舰载机着舰模拟训练系统设计

2020-11-05刘剑超林亚军

兵器装备工程学报 2020年10期

刘剑超，汪节，林亚军，吕游，穆杨

(海军航空大学教练机模拟训练中心, 辽宁葫芦岛 125001)

舰载机着舰是航母作战能力形成的重要因素，着舰是具有高精度和高风险的飞行训练项目，着舰距离短且过程中还会受到舰运动、舰尾流等的影响。利用实装训练，不但受自然条件约束明显，而且训练风险极大和训练成本高昂。因此，采用着舰模拟训练系统，可有效提高飞行员的着舰操控技术水平，替代部分实装训练、减少事故率，具有非常现实的意义。于兴雷等[1]对舰船运动模型的视景仿真进行了研究，于凤全等[2]研究了舰载直升机飞行模拟器飞行仿真系统，田角荣等[3]研究了舰载机陆基FCLP训练模拟系统。国外在舰载机着舰研究方面进行的较早，尤其是美军，经历了惨痛的教训，也因此收获了丰富的经验。本文主要是借鉴国外相关技术经验，系统的对我国舰载机着舰过程进行了模拟仿真，研制了舰载机着舰飞行模拟训练系统。本文主要从着舰飞行模拟器的整体需求、分系统设计、飞行仿真验证等方面进行叙述。

1 整体设计

整体设计的功能需求为：

1) 模拟舰面与“空中”操作训练。模拟舰面座舱实习、通电检查；模拟在“空中”进行座舱设备的空中操作与使用程序的训练。

2) 模拟多种引导方式的着舰训练。完成LSO(Landing Signal Officer,着舰信号指挥官)引导、光学引导、仪表半自动引导、自动着舰引导下的着舰、复飞、逃逸、特情等科目的训练。

3) 模拟训练数据的记录与处理。系统可记录模拟着舰飞行训练中的有关数据，并载入着舰相关飞行状态数据，进行回放，并依据着舰规范、着舰飞行品质等标准，通过智能算法，完成着舰飞行训练的评估。

图1中各个子系统的组成和功能：教员控制台是模拟器的大脑，进行人机交互，输入输出信息。引导子系统包含人工、半自动、自动等引导方式，主要是根据舰载机位置偏差。座舱及操纵子系统，包括座舱人机接口系统和驾驶杆、油门、方向舵等操纵设备。飞行/推力控制子系统和飞行仿真子系统，是根据当前的任务设置和飞行状态，解算飞机模型和碰撞检测模型。视景子系统能完成三维环境仿真和平视显示器画面生成与叠加，提供多视角舰载机着舰情况；音响子系统完成模拟训练中的有关音响仿真；仪表子系统主要对舰载机仪表进行仿真模拟，采取图形仪表和实装仪表改装相结合的方式；振动子系统是模拟舰载机着舰过程中简单的触舰感觉；过载子系统主要是计算飞行员在着舰过程中各个阶段的过载情况；教员控制台完成任务管理、条件参数设置、故障设置、数据记录、仿真再现，数据输出及评估，模拟LSO指挥等功能。

图1 系统框图

图1中系统的联动机制：引导子系统通过FLOLS光学信号或仪表数据，为飞行员提供着舰下滑道的高度误差信号和侧向偏差信号；飞行员根据此误差信号，通过模拟座舱的操纵装置(驾驶杆、油门杆、方向舵等)，输入控制量；飞行/推力控制子系统采集和接收飞行员的操纵量，计算舵面偏转值和推力值；飞行仿真子系统接收舵面偏转值和推力值作为输入，并根据舰载机的动力学模型，实时计算着舰飞行状态，并将此状态反馈给飞行/推力控制子系统，形成控制上的闭环；航母动力学子系统计算航母的六自由度运动状态；舰载机飞行状态和航母运动状态，会共同输入到视景子系统、仪表子系统等中，驱动视景和仪表等的工作，进而为飞行员提供实时反馈信号；教员控制台，在着舰模拟飞行中，飞行教员能进行着舰模态的选择、着舰环境设置等操作，并根据控制台的实时着舰态势，通过语音与飞行员联系，模拟真实着舰中，舰面LSO等人员与飞行员间的指挥交流。

