某型飛機模擬仿真系統組建和研究

歐杰+李岑

摘 要 為滿足我國航空業對試飛員和指揮員的培訓需求，為試飛關鍵技術研究和演示驗證提供必要的技術支持，以更好更快地開展試飛方法和試飛員培訓技術的研究，開發了一套基于某型飛機模型的工程化的仿真系統。該系統主要包括指揮引導仿真平臺、飛行仿真器、實時網絡系統，對各個模塊的組建方法、技術指標和難點進行了介紹和研究。該系統已用于試飛員、指揮員的模擬飛行操縱培訓中，實驗結果和試飛員評述表明：該平臺完全達到了試飛員飛行培訓、指揮員模擬操縱的要求。

關鍵詞 培訓；仿真；可視化；平臺

中圖分類號：V217 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）07-0055-03

1 基本概述

近年來，隨著我國綜合國力的提升，在世界多極格局中扮演著越來越重要的角色。建設現代化軍隊，首當其沖的就是各軍兵種裝備和人才能力的提升，其中試飛員和指揮員的培訓任務更是為重中之重。因此開展針對某型飛機的飛行模擬技術開展研究，具有非常重要的意義。

某型機飛行試驗模擬系統建設主要滿足試飛員和指揮員的培訓任務、試飛關鍵技術研究和演示驗證以及仿真模型驗證等方面。其中，試飛培訓主要針對該型機試飛員、指揮員和試飛工程師的培訓，以提高參試人員的理論、技術水準和技術熟練度，增強試飛信心和試飛安全；試飛關鍵技術研究與驗證主要針對該型機飛行試驗所特有的困難和風險進行研究，以提高飛行試驗的效率，減小試飛風險，加快試飛進度；仿真模型的驗證將是以后空、海軍試飛員地面模擬訓練的重要保障。

2 模擬仿真系統組建原理

2.1 模擬仿真系統組建基本構架

該型機的飛行仿真系統主要包括：指揮引導仿真平臺、飛行仿真器、實時網絡與信息處理等。由于以上各部分內容算法復雜，因此將其分為子模塊，通過光纖與主仿真器進行數據交互。具體示意圖如圖1所示。

圖1 某型機模擬器結構示意圖

2.2 其他關鍵仿真系統組成

在一個逼真的仿真系統環境中，還需要其他關鍵仿真模塊的組成，主要包括模擬座艙模塊、人感操縱系統模塊、仿真視景模塊等[1]。這些仿真模塊的好壞，直接決定著整個仿真系統的逼真程度。因此，對每個模塊都有著較高的指標要求。

例如人感操縱系統模塊主要實現主操縱系統（縱向、橫向、航向的三通道操縱）的操縱力/位移特性，采用電動人感系統實現，由三信道電動人感系統、配套桿系和操縱加載系統軟件組成。結合目前國內通用模擬器使用要求，具體實現指標如下。

1）提供光滑、平穩的力感覺。

2）可進行操縱系統啟動力、死區、阻尼比、摩擦力、最大操縱力、最大操縱速度、最大操縱位移的調節，調節范圍滿足飛機操縱系統的技術指針要求。

3）頻率響應：50 Hz～100 Hz。

4）最大時間延遲不大于60 ms。

5）噪聲幅值不大于20 dB。

6）系統精度：小于1%滿量程。

3 模擬器組建方法

如圖1所示，該型機模擬仿真系統的組建包括指揮引導仿真平臺、飛行仿真器、實時網絡與信息交互系統三部分構成，而指揮引導仿真平臺包括著陸指揮員模擬系統、起飛指揮模擬系統、塔臺飛行指揮模擬系統。

3.1 指揮引導仿真平臺的組建

作為某型飛機整個飛行全過程來說，起飛和著陸階段是風險率最高的，因此該飛機的起飛和著陸的指揮過程訓練和引導方法的模擬驗證也是模擬仿真系統的重要組成部分[2]。

3.1.1 起飛指揮模擬系統

起飛指揮模擬系統主要服務于起飛指揮員，同時兼顧起飛指揮員助理、起飛觀察員、機械師等現場人員操縱流程顯示。起飛指揮視景模擬同時以動畫形式實現相應的機務活動、勤務保障、引導員手勢、輪擋收放等內容。起飛指揮模擬系統主要包括以下方面。

