[科普中国]-航天飞行训练模拟器

历史开端

世界上第一台飞行模拟器“林克机”由美国人林克在1929年研制成功，它的诞生实现了人类在地面实验室进行既经济又安全飞行试验训练的梦想。前苏联/俄罗斯、美国等国家从载人计划一开始，就建立了多种用于航天员训练的模拟器，为航天员的顺利执行任务提供了有效的训练手段。根据我国载人飞行任务的需要，我国也建立了相应的训练模拟器，已经成功地实施了多次载人飞行任务的地面模拟训练1

模拟器功能航天飞行训练模拟器是以相似原理、控制理论、航天器飞行专业技术等为基础，采用实物、半实物和数字仿真方法，构建模拟与真实飞船一致的航天员感知操作环境，用于航天员在地面环境下进行飞船全飞行阶段的设备监视与飞船操作、正常飞行程序和故障程序训练，使航天员在正式执行任务前已经能够熟练掌握飞船驾驶的技能。航天飞行训练模拟器通常要实现如下功能，载人航天器座舱环境模拟、运动模拟、飞行操作/操纵模拟、正常/故障/应急程序模拟、视景/音响模拟和教员实时控制与监测等。作为一个完整的训练仿真系统，模拟器也间接具备了工程验证功能2

模拟器实现架构结构总体一个典型的全任务航天飞行训练模拟器通常由8大部分组成，分别是实时仿真计算分项系统、模拟座舱分项系统、运动分项系统、仪表仿真分项系统、视景分项系统、音响分项系统、教员控制台分项系统、辅助支持分项系统等组成。仿真系统用于完成航天员所感知的飞行信息/航天器状态参数仿真，主要是仪表/操作机构上航天员需要监视和控制操作的信息和事件仿真，包括航天器飞行运动学动力学、推进、电源、热控、环控、运载、结构机构操作等相关系统人在回路中的仿真，模拟座舱系统用于构建航天器舱内环境，给航天员以真实的舱内环境模拟，仪表系统完成舱内仪表数据的实时显示和仪表操作，教员系统实现对整个系统的监视、训练控制和训练评价与分析，视景系统实现航天器中潜望镜和眩窗航天员的所能看到太空视觉仿真，音响系统实现航天员舱内所感知到的运载、航天器发动机和其他相关声音，也包括结构机构分离火工品爆炸的声音，运动系统用于提供上升段和返回段的航天员运动感知，辅助系统用于完成航天员训练服装通风加压、天地通信模拟、舱内的视频监测等。通过上述及个系统的组合交互，模拟器功能得以实现。航天飞行训练模拟器实现上采用实物、半实物和数字仿真的方法构成了典型的人在回路中的分布式交互架构。以预定装载的飞行程序和航天员操作为激励，仿真生成飞行任务中的各种原始数据，用于驱动模拟座舱飞船的操作、运动、感知与显示设备，如仪表板、光学观察装置、舱内照料设备与科学实验设备等，加载训练实时控制与监测系统，形成模拟地面控制与航天员真实飞行环境。在航天飞行训练模拟器中飞行程序是首脑，飞行仿真模型是心脏，构建环境的硬件是躯干，软件是血液。

模拟座舱模拟座舱主要为航天员训练提供航天器的界面环境，在半实物仿真中提供身临其境的实物环境。根据所仿真的航天器以及承担的训练任务不同，模拟座舱的结构形式和数量也不相同。例如，针对航天飞机的飞行训练模拟器，其模拟座舱是乘员舱，主要用于操作和任务训练；而对于全尺寸的航天飞机训练器，其模拟座舱包括了乘员舱、中舱和货舱等舱段，主要用来让航天员熟悉航天飞机内各系统的位置，以及机上的实验、生活环境；针对飞船的全任务飞行训练模拟器，其模拟座舱包括返回舱和轨道舱；针对空间站的训练模拟器，其模拟座舱可包含多个舱段；对于单项任务训练模拟器，根据训练任务的不同，可以是单一座舱，也可以是多个模拟座舱。为了安放模拟座舱并为使用、维护提供方便，模拟座舱一般还设有基座和舱外工作平台。

