基本介紹
- 中文名：航天飛行訓練模擬器
- 外文名：space flight training simulator
- 第一台：美國人林克在1929年研製成功
- 目的：使飛行能夠經濟又安全
- 中國情況：成功地實施了多次載人飛行訓練
- 原理：相似原理、控制理論、飛行技術
歷史開端,功能,實現架構,
歷史開端
世界上第一台飛行模擬器“林克機”由美國人林克在1929年研製成功，它的誕生實現了人類在地面實驗室進行既經濟又安全飛行試驗訓練的夢想。前蘇聯/俄羅斯、美國等國家從載人計畫一開始，就建立了多種用於航天員訓練的模擬器，為航天員的順利執行任務提供了有效的訓練手段。根據我國載人飛行任務的需要，我國也建立了相應的訓練模擬器，已經成功地實施了多次載人飛行任務的地面模擬訓練
功能
航天飛行訓練模擬器是以相似原理、控制理論、太空飛行器飛行專業技術等為基礎，採用實物、半實物和數字仿真方法，構建模擬與真實飛船一致的航天員感知操作環境，用於航天員在地面環境下進行飛船全飛行階段的設備監視與飛船操作、正常飛行程式和故障程式訓練，使航天員在正式執行任務前已經能夠熟練掌握飛船駕駛的技能。航天飛行訓練模擬器通常要實現如下功能，載人太空飛行器座艙環境模擬、運動模擬、飛行操作/操縱模擬、正常/故障/應急程式模擬、視景/音響模擬和教員實時控制與監測等。作為一個完整的訓練仿真系統，模擬器也間接具備了工程驗證功能
實現架構
結構總體
一個典型的全任務航天飛行訓練模擬器通常由8大部分組成，分別是實時仿真計算分項系統、模擬座艙分項系統、運動分項系統、儀表仿真分項系統、視景分項系統、音響分項系統、教員控制台分項系統、輔助支持分項系統等組成。仿真系統用於完成航天員所感知的飛行信息/太空飛行器狀態參數仿真，主要是儀表/操作機構上航天員需要監視和控制操作的信息和事件仿真，包括太空飛行器飛行運動學動力學、推進、電源、熱控、環控、運載、結構機構操作等相關係統人在迴路中的仿真，模擬座艙系統用於構建太空飛行器艙內環境，給航天員以真實的艙內環境模擬，儀表系統完成艙內儀表數據的實時顯示和儀表操作，教員系統實現對整個系統的監視、訓練控制和訓練評價與分析，視景系統實現太空飛行器中潛望鏡和眩窗航天員的所能看到太空視覺仿真，音響系統實現航天員艙內所感知到的運載、太空飛行器發動機和其他相關聲音，也包括結構機構分離火工品爆炸的聲音，運動系統用於提供上升段和返回段的航天員運動感知，輔助系統用於完成航天員訓練服裝通風加壓、天地通信模擬、艙內的視頻監測等。通過上述及個系統的組合互動，模擬器功能得以實現。航天飛行訓練模擬器實現上採用實物、半實物和數字仿真的方法構成了典型的人在迴路中的分散式互動架構。以預定裝載的飛行程式和航天員操作為激勵，仿真生成飛行任務中的各種原始數據，用於驅動模擬座艙飛船的操作、運動、感知與顯示設備，如儀錶板、光學觀察裝置、艙內照料設備與科學實驗設備等，載入訓練實時控制與監測系統，形成模擬地面控制與航天員真實飛行環境。在航天飛行訓練模擬器中飛行程式是首腦，飛行仿真模型是心臟，構建環境的硬體是軀幹，軟體是血液。
模擬座艙
模擬座艙主要為航天員訓練提供太空飛行器的界面環境，在半實物仿真中提供身臨其境的實物環境。根據所仿真的太空飛行器以及承擔的訓練任務不同，模擬座艙的結構形式和數量也不相同。例如，針對太空梭的飛行訓練模擬器，其模擬座艙是乘員艙，主要用於操作和任務訓練；而對於全尺寸的太空梭訓練器，其模擬座艙包括了乘員艙、中艙和貨艙等艙段，主要用來讓航天員熟悉太空梭內各系統的位置，以及機上的實驗、生活環境；針對飛船的全任務飛行訓練模擬器，其模擬座艙包括返回艙和軌道艙；針對空間站的訓練模擬器，其模擬座艙可包含多個艙段；對於單項任務訓練模擬器，根據訓練任務的不同，可以是單一座艙，也可以是多個模擬座艙。為了安放模擬座艙並為使用、維護提供方便，模擬座艙一般還設有基座和艙外工作平台。
