飞行模拟器的发展研究

张友伟  章艳  王之云  李宏超  黄紫晗

摘 要：飞行模拟器在航空业发展过程中扮演重要角色，能够在地面逼真地再现飞机的飞行特征，前期可以用于技术验证，后期可以用于飞行员培养。本文简要论述了飞行模拟器自产生到现在的发展过程，介绍了国内外典型飞行模拟器的结构性能，归纳并对比了训练用飞行模拟器和工程用飞行模拟器的特点，详细阐述了当今飞行模拟器的结构框架和核心系统功能，分析了飞行模拟器的功能需求，最后提出了飞行模拟器发展的一些新思路。

关键词：飞行模拟器;发展;结构框架;核心系统

中图分类号：V323 文献标识码：A 文章编号：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

飞机具有飞行速度快、飞行过程不受地形限制等优点，使其无论在军事领域还是在民用领域都受到了极大欢迎[1]，各主要航空大国不惜重金投入研发，以求在激烈的国际航空市场上占据有利地位。飞行模拟器能够在地面逼真地再现飞机的飞行特征，是航空业发展必不可少的一项设备，无论是前期的技术验证，还是后期对飞行员的培养，飞行模拟器都扮演着重要角色。运用飞行模拟器对飞行员进行训练，既经济又安全，同时不受天气、机场等条件限制[2]。飞行员不仅可以在飞行模拟器上进行常规的操作训练，还可以方便地进行特情训练（即飞行员在特殊飞行情况下的操作训练，模拟器可以模拟的特殊情况包括极端天气、飞机在飞行过程中出现严重故障、飞机迫降在没有跑道的地方等）。特情训练在真实飞机上是不可能进行的，所以飞行模拟器对于航空业来说是不可或缺的设备。

一般来讲，飞行模拟器由模拟座舱、运动系统、视景系统、计算机系统及教员控制台等五大部分组成[3]。一台合格的飞行模拟器需要给飞行员提供和驾驶真实飞机相同的视觉、听觉、驾驶杆力感和运动感，并且这些感觉之间需要非常协调，否则会使飞行训练达不到真实的理想效果。飞行教员通过教员控制台来设置仿真模型，从而构建训练科目[4]。

目前，关于飞行模拟器的研究非常多，先后出现了各种针对不同飞机型号和用途的飞行模拟器。本文对飞行模拟器的发展进行了简要回顾，并对多种飞行模拟器进行了研究。

1 飞行模拟器的發展

飞机在战争及经济发展过程中扮演的角色越来越重要，各种用途的飞机需求量大大增加，这些都促进了飞行模拟器的不断进步。飞行模拟器作为航空业发展不可或缺的设备，经历了机械化、电子化、智能化等不同的发展阶段。

从20世纪初至20世纪30年代，该阶段主要研究的是简易的机械式模拟器。例如，1910年前后，英国军官阿诺德·桑德斯（Arnold Sanders）设计研制了一种固定在地面上的飞行训练器，其被称为“桑德斯教师”[5]。这种飞行训练器将万向支架安装在飞机机身下方并固定在地面基座上，只能在风量足够的情况下使用。在风的吹动下，飞行员操纵升降舵和方向舵，模拟真实飞机的气动反应，它只是给飞行员带来操作的感觉。

1939年，林克公司与美国海军的导航专家菲利普·威姆斯合作，研制出一种适合轰炸机机组成员使用的模拟器[6]。这种天文导航模拟器的视景系统进一步得到了改进。模拟器下方有活动的目标地图，其顶部还布置了精细的天文图。天文图上标定了用于导航校准的常见星辰。这些常见星辰能够进行相对运动，让领航员在模拟飞行过程中练习，测量经度和纬度上的位置变化。此外，针对不同应用细分，这种模拟器机还特别进行了相应改型，可以应用于无线电导航、雷达操作、机枪射击等训练科目。

20世纪40年代至80年代，飞行模拟器从机械式向电子化大步前进。机械式的模拟飞行无法实现运动参数的实时计算，学员只能依靠经验调整控制系统中的部件，这对实际飞行训练来说还只是一种辅助手段。

