某型飛機(jī)模擬仿真系統(tǒng)組建和研究

歐杰+李岑

摘 要 為滿足我國航空業(yè)對試飛員和指揮員的培訓(xùn)需求，為試飛關(guān)鍵技術(shù)研究和演示驗證提供必要的技術(shù)支持，以更好更快地開展試飛方法和試飛員培訓(xùn)技術(shù)的研究，開發(fā)了一套基于某型飛機(jī)模型的工程化的仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括指揮引導(dǎo)仿真平臺、飛行仿真器、實時網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，對各個模塊的組建方法、技術(shù)指標(biāo)和難點進(jìn)行了介紹和研究。該系統(tǒng)已用于試飛員、指揮員的模擬飛行操縱培訓(xùn)中，實驗結(jié)果和試飛員評述表明：該平臺完全達(dá)到了試飛員飛行培訓(xùn)、指揮員模擬操縱的要求。

關(guān)鍵詞 培訓(xùn)；仿真；可視化；平臺

中圖分類號：V217 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）07-0055-03

1 基本概述

近年來，隨著我國綜合國力的提升，在世界多極格局中扮演著越來越重要的角色。建設(shè)現(xiàn)代化軍隊，首當(dāng)其沖的就是各軍兵種裝備和人才能力的提升，其中試飛員和指揮員的培訓(xùn)任務(wù)更是為重中之重。因此開展針對某型飛機(jī)的飛行模擬技術(shù)開展研究，具有非常重要的意義。

某型機(jī)飛行試驗?zāi)M系統(tǒng)建設(shè)主要滿足試飛員和指揮員的培訓(xùn)任務(wù)、試飛關(guān)鍵技術(shù)研究和演示驗證以及仿真模型驗證等方面。其中，試飛培訓(xùn)主要針對該型機(jī)試飛員、指揮員和試飛工程師的培訓(xùn)，以提高參試人員的理論、技術(shù)水準(zhǔn)和技術(shù)熟練度，增強(qiáng)試飛信心和試飛安全；試飛關(guān)鍵技術(shù)研究與驗證主要針對該型機(jī)飛行試驗所特有的困難和風(fēng)險進(jìn)行研究，以提高飛行試驗的效率，減小試飛風(fēng)險，加快試飛進(jìn)度；仿真模型的驗證將是以后空、海軍試飛員地面模擬訓(xùn)練的重要保障。

2 模擬仿真系統(tǒng)組建原理

2.1 模擬仿真系統(tǒng)組建基本構(gòu)架

該型機(jī)的飛行仿真系統(tǒng)主要包括：指揮引導(dǎo)仿真平臺、飛行仿真器、實時網(wǎng)絡(luò)與信息處理等。由于以上各部分內(nèi)容算法復(fù)雜，因此將其分為子模塊，通過光纖與主仿真器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。具體示意圖如圖1所示。

圖1 某型機(jī)模擬器結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 其他關(guān)鍵仿真系統(tǒng)組成

在一個逼真的仿真系統(tǒng)環(huán)境中，還需要其他關(guān)鍵仿真模塊的組成，主要包括模擬座艙模塊、人感操縱系統(tǒng)模塊、仿真視景模塊等[1]。這些仿真模塊的好壞，直接決定著整個仿真系統(tǒng)的逼真程度。因此，對每個模塊都有著較高的指標(biāo)要求。

例如人感操縱系統(tǒng)模塊主要實現(xiàn)主操縱系統(tǒng)（縱向、橫向、航向的三通道操縱）的操縱力/位移特性，采用電動人感系統(tǒng)實現(xiàn)，由三信道電動人感系統(tǒng)、配套桿系和操縱加載系統(tǒng)軟件組成。結(jié)合目前國內(nèi)通用模擬器使用要求，具體實現(xiàn)指標(biāo)如下。

1）提供光滑、平穩(wěn)的力感覺。

2）可進(jìn)行操縱系統(tǒng)啟動力、死區(qū)、阻尼比、摩擦力、最大操縱力、最大操縱速度、最大操縱位移的調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍滿足飛機(jī)操縱系統(tǒng)的技術(shù)指針要求。