航天飛行訓練模擬器主要用於航天員的操作和任務訓練，因此一般情況下不模擬壓力、氣體成分、失重和超重等因素，這些物理環境有專門的設施進行仿真模擬。對於操作和任務訓練，模擬座艙主要是提供與實際太空飛行器一致的艙內布局界面和操作界面，結構上沒有必要像實際太空飛行器一樣。通常模擬座艙不是氣密艙，沒有密封要求，也不用熱防護和輻射防護設備，只要求外形、尺寸、內部布局與實際太空飛行器保持一致，材質上通常採用金屬或者木質。
模擬座艙內部通常安裝有儀表系統、艙內操作照料設備、艙內工藝模擬設備、艙內醫監設備、航天員座椅、電氣管路接口、通話裝置、照明裝置等，並為視景顯示裝置、音響模擬設備、座艙空調、航天服氣源、電視監視攝像機等提供安裝的環境和接口。模擬座艙內所有設備的安裝位置、尺寸大小、操作特性與實際太空飛行器一致，訓練模擬器特有的設施,一般在不破壞艙內布局界面的情況下，儘可能隱蔽安裝。艙內所有需要航天員操作的設備，實際上是真實設備的複製品，有些為了訓練需要進行了特殊的改裝和調整。另外，還有一些不需操作的設施，一般用工藝模擬件來代替，這些設備只是在外觀、尺寸和安裝位置上與實際太空飛行器相同，不具備電特性和操作特性。
儀表操縱模擬
儀表是航天員最主要的觀察和操作界面。航天員可以通過艙內儀錶板上的各種顯示器、信號燈和語音通報，獲取太空飛行器飛行狀態及各系統工作狀態的信息，並且可以通過操縱儀錶板上的各種開關、按鍵來控制太空飛行器。通常在飛行訓練模擬器上，艙內儀錶板都採用實物，以保證與真實太空飛行器一致。當然，有些地方根據訓練的要求進行了一定的改造，主要是增加了儀錶板上所有開關、按鍵操作的信息採集設備，以便教員能夠監測到航天員的各種操作，為訓練評價提供依據。
對於載人飛船飛行訓練模擬器，其儀表仿真系統一般包括艙內儀錶板、數據管理仿真系統、接口控制和教員台上的虛擬仿真儀表(也稱為軟儀表)。
艙內儀錶板通常包括多功能顯示器、數碼顯示器、各種信號燈板、指針式儀表部件、控制開關板、語音報警單元等顯示和操作部件，這些部件由單片機、嵌入式計算機等進行驅動、控制及數據處理，可顯示和通報飛行程式、重要事件以及飛船各系統的重要參數和工作狀態，可操作控制開關板對飛船各系統進行控制。在飛行訓練模擬器上，主要通過數據管理仿真系統接收指令和數據。
接口控制和數據管理仿真系統仿真飛船的數管系統，對模擬器實時仿真計算系統給出的仿真數據進行格式轉換，對各種指令和數據進行分類處理和界限判別，然後按照飛船數據匯流排格式重新組織數據報文傳送給艙載儀錶板。接口控制和數據管理仿真系統還要採集航天員儀表操作信息、艙內其他設備操作信息、航天員生理監測數據，與艙載儀錶板下傳的數據一起，轉換為模擬器的網路報文格式，傳送給模擬器其他系統。
虛擬仿真儀表是艙載儀錶板的鏡像，主要是採用計算機圖形技術來生成艙載儀錶板的仿真圖像，通過接收仿真數據和艙載儀錶板下傳的儀表操作信息，完全同步地反映艙載儀錶板的所有狀態，包括所有顯示界面、顯示內容、各種信號燈狀態，控制開關板上所有開關、按鍵、旋鈕的狀態，以及同步播發語音報警單元的事件通報。通過虛擬仿真儀表，教員可以隨時了解和掌握儀表的工作狀態，以及航天員對艙載儀表及控制器的操作
