飛行模擬器的發(fā)展研究

張友偉 章艷 王之云 李宏超 黃紫晗

摘 要：飛行模擬器在航空業(yè)發(fā)展過程中扮演重要角色，能夠在地面逼真地再現(xiàn)飛機(jī)的飛行特征，前期可以用于技術(shù)驗(yàn)證，后期可以用于飛行員培養(yǎng)。本文簡(jiǎn)要論述了飛行模擬器自產(chǎn)生到現(xiàn)在的發(fā)展過程，介紹了國(guó)內(nèi)外典型飛行模擬器的結(jié)構(gòu)性能，歸納并對(duì)比了訓(xùn)練用飛行模擬器和工程用飛行模擬器的特點(diǎn)，詳細(xì)闡述了當(dāng)今飛行模擬器的結(jié)構(gòu)框架和核心系統(tǒng)功能，分析了飛行模擬器的功能需求，最后提出了飛行模擬器發(fā)展的一些新思路。

關(guān)鍵詞：飛行模擬器;發(fā)展;結(jié)構(gòu)框架;核心系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：V323 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2021）09-0061-05

Abstract： Flight simulators play an important role in the development of the aviation industry， which can realistically reproduce the flight characteristics of aircraft on the ground， and can be used for technical verification in the early stage and for pilot training in the later stage. This paper briefly discussed the development process of flight simulators from their birth to the present， introduced the structural performance of typical domestic and foreign flight simulators， and summarized and compared the characteristics of flight simulators for training and engineering， and elaborated on the structural framework and core system functions of today's flight simulators， and analyzed the functional requirements of flight simulators， and finally put forward some new ideas for the development of flight simulators.

Keywords： flight simulator;development;structural framework;core system

飛機(jī)具有飛行速度快、飛行過程不受地形限制等優(yōu)點(diǎn)，使其無論在軍事領(lǐng)域還是在民用領(lǐng)域都受到了極大歡迎[1]，各主要航空大國(guó)不惜重金投入研發(fā)，以求在激烈的國(guó)際航空市場(chǎng)上占據(jù)有利地位。飛行模擬器能夠在地面逼真地再現(xiàn)飛機(jī)的飛行特征，是航空業(yè)發(fā)展必不可少的一項(xiàng)設(shè)備，無論是前期的技術(shù)驗(yàn)證，還是后期對(duì)飛行員的培養(yǎng)，飛行模擬器都扮演著重要角色。運(yùn)用飛行模擬器對(duì)飛行員進(jìn)行訓(xùn)練，既經(jīng)濟(jì)又安全，同時(shí)不受天氣、機(jī)場(chǎng)等條件限制[2]。飛行員不僅可以在飛行模擬器上進(jìn)行常規(guī)的操作訓(xùn)練，還可以方便地進(jìn)行特情訓(xùn)練（即飛行員在特殊飛行情況下的操作訓(xùn)練，模擬器可以模擬的特殊情況包括極端天氣、飛機(jī)在飛行過程中出現(xiàn)嚴(yán)重故障、飛機(jī)迫降在沒有跑道的地方等）。特情訓(xùn)練在真實(shí)飛機(jī)上是不可能進(jìn)行的，所以飛行模擬器對(duì)于航空業(yè)來說是不可或缺的設(shè)備。

一般來講，飛行模擬器由模擬座艙、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、視景系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及教員控制臺(tái)等五大部分組成[3]。一臺(tái)合格的飛行模擬器需要給飛行員提供和駕駛真實(shí)飛機(jī)相同的視覺、聽覺、駕駛桿力感和運(yùn)動(dòng)感，并且這些感覺之間需要非常協(xié)調(diào)，否則會(huì)使飛行訓(xùn)練達(dá)不到真實(shí)的理想效果。飛行教員通過教員控制臺(tái)來設(shè)置仿真模型，從而構(gòu)建訓(xùn)練科目[4]。

目前，關(guān)于飛行模擬器的研究非常多，先后出現(xiàn)了各種針對(duì)不同飛機(jī)型號(hào)和用途的飛行模擬器。本文對(duì)飛行模擬器的發(fā)展進(jìn)行了簡(jiǎn)要回顧，并對(duì)多種飛行模擬器進(jìn)行了研究。