1）起飛指揮視景模擬系統。起飛指揮視景模擬采用兩信道大屏幕顯示方式實現。顯示內容主要為起飛指揮員處的目視起降環境，同時也根據需求切換成指揮員關心的視角。

2）起飛指揮控制臺。主要實現起飛指揮員處的信息顯示和操縱環境，以及起飛過程的程序設置、指令控制等。

3）起飛指揮信息觀察和控制軟件。軟件模擬起飛指揮處的顯示接口和指揮操縱邏輯過程。

3.1.2 著陸指揮模擬系統

著陸指揮模擬系統主要包括逼真的視景模擬系統、仿真的著陸指揮控制臺以及相應的觀察和控制軟件。

1）著陸指揮視景模擬系統。著陸指揮視景模擬采用兩信道大屏幕顯示方式實現，顯示內容為跑道端頭處的目視起降環境。

2）著陸指揮控制臺。該控制臺主要實現與真實著陸指揮員一致的信息顯示和操縱環境。

3）著陸指揮官信息觀察和控制軟件。使用軟件編程模擬著陸指揮官的顯示接口和指揮操縱邏輯過程，該軟件要求能夠使著陸指揮官至少能夠從3視角觀測飛機著陸狀態，以更好的評判飛機的著陸姿態。

3.1.3 塔臺飛行指揮模擬系統

在一個全系統的飛行仿真模擬系統中，塔臺的飛行模擬主要用于塔臺主指揮員、副指揮員、領航員的模擬操縱[3]。塔臺飛行指揮模擬系統主要包括以下方面。

1）塔臺飛行指揮視景模擬系統。塔臺飛行指揮視景模擬采用兩信道大屏幕顯示方式實現。顯示內容為塔臺指揮員處的目視起降環境，采用平面地圖技術模擬800千米*800千米，150：1的機場驟變平面地圖。

2）塔臺飛行指揮控制臺。主要實現飛行指揮員和領航員席位的信息顯示和操縱環境，包括塔臺飛行指揮控制臺體，飛行指揮員和領航員控制臺電腦、信息顯示設備、控制和轉換設備等。

3）塔臺飛行指揮員/領航員信息觀察和控制軟件。軟件模擬塔臺飛行指揮員/領航員的顯示接口和指揮操縱邏輯過程。endprint

3.2 飛行仿真器的組建

飛行仿真器的組建主要包括：運動臺體的組建、視景仿真系統、飛行仿真軟件等。

3.2.1 運動臺體的組建

為了整個飛行仿真系統的逼真性，運動臺體采用了六自由度的電動運動平臺。運動系統的控制主要在控制臺上進行，控制指令首先通過反射內存網發送給運動系統通訊軟件，再由該計算機通過以太網發送給運動系統內部的實時控制計算機。值得一提的是，在座艙左操縱臺后部設有系統應急切斷開關，供試飛員在緊急情況下使系統停止運動并安全落下[4]。

另外，六自由度運動系統一般需要根據該型機的座艙和視景系統等的不同，設計和加裝內部運動系統，保證各模擬系統的結構不變形。

3.2.2 視景仿真系統

視景仿真系統是飛行仿真系統面對試飛員最直接的窗口，各系統地優劣、故障，都將在第一時間通過視景系統傳輸給試飛員。因此視景仿真系統地逼真與否，直接影響到該仿真系統的成敗。

視景仿真系統由虛像顯示系統、圖像生成系統、投影系統、視景數據庫及視景開發軟件等幾部分組成[5]。由于視景仿真系統的搭建在業內來說技術都是通用的，篇幅所限不再贅述各部分的組成。具體視景仿真系統的指標如下。

1）視場角：水平不小于170°，垂直不小于45°（上視25°、下視20°）。

2）圖像：亮度5000 ANSI lumens（+/-10%）；覆蓋整個屏幕的90%亮度一致。

3）對比度：450-600：1 ANSI，1600-2000：1全視域。

4）分辨率和刷新率：真實的SXGA分辨率，不小于1280×1024。

5）球面鏡半徑：3000 mm。

6）成像距離：>8500 mm。

7）顯示信道：3通道。

3.2.3 飛行仿真軟件

飛行仿真軟件是整個仿真系統的核心，模擬器除開硬件要素外，飛行仿真軟件設計的優劣直接影響到整個模擬器的操縱品質。飛行仿真軟件主要包括：動力裝置仿真系統；飛控仿真系統；綜合航電仿真系統；機電功能仿真系統；特情仿真系統。以上系統的實現均以特定飛行模型為基礎，采用數學計算模擬，通過C/C++編程形成軟件，對特定系統進行模擬[6]。例如動力裝置仿真系統，其中一項功能便是根據油門桿位置和當前飛行狀態，實時計算出發動機的推力、轉速、噴口溫度及發動機工作狀態等飛機全包線內的數據。

