译  者  序
    自莱特兄弟开启载人动力飞行的新纪元以来，人类在征服天空的进程中为自由翱翔的梦想付出了沉重的代价。有数据表明，第一次世界大战时期因训练手段匮乏，造成在训练中牺牲的飞行员比实际空战中还要多。自那时起，世界各国的航空工业先驱们便开始努力探寻利用安全可控的技术手段在非真实飞行条件下学习飞行操控技术的有效途径。在强烈的应用需求牵引下，早在1910年， 英国便率先推出了Sanders教练机，成为现代飞行仿真设备的萌芽。百余年来，历经两次世界大战的洗礼，在模拟技术、数字技术、微电子技术、多媒体显示技术、自动控制技术的推动下，飞行仿真已经发展成为航空工业的一个重要分支，为促进航空工业发展发挥了不可替代的作用。
    作为现代飞行仿真技术的发源地， 英美两国长期以来一直是国际飞行仿真行业的引领者，已经建立起从基于计算机的桌面训练系统（CBT）到六自由度全任务飞行模拟器的完整技术体系，形成了一个年产值达数亿美元的庞大产业，其应用领域已经从最初的飞行训练拓展到先进飞机辅助设计、新一代战斗机虚拟采办等各个领域。鉴于飞行仿真的重要作用，从20世纪80年代开始，由英国民用航空管理局（CAA）和美国联邦航空航天局（FAA）牵头，联合英国皇家航空协会组织了一系列行业会议，制定并公布了多个飞行模拟器质量指南，构成了国际民用航空器组织（ICAO）9625号文件《飞行模拟器质量标准手册》（MCQFS）的基本内容，建立起飞行训练器标准和全任务飞行模拟器分级标准。如今，在民航领域，商用飞机飞行员在经主管机构鉴定的模拟器上完成的训练时间已经可以替代相当一部分空中训练。飞行模拟器作为一种不可或缺的训练手段，正在降低运营成本、化解空中风险、提高训练效益等方面发挥着日益突出的作用。
    20世纪90年代以来，在吸收借鉴国外航空工业发展经验的基础上，国内逐步认识到飞行仿真对于飞行员培养、先进航空装备发展建设的重要作用，投资引进或自行开发了多套飞行仿真系统，培养了一支从事飞行仿真系统设计、开发与应用的技术团队。进入21世纪以来，随着我国民用航空事业的蓬勃发展和人民空军的二次创业，飞行仿真事业的发展迎来了有利契机，亟需建立一个与我国航空工业发展规模和水平相适应的飞行仿真产业，培养一大批具备复合型知识结构的飞行仿真专业人员。作为后来者，吸收借鉴英美等航空工业先进国家的成功经验成为我们成长进步的一个必要环节。鉴于国内目前尚缺少同等水平的参考用书，希望这本译著能够为广大从事飞行仿真系统设计、研制、开发与应用的科研人员和有志于从事飞行仿真研究的在校学生提供有益参考。
    几年来，我有幸能够在国内最优秀的科研团队中从事飞行仿真技术研究工作，在学识渊博、技术精湛的领导悉心培养下逐步成长为技术骨干，与身边年轻的同事们共同开拓着军用飞行仿真这片辽阔的沃土，在机遇与挑战并存的工作中实现着我们强军报国的理想。“九层之台，始于垒土；千里之行，始于足下”，相信通过我们这代人的不懈努力，一定能够推动飞行仿真事业的蓬勃发展，尽快缩小与先进国家的技术差距，建成满足应用需求的飞行仿真技术和管理体系。
    感谢电子工业出版社马岚和余义两位编辑，他们严谨细致、一丝不苟的工作态度深深感染了我，感谢他们为本书的付梓所付出的辛劳。由于译者的水平有限，尽管翻译过程中付出了很大努力，但仍然可能会在译文或其他方面存在不妥甚至谬误之处，敬请同行专家和读者给予批评指正。

                                                                    译  者     
                                                           2012年初冬于北京南苑

前    言
