现代飞行模拟机技术发展概述

现代飞行模拟机技术发展概述陈又军【摘要】自20世纪中期第一台飞行模拟机投入运行以来，模拟机的设计理念、加工工艺、制造手段、电子系统的技术不断进步.特别是近十年来，更多的生产厂商参与到模拟机的研发和生产中,大量的新技术、新理念在新型号模拟机上采用,其进步和发展是计算机系统、视景系统、运动系统、飞行操纵系统、接口系统、仪表系统和软件开发模式等多方面、全方位的整体进步，是对传统模拟机优点的继承和技术的全面突破.【期刊名称】《中国民航飞行学院学报》【年(卷)，期】2011(022)002【总页数】4页(P25-27,32)【关键词】飞行模拟机;视景系统;运动系统【作者】陈又军【作者单位】中国民航飞行学院模拟机训练中心，四川广汉618307【正文语种】中文1引言自从20世纪50年代加拿大CAE公司研发出第一台飞行模拟机投入使用以来，这种新的训练工具以其低廉的成本、较好的训练效果被各航空公司和飞行监管部门接受，并最终以法规的形式确定其合法性和训练的强制性。因为使用模拟机训练的受欢迎程度和电子、计算机、制造工艺等技术的不断进步，使得飞行模拟机生产厂商有兴趣、有能力对飞行模拟机的研发技术进行不断改进和提高。特别是近十年，很多新技术、新理念从最原始的概念性东西转化为真正的产品应用于飞行模拟机的研发中，并逐渐被FAA、JAR、CAAC等局方所接受，在各飞行模拟机研发厂商的新型号模拟机研发、生产中和旧型号模拟机升级换代中得到广泛应用。飞行模拟机的技术进步和发展是其诸多子系统：计算机系统、视景系统、运动系统、飞行操纵系统、接口系统、仪表系统的全方位整体进步，是软件开发模式的进步，是对传统模拟机优点的继承和技术的全面突破。2飞行模拟机分系统发展2.1计算机系统计算机系统负责飞行仿真模块的计算和与接口系统的数据交换。由于普通个人电脑技术的迅速进步，多核心CPU的出现、高性能显卡、大容量高速硬盘和高速网络的出现，以前需要昂贵计算机工作站（如CAE模拟机使用的IBM公司的RS-6000系列工作站）才能完成的复杂计算、图形显示任务，现在计算机市场上购买的普通个人电脑就能完成，采用单机柜或多机柜多台计算机联网模式的分布式多机模拟机体系正逐渐成为主流［1］，在该系统中各台计算机负责不同的任务，它们通过网络进行数据交换和同步。而QNX、RTX等新型实时操作系统的出现，也为个人计算机在飞行模拟机的应用提供了模拟机实时软件运行环境的支持。2.2视景系统视景系统负责视景图像的生成和显示，它给飞行员提供虚拟的外部世界。其中图像生成系统负责实时三维图像的生成，投影系统负责将实时三维图像投影到180度环形曲面屏幕上。视景系统的进步包括图像生成系统、投影系统和视景数据库建模三个方面的进步。首先，图像生成系统的PC化趋势［2］。20世纪大型专用图形工作站或图形生成硬件（如CAE公司的Maxvue2000系统）被配置高性能显卡的PC机所取代，代表产品有加拿大CAE公司的Tropos-6000系统和美国RSI公司的RasterFliteXT系统。该系统具有更小的体积、更小的能耗和更高的图形多边形生成率、纹理填充率。同时OpenGLShader等新技术的出现和使用使得实时三维视景图像具有更高的逼真度。其次，视景图像投影系统方面，原来广泛应用的〃三枪”显像管投影系统被LCOS（硅基液晶）投影机所取代［3］。实际上各类型的LCD、DLP投影机早已存在，但长期以来这类投影机的图像分辨率、对比度、色彩方面一直存在欠缺，只在低端固定飞行训练器上应用。