現代飛行訓練模擬器設計與實時控制方式分析

金肇鵬

（中國民用航空飛行學院，四川 德陽 618307）

眾所周知，現代飛行訓練模擬器是民航飛行員進行練習訓練的重要儀器之一。因此，筆者針對現代飛行訓練模擬器開展了研究。主要討論了模擬器開發的關鍵技術，并提出了未來的發展方向。

1 飛行訓練模擬器的功能與優勢

1.1 飛行訓練模擬器的功能

飛行訓練模擬器不僅可以為民航飛行中出現的問題提供技術或特種仿真訓練，還可以提供飛行仿真、飛行性能仿真、視景仿真、動態仿真、航空電子仿真等。可以綜合環境模擬和特定模型的聲音模擬。

1.2 飛行訓練模擬器的優勢

飛行訓練模擬器訓練成為飛行訓練發展的一個重要方向，原因如下：使用實際比例尺設備進行飛行訓練，成本較高。真實規模的培訓不僅需要復雜的技術支持人員和支持設備，而且在培訓過程中還會給實際設備帶來損失。所以，在飛行過程中，使用飛行訓練模擬器能夠有效降低飛行訓練的成本，從而提高一定的經濟效益。除此之外，飛行訓練模擬器能夠抵御氣候、地域以及環境的各種壓力，并能夠根據飛行的具體情況選擇需要訓練的訓練地點。實踐表明，飛行訓練模擬器訓練效果顯著。

2 飛行模擬器系統的組成和基本原理

我國的飛行模擬器主要根據包括飛行器以及機載系統仿真，飛行環境仿真和分布式網絡環境等部分組成。而所有的組成部分都配置了主干子系統。而飛機以及機載系統模型的計算主要是由飛機機載系統來進行完成。除此之外，飛行模擬器的主要功能在于為飛行員提供更加方便的指導控制，如為民航飛行員提供視覺聽覺等作用。而教學的控制模擬能夠實現對模擬器的控制。并能夠在仿真系統中實現信息檢索，從而達到交互仿真等功能。快捷的網絡數據能夠為飛行員提供良好的網絡環境，使民航飛行員在進行飛行訓練中達到零誤差。在模擬仿真中，模型的四部分都將會實時同步訓練。一般來說，每個子系統都會有一個網絡節點。而每個網絡節點中的數據都是通過模擬器的內部網絡進行交換的。另外，飛行模擬器以及機載系統的仿真模型主要包含以下幾個方面：飛行動力模擬模型、計算飛行器載荷量。通過對以上數據的分析，求解出飛行器的具體方程。以此類推，求出發動機的運動動態。系統功能可與飛控系統直接連接各種邏輯開關和顯示器。各子系統的動態響應特性差異很大。

飛行模擬器的基本原理：仿真系統控制臺命令和控制下，依照預定的飛行程序和相關飛機飛行仿真事件系統參數,根據仿真的結果和駕駛模擬駕駛艙儀表板,視覺和音頻模擬數據系統為飛行員提供了真實場景的感知；在仿真座艙中，實時采集駕駛員的手動操作，并實時求解仿真模型，實現仿真系統的人在環交互式仿真。在教學平臺上，提供了軟儀器，將模擬的駕駛艙儀表盤實時反映飛行員的真實感受，并提供了逼真的三維圖形顯示軟件，供教師了解飛行參數、飛行員操作和飛行狀態。

3 基于飛行模擬器系統的同步方法

3.1 同步模型的設計

為了減少網絡中數據的傳輸，特別是鏡像與數據倉庫之間的通信，從而設計出基于鏡像無數據倉庫的一種飛行模擬器系統。另外，發布訂閱系統主要選取5g的優先訂閱級。針對優先級模型來處理復合事件的問題。同步模型設計主要是以擴展時間序列的事件處理機制。其優點在于能夠在最短時間內分析出民航在飛行事故發生的原因。但是，通常很少有人對發布和訂閱系統中復合事件的時態邏輯模型進行研究。本文將發布和訂閱劃分為兩個流程：一個在模擬節點之間，另一個在兩個虛擬存儲之間。換句話說，當每個發布方發布的事件序列滿足某些標準時，節點會得到通知，從而提高仿真節點的可伸縮性和性能，并實現模擬器系統。