航天飞行训练模拟器主要用于航天员的操作和任务训练，因此一般情况下不模拟压力、气体成分、失重和超重等因素，这些物理环境有专门的设施进行仿真模拟。对于操作和任务训练，模拟座舱主要是提供与实际航天器一致的舱内布局界面和操作界面，结构上没有必要像实际航天器一样。通常模拟座舱不是气密舱，没有密封要求，也不用热防护和辐射防护设备，只要求外形、尺寸、内部布局与实际航天器保持一致，材质上通常采用金属或者木质。

模拟座舱内部通常安装有仪表系统、舱内操作照料设备、舱内工艺模拟设备、舱内医监设备、航天员座椅、电气管路接口、通话装置、照明装置等，并为视景显示装置、音响模拟设备、座舱空调、航天服气源、电视监视摄像机等提供安装的环境和接口。模拟座舱内所有设备的安装位置、尺寸大小、操作特性与实际航天器一致，训练模拟器特有的设施,一般在不破坏舱内布局界面的情况下，尽可能隐蔽安装。舱内所有需要航天员操作的设备，实际上是真实设备的复制品，有些为了训练需要进行了特殊的改装和调整。另外，还有一些不需操作的设施，一般用工艺模拟件来代替，这些设备只是在外观、尺寸和安装位置上与实际航天器相同，不具备电特性和操作特性。

仪表操纵模拟仪表是航天员最主要的观察和操作界面。航天员可以通过舱内仪表板上的各种显示器、信号灯和语音通报，获取航天器飞行状态及各系统工作状态的信息，并且可以通过操纵仪表板上的各种开关、按键来控制航天器。通常在飞行训练模拟器上，舱内仪表板都采用实物，以保证与真实航天器一致。当然，有些地方根据训练的要求进行了一定的改造，主要是增加了仪表板上所有开关、按键操作的信息采集设备，以便教员能够监测到航天员的各种操作，为训练评价提供依据。

对于载人飞船飞行训练模拟器，其仪表仿真系统一般包括舱内仪表板、数据管理仿真系统、接口控制和教员台上的虚拟仿真仪表(也称为软仪表)。

舱内仪表板通常包括多功能显示器、数码显示器、各种信号灯板、指针式仪表部件、控制开关板、语音报警单元等显示和操作部件，这些部件由单片机、嵌入式计算机等进行驱动、控制及数据处理，可显示和通报飞行程序、重要事件以及飞船各系统的重要参数和工作状态，可操作控制开关板对飞船各系统进行控制。在飞行训练模拟器上，主要通过数据管理仿真系统接收指令和数据。

接口控制和数据管理仿真系统仿真飞船的数管系统，对模拟器实时仿真计算系统给出的仿真数据进行格式转换，对各种指令和数据进行分类处理和界限判别，然后按照飞船数据总线格式重新组织数据报文发送给舱载仪表板。接口控制和数据管理仿真系统还要采集航天员仪表操作信息、舱内其他设备操作信息、航天员生理监测数据，与舱载仪表板下传的数据一起，转换为模拟器的网络报文格式，传送给模拟器其他系统。

虚拟仿真仪表是舱载仪表板的镜像，主要是采用计算机图形技术来生成舱载仪表板的仿真图像，通过接收仿真数据和舱载仪表板下传的仪表操作信息，完全同步地反映舱载仪表板的所有状态，包括所有显示界面、显示内容、各种信号灯状态，控制开关板上所有开关、按键、旋钮的状态，以及同步播发语音报警单元的事件通报。通过虚拟仿真仪表，教员可以随时了解和掌握仪表的工作状态，以及航天员对舱载仪表及控制器的操作3

