第四章飞行仿真技术
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起落架、襟翼位置
气
气
动 气动力
动 气动参数 力 （力矩）
系
和
数
力
模
矩
块
模
块
运动方程 模块
发动机 燃油模型
载油质量、重心
教员台
质量特性
质量、重心 惯量
湍流和风 标准大气
雨
环境 信息
飞机运 动参数
仪表系统 视景系统 导航系统 发动机系统
雪
海浪
飞行动力学模型与其它模型交互关系图
飞机动力学模型和气动模型
• 运动方程模块 主要完成飞机六自由度刚体运动方程
现代仿真技术
飞行仿真技术
内容安排
一、概述 二、飞行仿真技术的应用 三、飞行模拟器系统的组成 四、飞行模拟器的工作原理
一、概述
飞行仿真是指通过计算机软件及 外部硬件设备来对真实世界飞行中所 遇到的各种元素，例如空气动力，气 象，地理环境，飞行操控系统，飞行 电子系统，战斗飞行武器系统，地面 飞行引导等，综合的在计算机中进行 仿真模拟，并通过外部硬件设备进行 飞行仿真操控和飞行感官回馈的一种 技术。
Βιβλιοθήκη Baidu
仪表显示
导航参数
组合导航模块
驾驶员
飞行方式 方式选择 控制面板
捷联式惯性导航
无线电导航 导航数据库
导航数据 航迹规划
飞行控制 机动规划 指令
自动驾驶仪 自动油门
初始状态 预设航路点
飞行参数
教员台
飞机动力学模 型和气动模型
舵机控制指令
飞行导航控制系统的结构图
飞行导航控制系统
• 无线电导航：航线导引、确定飞机位置及航行参数、着陆导引 。根据飞机位置、导航台位置计算导航参数（航向、方位角、 航迹、航路点、地速、空速、指点信标、航向信标、下滑信标 ）。
• 视景系统
视景系统
OGRE
视景系统架构图
视景效果示意图
综合自然环境模型
环境设定、飞行信息
标准大气模型
突风模型 湍流模型 风切变模型
海浪模型
雨模型
环境信息 飞行\机务训练器
综合自然环境模块划分图
雪模型
音响系统
发动机转速 飞行高度
触地状态x3 滑跑速度
舵面状态 起落架状态 水斗状态 告警指令
发动机噪 声生成器
气动模块完成飞机空气动力特性的仿真，即计
飞机动力学模型和气动模型
• 气动力和力矩模块 根据气动参数模块计算得到的气动系数，以
及计算得到的动压，和输入的参考的翼展和面积 ，利用公式得到了气流轴上的气动力和力矩，最 后计算出机体轴上的气动力和力矩，输出到“运 动方程模块”。
飞行导航控制系统
导航系统可以根据飞 行系统输出的相关参 数解算出飞机当前位 置(经度、纬度、高 度)和飞机的姿态角 及角速度，及磁航向 角等信号，作为自动 飞行系统、仪表等系 统的输入信号；控制 系统解算俯仰，横滚， 偏航三个通道的控制 律，给出飞行指令杆 与舵面偏转角的控制 指令。
综合自然环境模型
• 标准大气环境模型
• 风模型 • 雨模型 • 雪模型
大气密度、 风向、风速 等环境信息
飞机数学模型
• 海浪模型
• 动力学模型
• 发动机模型
驾驶杆、油门杆、• 自动飞行系统
操纵装置
脚蹬、起落架、 • 导航系统 襟翼位置等信息 • 舵机模型等
雨、雪、海浪等环境信息
虚拟仪表系统
• 主飞行显示仪表 飞 行 姿 态 、 • 导航显示仪表 速 度 、 油 • 辅助显示仪表
的解算，六自由度运动模块由多个子模块组成。 飞机动力学模型在该模块中，首先综合飞机所受 的各种力和力矩，包括重力、气动力、发动机推 力和起落架力及其各种力矩，计算沿机体轴的线 加速度和角加速度，然后产生飞机的合成速度。 把风和紊流扰动速度加到机体轴线速度上，并用 来计算飞行轨迹参数。把机体轴角速度分解到气 流轴上并计算飞机迎角、侧滑角及其变化率，以 提供给气动系数模块使用。把角速度分解到地轴 上，然后用积分计算三个欧拉角。 • 气动参数模块
仪表系统
• 主飞行显示屏
分为水平姿态仪和罗盘。水平姿态仪上显示垂直高度 、空速，垂直速度等信息。罗盘上显示航向选择游标， 飞机航向（当前与指令）等信息。
仪表系统
• 导航显示屏 显示航向，航线，航路点等信息，。
仪表系统
• 辅助显示屏 显示引擎的基本信息。如推力、发动机温
度、功率、滑油温度、滑油油量等信息。
飞机 设计 和 机载 设备 试验