動感模擬
對於運動基訓練模擬器,比如太空梭的運動基訓練模擬器來說，需要配置運動系統。運動系統是提供動感的仿真設備，可根據太空飛行器產生動感的原理，建立相應的數學模型和軟體，在計算機中實時接收模擬器運動參數，生成特定的激勵信號，驅動能產生動感的設備，從而實現模擬器運動，使航天員獲得逼真的動感。 一般能產生動感的仿真設備有以下幾類。
1）平台式運動系統。該系統可分為3自由度、4自由度、5自由度和6自由度等平台式運動系統。6個自由度是指升降、縱向、側向3個線運動及俯仰、偏航、傾斜3個姿態角運動。平台式運動系統一般允許的角度變化範圍在±30°以內，線位移在1～1.5米以內，因而只能在有限行程內提供太空飛行器瞬時過載動感、重力分量持續感及部分抖動、衝擊信號。
2）抖振座椅。抖振座椅是在模擬器受訓人員座椅上安裝能產生與機體垂直軸平行的抖振信號的抖振器。抖振信號的頻率和幅值可由計算機軟體控制，信號源是模擬太空飛行器失速、剎車、著陸接地時產生的抖振信號，抖振幅值可達到±2.5厘米，頻率可在20赫以內變化。
3）抗荷服。抗荷服是給受訓人員提供一個持續過載感覺的仿真裝置。抗荷服採用能施加壓力的頭盔、背包裝置，可以讓受訓者的觸覺感知與真實情況基本一致。 在飛行訓練模擬器中，最常見的是協同式運動系統。協同式運動系統一般由液壓、機械、控制、計算機及電源等組件組成。機械組件包括底座、平台及傳動裝置等。計算機支持軟體接受來自飛行系統的參數，經過適當的運算和變化，得到有感作動筒的行程參數，經過控制組件，形成各種監視和控制信息，監控機械組件的運動。
反映運動系統性能特點的主要指標是工作範圍、負載、頻率回響、固有頻率、阻尼、平滑度、穩定度、靜態精度、軸間交叉耦合影響、漂移、同步和系統傳遞延遲等。通常最關心的是工作範圍、負載及頻率回響等。
從飛行系統的飛行參數到運動系統中的驅動信號，都需要經過坐標變換等多種複雜運算。由於運動平台作動筒行程極其有限，與飛船在空中的飛行完全不同，所以平台在完成一次突發運動以後，必須緩慢地（航天員感覺不到）返回到中立位置，以準備執行下一次突發運動。洗出濾波就是計算出驅動運動平台的基本參數，包括3個線位移值和3個角位移值。超前補償是根據運動系統的滯後特性，對從洗出濾波中得到的驅動運動平台的基本參數進行修整，得到動感更真實的運動平台參數。運動平台的瞬時姿態取決於6個作動筒中各個作動筒活塞桿伸長度的不同組合。所以，必須把前面計算得到的6個平台驅動參數轉換成為每一個作動活塞桿的伸長度，並進一步轉換成相應的驅動信號，控制液壓系統驅動相應的作動筒運動。
視景模擬
視景仿真是訓練模擬器極為重要的組成部分。視景仿真系統提供載人太空飛行器各種觀察窗、光學瞄準鏡(也稱為潛望鏡)、舷窗等太空飛行器外部動態視覺景觀的模擬，為航天員訓練建立一個逼真的視覺環境。視景仿真系統依據太空飛行器的軌道和姿態，可精確模擬地球地貌、地球暈輪、雲層、星空背景(包括+5等以上的絕大多數恆星和行星)、太陽、月亮、晝夜交替、再入大氣層的“火燒”、著陸區景觀等視景，給航天員提供視覺動感，使航天員能夠通過視景判斷太空飛行器的飛行狀態(正常或非正常)、船下點位置和姿態。
視景仿真大體上有兩類，一類是點光源視景系統、電影放映系統和沙盤模型/閉路電視視景系統，通常早期的模擬器視景仿真系統採用這類方法。隨著計算機技術和計算機圖形學的迅速發展，現代飛行模擬器普遍採用了另一類視景仿真方法，即計算機實時生成圖像的視景仿真。下面以載人人飛船飛行訓練模擬器為例，介紹計算機實時生成圖像的視景仿真技術。