第二次世界大战期间，战争进一步激发了电子技术的发展，基于模拟电路的电子计算机出现，这使得实时计算运动参数成为可能。1941年，英国电信研究所及美国贝尔实验室均成功将模拟电子计算机加入飞行模拟器中，用于模拟计算飞机的运动参数，检验其与其他部件的联动工作，使得模拟器的逼真度大大提高[7]。1948年，柯蒂斯-莱特公司也开始将电子自动部件加入自己的飞行模拟器中，设计制造了民用航空公司领域的第一台综合飞行模拟器。这台模拟器采用与真机相同的全套驾驶舱设备。

由于模拟电路的精度偏低，增加精度需要更多的模拟电路，而模拟电路的累积误差会抵消精度的提高，使得故障的出现率相对增加。20世纪50年代后，基于集成化数字电路的電子计算机日渐成熟，使得飞行模拟器的精度、可靠性和运算速度都大大增加。这样一来，飞行器的受力及姿态变化量可以实时地获知，飞行模拟器的运动系统相应地得到快速发展，飞行员可以获得逼真的运动感觉。1958年，英国的雷迪丰公司设计的“彗星4”民航客机模拟器就配备了使整个机头部分产生俯仰的运动系统[8]。

同一时期，飞行模拟器的视觉系统也得到了快速发展。1962年，雷迪丰公司率先采用彩色电视视景模拟系统[8]，但这种视景系统适应性不强，制作和维护复杂，使用成本较高。

在数字计算机的快速发展下，基于计算机的成像技术日趋成熟。计算机内可存储大量的景物模块数据，经过坐标转换等计算后就能构成与模拟器姿态相符的实时画面。1964年，通用电气公司研制出第一台计算机成像模拟系统，用于帮助美国载人航天中心训练宇航员，但只能提供带一些纹理的平面透视图。随着软硬件技术的飞速发展，计算机成像效果得以不断增强，其在立体环境、复杂物体、活动目标和光影变化等方面逐步取得突破。与此同时，光学显示系统也在更新换代。无论是简单便捷的单个或组合显示器，还是大视场大范围的球幕投影机，都显著提高了使用者的视觉真实感。

20世纪70年代以来，高性能的数字计算机开始被应用于飞行模拟器，得益于运算速度和性能的大幅度提高，这一时期，模拟器的结构组成已经完善，大型模拟器普遍具备完整的座舱设备和模拟控制系统，除视景显示功能外，还可加入音响和烟雾模拟装置，整体座舱可实现六自由度运动。另外，还设有多功能的教员控制台，供教员设置初始飞行条件，或随时调整参数和插入故障，监控和评估学员的操作情况。1970年，美国和英国研制出较为实用的球形空战模拟器[9]，其座舱是固定的，通过振动座椅和充气抗荷服提供过载的感觉，配合投影画面的变化使操作者产生大幅度的运动感，这种模拟器适合进行空战战术和特技飞行训练。20世纪80年代，美国空军针对F-15战斗机、F-16战斗机研制的全任务飞行模拟器，能够对不同环境和条件下战机从起飞、机动、作战到返航降落的整个过程进行模拟，不仅用于人员训练，还用于战术对抗方面的研究。同样，利用模拟器也可以对改进型号和全新设计的飞行器展开工程研究，在实际试飞前测试各系统的性能表现和整体的飞行品质[10]。

2 飞行模拟器现状

2.1 国外典型飞行模拟器介绍

2.1.1 加拿大CAE 7000XR系列D级全任务飞行模拟器。加拿大航空电子设备公司于1947年3月17日在蒙特利尔成立，是一家为民航业和世界各地的防卫力量提供模拟和建模技术以及综合培训解决方案的公司。CAE 7000XR系列D级全飞行模拟器是其在民航领域开发的优秀产品，基于多款世界主流型号的民航客机，做了相应的改型设计。这里以基于波音787的CAE 7000XR全任务飞行模拟器为例进行介绍，其外形结构如图1所示。