1 飛行模擬器的發(fā)展

飛機(jī)在戰(zhàn)爭(zhēng)及經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中扮演的角色越來越重要，各種用途的飛機(jī)需求量大大增加，這些都促進(jìn)了飛行模擬器的不斷進(jìn)步。飛行模擬器作為航空業(yè)發(fā)展不可或缺的設(shè)備，經(jīng)歷了機(jī)械化、電子化、智能化等不同的發(fā)展階段。

從20世紀(jì)初至20世紀(jì)30年代，該階段主要研究的是簡(jiǎn)易的機(jī)械式模擬器。例如，1910年前后，英國(guó)軍官阿諾德·桑德斯（Arnold Sanders）設(shè)計(jì)研制了一種固定在地面上的飛行訓(xùn)練器，其被稱為“桑德斯教師”[5]。這種飛行訓(xùn)練器將萬(wàn)向支架安裝在飛機(jī)機(jī)身下方并固定在地面基座上，只能在風(fēng)量足夠的情況下使用。在風(fēng)的吹動(dòng)下，飛行員操縱升降舵和方向舵，模擬真實(shí)飛機(jī)的氣動(dòng)反應(yīng)，它只是給飛行員帶來操作的感覺。

1939年，林克公司與美國(guó)海軍的導(dǎo)航專家菲利普·威姆斯合作，研制出一種適合轟炸機(jī)機(jī)組成員使用的模擬器[6]。這種天文導(dǎo)航模擬器的視景系統(tǒng)進(jìn)一步得到了改進(jìn)。模擬器下方有活動(dòng)的目標(biāo)地圖，其頂部還布置了精細(xì)的天文圖。天文圖上標(biāo)定了用于導(dǎo)航校準(zhǔn)的常見星辰。這些常見星辰能夠進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)，讓領(lǐng)航員在模擬飛行過程中練習(xí)，測(cè)量經(jīng)度和緯度上的位置變化。此外，針對(duì)不同應(yīng)用細(xì)分，這種模擬器機(jī)還特別進(jìn)行了相應(yīng)改型，可以應(yīng)用于無線電導(dǎo)航、雷達(dá)操作、機(jī)槍射擊等訓(xùn)練科目。

20世紀(jì)40年代至80年代，飛行模擬器從機(jī)械式向電子化大步前進(jìn)。機(jī)械式的模擬飛行無法實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的實(shí)時(shí)計(jì)算，學(xué)員只能依靠經(jīng)驗(yàn)調(diào)整控制系統(tǒng)中的部件，這對(duì)實(shí)際飛行訓(xùn)練來說還只是一種輔助手段。

第二次世界大戰(zhàn)期間，戰(zhàn)爭(zhēng)進(jìn)一步激發(fā)了電子技術(shù)的發(fā)展，基于模擬電路的電子計(jì)算機(jī)出現(xiàn)，這使得實(shí)時(shí)計(jì)算運(yùn)動(dòng)參數(shù)成為可能。1941年，英國(guó)電信研究所及美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室均成功將模擬電子計(jì)算機(jī)加入飛行模擬器中，用于模擬計(jì)算飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，檢驗(yàn)其與其他部件的聯(lián)動(dòng)工作，使得模擬器的逼真度大大提高[7]。1948年，柯蒂斯-萊特公司也開始將電子自動(dòng)部件加入自己的飛行模擬器中，設(shè)計(jì)制造了民用航空公司領(lǐng)域的第一臺(tái)綜合飛行模擬器。這臺(tái)模擬器采用與真機(jī)相同的全套駕駛艙設(shè)備。

由于模擬電路的精度偏低，增加精度需要更多的模擬電路，而模擬電路的累積誤差會(huì)抵消精度的提高，使得故障的出現(xiàn)率相對(duì)增加。20世紀(jì)50年代后，基于集成化數(shù)字電路的電子計(jì)算機(jī)日漸成熟，使得飛行模擬器的精度、可靠性和運(yùn)算速度都大大增加。這樣一來，飛行器的受力及姿態(tài)變化量可以實(shí)時(shí)地獲知，飛行模擬器的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)相應(yīng)地得到快速發(fā)展，飛行員可以獲得逼真的運(yùn)動(dòng)感覺。1958年，英國(guó)的雷迪豐公司設(shè)計(jì)的“彗星4”民航客機(jī)模擬器就配備了使整個(gè)機(jī)頭部分產(chǎn)生俯仰的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)[8]。

