基于Unity 3D的儀表飛行領航模擬系統應用研究

呂明陽 穆奕豪 李澤成 嚴俊建

摘? ?要：儀表飛行領航課程的教學中，受限于實驗室實驗設備的復雜性，不便于理論教學中直接使用，所以利用Unity 3D制作移動設備端可以使用的儀表飛行領航模擬系統。根據不同儀表領航科目進行專門的設計，使學生對領航過程有了更直觀的認識。并且經過實驗對比，此系統也可以縮短學生學習時間，鞏固學習效果，提高了學習效率。

關鍵詞：儀表領航;Unity 3D;模擬系統;試驗教學

飛行技術專業的儀表飛行領航課程，是一門注重實踐的課程。該課程所講內容為駕駛飛機時應該如何利用儀表進行領航，所以在進行理論教學過程中，一般使用模擬飛行訓練器進行實驗驗證。但是由于該設備是一種比較綜合、復雜的設備，所以不適合剛剛學習該課程的學生操作。所以一般在理論學習后再去實驗室進行實驗。在這過程中，理論學習與實驗課間隔時間比較久，學生有一定的知識遺忘。并且，理論學習過程中在二維平面上學習飛機的三維運動，學生會存在空間感上的不足。所以，采用仿真技術設計一款簡單易操作的儀表飛行領航模擬系統，可以在手機、平板電腦等手持設備上隨時使用，實現學生在理論課堂中沉浸式教學，是非常有必要的。

1 所需實現試驗科目

儀表飛行領航模擬系統需要實現等待航線、切入航線、儀表進近著陸的功能。等待航線具有調節空中交通流量、調配間隔的作用。如圖1所示，等待航線由等待定位點、入航航跡、入航端、出航航跡、出航端構成。當飛機偏離航線或者要飛向新的航線時，需要切入航線，如圖2所示，飛機需要調整航向切入預定航線。當飛機進場后，需要建立航向道、截獲下滑道后實施儀表進近著陸，如圖3所示。

2 系統實現功能確定

首先，通過調查問卷的方式，確定模擬系統實現的功能。發放調查問卷的對象為完整學習了飛行理論后，已在航校飛行了一段時間的飛行學員。因為飛行訓練過程中，飛行學員會對這些飛行科目進行訓練，所以此時的飛行學員能夠將課堂理論與實踐相結合，從實際訓練角度挖掘模擬系統需要實現的功能。本研究對30名飛行學員進行了調查問卷，飛行學員飛行階段分布如圖4所示：

根據調查結果分析，模擬系統需要模擬飛行訓練中預先準備階段、直接準備階段、飛行實施階段、航后講評階段。由于是模擬系統，本研究將預先準備階段、直接準備階段合并為準備階段，所以系統模擬準備階段、飛行實施階段、航后講評階段。

準備階段，需要系統提供飛行任務概述。本文采用圖形化的任務描述方式，例如以航圖的形式將等待程序展示，如圖5所示，將必要的飛機指示空速、風向及風速以文字、圖形化展示。飛行實施階段，仿照Garmin G1000界面，上方展示飛機的高度、速度、姿態，下方展示無線電磁指示器，如圖6所示。航后講評階段，為飛行航跡展示，結合飛行任務展示頁面，可以非常明確的了解到飛的是否標準，如圖7所示。

3 系統應用分析

3.1 實驗對象

在設計好模擬系統后，分別組織了20位還未學習儀表飛行領航課程的學生，此20位學生的績點排名，均在年級中間，保證了被試者的學習能力在差不多的水平。將20位同學分為A、B兩組，每組各10位同學。A組在不使用模擬系統練習的前提下觀看教學視頻學習，然后對其進行題目測試，記錄下此時的成績。然后使用模擬系統學習，再次測試記錄成績。B組同學直接同時使用模擬系統練習結合觀看教學視頻學習，然后進行測試，記錄測試成績。每次測試，均采用理論執照題庫隨機抽取10道題目進行測試，每道題目1分，滿分為10分。

3.2 實驗成績

兩次測試成績如圖8所示。A組在使用了模擬系統后，成績很明顯提高。但第一次未使用模擬系統學習的測試成績比B組使用了模擬系統后的測試成績要整體低很多。

對A、B兩組3次測試進行平均值、方差、均方差分析，如表1所示。A組第一次成績平均分為5.1分，第二次成績平均分為8.2分，平均提分3.1分。B組第一次成績平均分為7.9分，比A組第一次成績高2.8分，但是比A組第二次成績平均分第0.3分。同時，通過方差與均方差的對比，B組同學成績分布比A組同學成績穩定。

同學與A組同學訪談，A組第二次成績比B組成績高的原因是在第一次測試后，同學們發現了自身學習的不足，在使用模擬系統學習時更加有針對性的練習，達到了查漏補缺的效果。

4.結論

本文通過調查問卷的方式確定模擬系統需要實現的功能，然后基于Unity 3D模擬仿真技術實現，并對20位還未學習過儀表飛行領航課程的同學進行分組實驗。研究結果表明：

1） Unity 3D技術可以很好地對儀表飛行領航實驗進行模擬仿真;

2） 在首次學習時就使用理論學習結合模擬系統練習的方式，比單純理論學習的效果要好很多;

3） 在測試后，需要解決發現的問題，這樣才可達到比較好的學習效果。

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本文系中國民航大學大學生創新創業訓練計劃項目資助（項目編號：202010059135）

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