空间站舱内定向虚拟训练方法研究

刘 相，刘玉庆，朱秀庆，安 明

（中国航天员科研训练中心人因工程重点实验室，北京100094）

·基础研究·

空间站舱内定向虚拟训练方法研究

刘 相，刘玉庆，朱秀庆，安 明

（中国航天员科研训练中心人因工程重点实验室，北京100094）

在失重环境下航天员常常以任意的身体姿态漂浮，依赖视觉线索定向便成为舱内航天员必须掌握的生存技能。针对在地面实物模拟器内难以开展空间定向训练的问题，提出了一套基于虚拟现实技术的空间定向训练方法。该方法以虚拟实验舱和核心舱为训练场景，提供三维空间记忆与定向策略，帮助航天员学习任意视角下定向的技能。实验结果表明，在具有不同视觉垂向信息量的舱段内，该方法均能够明显提高定向任务绩效，所提供的空间记忆策略有助于构建具有层次性的空间知识结构，多姿态定向训练能够帮助航天员建立清晰完整的舱内三维结构认知图。

空间定向；训练；虚拟现实

1　引言

空间定向是指人们根据周围环境判断物体之间方位关系的行为。这种行为往往建立在对所处环境的熟悉和理解上，人们需要记忆关键地标的空间布局，并能够透过不同的视角想象地标间的关系［1-2］。在地面环境下，重力给人类提供了一个可信赖的定向参考，它定义了“上下”的概念，将物体限制在“二维”平面内，降低了定向的难度。然而在载人航天中，重力的缺失打破了地面固有的定向模式，严重影响了人类的空间定向能力，常常导致空间定向障碍［3-4］。航天器内的航天员身处复杂的三维环境中，并且以任意的身体姿态漂浮，难以建立自身与地标之间的方位关系，当面向一个不熟悉的视角时，需要复杂的三维心理旋转才能辨别方向。航天员无法形成对航天器空间结构的准确认知，容易影响工作效率，甚至危及航天员的生命安全。例如，在和平号空间站的对接事故后，空间站内的航天员并不能从视觉上判断其在整体空间坐标系下的方位，难以对整个空间站重新定位［2］。因此，记忆三维空间结构并依赖视觉线索定向是航天员必须掌握的生存技能。

目前，在地面上最常用的是授课与实物模拟器学习相结合的方式进行空间知识学习与定向训练，该方法能够给受训航天员提供比较真实的训练场景，但由于重力的限制，航天员只能以单一的身体姿态观察舱内布局，这与在轨的视觉体验是完全不相符的。基于虚拟现实技术的飞行前适应性训练是解决航天员空间定向障碍的一种有效途径［3］。其目的是帮助航天员在飞行前学习舱内结构，建立空间认知地图，着重培养航天员的三维空间记忆能力和三维视角变换能力。虚拟现实技术不仅能够提供逼真的空间站训练环境，模拟失重环境下的视觉体验，还能帮助航天员以任意的姿态或视角观察舱内布局，有效地减轻使用单一身体姿态训练导致的空间认知欠缺。

2　基于VR的定向训练方法

虚拟现实技术已经广泛地应用于地面环境下的定向与导航研究，如地铁站定向标志设计、大型建筑物火灾逃生等。针对失重环境下的三维空间结构记忆与空间定向问题，美国MIT人机实验室进行了长期深入的研究［5-9］。Oman等［5］研究了虚拟立方体内记忆空间结构、想象三维旋转和视角变换的方法，受试者记忆6面墙壁上物体的空间方位关系，然后训练在特定的身体朝向下判断某个物体的方位。该实验得到三条重要结论：1）使用沉浸式头盔显示器的受试者与使用多个物理显示器的受试者任务绩效近似，甚至更优，一定程度上证明了沉浸式虚拟现实系统在空间记忆与定向训练的可用性与实用性；2）受试者相对重力方向的身体姿态（正立和仰卧）对任务绩效存在较小的影响，说明这个1g环境下实验结果有可能应用于太空失重环境；3）部分受试者在训练过程中形成了能够迅速准确完成任务的定向策略，因此可能存在普遍适用的空间记忆与定向训练方法。在进一步的研究中，Richards等探究策略性的定向训练方法在任务绩效、训练迁移与技能维持方面的影响［1］。受试者完成虚拟立方体内的方向辨别训练，每次训练只显示面前和下方的两个物体，受试者确定自身朝向之后判断其余物体的方位。提供的训练策略包括“典型视角”的应用、成对的地标记忆以及角落地标记忆等。其实验结果表明，策略组比控制组任务绩效更好，且在面对全新的环境时有更好的表现。使用该方法形成的空间记忆至少可以维持一个月。Shebilske在之后的研究中发现，在上述训练过程中如果使用随机的视角序列进行训练，受试者的技能迁移与维持会有更明显的效果［6］。此外，Oman、Benveniste、Buckland研究了在具有不同视觉正向的相邻舱段内定向问题［7-9］，Buckland提出了一种“相邻”训练方法［7］，该方法强调舱段内部与舱段间相邻墙面的功能关系，使用这种方法的受试者在面向新的视角时有更好的定向绩效。