載人飛船可對外觀察的視覺通道主要有兩種：光學瞄準鏡和舷窗。光學瞄準鏡主要用於對地觀察，在執行交會對接任務時，可通過折光板觀察目標太空飛行器。通常光學瞄準鏡由9個視窗組成，包括1箇中心視窗和8個周邊視窗。當飛船在正常軌道飛行時，光學瞄準鏡正對地球，在中心視窗上可觀察到70～90千米範圍的船下點地貌，周邊視窗可觀察到地球邊緣。若軌道高度正常，地球邊緣剛好位於周邊視窗中心刻度線上。通過中心視窗和周邊視窗上的刻度，航天員可判斷出飛船飛行的大概高度、飛行方向、飛船的飛行姿態(俯仰、偏航、滾動角度)等。舷窗也是航天員重要的觀察通道，通過舷窗，航天員可觀察到地球和星空，然後通過地貌和星座判別方位。
載人飛船飛行訓練模擬器的視景仿真系統，主要任務就是仿真光學瞄準鏡和舷窗的動態視景。通常採用計算機實時生成圖像的視景仿真系統，主要由視景仿真計算機、光學瞄準鏡成像顯示裝置、舷窗無限遠成像顯示裝置(分光鏡式光學準直系統)、全球地貌資料庫、星空資料庫、視景仿真軟體、視景仿真開發工具軟體等組成。當模擬器運行時，視景仿真計算機根據教員控制台的指令，以及實時仿真計算系統給出的飛行程式、飛船軌道數據、飛船飛行姿態數據，實時生成相應的光學瞄準鏡和舷窗的視景圖像，由安裝在模擬座艙周圍的光學瞄準鏡成像顯示裝置和舷窗無限遠成像顯示裝置顯示，提供給航天員逼真的視覺運動感覺。載人飛船全任務飛行訓練模擬器的視景仿真系統，可以提供從飛船拋整流罩開始一直到返回著陸為止全部飛行過程的視景仿真圖像。
音響模擬
音響仿真系統提供對載人太空飛行器飛行過程中各種聲音的模擬，為航天員訓練建立一個逼真的聽覺環境。航天員可以通過聽覺環境的模擬，熟悉載人太空飛行器飛行過程中各種事件和各種設備的工作狀態，通過聲音判斷太空飛行器的飛行狀態是否正常。
進行音響仿真，首先要採集仿真對象的各種聲音素材，並對這些素材進行分析、濾波去噪、特徵提取處理等工作，形成音響仿真聲音素材庫。
音響仿真的方法通常有模擬式音響仿真、數字式音響仿真和模擬數字混合式音響仿真。 模擬式音響仿真採用電子線路構成模擬音響發生器，每個發生器模擬一種特定頻響的聲音，由混頻疊加電路混合各種音響發生器的輸出信號，經功率放大後，驅動發聲器播放。其特點是實時控制能力強，隨著飛船狀態的變化，播放的聲音參數可以隨時調整。但是模擬式音響系統的聲音逼真程度受音響發生器設計的影響，在仿真聲音種類很多的情況下，很難實現很好的聲音逼真效果。
數字式音響仿真採用數位訊號處理器，或直接採用計算機軟體構成音響發生器，採用數字序列來表示音響信號波形，並用數字方式處理這些信號，即對信號的產生、濾波、變換、調製、延時、增強等加工處理，以得到所希望的音響信號。改變數字濾波器的參數，可得到不同的聲音。數字式音響仿真具有線路簡單、靈活、精確等特點，其仿真逼真度高，容易實現聲音的三維定位效果。在聲音種類很多的情況下，數字式音響仿真的複雜程度不會增加很多，但實時控制能力不如模擬式音響仿真。
數字模擬混合式音響仿真綜合了數字式音響仿真和模擬式音響仿真兩種方法，部分聲音通過模擬方式播放，其他的聲音則通過數字方式播放。模擬式音響仿真方法適合於實時控制，對那些受飛船狀態影響變化非常明顯的重要聲音，可以採用這種方法進行模擬，其他的聲音則可以通過數字式音響仿真方法實現。
音響仿真系統通常由音響仿真計算機、音響發生器、控制器、多路功率放大器、發聲器(通常採用音箱)、音響實時仿真軟體、音響聲音素材庫、音響屬性配置軟體等組成。當模擬器運行時，音響仿真系統根據教員控制台的指令，以及實時仿真計算系統給出的飛行程式和仿真數據，實時產生具有三維定位效果的音響環境，提供給航天員逼真的聽覺感覺。
