某型飞机飞行模拟器的设计与实现

仿真器与仿真设备 357某型飞机飞行模拟器的设计与实现李军姜国卫（空军军训器材研究所，北京，100089）摘要：某型飞机是我军的新型作战飞机，设备复杂。

为使部队训练手段现代化，提高部队训练质量和训练效益，尽快增强部队战斗力，保障飞行安全，我们研制了该型飞机的飞行模拟器。

该模拟器以基本驾驶飞行技术和战术训练为重点，用于飞行员和领航员的改装、技术和战术训练，是国内首次研制成功的集飞行员和领航员训练于一体的大型飞行模拟器，系统规模大，技术难度高。

本文介绍了该型飞机飞行模拟器的设计与实现，包括模拟器的功能、系统组成、技术特点和使用情况。

1 引言某型飞机是我国自行研制的超音速歼击轰炸机，主要用于突击敌战役纵深目标和敌中型以上水面舰船，在不带对地（海）攻击武器情况下，也可作为歼击机执行为轰炸机群和舰船护航、同机护航、远程截击及歼灭空中敌机等空中作战任务。

该型飞机具有良好的低空飞行特性、较大的作战半径和载弹量。

与国产其它飞机相比，该型飞机由前驾驶员和后领航员两个座舱组成，机载设备数量大、功能多、技术新，系统复杂。

自从该型飞机装备部队以来，一直没有相应的模拟器供部队使用。

由于新技术、新设备的大量使用，飞机的综合性能及武器装备由简单变复杂，由单一变组合化。

作为飞行人员，在一定的飞行时间内已经很难熟练掌握飞行操纵技能和机载装备的使用方法，灵活应用于战术科目的演练就更加困难，更无法掌握临界参数状态下的特情处置方法。

因此，训练手段模拟化，是形势发展的需要。

为使部队训练手段现代化，提高部队训练质量和训练效益，尽快增强部队的战斗力，保障飞行安全，给飞行人员提供一套具有真实场景，实时仪表，如身临其境般感觉的训练仿真设备是十分必要的，也是非常迫切的。

2 基本组成与原理该型飞机飞行模拟器是以基本驾驶飞行技术和战术训练为重点的多任务训练模拟器，用于该型飞机飞行员和领航员的改装、技术和战术训练。

该型飞机飞行模拟器是一台人在回路里的大型、实时仿真系统，其组成框图及控制关系如图1所示。

该模拟器由前舱主控计算机、杆力计算机、教控台计算机、前舱雷达计算机、平显计算机、后舱主控机、后舱雷达计算机、GPS计算机、全向告警器计算机、导弹指挥仪计算机、图形工作站和网络服务器等12台计算机通过网络系统构成，是以计算机为核心的复杂的人机闭环实时仿真系统。

其中各个子系统均与计算机交连构成各自的闭环。

飞行员、领航员、飞行教员、主控机、各子系统又组成了一个大闭环。

358 2003全国系统仿真学术年会图1 模拟器组成框图仿真器与仿真设备 359模拟器的电源、主机、视景、液压等系统被启动后，模拟器便进入初始状态，尔后飞行员、领航员在各自的座舱内可按实际飞行步骤进行操作。

飞行员、领航员的每一步操作均通过相应的系统送入相应的计算机，这些计算机根据这些输入信号进行飞行方程和电子火控系统的解算，并将计算结果输出到有关的子系统，激励子系统产生相应的响应，这些视觉、听觉、动觉信号被飞行员、领航员所接受，以确定下一个操纵动作及操纵量。

飞行和攻击过程中，飞行教员既可以实时监测飞行状态，也可以通过教员控制台随时对飞行状态、飞行环境、飞行条件进行干预或指导，这些干预或指导也通过计算机激励有关子系统产生相应的响应，为飞行员、领航员所接受。

