飞行模拟器发展现状及技术重难点分析

飞行模拟器发展现状及技术重难点分析
发布时间：2023-03-08T01:35:51.450Z 来源：《中国科技信息》2022年19期第10月作者：樊建勋
[导读] 飞行模拟器在飞行员培养及训练中发挥着重要作用，能够逼真的模拟飞行人员在操纵飞机飞行时的感受，其具有安全、经济、能够重复使用，不受地理空间和气候限制等特点
樊建勋
海装西安局陕西省西安市
摘要：飞行模拟器在飞行员培养及训练中发挥着重要作用，能够逼真的模拟飞行人员在操纵飞机飞行时的感受，其具有安全、经济、能够重复使用，不受地理空间和气候限制等特点。

本文对飞行模拟器进行了简要的介绍，分析了飞行模拟器的国内外主要公司模拟器的发展情况，最后提出了模拟器各主要系统的技术发展重难点和发展方向。

关键词：飞行模拟器；现状；技术重难点
1飞行模拟器的简介
1.1飞行模拟器的定义
飞行模拟器是指用于驾驶员飞行训练的航空器飞行模拟器。

它是按特定机型、型号以及系列的航空器座舱一比一对应复制的，它包括表现航空器在地面和空中运行所必需的设备和支持这些设备运行的计算机程序、提供座舱外景像的视景系统以及能够提供动感的运动系统（提示效果至少等价于三自由度运动系统产生的动感效果），并且最低满足A级模拟器的鉴定性能标准。

由于飞行模拟器是按照相似原理在地面构建的模拟真实飞机飞行的仿真系统，需要提供给飞行员真实的听觉、视觉、触觉、运动感觉等信息，因此一台完善的飞行模拟器主要由实时仿真计算机系统、视景系统、操纵负荷系统、仪表系统、音响系统、运动系统、教员台系统、模拟座舱、环境保障系统等九部分组成，其系统的基本组成和布局如图1所示。

图1飞行模拟器组成和布局图
1.2飞行模拟器的构成
飞行模拟器是一个涉及多学科的高端复杂产品，模拟器主要系统包括飞行仿真系统、飞机系统仿真系统、座舱模拟系统、视景系统、动感模拟系统、力感模拟系统、音效模拟系统、综合环境模拟系统、航空电子模拟系统、教员台子系统和辅助系统等。

以下将重点对前六个系统的功能与特点进行描述。

1.2.1飞行仿真系统
飞行仿真分系统由气动模块、六自由度动力学运动方程模块、飞机质量特性模块、飞机地面控制模块、环境模块、重力模块、重定位模块等部分组成，能够具备飞机在地面和空中的运动状态计算、飞机质量特性计算、环境参数控制以及重定位功能等能力。

当进行操纵输入时，飞行仿真系统能够实时响应并模拟飞机气动力变化，同时对飞机的飞行姿态和质量特性进行实时计算，输出当前的飞机状态。

1.2.2飞机系统仿真系统
飞行子系统仿真分系统需要涵盖飞机航电、起落架、刹车、液压、APU、燃油、环控、防火、电源和飞控等系统的功能。

各仿真系统可以独立仿真飞机的各系统逻辑和输入输出情况。

还可以实时进行迭代计算，并根据获取的操纵输入、环境数据和控制指令可以模拟飞机真实的信号反馈与操纵反馈。

1.2.3 座舱模拟系统
座舱模拟系统用于部分或全部复现实际飞机飞行座舱系统，提供逼真的人机交互环境。

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，传统模拟器大量使用真实飞机仪表，该类仪表结构复杂、驱动困难、维修费用昂贵。