动感模拟对于运动基训练模拟器,比如航天飞机的运动基训练模拟器来说，需要配置运动系统。运动系统是提供动感的仿真设备，可根据航天器产生动感的原理，建立相应的数学模型和软件，在计算机中实时接收模拟器运动参数，生成特定的激励信号，驱动能产生动感的设备，从而实现模拟器运动，使航天员获得逼真的动感。 一般能产生动感的仿真设备有以下几类。

1）平台式运动系统。该系统可分为3自由度、4自由度、5自由度和6自由度等平台式运动系统。6个自由度是指升降、纵向、侧向3个线运动及俯仰、偏航、倾斜3个姿态角运动。平台式运动系统一般允许的角度变化范围在±30°以内，线位移在1～1.5米以内，因而只能在有限行程内提供航天器瞬时过载动感、重力分量持续感及部分抖动、冲击信号。

2）抖振座椅。抖振座椅是在模拟器受训人员座椅上安装能产生与机体垂直轴平行的抖振信号的抖振器。抖振信号的频率和幅值可由计算机软件控制，信号源是模拟航天器失速、刹车、着陆接地时产生的抖振信号，抖振幅值可达到±2.5厘米，频率可在20赫以内变化。

3）抗荷服。抗荷服是给受训人员提供一个持续过载感觉的仿真装置。抗荷服采用能施加压力的头盔、背包装置，可以让受训者的触觉感知与真实情况基本一致。 在飞行训练模拟器中，最常见的是协同式运动系统。协同式运动系统一般由液压、机械、控制、计算机及电源等组件组成。机械组件包括底座、平台及传动装置等。计算机支持软件接受来自飞行系统的参数，经过适当的运算和变化，得到有感作动筒的行程参数，经过控制组件，形成各种监视和控制信息，监控机械组件的运动。

反映运动系统性能特点的主要指标是工作范围、负载、频率响应、固有频率、阻尼、平滑度、稳定度、静态精度、轴间交叉耦合影响、漂移、同步和系统传递延迟等。通常最关心的是工作范围、负载及频率响应等。

从飞行系统的飞行参数到运动系统中的驱动信号，都需要经过坐标变换等多种复杂运算。由于运动平台作动筒行程极其有限，与飞船在空中的飞行完全不同，所以平台在完成一次突发运动以后，必须缓慢地（航天员感觉不到）返回到中立位置，以准备执行下一次突发运动。洗出滤波就是计算出驱动运动平台的基本参数，包括3个线位移值和3个角位移值。超前补偿是根据运动系统的滞后特性，对从洗出滤波中得到的驱动运动平台的基本参数进行修整，得到动感更真实的运动平台参数。运动平台的瞬时姿态取决于6个作动筒中各个作动筒活塞杆伸长度的不同组合。所以，必须把前面计算得到的6个平台驱动参数转换成为每一个作动活塞杆的伸长度，并进一步转换成相应的驱动信号，控制液压系统驱动相应的作动筒运动。

视景模拟视景仿真是训练模拟器极为重要的组成部分。视景仿真系统提供载人航天器各种观察窗、光学瞄准镜(也称为潜望镜)、舷窗等航天器外部动态视觉景观的模拟，为航天员训练建立一个逼真的视觉环境。视景仿真系统依据航天器的轨道和姿态，可精确模拟地球地貌、地球晕轮、云层、星空背景(包括+5等以上的绝大多数恒星和行星)、太阳、月亮、昼夜交替、再入大气层的“火烧”、着陆区景观等视景，给航天员提供视觉动感，使航天员能够通过视景判断航天器的飞行状态(正常或非正常)、船下点位置和姿态。

视景仿真大体上有两类，一类是点光源视景系统、电影放映系统和沙盘模型/闭路电视视景系统，通常早期的模拟器视景仿真系统采用这类方法。随着计算机技术和计算机图形学的迅速发展，现代飞行模拟器普遍采用了另一类视景仿真方法，即计算机实时生成图像的视景仿真。下面以载人人飞船飞行训练模拟器为例，介绍计算机实时生成图像的视景仿真技术。