3.2 時序控制

在仿真系統的數據同步中，定時控制尤為重要。仿真節點之間的時序具有邏輯要求。時序控制主要在于讓定時控制以及通訊效率達到供需平衡的狀態。同時，設計出兩種不同形態的通信定時。兩者之間同樣也存在著關鍵性。而這兩種通行定時指的是時鐘積極模式以及事件積極模式。除此之外，時序控制的時長主要10ms。事件激勵的的主要方法在于對仿真系統中存在的一系列問題及時做出回應。通過數據網絡的形式通知該節點。接下來，在仿真節點中，如果采用時鐘激勵的方法，那么，對時間的依賴性則相對較小。利用事件激勵設計飛行訓練仿真系統的重要仿真時間節點和事件節點，包括教練員控制、飛行指令、操作指令等信息。從系統角度來看，由于時間相關性小的仿真參數占90%以上，通過時間激勵可以在不丟失關鍵信息的情況下，有效提高系統的通信效率，從而實現對時間的有效控制。

4 飛行模擬器系統技術方法

一般來說，模擬器采用的技術手段可以分為三種基本模式：物理模擬、數學模擬和物理數學混合模擬。物理模擬使用物理模型來模擬環境、接口和過程。數學仿真主要是根據計算機技術建立飛行模擬器系統。依照我國現有的飛行模擬系統以及載人航天飛行總結出的經驗總結，可以采用物理仿真以及數字仿真的模擬技術，以此減少物理模擬仿真的占比比重。并在此基礎上，增加數學模擬仿真的比重。現有技術水平的基礎上,完成了硬件設備的基礎上,模擬駕駛艙界面，該軟件用于實現空間的數學模擬場景在側窗外,建立和完善場景的三維空間模型和天體,并創建虛擬現實的飛行環境。這樣的虛擬場景為民航飛行訓練奠定了基礎。在建立和完善外飛行虛擬場景的基礎上，逐步實現了駕駛艙儀表盤和乘員人機界面的軟儀表化，充分利用高性能計算機、實時多任務操作系統及相應工具。

隨著軟件和平板顯示器領域的創新和突破，構建了一套可編程、易于維護和升級、通過軟件在平板顯示器上顯示的虛擬座艙儀表盤系統。借助該技術，可以很容易地改變座艙儀表盤系統的顯示和操作界面。在此基礎上，結合駕駛艙視覺系統顯示圖像的一些變化，可以方便地在同一硬件平臺上實現不同任務的仿真訓練。另外，在模擬座艙中逐步開發和建立人的定位傳感系統，包括基于磁、電、光、聲原理的傳感器，實現人機多通道交互。在較大的座艙環境中，建立基本完整的人體定位傳感器系統，結合數據手套、數據服和頭盔顯示器，就可以構建一個近乎完美的虛擬現實飛行訓練模擬器。

5 現代飛行訓練模擬器設計與實時控制方式的有效策略

5.1 資金投入持續增長，職能/成本合理劃分，集中管理

飛行仿真訓練可以節省大量飛行訓練開支，已成為民航發展的關鍵領域。因此，為了能夠降低實際訓練的成本，采用新一代仿真系統。通過使用飛行模擬訓練器來完成訓練項目。綜合來說，使用模擬訓練器的總成本遠遠小于實際訓練的成本。目前來說，我國大多數航空公司或者飛行訓練學校已經根據實際的需要配備了各種模擬器，并建立了培訓訓練中心，為民航后勤保障以及系統維修提供了一定的技術保障。

5.2 為了滿足不同類型和功能的培訓需求，模擬器網絡和內部協調成為培訓的重點

為滿足信息化條件下系統運行的要求，飛行訓練模擬器不僅要側重于民航日常訓練的仿真訓練，還要能夠進行多平臺、多系統的仿真練習。仿真模擬系統通過仿真平臺和仿真平臺實現。系統互連網絡化，實現一定規模的飛行仿真訓練。在高技術聯合訓練中，飛行訓練模擬器的合同化程度越來越高，研制滿足飛行要求的飛行訓練模擬器是十分必要的。分布式仿真交互(DIS)技術已成為民航應用的主要技術。

6 展望

伴隨著我國科學領域的跨領域發展，飛行模擬器主要從以下幾個方面進行闡述。采用機構建模、系統辨識、模糊建模、神經網絡建模和模糊神經網絡建模等仿真建模技術，建立民航飛行系統的各種模型，其動態響應和精度均能滿足訓練要求。計算機成像以及音頻回放模式對于運動模擬系統控制技術的應用都進行了完善，能夠更加生動逼真的模擬航空民航飛行的整個過程。人工智能、神經網絡、專家系統等智能技術的應用，能夠改善訓練評估的方法。在民航飛行領域最著名的項目之一是使用虛擬現實訓練模擬器訓練飛行人員和地面支持開展維修任務,以確保飛行模擬器在飛行中避免受到損害。分布式交互仿真(DIS)已經被應用于大型聯合系統。因此，總的來說，飛行訓練模擬器控制技術能夠對飛行領域有著巨大的利用價值，值得借鑒。