航空虛擬仿真實驗平臺構建及教學實施

張兵強, 林洪文, 方 偉

(1. 海軍航空工程學院 信息融合研究所, 山東 煙臺 264001；2. 海軍航空工程學院 電子信息工程系, 山東 煙臺 264001)

航空虛擬仿真實驗平臺構建及教學實施

張兵強1, 林洪文2, 方 偉1

(1. 海軍航空工程學院 信息融合研究所, 山東 煙臺 264001；2. 海軍航空工程學院 電子信息工程系, 山東 煙臺 264001)

闡述了航空虛擬仿真實驗平臺的構建層次、實驗教學內容和實驗教學階段安排,探討了實驗平臺管理運行機制和相關保障措施。該實驗平臺立足海軍初級飛行學員和地勤學員的人才培養,在滿足飛行技術和空中對抗戰術模擬訓練和仿真實驗需求的同時,也為飛行控制系統原理、飛行原理、航空雷達和通信導航原理等專業課程教學提供了實踐教學保障。該平臺具有開放性、趣味性和競技性,可優化學員的專業知識。

飛行仿真； 虛擬仿真； 實驗教學平臺

空間科學與工程類飛行學員的實踐性教學環節面臨以下難題:一是航空飛行具有高危險、高成本的特點,幾乎不可能在實驗室開展真實飛行過程中的實驗項目；二是在部隊實際飛行訓練現場,由于飛機飛行空域廣,學員只能看到飛機的起飛、著陸,而對飛行軌跡、姿態則無法形成感性認識,更不可能進行飛行實驗；三是初級飛行學員人數眾多,實踐教學所需實物器材不足且成本很高,無法保障本科生實驗教學需要[1-3]。

將虛擬仿真技術引入實驗教學是較好的解決問題的方案。虛擬仿真實驗教學的優越性包括:花錢較少、生動直觀、安全可靠、情境再現、精確無誤、客觀真實。采用這種教學模式可以降低實驗實踐教學成本、打造多樣化的教學環境、營造安全實驗教學氛圍、不受時間和空間的限制、減小實際實驗中的誤差、增強實驗教學的互動性[4]。

基于虛擬仿真技術所開發的航空類虛擬仿真實驗系統,不僅具有直觀、高效及經濟的優點,而且可以進行高危險性、綜合性飛行實驗,并可以提高學員的學習積極性,增加學員的感性認識[5]。

1 實驗平臺的構建

航空虛擬仿真實驗平臺是空間科學與工程專業飛行學員實踐教學綜合實驗平臺。根據海軍航空工程學院對初級飛行學員基礎課學習階段的培養要求,滿足飛行學員“前置后延”的教學訓練需要,航空虛擬仿真實驗平臺以飛行學員、航空類地勤技術學員和指揮學員的實踐教學和能力訓練為重點,將平臺的建設內容分為航空理論教學虛擬實驗、飛行技術模擬訓練實驗和虛擬空中對抗戰術實驗3個層次。

1.1 航空理論教學虛擬實驗

航空理論教學虛擬實驗主要使用航空理論教學軟件和虛擬訓練系統軟件。

航空理論教學軟件采用多媒體技術,包括理論輔助教學、穿插和深化理論輔助教學、兵種戰術理論輔助教學等教學內容,具有課程構建和發布、學習控制和學習考核等功能,可以進行人員集中培訓和個人自學。

虛擬訓練系統軟件是一個網絡化計算機輔助訓練(computer based training,CBT)實驗教學系統[6-11],涵蓋了飛行控制系統原理、飛行原理、飛機儀表設備原理等課程的仿真實驗內容(見圖1)。通過提供虛擬化的座艙環境和圖形化的仿真實驗界面,可針對飛機慣導、航姿及飛控系統的特性及原理做定量分析實驗、飛行原理和空氣動力學的數值模擬及仿真實驗、座艙儀表模擬和故障仿真實驗、機載航空電子系統和火控系統等仿真實驗,以及各機載系統綜合仿真實驗。

圖1 航空理論虛擬實驗課程內容

教員根據教學內容,將航空理論課程所涉及的理論知識通過視景、儀表、曲線等多種形式顯示給學員；學員在生動、逼真的實驗環境中是一名參與者,從而易于掌握航空理論的重點和難點,并實現理論與實踐的結合[6]。