载人飞船可对外观察的视觉通道主要有两种：光学瞄准镜和舷窗。光学瞄准镜主要用于对地观察，在执行交会对接任务时，可通过折光板观察目标航天器。通常光学瞄准镜由9个视窗组成，包括1个中心视窗和8个周边视窗。当飞船在正常轨道飞行时，光学瞄准镜正对地球，在中心视窗上可观察到70～90千米范围的船下点地貌，周边视窗可观察到地球边缘。若轨道高度正常，地球边缘刚好位于周边视窗中心刻度线上。通过中心视窗和周边视窗上的刻度，航天员可判断出飞船飞行的大概高度、飞行方向、飞船的飞行姿态(俯仰、偏航、滚动角度)等。舷窗也是航天员重要的观察通道，通过舷窗，航天员可观察到地球和星空，然后通过地貌和星座判别方位。

载人飞船飞行训练模拟器的视景仿真系统，主要任务就是仿真光学瞄准镜和舷窗的动态视景。通常采用计算机实时生成图像的视景仿真系统，主要由视景仿真计算机、光学瞄准镜成像显示装置、舷窗无限远成像显示装置(分光镜式光学准直系统)、全球地貌数据库、星空数据库、视景仿真软件、视景仿真开发工具软件等组成。当模拟器运行时，视景仿真计算机根据教员控制台的指令，以及实时仿真计算系统给出的飞行程序、飞船轨道数据、飞船飞行姿态数据，实时生成相应的光学瞄准镜和舷窗的视景图像，由安装在模拟座舱周围的光学瞄准镜成像显示装置和舷窗无限远成像显示装置显示，提供给航天员逼真的视觉运动感觉。载人飞船全任务飞行训练模拟器的视景仿真系统，可以提供从飞船抛整流罩开始一直到返回着陆为止全部飞行过程的视景仿真图像。

音响模拟音响仿真系统提供对载人航天器飞行过程中各种声音的模拟，为航天员训练建立一个逼真的听觉环境。航天员可以通过听觉环境的模拟，熟悉载人航天器飞行过程中各种事件和各种设备的工作状态，通过声音判断航天器的飞行状态是否正常。

进行音响仿真，首先要采集仿真对象的各种声音素材，并对这些素材进行分析、滤波去噪、特征提取处理等工作，形成音响仿真声音素材库。

音响仿真的方法通常有模拟式音响仿真、数字式音响仿真和模拟数字混合式音响仿真。 模拟式音响仿真采用电子线路构成模拟音响发生器，每个发生器模拟一种特定频响的声音，由混频叠加电路混合各种音响发生器的输出信号，经功率放大后，驱动发声器播放。其特点是实时控制能力强，随着飞船状态的变化，播放的声音参数可以随时调整。但是模拟式音响系统的声音逼真程度受音响发生器设计的影响，在仿真声音种类很多的情况下，很难实现很好的声音逼真效果。

数字式音响仿真采用数字信号处理器，或直接采用计算机软件构成音响发生器，采用数字序列来表示音响信号波形，并用数字方式处理这些信号，即对信号的产生、滤波、变换、调制、延时、增强等加工处理，以得到所希望的音响信号。改变数字滤波器的参数，可得到不同的声音。数字式音响仿真具有线路简单、灵活、精确等特点，其仿真逼真度高，容易实现声音的三维定位效果。在声音种类很多的情况下，数字式音响仿真的复杂程度不会增加很多，但实时控制能力不如模拟式音响仿真。

数字模拟混合式音响仿真综合了数字式音响仿真和模拟式音响仿真两种方法，部分声音通过模拟方式播放，其他的声音则通过数字方式播放。模拟式音响仿真方法适合于实时控制，对那些受飞船状态影响变化非常明显的重要声音，可以采用这种方法进行模拟，其他的声音则可以通过数字式音响仿真方法实现。

音响仿真系统通常由音响仿真计算机、音响发生器、控制器、多路功率放大器、发声器(通常采用音箱)、音响实时仿真软件、音响声音素材库、音响属性配置软件等组成。当模拟器运行时，音响仿真系统根据教员控制台的指令，以及实时仿真计算系统给出的飞行程序和仿真数据，实时产生具有三维定位效果的音响环境，提供给航天员逼真的听觉感觉。