3）頻率響應(yīng)：50 Hz～100 Hz。

4）最大時間延遲不大于60 ms。

5）噪聲幅值不大于20 dB。

6）系統(tǒng)精度：小于1%滿量程。

3 模擬器組建方法

如圖1所示，該型機(jī)模擬仿真系統(tǒng)的組建包括指揮引導(dǎo)仿真平臺、飛行仿真器、實時網(wǎng)絡(luò)與信息交互系統(tǒng)三部分構(gòu)成，而指揮引導(dǎo)仿真平臺包括著陸指揮員模擬系統(tǒng)、起飛指揮模擬系統(tǒng)、塔臺飛行指揮模擬系統(tǒng)。

3.1 指揮引導(dǎo)仿真平臺的組建

作為某型飛機(jī)整個飛行全過程來說，起飛和著陸階段是風(fēng)險率最高的，因此該飛機(jī)的起飛和著陸的指揮過程訓(xùn)練和引導(dǎo)方法的模擬驗證也是模擬仿真系統(tǒng)的重要組成部分[2]。

3.1.1 起飛指揮模擬系統(tǒng)

起飛指揮模擬系統(tǒng)主要服務(wù)于起飛指揮員，同時兼顧起飛指揮員助理、起飛觀察員、機(jī)械師等現(xiàn)場人員操縱流程顯示。起飛指揮視景模擬同時以動畫形式實現(xiàn)相應(yīng)的機(jī)務(wù)活動、勤務(wù)保障、引導(dǎo)員手勢、輪擋收放等內(nèi)容。起飛指揮模擬系統(tǒng)主要包括以下方面。

1）起飛指揮視景模擬系統(tǒng)。起飛指揮視景模擬采用兩信道大屏幕顯示方式實現(xiàn)。顯示內(nèi)容主要為起飛指揮員處的目視起降環(huán)境，同時也根據(jù)需求切換成指揮員關(guān)心的視角。

2）起飛指揮控制臺。主要實現(xiàn)起飛指揮員處的信息顯示和操縱環(huán)境，以及起飛過程的程序設(shè)置、指令控制等。

3）起飛指揮信息觀察和控制軟件。軟件模擬起飛指揮處的顯示接口和指揮操縱邏輯過程。

3.1.2 著陸指揮模擬系統(tǒng)

著陸指揮模擬系統(tǒng)主要包括逼真的視景模擬系統(tǒng)、仿真的著陸指揮控制臺以及相應(yīng)的觀察和控制軟件。

1）著陸指揮視景模擬系統(tǒng)。著陸指揮視景模擬采用兩信道大屏幕顯示方式實現(xiàn)，顯示內(nèi)容為跑道端頭處的目視起降環(huán)境。

2）著陸指揮控制臺。該控制臺主要實現(xiàn)與真實著陸指揮員一致的信息顯示和操縱環(huán)境。

3）著陸指揮官信息觀察和控制軟件。使用軟件編程模擬著陸指揮官的顯示接口和指揮操縱邏輯過程，該軟件要求能夠使著陸指揮官至少能夠從3視角觀測飛機(jī)著陸狀態(tài)，以更好的評判飛機(jī)的著陸姿態(tài)。

3.1.3 塔臺飛行指揮模擬系統(tǒng)

在一個全系統(tǒng)的飛行仿真模擬系統(tǒng)中，塔臺的飛行模擬主要用于塔臺主指揮員、副指揮員、領(lǐng)航員的模擬操縱[3]。塔臺飛行指揮模擬系統(tǒng)主要包括以下方面。

1）塔臺飛行指揮視景模擬系統(tǒng)。塔臺飛行指揮視景模擬采用兩信道大屏幕顯示方式實現(xiàn)。顯示內(nèi)容為塔臺指揮員處的目視起降環(huán)境，采用平面地圖技術(shù)模擬800千米*800千米，150：1的機(jī)場驟變平面地圖。

2）塔臺飛行指揮控制臺。主要實現(xiàn)飛行指揮員和領(lǐng)航員席位的信息顯示和操縱環(huán)境，包括塔臺飛行指揮控制臺體，飛行指揮員和領(lǐng)航員控制臺電腦、信息顯示設(shè)備、控制和轉(zhuǎn)換設(shè)備等。

