某型機飛行訓練模擬器座艙顯示系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

文/張青峰 徐振黔 秦正運

1 引言

飛行訓練模擬器是用于飛行員進行飛行訓練的模擬器，使飛行員掌握相關(guān)機型的飛行駕駛技術(shù)，以及該機型所涉及的重要設備操作方法。飛行訓練模擬器通過實時仿真技術(shù)，在地面模擬飛行駕駛環(huán)境對飛行員進行訓練和考核，該方法不受氣象和場地的影響，具有節(jié)省訓練成本、保證飛行安全和提高訓練效率的訓練效果。座艙顯示系統(tǒng)是飛行訓練模擬器的人機交互窗口，為飛行員提供系統(tǒng)性能參數(shù)和飛行信息顯示，減輕飛行員的負擔。

本文基于某型直升機飛行訓練模擬器的需求進行座艙顯示系統(tǒng)設計與實現(xiàn)，力求與機載狀態(tài)保持一致，經(jīng)訓練考核，飛行員可以迅速適應真實機載環(huán)境。

2 國內(nèi)外飛行訓練模擬器發(fā)展

自二十世紀初飛機發(fā)明，飛行訓練模擬器也隨之相伴而生。在經(jīng)過二戰(zhàn)的洗禮后，全世界都認識到飛機對于整個戰(zhàn)場的重要作用，然而對飛行員進行實裝訓練，既成本高昂，又具有一定的安全風險。為克服實裝訓練的缺點，提高訓練效率，各國都紛紛投入到飛行訓練模擬器的研制，模擬器的訓練成效也在海灣戰(zhàn)爭中得到了出色體現(xiàn)。

二十世紀八十年代末，印度開始重視訓練模擬器的研究和使用，為此專門購買了一臺2000JH 球形模擬器，服務于其裝備的36 架幻影2000 型戰(zhàn)斗機。二十世紀九十年代末，美空通過網(wǎng)絡技術(shù)將位于不同地區(qū)的模擬器連接起來進行協(xié)同模擬訓練，突破了傳統(tǒng)的單兵模擬訓練模式。美軍的F-22 戰(zhàn)機配備了全任務訓練模擬器，可動態(tài)模擬飛行過程中的大氣和地貌環(huán)境，以及空中威脅目標，給飛行員以身臨其境的感覺。

圖1：飛行訓練模擬器組成

圖2：座艙顯示系統(tǒng)設計

圖3：顯控計算機仿真軟件功能模塊

我國也非常重視飛行訓練模擬器的研究和使用，經(jīng)過多年的努力，取得了一些進展，特別是進入二十一世紀后，先后成功研制了各種固定翼飛機和螺旋槳飛機飛行模擬器等，并大量應用于飛行訓練中，無論訓練效果還是經(jīng)濟效益，都得到了顯著提高。但是，與技術(shù)發(fā)達的西方國家相比，我國在飛行訓練模擬器方面還存在許多缺陷和不足。例如模擬器很少具有特情處理功能，無法很好地模擬出飛行過程中的突發(fā)情況，難以訓練飛行員對于應急情況的處理能力；仍處于單人模擬訓練模式，與美國等其他先進國家多軍種的協(xié)同作戰(zhàn)模擬還有一定的差距，需重視聯(lián)網(wǎng)協(xié)同的發(fā)展方向；在市場上缺乏競爭力，沒有代表性的機構(gòu)和公司，還有待形成規(guī)模。

3 飛行訓練模擬器組成

如圖1所示，飛行訓練模擬器針對某型直升機真實座艙尺寸按比例1:1進行實物仿真，由飛行仿真系統(tǒng)、座艙顯示系統(tǒng)、運動系統(tǒng)、視景系統(tǒng)、音響系統(tǒng)以及教員臺組成。

教員臺控制模擬器的整體運行，設置飛行系統(tǒng)參數(shù)，監(jiān)控和記錄訓練過程，評估和考核學員成績，幫助提高和掌握飛行技術(shù)。

飛行仿真系統(tǒng)運行飛行仿真軟件，接收教員臺和駕駛座艙的操縱指令，對飛行模型進行建模求解，輸出飛機實時位置、姿態(tài)等各種飛行運動參數(shù)給座艙顯示系統(tǒng)等其他系統(tǒng)。

仿真環(huán)境產(chǎn)生逼真的模擬飛行環(huán)境，其中座艙顯示系統(tǒng)提供人機交互窗口，實時化顯示所有的飛行信息和系統(tǒng)參數(shù)；操縱負荷系統(tǒng)給飛行員操縱負荷的力感；運動系統(tǒng)通常采用六自由度的運動，使飛行員感受到飛行時位置，姿態(tài)和加速度等運動變化；視景系統(tǒng)模擬座艙外部的空中和地面景象，音響系統(tǒng)輸出旋翼噪音、發(fā)動機噪音和氣流噪音等與真實飛行時類似的音響效果，給飛行員以身臨其境的感覺。

4 座艙顯示系統(tǒng)構(gòu)建

模擬器座艙顯示系統(tǒng)由數(shù)字地圖計算機、顯控計算機、多功能鍵盤計算機和顯示計算機組成，通過以太網(wǎng)組網(wǎng)，采用UDP 點對點方式，系統(tǒng)內(nèi)部以顯控計算機為核心進行網(wǎng)絡數(shù)據(jù)交換。如圖2所示。

