某型机飞行训练模拟器座舱显示系统设计与实现

文/张青峰 徐振黔 秦正运

1 引言

飞行训练模拟器是用于飞行员进行飞行训练的模拟器，使飞行员掌握相关机型的飞行驾驶技术，以及该机型所涉及的重要设备操作方法。飞行训练模拟器通过实时仿真技术，在地面模拟飞行驾驶环境对飞行员进行训练和考核，该方法不受气象和场地的影响，具有节省训练成本、保证飞行安全和提高训练效率的训练效果。座舱显示系统是飞行训练模拟器的人机交互窗口，为飞行员提供系统性能参数和飞行信息显示，减轻飞行员的负担。

本文基于某型直升机飞行训练模拟器的需求进行座舱显示系统设计与实现，力求与机载状态保持一致，经训练考核，飞行员可以迅速适应真实机载环境。

2 国内外飞行训练模拟器发展

自二十世纪初飞机发明，飞行训练模拟器也随之相伴而生。在经过二战的洗礼后，全世界都认识到飞机对于整个战场的重要作用，然而对飞行员进行实装训练，既成本高昂，又具有一定的安全风险。为克服实装训练的缺点，提高训练效率，各国都纷纷投入到飞行训练模拟器的研制，模拟器的训练成效也在海湾战争中得到了出色体现。

二十世纪八十年代末，印度开始重视训练模拟器的研究和使用，为此专门购买了一台2000JH 球形模拟器，服务于其装备的36 架幻影2000 型战斗机。二十世纪九十年代末，美空通过网络技术将位于不同地区的模拟器连接起来进行协同模拟训练，突破了传统的单兵模拟训练模式。美军的F-22 战机配备了全任务训练模拟器，可动态模拟飞行过程中的大气和地貌环境，以及空中威胁目标，给飞行员以身临其境的感觉。

图1：飞行训练模拟器组成

图2：座舱显示系统设计

图3：显控计算机仿真软件功能模块

我国也非常重视飞行训练模拟器的研究和使用，经过多年的努力，取得了一些进展，特别是进入二十一世纪后，先后成功研制了各种固定翼飞机和螺旋桨飞机飞行模拟器等，并大量应用于飞行训练中，无论训练效果还是经济效益，都得到了显著提高。但是，与技术发达的西方国家相比，我国在飞行训练模拟器方面还存在许多缺陷和不足。例如模拟器很少具有特情处理功能，无法很好地模拟出飞行过程中的突发情况，难以训练飞行员对于应急情况的处理能力；仍处于单人模拟训练模式，与美国等其他先进国家多军种的协同作战模拟还有一定的差距，需重视联网协同的发展方向；在市场上缺乏竞争力，没有代表性的机构和公司，还有待形成规模。

3 飞行训练模拟器组成

如图1所示，飞行训练模拟器针对某型直升机真实座舱尺寸按比例1:1进行实物仿真，由飞行仿真系统、座舱显示系统、运动系统、视景系统、音响系统以及教员台组成。

教员台控制模拟器的整体运行，设置飞行系统参数，监控和记录训练过程，评估和考核学员成绩，帮助提高和掌握飞行技术。

飞行仿真系统运行飞行仿真软件，接收教员台和驾驶座舱的操纵指令，对飞行模型进行建模求解，输出飞机实时位置、姿态等各种飞行运动参数给座舱显示系统等其他系统。

仿真环境产生逼真的模拟飞行环境，其中座舱显示系统提供人机交互窗口，实时化显示所有的飞行信息和系统参数；操纵负荷系统给飞行员操纵负荷的力感；运动系统通常采用六自由度的运动，使飞行员感受到飞行时位置，姿态和加速度等运动变化；视景系统模拟座舱外部的空中和地面景象，音响系统输出旋翼噪音、发动机噪音和气流噪音等与真实飞行时类似的音响效果，给飞行员以身临其境的感觉。

4 座舱显示系统构建

模拟器座舱显示系统由数字地图计算机、显控计算机、多功能键盘计算机和显示计算机组成，通过以太网组网，采用UDP 点对点方式，系统内部以显控计算机为核心进行网络数据交换。如图2所示。