通過航空理論教學虛擬實驗,能夠幫助學員加深對航空理論知識體系的理解。學生通過圖形化接口,可方便地對飛機的氣動及飛控系統、儀表系統、雷達導航系統等相關參數進行修改調整,然后立即進行飛行仿真實驗或飛行體驗,觀察、記錄和分析各參數對飛機或系統性能的影響[7-8]。

1.2 飛行技術模擬訓練實驗

飛行技術模擬訓練實驗包括2套初教六飛機飛行模擬器和三型海軍主戰飛機虛擬仿真訓練系統。

初教六飛機飛行模擬器(如圖2所示)采用單艙段、振動基座、實物仿制座艙、操縱力感模擬、三通道球帶幕視景的仿真技術方案,屬于半實物化的閉環仿真系統,并有一個用于多飛行學員同時模擬訓練教學的專業教室區和虛擬對抗訓練區。在專業教室區研制了一套教學輔助系統,用于飛行模擬實驗過程的教學講評和飛行過程回放,重點是基于二維/三維態勢飛行實驗后的數據回放和教學講評。實驗人員通過該半實物座艙的飛行模擬器,完成發動機點火、滑行、起飛及著陸的全飛行過程,獲得對飛機進行全方位操縱和控制的直觀、生動的飛行體驗。

圖2 初教六飛機飛行模擬器

三型海軍主戰飛機的組網式桌面虛擬仿真訓練系統具有三折屏視景顯示范圍(如圖3所示),主要用于飛行學員進行主戰機型的空中虛擬飛行操作實驗和飛行程序教學體驗飛行。該系統以虛擬三維飛機為基礎,通過動畫演示、互動操作、動態原理和手冊的展示,實現該型飛機各系統知識的學習和程序的熟悉,實現對HUD/MFD/EFIS等實裝飛機綜合顯示設備畫面的認知。

飛行模擬訓練實驗的目的是模擬訓練和體驗飛行,使學員熟悉和掌握飛機的系統、功能以及機載設備的使用,完成座艙設備判讀、地標地物識別、機場環境認知,認識飛行檢查的意義,了解和掌握一般氣象條件和復雜氣象條件下的飛行程序及特情故障下的飛行操作,熟悉不同操作所產生的結果,加深對專業理論知識的理解,為今后進行飛行訓練奠定良好的基礎[11-12]。

圖3 三折屏桌面式虛擬仿真訓練系統

模擬訓練實驗包括各種能見度下的起落飛行訓練、特技模擬飛行訓練、雙機起落航線編隊、儀表飛行模擬訓練、發動機故障模擬訓練、特種設備故障模擬訓練、復雜天氣模擬訓練等。

模擬飛行實訓以其靈活、高效、安全的優勢,逐漸成為飛行教學中重要的現代化教學手段,它在培養飛行學員的飛行興趣、縮短訓練周期、提高飛行技術、培養特情處置能力、確保飛行安全等方面發揮著越來越重要的作用。模擬飛行訓練不僅可以提高學員的操作技能,而且可以對學員的實際飛行效果進行正確的評估,完成實裝條件下無法進行的課目訓練。因此,利用飛行模擬訓練實驗平臺所進行的模擬飛行訓練是提高飛行學員教學訓練質量的最有效途徑[11-12]。

1.3 虛擬空中對抗戰術實驗

虛擬空中對抗戰術實驗體現了軍隊航空院校的教育特色。實驗平臺包括三型海軍主戰飛機構成的虛擬空中對抗戰術實驗環境、基于2套飛行模擬器的空中編隊術訓練環境以及基于商業飛行游戲的競技飛行對抗戰術實驗環境,共同構建了一個集初教機編隊飛行實驗、主戰機型虛擬對抗戰術實驗和競技飛行于一體的綜合飛行體驗和虛擬對抗訓練模擬實驗平臺。

三型海軍主戰飛機虛擬仿真訓練系統構成了分隊級戰術模擬訓練和實驗系統,主要用于空勤學員進行雙機、四機或以上協同戰術應用訓練以及戰法研究、演練和作戰任務模擬訓練、推演等實驗。

