淺析中小型無人機模擬訓(xùn)練中心建設(shè)

沈括

當前，中小型無人機技術(shù)迅猛發(fā)展，大量無人機在越來越多的領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。作為國防綜合體的新型裝備，對指揮和操控人員的能力素質(zhì)要求越來越高，相關(guān)專業(yè)人員急需通過系統(tǒng)培訓(xùn)，不斷提高能力素質(zhì)。無人機由于其技術(shù)先進、組成復(fù)雜、造價昂貴，采取實裝訓(xùn)練風險大、周期長、消耗高，致使培訓(xùn)過程困難多、效益低，運用模擬訓(xùn)練是當務(wù)之急，為建立系統(tǒng)化、體系化、通用化無人機訓(xùn)練模式，本文淺析—種中小型無人機模擬訓(xùn)練中心建設(shè)方案。

無人機操控員不僅要熟悉具體型號的氣動特性，還要具備一定的操控經(jīng)驗和良好的心理素質(zhì)。另外，無人機使用壽命有限，實際訓(xùn)練中的正常和非正常損耗，會導(dǎo)致實際訓(xùn)練費用過高。同時，傳統(tǒng)的錄像教學(xué)、傳幫帶培訓(xùn)等方式效果不佳，無人機實際飛行又受空域等條件的限制，飛行訓(xùn)練一般都較難組織，嚴重影響了培訓(xùn)效果。因此，建設(shè)中小型無人機模擬訓(xùn)練中心十分必要。

中小型無人機模擬訓(xùn)練系統(tǒng)是一種為地面操控人員提供具有真實感的實時訓(xùn)練模擬裝置。訓(xùn)練對象包括飛行控制操控手、任務(wù)控制操控手和無人機指揮人員等。訓(xùn)練內(nèi)容主要包括無人機基礎(chǔ)知識、飛行指揮與組織、飛行控制、任務(wù)控制、故障模擬和系統(tǒng)協(xié)同控制等。主要功能及使用要求

本建設(shè)方案是基于分布式計算機網(wǎng)絡(luò)的無人機系統(tǒng)綜合仿真，在無人機系統(tǒng)地面設(shè)備組成基礎(chǔ)上，建立相應(yīng)的仿真機構(gòu)，構(gòu)成相對獨立卻又相互關(guān)聯(lián)的仿真系統(tǒng)，從而進行無人機系統(tǒng)飛行作業(yè)的綜合仿真，實現(xiàn)操控人員的培訓(xùn)和訓(xùn)練。

中小型無人機模擬訓(xùn)練系統(tǒng)為脫機工作、室內(nèi)使用。主要功能是，為無人機基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)提供授課平臺;進行無人機全程操控飛行模擬訓(xùn)練，包括飛行控制、數(shù)據(jù)鏈管理以及任務(wù)控制等;模擬無人機系統(tǒng)開機自檢和初始化設(shè)置操控;設(shè)置訓(xùn)練科目，進行指定科目的訓(xùn)練;設(shè)置多種飛行故障;具備虛擬仿真訓(xùn)練功能，包括無人機飛行仿真、任務(wù)設(shè)備仿真和一定功能的視景仿真等;在線考試功能;具備本系統(tǒng)的故障自檢功能。

硬件采用模塊化設(shè)計，突出通用性要求，能夠針對多種型號中小型無人機開展模擬訓(xùn)練，盡量選用通用設(shè)備，便于替換。系統(tǒng)功能與組成

中小型無人機模擬訓(xùn)練系統(tǒng)主要有系統(tǒng)管理、飛行仿真、視景仿真、故障模擬、在線考試等功能。

系統(tǒng)管理負責整個訓(xùn)練過程的管理與控制，包括對系統(tǒng)工作狀態(tài)、操控過程等進行監(jiān)控，訓(xùn)練科目、環(huán)境選擇與設(shè)置，訓(xùn)練過程管理。此外，仿真過程應(yīng)具有開始、暫停、停止、記錄及回放等功能。飛行仿真主要包括飛行控制仿真、數(shù)據(jù)鏈管理仿真、任務(wù)設(shè)備控制與管理仿真以及故障仿真。

其中，飛行控制仿真主要具備系統(tǒng)飛行初始化設(shè)置、飛行控制、導(dǎo)航控制、發(fā)動機控制、任務(wù)規(guī)劃、無人機狀態(tài)回報等功能;數(shù)據(jù)鏈管理仿真主要具備地面數(shù)據(jù)鏈終端控制、機載數(shù)據(jù)鏈終端控制、數(shù)據(jù)鏈狀態(tài)信息回報等功能;任務(wù)設(shè)備控制與管理仿真主要具備機載光軸穩(wěn)定平臺控制、任務(wù)設(shè)備狀態(tài)信息回報等功能;故障仿真主要包括航空電子故障、數(shù)據(jù)鏈故障、飛行器故障、任務(wù)設(shè)備故障等。視景仿真主要包括地形視景仿真、任務(wù)設(shè)備仿真。在線考試功能主要是通過網(wǎng)絡(luò)提供在線考試，評定受訓(xùn)人員的操控能力。