2 各子系统设计

2.1 引导子系统

模拟器中包含了上述4种着舰引导方式，分别是自动着舰引导、 ILS(Instrument Landing System,仪表着舰系统)引导、FLOLS(Fresnel Lens Optical Landing System,菲涅尔透镜着舰系统)着舰引导、LSO引导等，以模拟训练飞行员在各类引导方式下的操纵。一般实际中，会根据需要对不同引导方式进行组合使用，如美军的全天候引导系统有4种工作模式。模态I采用自动着舰引导；模态IA采用自动着舰引导至3/4海里处，切换为FLOLS引导；模态II采用ILS引导3/4海里处，切换为FLOLS引导；模态III为舰上控制进场，主要是LSO引导。模态I工作时，模态II、III处于监控和备用的状态；模态II工作时，模态III处于监控和备用的状态。

1) 自动着舰引导建模。主要是雷达引导建模和引导律建模。雷达引导建模包含4次坐标转换、平台数字稳定和雷达(测距/测角)噪声建模；引导律建模，采用工程基于α-β-γ滤波器的PIDD(Proportion Integration Differential Differential,比例+积分+微分+微分)引导律，用于滤除雷达主要工作频段的噪声，并根据高度误差和侧向偏离等，来运算引导指令(俯仰角指令和滚转角指令)，指令经过数据链延迟模型，后传送给飞控系统模块。过程中，若飞行员操纵驾驶杆或油门杆，系统将切断自动引导方式，转入其他引导方式。

2) ILS引导建模。主要是仪表引导建模和平台数字稳定。ILS引导建模要完成两次坐标转换，并用数字稳定消除甲板运动的影响，最后生成偏差信号(下滑角偏差和方位角偏差)，发送到模拟座舱中的仪表中。飞行员根据着舰误差的大小及极性，来操纵飞行模拟着舰。

3) FLOLS着舰引导建模。主要是FLOLS稳定模式建模、FLOLS稳定模式建模、工作逻辑建模、FLOLS视景建模。FLOLS稳定主要是消除甲板运动对FLOLS平台的影响，稳定模式包含惯性稳定模式、直线稳定模式和点稳定模式。工作逻辑建模，是根据飞机的高度误差/侧向偏离、飞机距离理想着舰点的实际距离、以及FLOLS平台稳定方式，来运算出纵向和侧向各偏离多少灯球，并将信号，传送给视景子系统，驱动点亮瞄准灯。

4) LSO着舰引导建模。模拟器中，设置了两种LSO着舰引导模式，一个是自然人LSO语音引导和人工智能LSO语音引导。在引导控制方式中，LSO是最高权限。

自然人LSO语音引导：该模式下，LSO通过模拟器的教员控制台，观察着舰视景画面和中线摄像机信息，判断飞机在下滑道的偏差，利用电话语音系统，给模拟座舱中的飞行员下达飞行指令。

人工智能LSO语音引导：若无LSO在场，可选用计算机人工智能LSO代替。人工智能LSO根据飞行轨迹、舰载机特性、甲板运动和飞行员状态等，得出飞机所需的调整量，并映射为LSO指令，语音发送给飞行员，如图2所示。人工智能LSO开发时，会用大量输入输出进行训练和检验。

图2 LSO模型框图

2.2 座舱及操作子系统

模拟座舱系统舱内布局与真实飞机基本一致。所有操纵、控制、显示、指示设备均采用模拟件，满足要求：所有控制装置的控制方式、操控范围、力感、系统响应等与真实舰载机保持一致；控制设备的布局、外形要与真实舰载机一致；所有显示/指示设备的显示逻辑、显示方式等要与真实舰载机保持一致。

驾驶杆、方向舵等操纵采用弹簧载荷来模拟操纵特性。模拟仪表的外观和特性与实装一致。在具体分析仪表的结构和工作机理的基础上，设计接口和驱动电路。主控将模拟信号传递给仪表驱动板上的单片机，转换成频率和脉冲等参数，通过放大和驱动后，控制电机运动，仿真仪表工作。

2.3 飞行/推力控制子系统

1) 飞行控制系统。飞行控制系统的实现，有两种方法：使用舰载机实装的飞行控制系统(飞控计算机和执行机构)，缺点是成本太高；全数字化仿真，缺点是难以仿真固有的非线性环节，但能具有一定的精度。