同一時(shí)期，飛行模擬器的視覺系統(tǒng)也得到了快速發(fā)展。1962年，雷迪豐公司率先采用彩色電視視景模擬系統(tǒng)[8]，但這種視景系統(tǒng)適應(yīng)性不強(qiáng)，制作和維護(hù)復(fù)雜，使用成本較高。

在數(shù)字計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展下，基于計(jì)算機(jī)的成像技術(shù)日趨成熟。計(jì)算機(jī)內(nèi)可存儲(chǔ)大量的景物模塊數(shù)據(jù)，經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等計(jì)算后就能構(gòu)成與模擬器姿態(tài)相符的實(shí)時(shí)畫面。1964年，通用電氣公司研制出第一臺(tái)計(jì)算機(jī)成像模擬系統(tǒng)，用于幫助美國(guó)載人航天中心訓(xùn)練宇航員，但只能提供帶一些紋理的平面透視圖。隨著軟硬件技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)成像效果得以不斷增強(qiáng)，其在立體環(huán)境、復(fù)雜物體、活動(dòng)目標(biāo)和光影變化等方面逐步取得突破。與此同時(shí)，光學(xué)顯示系統(tǒng)也在更新?lián)Q代。無論是簡(jiǎn)單便捷的單個(gè)或組合顯示器，還是大視場(chǎng)大范圍的球幕投影機(jī)，都顯著提高了使用者的視覺真實(shí)感。

20世紀(jì)70年代以來，高性能的數(shù)字計(jì)算機(jī)開始被應(yīng)用于飛行模擬器，得益于運(yùn)算速度和性能的大幅度提高，這一時(shí)期，模擬器的結(jié)構(gòu)組成已經(jīng)完善，大型模擬器普遍具備完整的座艙設(shè)備和模擬控制系統(tǒng)，除視景顯示功能外，還可加入音響和煙霧模擬裝置，整體座艙可實(shí)現(xiàn)六自由度運(yùn)動(dòng)。另外，還設(shè)有多功能的教員控制臺(tái)，供教員設(shè)置初始飛行條件，或隨時(shí)調(diào)整參數(shù)和插入故障，監(jiān)控和評(píng)估學(xué)員的操作情況。1970年，美國(guó)和英國(guó)研制出較為實(shí)用的球形空戰(zhàn)模擬器[9]，其座艙是固定的，通過振動(dòng)座椅和充氣抗荷服提供過載的感覺，配合投影畫面的變化使操作者產(chǎn)生大幅度的運(yùn)動(dòng)感，這種模擬器適合進(jìn)行空戰(zhàn)戰(zhàn)術(shù)和特技飛行訓(xùn)練。20世紀(jì)80年代，美國(guó)空軍針對(duì)F-15戰(zhàn)斗機(jī)、F-16戰(zhàn)斗機(jī)研制的全任務(wù)飛行模擬器，能夠?qū)Σ煌h(huán)境和條件下戰(zhàn)機(jī)從起飛、機(jī)動(dòng)、作戰(zhàn)到返航降落的整個(gè)過程進(jìn)行模擬，不僅用于人員訓(xùn)練，還用于戰(zhàn)術(shù)對(duì)抗方面的研究。同樣，利用模擬器也可以對(duì)改進(jìn)型號(hào)和全新設(shè)計(jì)的飛行器展開工程研究，在實(shí)際試飛前測(cè)試各系統(tǒng)的性能表現(xiàn)和整體的飛行品質(zhì)[10]。

2 飛行模擬器現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外典型飛行模擬器介紹

2.1.1 加拿大CAE 7000XR系列D級(jí)全任務(wù)飛行模擬器。加拿大航空電子設(shè)備公司于1947年3月17日在蒙特利爾成立，是一家為民航業(yè)和世界各地的防衛(wèi)力量提供模擬和建模技術(shù)以及綜合培訓(xùn)解決方案的公司。CAE 7000XR系列D級(jí)全飛行模擬器是其在民航領(lǐng)域開發(fā)的優(yōu)秀產(chǎn)品，基于多款世界主流型號(hào)的民航客機(jī)，做了相應(yīng)的改型設(shè)計(jì)。這里以基于波音787的CAE 7000XR全任務(wù)飛行模擬器為例進(jìn)行介紹，其外形結(jié)構(gòu)如圖1所示。