    我非常幸运自己能够在20世纪60年代步入校园。在那个年代，我们都是自己动手修补自行车轮胎，并在不理解基本原理的情况下便开始学习如何驾驶摩托车。随后的70年代， 我一边读书，一边开始在早期的计算机上开展工作。那个时代的计算机还都附带电路图， 如果出现故障（其实经常如此），我们就需要将图纸摊在凳子上进行修理。那是一个对原创开放的年代，我们自己设计操作系统、创造自己的程序语言、搭建自己的编译器。由于那时的计算机运算速度很慢，所以我们需要设计高效的算法，内存也非常紧张， 因此高效的数据存储同样至关重要。
    正是因为有了这样的经历，早在20世纪80年代，当我们开发出微处理系统、显卡和队列处理器之后，构建飞行模拟器便似乎成为一件水到渠成的事情。那时，我全部的航空学知识仅是飞行员坐在机舱前部，空乘人员坐在机舱后部。实际上，在与多位飞行员开展深入沟通后，即便是去确认这些假设，也像是一件荒谬的事情。然而，我却开始致力于设计飞行模拟器。近20年来，我已经完成了五种型号的飞行模拟器的设计开发，编写了超过25万行软件代码，这些实践经验构成了本书的基础。
    我从未后悔自己选择担任一名工程师。我认为工程学就是一门应用学科，研究对象就是通过学习理论知识，并将其应用于解决实际问题“我们必须学会做的事情就是从实践中学习。”——亚里士多德。飞行仿真需要数学、计算机科学、电子学、机械学和控制理论等多门学科的专业知识。换句话说，飞行仿真是系统工程的具体应用，在这片富饶的土地上，各个层次的本科生和研究生都能够提高理论认识，实践来自各门基础学科的专用技术。本书将重点关注软件和算法，因为它们是支撑飞行仿真的基石。正如20世纪70年代计算机发展的早期，我们从来没有畏惧使用机器码编写程序。同样，21世纪的学生也不应被飞行模拟器所需软件的复杂性和多样性吓倒。
    鉴于飞行仿真的学科特点，本书的涉及范围较广，因此不足的是本书无法对每个专题都进行足够深入的论述。然而，本书将努力在深度和广度之间做到平衡，较为全面地介绍构建一部飞行模拟器或者开发一个模拟器模块所需的主要软件工具。本书中所讲的飞行模拟器将重点关注模块设计，通过在分布式计算机网络和软件模块层面展开论述，旨在构造一个模块化系统，各软件模块可以实现即插即用，如可以单独开发飞机模型、显示系统或者飞行控制系统。
    第1章概述了飞行模拟器的发展历程，回顾了各种发展趋势和概念，重点关注其在飞行训练中的作用。第2章介绍了系统建模的基本原理。第3章论述了飞行动力学的相关背景知识，列出了现代飞行模拟器所需的各种运动学公式。第4章从系统角度进一步研究了现代飞机中提出的飞行控制系统的设计方法。第5章重点关注了模拟器显示系统所采用的计算机图形学， 以及在实时图形应用中使用的OpenGL技术。随着航空电子系统在民用和军用飞机中的作用愈发突出，第6章主要介绍飞机导航系统建模与仿真问题，特别是卫星导航和惯性导航系统。模拟器开发中的一项主要工作就是模拟器校核与确认，而第7章主要介绍了模拟器鉴定过程中采用的各种方法。在第5章介绍了计算机图形学的基础上，第8章进一步介绍了模拟器图像生成器中使用的三维实时图形工具，讲解如何运用OpenGL和OpenSceneGraph技术实现实时渲染。第9章重点关注了教员台所需的用户接口，介绍如何提供更加有效的训练和评估方式。最后一章提出了现代运动平台中涉及的公式和复现运动感所采用的算法，以及这些方法的内在约束。由于涉及范围非常广泛，本书不得不对某些内容进行了省略和简化，如载荷控制、电气驱动、人机接口和飞行训练中的人的因素等问题在本书中都没有涉及。
    尽管飞行仿真在大部分高等院校中尚未列为一门正式课程，但它能够为飞行力学、飞行动力学、航空电子学等学科的教学提供素材， 可以作为计算机图形学、电子学、电气工程和控制工程等应用教学的实际案例。本书将飞行仿真涉及的多个专业整合在一起，能够作为仿真初学者或者飞行模拟器使用者的入门教材。它还能够为大专院校建设自己的飞行模拟器提供有力支撑，支持相关项目开发，衔接本科和研究生阶段教学。此外， 仿真还广泛地应用于其他工业领域，本书旨在为从事模拟器开发工作的技术人员提供相关基础理论，针对具体问题开展论述并给出相关示例代码。