3.3 計算機網絡通信模塊

隨著網絡通訊技術的高速發展，國內外實現網絡通訊的方法有很多。在綜合性能、成本、排故難度等多方面因素后，在此提出以以太網和反射內存網共組網路的方法。該方法在滿足模擬系統延遲小于80ms的基礎上，還具有搭建簡單、成本低廉、故障定位迅速等優點。現簡單介紹其原理：

1）在主計算機和主要節點計算機（航電、接口、視景主機等）之間采用實時反射內存網進行通訊，其余計算機之間采用以太網進行通訊。

2）除反射內存網外，所有計算機還通過以太網連接在一起。以太網主要用于系統控制管理、維護、監控以及檔的傳輸與共享，同時也用于視景節點與視景IG計算機之間的數據通訊。

3）網絡通訊和調度軟件充分考慮各節點的具體情況，自動適應各節點的要求，如相互依賴關系，運行次序等。網絡通訊軟件統一定義反射內存網上傳輸的數據結構，并規定各數據結構的地址，網絡通訊軟件提供通用的數據讀寫接口函數。網絡通訊軟件為系統控制節點提供反射內存網自檢、節點運行狀態等監控信息，同時還提供指令發送接口函數，實現系統控制軟件對整個系統的運行控制。

4 模擬仿真系統的驗證

1）仿真器驗證方法。為保證仿真系統逼真度，確保飛行模擬訓練的有效性，仿真器測試主要依據我國國軍標模擬器相關條例、并參考GB/T 15025-94、CCAR60部、IATA（國際航空運輸協會）等仿真器鑒定標準展開，驗證流程如圖2所示。

圖2 試飛仿真器試飛驗證流程

2）飛行仿真模型的飛行校驗。仿真器的飛行仿真模型的試飛校驗過程如圖3所示。

3）飛行模擬的效驗結果。仿真器模擬的是否逼真，主要是通過同條件下的試飛校驗來考核的，經過飛行的數次迭代后，最終仿真器的模擬達到了設計指標。由于篇幅所限，在此只給出飛行控制系統模型偏航信道、俯仰信道和滾轉信道控制律的校驗結果。

從圖4、5、6中可以看出，仿真模型數據和試飛數據基本吻合，且在2°容差范圍內，具有較好的模擬性。

5 結束語

目前該型模擬器已經應用于試飛員的模擬飛行、指揮員的

模擬操縱培訓等方面，對試飛員的培訓業務起到了極大的推動作用，獲得了個方面的一致好評。但由于本文篇幅所限，部分關鍵技術的原理、仿真數學模型的建立過程沒有列舉。同時，該型模擬器雖然已經有了實際工程應用，但與國外的先進模擬器還存在一定的差距，這也是筆者后續繼續研究的方向。

圖3 飛行仿真模型試飛校核、驗證過程

圖4 偏航通道的試飛校驗結果

圖5 俯仰通道的試飛校驗結果

圖6 滾轉通道的試飛校驗結果

參考文獻

[1]王黎靜，袁修王.飛機座艙設計人機工效評價探討[J].中國安全科學學報，2002（02）.

[2]Schnell，T.Ellis， K.Etherington，T.Flight simulator evaluation of an integrated synthetic and enhanced vision system for terrain avoidance， Digital Avionics Systems Conference， 2005. DASC 2005. The 24th， Volume 1，Issue，30 Oct.-3 Nov.2005 Page（s）：4.E.4-41-18 Vol.1.

[3]葉文，姜文志，馬登武，劉博.航路規劃關鍵技術研究[J].煙臺大學學報，2006（19）.

[4]王睿，莊達民.基于動力學模型的飛行員舒適操作域研究[J].計算機仿真，2006（08）.

[5]Huss R E，Weber J W.Route Finding Using Digital Terrain Map.5th DASC，1983.

[6]Asseo S J.Terrain Following Terrain Avoidance Path Optimization Using The Method Of Steepest Descent.NAECON，1988.endprint