某飞行仿真系统虚拟教员软件研究

刘永易，西光旭，于澜，曹小敏

（1.解放军95840部队，北京100195；2.解放军95995部队，北京100195）

某飞行仿真系统虚拟教员软件研究

刘永易1，西光旭1，于澜2，曹小敏1

（1.解放军95840部队，北京100195；2.解放军95995部队，北京100195）

针对训练基地飞行模拟改装训练的特点和需求，提出了一种智能评分和虚拟教员实时提示方法。根据训练大纲建立模拟飞行课目专家库，建立分阶段优化评估模型，对不同阶段的关键评价指标进行综合评分，同时依据专家库和模拟飞行参数实时对飞行学员的操作提出虚拟建议，以文字和声音的方式发送给飞行员，最后给出评分结果。虚拟教员能对模拟训练进行实时干预、指导，方便学员进行自主训练，受到训练基地飞行员尤其是新训改装飞行员的广泛欢迎。

模拟训练，虚拟教员，评估模型，实时纠偏

0　引言

在训练基地飞行员新机改装训练阶段，特别强调对飞行员进行一些基础课目练习的训练，随着模拟训练量的不断加大，缺乏教员和教员主观评判模拟训练成绩的矛盾逐渐凸显，尤其在瞬态运行过程中，对操作响应的变化很难作出及时评判。由于这些课目练习的训练具有相对固定和规范的动作要领，因此，引入计算机虚拟教员进行辅助教学成为可能。本文介绍的虚拟教员软件系统实现了对飞行训练成绩的自动评估，更能以虚拟教员的身份对模拟训练进行实时干预、指导，方便学员进行自主训练，提高了训练效益，受到训练基地飞行员尤其是新训改装飞行员的广泛欢迎。

1　虚拟教员软件功能需求分析

虚拟教员软件分系统具有部分飞行教员的功能，对飞行员的各种操作进行及时的干预指导并给出最终得分，具体要具备以下功能:根据训练大纲建立模拟飞行课目专家库；建立优化评估模型，对飞行员的操作根据专家库和飞参数据提出虚拟建议；建立显示和发声模型，实时将虚拟建议发送给飞行员；最后给出评分结果。

2　软件模型

2.1软件系统架构

虚拟教员软件主要包括模拟训练课目设定、模拟训练课目专家库、模拟训练分阶段评估模型、显示模块、声音模块5部分。首先由飞行教员和技术人员设定好飞行课目，依据飞行课目程序自动调取模拟训练课目专家库；根据每个飞行课目的不同特点，分阶段评估模型，依据飞行参数划分一次模拟飞行训练的不同阶段，依据每个阶段的关键评价指标和专家库，虚拟教员在线、实时完成对模拟飞行数据的自动分析，实时通过显示模块和声音模块给出操作提示和建议，最后给出评分结果。软件系统结构如图1所示:

2.2模拟训练课目专家库

模拟训练课目专家库是由飞行专家根据飞行训练大纲、飞行改装教材，结合丰富的飞行实践经验对不同飞行课目作出的总结，对新训改装飞行员更有其重要意义。表1为XX机型起落航线飞行专家库。

2.3分阶段评估模型

分阶段评估模型有两个关键部分:一是各个飞行阶段如何合理划分才能更准确地评估一次飞行情况，各个阶段的关键评价指标有哪些，如何确立评估算法；二是除了根据专家库在相应时机给出特定提示信息外，如何根据飞行实际参数给出实时的纠偏建议，比如注意减速、向左压坡度等。以下以某训练基地起落航线飞行为例进行说明。

图2　某训练基地XX机型起落航线飞行线路图

2.3.1飞行阶段划分

飞机在完成一次起落航线飞行任务过程中，根据飞机飞行航迹、发动机推力状态以及飞机构型和状态参数变化特性，特别是飞机电台方位角和电台距离，把整个飞行过程分为起飞爬升、一二转弯、反向平飞、三转弯、四转弯、下滑着陆等6个阶段。

表1　XX机型起落航线飞行专家库

如图2所示，起飞爬升阶段为A点到B点；一二转弯阶段为B点到C点；反向平飞阶段为C点到D点；三转弯阶段为D点到E点；四转弯阶段为E点到F点；下滑着陆阶段为F点到A点。

当飞机严重偏离基本起落航线时，提示信息“已经严重偏离航线，请重新开始！”。

2.3.2评价指标

不同的飞行课目，不同的飞行阶段，所需采集的飞行参数各不相同，根据飞行训练资料以及一些资深飞行员多年飞行的经验，最终确定各个不同飞行阶段的评价指标，根据飞行训练大纲、飞行改装教材给出的评分标准建立不同科目、阶段的评估模型，实现综合评分。根据模拟训练课目专家库给出虚拟教员的提示信息。下页表2为XX机型起落航线飞行时不同飞行阶段的关键评价指标。

表2　起落航线飞行时不同飞行阶段的关键评价指标

2.3.3评估模型

设某一飞行课目可分为I个飞行阶段，在第i个阶段共有M个评价指标，共记录了N个参数采集点。σimn为在第i个飞行阶段、第m个评价指标在第n个采集点记录的数据与标准航线中相应数据的误差值。可以允许或者可忽略的误差记为σimnmin，最大误差记为σimnmax。飞行成绩按照百分制计算，则第i个飞行阶段、第m个评价指标在第n个采集点的成绩为:

综合各采集点得分值，采取平均值法得出第m个评价指标在飞行i阶段的成绩为:

综合各评价指标在i阶段的得分，采取平均值法得出i阶段的成绩:

综合各阶段成绩，采取平均值法得出本次飞行成绩:

2.3.4实时纠偏模型

实时纠偏模块实时分析有关飞行参数，检查评判飞行偏离标准航线的严重程度，给出虚拟教员的操作建议。对飞行作出准确的评价建议，其算法非常复杂，在实际应用过程中遵循“宁缺毋滥”的保守原则，宁可少提建议，但提出的建议要正确。采用的算法如下:

①允许5 s误差修正算法

允许5 s误差修正算法的含义是指每一评分阶段范围内，对评价指标在每个采集点进行评分，只有该评价指标在连续5 s内均得分均低于60 min，才针对该评价指标的物理意义发出实时纠偏提示。比如反向平飞时高度连续5 s低于或高于标准高度过多，综合评分低于60 min，则发出“注意高度”提示。算法如下:

式中T为采样周期，n为某起始时刻采样点，x为5 s内的程序采样点，程序采用10 ms。

②PD控制算法

飞机是具有较大转动惯量的，飞行仿真模型同样会反映出这一特性。如果在进行虚拟教员提示时只考虑评价指标参数误差的影响，则发出的提示信息在开始会引导飞行员正确操作，但随着飞机状态的改变，这一信息可能引导飞行员向相反的方向错误操作，引起超调震荡。因此，除了要考虑相应评价指标误差的大小，还要考虑评价指标误差的变化率。算法如下:

式中x为某一采样点。

③四转弯时的纠偏算法

从图2可以看出，在进入四转弯之前飞机航线具有比较明显且有规律的特点，但如何判断四转弯飞行的好坏需要仔细分析。四转弯飞行的目的是尽快对正跑道，消除飞机航向与跑道角偏差的同时消除飞机到跑道延长线的距离偏差，因此，可以认为在距离跑道头4 km之外时已经对正跑道并实现航向偏差σp与距离偏差σd的等比例减小即为相对标准航线。算法如下:

式中airpPsi为机场跑道角，planePsi为飞机航向；

机场跑道延长线在地坐标系下的方程为:

式中（xo，yo）为机场中心在地坐标系下的坐标；

则飞机到跑道延长线的偏航距离σd为:

式中（x，y）为飞机在地坐标系下的坐标。

根据σp、σd可以判断飞机位于标准航线的左侧、右侧或基本吻合:

式中σpmax为进入四转弯之前飞机与跑道之间的航向偏差，σdmax为进入进入四转弯之前飞机到跑道延长线的最大偏航距离，k为程序中选取的偏航误差与偏航距离的比例阈值。

2.4显示模块

虚拟教员软件实时发出的各种评价和提示信息要以对话框的形式显示在仿真系统主显示屏上，该屏主要显示XX型飞机主仪表板内容，为采用GL Studio软件制作的虚拟仪表。显示提示信息的对话框既不宜过大，提示时间也不宜过长，以减少对飞行员正常观察飞行状态信息的影响。评价和提示信息在相应时机短暂显示在仪表板右上方，为长10cm、宽5 cm的长方形，持续时间3 s。飞行结束后自动显示本次飞行的综合成绩。图3、图4分别为两个主屏虚拟仪表显示截图。

图3　提示信息的显示截图

图4　综合得分截图

2.5声音模块

虚拟教员软件实时发出的各种评价和提示信息除了显示在屏幕右上角外，同时要以声音的形式对受训飞行员进行提醒，按照约定的数据结构，软件在相应时机将相应的标志位信息写入共享内存，发声软件读取控制信息并按照指令输出相应声音到声卡和音响设备。声音软件主要采用Direct-Sound3D开发，DirectSound3D是DirectX中的声音组件，它以和硬件无关的编程模式编程，并能自动利用声音硬件的加速优势提供良好的实时动态声音性能。软件总体流程如下:

图5　声音模块软件流程图

3　结论

飞行模拟训练作为一种重要的训练手段已经广泛地应用到飞行训练的各个过程之中，但具有较高可信度的成绩评定系统模拟器并不多见，具有实时虚拟教员提示的模拟器则更少。在实际应用过程中由于飞行课目和飞行机动动作的复杂性，系统综合评分有时并不十分切合实际，进行精确的成绩评定还需要对评估模型针对不同课目、不同机动动作不断完善，尤其是当动作偏差较大时程序无法自动修正，只能发出重新开始指令；虚拟教员的实时提示功能受到受训飞行员的广泛好评，在应用中实时纠偏提示由于采用偏保守的算法策略，有时感觉不够及时，更精确及时的算法也需要考虑更多影响因素，才能更好地起到虚拟教员的作用。

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Research on Virtual Faculty Software of Flying Simulation System

LIU Yong-yi1，XI Guang xu1，YU Lan2，CAO Xiao-min1
（1.Unit 95840 of PLA，Beijing 100195，China；2.Unit 95995 of PLA，Beijing 100195，China）

According to the characteristics of the training base of flight simulation adapted and demand，a kind of intelligent grading and virtual teacher prompt method in real time is putforward. According to the training outline a flight simulation subject expert database，the establishment of evaluation model by stages，for different stages of the key evaluation index synthetically score，at the same time，according to the expert database and real-time flight simulation parameters to the operation of the flying cadets virtual advice，and sent to the pilot，in the form of text and voice score results is given.Virtual faculty can real-time intervention for simulation training，guidance，convenient for independent training，trainees training bases especially XinXun adapted the pilot’s widely welcomed.

simulationtrain，virtualfaculty，evaluationmodel，realtimeerrorcorrection

TP391

A

1002-0640（2016）06-0157-04

2015-05-09

2015-06-06

刘永易（1977-），男，天津人，硕士，高级工程师。研究方向：飞行仿真。