飞行训练模拟器设计方式分析

飞行训练模拟器设计方式分析

张天玉

天津莱特兄弟科技有限公司 天津市300393

摘要：飞行训练模拟器是飞行人员在日常训练过程中所需要的一种重要的地面设备。为了有效地提升飞行训练水平，优化飞行训练质量，作为训练员，就应当全面深化飞行训练模拟器的训练工作落实。众所周知，现代飞行训练模拟器是民航飞行员进行练习训练的重要仪器之一。因此，对现代飞行训练模拟器开展了研究，飞行训练的模拟器是为了平时对飞行员进行培训而专门研制的训练设备，其中，实时控制系统技术是模拟器的核心技术。

关键词：飞行训练模拟器；设计；实时控制；方式

航天员执行飞行任务，必须熟练掌握在轨飞行所需的各类复杂操作技能。航天员的技能定义为在载人航天活动中运用知识和经验，完成某种任务具备的技巧和能力的统称。航天员执行任务具有高度专业性，高可靠性，部分操作项目还具有不可逆的特点，一旦失误会造成严重后果。鉴于此，航天员必须在地面经过专业、大量的训练，不但要求航天员对航天特殊环境有良好耐受能力和适应能力，而且要求航天员必须感知敏捷、情绪稳定，具有良好的注意力分配能力、信息提取能力、快速决策能力以及丰富的知识储备和熟练的操作技能。航天飞行训练模拟器是保障技术训练的基础条件，其系统的结构和功能必须要与真实的载人航天器几乎完全一致，才能够复现航天器从发射到在轨飞行的各种情景，为航天员提供视觉、听觉、运动觉、操作负荷等各种感觉，使其能够产生在轨飞行的体验，从而使航天员能够提前熟悉航天飞行环境，并根据不同的任务要求实施必要的操作。航天工作环境的特殊性要求航天员的在轨操作技能学习要依赖于高度仿真的地面训练模拟器。

一、飞行模拟器系统的组成和原理

我国的飞行模拟器主要根据包括飞行器以及机载系统仿真，飞行环境仿真和分布式网络环境等部分组成。而所有的组成部分都配置了主干子系统。而飞机以及机载系统模型的计算主要是由飞机机载系统来进行完成。除此之外，飞行模拟器的主要功能在于为飞行员提供更加方便的指导控制，如为民航飞行员提供视觉听觉等作用。而教学的控制模拟能够实现对模拟器的控制。并能够在仿真系统中实现信息检索，从而达到交互仿真等功能。快捷的网络数据能够为飞行员提供良好的网络环境，使民航飞行员在进行飞行训练中达到零误差。在模拟仿真中，模型的四部分都将会实时同步训练。一般来说，每个子系统都会有一个网络节点。而每个网络节点中的数据都是通过模拟器的内部网络进行交换的。另外，飞行模拟器以及机载系统的仿真模型主要包含以下方面：飞行动力模拟模型、计算飞行器载荷量。通过对以上数据的分析，求解出飞行器的具体方程。以此类推，求出发动机的运动动态。系统功能可与飞控系统直接连接各种逻辑开关和显示器。各子系统的动态响应特性差异很大。飞行模拟器的基本原理：仿真系统控制台命令和控制下，依照预定的飞行程序和相关飞机飞行仿真事件系统参数, 根据仿真的结果和驾驶模拟驾驶舱仪表板, 视觉和音频模拟数据系统为飞行员提供了真实场景的感知；在仿真座舱中，实时采集驾驶员的手动操作，并实时求解仿真模型，实现仿真系统的人在环交互式仿真。在教学平台上，提供了软仪器，将模拟的驾驶舱仪表盘实时反映飞行员的真实感受，并提供了逼真的三维图形显示软件，供教师了解飞行参数、飞行员操作和飞行状态。

二、现代飞行训练模拟器设计和实时控制方式

1、实时控制硬件组成和设计

主控计算机是飞行训练模拟器的控制系统的主要的硬件配置，然后通过接口的技术和控制运动系统、视景图形、教员控制、舱载以及音响合成计算机联网，把接口和手控操纵以及仪表显示的系统相互连接。整个飞行训练模拟器的指挥中心就是教员控制台，其主要负责设置平时的飞行训练科目、故障、飞行环境等，在设置完毕之后通过网络接口向主控设备发出相应的指令。舱载计算机的作用是完成飞行器的制导、导航和控制在飞行的过程中的程序。手控的操作系统就需要飞行员参与到实际的操作中，把手控信号传给主控设备。

