2013-11-21 08:51:48
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飛行訓練模擬器是訓練飛行員、航天員的基本地面訓練設備，是經濟、高效并且安全的訓練方式。世界上各主要航空航天大國都研制了大量的飛行訓練模擬器。現代先進的基于離心機的飛行訓練模擬器均集加速度模擬、視景、艙內環境控制及閉環控制于一身，使地面模擬效果達到了以假亂真的程度。美國、俄羅斯(前蘇聯)均研制了各種不同種類和規模的訓練模擬器，并取得良好的訓練效果，保證了飛行任務的圓滿完成。
我國從20世紀70年代開始研制并使用模擬器進行訓練工作。相繼開發并投入使用的有各種型號的飛機、潛艇、坦克訓練模擬器和汽車駕駛教學模擬裝置等。隨著我國載人航天事業的發展，研制開發我國載人航天用飛行訓練模擬器已經成為當務之急。而且隨著載人航天后續任務的發展，更需要研制一系列不同用途、功能和性能的訓練模擬器。
由于航天器等飛行器的功能越來越強大，系統日趨復雜，更新換代逐漸加快，對訓練模擬器的研制開發造成了巨大的壓力。一是飛行訓練模擬器的種類和數量急劇增多，規模越來越大，訓練成本成倍增加；另外由于更新換代加快，甚至影響了訓練任務的正常進行。一般情況下，模擬器的研制開發工作是同真實飛行器的研制幾乎同步進行的，對航天飛行模擬器來說尤為如此。隨著航天器本身逐漸發現問題并進行改進，模擬器也需要進行相應的調整。另外，對航天員的訓練工作不能因對模擬器的改造而長時間停滯。這些都對模擬器的開發工作提出了巨大的挑戰。
虛擬現實技術的發展為解決這些問題提供了全新的解決方案。簡要地說，虛擬現實是一種由計算機創建的虛擬世界，并且可以使人沉浸其中，獲得同真實世界相同的體驗。其關鍵技術包括計算機圖形學、圖像處理與模式識別、多傳感器、語音圖像處理及網絡技術等。
一、應用現狀
1．技術背景
虛擬現實技術是20世紀60年代提出的一種基于計算機、圖形圖像處理、多傳感器、網絡以及人－機工程的綜合技術，通常表述為“虛擬現實”(或虛擬環境等)。這種技術可以提供高保真度的視聽信息，使用戶沉浸在計算機系統所產生的“虛擬環境”中，并獲得同真實環境基本相同的交互體驗。在諸如工程設計、建筑學、數字成像、遠程操作等領域的應用前景刺激了該技術的迅速發展，并且為各種領域的技術訓練提供了一種新穎的訓練方式。更重要的是，該技術允許用戶同計算機產生的虛擬環境直接進行信息交互，從被動的觀眾轉變為積極參與事件的重要角色。概括起來，虛擬現實技術就是利用計算機相關學科發展起來的最新技術，生成一個讓人可直接通過視、聽、觸覺等進行交互的虛擬的客觀世界。在這種計算機生成的虛擬的客觀世界里，人們可用習慣的形式和方法，對這個虛擬世界進行觀察、分析、操作和控制。
2.虛擬現實技術的應用
世界上許多國家都先后開展了對虛擬現實技術相關課題的研究和開發工作。在一些典型研究實踐中，基于虛擬現實的訓練模擬器已經進入實用階段。有代表性的包括美國的“毒刺”導彈訓練裝置和美、德合作開發的SIMNET坦克模擬訓練網絡等。航天領域一個非常著名的計劃是用虛擬現實訓練模擬器培訓“哈勃”望遠鏡維修任務飛行乘員組和地面支持專家，保證了維修“哈勃”望遠鏡的成功。
美國開發的“毒刺”導彈虛擬訓練器采用了頭盔顯示器、交互式音響技術、Provision工作站以及三維鼠標器等先進技術手段，并制造了與實物同樣大小的塑料“毒刺”導彈模型，以使被訓練人員在模擬訓練中有良好的觸覺真實感。三維鼠標器裝在導彈模型的手柄中，以便進行跟蹤、發射等操作。在美、德合作開發的坦克模擬訓練網絡中，每個SIMNET模擬器都是一個獨立的裝置，它可復現M1主戰坦克的內部，包括導航設備、武器、傳感器和顯示器等。其車載計算機可以動態模擬車載武器、傳感器和發動機的各種信息，另外還存儲著可產生整個虛擬戰場的數據庫資料。利用其數據庫資料可準確地復現特定地區的地形特點，包括植被、道路、建筑物、橋梁等等。