这款飞行模拟器采用了加拿大航空电子设备公司设计的CAE Tropos 6000XR视觉系统，可提供比拟现实场景的视觉感受，该视觉系统采用NVIDIA的GeForce GTX 280图像处理器，在频率为60 Hz时，其具有极强的图形生成能力，可以生成超过1 000 000个多边形，强大的图形处理器甚至能逼真地描绘云层和天气状况。在呈现不同轮廓效果的同时，云彩在阳光下的阴影还能投射到眼帘，使得整体显示效果更加逼真。最新的卫星成像技术使机场外围的分辨率可以达到15 m，用户的机场图形数据库可以轻松更新。该款飞行模拟器使用LCoS（硅上液晶）投影仪作为显示器，其具有高清晰度、质量轻、功耗低的特点。此外，加拿大航空电子设备公司自主开发的Autocal自动校准系统可以实现远程操作，明显减少校准视觉显示所需的时间。

CAE 7000XR全任务飞行模拟器的内部座舱如图2所示。这款飞行模拟器的运动系统采用了加拿大航空电子设备公司研发的全电动系统作为驱动源，可以支撑重达14 515 kg的驾驶室，全电动系统相比于传统液压系统更环保、更安静，且能量消耗少于同等功率液压系统的25%。

2.1.2 美国Flight Safety D级飞行模拟器。美国飞安航校（FlightSafety Academy）为这种飞行模拟器集成了数百个其自主研发的VITAL视觉系统，包括最新的拥有超高保真度和逼真度的VITAL X。该系统满足最高国际认证标准，包括美国航空标准（FAA）的D级标准。这种飞行模拟器的视觉系统为飞行员提供操作飞机和完成作战任务所需的窗外信息和传感器信息。VITAL X利用卫星成像技术和独特的高分辨率渲染技术复制真实世界场景。飞行操作包括视觉导航、仪表飞行、着陆以及网络战术训练。Flight Safety D级飞行模拟器外形结构如图3所示。

这种飞行模拟器的运动系统同样采用全电动驱动，其全电运动系统相比于液压驱动系统减少85%的能量消耗，产生更少的热量和环境噪声，同时省去了大量的液压流体和高压分配泵。这种飞行模拟器添加了全电执行器，控制传感器的运动采样频次（每秒4 000次），让飞行学员在操纵驾驶杆和踏板时产生逼真的力感。Flight Safety D级飞行模拟器内部座舱如图4所示。

Flight Safety D级飞行模拟器为飞行学员提供了矩阵式多系统综合训练平台，包括桌面模拟器、集成课件和图形战斗甲板模拟器。

2.1.3 美国Frasca D级飞行模拟器。弗拉斯卡国际公司（Frasca International）是另一家美国优秀的飞行模拟器研发设备制造商，该公司基于强大的软件开发能力，自主开发出一套Frasca运动提示系统，推出Simplicity教员控制助手及SimAssis辅助培训助手。在Frasca运动提示系统的帮助下，飞行学员可以做到对实际飞行效果的精准把握，另外，强大的软件助手使得教员与学员的工作都变得轻松高效。Frasca D级飞行模拟器内部座舱如图5所示。

2.2 飞行模拟器的类型分析

基于不同的应用需求，飞行模拟器可以大致分为两类，即训练用模拟器和工程用模拟器。二者存在一定区别。

訓练用飞行模拟器主要用于飞行员的飞行驾驶训练，所以其模拟座舱须与特定型号的飞机驾驶舱保持完全一致，包括驾驶杆、脚蹬、油门杆、仪器仪表、各种开关和指示灯等，使飞行学员走进飞行模拟器中如同走进了真实的飞机座舱。而工程用飞行模拟器主要用于技术的开发与验证，不针对特定机型，讲究通用性，所以对模拟座舱并没有特定的严格要求[11]。

工程用飞行模拟器的硬件配置相对要求较高，主要考虑新型飞机的研发或技术更新可能需要规模更大、更复杂的软件系统，这就要求配置计算机的运算速度及存储空间等留有足够的余度。而训练用飞行模拟器本身就是针对特定机型的开发的，无须在硬件上留有余度。