然而，上述研究旨在获取一个一般性的记忆策略与定向方法，无法直接应用于实际训练。首先，实验中所使用的舱内虚拟环境比较简单，多是使用6个简单图像（如动物）代表各墙壁的主要标识，没有明确的视觉垂向信息，因此在定向过程中视觉信息有限。而在实际航天器内，各个舱段具有不同的设计风格，每一个舱段又要分象限、分区，简单的地标记忆是不够的，需要分层次的记忆空间结构。其次，航天器内的航天员可以出现在舱内任意地点，也可以使用任意的身体姿态进行定向，而在上述实验中虚拟航天员位于立方体中心，且身体轴向与某一面墙平行，并没有做到真正意义上的任意朝向。结合国外研究结论与航天员空间定向训练任务要求，本文提出了一套基于虚拟现实技术的空间站舱内定向策略与训练方法。以虚拟实验舱和核心舱为训练场景，提供真实完整的视觉反馈，同时为受训者提供三维空间记忆与定向策略，帮助航天员学习任意视角下定向的技能。该训练方法旨在提高受训者的三维空间记忆能力和视角变换能力，主要特点如下：

首先，这种训练方法能够帮助航天员有目的、有层次地学习与记忆舱内空间知识。如图1所示，将舱段内饰的学习分解为整体布局学习和每个墙面细节知识的学习。将虚拟航天员背对舱门、身体轴向与所在舱段的视觉垂向轴一致时观察的视角定义为典型视角。受训者先按照文献［2］中“典型视角”方法在图1（a）视角下学习各个墙面的基本特点，如根据视觉线索（如配色方案）辨认天花板，根据设备摆放辨认直立的墙面。然后学习墙面主要标识之间的关系，使用文献［1］中“成对”的策略，记忆相对的两个物品，如设备包在舱门对面，笔记本电脑在防毒面具对面。最后学习每个墙面的布局，即空间知识的细节，学习某一物品与所在墙面主要标识之间的位置关系。学习过程中按文献［7］提出的“功能训练”方法重点介绍墙面、物品之间的功能关系，让受训者了解舱内每一个细节。按照上述训练流程，建立“舱段—墙面—标识—细节”的分层空间知识结构。

图1　试验舱的分层知识结构Fig.1 Hierarchical spatial knowledge of LAB

在具备了初步的空间知识后，受训者能够使用具有随机初始视角的定向训练序列进一步记忆舱内空间结构，并学习定向技能。虚拟航天员以任意的身体朝向出现在某一舱段的任意地点，受训者根据视野内的物品判断所在舱段、舱内位置和自身身体朝向，然后控制视点移行和转动，寻找目标物体。判断目标的大体方向时提供两种定向策略，一是依据“典型视角”的思想确定一个最熟悉的舱壁为基本方向，然后判断其余舱壁和它的位置关系；二是以一个角落为原点建立空间坐标系，确定相邻的三面舱壁的方向，然后用“成对”的策略判断其余三个面的位置。定向训练的预期效果是受训者能够综合使用两种策略建立一个清晰完整的舱内三维结构认知图，在面向新的视角时能够不再依赖策略，自然迅速地辨别方向。

3　实验研究

3.1 实验目的

探究上文提出的三维空间记忆与定向训练方法的优劣：1）三维空间记忆策略能否帮助航天员更好地学习空间知识；2）以不同的身体姿态进行定向训练能否帮助航天员更好地掌握定向技能；3）使用该方法的受训者在低能见度条件下是否有良好的定向绩效；4）该方法在具有不同视觉垂向信息量的舱内是否都有良好的训练效果。

3.2 受试者

招募16名受试者开展虚拟空间站舱内定向训练方法研究实验。受试者均为计算机相关专业的研究生，具有一定的虚拟现实体验经历。所有受试者进行空间定向能力测试（三维心理旋转测试和三维视角变换测试），选择成绩接近的12名受试者，随机分为两组，每组6人。第一组为实验组，按照上文提出的训练方法进行训练，另一组为对照组。

