浅析中小型无人机模拟训练中心建设

沈括

当前，中小型无人机技术迅猛发展，大量无人机在越来越多的领域发挥重要作用。作为国防综合体的新型装备，对指挥和操控人员的能力素质要求越来越高，相关专业人员急需通过系统培训，不断提高能力素质。无人机由于其技术先进、组成复杂、造价昂贵，采取实装训练风险大、周期长、消耗高，致使培训过程困难多、效益低，运用模拟训练是当务之急，为建立系统化、体系化、通用化无人机训练模式，本文浅析—种中小型无人机模拟训练中心建设方案。

无人机操控员不仅要熟悉具体型号的气动特性，还要具备一定的操控经验和良好的心理素质。另外，无人机使用寿命有限，实际训练中的正常和非正常损耗，会导致实际训练费用过高。同时，传统的录像教学、传帮带培训等方式效果不佳，无人机实际飞行又受空域等条件的限制，飞行训练一般都较难组织，严重影响了培训效果。因此，建设中小型无人机模拟训练中心十分必要。

中小型无人机模拟训练系统是一种为地面操控人员提供具有真实感的实时训练模拟装置。训练对象包括飞行控制操控手、任务控制操控手和无人机指挥人员等。训练内容主要包括无人机基础知识、飞行指挥与组织、飞行控制、任务控制、故障模拟和系统协同控制等。主要功能及使用要求

本建设方案是基于分布式计算机网络的无人机系统综合仿真，在无人机系统地面设备组成基础上，建立相应的仿真机构，构成相对独立却又相互关联的仿真系统，从而进行无人机系统飞行作业的综合仿真，实现操控人员的培训和训练。

中小型无人机模拟训练系统为脱机工作、室内使用。主要功能是，为无人机基础知识学习提供授课平台;进行无人机全程操控飞行模拟训练，包括飞行控制、数据链管理以及任务控制等;模拟无人机系统开机自检和初始化设置操控;设置训练科目，进行指定科目的训练;设置多种飞行故障;具备虚拟仿真训练功能，包括无人机飞行仿真、任务设备仿真和一定功能的视景仿真等;在线考试功能;具备本系统的故障自检功能。

硬件采用模块化设计，突出通用性要求，能够针对多种型号中小型无人机开展模拟训练，尽量选用通用设备，便于替换。系统功能与组成

中小型无人机模拟训练系统主要有系统管理、飞行仿真、视景仿真、故障模拟、在线考试等功能。

系统管理负责整个训练过程的管理与控制，包括对系统工作状态、操控过程等进行监控，训练科目、环境选择与设置，训练过程管理。此外，仿真过程应具有开始、暂停、停止、记录及回放等功能。飞行仿真主要包括飞行控制仿真、数据链管理仿真、任务设备控制与管理仿真以及故障仿真。

其中，飞行控制仿真主要具备系统飞行初始化设置、飞行控制、导航控制、发动机控制、任务规划、无人机状态回报等功能;数据链管理仿真主要具备地面数据链终端控制、机载数据链终端控制、数据链状态信息回报等功能;任务设备控制与管理仿真主要具备机载光轴稳定平台控制、任务设备状态信息回报等功能;故障仿真主要包括航空电子故障、数据链故障、飞行器故障、任务设备故障等。视景仿真主要包括地形视景仿真、任务设备仿真。在线考试功能主要是通过网络提供在线考试，评定受训人员的操控能力。

系统主要由模拟训练系统主控台、训练操控台以及相关配套设备等组成，其构成如图1所示。

由图1可见。系统组成可分为主控台和训练操控台两个部分。其中主控台主要包括仿真计算机、视景仿真计算机等模拟仿真设备和系统管理计算机、投影仪等系统管理设备。训练操控台主要包括飞行控制柜、任务控制柜、指挥控制柜以及接口设备等。

中小型无人机模拟训练系统通过接口转换设备，将主控台输出的系统状态信息转换成地面監控设备所需的标准数据格式，利用与无线电数据链终端接口相同的通信电缆实现中小型无人机模拟训练系统与训练操控台设备的连接。

系统方案

考虑到系统实用性要求、设备成本以及设计复杂性等问题，本系统拟建立与地面控制站结构相对独立的主控台，与训练操控台组合使用，构成中小型无人机模拟训练系统。中小型无人机模拟训练系统主要通过数学仿真，模拟全系统工作状态，提供状态信息，包括遥测及遥控信息、电视图像信息以及地面数据链终端信息等。中小型无人机模拟训练系统信号组成关系如图2所示。

为便于使用和运输。中小型无人机模拟训练系统采用可拆卸机箱结构，将相关设备安装在相应的控制机柜内，相关系统内部通过网络实现互连，同时建立相应的信息接口，实现主控台与训练操控台之间的连接。