工程用飞行模拟器的控制台相当于训练用飞行模拟器的教员台，但控制台除了具有教员台功能（设置飞行科目、初始条件和障碍设置等）外，还配有简易驾驶杆、油门杆和脚蹬等。人们可以操控、检验模拟器的运行情况，并可以记录飞行数据，便于后期研究。

训练用飞行模拟器按用途和复杂程度又可分为三类。

2.2.1 全任务飞行模拟器（Full Flight Simulator，FFS）。全任务飞行模拟器由模拟座舱、视景系统、运动系统、操纵负荷系统、音响系统和教员台等组成，可覆盖包括起飞、着陆在内的90%以上飞行科目的训练，是目前最为先进、完整的训练工具。全任务飞行模拟器分为A、B、C和D四个级别，其中D级性能最高，训练科目覆盖面最大。

2.2.2 飞行训练器（Flight Training Device，FTD）。飞行训练器一般没有运动系统和视景系统，但几乎包括对飞机上所有设备的仿真，可以用于地勤训练和飞行训练。飞行训练器分为七个等级（1～7）。

2.2.3 基于计算机的训练模拟器（Computer Based Training，CBT）。基于计算机的训练模拟器主要用于飞行理论教学，是具有图形图像、文本显示、语音的多媒体计算机系统。

3 飞行模拟器结构及功能

不同型号的飞机在性能和用途上会有差别，甚至差别会很大。但是，不论是型号各异的训练用模拟器还是工程用模拟器，就其系统组成和核心功能来说，二者还是有很多相通之处。飞行模拟器的一般功能组成如图6所示，下面分析其各构成模块。

3.1 飞行仿真模型

飞行仿真模型是飞行模拟器的一个主要软件系统，由于飞行模拟器许多分系统的驱动信号都需要飞行仿真模型提供，所以该系统的建模、编程数据的选取及预处理直接影响飞机特性的仿真逼真度，决定飞行模拟器的等级。其模型主要由气动模块、运动方程模块、起落架力和力矩模块三部分组成，此外，模型中会搭配其他模块（质量特性、大气、毁坏、紊流和风、重定位等），使整体特性更加趋于完善。

3.2 物理效应系统

物理效应系统包括视景系统、音响系统、运动系统、仪表显示系统和操纵负荷系统。这部分可以给飞行学员直观的生理感受，各个感受的真实性和协调性会对训练效果产生直接影响。

3.3 教员台

教员台是飞行模拟器的监控中心，主要用来监视和控制飞行训练情况。它不仅能及时显示飞机飞行的各种参数（如高度、速度、航向和姿态等），还能设置各种飞行条件（如风速、风向、气温、气压和起始位置等）。另外，还能设置各种故障，以训练飞行员的判断与处理故障的能力。先进的教员台还具有维护检测、考核、鉴定等功能。

3.4 未来飞行模拟器应加强的能力

自诞生以来，飞行模拟器的主要使命就是模拟飞机的实际飞行效果，使其可以供学员逼真地完成地面飞行训练。这一过程使人类节约了大量的人力、物力、财力。同时，在地面对飞行员进行训练不受外界客观环境的影响，提高了飞行员初始培训的效率，而且模拟器训练是绝对安全的，这对飞行员生命和训练设施的保护来说都非常有意义。随着技术的不断发展，模拟器不单单用于飞行员的训练，而是与飞机的发展相辅相成，其对新型飞机的设计及新技术的验证起到重要辅助作用。

飞行模拟器的本质是对真实飞机飞行效果的模拟，模拟的逼真度越高，其应用价值越高。未来，人们要着重改进飞行模拟器的飞行仿真系统和物理效应系统。

飞行仿真系统作为飞行模拟器的核心，其模型的精确度直接决定模拟器的质量。飞机的六自由度运动方程具有通用性，各种型号飞机模型的区别主要体现在气动参数上，因此气动参数辨识至关重要。这就需要改进辨识工具或相关技术，以提升飞机建模的精确性。

