某型機(jī)飛行訓(xùn)練模擬器座艙顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

文/張青峰 徐振黔 秦正運(yùn)

1 引言

飛行訓(xùn)練模擬器是用于飛行員進(jìn)行飛行訓(xùn)練的模擬器，使飛行員掌握相關(guān)機(jī)型的飛行駕駛技術(shù)，以及該機(jī)型所涉及的重要設(shè)備操作方法。飛行訓(xùn)練模擬器通過(guò)實(shí)時(shí)仿真技術(shù)，在地面模擬飛行駕駛環(huán)境對(duì)飛行員進(jìn)行訓(xùn)練和考核，該方法不受氣象和場(chǎng)地的影響，具有節(jié)省訓(xùn)練成本、保證飛行安全和提高訓(xùn)練效率的訓(xùn)練效果。座艙顯示系統(tǒng)是飛行訓(xùn)練模擬器的人機(jī)交互窗口，為飛行員提供系統(tǒng)性能參數(shù)和飛行信息顯示，減輕飛行員的負(fù)擔(dān)。

本文基于某型直升機(jī)飛行訓(xùn)練模擬器的需求進(jìn)行座艙顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，力求與機(jī)載狀態(tài)保持一致，經(jīng)訓(xùn)練考核，飛行員可以迅速適應(yīng)真實(shí)機(jī)載環(huán)境。

2 國(guó)內(nèi)外飛行訓(xùn)練模擬器發(fā)展

自二十世紀(jì)初飛機(jī)發(fā)明，飛行訓(xùn)練模擬器也隨之相伴而生。在經(jīng)過(guò)二戰(zhàn)的洗禮后，全世界都認(rèn)識(shí)到飛機(jī)對(duì)于整個(gè)戰(zhàn)場(chǎng)的重要作用，然而對(duì)飛行員進(jìn)行實(shí)裝訓(xùn)練，既成本高昂，又具有一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。為克服實(shí)裝訓(xùn)練的缺點(diǎn)，提高訓(xùn)練效率，各國(guó)都紛紛投入到飛行訓(xùn)練模擬器的研制，模擬器的訓(xùn)練成效也在海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中得到了出色體現(xiàn)。

二十世紀(jì)八十年代末，印度開(kāi)始重視訓(xùn)練模擬器的研究和使用，為此專門購(gòu)買了一臺(tái)2000JH 球形模擬器，服務(wù)于其裝備的36 架幻影2000 型戰(zhàn)斗機(jī)。二十世紀(jì)九十年代末，美空通過(guò)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將位于不同地區(qū)的模擬器連接起來(lái)進(jìn)行協(xié)同模擬訓(xùn)練，突破了傳統(tǒng)的單兵模擬訓(xùn)練模式。美軍的F-22 戰(zhàn)機(jī)配備了全任務(wù)訓(xùn)練模擬器，可動(dòng)態(tài)模擬飛行過(guò)程中的大氣和地貌環(huán)境，以及空中威脅目標(biāo)，給飛行員以身臨其境的感覺(jué)。

圖1：飛行訓(xùn)練模擬器組成

圖2：座艙顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖3：顯控計(jì)算機(jī)仿真軟件功能模塊

我國(guó)也非常重視飛行訓(xùn)練模擬器的研究和使用，經(jīng)過(guò)多年的努力，取得了一些進(jìn)展，特別是進(jìn)入二十一世紀(jì)后，先后成功研制了各種固定翼飛機(jī)和螺旋槳飛機(jī)飛行模擬器等，并大量應(yīng)用于飛行訓(xùn)練中，無(wú)論訓(xùn)練效果還是經(jīng)濟(jì)效益，都得到了顯著提高。但是，與技術(shù)發(fā)達(dá)的西方國(guó)家相比，我國(guó)在飛行訓(xùn)練模擬器方面還存在許多缺陷和不足。例如模擬器很少具有特情處理功能，無(wú)法很好地模擬出飛行過(guò)程中的突發(fā)情況，難以訓(xùn)練飛行員對(duì)于應(yīng)急情況的處理能力；仍處于單人模擬訓(xùn)練模式，與美國(guó)等其他先進(jìn)國(guó)家多軍種的協(xié)同作戰(zhàn)模擬還有一定的差距，需重視聯(lián)網(wǎng)協(xié)同的發(fā)展方向；在市場(chǎng)上缺乏競(jìng)爭(zhēng)力，沒(méi)有代表性的機(jī)構(gòu)和公司，還有待形成規(guī)模。