应用飞行仿真技术来评价整机的飞行性能和操纵系统、仪 表显示系统、飞行控制系统、飞机武器系统、推进装置等 的性能，利用它修改各系统的参数，并通过反复试验得出 最佳参数。
三、飞行模拟器系统的组成
硬件组成
三、飞行模拟器系统的组成
软件组成及数据流
教员控制台
各分系统控制信息 各分系统反馈信息
量等信息
飞机的位 置和姿态 信息
飞行视景系统
• 环境模型渲染 • 三维模型显示控制 • 视点切换控制 • 三维模型驱动
四、 半实物仿真平台的工作原理
教员台
仪表系统
音响系统
飞行动力学模型 气动模型
发动机模型
视景系统
飞行导航控制系统
综合自然环境
通用飞机低成本飞行\维护模拟训练器系统结构图
教员台系统
教员台系统的功能包括仿真初始化、仿
• 捷联式惯性导航（惯性基准系统IRS）： 根据机体坐标系中的 线加速度、角速度、角加速度，得到导航坐标系中的惯性线加 速度和姿态角，进而计算得到飞机的位置、航向和地速。
• 方式控制面板 ✓ 方式控制开关量 （飞行指引、自动油门、自动驾驶仪的通断 状态，纵向、横测向、油门的控制方式开关） ✓ 控制量预设（预设速度、航向角、高度）
滑跑声 生成器
事事件件控控制制
音音响响管管理理
声音合成
声音合成 声音拾取
音音响响 数数据据库库
声声音音输输出出 声声音音缓缓存存对对象象
声声音音合合成成
音响系统结构图
图图例例 数据流 控制流 外部输入
真过程管理、数据显示、测试科目设置、仿真 数据分析等功能。
位置冻结
状态抽样 页
飞行故障 页
高度冻结
飞机状态 页
系统总复 位
燃油冻结
进近定位 页
系统关闭
完全冻结 时间加速
地图页
跑道性质 页
训练器初始设置页
飞机动力学模型和气动模型
主要包括运动方程模块、气动参数模块
、气动力和力矩模块。
操纵系统
气动数据 舵偏角
二、飞行仿真技术的应用
模
拟 苗圃学
飞
开飞机
行
训
练
赵本山斥资 2亿购买私
人飞机
成龙大哥，不仅有私人 专机，还一直努力尝试
自己驾驭。
二、飞行仿真技术的应用
使用飞行模拟器训练飞行 员 ， 可 以 节 省 30% 的 上 机时间。
二7、.1飞行分仿布真交技互术仿的真应技用术
模拟飞行训练的优势
二、飞行仿真技术的应用
气
气
动 气动力
动 气动参数 力 （力矩）
系
和
数
力
模
矩
块
模
块
运动方程 模块
发动机 燃油模型
载油质量、重心
教员台
质量特性
质量、重心 惯量
湍流和风 标准大气
雨
环境 信息
飞机运 动参数
仪表系统 视景系统 导航系统 发动机系统
雪
海浪
飞行动力学模型与其它模型交互关系图
飞机动力学模型和气动模型
• 运动方程模块 主要完成飞机六自由度刚体运动方程
现代仿真技术
飞行仿真技术
内容安排
一、概述 二、飞行仿真技术的应用 三、飞行模拟器系统的组成 四、飞行模拟器的工作原理
一、概述
飞行仿真是指通过计算机软件及 外部硬件设备来对真实世界飞行中所 遇到的各种元素，例如空气动力，气 象，地理环境，飞行操控系统，飞行 电子系统，战斗飞行武器系统，地面 飞行引导等，综合的在计算机中进行 仿真模拟，并通过外部硬件设备进行 飞行仿真操控和飞行感官回馈的一种 技术。
Βιβλιοθήκη Baidu
仪表显示
导航参数
组合导航模块
驾驶员
飞行方式 方式选择 控制面板
捷联式惯性导航
无线电导航 导航数据库
导航数据 航迹规划
飞行控制 机动规划 指令
自动驾驶仪 自动油门
初始状态 预设航路点
飞行参数
教员台
飞机动力学模 型和气动模型
舵机控制指令
飞行导航控制系统的结构图
飞行导航控制系统
• 无线电导航：航线导引、确定飞机位置及航行参数、着陆导引 。根据飞机位置、导航台位置计算导航参数（航向、方位角、 航迹、航路点、地速、空速、指点信标、航向信标、下滑信标 ）。
• 视景系统
视景系统
OGRE
视景系统架构图
视景效果示意图
综合自然环境模型
环境设定、飞行信息
标准大气模型
突风模型 湍流模型 风切变模型
海浪模型
雨模型
环境信息 飞行\机务训练器
综合自然环境模块划分图
雪模型
音响系统
发动机转速 飞行高度
触地状态x3 滑跑速度
舵面状态 起落架状态 水斗状态 告警指令
发动机噪 声生成器
气动模块完成飞机空气动力特性的仿真，即计
飞机动力学模型和气动模型
