某型飞机模拟仿真系统组建和研究

欧杰+李岑

摘 要 为满足我国航空业对试飞员和指挥员的培训需求，为试飞关键技术研究和演示验证提供必要的技术支持，以更好更快地开展试飞方法和试飞员培训技术的研究，开发了一套基于某型飞机模型的工程化的仿真系统。该系统主要包括指挥引导仿真平台、飞行仿真器、实时网络系统，对各个模块的组建方法、技术指标和难点进行了介绍和研究。该系统已用于试飞员、指挥员的模拟飞行操纵培训中，实验结果和试飞员评述表明：该平台完全达到了试飞员飞行培训、指挥员模拟操纵的要求。

关键词 培训；仿真；可视化；平台

中图分类号：V217 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）07-0055-03

1 基本概述

近年来，随着我国综合国力的提升，在世界多极格局中扮演着越来越重要的角色。建设现代化军队，首当其冲的就是各军兵种装备和人才能力的提升，其中试飞员和指挥员的培训任务更是为重中之重。因此开展针对某型飞机的飞行模拟技术开展研究，具有非常重要的意义。

某型机飞行试验模拟系统建设主要满足试飞员和指挥员的培训任务、试飞关键技术研究和演示验证以及仿真模型验证等方面。其中，试飞培训主要针对该型机试飞员、指挥员和试飞工程师的培训，以提高参试人员的理论、技术水准和技术熟练度，增强试飞信心和试飞安全；试飞关键技术研究与验证主要针对该型机飞行试验所特有的困难和风险进行研究，以提高飞行试验的效率，减小试飞风险，加快试飞进度；仿真模型的验证将是以后空、海军试飞员地面模拟训练的重要保障。

2 模拟仿真系统组建原理

2.1 模拟仿真系统组建基本构架

该型机的飞行仿真系统主要包括：指挥引导仿真平台、飞行仿真器、实时网络与信息处理等。由于以上各部分内容算法复杂，因此将其分为子模块，通过光纤与主仿真器进行数据交互。具体示意图如图1所示。

图1 某型机模拟器结构示意图

2.2 其他关键仿真系统组成

在一个逼真的仿真系统环境中，还需要其他关键仿真模块的组成，主要包括模拟座舱模块、人感操纵系统模块、仿真视景模块等[1]。这些仿真模块的好坏，直接决定着整个仿真系统的逼真程度。因此，对每个模块都有着较高的指标要求。

例如人感操纵系统模块主要实现主操纵系统（纵向、横向、航向的三通道操纵）的操纵力/位移特性，采用电动人感系统实现，由三信道电动人感系统、配套杆系和操纵加载系统软件组成。结合目前国内通用模拟器使用要求，具体实现指标如下。

1）提供光滑、平稳的力感觉。

2）可进行操纵系统启动力、死区、阻尼比、摩擦力、最大操纵力、最大操纵速度、最大操纵位移的调节，调节范围满足飞机操纵系统的技术指针要求。

3）频率响应：50 Hz～100 Hz。

4）最大时间延迟不大于60 ms。

5）噪声幅值不大于20 dB。

6）系统精度：小于1%满量程。

3 模拟器组建方法

如图1所示，该型机模拟仿真系统的组建包括指挥引导仿真平台、飞行仿真器、实时网络与信息交互系统三部分构成，而指挥引导仿真平台包括着陆指挥员模拟系统、起飞指挥模拟系统、塔台飞行指挥模拟系统。

3.1 指挥引导仿真平台的组建

作为某型飞机整个飞行全过程来说，起飞和着陆阶段是风险率最高的，因此该飞机的起飞和着陆的指挥过程训练和引导方法的模拟验证也是模拟仿真系统的重要组成部分[2]。

3.1.1 起飞指挥模拟系统

起飞指挥模拟系统主要服务于起飞指挥员，同时兼顾起飞指挥员助理、起飞观察员、机械师等现场人员操纵流程显示。起飞指挥视景模拟同时以动画形式实现相应的机务活动、勤务保障、引导员手势、轮挡收放等内容。起飞指挥模拟系统主要包括以下方面。