3 主要分系统的原理及技术特点3.1 飞行控制系统飞行控制系统由主控计算机和飞行控制软件两部分组成。

主计算机采用通用微机。

飞行软件主要包括计算机实时飞行解算系统、后台管理监测系统及通讯控制系统三部分。

计算机后台管理监测系统主要完成对接口、键盘及模拟飞行系统程序的控制和相应的监控、测试功能。

实时飞行解算系统程序分为发动机系统、燃油系统、液压系统、飞行系统、操纵系统、火控系统、无线电导航系统、仪表指示系统、抖振座椅等系统。

各系统的数学模型及软件与被模拟的该型飞机相应系统性能基本一致。

通讯控制系统完成主控机与接口、网络服务器、杆力计算机实时数据交换。

3.1.1 模型建立根据该型飞机结构特点，运用VVA技术，按照模块化建模编程的要求建立模型。

鉴于新机的气动数据较少，参考气动布局相似飞机的相关参数，与该型飞机不同架次的飞参记录数据进行比较、分析和处理，进行飞行参数的修正和完善，实践证明：利用飞参数据辅助建模，大大缩短了调试周期，提高了气动数据的可靠性。

根据计算需要，建立了一维、二维、三维非线性气动参数库，建立了在线动态调试工具，在品模调试过程中可以逐点逐线地实时调整参数库，改进了调试手段，进一步缩短了调试周期，使定常飞行品质基本满足训练需要。

3.1.2 实时性实时性问题对飞行模拟器而言至关重要。

当系统硬件确定以后，软件开发就是关键环节，为了保证实时，我们主要从两个方面下功夫。

一是建模方面，使其尽量科学、合理、简化。

二是软件流程方面，采用模块化设计，采用C语言和汇编语言混合编程，并通过修改中断向量，使其需要实时解算的程序能保证在单周期以内完成。

3.1.3 系统特点（1）模型科学、合理、简洁、适用；（2）软件设计构思新颖、结构合理、资源利用充分；（3）程序运行可靠、实时性好。

3.2 火力控制及武器仿真系统该飞机飞行模拟器的火控系统由雷达、平视显示器、导弹指挥仪及武器发射控制系360 2003全国系统仿真学术年会统等模拟设备组成，并通过网络与主控机、视景计算机、教控台相交联，具有相应机载设备的功能。

火控与武器仿真系统一起，完成空空航炮和空地投弹瞄准攻击，完成空空、空地导弹瞄准攻击并模拟武器发射过程，显示导弹的飞行轨迹，从而使模拟器能完成各种战术课目训练任务。

整个系统的组成如图2所示，火控计算机完成火控模型的解算，显示符号的处理，以确保平显形成与实装一致的显示画面和瞄准符号，同时还完成攻击效果的评估计算。

模拟器雷达和指挥仪具有相似的硬件结构，包括工控机、液晶屏、开关、按钮、LED指示灯及数据采集接口，分别完成雷达仿真模型和导弹火控模型的解算，提供与实装一致的显示页面，模拟雷达和指挥仪的工作过程。

图2 火控及武器仿真系统框图该系统在设计中重点解决了以下三个问题：（1）仿真模型的建立建立正确的仿真数学模型是该系统设计的基础。

为此，应用火控、雷达、导弹动力学其制导的有关理论，以及数值计算方法，建立了一套完整的雷达、平显火控、指挥仪及导弹轨迹仿真模型，并利用实装的检测数据对模型进行了校正，确保了模型的正确性。

（2）攻击过程的准确模拟为了使瞄准攻击过程与实装一致，主要做了以下两方面的工作：一是针对模拟器火控系统与实装交联设备的差异，根据火控符号的显示要求，建立火控符号显示模型，在火控计算机完成火控计算及显示符号处理后，保证平显显示的火控符号及其动态过程与实际平显一样。

二是对平显的光学系统进行了精确的调整，使平显画面的成像距离与视景系统相适应，视差满足规定要求，从而保证飞行员可以使用平显对视景系统显示的目标进行精确瞄准攻击。

（3）攻击效果的正确评估正确评估攻击效果，对于提高飞行员的攻击训练水平具有重要意义。

为此所做的工作是：首先对目标精确定位，对视景系统进行精确的调整，保证目标位置的显示精度。

其次是根据飞机和目标的位置及运动规律、采用的武器及攻击方式，建立准确的效能评仿真器与仿真设备 361估模型，由火控计算机完成运算并给出评估结果，其中空空和空舰导弹攻击、空空航炮攻击只判定目标是否被命中，对地轰炸则给出弹着点偏差的大小。