可采用FLIGHTLAB软件中的CSGE模块，对飞行控制系统进行建模：

飞行控制律模型：着舰时三轴姿态控制/保持、三轴姿态角速率控制/保持、计算延时模型、应急机械操纵模型、自动着舰模态下飞控与舰上引导系统交联。

模态切换模型：着舰引导控制切换的的平缓处理。

执行机构模型：可建立具体液压助力模型等，也可用二阶系统加非线性环节来描述其动力学。

传感器模型：包含迎角、姿态角、风速、气压高度等传感器模型，以及误差和噪声模型，传感器故障模型。

2) 推力控制系统。舰载机着舰反区飞行，轨迹不稳定且动力学耦合复杂，飞行员常采用反区操纵方法来控制舰载机，或采用自动油门(常为速度保持)。需结合具体的油门、发动机、飞机的模型，设计推力控制律和控制系统等。

2.4 飞行仿真子系统

根据舰载机气动模型数据和舵面操纵输入，计算出飞行状态下的气动力、气动力矩；根据发动机模型及油门输入，得到飞行状态下的发动机推力；将力和力矩输入到动力学和运动学方程中，可以得出着舰状态输出。风场模型是通过气动学影响舰载机的力、力矩输出。拦阻情况关系着舰品质和安全，起落架模型和拦阻模型可以仿真出飞机触舰拦阻情况。建模需注意以下几个方面(图3)。

图3 飞行仿真子系统模块

1) 气动模型的精确性是飞行仿真的关键，气动模型中需包含减速板、增升装置、起落架、滑流、“舰面效应”等的气动数据。

2) 动力学和运动学模型。航迹轴系下建立模拟器质心运动方程如下：

(1)

机体轴系中建立绕质心转动的动力学方程：

区别于阿斯顿·马丁旗舰车型DB11，全新Vantage兼具了造型的美感和强劲的性能。这辆颇有GT感觉的运动跑车在听觉、美学方面所成就的造诣令人向往，飞驰的快感通过莱卡（Lycra）纤维材质制成的座椅传递至驾驶者的身体，配合着高亢的发动机声线，英伦品牌独到的魅力此时被彰显得淋漓尽致。

(2)

由式(1)，通过矩阵转换，可得质心速度在地面轴系上的投影，再对各分速度进行积分，即可得到质心位置在空间中的变化规律，也就是质心运动学方程：

(3)

利用式(2)和式(3)，采用欧拉角表示法建立转动运动学方程：

(4)

2) 发动机推力特性模型。舰载机在下滑阶段，处于气动反区上，轨迹不稳定，常采用“反区操纵”的方式，要求发动机的小油门响应好且延迟小。另外，发动机加速性能对舰载机的逃逸/复飞模拟训练很关键。

3) 精确模拟触舰拦阻动力学模型。起落架建模中仿真起落架缓冲器和轮胎的触舰受力情况；拦阻索采用柔性物体建模，模拟在不同形变下的状态；按照尾钩与舰载机相对位置关系，模拟尾钩与拦阻索之间的碰撞关系及相互动力学。

4) 风场模型。包括低空飞行大气紊流、舰艏上洗气流、甲板风、斜角甲板产生的侧洗气流、舰尾气流、剪切风等的模型。

2.5 航母子系统

1) 航母模型。建立航母六自由度运动学模型、动力学模型、航母减摇控制系统模型。建立航母的数据库，包括航母几何外形数据、惯性数据等。

2) 海浪模型。为了模拟海浪对舰运动的影响，应建立不同海况、不同等级海浪和不同形式海浪的数学模型及数据库。采用Gerstner模型实现了动态海洋，并且渲染碎波和泡沫效果。

X=X0+sin(KX-wt)

Y=Acos(KX-wt)

其中，K表示波浪向量，它是一个橫向量，用来表示海浪运动方向的点，另外有一个和波浪长度相关的度量k：

如图4所示，当kr>1∶0时，波形会出现交叉，当kr≤1∶0时，波形为正常的波形。再下一图表示某时刻下Gerstner波粒子的空间位置。由图4可知，Gerstner波具有波峰海浪粒子密，波谷海浪粒子稀疏，该特性在构建海洋表面网格时能够更好刻画波峰的细节信息。单独的Gerstner波模拟出来的海浪的效果并不是很好，因此可以累加不同参数的波来模拟出不同的海浪运动。