這款飛行模擬器采用了加拿大航空電子設(shè)備公司設(shè)計(jì)的CAE Tropos 6000XR視覺系統(tǒng)，可提供比擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的視覺感受，該視覺系統(tǒng)采用NVIDIA的GeForce GTX 280圖像處理器，在頻率為60 Hz時(shí)，其具有極強(qiáng)的圖形生成能力，可以生成超過1 000 000個(gè)多邊形，強(qiáng)大的圖形處理器甚至能逼真地描繪云層和天氣狀況。在呈現(xiàn)不同輪廓效果的同時(shí)，云彩在陽(yáng)光下的陰影還能投射到眼簾，使得整體顯示效果更加逼真。最新的衛(wèi)星成像技術(shù)使機(jī)場(chǎng)外圍的分辨率可以達(dá)到15 m，用戶的機(jī)場(chǎng)圖形數(shù)據(jù)庫(kù)可以輕松更新。該款飛行模擬器使用LCoS（硅上液晶）投影儀作為顯示器，其具有高清晰度、質(zhì)量輕、功耗低的特點(diǎn)。此外，加拿大航空電子設(shè)備公司自主開發(fā)的Autocal自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作，明顯減少校準(zhǔn)視覺顯示所需的時(shí)間。

CAE 7000XR全任務(wù)飛行模擬器的內(nèi)部座艙如圖2所示。這款飛行模擬器的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)采用了加拿大航空電子設(shè)備公司研發(fā)的全電動(dòng)系統(tǒng)作為驅(qū)動(dòng)源，可以支撐重達(dá)14 515 kg的駕駛室，全電動(dòng)系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)更環(huán)保、更安靜，且能量消耗少于同等功率液壓系統(tǒng)的25%。

2.1.2 美國(guó)Flight Safety D級(jí)飛行模擬器。美國(guó)飛安航校（FlightSafety Academy）為這種飛行模擬器集成了數(shù)百個(gè)其自主研發(fā)的VITAL視覺系統(tǒng)，包括最新的擁有超高保真度和逼真度的VITAL X。該系統(tǒng)滿足最高國(guó)際認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，包括美國(guó)航空標(biāo)準(zhǔn)（FAA）的D級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。這種飛行模擬器的視覺系統(tǒng)為飛行員提供操作飛機(jī)和完成作戰(zhàn)任務(wù)所需的窗外信息和傳感器信息。VITAL X利用衛(wèi)星成像技術(shù)和獨(dú)特的高分辨率渲染技術(shù)復(fù)制真實(shí)世界場(chǎng)景。飛行操作包括視覺導(dǎo)航、儀表飛行、著陸以及網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練。Flight Safety D級(jí)飛行模擬器外形結(jié)構(gòu)如圖3所示。

這種飛行模擬器的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)同樣采用全電動(dòng)驅(qū)動(dòng)，其全電運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)相比于液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)減少85%的能量消耗，產(chǎn)生更少的熱量和環(huán)境噪聲，同時(shí)省去了大量的液壓流體和高壓分配泵。這種飛行模擬器添加了全電執(zhí)行器，控制傳感器的運(yùn)動(dòng)采樣頻次（每秒4 000次），讓飛行學(xué)員在操縱駕駛桿和踏板時(shí)產(chǎn)生逼真的力感。Flight Safety D級(jí)飛行模擬器內(nèi)部座艙如圖4所示。

Flight Safety D級(jí)飛行模擬器為飛行學(xué)員提供了矩陣式多系統(tǒng)綜合訓(xùn)練平臺(tái)，包括桌面模擬器、集成課件和圖形戰(zhàn)斗甲板模擬器。

2.1.3 美國(guó)Frasca D級(jí)飛行模擬器。弗拉斯卡國(guó)際公司（Frasca International）是另一家美國(guó)優(yōu)秀的飛行模擬器研發(fā)設(shè)備制造商，該公司基于強(qiáng)大的軟件開發(fā)能力，自主開發(fā)出一套Frasca運(yùn)動(dòng)提示系統(tǒng)，推出Simplicity教員控制助手及SimAssis輔助培訓(xùn)助手。在Frasca運(yùn)動(dòng)提示系統(tǒng)的幫助下，飛行學(xué)員可以做到對(duì)實(shí)際飛行效果的精準(zhǔn)把握，另外，強(qiáng)大的軟件助手使得教員與學(xué)員的工作都變得輕松高效。Frasca D級(jí)飛行模擬器內(nèi)部座艙如圖5所示。