應用虛擬顯示技術創建的“哈勃”望遠鏡維修飛行任務的模擬訓練設備，除了復制出“哈勃”望遠鏡的物理結構和各種部件之間的關系外，還建立了同所有主要維護維修程序相關的最嚴格的邊界條件模型，第一次實現了同部分智能計算機輔助訓練系統的集成。飛行任務結束以后，從受訓人員收集到的調查數據證明，對受訓人員來說，在虛擬現實模擬器中的訓練提高了他們在真實飛行任務中的工作效率。
二、虛擬現實訓練模擬器的技術優勢
同傳統的訓練模擬器相比，基于虛擬現實的訓練模擬器有著無可比擬的巨大優勢。
首先，基于虛擬現實技術的訓練模擬器可以方便地實現一機多能，即利用一個訓練平臺完成多種飛行任務的訓練。隨著航天飛行器物理界面和飛行任務種類不斷增加，模擬器的種類和數量也迅速上升。以美國為例，從“水星”計劃開始，研制了各種固定基和活動基的飛行訓練模擬器、大型中性浮力失重模擬設備、超重與垂直運動模擬器、航天員出艙活動模擬器等，形成了龐大的模擬器群。從功能上講，各種不同的模擬器之間必然存在著功能重復和交叉浪費，管理也不方便。而基于虛擬現實的訓練模擬器在一種硬件平臺的基礎上，對一些應用軟件進行少量的更改即可成為全新任務的訓練模擬器。
其次，容易同航天器的研制開發工作保持同步，并且可非常方便地進行升級改造。載人航天用飛行訓練模擬器同航空用飛行訓練模擬器的最大不同在于前者的研制往往是和航天器的研制同時進行，這樣就造成在模擬器的研制過程中必然缺少一些重要的數據。另外，模擬器的研制周期縮短，而同時系統復雜程度卻大大提高。在航天器的不同試驗階段中出現的一些問題都可能引起對航天器本身的修改，而這些修改可能對模擬器的研制工作帶來非常不利的影響。但是，不管出現什么不利因素，當載人航天器最后研制成功并進入載人飛行時，模擬器的技術狀態必須要和真實的載人航天器保持一致，而且還必須保障航天員的訓練時間。模擬器研制成功并交付使用以后，在保證大量訓練任務的同時，同樣必須進行必要的維護、保養工作，而所有這些又不能影響航天員的訓練工作。隨著技術的進步，對航天器的技術改造越來越頻繁，這些變化必須在飛行訓練模擬器中進行演練，這都大大增加了模擬器研制及升級改造工作的難度。
另外，借助網絡技術，基于虛擬現實技術的訓練模擬器可以實現多用戶同時訓練。隨著航天技術的發展，人類航天飛行活動越來越頻繁，飛行任務也日趨復雜。一方面需要對更多的航天員進行訓練，另一方面訓練課程的內容也更加廣泛和深入。而有些航天飛行任務則更需要航天員和地面技術專家及支持人員密切協同才能完成，這些都大大增加了訓練任務的工作量。傳統的訓練模擬器往往規模龐大，運行費用昂貴，并要求很長的準備時間，根本難以滿足正迅速增長的訓練任務的需求。而基于虛擬現實技術的訓練模擬器的技術特色之一就是網絡技術，為解決這個問題提供了非常完善的技術途徑，應用前景非常光明。
三、虛擬現實飛行訓練模擬器的幾點考慮
我國在虛擬現實技術領域的研究與應用發展比較快，如應用虛擬現實技術開發建立了故宮的三維立體模型，成功地開發了“虛擬故宮”系統。在該系統中，通過頭盔顯示器，實現了在計算機生成的虛擬的故宮世界里騎自行車的漫游。但總體上，我國在虛擬現實技術領域的研究、開發和應用水平同國外仍然存在很大差距，特別是在有關基礎性研究開發領域，如數據手套和頭盔顯示器等基本硬件的研制和開發等環節上。
1．技術途徑
總體來說，模擬器采用的技術途徑可分為物理仿真、數學仿真和物理數學混合仿真等三種基本模式。物理仿真主要是采用物理模型對環境、界面、過程等進行仿真的模式；數學仿真主要是采用計算機技術創建數學模型進行仿真的模式；而混合仿真則是介于物理仿真和數學仿真之間的一種模式。