訓練過程控制、監控與評價
教員控制台是飛行訓練模擬器的指揮和控制中心。訓練教員可通過教員控制台指揮、控制和監視訓練過程，包括控制模擬器的啟動、設定運行參數、設定訓練科目、設定和插入模擬故障、取消故障、運行、凍結/解凍、快飛、跳飛、存點、重演、復位、停止等；監視航天員的訓練過程，記錄航天員的操作，監測航天員的生理信息，監測模擬器各系統的運行狀況；觀察飛行程式、太空飛行器各系統的運行數據、艙載儀錶板的所有顯示，監聽飛行過程的語音通報、航天員通話、艙內音響模擬噪聲等。教員控制台還兼顧模擬地面飛行指揮控制中心的功能，可模擬天地通話、上下行指令和數據傳輸等功能。教員控制台具備訓練過程的實時記錄資料庫，可以記錄訓練中的各種參數和數據，教員可隨時查詢記錄數據。先進的教員控制台還具有採用人工智慧和專家系統技術構成的訓練評價系統，可根據訓練情況，自動給出訓練效果的評價結果。
教員控制台一般由教員計算機及教員軟體、醫監計算機及生理參數監測軟體、飛行過程圖形化顯示計算機及三維圖形化仿真軟體、系統監控計算機(工程師工作站)及系統監控軟體、軟儀表(虛擬儀表)顯示界面、系統控制臺、電視監視顯示器、視景圖像監視器、艙內語音通報和艙內模擬噪聲監聽設備、通話裝置等組成。 教員計算機是教員的主要操作界面，一般採用觸摸式控制顯示系統作為其顯示界面。通過教員計算機，教員可完成對模擬器的主要設定、運行控制、參數監視、資料庫查詢、訓練效果評價等功能。
醫監計算機模擬天地生理信息監測功能，通過網路與艙載生理信號監測裝置連線，可實時採集、顯示航天員的主要生理信息。
飛行過程三維圖形化顯示計算機以三維圖形的形式，根據飛行程式及實時仿真計算系統提供的仿真數據，為教員提供直觀的太空飛行器飛行過程動態演示。 系統監控計算機又稱工程師工作站，主要實現對模擬器各系統設備的狀態監控和線上工作狀態監測。
軟儀表(虛擬儀表)顯示界面是由儀表仿真系統提供的艙載儀錶板的鏡像顯示，教員通過軟儀表顯示界面，可以隨時了解和掌握儀表的工作狀態，以及航天員對艙載儀表的操作。也有採用與艙載儀錶板相同的硬設備監視儀表操作的顯示界面，但這種顯示界面成本太高，開關和按鍵等硬設備的狀態也無法復現。因此，現代先進的模擬器多採用軟儀表顯示界面。 系統控制臺主要是實現對模擬器系統的啟動、艙內噪聲聲級設定和控制、模擬座艙空調系統的控制、應急照明的控制等功能。教員還可以通過電視監視屏、視景圖像監視器、艙內語音通報和艙內模擬噪聲監聽設備、通話裝置等設備，實現對訓練過程的監視、監聽以及天地通話的模擬功能。
仿真系統
仿真系統是飛行訓練模擬器的核心。在技術實現上要考慮仿真的對象與內容、仿真模型的構建與校驗、仿真架構的實現。
仿真內容
飛行訓練模擬器主要考慮的是對人的訓練，所以仿真主要考慮與訓練主體航天員相關的對象，同時也要考慮教員監控的需要。仿真內容包括，運載火箭的參數仿真、飛船的飛行參數仿真、遙控/遙測信息的仿真。仿真的參數主要提供飛船儀錶板信息供航天員監控、操作，同時驅動如視景、音響、電視圖像等感知環境，驅動艙內相關機械閥門及操作設備狀態等。運載火箭通常由箭體機構系統、控制系統、推進系統、遙測系統、外彈道測量及安全系統、推進劑利用系統、逃逸系統以及其他附加系統組成。在飛行任務中，航天員主要關注的是火箭的機構分離信息、彈道信息和逃逸系統信息等，所以訓練仿真對象為機構分離與逃逸系統的事件觸發信息、飛行彈道信息。