3.3 视景仿真系统视景仿真系统由大视场旁轴虚像显示系统和图像生成系统两部分组成。

3.3.1 大视场旁轴虚像光学显示系统自行研制了大视场旁轴虚像光学显示系统，该系统由投影屏、球面反射镜、上罩、下罩、底座遮光板、安装架和投影器组成，如图3所示，其水平视场角达180°，垂直视场角40°。

改进和完善了硅玻璃成形与铸铝镜座复合、镜面磨抛、镀膜等工艺，使光学系统具有四个突出特点：其一是与成实像的光学系统相比较，成像有景深，逼真感较好，更接近于实机飞行的观察效果，提高了仿真度。

其二是玻璃板材质的反射镜与塑料薄膜反射镜相比较，膜层均匀、牢固，使用寿命长；镜面反射效率高，成像的分辨率高， 光学像差小，视觉不易疲劳。

其三是投影屏采用航空有机玻璃负压成形法加工，再进行外表面喷涂散射层。

与用其它方法加工的投影屏相比较面形精度高，图像分辨率高、视差、色差均较小。

其四是采用COMPACTVIEW 10型DLP 投影器。

该投影器亮度高、色温好，具有非线性校正和边缘融合功能，较好地满足了球面视景系统中的多通道图像拼接问题。

通过对加工工艺的改进，球面反射镜整体成形与拼接，后投影屏喷涂工艺改进，成像的畸变和亮度分辨率均有极大的改善。

3.3.2 图像生成系统图像生成系统的硬件，继续采用Onyx/IR 图形工作站，软件继续在Performer 基础上自行开发，除已实现的实时视景库驱动，实时运动物体驱动，实时时间设置，实时能见度设置，实时碰撞检测诸功能，立体云和着陆灯效果外，这次又新开发了武器攻击特效和大纹理压缩与动态调度两项新的功能。

用自行研制的计算机实时控制系统控制照相机阵列（九台）进行了大范围航空拍摄，将拍摄的航空照片和DEM 数据、高分辨率卫星照片相结合建立了大纹理地景库，运用LOD 分层和预测优化算法对卫星照片和地理信息进行预处理，优化了信息资源。

真实场景的生成与实时绘制是飞行模拟器视景系统开发的一个难点，也是当今计算机图形图像领域的一个热点, 我们使用Terrex 和Creator 软件混合建模，将数字高程模型（DEM ）数据与卫星照片、自拍的航空照片结合建立具有多精度模型的大纹理场景库，生成OpenFlight 和TerraPage 格式文件，在模拟飞行训练过程中，使用Performer和362 2003全国系统仿真学术年会OpenGL编程开发的视景仿真软件，在场景库管理子进程中动态地装载地形环境，实现每秒30帧平滑、自然的交互显示，获得较好的视觉效果，满足了中高战术科目模拟训练的要求。

3.4 机载设备及仪表系统该型飞机飞行模拟器的机载设备及仪表采用实装设备，在改装中重点放在控制电路的设计上，对原设备的机械部分和外部操纵不做改动，设备外观尺寸与飞机实物一致。

某型机载雷达系统、惯性/GPS组合导航系统、导弹指挥仪系统、全向告警器等采用TFT真彩色液晶显示屏与驱动它们的PCM—5824工控机在机械结构上紧密联接，通过双方的LCD接口和数据线传递数据。

雷达面板、雷达控制盒、雷达电源箱，GPS面板、全向告警器面板、导弹指挥仪及座舱内数码管显示方面采用了简洁的现场总线技术。

其中，雷达计算机、全向告警器计算机使用PCM--5824工控机自带的RS—422串行口与现场总线驱动卡通讯，采集面板控制键和相关座舱设备信息。

GPS计算机、全向告警器计算机使用键盘仿真技术采集面板控制键信息。