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)飛機的飛行特征，前期可以用于技術驗證，后期可以用于飛行員培養(yǎng)。本文簡要論述了飛行模擬器自產(chǎn)生到現(xiàn)在的發(fā)展過程，介紹了國內(nèi)外典型飛行模擬器的結(jié)構(gòu)性能，歸納并對比了訓練用飛行模擬器和工程用飛行模擬器的特點，詳細闡述了當今飛行模擬器的結(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：V323 文獻標識碼：A 文章編號：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

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

一般來講，飛行模擬器由模擬座艙、運動系統(tǒng)、視景系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)及教員控制臺等五大部分組成[3]。一臺合格的飛行模擬器需要給飛行員提供和駕駛真實飛機相同的視覺、聽覺、駕駛桿力感和運動感，并且這些感覺之間需要非常協(xié)調(diào)，否則會使飛行訓練達不到真實的理想效果。飛行教員通過教員控制臺來設置仿真模型，從而構(gòu)建訓練科目[4]。

目前，關于飛行模擬器的研究非常多，先后出現(xiàn)了各種針對不同飛機型號和用途的飛行模擬器。本文對飛行模擬器的發(fā)展進行了簡要回顧，并對多種飛行模擬器進行了研究。

1 飛行模擬器的發(fā)展

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

從20世紀初至20世紀30年代，該階段主要研究的是簡易的機械式模擬器。例如，1910年前后，英國軍官阿諾德·桑德斯（Arnold Sanders）設計研制了一種固定在地面上的飛行訓練器，其被稱為“桑德斯教師”[5]。這種飛行訓練器將萬向支架安裝在飛機機身下方并固定在地面基座上，只能在風量足夠的情況下使用。在風的吹動下，飛行員操縱升降舵和方向舵，模擬真實飛機的氣動反應，它只是給飛行員帶來操作的感覺。

1939年，林克公司與美國海軍的導航專家菲利普·威姆斯合作，研制出一種適合轟炸機機組成員使用的模擬器[6]。這種天文導航模擬器的視景系統(tǒng)進一步得到了改進。模擬器下方有活動的目標地圖，其頂部還布置了精細的天文圖。天文圖上標定了用于導航校準的常見星辰。這些常見星辰能夠進行相對運動，讓領航員在模擬飛行過程中練習，測量經(jīng)度和緯度上的位置變化。此外，針對不同應用細分，這種模擬器機還特別進行了相應改型，可以應用于無線電導航、雷達操作、機槍射擊等訓練科目。

20世紀40年代至80年代，飛行模擬器從機械式向電子化大步前進。機械式的模擬飛行無法實現(xiàn)運動參數(shù)的實時計算，學員只能依靠經(jīng)驗調(diào)整控制系統(tǒng)中的部件，這對實際飛行訓練來說還只是一種輔助手段。

第二次世界大戰(zhàn)期間，戰(zhàn)爭進一步激發(fā)了電子技術的發(fā)展，基于模擬電路的電子計算機出現(xiàn)，這使得實時計算運動參數(shù)成為可能。1941年，英國電信研究所及美國貝爾實驗室均成功將模擬電子計算機加入飛行模擬器中，用于模擬計算飛機的運動參數(shù)，檢驗其與其他部件的聯(lián)動工作，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部件加入自己的飛行模擬器中，設計制造了民用航空公司領域的第一臺綜合飛行模擬器。這臺模擬器采用與真機相同的全套駕駛艙設備。

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抵消精度的提高，使得故障的出現(xiàn)率相對增加。20世紀50年代后，基于集成化數(shù)字電路的電子計算機日漸成熟，使得飛行模擬器的精度、可靠性和運算速度都大大增加。這樣一來，飛行器的受力及姿態(tài)變化量可以實時地獲知，飛行模擬器的運動系統(tǒng)相應地得到快速發(fā)展，飛行員可以獲得逼真的運動感覺。1958年，英國的雷迪豐公司設計的“彗星4”民航客機模擬器就配備了使整個機頭部分產(chǎn)生俯仰的運動系統(tǒng)[8]。

同一時期，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)適應性不強，制作和維護復雜，使用成本較高。

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

20世紀70年代以來，高性能的數(shù)字計算機開始被應用于飛行模擬器，得益于運算速度和性能的大幅度提高，這一時期，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，整體座艙可實現(xiàn)六自由度運動。另外，還設有多功能的教員控制臺，供教員設置初始飛行條件，或隨時調(diào)整參數(shù)和插入故障，監(jiān)控和評估學員的操作情況。1970年，美國和英國研制出較為實用的球形空戰(zhàn)模擬器[9]，其座艙是固定的，通過振動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)生大幅度的運動感，這種模擬器適合進行空戰(zhàn)戰(zhàn)術和特技飛行訓練。20世紀80年代，美國空軍針對F-15戰(zhàn)斗機、F-16戰(zhàn)斗機研制的全任務飛行模擬器，能夠?qū)Σ煌h(huán)境和條件下戰(zhàn)機從起飛、機動、作戰(zhàn)到返航降落的整個過程進行模擬，不僅用于人員訓練，還用于戰(zhàn)術對抗方面的研究。同樣，利用模擬器也可以對改進型號和全新設計的飛行器展開工程研究，在實際試飛前測試各系統(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 國外典型飛行模擬器介紹