系統(tǒng)主要由模擬訓(xùn)練系統(tǒng)主控臺、訓(xùn)練操控臺以及相關(guān)配套設(shè)備等組成，其構(gòu)成如圖1所示。

由圖1可見。系統(tǒng)組成可分為主控臺和訓(xùn)練操控臺兩個部分。其中主控臺主要包括仿真計算機、視景仿真計算機等模擬仿真設(shè)備和系統(tǒng)管理計算機、投影儀等系統(tǒng)管理設(shè)備。訓(xùn)練操控臺主要包括飛行控制柜、任務(wù)控制柜、指揮控制柜以及接口設(shè)備等。

中小型無人機模擬訓(xùn)練系統(tǒng)通過接口轉(zhuǎn)換設(shè)備，將主控臺輸出的系統(tǒng)狀態(tài)信息轉(zhuǎn)換成地面監(jiān)控設(shè)備所需的標準數(shù)據(jù)格式，利用與無線電數(shù)據(jù)鏈終端接口相同的通信電纜實現(xiàn)中小型無人機模擬訓(xùn)練系統(tǒng)與訓(xùn)練操控臺設(shè)備的連接。

系統(tǒng)方案

考慮到系統(tǒng)實用性要求、設(shè)備成本以及設(shè)計復(fù)雜性等問題，本系統(tǒng)擬建立與地面控制站結(jié)構(gòu)相對獨立的主控臺，與訓(xùn)練操控臺組合使用，構(gòu)成中小型無人機模擬訓(xùn)練系統(tǒng)。中小型無人機模擬訓(xùn)練系統(tǒng)主要通過數(shù)學(xué)仿真，模擬全系統(tǒng)工作狀態(tài)，提供狀態(tài)信息，包括遙測及遙控信息、電視圖像信息以及地面數(shù)據(jù)鏈終端信息等。中小型無人機模擬訓(xùn)練系統(tǒng)信號組成關(guān)系如圖2所示。

為便于使用和運輸。中小型無人機模擬訓(xùn)練系統(tǒng)采用可拆卸機箱結(jié)構(gòu)，將相關(guān)設(shè)備安裝在相應(yīng)的控制機柜內(nèi)，相關(guān)系統(tǒng)內(nèi)部通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)互連，同時建立相應(yīng)的信息接口，實現(xiàn)主控臺與訓(xùn)練操控臺之間的連接。

主控臺作為全系統(tǒng)前端，主要承擔系統(tǒng)初始化設(shè)置以及仿真計算，模擬飛行運動，生成任務(wù)信息;同時接收訓(xùn)練操控系統(tǒng)指令信息，產(chǎn)生響應(yīng)。訓(xùn)練操控系統(tǒng)提供真實設(shè)備平臺，供操控人員訓(xùn)練使用。訓(xùn)練操控系統(tǒng)接收模擬訓(xùn)練系統(tǒng)下傳信息，并做相應(yīng)處理，通過顯示器提供系統(tǒng)狀態(tài)信息，操控人員可通過操控平臺中的鼠標、鍵盤、按鍵、旋鈕以及操縱桿發(fā)送控制指令，操控無人機飛行以及任務(wù)設(shè)備工作。系統(tǒng)工作流程、設(shè)備構(gòu)成如圖3、4所示。

工作原理

系統(tǒng)管理計算機負責整個訓(xùn)練過程的監(jiān)控、管理和控制。同時它作為一種服務(wù)器，采用分布式關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理，來完成訓(xùn)練過程的記錄以及多媒體培訓(xùn)數(shù)據(jù)庫的管理。功能有網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信、系統(tǒng)狀態(tài)選擇、仿真初始條件設(shè)置、參數(shù)裝定、系統(tǒng)在線編輯與加載、工作狀態(tài)監(jiān)控和在線考試。軟件組成包括系統(tǒng)狀態(tài)控制模塊、初始條件設(shè)置模塊、在線考試模塊、記錄與回放模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊和工作狀態(tài)監(jiān)控。

系統(tǒng)管理計算機包含試題庫，有單項選擇題、多單項選擇題及正確答案，而且提供在線試題輸入功能。學(xué)員進入考試系統(tǒng)時，隨機調(diào)出若干道題目，開始計時，學(xué)員答完試題可選擇提交，如超過考試時間系統(tǒng)會強制提交，同時給出分數(shù)。在線考試擬采用直觀的網(wǎng)絡(luò)多媒體網(wǎng)頁（web）形式，系統(tǒng)管理計算機作為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，存有大量試題庫，用戶可通過計算機網(wǎng)絡(luò)在地面控制站瀏覽無人機知識考試網(wǎng)頁。