數(shù)字地圖計算機、顯控計算機、多功能鍵盤計算機和顯示計算機均采用工業(yè)計算機，分別運行相對應的仿真軟件。其中顯示計算機配備工業(yè)液晶顯示器，運行顯示仿真軟件時，顯示器投影為4 個獨立顯示屏幕，每個顯示屏幕具有周邊按鍵（與機載環(huán)境一致），分別操作顯示屏幕的周邊按鍵時，4 個顯示屏幕的畫面獨立進行顯示。多功能鍵盤計算機配備一體化面板，面板上部分為液晶顯示屏幕，下部分為鍵盤按鍵，運行仿真軟件時液晶顯示屏幕實時響應當前按鍵操作。

5 座艙顯示系統(tǒng)功能實現(xiàn)

5.1 顯控計算機功能模塊

顯控計算機是座艙顯示系統(tǒng)的核心，是座艙顯示系統(tǒng)與外部仿真系統(tǒng)的外部接口和系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)交換中心。顯控計算機仿真軟件分為5 個功能模塊，如圖3所示。

5.1.1 網(wǎng)絡通訊模塊

負責整個網(wǎng)絡的參數(shù)配置，定義與飛行仿真系統(tǒng)、數(shù)字地圖計算機、多功能鍵盤計算機、顯示計算機的網(wǎng)絡連接，網(wǎng)絡配置成功后系統(tǒng)方可正常運行。

5.1.2 接口模塊

控制整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流，定義系統(tǒng)外部數(shù)據(jù)接口和內(nèi)部數(shù)據(jù)接口。外部數(shù)據(jù)接口為與飛行仿真系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口，內(nèi)部數(shù)據(jù)接口為與數(shù)字地圖計算機、多功能鍵盤計算機和顯示計算機的數(shù)據(jù)接口。數(shù)據(jù)接口定義后，所有單元部件必須嚴格按照所定義的外部或內(nèi)部數(shù)據(jù)接口進行數(shù)據(jù)交換。

5.1.3 控制模塊

多功能鍵盤和顯示器控制，當多功能鍵盤和顯示器進行按鍵操作時，顯控計算機需實時對按鍵信息進行響應；光標控制，操作光標控制桿時，顯控計算機實時解算光標的移動位置，發(fā)送給顯示器實時顯示；地圖控制，實時向地圖生成計算機發(fā)送當前位置、地圖縮放比例、旋轉(zhuǎn)角度等信息；導航解算，動態(tài)規(guī)劃飛行路線，實時發(fā)送當前飛行航線信息。

5.1.4 顯示調(diào)度模塊

根據(jù)收到的顯示器周邊鍵按鍵信息，更新發(fā)送給顯示器的畫面顯示數(shù)據(jù)；根據(jù)收到的多功能鍵盤按鍵信息，發(fā)送給多功能鍵盤的請求數(shù)據(jù)。

5.1.5 存儲模塊

基于文件存儲運行過程所需數(shù)據(jù)，如飛行所需航路點航線數(shù)據(jù)庫，多功能鍵盤裝訂的場壓、決斷高度等數(shù)據(jù)，并可以進行斷電保存。

模塊間功能圖如下。

5.2 多功能鍵盤功能模塊

多功能鍵盤主要為座艙顯示系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)輸入、編輯和裝訂系統(tǒng)參數(shù)等功能。

（1）提供中文、英文和數(shù)字輸入功能；

（2）編輯航路點、航線，完成航路點、航線新建、插入、修改和刪除功能，并將航路點、航線發(fā)送給顯控計算機；

（3）裝訂大氣氣壓基準、決斷高等數(shù)據(jù)；

（4）設置導航、通信等系統(tǒng)參數(shù)和工作模式。

5.3 數(shù)字地圖功能實現(xiàn)

數(shù)字地圖用于提供執(zhí)行任務地區(qū)的平面航圖、地形/地貌彩色顯示，數(shù)字地圖仿真軟件主要運行過程如下：

（1）加載地圖文件，初始化地圖參數(shù)設置；

（2）建立與顯控計算機的網(wǎng)絡連接，接收顯控計算機發(fā)送的實時位置，地圖縮放比例和旋轉(zhuǎn)角度等數(shù)據(jù)，根據(jù)顯示窗口大小解算并繪制顯示地圖；

（3）根據(jù)飛機位置、顯示模式（地穩(wěn)、地滾）變化移動或旋轉(zhuǎn)地圖，更新地圖繪制；

（4）通過視頻線將視頻信號輸出給顯示器疊加顯示。

5.4 顯示器功能實現(xiàn)

顯示器是座艙顯示系統(tǒng)的顯示終端，4 個顯示屏幕都配有周邊按鍵并可以相互獨立操作進行畫面切換，顯示器仿真軟件主要功能如下：

（1）初始化顯示窗口，按照配置文件對應顯示屏幕位置（同時運行4 個進程，分屏顯示）；

（2）顯示基于OpenGL，繪制地平儀、羅盤、空速表、升降速度表和高度表等圖形圖符；

（3）接收顯控計算機的顯示數(shù)據(jù)，驅(qū)動圖形圖符和畫面數(shù)據(jù)實時刷新顯示；

（4）采集顯示器周邊按鍵信息，將飛行員操作時的按鍵信息發(fā)送給顯控計算機；

（5）通過視頻采集卡采集來自數(shù)字地圖的視頻信號，疊加地圖視頻作為背景畫面顯示。

圖4：顯示器運行流程圖

顯示器仿真軟件運行流程如圖4所示。

6 結(jié)束語

針對某型直升機模擬器座艙顯示系統(tǒng)的需求，基于網(wǎng)絡的設計方法，完成座艙顯示系統(tǒng)設計與實現(xiàn)。經(jīng)實際使用證明，該座艙顯示系統(tǒng)設計風格與機載保持一致，系統(tǒng)運行性能穩(wěn)定，駕駛信息顯示準確無誤，具有良好的實時性和穩(wěn)定性，滿足飛行訓練模擬器的使用要求。