训练过程控制、监控与评价教员控制台是飞行训练模拟器的指挥和控制中心。训练教员可通过教员控制台指挥、控制和监视训练过程，包括控制模拟器的启动、设定运行参数、设置训练科目、设置和插入模拟故障、取消故障、运行、冻结/解冻、快飞、跳飞、存点、重演、复位、停止等；监视航天员的训练过程，记录航天员的操作，监测航天员的生理信息，监测模拟器各系统的运行状况；观察飞行程序、航天器各系统的运行数据、舱载仪表板的所有显示，监听飞行过程的语音通报、航天员通话、舱内音响模拟噪声等。教员控制台还兼顾模拟地面飞行指挥控制中心的功能，可模拟天地通话、上下行指令和数据传输等功能。教员控制台具备训练过程的实时记录数据库，可以记录训练中的各种参数和数据，教员可随时查询记录数据。先进的教员控制台还具有采用人工智能和专家系统技术构成的训练评价系统，可根据训练情况，自动给出训练效果的评价结果。

教员控制台一般由教员计算机及教员软件、医监计算机及生理参数监测软件、飞行过程图形化显示计算机及三维图形化仿真软件、系统监控计算机(工程师工作站)及系统监控软件、软仪表(虚拟仪表)显示界面、系统控制面板、电视监视显示器、视景图像监视器、舱内语音通报和舱内模拟噪声监听设备、通话装置等组成。 教员计算机是教员的主要操作界面，一般采用触摸式控制显示系统作为其显示界面。通过教员计算机，教员可完成对模拟器的主要设置、运行控制、参数监视、数据库查询、训练效果评价等功能。

医监计算机模拟天地生理信息监测功能，通过网络与舱载生理信号监测装置连接，可实时采集、显示航天员的主要生理信息。

飞行过程三维图形化显示计算机以三维图形的形式，根据飞行程序及实时仿真计算系统提供的仿真数据，为教员提供直观的航天器飞行过程动态演示。 系统监控计算机又称工程师工作站，主要实现对模拟器各系统设备的状态监控和在线工作状态监测。

软仪表(虚拟仪表)显示界面是由仪表仿真系统提供的舱载仪表板的镜像显示，教员通过软仪表显示界面，可以随时了解和掌握仪表的工作状态，以及航天员对舱载仪表的操作。也有采用与舱载仪表板相同的硬设备监视仪表操作的显示界面，但这种显示界面成本太高，开关和按键等硬设备的状态也无法复现。因此，现代先进的模拟器多采用软仪表显示界面。 系统控制面板主要是实现对模拟器系统的启动、舱内噪声声级设定和控制、模拟座舱空调系统的控制、应急照明的控制等功能。教员还可以通过电视监视屏、视景图像监视器、舱内语音通报和舱内模拟噪声监听设备、通话装置等设备，实现对训练过程的监视、监听以及天地通话的模拟功能。4

仿真系统仿真系统是飞行训练模拟器的核心。在技术实现上要考虑仿真的对象与内容、仿真模型的构建与校验、仿真架构的实现。

仿真内容

飞行训练模拟器主要考虑的是对人的训练，所以仿真主要考虑与训练主体航天员相关的对象，同时也要考虑教员监控的需要。仿真内容包括，运载火箭的参数仿真、飞船的飞行参数仿真、遥控/遥测信息的仿真。仿真的参数主要提供飞船仪表板信息供航天员监控、操作，同时驱动如视景、音响、电视图像等感知环境，驱动舱内相关机械阀门及操作设备状态等。运载火箭通常由箭体机构系统、控制系统、推进系统、遥测系统、外弹道测量及安全系统、推进剂利用系统、逃逸系统以及其他附加系统组成5。在飞行任务中，航天员主要关注的是火箭的机构分离信息、弹道信息和逃逸系统信息等，所以训练仿真对象为机构分离与逃逸系统的事件触发信息、飞行弹道信息。飞船通常由环控生保系统、GNC系统、电源系统、数管系统、推进系统、热控系统、结构与机构系统、回收系统、对接机构系统等组成6。在飞行任务中，这些系统的参数需要航天员监控，同时这些系统也需要航天员的干预与操作。训练仿真中，通过人在回路中形成了对这些系统参数的反馈。真实飞船飞行过程中，地面要对飞船进行控制，这些通过遥控/遥测手段来实施。地面训练中，通常由教员模拟地面对模拟飞船进行遥控，模拟的信息通常以飞行参数注入为主。

