样条件的代码有三类。
（1）数字高程模型（DEM）数据通常是一组规则网格上的高程点。目前，免费数据的精度仅达到100-1000米，这是从美国地址勘探局（USGS）得来的。
（2）其他更特殊的数据，如机场信标，灯塔的位置，无线电发射塔，诸如此类，已由各个政府部门一一认可。它们通常提供一个简短的文字描述以及该项目所处的地理坐标。
（3）多边形数据，比如地形轮廓，湖泊，岛屿，池塘，市镇，冰川，农田和野生植被可以从USGS或其他源代码获取。GSHHS数据库提供了一个高度详尽和准确的全球地形数据。
从某些渠道获取源数据限制性很强的授权，然后通过使用TerraGear工具生成增强后的场景并分发给他人使用的转化行为值得FlightGear和TerraGear鼓励，最基本的开放源代码数据包无法做到这些。
显卡在渲染场景时，必须在图像质量和运算速度间进行折中。如果显卡的运算速度更快，那么在保证平滑的视觉效果的同时，更多的图像细节就会被加入到场景当中。
视觉效果都来自人工合成的，它具备足够的信息去支持人工的导航行为。压缩数据要求每平方公里约1千字节。所有的场景数据库中包含的信息被统一划分为四个层级，每个层级的变化规模由特定的因数决定，最小的视景元素约为100平方公里。
公共领域里发布的数据大都存在质量偏低、日期陈旧或者覆盖面积狭小等问题。由这样的数据生成的场景与真实世界相比可以说是完全错误，但视觉上却并不容易发现这些问题。这些错误更多的显现在电子导航的过程中，比如依赖仪表的飞行，路径公差极其明显。在并不完美的场景中按照Jeppesen航图进行导航是非常令人沮丧的，有时候用这种方法甚至无法完成导航。
为了避免这个尴尬的结果，Atlas项目组开发了相应的软件，可以将实景数据和FlightGear所用的数据库文件自动整合成为带有航空风格的图表。尽管这些数据与真实世界的差异巨大，对于真实飞行器的运行毫无用处，但它非常准确的匹配了上述虚拟世界的细节特征，与FlightGear的飞行器操作无缝对接。
该项目还包括同名的Atlas应用。这可以用于浏览这些地图，同时也可以直接与FlightGear关联，用以将模拟飞行器当前的位置在移动的地图上显示出来。这个功能在模拟器飞行员中的使用率并不高，因为大多数小型飞行器都不配备带有移动地图显示功能的GPS组件。不过，无论如何，移动地图对于教员给学员评测打分这一环节还是很有用处的。
鉴于二者常用的功能，FlightGear和Atlas发生关联的情况是比较特殊的。FlightGear能够向串口或者UDP网口发布一系列符合NMEA标准的位置报告数据流。而Atlas可以接受NMEA格式的位置数据并校正移动地图图像。正在浏览Atlas航图的用户可以放大、缩小或锁定机场、航站楼、地形着色的图像，还可以对图层进行命名。
参考文献：
[1] A.R.Perry ，C.Olson. The FlightGear Flight Simulator History status and future[A].http：//www.flightgear.org/，2000.