数字地图计算机、显控计算机、多功能键盘计算机和显示计算机均采用工业计算机，分别运行相对应的仿真软件。其中显示计算机配备工业液晶显示器，运行显示仿真软件时，显示器投影为4 个独立显示屏幕，每个显示屏幕具有周边按键（与机载环境一致），分别操作显示屏幕的周边按键时，4 个显示屏幕的画面独立进行显示。多功能键盘计算机配备一体化面板，面板上部分为液晶显示屏幕，下部分为键盘按键，运行仿真软件时液晶显示屏幕实时响应当前按键操作。

5 座舱显示系统功能实现

5.1 显控计算机功能模块

显控计算机是座舱显示系统的核心，是座舱显示系统与外部仿真系统的外部接口和系统内部的数据交换中心。显控计算机仿真软件分为5 个功能模块，如图3所示。

5.1.1 网络通讯模块

负责整个网络的参数配置，定义与飞行仿真系统、数字地图计算机、多功能键盘计算机、显示计算机的网络连接，网络配置成功后系统方可正常运行。

5.1.2 接口模块

控制整个系统的数据流，定义系统外部数据接口和内部数据接口。外部数据接口为与飞行仿真系统的数据接口，内部数据接口为与数字地图计算机、多功能键盘计算机和显示计算机的数据接口。数据接口定义后，所有单元部件必须严格按照所定义的外部或内部数据接口进行数据交换。

5.1.3 控制模块

多功能键盘和显示器控制，当多功能键盘和显示器进行按键操作时，显控计算机需实时对按键信息进行响应；光标控制，操作光标控制杆时，显控计算机实时解算光标的移动位置，发送给显示器实时显示；地图控制，实时向地图生成计算机发送当前位置、地图缩放比例、旋转角度等信息；导航解算，动态规划飞行路线，实时发送当前飞行航线信息。

5.1.4 显示调度模块

根据收到的显示器周边键按键信息，更新发送给显示器的画面显示数据；根据收到的多功能键盘按键信息，发送给多功能键盘的请求数据。

5.1.5 存储模块

基于文件存储运行过程所需数据，如飞行所需航路点航线数据库，多功能键盘装订的场压、决断高度等数据，并可以进行断电保存。

模块间功能图如下。

5.2 多功能键盘功能模块

多功能键盘主要为座舱显示系统提供数据输入、编辑和装订系统参数等功能。

（1）提供中文、英文和数字输入功能；

（2）编辑航路点、航线，完成航路点、航线新建、插入、修改和删除功能，并将航路点、航线发送给显控计算机；

（3）装订大气气压基准、决断高等数据；

（4）设置导航、通信等系统参数和工作模式。

5.3 数字地图功能实现

数字地图用于提供执行任务地区的平面航图、地形/地貌彩色显示，数字地图仿真软件主要运行过程如下：

（1）加载地图文件，初始化地图参数设置；

（2）建立与显控计算机的网络连接，接收显控计算机发送的实时位置，地图缩放比例和旋转角度等数据，根据显示窗口大小解算并绘制显示地图；

（3）根据飞机位置、显示模式（地稳、地滚）变化移动或旋转地图，更新地图绘制；

（4）通过视频线将视频信号输出给显示器叠加显示。

5.4 显示器功能实现

显示器是座舱显示系统的显示终端，4 个显示屏幕都配有周边按键并可以相互独立操作进行画面切换，显示器仿真软件主要功能如下：

（1）初始化显示窗口，按照配置文件对应显示屏幕位置（同时运行4 个进程，分屏显示）；

（2）显示基于OpenGL，绘制地平仪、罗盘、空速表、升降速度表和高度表等图形图符；

（3）接收显控计算机的显示数据，驱动图形图符和画面数据实时刷新显示；

（4）采集显示器周边按键信息，将飞行员操作时的按键信息发送给显控计算机；

（5）通过视频采集卡采集来自数字地图的视频信号，叠加地图视频作为背景画面显示。

图4：显示器运行流程图

显示器仿真软件运行流程如图4所示。

6 结束语

针对某型直升机模拟器座舱显示系统的需求，基于网络的设计方法，完成座舱显示系统设计与实现。经实际使用证明，该座舱显示系统设计风格与机载保持一致，系统运行性能稳定，驾驶信息显示准确无误，具有良好的实时性和稳定性，满足飞行训练模拟器的使用要求。