飛船通常由環控生保系統、GNC系統、電源系統、數管系統、推進系統、熱控系統、結構與機構系統、回收系統、對接機構系統等組成。在飛行任務中，這些系統的參數需要航天員監控，同時這些系統也需要航天員的干預與操作。訓練仿真中，通過人在迴路中形成了對這些系統參數的反饋。真實飛船飛行過程中，地面要對飛船進行控制，這些通過遙控/遙測手段來實施。地面訓練中，通常由教員模擬地面對模擬飛船進行遙控，模擬的信息通常以飛行參數注入為主。
模型構建與校驗
要仿真航天員感知的飛行場景，作為訓練模擬器，首先需要對需要仿真的對象進行數學建模，這是訓練仿真的關鍵。訓練仿真中的建模一般分為理論建模和實驗建模兩種方式。理論建模即是從已知的原理、定律和定理出發，通過機理分析研究，找出系統內在的運動規律，推導出系統中各狀態參數與外作用之間的解析關係式---數學模型實驗建模即直接從系統運動或試驗中測量系統的外作用和系統的回響數據，套用辨識方法，建立系統的數學模型。飛行任務中航天員對不同系統產生的感知/操縱數據的關注程度有所不一，對於模型逼近或者說模型本身的要求也根據實際情況實施。模型仿真要考慮人的感知、機器的運算承載能力、仿真步長之間的矛盾。仿真步長過小，數據精度較高，數據的刷新率高，對機器的承載帶來了負荷，實際上已經遠遠超出人的感知和工程訓練需要的能力。仿真步長過大，仿真的精確度降低，有時模型也無法收斂。針對不同的模型，仿真步長根據訓練需求和模型本身可能存在區別。模型也要考慮奇異性問題，典型的套用就是對於太空飛行器姿態仿真採用四元數法而不採用歐拉角。飛船的一些系統的數學理論模型已經非常的經典，在訓練仿真中，需要根據工程的試驗數據和設計數據對模型的不確定性參數進行修訂。比如飛船脈衝推力器的控制模型，可以用如下的公式來表示。
由於每個平移方向控制發動機比例因子係數不一，式中用(圖1)Cvdiagf∆來定義，
具體根據工程設計與實驗值來確定，脈衝推力器的噪聲表示為Cvw∆，推力器產生的速度增量偏差表示為Cvb∆，方向偏差表示為Cvε∆。模型準確與否直接影響著航天員訓練的質量，一般採用實飛數據與仿真數據比對來對模型進行修正校驗。對於不確性模型，比如慣性儀表誤差，可採用系統辨識方法進行誤差辨識。在載人飛行任務的初級階段，由於實飛數據的有限性，一般採用有偏估計或子集求取的辦法，目前流行的有偏估計方法有超橢球估計、壓縮估計、嶺估計、主成分估計、特徵根估計、貝葉斯估計以及各種帶約束的最小二乘估計等。
仿真架構
根據仿真內容的定義模擬器仿真系統中幾十甚至上百種模型需要同步進行仿真且不同系統模型之間也需要進行信息互動並且不同模型之間的觸發具有時間關聯要求這對仿真的架構提出了要求。按照模擬器的實際情況通常可以採用集中式和分散式兩種模式進行仿真的架構設計。如果模型種類不是很多、運算量不是很大可以採用集中式即在一台獨立的機器上完成所有仿真模型的運算。為保持單個模型獨立性可採用多個進程完成多個仿真模型的運算多個進程之間的信息互動即模型之間的信息互動可採用共享記憶體模式來實現共享記憶體的控制方式依據模型仿真時序要求進行互鎖確保數據更新有效。如果模型種類多、運算量大、仿真需要特定的環境支持通常採用分散式來實現即在多台設備上完成仿真模型的運算。仿真模型之間的信息互動採用基於網路多播的模式或其它便於通信控制與模型互動的模式。目前套用比較成熟的是美國國防部提出的HLA標準歐空局、加加林中心、NASA等套用HLA模式對哥倫布艙對接控制進行聯合仿真。
