基于Unity 3D的儀表飛行領(lǐng)航模擬系統(tǒng)應(yīng)用研究

呂明陽 穆奕豪 李澤成 嚴(yán)俊建

摘? ?要：儀表飛行領(lǐng)航課程的教學(xué)中，受限于實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)設(shè)備的復(fù)雜性，不便于理論教學(xué)中直接使用，所以利用Unity 3D制作移動(dòng)設(shè)備端可以使用的儀表飛行領(lǐng)航模擬系統(tǒng)。根據(jù)不同儀表領(lǐng)航科目進(jìn)行專門的設(shè)計(jì)，使學(xué)生對(duì)領(lǐng)航過程有了更直觀的認(rèn)識(shí)。并且經(jīng)過實(shí)驗(yàn)對(duì)比，此系統(tǒng)也可以縮短學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)間，鞏固學(xué)習(xí)效果，提高了學(xué)習(xí)效率。

關(guān)鍵詞：儀表領(lǐng)航;Unity 3D;模擬系統(tǒng);試驗(yàn)教學(xué)

飛行技術(shù)專業(yè)的儀表飛行領(lǐng)航課程，是一門注重實(shí)踐的課程。該課程所講內(nèi)容為駕駛飛機(jī)時(shí)應(yīng)該如何利用儀表進(jìn)行領(lǐng)航，所以在進(jìn)行理論教學(xué)過程中，一般使用模擬飛行訓(xùn)練器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。但是由于該設(shè)備是一種比較綜合、復(fù)雜的設(shè)備，所以不適合剛剛學(xué)習(xí)該課程的學(xué)生操作。所以一般在理論學(xué)習(xí)后再去實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在這過程中，理論學(xué)習(xí)與實(shí)驗(yàn)課間隔時(shí)間比較久，學(xué)生有一定的知識(shí)遺忘。并且，理論學(xué)習(xí)過程中在二維平面上學(xué)習(xí)飛機(jī)的三維運(yùn)動(dòng)，學(xué)生會(huì)存在空間感上的不足。所以，采用仿真技術(shù)設(shè)計(jì)一款簡單易操作的儀表飛行領(lǐng)航模擬系統(tǒng)，可以在手機(jī)、平板電腦等手持設(shè)備上隨時(shí)使用，實(shí)現(xiàn)學(xué)生在理論課堂中沉浸式教學(xué)，是非常有必要的。

1 所需實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)科目

儀表飛行領(lǐng)航模擬系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)等待航線、切入航線、儀表進(jìn)近著陸的功能。等待航線具有調(diào)節(jié)空中交通流量、調(diào)配間隔的作用。如圖1所示，等待航線由等待定位點(diǎn)、入航航跡、入航端、出航航跡、出航端構(gòu)成。當(dāng)飛機(jī)偏離航線或者要飛向新的航線時(shí)，需要切入航線，如圖2所示，飛機(jī)需要調(diào)整航向切入預(yù)定航線。當(dāng)飛機(jī)進(jìn)場(chǎng)后，需要建立航向道、截獲下滑道后實(shí)施儀表進(jìn)近著陸，如圖3所示。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能確定

首先，通過調(diào)查問卷的方式，確定模擬系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能。發(fā)放調(diào)查問卷的對(duì)象為完整學(xué)習(xí)了飛行理論后，已在航校飛行了一段時(shí)間的飛行學(xué)員。因?yàn)轱w行訓(xùn)練過程中，飛行學(xué)員會(huì)對(duì)這些飛行科目進(jìn)行訓(xùn)練，所以此時(shí)的飛行學(xué)員能夠?qū)⒄n堂理論與實(shí)踐相結(jié)合，從實(shí)際訓(xùn)練角度挖掘模擬系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能。本研究對(duì)30名飛行學(xué)員進(jìn)行了調(diào)查問卷，飛行學(xué)員飛行階段分布如圖4所示：

根據(jù)調(diào)查結(jié)果分析，模擬系統(tǒng)需要模擬飛行訓(xùn)練中預(yù)先準(zhǔn)備階段、直接準(zhǔn)備階段、飛行實(shí)施階段、航后講評(píng)階段。由于是模擬系統(tǒng)，本研究將預(yù)先準(zhǔn)備階段、直接準(zhǔn)備階段合并為準(zhǔn)備階段，所以系統(tǒng)模擬準(zhǔn)備階段、飛行實(shí)施階段、航后講評(píng)階段。