2.2 飛行模擬器的類型分析

基于不同的應(yīng)用需求，飛行模擬器可以大致分為兩類，即訓(xùn)練用模擬器和工程用模擬器。二者存在一定區(qū)別。

訓(xùn)練用飛行模擬器主要用于飛行員的飛行駕駛訓(xùn)練，所以其模擬座艙須與特定型號(hào)的飛機(jī)駕駛艙保持完全一致，包括駕駛桿、腳蹬、油門桿、儀器儀表、各種開關(guān)和指示燈等，使飛行學(xué)員走進(jìn)飛行模擬器中如同走進(jìn)了真實(shí)的飛機(jī)座艙。而工程用飛行模擬器主要用于技術(shù)的開發(fā)與驗(yàn)證，不針對(duì)特定機(jī)型，講究通用性，所以對(duì)模擬座艙并沒有特定的嚴(yán)格要求[11]。

工程用飛行模擬器的硬件配置相對(duì)要求較高，主要考慮新型飛機(jī)的研發(fā)或技術(shù)更新可能需要規(guī)模更大、更復(fù)雜的軟件系統(tǒng)，這就要求配置計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度及存儲(chǔ)空間等留有足夠的余度。而訓(xùn)練用飛行模擬器本身就是針對(duì)特定機(jī)型的開發(fā)的，無須在硬件上留有余度。

工程用飛行模擬器的控制臺(tái)相當(dāng)于訓(xùn)練用飛行模擬器的教員臺(tái)，但控制臺(tái)除了具有教員臺(tái)功能（設(shè)置飛行科目、初始條件和障礙設(shè)置等）外，還配有簡(jiǎn)易駕駛桿、油門桿和腳蹬等。人們可以操控、檢驗(yàn)?zāi)M器的運(yùn)行情況，并可以記錄飛行數(shù)據(jù)，便于后期研究。

訓(xùn)練用飛行模擬器按用途和復(fù)雜程度又可分為三類。

2.2.1 全任務(wù)飛行模擬器（Full Flight Simulator，F(xiàn)FS）。全任務(wù)飛行模擬器由模擬座艙、視景系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、操縱負(fù)荷系統(tǒng)、音響系統(tǒng)和教員臺(tái)等組成，可覆蓋包括起飛、著陸在內(nèi)的90%以上飛行科目的訓(xùn)練，是目前最為先進(jìn)、完整的訓(xùn)練工具。全任務(wù)飛行模擬器分為A、B、C和D四個(gè)級(jí)別，其中D級(jí)性能最高，訓(xùn)練科目覆蓋面最大。

2.2.2 飛行訓(xùn)練器（Flight Training Device，F(xiàn)TD）。飛行訓(xùn)練器一般沒有運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和視景系統(tǒng)，但幾乎包括對(duì)飛機(jī)上所有設(shè)備的仿真，可以用于地勤訓(xùn)練和飛行訓(xùn)練。飛行訓(xùn)練器分為七個(gè)等級(jí)（1～7）。

2.2.3 基于計(jì)算機(jī)的訓(xùn)練模擬器（Computer Based Training，CBT）。基于計(jì)算機(jī)的訓(xùn)練模擬器主要用于飛行理論教學(xué)，是具有圖形圖像、文本顯示、語(yǔ)音的多媒體計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

3 飛行模擬器結(jié)構(gòu)及功能

不同型號(hào)的飛機(jī)在性能和用途上會(huì)有差別，甚至差別會(huì)很大。但是，不論是型號(hào)各異的訓(xùn)練用模擬器還是工程用模擬器，就其系統(tǒng)組成和核心功能來說，二者還是有很多相通之處。飛行模擬器的一般功能組成如圖6所示，下面分析其各構(gòu)成模塊。

3.1 飛行仿真模型

飛行仿真模型是飛行模擬器的一個(gè)主要軟件系統(tǒng)，由于飛行模擬器許多分系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)都需要飛行仿真模型提供，所以該系統(tǒng)的建模、編程數(shù)據(jù)的選取及預(yù)處理直接影響飛機(jī)特性的仿真逼真度，決定飛行模擬器的等級(jí)。其模型主要由氣動(dòng)模塊、運(yùn)動(dòng)方程模塊、起落架力和力矩模塊三部分組成，此外，模型中會(huì)搭配其他模塊（質(zhì)量特性、大氣、毀壞、紊流和風(fēng)、重定位等），使整體特性更加趨于完善。