1）起飞指挥视景模拟系统。起飞指挥视景模拟采用两信道大屏幕显示方式实现。显示内容主要为起飞指挥员处的目视起降环境，同时也根据需求切换成指挥员关心的视角。

2）起飞指挥控制台。主要实现起飞指挥员处的信息显示和操纵环境，以及起飞过程的程序设置、指令控制等。

3）起飞指挥信息观察和控制软件。软件模拟起飞指挥处的显示接口和指挥操纵逻辑过程。

3.1.2 着陆指挥模拟系统

着陆指挥模拟系统主要包括逼真的视景模拟系统、仿真的着陆指挥控制台以及相应的观察和控制软件。

1）着陆指挥视景模拟系统。着陆指挥视景模拟采用两信道大屏幕显示方式实现，显示内容为跑道端头处的目视起降环境。

2）着陆指挥控制台。该控制台主要实现与真实着陆指挥员一致的信息显示和操纵环境。

3）着陆指挥官信息观察和控制软件。使用软件编程模拟着陆指挥官的显示接口和指挥操纵逻辑过程，该软件要求能够使着陆指挥官至少能够从3视角观测飞机着陆状态，以更好的评判飞机的着陆姿态。

3.1.3 塔台飞行指挥模拟系统

在一个全系统的飞行仿真模拟系统中，塔台的飞行模拟主要用于塔台主指挥员、副指挥员、领航员的模拟操纵[3]。塔台飞行指挥模拟系统主要包括以下方面。

1）塔台飞行指挥视景模拟系统。塔台飞行指挥视景模拟采用两信道大屏幕显示方式实现。显示内容为塔台指挥员处的目视起降环境，采用平面地图技术模拟800千米*800千米，150：1的机场骤变平面地图。

2）塔台飞行指挥控制台。主要实现飞行指挥员和领航员席位的信息显示和操纵环境，包括塔台飞行指挥控制台体，飞行指挥员和领航员控制台电脑、信息显示设备、控制和转换设备等。

3）塔台飞行指挥员/领航员信息观察和控制软件。软件模拟塔台飞行指挥员/领航员的显示接口和指挥操纵逻辑过程。endprint

3.2 飞行仿真器的组建

飞行仿真器的组建主要包括：运动台体的组建、视景仿真系统、飞行仿真软件等。

3.2.1 运动台体的组建

为了整个飞行仿真系统的逼真性，运动台体采用了六自由度的电动运动平台。运动系统的控制主要在控制台上进行，控制指令首先通过反射内存网发送给运动系统通讯软件，再由该计算机通过以太网发送给运动系统内部的实时控制计算机。值得一提的是，在座舱左操纵台后部设有系统应急切断开关，供试飞员在紧急情况下使系统停止运动并安全落下[4]。

另外，六自由度运动系统一般需要根据该型机的座舱和视景系统等的不同，设计和加装内部运动系统，保证各模拟系统的结构不变形。

3.2.2 视景仿真系统

视景仿真系统是飞行仿真系统面对试飞员最直接的窗口，各系统地优劣、故障，都将在第一时间通过视景系统传输给试飞员。因此视景仿真系统地逼真与否，直接影响到该仿真系统的成败。

视景仿真系统由虚像显示系统、图像生成系统、投影系统、视景数据库及视景开发软件等几部分组成[5]。由于视景仿真系统的搭建在业内来说技术都是通用的，篇幅所限不再赘述各部分的组成。具体视景仿真系统的指标如下。

1）视场角：水平不小于170°，垂直不小于45°（上视25°、下视20°）。

2）图像：亮度5000 ANSI lumens（+/-10%）；覆盖整个屏幕的90%亮度一致。

3）对比度：450-600：1 ANSI，1600-2000：1全视域。

4）分辨率和刷新率：真实的SXGA分辨率，不小于1280×1024。

5）球面镜半径：3000 mm。

6）成像距离：>8500 mm。

7）显示信道：3通道。

3.2.3 飞行仿真软件

飞行仿真软件是整个仿真系统的核心，模拟器除开硬件要素外，飞行仿真软件设计的优劣直接影响到整个模拟器的操纵品质。飞行仿真软件主要包括：动力装置仿真系统；飞控仿真系统；综合航电仿真系统；机电功能仿真系统；特情仿真系统。以上系统的实现均以特定飞行模型为基础，采用数学计算模拟，通过C/C++编程形成软件，对特定系统进行模拟[6]。例如动力装置仿真系统，其中一项功能便是根据油门杆位置和当前飞行状态，实时计算出发动机的推力、转速、喷口温度及发动机工作状态等飞机全包线内的数据。