兩套飛行模擬器的空中編隊術實驗(圖4所示)是基本型訓練模擬器具有的功能,能夠實現雙機起落航線編隊、空域簡單特技編隊和疏開隊形編隊模擬飛行訓練。飛行學員通過多次的編隊術飛行實驗,使學員掌握3種編隊方式的基本動作和基本理論知識,且能夠獨立地操作這3種編隊方式。

圖4 初教六雙機編隊飛行三維態勢

競技飛行對抗戰術實驗環境是基于商業飛行游戲軟件構建的組網式競技飛行平臺,包括微軟模擬飛行FSX、LockOn、WWII Online(激戰海陸空)、鷹擊長空2等模擬飛行游戲。游戲雖然簡化了航電的操作,但也有逼真的機械系統和武器系統模擬,一些蘇式飛機的空氣動力學模型也非常逼真,尤其是蘇-25及其改進型蘇-25T的空氣動力學模型是真實的氣動參數。學員可以模擬駕駛多種型號的飛機進行模擬空戰,實驗多種空中對抗戰術來爭奪制空權,并且具有很濃的趣味性和競技性,學員也具有很高的飛行熱情。

2 實驗教學的實施

航空虛擬仿真實驗平臺具有基于各種計算機軟件的網絡化和半實物化閉環仿真實驗環境,具有沉浸感和交互性的特點。平臺所提供的各種實驗和訓練項目需要在長期實踐教學的基礎上進行設計,主要面向基礎課學習階段的飛行學員和相關專業地勤學員。

根據學院教學訓練特點,結合本航空虛擬仿真實驗平臺的功能和特點,可以將飛行學員(3+2培養模式)和相關專業地勤學員的實驗分為3個階段進行組織。

2.1 學習初期

該階段學習時間為1年,主要是讓新入學的飛行學員近距離接觸飛機,觀看飛行、了解座艙設備,增強對飛機的感性認識,培養職業情感。開放式的教學環境使學員可隨時使用競技性飛行游戲進行對抗,體驗飛行及作戰的樂趣。

2.2 學習中期

該階段學習時間為1年,主要是為地勤專業學員的專業課程教學提供虛擬仿真實驗支持。教員利用模擬器進行教學工作,可進行飛行基本知識、飛行過程和操縱方法的第二課堂教學活動,由部隊飛行員組織實施教學和虛擬仿真實驗試飛帶教。此外,還可基于虛擬實驗平臺開展各類模擬飛行競賽活動。

該階段主要培養飛行學員熱愛飛行的志向,使他們盡早進行飛行知識的學習和體驗飛行,促進飛行學員對飛行課程的學習興趣。

2.3 學習后期

該階段學習時間也為1年。根據專業基礎課程的教學安排,該學習階段的主要任務是:

(1) 全面開展航理課程虛擬仿真實驗、飛行技術模擬訓練以及虛擬空中對抗戰術實驗,讓學員深刻地了解初教六飛機及海軍主戰飛機的座艙設備、機場環境等先期知識,為學員未來實際飛行初教六飛機打下良好的基礎；

(2) 利用面向實際飛機的桌面式模擬訓練系統,開設機載綜合顯控系統原理、畫面判讀等方面的課程,讓學員深刻了解未來駕駛的殲擊機中最為復雜的、綜合化程度最高的顯示畫面的認讀方法。

該階段同樣采用開放式的實驗教學環境,學員可隨時使用飛行模擬器進行飛行和對抗訓練,體驗飛行技術和作戰戰術,并與部隊飛行員交流訓練體會,組織學員前往部隊及模擬飛行訓練中心等單位實習及體驗生活。

3 實驗保障措施

航空虛擬仿真實驗平臺的建設和管理運行機制建設是實驗教學質量的保障。在建設和完善過程中,應構建實驗室管理、設備儀器管理、人員管理、實驗教學質量監控、運行經費保障的管理體系[13-14]。

3.1 建立健全規章制度,實現開放實驗教學

平臺對航空理論教學虛擬實驗、飛行技術模擬訓練實驗和虛擬空中對抗戰術實驗實行教學內容開放、實驗室開放、實驗教學設備開放,實現必修與選修相結合、課堂教學與第二課堂活動相聯系的實驗教學模式。