3）塔臺飛行指揮員/領(lǐng)航員信息觀察和控制軟件。軟件模擬塔臺飛行指揮員/領(lǐng)航員的顯示接口和指揮操縱邏輯過程。endprint

3.2 飛行仿真器的組建

飛行仿真器的組建主要包括：運(yùn)動臺體的組建、視景仿真系統(tǒng)、飛行仿真軟件等。

3.2.1 運(yùn)動臺體的組建

為了整個飛行仿真系統(tǒng)的逼真性，運(yùn)動臺體采用了六自由度的電動運(yùn)動平臺。運(yùn)動系統(tǒng)的控制主要在控制臺上進(jìn)行，控制指令首先通過反射內(nèi)存網(wǎng)發(fā)送給運(yùn)動系統(tǒng)通訊軟件，再由該計算機(jī)通過以太網(wǎng)發(fā)送給運(yùn)動系統(tǒng)內(nèi)部的實時控制計算機(jī)。值得一提的是，在座艙左操縱臺后部設(shè)有系統(tǒng)應(yīng)急切斷開關(guān)，供試飛員在緊急情況下使系統(tǒng)停止運(yùn)動并安全落下[4]。

另外，六自由度運(yùn)動系統(tǒng)一般需要根據(jù)該型機(jī)的座艙和視景系統(tǒng)等的不同，設(shè)計和加裝內(nèi)部運(yùn)動系統(tǒng)，保證各模擬系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)不變形。

3.2.2 視景仿真系統(tǒng)

視景仿真系統(tǒng)是飛行仿真系統(tǒng)面對試飛員最直接的窗口，各系統(tǒng)地優(yōu)劣、故障，都將在第一時間通過視景系統(tǒng)傳輸給試飛員。因此視景仿真系統(tǒng)地逼真與否，直接影響到該仿真系統(tǒng)的成敗。

視景仿真系統(tǒng)由虛像顯示系統(tǒng)、圖像生成系統(tǒng)、投影系統(tǒng)、視景數(shù)據(jù)庫及視景開發(fā)軟件等幾部分組成[5]。由于視景仿真系統(tǒng)的搭建在業(yè)內(nèi)來說技術(shù)都是通用的，篇幅所限不再贅述各部分的組成。具體視景仿真系統(tǒng)的指標(biāo)如下。

1）視場角：水平不小于170°，垂直不小于45°（上視25°、下視20°）。

2）圖像：亮度5000 ANSI lumens（+/-10%）；覆蓋整個屏幕的90%亮度一致。

3）對比度：450-600：1 ANSI，1600-2000：1全視域。

4）分辨率和刷新率：真實的SXGA分辨率，不小于1280×1024。

5）球面鏡半徑：3000 mm。

6）成像距離：>8500 mm。

7）顯示信道：3通道。

3.2.3 飛行仿真軟件

飛行仿真軟件是整個仿真系統(tǒng)的核心，模擬器除開硬件要素外，飛行仿真軟件設(shè)計的優(yōu)劣直接影響到整個模擬器的操縱品質(zhì)。飛行仿真軟件主要包括：動力裝置仿真系統(tǒng)；飛控仿真系統(tǒng)；綜合航電仿真系統(tǒng)；機(jī)電功能仿真系統(tǒng)；特情仿真系統(tǒng)。以上系統(tǒng)的實現(xiàn)均以特定飛行模型為基礎(chǔ)，采用數(shù)學(xué)計算模擬，通過C/C++編程形成軟件，對特定系統(tǒng)進(jìn)行模擬[6]。例如動力裝置仿真系統(tǒng)，其中一項功能便是根據(jù)油門桿位置和當(dāng)前飛行狀態(tài)，實時計算出發(fā)動機(jī)的推力、轉(zhuǎn)速、噴口溫度及發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)等飛機(jī)全包線內(nèi)的數(shù)據(jù)。