3 飛行訓(xùn)練模擬器組成

如圖1所示，飛行訓(xùn)練模擬器針對(duì)某型直升機(jī)真實(shí)座艙尺寸按比例1:1進(jìn)行實(shí)物仿真，由飛行仿真系統(tǒng)、座艙顯示系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、視景系統(tǒng)、音響系統(tǒng)以及教員臺(tái)組成。

教員臺(tái)控制模擬器的整體運(yùn)行，設(shè)置飛行系統(tǒng)參數(shù)，監(jiān)控和記錄訓(xùn)練過(guò)程，評(píng)估和考核學(xué)員成績(jī)，幫助提高和掌握飛行技術(shù)。

飛行仿真系統(tǒng)運(yùn)行飛行仿真軟件，接收教員臺(tái)和駕駛座艙的操縱指令，對(duì)飛行模型進(jìn)行建模求解，輸出飛機(jī)實(shí)時(shí)位置、姿態(tài)等各種飛行運(yùn)動(dòng)參數(shù)給座艙顯示系統(tǒng)等其他系統(tǒng)。

仿真環(huán)境產(chǎn)生逼真的模擬飛行環(huán)境，其中座艙顯示系統(tǒng)提供人機(jī)交互窗口，實(shí)時(shí)化顯示所有的飛行信息和系統(tǒng)參數(shù)；操縱負(fù)荷系統(tǒng)給飛行員操縱負(fù)荷的力感；運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)通常采用六自由度的運(yùn)動(dòng)，使飛行員感受到飛行時(shí)位置，姿態(tài)和加速度等運(yùn)動(dòng)變化；視景系統(tǒng)模擬座艙外部的空中和地面景象，音響系統(tǒng)輸出旋翼噪音、發(fā)動(dòng)機(jī)噪音和氣流噪音等與真實(shí)飛行時(shí)類似的音響效果，給飛行員以身臨其境的感覺(jué)。

4 座艙顯示系統(tǒng)構(gòu)建

模擬器座艙顯示系統(tǒng)由數(shù)字地圖計(jì)算機(jī)、顯控計(jì)算機(jī)、多功能鍵盤計(jì)算機(jī)和顯示計(jì)算機(jī)組成，通過(guò)以太網(wǎng)組網(wǎng)，采用UDP 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式，系統(tǒng)內(nèi)部以顯控計(jì)算機(jī)為核心進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換。如圖2所示。

數(shù)字地圖計(jì)算機(jī)、顯控計(jì)算機(jī)、多功能鍵盤計(jì)算機(jī)和顯示計(jì)算機(jī)均采用工業(yè)計(jì)算機(jī)，分別運(yùn)行相對(duì)應(yīng)的仿真軟件。其中顯示計(jì)算機(jī)配備工業(yè)液晶顯示器，運(yùn)行顯示仿真軟件時(shí)，顯示器投影為4 個(gè)獨(dú)立顯示屏幕，每個(gè)顯示屏幕具有周邊按鍵（與機(jī)載環(huán)境一致），分別操作顯示屏幕的周邊按鍵時(shí)，4 個(gè)顯示屏幕的畫(huà)面獨(dú)立進(jìn)行顯示。多功能鍵盤計(jì)算機(jī)配備一體化面板，面板上部分為液晶顯示屏幕，下部分為鍵盤按鍵，運(yùn)行仿真軟件時(shí)液晶顯示屏幕實(shí)時(shí)響應(yīng)當(dāng)前按鍵操作。

5 座艙顯示系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

5.1 顯控計(jì)算機(jī)功能模塊

顯控計(jì)算機(jī)是座艙顯示系統(tǒng)的核心，是座艙顯示系統(tǒng)與外部仿真系統(tǒng)的外部接口和系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)交換中心。顯控計(jì)算機(jī)仿真軟件分為5 個(gè)功能模塊，如圖3所示。

5.1.1 網(wǎng)絡(luò)通訊模塊

負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)配置，定義與飛行仿真系統(tǒng)、數(shù)字地圖計(jì)算機(jī)、多功能鍵盤計(jì)算機(jī)、顯示計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)連接，網(wǎng)絡(luò)配置成功后系統(tǒng)方可正常運(yùn)行。

5.1.2 接口模塊

控制整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流，定義系統(tǒng)外部數(shù)據(jù)接口和內(nèi)部數(shù)據(jù)接口。外部數(shù)據(jù)接口為與飛行仿真系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口，內(nèi)部數(shù)據(jù)接口為與數(shù)字地圖計(jì)算機(jī)、多功能鍵盤計(jì)算機(jī)和顯示計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)接口。數(shù)據(jù)接口定義后，所有單元部件必須嚴(yán)格按照所定義的外部或內(nèi)部數(shù)據(jù)接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