    在本书中，介绍或讲述的大部分软件和示例都来自英国谢菲尔德大学正在使用的飞行模拟器，主要是基于我在过去数年间曾经开发的软件。本书中的所有软件都可以从www.wiley.com/go/allerton下载（密码：aircraft）。登录华信教育资源网(www.hxedu.com.cn)可注册并获得该文件。——编者注。
    我感到特别幸运的是能够得到多位同事和学生的无私帮助。在南安普顿大学期间， Ed Zalsuka开发了远比那个时代先进的硬件，组成了我们早期模拟器的基础，在低成本仿真领域领先大概10年时间。如果没有他的帮助和鼓励，我可能还在为集成电路开发软件。Dave White（现在是泰雷兹公司训练和仿真事业部首席科学家）为我介绍了飞行动力学的基本理论。在克兰菲尔德大学期间，Michael Rycroft 和John Stollery鼓励我在飞行仿真领域开展研究工作，并提供了必要的设施。最后，还得到了由英国高等教育基金委员会提供的75万英镑研究设施开发经费。在谢菲尔德大学期间，David Owens支持我在工程模拟器领域开展进一步开发工作。过去数年间，多位学生曾对我提供了大力帮助，特别感谢Tony Clare在雷达建模和视景生成方面、Stefan Steffanson在OpenGL显示方面、Huamin Jia在传感器建模方面、Sebastien Delmon 和Patrick Fayard在空中飞行控制律方面所做的杰出工作。在本书写作期间，我一直与Graham Spence进行着深入的探讨，利用了他在Linux和网络方面提供的帮助，以及他提供的数量众多的图形、图片和示例。当我为具体问题所困惑时，他还不止一次地为我提供了软件方面的帮助。还要感谢Gerhard Serapins在CAE方面提供的帮助，本书中使用了他在运动系统方面的讲义素材，包括图10.2和图10.3。作为英国皇家宇航学会飞行仿真委员会的一名成员， 我要对委员会的同仁们的一贯协助和信息支持表示诚挚的感谢。此外，还要感谢英国航空公司、维斯兰特直升机公司、泰雷兹公司、CAE公司、Frasca、Colin Wood and Sons等公司长期以来提供的大力支持，特别要感谢泰雷兹公司、CAE公司和英国皇家宇航学会提供的图片。

作者简介
    David Allerton教授于1972年毕业于拉格比工程技术学院计算机系统工程系，获得学士学位，1973年从拉夫堡教育学院获得物理学研究生学位。1977年，他从剑桥大学获得博士学位，研究方向是并行计算，之后他加入马可尼空间和防御系统公司担任一名助理工程师，从事嵌入式系统软件开发工作。1981年，他被聘为南安普顿大学电子学系讲师，并于1987年晋升为高级讲师。1991年，他到克兰菲尔德大学航空学院担任电子学教授，并组建航空电子系。2002年，他受聘为谢菲尔德大学计算系统工程系主任。
    Allerton教授在南安普顿大学、克兰菲尔德大学和谢菲尔德大学期间曾开发了五种型号的飞行模拟器。作为英国皇家宇航学会飞行仿真委员会成员和前任主席，他曾为英国国防和宇航前瞻小组、国家航空电子咨询委员会、合成环境咨询委员会等政府机构工作。1998年，他获得由英国高等教育基金委员会提供的75万英镑资助，用于建设克兰菲尔德大学飞行仿真中心。1992年到2001年间，他在克兰菲尔德大学每年开设一期飞行仿真领域的短期课程。此外，他还是英国工程技术协会会员和英国皇家宇航学会会员，并持有认证工程师资格。他的研究方向包括计算机体系架构、实时软件、计算机图形学、空中管理、飞行仿真、航空电子学和操作系统。他持有IMC级私人飞行员驾照，并曾代表约克郡参加网球比赛（以超过55岁高龄）。