3.3 計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信模塊

隨著網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的高速發(fā)展，國內(nèi)外實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊的方法有很多。在綜合性能、成本、排故難度等多方面因素后，在此提出以以太網(wǎng)和反射內(nèi)存網(wǎng)共組網(wǎng)路的方法。該方法在滿足模擬系統(tǒng)延遲小于80ms的基礎(chǔ)上，還具有搭建簡單、成本低廉、故障定位迅速等優(yōu)點。現(xiàn)簡單介紹其原理：

1）在主計算機(jī)和主要節(jié)點計算機(jī)（航電、接口、視景主機(jī)等）之間采用實時反射內(nèi)存網(wǎng)進(jìn)行通訊，其余計算機(jī)之間采用以太網(wǎng)進(jìn)行通訊。

2）除反射內(nèi)存網(wǎng)外，所有計算機(jī)還通過以太網(wǎng)連接在一起。以太網(wǎng)主要用于系統(tǒng)控制管理、維護(hù)、監(jiān)控以及檔的傳輸與共享，同時也用于視景節(jié)點與視景IG計算機(jī)之間的數(shù)據(jù)通訊。

3）網(wǎng)絡(luò)通訊和調(diào)度軟件充分考慮各節(jié)點的具體情況，自動適應(yīng)各節(jié)點的要求，如相互依賴關(guān)系，運(yùn)行次序等。網(wǎng)絡(luò)通訊軟件統(tǒng)一定義反射內(nèi)存網(wǎng)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并規(guī)定各數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的地址，網(wǎng)絡(luò)通訊軟件提供通用的數(shù)據(jù)讀寫接口函數(shù)。網(wǎng)絡(luò)通訊軟件為系統(tǒng)控制節(jié)點提供反射內(nèi)存網(wǎng)自檢、節(jié)點運(yùn)行狀態(tài)等監(jiān)控信息，同時還提供指令發(fā)送接口函數(shù)，實現(xiàn)系統(tǒng)控制軟件對整個系統(tǒng)的運(yùn)行控制。

4 模擬仿真系統(tǒng)的驗證

1）仿真器驗證方法。為保證仿真系統(tǒng)逼真度，確保飛行模擬訓(xùn)練的有效性，仿真器測試主要依據(jù)我國國軍標(biāo)模擬器相關(guān)條例、并參考GB/T 15025-94、CCAR60部、IATA（國際航空運(yùn)輸協(xié)會）等仿真器鑒定標(biāo)準(zhǔn)展開，驗證流程如圖2所示。

圖2 試飛仿真器試飛驗證流程

2）飛行仿真模型的飛行校驗。仿真器的飛行仿真模型的試飛校驗過程如圖3所示。

3）飛行模擬的效驗結(jié)果。仿真器模擬的是否逼真，主要是通過同條件下的試飛校驗來考核的，經(jīng)過飛行的數(shù)次迭代后，最終仿真器的模擬達(dá)到了設(shè)計指標(biāo)。由于篇幅所限，在此只給出飛行控制系統(tǒng)模型偏航信道、俯仰信道和滾轉(zhuǎn)信道控制律的校驗結(jié)果。

從圖4、5、6中可以看出，仿真模型數(shù)據(jù)和試飛數(shù)據(jù)基本吻合，且在2°容差范圍內(nèi)，具有較好的模擬性。

5 結(jié)束語

目前該型模擬器已經(jīng)應(yīng)用于試飛員的模擬飛行、指揮員的

模擬操縱培訓(xùn)等方面，對試飛員的培訓(xùn)業(yè)務(wù)起到了極大的推動作用，獲得了個方面的一致好評。但由于本文篇幅所限，部分關(guān)鍵技術(shù)的原理、仿真數(shù)學(xué)模型的建立過程沒有列舉。同時，該型模擬器雖然已經(jīng)有了實際工程應(yīng)用，但與國外的先進(jìn)模擬器還存在一定的差距，這也是筆者后續(xù)繼續(xù)研究的方向。

圖3 飛行仿真模型試飛校核、驗證過程

圖4 偏航通道的試飛校驗結(jié)果

圖5 俯仰通道的試飛校驗結(jié)果

圖6 滾轉(zhuǎn)通道的試飛校驗結(jié)果

參考文獻(xiàn)

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