2.1.1 加拿大CAE 7000XR系列D級全任務飛行模擬器。加拿大航空電子設備公司于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以及綜合培訓解決方案的公司。CAE 7000XR系列D級全飛行模擬器是其在民航領域開發(fā)的優(yōu)秀產(chǎn)品，基于多款世界主流型號的民航客機，做了相應的改型設計。這里以基于波音787的CAE 7000XR全任務飛行模擬器為例進行介紹，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備公司設計的CAE Tropos 6000XR視覺系統(tǒng)，可提供比擬現(xiàn)實場景的視覺感受，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，其具有極強的圖形生成能力，可以生成超過1 000 000個多邊形，強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，云彩在陽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)星成像技術使機場外圍的分辨率可以達到15 m，用戶的機場圖形數(shù)據(jù)庫可以輕松更新。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。此外，加拿大航空電子設備公司自主開發(fā)的Autocal自動校準系統(tǒng)可以實現(xiàn)遠程操作，明顯減少校準視覺顯示所需的時間。

CAE 7000XR全任務飛行模擬器的內(nèi)部座艙如圖2所示。這款飛行模擬器的運動系統(tǒng)采用了加拿大航空電子設備公司研發(fā)的全電動系統(tǒng)作為驅(qū)動源，可以支撐重達14 515 kg的駕駛室，全電動系統(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Flight Safety D級飛行模擬器。美國飛安航校（FlightSafety Academy）為這種飛行模擬器集成了數(shù)百個其自主研發(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)滿足最高國際認證標準，包括美國航空標準（FAA）的D級標準。這種飛行模擬器的視覺系統(tǒng)為飛行員提供操作飛機和完成作戰(zhàn)任務所需的窗外信息和傳感器信息。VITAL X利用衛(wèi)星成像技術和獨特的高分辨率渲染技術復制真實世界場景。飛行操作包括視覺導航、儀表飛行、著陸以及網(wǎng)絡戰(zhàn)術訓練。Flight Safety D級飛行模擬器外形結(jié)構(gòu)如圖3所示。

這種飛行模擬器的運動系統(tǒng)同樣采用全電動驅(qū)動，其全電運動系統(tǒng)相比于液壓驅(qū)動系統(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，控制傳感器的運動采樣頻次（每秒4 000次），讓飛行學員在操縱駕駛桿和踏板時產(chǎn)生逼真的力感。Flight Safety D級飛行模擬器內(nèi)部座艙如圖4所示。

Flight Safety D級飛行模擬器為飛行學員提供了矩陣式多系統(tǒng)綜合訓練平臺，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Frasca D級飛行模擬器。弗拉斯卡國際公司（Frasca International）是另一家美國優(yōu)秀的飛行模擬器研發(fā)設備制造商，該公司基于強大的軟件開發(fā)能力，自主開發(fā)出一套Frasca運動提示系統(tǒng)，推出Simplicity教員控制助手及SimAssis輔助培訓助手。在Frasca運動提示系統(tǒng)的幫助下，飛行學員可以做到對實際飛行效果的精準把握，另外，強大的軟件助手使得教員與學員的工作都變得輕松高效。Frasca D級飛行模擬器內(nèi)部座艙如圖5所示。

2.2 飛行模擬器的類型分析

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

訓練用飛行模擬器主要用于飛行員的飛行駕駛訓練，所以其模擬座艙須與特定型號的飛機駕駛艙保持完全一致，包括駕駛桿、腳蹬、油門桿、儀器儀表、各種開關和指示燈等，使飛行學員走進飛行模擬器中如同走進了真實的飛機座艙。而工程用飛行模擬器主要用于技術的開發(fā)與驗證，不針對特定機型，講究通用性，所以對模擬座艙并沒有特定的嚴格要求[11]。

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

工程用飛行模擬器的控制臺相當于訓練用飛行模擬器的教員臺，但控制臺除了具有教員臺功能（設置飛行科目、初始條件和障礙設置等）外，還配有簡易駕駛桿、油門桿和腳蹬等。人們可以操控、檢驗模擬器的運行情況，并可以記錄飛行數(shù)據(jù)，便于后期研究。