现在各模拟器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。

1.2.4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环形曲面屏幕上）。

视景系统的革新包括图像生成系统、投影系统和和视景数据库建模三个方面的进步。

1.2.5动感模拟系统
动感模拟系统即为运动系统，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。

1.2.6操纵力感模拟系统
操纵力感模拟系统为飞行员提供与操纵真实飞机一样的力感。

由于人对力的感觉比较敏感，因此，力感系统也需要很高的技术水平。

1.3飞行模拟器的分类
飞行模拟器也可以按其他方式进行分类，比如，按模拟级别可以分为虚拟仿真器（VFD）、程序训练器（CPT）、综合程序训练器（IPT）、飞行训练器（FTD）和飞行模拟器（FFS）；按所模拟的机型可以分为直升机飞行模拟器、固定翼飞机飞行模拟器、水上飞机飞行模拟器、舰载机飞行模拟器和民用飞机飞行模拟器；按中国民航局方鉴定标准将带运动平台的飞行模拟器分为 A、B、C、D 四大类，将不带运动平台的飞行训练器分为 1、2、3、4、5、6 共六个等级(国外有 7 级），只有在局方监管的设备上开展训练时间才可以等效为真实飞行时间。

1.4飞行模拟器的作用
高等级的飞行模拟器可以做出有6个自由度的全方位运动，同时也有宽视场角高清晰的虚像视景系统来模拟窗外的景象。

包含了拟真的驾驶舱与视觉系统的模拟器座舱安装在由6支作动筒支撑的运动平台上，借由计算机的控制可以提供三个轴向的线性运动和三个轴线的旋转运动。

三个轴向的线性运动分别是X、Y、Z方向的平移，三个轴线的旋转运动分别是航向（Heading）、俯仰（Pitch）和横滚（Roll）。

飞行模拟器主要用于训练机组成员的正常和紧急作业程序。

所以使用飞行模拟器可训练飞行员处理各种飞机在有问题或不安全的情况下，诸如发动机故障、液压或电气系统失效、仪表失常等等。

各国的国家民航局，如美国美国联邦航空局（Federal Aviation Administration, FAA）、欧洲航空安全局（European Aviation Safety Agency, EASA）、中国民用航空局（Civil Aviation Administration of China, CAAC）等负责鉴定与测试各种类型的飞行模拟器。

商照飞行员只有在民航局审核通过的飞行模拟设备上的训练时数受到认可。

若模拟器要得到认证，必需能够证明它符合监管机构对该被模拟飞机所设计的飞行模拟设备或全任务飞行模拟器的要求项目。

测试项目与标准详列在批准测试指南（Approval Test Guide, ATG）或是鉴定测试指南（Qualification Test Guide, QTG）之中。

飞行模拟设备被分为1到6级的飞行训练器（Flight Training Device, FTD）或是A到D级的全任务飞行模拟器（Full Flight Simulator, FFS）。

最高等级、功能最强的是D级全任务飞行模拟器。

当资深飞行员要从一种机型换到另一种类似的机型时，这种模拟器在有些国家和地区可用来做所谓的零飞行时数转机型训练，飞行员可在教员监督下驾驶该机型做首次飞行，而不需要累积既定的飞行时数。

2飞行模拟器的发展现状
2.1国外发展现状
（1） CAE（加拿大/美国）
CAE 是加拿大的一家计算机模拟技术服务公司，在飞行模拟器领域处于全球领先地位，CAE 公司具有很强的军工背景，为全球多个国家的民用航空和防卫部队提供模拟培训综合方案。

CAE公司占领了全球新增民用市场的80%以上，目前国内民用航空培训中心在用的空客、波音全动模拟器大多从 CAE 公司引进。

同时CAE 收购了德事隆集团旗下的模拟器制造商 TRU公司，进一步巩固了其在全球的垄断地位。

（2）飞安国际（美国）
美国飞安国际公司隶属于巴菲特的美国伯克希尔哈撒韦公司，成立 60 年以来，是一家在世界范围内提供高品质训练服务和飞行模拟设备的专业公司。

有超过 1800 名专业教员，美国提供 130 万小时以上的训练时间，客户遍及 167 个国家，对 135 种机型提供专业训练，为飞行员、机师、乘务提供的训练课程高达 4000 门以上。