• 气动力和力矩模块 根据气动参数模块计算得到的气动系数，以
及计算得到的动压，和输入的参考的翼展和面积 ，利用公式得到了气流轴上的气动力和力矩，最 后计算出机体轴上的气动力和力矩，输出到“运 动方程模块”。
飞行导航控制系统
导航系统可以根据飞 行系统输出的相关参 数解算出飞机当前位 置(经度、纬度、高 度)和飞机的姿态角 及角速度，及磁航向 角等信号，作为自动 飞行系统、仪表等系 统的输入信号；控制 系统解算俯仰，横滚， 偏航三个通道的控制 律，给出飞行指令杆 与舵面偏转角的控制 指令。
综合自然环境模型
• 标准大气环境模型
• 风模型 • 雨模型 • 雪模型
大气密度、 风向、风速 等环境信息
飞机数学模型
• 海浪模型
• 动力学模型
• 发动机模型
驾驶杆、油门杆、• 自动飞行系统
操纵装置
脚蹬、起落架、 • 导航系统 襟翼位置等信息 • 舵机模型等
雨、雪、海浪等环境信息
虚拟仪表系统
• 主飞行显示仪表 飞 行 姿 态 、 • 导航显示仪表 速 度 、 油 • 辅助显示仪表
的解算，六自由度运动模块由多个子模块组成。 飞机动力学模型在该模块中，首先综合飞机所受 的各种力和力矩，包括重力、气动力、发动机推 力和起落架力及其各种力矩，计算沿机体轴的线 加速度和角加速度，然后产生飞机的合成速度。 把风和紊流扰动速度加到机体轴线速度上，并用 来计算飞行轨迹参数。把机体轴角速度分解到气 流轴上并计算飞机迎角、侧滑角及其变化率，以 提供给气动系数模块使用。把角速度分解到地轴 上，然后用积分计算三个欧拉角。 • 气动参数模块
仪表系统
• 主飞行显示屏
分为水平姿态仪和罗盘。水平姿态仪上显示垂直高度 、空速，垂直速度等信息。罗盘上显示航向选择游标， 飞机航向（当前与指令）等信息。
仪表系统
• 导航显示屏 显示航向，航线，航路点等信息，。
仪表系统
• 辅助显示屏 显示引擎的基本信息。如推力、发动机温
度、功率、滑油温度、滑油油量等信息。
飞机 设计 和 机载 设备 试验
应用飞行仿真技术来评价整机的飞行性能和操纵系统、仪 表显示系统、飞行控制系统、飞机武器系统、推进装置等 的性能，利用它修改各系统的参数，并通过反复试验得出 最佳参数。
三、飞行模拟器系统的组成
硬件组成
三、飞行模拟器系统的组成
软件组成及数据流
教员控制台
各分系统控制信息 各分系统反馈信息
量等信息
飞机的位 置和姿态 信息
飞行视景系统
• 环境模型渲染 • 三维模型显示控制 • 视点切换控制 • 三维模型驱动
四、 半实物仿真平台的工作原理
教员台
仪表系统
音响系统
飞行动力学模型 气动模型
发动机模型
视景系统
飞行导航控制系统
综合自然环境
通用飞机低成本飞行\维护模拟训练器系统结构图
教员台系统
教员台系统的功能包括仿真初始化、仿
• 捷联式惯性导航（惯性基准系统IRS）： 根据机体坐标系中的 线加速度、角速度、角加速度，得到导航坐标系中的惯性线加 速度和姿态角，进而计算得到飞机的位置、航向和地速。
• 方式控制面板 ✓ 方式控制开关量 （飞行指引、自动油门、自动驾驶仪的通断 状态，纵向、横测向、油门的控制方式开关） ✓ 控制量预设（预设速度、航向角、高度）
滑跑声 生成器
事事件件控控制制
音音响响管管理理
声音合成
声音合成 声音拾取
音音响响 数数据据库库
声声音音输输出出 声声音音缓缓存存对对象象
声声音音合合成成
音响系统结构图
图图例例 数据流 控制流 外部输入
真过程管理、数据显示、测试科目设置、仿真 数据分析等功能。
位置冻结
状态抽样 页
飞行故障 页
高度冻结
飞机状态 页
系统总复 位
燃油冻结
进近定位 页
系统关闭
完全冻结 时间加速
地图页
跑道性质 页
训练器初始设置页
飞机动力学模型和气动模型
主要包括运动方程模块、气动参数模块
、气动力和力矩模块。
操纵系统
气动数据 舵偏角
二、飞行仿真技术的应用
模
拟 苗圃学
飞
开飞机
行
训
练
赵本山斥资 2亿购买私
人飞机
成龙大哥，不仅有私人 专机，还一直努力尝试
自己驾驭。
二、飞行仿真技术的应用
使用飞行模拟器训练飞行 员 ， 可 以 节 省 30% 的 上 机时间。
二7、.1飞行分仿布真交技互术仿的真应技用术
模拟飞行训练的优势
二、飞行仿真技术的应用