由于上課時間有限,可讓有興趣、有能力的學生利用業余時間,以第二課堂、科學探究小組形式對其感興趣的內容繼續探究實驗,把實驗課堂延伸到課外,拓展學生的思維、培養學生的創新能力,并實行教員負責、學員自主管理。為了確保這種新的實驗教學模式的正常運行,制定了相關的管理制度,并將實驗室的開放管理和設備維護納入實驗室管理人員的崗位職責和績效管理。

3.2 全面質量管理體系

(1) 人員管理體系。探索建立系列、配套的人員管理制度,規范實驗教學中心運行的具體環節,包括實驗室負責制、師資和技術隊伍培訓等。將教學、科研、教改研究等納入人員的考核指標中,定期召開教員及學員座談會,組織教員到飛行部隊體驗和學習飛行,邀請部隊飛行人員到院校進行講座交流,保證實驗教學人員的素質與教學質量。

(2) 資源保障體系(師資、財、物)。學院對飛行學員的航空虛擬仿真實驗教學工作高度重視,建立了一支熱愛和熟悉航空虛擬仿真實驗教學和模擬訓練,具有較高專業水平、較強教學科研和管理能力，既懂技術、也懂飛行的實驗教學和科研師資隊伍。同時,將飛行模擬器實驗平臺列入教學訓練裝備并撥付設備保養維護經費。

(3) 嚴格的教學保障體系。要將實驗平臺更好地應用于教學實踐中,還需建立校園網虛擬實驗預約系統和實驗實訓成績分析和評判系統,增加教學質量信息查詢、管理以及督導功能,形成學生評估、督導評估和同行評估三位一體的全面教學質量管理體系和質量保證系統,激勵和監督教員搞好實驗教學工作。

(4) 實行大型儀器設備專人管理。中心定期進行實驗儀器設備和實驗室安全環境檢查,及時更換故障件,保證儀器設備的配套、完好和利用率達標。

3.3 實驗室建設與海軍建設協調發展

在實驗室建設規劃方面,要緊跟海軍建設發展的大趨勢,具有超前性和先進性,依托海戰場信息與通信工程國家級虛擬仿真實驗教學中心的建設,面向空間科學與工程類飛行學員的實踐性教學環節,積極開展無人機、艦載機、鄰近空間飛行器等新型航空裝備的虛擬仿真實驗教學,形成學科—設備—隊伍—目標—管理各環節緊密相扣的系統性建設思路。

4 結語

航空虛擬仿真實驗平臺依托海戰場信息與通信工程國家級虛擬仿真實驗教學中心的建設,立足海軍初級飛行學員和地勤學員的人才培養和崗位需求,重視專業知識的學習、專業技能的培養以及職業素質的養成,在滿足飛行駕駛技術和空中對抗戰術訓練和實驗需求的同時,也為飛行控制系統原理、飛行原理、飛機儀表設備原理、飛機電氣設備原理、航空雷達和通信導航原理等專業課程提供了有力的實踐教學保障,并且使實驗更具開放性、趣味性和競技性,優化了學員對專業的理性認識和感性認識。

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Construction of experimental platform with aviation virtual simulation and teaching implementation

Zhang Bingqiang1, Lin Hongwen2, Fang Wei1

(1. Institute of Information Fusion, Naval Aeronautical and Astronautical University, Yantai 264001, China; 2. Department of Electronic and Information Engineering, Naval Aeronautical and Astronautical University, Yantai 264001, China)

This paper expounds on the construction hierarchy, teaching contents and arrangements of the experimental platform with aviation virtual simulation, then discusses the management mechanism and related guarantee measures at the same time. The experimental platform, which is constructed to meet the need of navy junior pilots and ground crew education and training, can not only meet the simulation requirement of flying skills and air combat tactics training, but also offer practical teaching guarantee for professional curriculums, such as principle of flight control system, principle of flight, aviation radar, principle of communication and navigation, and so on. As an open, interesting and competitive platform, it can optimize the professional knowledge of the students.

flight simulation; virtual simulation; experimental teaching platform

10.16791/j.cnki.sjg.2016.12.036

2016-05-17

泰山學者工程專項項目(ts201511020)資助

張兵強(1981—),男,河南開封,博士,講師,副主任,主要研究方向為機載設備仿真、飛行仿真、虛擬現實.

E-mail：zbqwh1981@163.com

G642.0；TP391

: B

: 1002-4956(2016)12-0146-04