3.2 物理效應(yīng)系統(tǒng)

物理效應(yīng)系統(tǒng)包括視景系統(tǒng)、音響系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、儀表顯示系統(tǒng)和操縱負(fù)荷系統(tǒng)。這部分可以給飛行學(xué)員直觀的生理感受，各個(gè)感受的真實(shí)性和協(xié)調(diào)性會(huì)對(duì)訓(xùn)練效果產(chǎn)生直接影響。

3.3 教員臺(tái)

教員臺(tái)是飛行模擬器的監(jiān)控中心，主要用來監(jiān)視和控制飛行訓(xùn)練情況。它不僅能及時(shí)顯示飛機(jī)飛行的各種參數(shù)（如高度、速度、航向和姿態(tài)等），還能設(shè)置各種飛行條件（如風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、氣壓和起始位置等）。另外，還能設(shè)置各種故障，以訓(xùn)練飛行員的判斷與處理故障的能力。先進(jìn)的教員臺(tái)還具有維護(hù)檢測(cè)、考核、鑒定等功能。

3.4 未來飛行模擬器應(yīng)加強(qiáng)的能力

自誕生以來，飛行模擬器的主要使命就是模擬飛機(jī)的實(shí)際飛行效果，使其可以供學(xué)員逼真地完成地面飛行訓(xùn)練。這一過程使人類節(jié)約了大量的人力、物力、財(cái)力。同時(shí)，在地面對(duì)飛行員進(jìn)行訓(xùn)練不受外界客觀環(huán)境的影響，提高了飛行員初始培訓(xùn)的效率，而且模擬器訓(xùn)練是絕對(duì)安全的，這對(duì)飛行員生命和訓(xùn)練設(shè)施的保護(hù)來說都非常有意義。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，模擬器不單單用于飛行員的訓(xùn)練，而是與飛機(jī)的發(fā)展相輔相成，其對(duì)新型飛機(jī)的設(shè)計(jì)及新技術(shù)的驗(yàn)證起到重要輔助作用。

飛行模擬器的本質(zhì)是對(duì)真實(shí)飛機(jī)飛行效果的模擬，模擬的逼真度越高，其應(yīng)用價(jià)值越高。未來，人們要著重改進(jìn)飛行模擬器的飛行仿真系統(tǒng)和物理效應(yīng)系統(tǒng)。

飛行仿真系統(tǒng)作為飛行模擬器的核心，其模型的精確度直接決定模擬器的質(zhì)量。飛機(jī)的六自由度運(yùn)動(dòng)方程具有通用性，各種型號(hào)飛機(jī)模型的區(qū)別主要體現(xiàn)在氣動(dòng)參數(shù)上，因此氣動(dòng)參數(shù)辨識(shí)至關(guān)重要。這就需要改進(jìn)辨識(shí)工具或相關(guān)技術(shù)，以提升飛機(jī)建模的精確性。

物理效應(yīng)系統(tǒng)為飛行學(xué)員提供了豐富的駕駛感受，這些感受的逼真度直接會(huì)影響飛行學(xué)員訓(xùn)練效果，因此每一個(gè)物理效應(yīng)部件的發(fā)展都將會(huì)促進(jìn)模擬器的發(fā)展。

3.5 飛行模擬器發(fā)展的新思路

為了讓飛行模擬器更好地培訓(xùn)飛行員，尤其是訓(xùn)練飛行員面臨緊急情況的處理能力及戰(zhàn)場(chǎng)戰(zhàn)術(shù)執(zhí)行能力，本文提出了新的發(fā)展思路。

人類獲得外界信息的主要途徑就是聽和看。因此，如果獲取的聲音和圖像具有豐富性和精確性，那么人們就能很好地對(duì)信息進(jìn)行理解和學(xué)習(xí)。虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）是目前圖像處理技術(shù)的前沿領(lǐng)域，飛行模擬器的視景系統(tǒng)在AR和VR的加持下幾乎可以對(duì)任意場(chǎng)景進(jìn)行模擬，尤其是對(duì)戰(zhàn)斗機(jī)飛行員來說，在視景系統(tǒng)里模擬真實(shí)的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，可以很好地鍛煉其操作能力、作戰(zhàn)能力及戰(zhàn)術(shù)執(zhí)行能力。