主控台作为全系统前端，主要承担系统初始化设置以及仿真计算，模拟飞行运动，生成任务信息;同时接收训练操控系统指令信息，产生响应。训练操控系统提供真实设备平台，供操控人员训练使用。训练操控系统接收模拟训练系统下传信息，并做相应处理，通过显示器提供系统状态信息，操控人员可通过操控平台中的鼠标、键盘、按键、旋钮以及操纵杆发送控制指令，操控无人机飞行以及任务设备工作。系统工作流程、设备构成如图3、4所示。

工作原理

系统管理计算机负责整个训练过程的监控、管理和控制。同时它作为一种服务器，采用分布式关系数据库管理，来完成训练过程的记录以及多媒体培训数据库的管理。功能有网络数据通信、系统状态选择、仿真初始条件设置、参数装定、系统在线编辑与加载、工作状态监控和在线考试。软件组成包括系统状态控制模块、初始条件设置模块、在线考试模块、记录与回放模块、网络通信模块和工作状态监控。

系统管理计算机包含试题库，有单项选择题、多单项选择题及正确答案，而且提供在线试题输入功能。学员进入考试系统时，随机调出若干道题目，开始计时，学员答完试题可选择提交，如超过考试时间系统会强制提交，同时给出分数。在线考试拟采用直观的网络多媒体网页（web）形式，系统管理计算机作为网络服务器，存有大量试题库，用户可通过计算机网络在地面控制站浏览无人机知识考试网页。

飞行仿真计算机主要担负视景仿真以及控制站的数据驱动。它通过各种数学模型计算生成模拟对象所需的各类数据源，包括遥测信息和遥控信息等。其功能有网络数据收发、接口数据处理、上行指令解码及仿真给定输入加载、任务规划加载与装定、无人机飞行控制数学模型计算、无人机导航模型计算、无人机动力系统模型计算、无线电数据链模拟仿真、故障模拟仿真、仿真结果输出及下行状态编码。软件主要分为飞行运动、设备状态和通信接口三部分，其中飞行运动包括六自由度运动、定位导航和风场，设备状态包括发动机、飞控、传感器、伺服机构、机载供电、机载数据链、地面数据链和任务设备，接口通信包括遥控、遥测和网络。

视景仿真包括起飞、巡航、目标搜索、跟踪定位、回收等无人机飞行全过程视景图像模拟仿真。视景仿真计算机通过飞行仿真计算机获取无人机运动以及机载任务设备状态信息，驱动视景场景，输出标准制式图像信号。通过视频转换器提供至地面控制站。功能主要有接收网络信息、接受状态参量、驱动图形图像模块、三维地形视景仿真、光电任务设备控制模拟仿真、光电任务设备信息叠加、大规模地形数据库管理、特殊效果输出和视频信号处理与输出。软件主要由地形建模、光照建模、光电任务平台模型、特殊效果和网络通信等。

为实现训练与实践的有效结合，训练操控系统采用与现有无人机功能相同的设备作为训练操控平台，即地面控制站。其可提供无人机全系统飞行监控、任务监控以及飞行指挥等训练内容。地面控制站可对全系统进行控制和管理，同时作为信息处理终端，对无人机下行遥测以及视频信号进行处理。基于模拟训练的地面控制站系统主要功能有飞行指挥与控制、参数综合显示、地图航迹显示、飞行任务规划、任务设备控制、任务电视图像显示、数据链控制与管理、飞行数据记录与回放等。

系统通信主要采用电缆传输方式，传输串行数据、视频信号以及网络信息。

主控台对外通信系统主要通过串口实现训练操控系统的飞行测控信息交换，通过标准视频接口向训练操控系统提供视景图像信息，通过网络集线器实现系统内部信息交换如图5所示。

网络通信主要实现相关系统内部之间的信息交换，对于地面控制站系统而言，增设相应的硬件设备，通过网络通信可扩展多用户训练操控。主控台网络通信主要实现系统管理、飞行仿真以及任务仿真之间的信息交换，系统通信结构如下图所示。地面控制站系统网络通信主要实现实时处理、综合显示、地图航迹以及任务控制之间的信息交换。

随着多媒体和虚拟现实（VR）技术的发展，视景仿真成为新兴的可视化技术。如何提供具有真实感的训练环境，是本系统的工作重点。应当重点探索解决以下问题：一是如何实现飞行系统与任务载荷的有机结合，二是如何提高模型的准确度。

采用先进的视景仿真软件，结合具体系统工程特性，在成熟的飞行仿真技术支持下，建立飞行、任務仿真系统，并通过迭代方法，完善系统模型，从而提供能够满足各项指标要求、具有临场真实感的中小型无人机模拟训练系统，将会成为中小型无人机模拟训练中心建设的解决方案之一。