3.3 实验环境

之前的研究［10］建立了空间站模型，设计了基于虚拟现实技术的空间站内定向训练系统，为航天员提供飞行前的适应性训练。本研究以该虚拟空间站的实验舱和核心舱为实验环境开展定向训练方法研究。

实验舱和核心舱的内部布局设计参考和平号与国际空间站，模型的纹理来自国际空间站或实物模拟器照片。两个舱段具有不同的设计风格，所提供的定向辅助信息也存在一定的差异。如图2所示，核心舱主要作为航天员日常的生活空间，配置了餐饮、健身、休息等区域，具有丰富的地标信息与视觉垂向信息，各区域内物品具有明显的功能，物品间功能关系明确。实验舱四壁主要是由具有不同功能的机柜组成的，整体布局具有较为强烈的对称性，但缺乏有助于定向的关键标识。

3.4 实验流程

虚拟空间站舱内定向训练方法实验分为三个阶段，依次为实验培训阶段、定向训练阶段和定向测试阶段，如图3所示。

图2　核心舱与实验舱模型Fig.2 Mockup of CORE and LAB module

图3　实验流程Fig.3 Procedures of training and testing

1）培训阶段

在开展定向训练之前，受试者需要进行头盔显示器和三维鼠标的使用培训。本实验使用的头盔显示器（Oculus Rift DK2）能够给受试者提供完整的空间站舱内立体视景，增强虚拟环境的沉浸感。三维鼠标（SpaceMouse Wireless，3Dconnexion）不仅能够控制虚拟视点的移动，还能实现偏航、俯仰、滚转三个自由度上的旋转控制，模拟航天员以任意的视角观察舱内布局。要求经过培训的受试者能够熟练地控制三维鼠标将虚拟视点旋转至目标角度。

2）训练阶段

在定向训练阶段，受试者保持上体正直姿态坐在椅子上，佩戴头盔显示器观察虚拟空间站舱内布局，使用三维鼠标控制虚拟视点的运动。

实验组和控制组受试者均通过舱内物品功能学习、自由体验和策略性训练的流程，记忆舱内物品布局、形成定向策略。在物品功能学习阶段，两组受试者均是在典型视角下了解实验舱和核心舱的基本布局，为实验组和控制组受试者提供详细的物品介绍和功能关系学习时间，实验组被提供“成对地标记忆”、“角落地标记忆”等空间记忆策略，而控制组并没有策略。在完成5 min自由体验之后进入策略性训练阶段，两组受试者需通过寻找舱内特定物品来进一步学习舱内布局并形成定向策略，在每个舱有16次训练任务，每次任务开始时虚拟航天员出现在舱内任意地点，发送语音指令明确需要寻找的物品，受试者控制三维鼠标旋转视点，使目标物体处于视野中心。实验组的受试者在训练过程中是以任意的身体姿态进行学习，没有旋转方向上的限制。而控制组的训练方式与当前地面实物模拟器内的训练近似，受试者以直立的身体姿态观察空间站内部结构，锁定了滚转方向的转动并限制了俯仰方向的转动角度，训练过程中均是以单一的典型身体姿态进行学习。

3）测试阶段

定向测试共有24次测试任务。前12次为基本定向测试，任务的顺序是随机的，6次在核心舱、6次在实验舱；后12次为低能见度条件下的训练效果迁移测试，与前12次任务的初始条件一致，加入烟雾效果，任务顺序同样是随机的。每次任务开始时，虚拟航天员以任意的身体朝向出现在某一个舱内的任意地点，受试者首先需要迅速判断自己的方位，然后想象目标的方位，以尽量较短的时间和尽量较小的旋转角度找到目标物品。记录的数据包括判断自身位置时间、定向的时间、旋转的多余角度。定向时间反映了受试者在定向过程中不断更新空间信息辨认方向的能力；旋转角度反应了受试者定向过程中辨别方向的准确性，但由于使用三维鼠标控制虚拟视角与人体实际转身存在一定差异，且受试者的定向策略存在差异，在进行数据分析时将旋转角度作为辅助指标，定向时间作为主要绩效指标。

在完成全部测试后，受训者填写调查问卷。问卷分为两部分，一部分考察三维空间结构记忆情况，主要为地标位置及地标之间的方位关系判断，如“防毒面具是在核心舱的哪个区、哪个象限”、“依据局部视觉正向，II象限的笔记本电脑是在仪表板的哪个方向”等。另一部分调查受试者完成任务时空间定向策略的使用情况，了解其定向所需的辅助标识与策略。