3.6 特情規(guī)劃

飛行員在實(shí)際的駕駛飛行中往往會(huì)遇到或大或小的特定狀況，這些狀況具有不可測(cè)性。因此，飛行學(xué)員在進(jìn)行學(xué)習(xí)時(shí)，模擬器應(yīng)具備不可測(cè)的特情規(guī)劃，而不是僅僅由教員臺(tái)設(shè)置環(huán)境變量，這樣可以很好地鍛煉飛行員的心理素質(zhì)及隨機(jī)應(yīng)變能力。

3.7 飛行模擬器的集群連接

飛行員一般都是成批培養(yǎng)的，未來，飛行訓(xùn)練中心的飛行模擬器應(yīng)互聯(lián)互通，其軍用價(jià)值更大。戰(zhàn)斗機(jī)的集群作戰(zhàn)是常用戰(zhàn)術(shù)，因此集群的戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練要求飛行員之間的通信必須暢通。民用方面，學(xué)員的飛行數(shù)據(jù)可采用統(tǒng)一管理方式，對(duì)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)有利于分析學(xué)員在學(xué)習(xí)過程中普遍存在的問題，方便教員更有效地教學(xué)。

3.8 與人工智能的結(jié)合

隨著航空飛行數(shù)據(jù)的不斷積累，人類的航空飛行已經(jīng)積累了大量的飛行數(shù)據(jù)，加上海量的氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)，飛行模擬器在人工智能的加持下可以模擬任意環(huán)境和任意時(shí)刻的飛行外部條件，而且這些飛行條件以海量的真實(shí)數(shù)據(jù)記錄作為支撐，具有極高的仿真價(jià)值。人工智能同樣可以總結(jié)出在不同環(huán)境下出現(xiàn)不同事故的概率，從而讓訓(xùn)練科目自動(dòng)進(jìn)行，無須教員臺(tái)控制。對(duì)于飛行訓(xùn)練數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)自動(dòng)評(píng)分并給出指導(dǎo)意見，教員完全可以只作為輔助指導(dǎo)者，這樣一來，訓(xùn)練效率會(huì)大大提升。

參考文獻(xiàn)：

[1]張鐳.飛行模擬器飛行仿真系統(tǒng)建模與軟件實(shí)現(xiàn)[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2009：18.

[2]樊軍.訓(xùn)練型飛行模擬器系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真研究[D].西安：西北工業(yè)大學(xué)，2007：12-13.

[3]GERVAIS C，CHAUDRON J B，SIRON P，et al.Real-Time Distributed Aircraft Simulation through HLA[C]//IEEE/ACM International Symposium on Distributed Simulation & Real Time Applications.2012.

[4]STERMAN J D，F(xiàn)IDDMAN T，F(xiàn)RANCK T，et al.Management flight simulators to support climate negotiations[Z].2013.

[5]陳浩.民用飛行器仿真模擬與訓(xùn)練方法研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2016（23）：13.

[6]鄧昌盛.全動(dòng)飛行模擬器操縱負(fù)荷系統(tǒng)原理及仿真設(shè)計(jì)淺述[J].山東工業(yè)技術(shù)，2018（1）：45.

[7]TORRE G，RAMALLO M A，CERVANTES E.Workload perception in drone flight training simulators[J].Computers in Human Behavior，2016（64）：449-454.

[8]NASCIMENTO F A C，MAJUMDAR A，OCHIENG W Y，et al.Fundamentals of safety management：The Offshore Helicopter Transportation System Model[J].Safety Science，2016（85）：194-204.

[9]GAUTHIER P A，CAMIER C，LEBEL A，et al.Experiments of multichannel least-square methods for sound field reproduction inside aircraft mock-up：Objective evaluations[J].Journal of Sound and Vibration，2016（376）：194-216.

[10]KOGLBAUER I.Training for Prediction and Management of Complex and Dynamic Flight Situations[J].Procedia - Social and Behavioral Sciences，2015（209）：268-276.

[11]ROUSE W B.Human interaction with policy flight simulators[J].Applied Ergonomics，2014（1）：72-77.