模型构建与校验

要仿真航天员感知的飞行场景，作为训练模拟器，首先需要对需要仿真的对象进行数学建模，这是训练仿真的关键。训练仿真中的建模一般分为理论建模和实验建模两种方式。理论建模即是从已知的原理、定律和定理出发，通过机理分析研究，找出系统内在的运动规律，推导出系统中各状态参数与外作用之间的解析关系式---数学模型实验建模即直接从系统运动或试验中测量系统的外作用和系统的响应数据，应用辨识方法，建立系统的数学模型。飞行任务中航天员对不同系统产生的感知/操纵数据的关注程度有所不一，对于模型逼近或者说模型本身的要求也根据实际情况实施。模型仿真要考虑人的感知、机器的运算承载能力、仿真步长之间的矛盾。仿真步长过小，数据精度较高，数据的刷新率高，对机器的承载带来了负荷，实际上已经远远超出人的感知和工程训练需要的能力。仿真步长过大，仿真的精确度降低，有时模型也无法收敛。针对不同的模型，仿真步长根据训练需求和模型本身可能存在区别。模型也要考虑奇异性问题，典型的应用就是对于航天器姿态仿真采用四元数法而不采用欧拉角。飞船的一些系统的数学理论模型已经非常的经典，在训练仿真中，需要根据工程的试验数据和设计数据对模型的不确定性参数进行修订。比如飞船脉冲推力器的控制模型7，可以用如下的公式来表示。

由于每个平移方向控制发动机比例因子系数不一，式中用(图1)Cvdiagf∆来定义，

具体根据工程设计与实验值来确定，脉冲推力器的噪声表示为Cvw∆，推力器产生的速度增量偏差表示为Cvb∆，方向偏差表示为Cvε∆。模型准确与否直接影响着航天员训练的质量，一般采用实飞数据与仿真数据比对来对模型进行修正校验。对于不确性模型，比如惯性仪表误差，可采用系统辨识方法进行误差辨识。在载人飞行任务的初级阶段，由于实飞数据的有限性，一般采用有偏估计或子集求取的办法，目前流行的有偏估计方法有超椭球估计、压缩估计、岭估计、主成分估计、特征根估计、贝叶斯估计以及各种带约束的最小二乘估计等。8

仿真架构根据仿真内容的定义模拟器仿真系统中几十甚至上百种模型需要同步进行仿真且不同系统模型之间也需要进行信息交互并且不同模型之间的触发具有时间关联要求这对仿真的架构提出了要求。按照模拟器的实际情况通常可以采用集中式和分布式两种模式进行仿真的架构设计。如果模型种类不是很多、运算量不是很大可以采用集中式即在一台独立的机器上完成所有仿真模型的运算。为保持单个模型独立性可采用多个进程完成多个仿真模型的运算多个进程之间的信息交互即模型之间的信息交互可采用共享内存模式来实现共享内存的控制方式依据模型仿真时序要求进行互锁确保数据更新有效。如果模型种类多、运算量大、仿真需要特定的环境支持通常采用分布式来实现即在多台设备上完成仿真模型的运算。仿真模型之间的信息交互采用基于网络多播的模式或其它便于通信控制与模型交互的模式。目前应用比较成熟的是美国国防部提出的HLA标准欧空局、加加林中心、NASA等应用HLA模式对哥伦布舱对接控制进行联合仿真。9