物理效应系统为飞行学员提供了丰富的驾驶感受，这些感受的逼真度直接会影响飞行学员训练效果，因此每一个物理效应部件的发展都将会促进模拟器的发展。

3.5 飞行模拟器发展的新思路

为了让飞行模拟器更好地培训飞行员，尤其是训练飞行员面临紧急情况的处理能力及战场战术执行能力，本文提出了新的发展思路。

人类获得外界信息的主要途径就是听和看。因此，如果获取的声音和图像具有丰富性和精确性，那么人们就能很好地对信息进行理解和学习。虚拟现实（VR）和增强现实（AR）是目前图像处理技术的前沿领域，飞行模拟器的视景系统在AR和VR的加持下几乎可以对任意场景进行模拟，尤其是对战斗机飞行员来说，在视景系统里模拟真实的战场环境，可以很好地锻炼其操作能力、作战能力及战术执行能力。

3.6 特情规划

飞行员在实际的驾驶飞行中往往会遇到或大或小的特定状况，这些状况具有不可测性。因此，飞行学员在进行学习时，模拟器应具备不可测的特情规划，而不是仅仅由教员台设置环境变量，这样可以很好地锻炼飞行员的心理素质及随机应变能力。

3.7 飞行模拟器的集群连接

飛行员一般都是成批培养的，未来，飞行训练中心的飞行模拟器应互联互通，其军用价值更大。战斗机的集群作战是常用战术，因此集群的战术训练要求飞行员之间的通信必须畅通。民用方面，学员的飞行数据可采用统一管理方式，对数据的统计有利于分析学员在学习过程中普遍存在的问题，方便教员更有效地教学。

3.8 与人工智能的结合

随着航空飞行数据的不断积累，人类的航空飞行已经积累了大量的飞行数据，加上海量的气象观测数据，飞行模拟器在人工智能的加持下可以模拟任意环境和任意时刻的飞行外部条件，而且这些飞行条件以海量的真实数据记录作为支撑，具有极高的仿真价值。人工智能同样可以总结出在不同环境下出现不同事故的概率，从而让训练科目自动进行，无须教员台控制。对于飞行训练数据，计算机自动评分并给出指导意见，教员完全可以只作为辅助指导者，这样一来，训练效率会大大提升。

参考文献：

[1]张镭.飞行模拟器飞行仿真系统建模与软件实现[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2009：18.

[2]樊军.训练型飞行模拟器系统设计及仿真研究[D].西安：西北工业大学，2007：12-13.

[3]GERVAIS C，CHAUDRON J B，SIRON P，et al.Real-Time Distributed Aircraft Simulation through HLA[C]//IEEE/ACM International Symposium on Distributed Simulation & Real Time Applications.2012.

[4]STERMAN J D，FIDDMAN T，FRANCK T，et al.Management flight simulators to support climate negotiations[Z].2013.

[5]陈浩.民用飞行器仿真模拟与训练方法研究[J].科技创新导报，2016（23）：13.

[6]邓昌盛.全动飞行模拟器操纵负荷系统原理及仿真设计浅述[J].山东工业技术，2018（1）：45.

[7]TORRE G，RAMALLO M A，CERVANTES E.Workload perception in drone flight training simulators[J].Computers in Human Behavior，2016（64）：449-454.

[8]NASCIMENTO F A C，MAJUMDAR A，OCHIENG W Y，et al.Fundamentals of safety management：The Offshore Helicopter Transportation System Model[J].Safety Science，2016（85）：194-204.

[9]GAUTHIER P A，CAMIER C，LEBEL A，et al.Experiments of multichannel least-square methods for sound field reproduction inside aircraft mock-up：Objective evaluations[J].Journal of Sound and Vibration，2016（376）：194-216.

[10]KOGLBAUER I.Training for Prediction and Management of Complex and Dynamic Flight Situations[J].Procedia - Social and Behavioral Sciences，2015（209）：268-276.

[11]ROUSE W B.Human interaction with policy flight simulators[J].Applied Ergonomics，2014（1）：72-77.