5.1.3 控制模塊

多功能鍵盤和顯示器控制，當(dāng)多功能鍵盤和顯示器進(jìn)行按鍵操作時(shí)，顯控計(jì)算機(jī)需實(shí)時(shí)對(duì)按鍵信息進(jìn)行響應(yīng)；光標(biāo)控制，操作光標(biāo)控制桿時(shí)，顯控計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)解算光標(biāo)的移動(dòng)位置，發(fā)送給顯示器實(shí)時(shí)顯示；地圖控制，實(shí)時(shí)向地圖生成計(jì)算機(jī)發(fā)送當(dāng)前位置、地圖縮放比例、旋轉(zhuǎn)角度等信息；導(dǎo)航解算，動(dòng)態(tài)規(guī)劃飛行路線，實(shí)時(shí)發(fā)送當(dāng)前飛行航線信息。

5.1.4 顯示調(diào)度模塊

根據(jù)收到的顯示器周邊鍵按鍵信息，更新發(fā)送給顯示器的畫(huà)面顯示數(shù)據(jù)；根據(jù)收到的多功能鍵盤按鍵信息，發(fā)送給多功能鍵盤的請(qǐng)求數(shù)據(jù)。

5.1.5 存儲(chǔ)模塊

基于文件存儲(chǔ)運(yùn)行過(guò)程所需數(shù)據(jù)，如飛行所需航路點(diǎn)航線數(shù)據(jù)庫(kù)，多功能鍵盤裝訂的場(chǎng)壓、決斷高度等數(shù)據(jù)，并可以進(jìn)行斷電保存。

模塊間功能圖如下。

5.2 多功能鍵盤功能模塊

多功能鍵盤主要為座艙顯示系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)輸入、編輯和裝訂系統(tǒng)參數(shù)等功能。

（1）提供中文、英文和數(shù)字輸入功能；

（2）編輯航路點(diǎn)、航線，完成航路點(diǎn)、航線新建、插入、修改和刪除功能，并將航路點(diǎn)、航線發(fā)送給顯控計(jì)算機(jī)；

（3）裝訂大氣氣壓基準(zhǔn)、決斷高等數(shù)據(jù)；

（4）設(shè)置導(dǎo)航、通信等系統(tǒng)參數(shù)和工作模式。

5.3 數(shù)字地圖功能實(shí)現(xiàn)

數(shù)字地圖用于提供執(zhí)行任務(wù)地區(qū)的平面航圖、地形/地貌彩色顯示，數(shù)字地圖仿真軟件主要運(yùn)行過(guò)程如下：

（1）加載地圖文件，初始化地圖參數(shù)設(shè)置；

（2）建立與顯控計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)連接，接收顯控計(jì)算機(jī)發(fā)送的實(shí)時(shí)位置，地圖縮放比例和旋轉(zhuǎn)角度等數(shù)據(jù)，根據(jù)顯示窗口大小解算并繪制顯示地圖；

（3）根據(jù)飛機(jī)位置、顯示模式（地穩(wěn)、地滾）變化移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)地圖，更新地圖繪制；

（4）通過(guò)視頻線將視頻信號(hào)輸出給顯示器疊加顯示。

5.4 顯示器功能實(shí)現(xiàn)

顯示器是座艙顯示系統(tǒng)的顯示終端，4 個(gè)顯示屏幕都配有周邊按鍵并可以相互獨(dú)立操作進(jìn)行畫(huà)面切換，顯示器仿真軟件主要功能如下：

（1）初始化顯示窗口，按照配置文件對(duì)應(yīng)顯示屏幕位置（同時(shí)運(yùn)行4 個(gè)進(jìn)程，分屏顯示）；

（2）顯示基于OpenGL，繪制地平儀、羅盤、空速表、升降速度表和高度表等圖形圖符；

（3）接收顯控計(jì)算機(jī)的顯示數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)圖形圖符和畫(huà)面數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)刷新顯示；

（4）采集顯示器周邊按鍵信息，將飛行員操作時(shí)的按鍵信息發(fā)送給顯控計(jì)算機(jī)；

（5）通過(guò)視頻采集卡采集來(lái)自數(shù)字地圖的視頻信號(hào)，疊加地圖視頻作為背景畫(huà)面顯示。

圖4：顯示器運(yùn)行流程圖

顯示器仿真軟件運(yùn)行流程如圖4所示。

6 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)某型直升機(jī)模擬器座艙顯示系統(tǒng)的需求，基于網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)方法，完成座艙顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。經(jīng)實(shí)際使用證明，該座艙顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)風(fēng)格與機(jī)載保持一致，系統(tǒng)運(yùn)行性能穩(wěn)定，駕駛信息顯示準(zhǔn)確無(wú)誤，具有良好的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性，滿足飛行訓(xùn)練模擬器的使用要求。