根據我國虛擬現實技術和載人航天飛行訓練模擬器研制工作的技術基礎和技術水平，建議采用物理仿真和數學仿真相結合的混合仿真模式，并逐漸減少物理仿真的比重，提高數學仿真的比重，循序漸進地開發基于虛擬現實技術的飛行訓練模擬器。應在現有的技術水平基礎上，基于已經完成的硬件設備和模擬座艙界面，首先利用軟件實現舷窗外太空景象的數學仿真，逐步建立并完善太空景象及天體的三維立體模型，從而給航天員創造一個虛擬的外部太空景象，為航天飛行訓練打下基礎。
在建立并完善外部太空虛擬景象的基礎上，要逐漸實現座艙儀表板及艙內人－機界面的軟儀表化。要充分利用高性能計算機、實時多任務操作系統和相應工具軟件以及平板顯示器等技術領域的創新和突破，用軟件建立可編程并便于維護和升級的、顯示在平板顯示器上的虛擬的座艙儀表板系統。在這種技術支持下，可以方便地對座艙儀表板系統的顯示、操作界面進行更改。在此基礎上，如果再結合座艙視景系統顯示圖像的某些改變，可以方便地在同一硬件平臺上實現不同任務的模擬訓練。
另外，要在模擬座艙這一特定的環境條件中，逐漸開發并建立模擬座艙內的人體定位傳感系統，其中可以包括基于磁、電、光以及聲學等各種原理的傳感器，實現人－機之間的多通道交互。在座艙這個相對比較大的環境中建立基本完善的人體定位傳感系統之后，再結合數據手套、數據服以及頭盔顯示器等設備，則可以建成幾近完美的虛擬現實飛行訓練模擬器。
2．關鍵技術
針對我國技術發展的基本特點，應從硬件、軟件這兩個基本點出發，立足解決實際問題，重點突破以下部分關鍵技術：(1)傳感器技術；(2)臨境交互通信技術；(3)圖形圖像處理技術。
目前硬件設備技術水平還有待于更大的提高。對于頭盔顯示器，需要對重量、分辨率、顯示頻率、跟蹤精度、視場角等技術指標進行大幅度的提高。同樣，對數據手套等設備，需要在延遲性、可靠性、精度、舒適性等指標上進行提高。頭盔顯示器有投入式和半投入式兩種形式，但都包括定位傳感系統和光學系統兩大部分。對定位傳感系統的要求是靈敏度高和延遲小。靈敏度低易受外界環境影響，而延遲時間長除不能給出正確的位置信息外，還將引起觀察者頭昏、惡心。
軟件部分應包括人－機交互通信、控制軟件以及視景圖像模型庫等部分。其中，人－機交互通信、控制軟件的研制同基本硬件設施即傳感器的研制工作是密不可分的，而視景圖形庫可利用目前的圖形圖像處理軟件如OpenGL、CAD、3DMAX、PHOTOSHOP等進行一些三維模型的建立、修飾以及渲染等工作。
四、結束語
同應用傳統技術的模擬器相比，基于虛擬現實技術的飛行訓練模擬器有巨大的優勢。首先，它可實現在一個訓練平臺上進行多任務模擬訓練，一機多能。通過軟件的升級和更新，它可以方便地從在軌機動任務模擬轉換為交會對接模擬訓練，從而可節省資源，提高利用效率。其次，應用虛擬現實技術的訓練模擬器可以方便靈活地進行更改和升級。載人航天器的研制是非常復雜的系統工程，研制過程中出現部分更改和反復是難以避免的，而由于航天任務的特殊性，飛行訓練模擬器又必須同航天器的研制工作同步進行而稍微早一些投入運行才能保證對航天員的訓練工作。應用虛擬現實技術正好能夠滿足以上要求而不會在模擬器的研制和改造過程中出現大的反復和浪費，是保證工程進度的有效手段。另外，未來的載人航天飛行，科研任務將日趨復雜，所涉及的專業和學科越來越廣泛和深入，對航天員的訓練工作提出了更高的要求。基于虛擬現實技術的訓練模擬器可借助于網絡技術同時對多人進行訓練，在保證訓練人員的數量、訓練強度和效果的基礎上節省大量的訓練費用。可以說，基于虛擬現實技術的飛行訓練模擬器技術優勢十分明顯，是飛行訓練模擬器的發展方向