图4 海浪运动模拟曲线

2.6 视景子系统

视景子系统，须完成三维着舰环境仿真和舰载机平视显示器画面生成与叠加，对于其他视角(如LSO)，也能提供相应的飞机和发动机画面。三维环境仿真通过实时渲染，产生座舱外景象，包括天空、大海、航母、助降设备、拦阻索等，并模拟气象条件、能见度、昼夜晨昏的景象，使飞行员有高的沉浸感觉。其中，对于光学助降设备FLOLS，必须能根据光学助降系统工作逻辑，并根据当前飞行状态、飞机位置、航母运动等相关参数驱动点亮光学助降系统的信号灯，提供给飞行员进行观察判断。并且，飞行员视角的肉球移动速度能符合与飞机相对运动的实际几何关系。

视景计算机接收舰载机和航母的位置、姿态和运动信息，以及教控台的控制信息，实时调用场景数据库和目标数据库。经过整套CGI的多边形处理和几何处理后，进行纹理像素的解算合成，形成实时的场景图像，经过视频处理后送出RGB信号，经投影显示出逼真的视景图像。为了以60帧/秒显示分辨率1 280*1 024像素，利用并行计算技术，采用6台工控机流水处理视景数据，其中1台作为主视景计算机(图5)。

图5 视景计算流程框图

场景数据库的设计，主要是充分利用航拍数据，并采用Creator 3.0建模工具、Visual C++6.0与 Vega Prime视景仿真平台来实现虚拟场景。首先，虚拟场景中的虚拟三维实体在Creator中的建模；然后将三维实体模型在Vega Prime中生成虚拟场景，并通过Vega Prime 的交互函数对虚拟场景进行控制；最后在Visual C++6.0境下生成界面。

2.7 运动系统

运动系统用来模拟飞机的姿态及速度的变化，以使飞行员的身体感觉到飞机的运动。起飞/着舰时，舰载机在一些方向上存在大过载，而模拟这些过载对舰载机飞行员的训练非常必要。先进的飞行模拟器，其运动系统具有6自由度，即在三维坐标中绕3个轴的转动和3个轴的线位移。主要包括6个电动作动筒及其支撑平台。6个作动筒的协同运动，可驱动平台并使座舱模拟出飞机的运动变化情况。

2.8 音响仿真子系统

音响仿真子系统用于模拟相应设备的声响(如综合航电系统、发动机轰鸣、起落架收放、撞击式着舰等)，以及外界环境的声音(机体与气流的摩擦声音、雷雨声)。根据当前的飞行状态，从数据库中提取音响素材，合成为环境声音信号输出。

建立音响的素材数据库和特征数据库。读取设置参数。建立发动机噪声与发动机工作状态间的关系模型，如低速下滑的发动机慢车和复飞逃逸时的大油门响应等。读取仿真模块数据后，进行模型解算，实时触发并模拟各种音响输出。

2.9 教员控制台子系统

教员控制台是飞行模拟器的监控中心，各子系统的任务控制信息都来自于控制台。主要用于控制、监控、评估飞行训练，以及实现作为LSO的着舰引导。

1) 着舰任务设置。一是飞行任务设置。如三类环境下进场航线及流程、标称/非标称着舰、复飞逃逸等，特情处置和引导方式切换等。二是飞机状态设置，如初始进场的位置、速度、油量等，着舰的位置偏离，空中飞行故障特情等。三是航母状态设置，着舰时航母航行速度和方向，海况级别和航母角运动参数等。四是飞行环境设置，如甲板风强度、空中风速风向，昼夜、日照、雾。最后是座舱初始化设置，如自检、归零等。

2) 着舰任务控制。任务的运行、暂停、重启动或终止。

3) 着舰态势显示。提供LSO视角的着舰视景和中线摄像机信息，以实现LSO引导。

4) 着舰结果记录、演示和评估。可以通过多视角的切换、快慢放等方法分析飞机着舰的状态变化，用于飞行讲评教学。利用着舰飞行数据与评分标准库，建立一个模糊评估模型，全面评估着舰训练的表现，智能评估系统功能如图6所示。