训练中心拥有超过 300 台全动模拟器，每年交付超过 1000 套视景设备和 800 套飞行模拟器。

（3） L3 公司（美国）
L-3 Link Simulation & Training 公司的历史可以追溯到 1929 年发明第一台飞行模拟器“林克机”的 Ed Link 创立的 Pilot Maker。

中间经历了被 CAE 公司、休斯飞机公司、雷神系统公司、以及 L-3 Communications 公司的一系列收购。

休斯飞机公司还收购了 Honeywell 的模拟仿真部门。

所以最终 L-3 Link 公司集合了美国最先进的军用模拟训练技术。

目前，公司的主要业务集中于机组培训和管理、模拟器生产和改装、以及模拟训练方面的研究。

L-3 Link 公司同时也是图像发生器、视觉显示、可重配置模拟器和网络化训练技术的领先者。

（4）INDRA
位于西班牙的制造厂家，产品在欧洲取证的较多，国内只有海航有6台全动，三亚2台，海口4台，普遍反映设备的可靠性一般。

2.2国内发展现状
当前，国内拥有 D 级飞行模拟器研制能力的厂家有上海华模科技、北京蓝天、安胜（天津）和华翼蓝天。

其中，上海华模科技有限公司属于均瑶集团的全资子公司，与南京航空航天大学通过产学研合作，研制出了 A320CEO/NEO 全任务 D 级模拟器，并在 2020 年通过民航局模拟设备 D 级初始鉴定。

该模拟器于当年正式交付航空公司投入运营，目前客户反馈情况良好；北京蓝天航空科技股份有限公司在2001 年启动研制我国首台民用 CCAR-60 部 C 级全动航空模拟器-MA60（新舟 60 涡轮螺旋桨支线飞机），2003 取得民航局的 C 级认证。

后期经过不断升级，取得民航局 D 级认证；安胜公司是由美国公司柯林斯宇航和四川海特公司共同组建的中外合资企业，安胜（天津）仅在中国组装生产模拟器。

2017 年该公司在中国组装生产的模拟器取得 D 级认证；天津华翼蓝天科技股份有限公司是国内较早进行固定飞行训练器（FTD）开发的国内企业，华翼蓝天的 A320 全动模拟器在 2019 年通过局方 D 级鉴定。

3飞行模拟器技术重难点
飞行模拟器的研制技术难点主要集中在飞行仿真技术、飞机系统仿真技术、动感与力感模拟技术、视景和声音仿真技术、结构平台设计技术、系统集成与状态监控技术以及验证测试与讲评技术等共 7 个大方面。

具体阐述如下：
3.1 飞行仿真技术方面
在软件通用平台研发方面，现有应用于模拟器研发的建模仿真平台其通用仿真部分功能与具体的专有功能代码无法分离，专有功能代码根据具体机型进行开发，导致建模仿真平台的层次性以及可复用性较差。

同时仿真平台底层代码与第三方商用代码呈强耦合关系，并依赖于特性的操作系统，其安全性与可移植性都较差。

在飞行动力学仿真方面，传统建立气动模型需要通过计算流体力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）、风洞试验、飞行试验和飞
机系统辨识等手段建立全机气动特性数据库，这一工程浩大，耗时较长，且需要大量资金、人力和物力。

更为严重的是不同气动布局的客机，气动模型一般不相同，往往在设计不同客机飞行模拟器时，需要更换气动模型，这导致更换过程繁琐，重复工作量大。

在复杂环境仿真方面，模拟器需要考虑超包线 EET（Extended Envelope Training）训练要求，对复杂天气的模拟要求提高；针对 ATC 仿真的需求，机场周围电磁环境和 ATC 信号模拟要求进一步提高；而应用于复杂环境仿真的模型众多，无法针对不同应用需求灵活调整选用。