3.3 计算机网络通信模块

随着网络通讯技术的高速发展，国内外实现网络通讯的方法有很多。在综合性能、成本、排故难度等多方面因素后，在此提出以以太网和反射内存网共组网路的方法。该方法在满足模拟系统延迟小于80ms的基础上，还具有搭建简单、成本低廉、故障定位迅速等优点。现简单介绍其原理：

1）在主计算机和主要节点计算机（航电、接口、视景主机等）之间采用实时反射内存网进行通讯，其余计算机之间采用以太网进行通讯。

2）除反射内存网外，所有计算机还通过以太网连接在一起。以太网主要用于系统控制管理、维护、监控以及档的传输与共享，同时也用于视景节点与视景IG计算机之间的数据通讯。

3）网络通讯和调度软件充分考虑各节点的具体情况，自动适应各节点的要求，如相互依赖关系，运行次序等。网络通讯软件统一定义反射内存网上传输的数据结构，并规定各数据结构的地址，网络通讯软件提供通用的数据读写接口函数。网络通讯软件为系统控制节点提供反射内存网自检、节点运行状态等监控信息，同时还提供指令发送接口函数，实现系统控制软件对整个系统的运行控制。

4 模拟仿真系统的验证

1）仿真器验证方法。为保证仿真系统逼真度，确保飞行模拟训练的有效性，仿真器测试主要依据我国国军标模拟器相关条例、并参考GB/T 15025-94、CCAR60部、IATA（国际航空运输协会）等仿真器鉴定标准展开，验证流程如图2所示。

图2 试飞仿真器试飞验证流程

2）飞行仿真模型的飞行校验。仿真器的飞行仿真模型的试飞校验过程如图3所示。

3）飞行模拟的效验结果。仿真器模拟的是否逼真，主要是通过同条件下的试飞校验来考核的，经过飞行的数次迭代后，最终仿真器的模拟达到了设计指标。由于篇幅所限，在此只给出飞行控制系统模型偏航信道、俯仰信道和滚转信道控制律的校验结果。

从图4、5、6中可以看出，仿真模型数据和试飞数据基本吻合，且在2°容差范围内，具有较好的模拟性。

5 结束语

目前该型模拟器已经应用于试飞员的模拟飞行、指挥员的

模拟操纵培训等方面，对试飞员的培训业务起到了极大的推动作用，获得了个方面的一致好评。但由于本文篇幅所限，部分关键技术的原理、仿真数学模型的建立过程没有列举。同时，该型模拟器虽然已经有了实际工程应用，但与国外的先进模拟器还存在一定的差距，这也是笔者后续继续研究的方向。

图3 飞行仿真模型试飞校核、验证过程

图4 偏航通道的试飞校验结果

图5 俯仰通道的试飞校验结果

图6 滚转通道的试飞校验结果

参考文献

[1]王黎静，袁修王.飞机座舱设计人机工效评价探讨[J].中国安全科学学报，2002（02）.

[2]Schnell，T.Ellis， K.Etherington，T.Flight simulator evaluation of an integrated synthetic and enhanced vision system for terrain avoidance， Digital Avionics Systems Conference， 2005. DASC 2005. The 24th， Volume 1，Issue，30 Oct.-3 Nov.2005 Page（s）：4.E.4-41-18 Vol.1.

[3]叶文，姜文志，马登武，刘博.航路规划关键技术研究[J].烟台大学学报，2006（19）.

[4]王睿，庄达民.基于动力学模型的飞行员舒适操作域研究[J].计算机仿真，2006（08）.

[5]Huss R E，Weber J W.Route Finding Using Digital Terrain Map.5th DASC，1983.

[6]Asseo S J.Terrain Following Terrain Avoidance Path Optimization Using The Method Of Steepest Descent.NAECON，1988.endprint