準(zhǔn)備階段，需要系統(tǒng)提供飛行任務(wù)概述。本文采用圖形化的任務(wù)描述方式，例如以航圖的形式將等待程序展示，如圖5所示，將必要的飛機(jī)指示空速、風(fēng)向及風(fēng)速以文字、圖形化展示。飛行實(shí)施階段，仿照Garmin G1000界面，上方展示飛機(jī)的高度、速度、姿態(tài)，下方展示無線電磁指示器，如圖6所示。航后講評(píng)階段，為飛行航跡展示，結(jié)合飛行任務(wù)展示頁面，可以非常明確的了解到飛的是否標(biāo)準(zhǔn)，如圖7所示。

3 系統(tǒng)應(yīng)用分析

3.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

在設(shè)計(jì)好模擬系統(tǒng)后，分別組織了20位還未學(xué)習(xí)儀表飛行領(lǐng)航課程的學(xué)生，此20位學(xué)生的績點(diǎn)排名，均在年級(jí)中間，保證了被試者的學(xué)習(xí)能力在差不多的水平。將20位同學(xué)分為A、B兩組，每組各10位同學(xué)。A組在不使用模擬系統(tǒng)練習(xí)的前提下觀看教學(xué)視頻學(xué)習(xí)，然后對(duì)其進(jìn)行題目測(cè)試，記錄下此時(shí)的成績。然后使用模擬系統(tǒng)學(xué)習(xí)，再次測(cè)試記錄成績。B組同學(xué)直接同時(shí)使用模擬系統(tǒng)練習(xí)結(jié)合觀看教學(xué)視頻學(xué)習(xí)，然后進(jìn)行測(cè)試，記錄測(cè)試成績。每次測(cè)試，均采用理論執(zhí)照題庫隨機(jī)抽取10道題目進(jìn)行測(cè)試，每道題目1分，滿分為10分。

3.2 實(shí)驗(yàn)成績

兩次測(cè)試成績?nèi)鐖D8所示。A組在使用了模擬系統(tǒng)后，成績很明顯提高。但第一次未使用模擬系統(tǒng)學(xué)習(xí)的測(cè)試成績比B組使用了模擬系統(tǒng)后的測(cè)試成績要整體低很多。

對(duì)A、B兩組3次測(cè)試進(jìn)行平均值、方差、均方差分析，如表1所示。A組第一次成績平均分為5.1分，第二次成績平均分為8.2分，平均提分3.1分。B組第一次成績平均分為7.9分，比A組第一次成績高2.8分，但是比A組第二次成績平均分第0.3分。同時(shí)，通過方差與均方差的對(duì)比，B組同學(xué)成績分布比A組同學(xué)成績穩(wěn)定。

同學(xué)與A組同學(xué)訪談，A組第二次成績比B組成績高的原因是在第一次測(cè)試后，同學(xué)們發(fā)現(xiàn)了自身學(xué)習(xí)的不足，在使用模擬系統(tǒng)學(xué)習(xí)時(shí)更加有針對(duì)性的練習(xí)，達(dá)到了查漏補(bǔ)缺的效果。

4.結(jié)論

本文通過調(diào)查問卷的方式確定模擬系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能，然后基于Unity 3D模擬仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)，并對(duì)20位還未學(xué)習(xí)過儀表飛行領(lǐng)航課程的同學(xué)進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)。研究結(jié)果表明：

1） Unity 3D技術(shù)可以很好地對(duì)儀表飛行領(lǐng)航實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬仿真;

2） 在首次學(xué)習(xí)時(shí)就使用理論學(xué)習(xí)結(jié)合模擬系統(tǒng)練習(xí)的方式，比單純理論學(xué)習(xí)的效果要好很多;

3） 在測(cè)試后，需要解決發(fā)現(xiàn)的問題，這樣才可達(dá)到比較好的學(xué)習(xí)效果。

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本文系中國民航大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目資助（項(xiàng)目編號(hào)：202010059135）

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