新型LCOS投影机在上述三个方面都有巨大的进步，如RSI公司的RasterFliteXT视景系统采用的JVC公司的DLA-HD10K投影机，其采用非移动镜面技术，带来色彩稳定，并具有较高分辨率表现的投影画面。分辨率达到1920x1080，对比度达到2500:1，具有影院级的色级和黑色域显示效果。采用该投影机的投影系统亮度可以轻易达到9英尺-朗伯，远大于CCAR-60部法规要求的6英尺-朗伯。因此该类投影机最终取代了〃三枪”投影系统在高端飞行模拟机上得到了广泛的应用。该投影系统结构简单、维护简便，图像曲面校正和边缘融合由视景软件完成而不像〃三枪”投影系统采用调节投影管偏转扫描电路参数来实现，所以模拟机维护人员在视景的投影图像的校正和投影系统维护工作大大简化，维护成本也进一步降低，故障率明显下降。但新投影系统也正因其调节手段单一，所以各视景投影通道亮度、模拟仿真视景环境的不同时间段色彩平衡较原先〃三枪”系统需要更多的调试技巧。最后，在视景数据库方面，开发工具普遍采用MultigenCreator软件［4］取代各厂商的自有视景建模工具。各厂商仅开发一些辅助插件或编译软件，完成对视景数据库的编译、加密工作，保证其知识产权。由于图像生成PC的性能飞跃，全球高层数据、高精度卫星照片和地貌矢量数据库的引入，开发出的视景数据库具有更高的逼真度。在具备增强型近地警告（EGPWS）的现代大型飞机模拟机上，导航显示仪表（ND）实时显示的地形能与视景数据库中显示的地形完美匹配。同时一种全新的全球地形数据库技术被广泛采用，即视景图像中的地形由储存在硬盘中的高层数据和卫星照片数据实时合成。在具备该技术模拟机飞行时，飞行员飞行到全球各地，其所见的地形、地貌都与真实环境接近。而原来的视景系统当飞出机场数据库建模范围后，只能以大块的平坦地貌进行代替，无法反映真实地形、地貌。该技术是计算机性能的飞速发展、全球高层数据和卫星照片普及的产物。2.3运动系统运动系统为飞行员提供起飞、着陆、爬升、转弯的加速度、飞行中颠簸等多种感觉。运动系统方面，电动运动系统开始逐步替代液压运动系统，并逐渐成为航空公司优选系统，该系统与液压运动系统相比具有省电、噪音低、无管道污染、无漏油等优点。一个典型的情形，在配备大型UPS备用电源的模拟机，在遭遇突然停电的意外状况，模拟机可保持十多分钟全动飞行，让飞行员有时间安全地撤离。代表产品有MoogFCS的MB-EP-6DOF/60/14000KG的气源辅助式电动运动系统（ElectricPneumaticMotionSystem），该系统能满足D级飞行模拟机的要求。但电动运动系统还是一个新生事物，其技术在不断改进，由此造成模拟机运行几年之后，某些零部件已被淘汰，不再生产，如老型号的作动筒驱动电机已经被新型号电机取代，而新旧电机不能直接更换等情况，零部件供应问题成为一个难题。同时其驱动丝杠中间部分由于长期受力反复摩擦，磨损比较严重。因此，驱动丝杠的寿命，有待时间来验证。而传统的液压系统，作为一个存在了几十年的成熟产品，无上述问题。2.4操纵系统操纵系统为飞行员提供杆舵等的操纵反馈力，其真实程度直接影响模拟机的真实程度，在QTG飞行品质客观评估中有多项测试与其有关。操纵系统方面，电动操纵系统开始替代传统液压操纵系统。新的电动操纵系统具有响应快、体积小、无需油源系统、省电、噪音小和性能不受温度影响的优点。代表产品有MoogFCS的ECOL-8000系统。实际上电动操纵系统在很早就已经出现了，只是当时由于性能的限制，无法与液压操纵系统相匹敌，只用于仿真度较低的小型固定飞行训练器。早期的电动操纵系统采用单芯片高速处理机(DSP)和简单的嵌入式程序控制，系统开发和调试困难。