3.2 飞机系统仿真方面
在资料和数据方面，外购和国产飞机系统，如发动机和航电系统等，其随机交付资料和数据多是以满足飞机设计和制造为目的。

因飞行模拟器研制所需数据与此类资料在数量、细节度等方面存在较大差别，且以前者所需资料多和细节度深为特点。

因此，该方面的重难点是飞机系统的建模与验模数据较少，难以支撑高等级，如 D 级模拟器的研制。

在技术方面，飞机系统的通用建模技术和真机件激励技术成熟度还有待于进一步提升，且相关标准的制定滞后于相关技术的发展，未形成对技术的引导作用。

在多重故障和复杂状态模拟方面，飞行器设计过程资料难以覆盖高等级飞行模拟器故障建模需求，特别是多重故障耦合条件下的模拟仿真更是无从下手。

3.3 动感与力感模拟方面
针对人感模拟效果，缺乏有效的客观评价指标系统，难以进行定量评价；目前的体感模拟系统针对单个感觉进行体感优化，感觉不同步和差异会造成仿真病，影响训练。

3.4 视景与声音仿真方面
模拟器的视景系统要求高逼真度的机场地面大视角虚像视景，现有国产视景系统普遍缺乏广泛的机场模型，目前均是采用由国外视景厂家定制开发的模式对机场模型进行维护。

而机场模型数据本身涉及国家核心利益，交由国外厂家进行开发影响国家安全。

3.5 结构平台方面
传统模拟器平台结构和舱体分离，重量大结构复杂，外部包线大；结构平台针对单个机型优化设计，无法进行多机型复用。

3.6 集成与监控方面
在集成方面，高等级模拟器尤其是 D 级模拟器作为航空模拟仿真领域的“最闪亮明珠”，是多学科交叉集成的高科技产品，其集成涉及机械制造、计算机技术、网络技术、自动控制、电气工程、导航制导、虚拟现实和人机工效等多个学科知识。

高等级模拟器的高附加值特征表现为知识、技术密集，体现了多学科和多领域高、精、尖技术的集成，因此在总体集成上存在巨大的技术难度和门槛。

在监控方面，现有模拟器大多采用定制的电气系统设备，通用性差，后期维护成本高，备件昂贵；故障状态后难以及时定位故障位置和原因，影响模拟器正常训练时间，客户满意度低。

3.7 验证测试与讲评方面
在验证测试方面，QTG 测试的自动化与智能化水平需要进一步提升；在讲评方面，传统的飞行员飞行品质评定的方式主要以飞行教员根据飞行员的现场操纵行为，结合训练大纲的来综合评定。

显然这种人工评分的方式，不仅容易受到教练员个人喜好、情绪等主观意识的影响，同时会耗费大量的人力物力，效率低下。

在科技发达，重视效率的今天，这种传统的飞行品质评价方式已经无法适应大批量的飞行员培训和复训的要求。

因此，研究科学的、全面的、智能的模拟器讲评支持技术可以为飞行员训练操作品质评估提供解决方案，具有十分重要的应用意义。

4综合分析
飞行模拟设备生产厂商都与飞机制造厂家或航电生产厂家开展广泛合作，而且这种合作日趋紧密。

比如加拿大的 CAE 公司就成为空客公司的全球战略合作伙伴。

在业务扩展上，飞行模拟设备公司不仅研发、生产、销售飞行模拟器，也研发销售基于模拟器的训练方法和课程套件，充分将飞行模拟设备产品和飞行器厂商的课程相结合。

近年来随着国内外航空业的发展和国家对民航产业规划的实施，国内各大航空公司进口空客和波音飞机数量激增，导致飞行员的培养远远滞后于飞机的引进，高等级飞机飞行训练模拟器的需求量大增，形成了飞机飞行模拟器产品市场需求的巨大空间。

然而，此类进口民机的飞机飞行训练模拟器产品均依赖进口，主要由国外公司所垄断，使得进口飞机飞行模拟器技术受制于国外厂商。

因此国内飞行模拟器供应商仍需要加强重点技术的研究，以提升飞行模拟器的整体质量，进而促进中国航空产业的发展。

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