4　实验结果与讨论

本实验测试指标为任务完成时间和旋转角度。实验结果如图4所示。从图中可以看出，无论是在具有明显视觉垂向信息的核心舱，还是在具有一定对称混淆性的实验舱，实验组的受试者均能够更快地完成定向任务，转向的角度偏差也更小。受试者在核心舱中的定向时间比实验舱短，但转向误差基本一致。引入烟雾后受试者的任务绩效有一定下降。这个结果基本符合实验预期：经过空间定向训练的受训者对所处舱段环境建立了一定的空间认知，并形成了定向策略。但定向过程中依赖视觉线索，舱内视觉垂向信息量、能见度等都会影响航天员的定向行为，丰富的视觉线索有助于迅速定向。

进一步对任务完成时间与转角偏差进行方差分析，得到如下结论：1）相比控制组，使用本文提出的空间记忆与定向方法进行训练的受训者取得了更好的任务绩效，平均定向时间快4.3 s，转角偏差差距不大［任务完成时间：F（1，44）= 9.512，p=0.004，旋转角度：F（1，44）=1.432，p =0.238］；2）测试舱段对任务完成时间存在显著性影响［F（1，44）=8.033，p=0.007］，但对转角偏差影响并不显著［F（1，44）=1.351，p= 0.251］，这说明舱段内的辅助定向信息能够有效的帮助航天员定向；3）训练方法与测试舱段在两个指标上均没有交互效应［任务完成时间：F（1，44）=0.004，p=0.947，旋转角度：F（1，44）= 0.057，p=0.813］，这说明在具有不同视觉垂向信息量的舱段内，本文提出的训练方法均优于控制组的训练效果，该方法具有一定的普遍适用性。

在问卷调查的空间知识测试中，实验组的受试者记忆位置准确，犯的错误更少。全部6名受试者均能够准确判断地标之间的位置关系，4名表示已经形成了具有层次性的空间知识结构，而对照组只有1名受试者达到要求。在定向策略方面，对照组的受试者倾向于使用“成对”和“典型视角”的定向策略；实验组中4名受试者习惯使用以“典型视角”为基础的策略，另外2名表示已经建立了完整的三维空间认知地图，明确物品间的位置关系，在后期的定向测试中并不需要任何的定向策略。这个结果首先说明本文提出的训练方法的确有助于航天员在不同视角下建立空间认知，也证明了测试结果中受试者在旋转角度上不存在显著差异的原因：尽管在辨别初始方向的反应时间上存在差异，大多数受试者倾向于使用典型视角进行定向，即首先旋转至自身最熟悉的角度再辨认方向。受试者的这一行为再次证明了舱内地标与视觉垂向对航天员定向的重要辅助作用。

图4　实验结果Fig.4 Experimental results

综上所述，可以推断出本文训练方法的优劣，该方法能够显著地缩短航天员定向的时间，提出的三维空间记忆策略能够帮助航天员建立清晰完整的空间认知图，以不同的身体姿态进行定向训练能够帮助航天员更好地掌握定向技能。

5　结语

本文以失重环境下的空间定向障碍为出发点，针对地面实物模拟器训练的局限性，提出了一套有助于航天员学习三维空间知识和定向技能的虚拟定向训练方法。通过实验研究，为在地面上解决航天员空间失定向问题提出两种可行的途径：1）基于设计角度，在舱内布局上加入明显的地标和视觉垂向信息设计，帮助航天员明确方向；2）基于训练角度，在飞行前帮助航天员学习三维空间知识，并给予航天员多种身体姿态下的视觉反馈，模拟飞行视觉体验。

（References）

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Study on Virtual Reality Based Training Methods for Spatial Orientation in Spacecraft

LIU Xiang，LIU Yuqing，ZHU Xiuqing，AN Ming
（National Key Laboratory of Human Factors Engineering，China Astronaut Research and Training Center，Beijing 100094，China）

During manned spaceflight，the astronauts floating inside a spacecraft must master the skill of orienting themselves in a random body orientation according to the visual cues.However，conducting spatial orientation training in mockups on the ground is difficult to realize，a VR based training method was proposed.A virtual scene of the LAB module and CORE module ere established and the training strategies for spatial orientation were set up.Experimental results show that the trainees’performance in orientation and spatial memory tasks is significantly improved in both modules with different number of visual cues.The training method can help to establish hierarchical spatial knowledge and cognitive structures of the training modules.

spatial orientation；training；virtual reality

TP391.9

A

1674-5825（2016）05-0645-06

2016-03-07；

2016-09-02

国防基础科研计划（B1720132001）

刘相（1991-），男，硕士研究生，研究方向为航天飞行训练仿真。E-mail：lx9177xiang@163.com