ECOL-8000系统采用普通工业PC机，该机PCI插槽插有多张专业数模、模数转换卡［5］，实时操纵系统采用VxWorks。该系统提供图形化界面的FCS-EXPLORER监控调试软件［6］，可对操纵系统进行内环路计算补偿［7］、外环路计算补偿和电机参数的设定、调试等工作，开发和维护调试工作更加简洁［8］。2.5接口系统接口系统是模拟机主计算机与飞行驾驶舱的唯一通道，飞行驾驶舱内的所有航电设备都通过它与计算机进行交互。近年来，接口系统开始流行串行化趋势，工业标准串行总线被大量采用。加拿大Mechtronix模拟机制造公司在模拟机制造中采用高档汽车上使用的Canbus总线。其生产的B737-800模拟机上共使用了4个端口，近100个Canbus节点，每个仿真仪表、面板后都有一块具备Canbus接口的单片机通过该总线与主仿真计算机通讯。该系统采用500K的波特率，4个端口合计可提供2M波特率的带宽，通过数据交换方式的优化可进一步减少数据交换数量。Canbus节点可实时增减，故障节点也不会拖累整个接口系统。因此一个驾驶舱面板失效不会对整个接口系统数据交换造成致命性破坏，因此工作稳定性大大提高，同时故障更易追踪。加拿大的CAE模拟机制造公司采用USB总线作为接口系统总线，它具备即插即用的特点，能在线插拔，对排除故障提供最大化的便利［9］°"HOSTTOPANEL技术”的使用，使得每个驾驶舱设备面板都成为一个USB设备(节点)，它直接与计算机通讯，单个节点的工作异常不会影响整个接口系统的运行。较其早先基于以太网的接口系统，工作稳定性、可维护性有较大提高。2.6仪表系统驾驶舱仪表提供各种参数指示，为飞行员提供各种飞机状态数据。仪表系统方面，传统模拟机大量使用真实飞机电动仪表，该类仪表结构复杂、驱动困难、维修费用昂贵。现在各模拟机制造厂商开始使用更多的仿真仪表，仿真仪表在外形和性能上与飞机仪表一致，但维修更为便利，成本更低。仿真仪表的使用将不再需要通过飞机特有的ARNIC-429等总线驱动仪表，接口系统变得更加简洁，同时不再需要115V/400HZ电源，系统故障率进一步降低。特别是现代飞机的平板仪表，尤其适合采用计算机图形学的方法进行仿真。该类仿真仪表工作非常稳定，能显著降低使用、维护成本，使得最终仿真仪表基本属于免维护的产品。2.7软件开发的新方法在模拟机软件开发方面，面向对象方式的引入，使得软件调试、开发的难度进一步降低。同时VisualSourceSafe、SourceGear等软件源代码管理软件的引入，使得多人协同开发和远程开发工作变得更加容易，开发效率大大提高。3结束语总而言之，在多项新技术、新理念广泛应用在飞行模拟机的今天，飞行模拟机的飞行逼真程度在不断提升，维护成本和使用成本在不断下降，人性化的操作界面给飞行员和维护工作人员提供了更好的飞行训练和维护环境，相关的法规和训练模式也正在进行调整和改进。模拟飞行仿真正以崭新的面貌展现在世人面前。参考文献Ascent®B737-800ZFTTMFFSXTMFullFlightSimulatorUSERMANUALAscent®B737-800ZFTTMFFSXTMFullFlightSimulatorMAINTENANCEMANUALAscent®A320-200ZFT®FFSX®FullFlightSimulatorMAINTENANCEMANUAL李庆勋.浅析ESIG3800视景建模[C].第四届飞行模拟设备研讨会文集Installation&OperationManualECol8000Q&C-LineElectric