飛行仿真計算機主要擔負視景仿真以及控制站的數(shù)據(jù)驅(qū)動。它通過各種數(shù)學(xué)模型計算生成模擬對象所需的各類數(shù)據(jù)源，包括遙測信息和遙控信息等。其功能有網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收發(fā)、接口數(shù)據(jù)處理、上行指令解碼及仿真給定輸入加載、任務(wù)規(guī)劃加載與裝定、無人機飛行控制數(shù)學(xué)模型計算、無人機導(dǎo)航模型計算、無人機動力系統(tǒng)模型計算、無線電數(shù)據(jù)鏈模擬仿真、故障模擬仿真、仿真結(jié)果輸出及下行狀態(tài)編碼。軟件主要分為飛行運動、設(shè)備狀態(tài)和通信接口三部分，其中飛行運動包括六自由度運動、定位導(dǎo)航和風場，設(shè)備狀態(tài)包括發(fā)動機、飛控、傳感器、伺服機構(gòu)、機載供電、機載數(shù)據(jù)鏈、地面數(shù)據(jù)鏈和任務(wù)設(shè)備，接口通信包括遙控、遙測和網(wǎng)絡(luò)。

視景仿真包括起飛、巡航、目標搜索、跟蹤定位、回收等無人機飛行全過程視景圖像模擬仿真。視景仿真計算機通過飛行仿真計算機獲取無人機運動以及機載任務(wù)設(shè)備狀態(tài)信息，驅(qū)動視景場景，輸出標準制式圖像信號。通過視頻轉(zhuǎn)換器提供至地面控制站。功能主要有接收網(wǎng)絡(luò)信息、接受狀態(tài)參量、驅(qū)動圖形圖像模塊、三維地形視景仿真、光電任務(wù)設(shè)備控制模擬仿真、光電任務(wù)設(shè)備信息疊加、大規(guī)模地形數(shù)據(jù)庫管理、特殊效果輸出和視頻信號處理與輸出。軟件主要由地形建模、光照建模、光電任務(wù)平臺模型、特殊效果和網(wǎng)絡(luò)通信等。

為實現(xiàn)訓(xùn)練與實踐的有效結(jié)合，訓(xùn)練操控系統(tǒng)采用與現(xiàn)有無人機功能相同的設(shè)備作為訓(xùn)練操控平臺，即地面控制站。其可提供無人機全系統(tǒng)飛行監(jiān)控、任務(wù)監(jiān)控以及飛行指揮等訓(xùn)練內(nèi)容。地面控制站可對全系統(tǒng)進行控制和管理，同時作為信息處理終端，對無人機下行遙測以及視頻信號進行處理?；谀M訓(xùn)練的地面控制站系統(tǒng)主要功能有飛行指揮與控制、參數(shù)綜合顯示、地圖航跡顯示、飛行任務(wù)規(guī)劃、任務(wù)設(shè)備控制、任務(wù)電視圖像顯示、數(shù)據(jù)鏈控制與管理、飛行數(shù)據(jù)記錄與回放等。

系統(tǒng)通信主要采用電纜傳輸方式，傳輸串行數(shù)據(jù)、視頻信號以及網(wǎng)絡(luò)信息。

主控臺對外通信系統(tǒng)主要通過串口實現(xiàn)訓(xùn)練操控系統(tǒng)的飛行測控信息交換，通過標準視頻接口向訓(xùn)練操控系統(tǒng)提供視景圖像信息，通過網(wǎng)絡(luò)集線器實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部信息交換如圖5所示。

網(wǎng)絡(luò)通信主要實現(xiàn)相關(guān)系統(tǒng)內(nèi)部之間的信息交換，對于地面控制站系統(tǒng)而言，增設(shè)相應(yīng)的硬件設(shè)備，通過網(wǎng)絡(luò)通信可擴展多用戶訓(xùn)練操控。主控臺網(wǎng)絡(luò)通信主要實現(xiàn)系統(tǒng)管理、飛行仿真以及任務(wù)仿真之間的信息交換，系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)如下圖所示。地面控制站系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信主要實現(xiàn)實時處理、綜合顯示、地圖航跡以及任務(wù)控制之間的信息交換。

隨著多媒體和虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)的發(fā)展，視景仿真成為新興的可視化技術(shù)。如何提供具有真實感的訓(xùn)練環(huán)境，是本系統(tǒng)的工作重點。應(yīng)當重點探索解決以下問題：一是如何實現(xiàn)飛行系統(tǒng)與任務(wù)載荷的有機結(jié)合，二是如何提高模型的準確度。

采用先進的視景仿真軟件，結(jié)合具體系統(tǒng)工程特性，在成熟的飛行仿真技術(shù)支持下，建立飛行、任務(wù)仿真系統(tǒng)，并通過迭代方法，完善系統(tǒng)模型，從而提供能夠滿足各項指標要求、具有臨場真實感的中小型無人機模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，將會成為中小型無人機模擬訓(xùn)練中心建設(shè)的解決方案之一。