（1）选择适合的主控机。用于进行飞行训练的模拟器实际上是由一个很复杂的系统所构成的，为了使飞机在飞行时的状态和过程得到再现，这对主控机的要求很高，主控机在计算、实时控制以及通讯方面的任务就相当的重，并且模拟机的运行时间比较长，在运行的时候人员和机器的交互较为频繁，这就需要在选择主控机的时候要充分地考虑到其运行速度、可靠性、安全性、容量等因素。

（2）接口系统设计。飞行训练模拟器的硬件设计的另外一个重点就是设计接口系统，由于主控设备和视景图形计算机、仪表系统、舱载计算机、教员台计算机等等都有许多信息的交互，所以，设计一个良好的接口系统变得极其重要。在许多飞行训练模拟器的初期研发过程中，接口系统是以总线传输的形式进行工作，传输的速率比较高，但是线路网庞大复杂，缺乏可靠性和可维护性，用户体验较差。在进入80年代后期，网络的不断发展也对接口系统带来了改变，传统的总线传输变为实时网络传输，现在的飞行训练模拟器的网络接口的应用使得整个系统的先进性、可扩展性以及可维修性都得到了很大程度的保证。

2、实时控制软件组成和设计

（1）实时管理软件。管理软件的作用是要对飞行训练模拟器的实时系统实行模块管理、速率块的调度以及中断调用，还要随时对系统进行维护、监测和修改，评估分析训练的效果。在所有的仿真软件中，由于每个描述物理运动过程的模块的变化率各不相同，所以它们的解算出的迭代速率同样有区别。在对实时的仿真软件进行设计的时候，我们一般采用20ms的帧周期，但是这样做会使得一部分快变的模块造成发散性计算，使系统变得不稳定；对于其他的慢变的模块来说，又带来了机时方面的浪费。因此，只有通过速率快调度才可以把不同的速率的帧作业进行实时的分配，和模型进行实时切换的时候才能保证整个系统的实时性。在飞行训练模拟器的系统的运行过程中，很多时候会由于软件、硬件或者其他的一些未知的因素，给整个系统带来无法控制的故障，严重地影响到飞行员或者其他空勤人员的训练效果，甚至会使训练不得不终止。

（2）实时仿真软件的组成。飞行训练模拟器的实时仿真软件是把飞行器在飞行的过程中的各种状态用数字化形式加以展现，它属于实时控制软件的重要部分。在设计飞行训练模拟器的仿真软件的时候，要按照以下步骤进行设计：第一，要把实际的飞行的过程进行系统的分析，制定相应的系统模块的规范，把仿真的内容进行模块化；第二，建立数学模型，对每个最小模块进行描述；第三，根据数学模块选择适应的仿真算法；第四，建立起仿真的流程，着手仿真软件的设计。

（3）实时仿真软件的设计。仿真软件的设计是以仿真流程图为基础进行设计的，在设计仿真的流程图的时候，要把被仿真的内容的工作工程明确了，再根据不同的模块把它们综合起来。实时的仿真软件的设计也有很大的难度，不仅需要对选择的计算机的功能有深入的了解，还需要具备扎实的软件设计的基础。实时仿真软件的设计通常以模块作为独立的单元，进行单独的设计和调试，编程选择的是高级语言，对部分模块则可以选择汇编语言和高级语言相结合。除此之外，还要建立离线的调试环境，包括信号的模拟显示和信号采集等。最终，通过硬件和软件进行综合调试，形成完整的飞行训练模拟器的控制系统。

随着信息技术的不断发展和更新，飞行训练模拟器的实时控制技术和现有的计算机的技术紧密结合，并且被应用到各个不同的领域中。虽然每个领域所涉猎的内容不同，但是对实时控制技术的使用是有共同点的，只是被控制对象的不同就要求我们的控制模型要有所变化。对于飞行训练用的模拟器来说，要实现实时控制技术，就要把计算机系统和数学模型有效地结合起来。

参考文献：

[1] 刘超华. 飞行训练模拟器座舱仪表及控制系统设计[D]. 哈尔滨:哈尔滨工程大学,2018.

[2] 晁建刚, 陈善广, 薛亮. 航天飞行训练模拟器技术研究与工程实施[J]. 航天医学与医学工程,2018,21(3):29.

[3] 商旭升, 李江红, 逄妍立. 舰载机多机协同飞行训练模拟器设计与实现[J]. 计算机仿真,2019,30(7):14.