訓練用飛行模擬器按用途和復雜程度又可分為三類。

2.2.1 全任務飛行模擬器（Full Flight Simulator，F(xiàn)FS）。全任務飛行模擬器由模擬座艙、視景系統(tǒng)、運動系統(tǒng)、操縱負荷系統(tǒng)、音響系統(tǒng)和教員臺等組成，可覆蓋包括起飛、著陸在內(nèi)的90%以上飛行科目的訓練，是目前最為先進、完整的訓練工具。全任務飛行模擬器分為A、B、C和D四個級別，其中D級性能最高，訓練科目覆蓋面最大。

2.2.2 飛行訓練器（Flight Training Device，F(xiàn)TD）。飛行訓練器一般沒有運動系統(tǒng)和視景系統(tǒng)，但幾乎包括對飛機上所有設備的仿真，可以用于地勤訓練和飛行訓練。飛行訓練器分為七個等級（1～7）。

2.2.3 基于計算機的訓練模擬器（Computer Based Training，CBT）?；谟嬎銠C的訓練模擬器主要用于飛行理論教學，是具有圖形圖像、文本顯示、語音的多媒體計算機系統(tǒng)。

3 飛行模擬器結(jié)構(gòu)及功能

不同型號的飛機在性能和用途上會有差別，甚至差別會很大。但是，不論是型號各異的訓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主要軟件系統(tǒng)，由于飛行模擬器許多分系統(tǒng)的驅(qū)動信號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)的選取及預處理直接影響飛機特性的仿真逼真度，決定飛行模擬器的等級。其模型主要由氣動模塊、運動方程模塊、起落架力和力矩模塊三部分組成，此外，模型中會搭配其他模塊（質(zhì)量特性、大氣、毀壞、紊流和風、重定位等），使整體特性更加趨于完善。

3.2 物理效應系統(tǒng)

物理效應系統(tǒng)包括視景系統(tǒng)、音響系統(tǒng)、運動系統(tǒng)、儀表顯示系統(tǒng)和操縱負荷系統(tǒng)。這部分可以給飛行學員直觀的生理感受，各個感受的真實性和協(xié)調(diào)性會對訓練效果產(chǎn)生直接影響。

3.3 教員臺

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

3.4 未來飛行模擬器應加強的能力

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

飛行模擬器的本質(zhì)是對真實飛機飛行效果的模擬，模擬的逼真度越高，其應用價值越高。未來，人們要著重改進飛行模擬器的飛行仿真系統(tǒng)和物理效應系統(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。飛機的六自由度運動方程具有通用性，各種型號飛機模型的區(qū)別主要體現(xiàn)在氣動參數(shù)上，因此氣動參數(shù)辨識至關重要。這就需要改進辨識工具或相關技術，以提升飛機建模的精確性。

物理效應系統(tǒng)為飛行學員提供了豐富的駕駛感受，這些感受的逼真度直接會影響飛行學員訓練效果，因此每一個物理效應部件的發(fā)展都將會促進模擬器的發(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飛行員，尤其是訓練飛行員面臨緊急情況的處理能力及戰(zhàn)場戰(zhàn)術執(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信息進行理解和學習。虛擬現(xiàn)實（VR）和增強現(xiàn)實（AR）是目前圖像處理技術的前沿領域，飛行模擬器的視景系統(tǒng)在AR和VR的加持下幾乎可以對任意場景進行模擬，尤其是對戰(zhàn)斗機飛行員來說，在視景系統(tǒng)里模擬真實的戰(zhàn)場環(huán)境，可以很好地鍛煉其操作能力、作戰(zhàn)能力及戰(zhàn)術執(zhí)行能力。

3.6 特情規(guī)劃

飛行員在實際的駕駛飛行中往往會遇到或大或小的特定狀況，這些狀況具有不可測性。因此，飛行學員在進行學習時，模擬器應具備不可測的特情規(guī)劃，而不是僅僅由教員臺設置環(huán)境變量，這樣可以很好地鍛煉飛行員的心理素質(zhì)及隨機應變能力。

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，飛行訓練中心的飛行模擬器應互聯(lián)互通，其軍用價值更大。戰(zhàn)斗機的集群作戰(zhàn)是常用戰(zhàn)術，因此集群的戰(zhàn)術訓練要求飛行員之間的通信必須暢通。民用方面，學員的飛行數(shù)據(jù)可采用統(tǒng)一管理方式，對數(shù)據(jù)的統(tǒng)計有利于分析學員在學習過程中普遍存在的問題，方便教員更有效地教學。

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)境和任意時刻的飛行外部條件，而且這些飛行條件以海量的真實數(shù)據(jù)記錄作為支撐，具有極高的仿真價值。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，從而讓訓練科目自動進行，無須教員臺控制。對于飛行訓練數(shù)據(jù)，計算機自動評分并給出指導意見，教員完全可以只作為輔助指導者，這樣一來，訓練效率會大大提升。

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