System Simulation Technology
2019年5月第15卷第2期
May. ,2019Vol. 15,No. 2
中图分类号：TP391.9 文献标识码:A
杨永刚，刘智汉
（中国飞行试验研究院，陕西西安710089）
摘要：从舰载机飞行训练模拟器显示系统的设计到航母滑跃斜板、菲涅尔助降灯、舰面跑道纹理、拦阻索以及环境 等方面的模拟遇到的问题进行分析，结合工程经验，提出了解决这些关键问题的思路和方法。
关键词：舰载机模拟器；视景仿真；航母模拟
Carrier Aircraft Flight Training Simulator Visual System Key Tech Discuss
E4N+ Yonggang , LIU Zhihan
(Chinese Flight Test Establishment , Xi ' an 710089 , China)
Abstrac): This paper analyzes the problems encountered in the simulation of carrier aircraft flight
training simulator from the design of display system te the aircraft carrier ski - jump ramp , Fresnei
landing lamp, surface runway texture , aresting cable and environment. Combining engineering
experience , the ideas and methods to solve these key pToblems cc put forward.
Key words ：carrier aircraft simulator ； visud simulation ； carrier simulation
1概述
众所周知，舰载机着舰技术难度大、风险高，舰载
机飞行训练模拟器对于舰载机飞行员舰上起降训练具 有提高安全性和节约成本等重大意义。舰载机飞行训 练模拟器视景系统相对于其他飞机飞行模拟器有一些
独特的要求，其中最重要的就是需要有逼真的航母模 型。本文以某型舰载机试飞工程模拟器视景系统的建
设经验来总结和探讨高等级的舰载机飞行模拟器视景
系统需要的关键技术，供业界参考。下面从显示系统 需求、航母模型的建模、海洋和大气的模拟功能以及夜 景的模拟等方面进行探讨'
2显示系统的设计
目前成熟而且应用广泛的视景显示系统主要有投 影球面实像显示系统和球带幕虚像显示系统，球面实
像显示系统具有视场角大的优点，虚像显示系统具有
景深感强、亮度高的优点[1]，但是视场角一般只能达到
垂直视场45度、水平视场180度左右。对于视景显示
系统的设计主要考虑的技术指标有视场角、亮度、对比 度、分辨率等，参照CCAR-60部对D 级飞行模拟器视
景系统的要求，视场角不小于75度，亮度不小于20cd/
m 2，对比度不小于5：1，分辨率不低于3弧分。就视场
角而言，根据舰载机的实际座舱飞行员视野和飞行着
舰训练的需求，水平视场角应不小于180度，垂直视场
下视场角不小于20度、上视场角不小于25度。对于 亮度和对比度两个指标来说，由于舰载机着舰需要航 母灯光引导助降设备，即菲涅尔灯的引导，对于光源的 模拟效果而言对比度和亮度越高模拟效果越好，因此 应在D 级飞行模拟器要求基础上尽可能设计更高的指轨道交通系统
标。考虑亮度、视场角及景深感三个方面，视景显示系
统可选用虚像显示系统。对于分辨率来说，考虑到目
翻转立方体前投影仪和视景图形工作站的技术水平，分辨率设计 到 2.5 弧分左右即能达到较好的效果'
另外，舰载机还有两个特点需要视景系统特别考
虑：一是舰载机在舰上着舰主起落架接地时下降率大
132系＜统＜仿＜真＜技＜术第15卷第2期
过载冲击大!尾钩挂上拦阻索后减速冲击也很大!为了更好地进行着舰模拟训练，需要模拟器配备六自由度的运动平台提供过载和振动的模拟以配合视觉上的运动，因此显示系统尤其是投影仪需要选用运动平台适应性的专用投影仪，能承受运动系统全部范围的过载和振动，保证投影仪正常工作且画面抖动和变形不能太大。二是舰上着舰区域非常小，飞行员在下降过程中需要不断地操纵飞机修正下滑道便于对准着舰区域下降，这个过程需要视景系统具有非常高的实时性，如果出现较大延迟将导致飞行员修正出现偏差，极大地降低飞行员着舰成功的概率，因此舰载机视景系统要有比其他类型飞机模拟器视景系统更高的实时性，系统延迟应控制在50ms左右。
3航空母舰的模拟
32滑跃斜板的模拟
航母舰载机起飞方式通常有滑跃起飞和弹射起飞两种，弹射起飞的跑道一直是一个平面，跑道面高度几乎保持不变；滑跃起飞的跑道最后一段是一个近似斜面的特殊曲面，其跑道面高度曲线是一条复杂
的曲线，该曲面的形状对舰载机起飞后的姿态影响很大。本文讨论滑跃起飞的模拟。滑跃起飞的模拟要让飞行员坐在模拟驾驶舱里模拟在航母甲板上滑行和沿着滑跃斜板加速起飞的过程。这个过程模拟的关键是飞行动力学起落架受力的解算，这需要整个滑行起飞过程连续提供三个起落架轮子处的地形高度。利用Creates软件完全按照航母的几何尺寸数据建立航母的三维模型，在刚开始的飞行模拟中，发现飞机在斜板上的滑行出现了异常，通过把数据记录下来分析后发现，原来是飞机在斜板上滑行时视景系统返回给飞行动力学解算软件的三个起落架处的地形高度曲线呈台阶状，精度太低，这直接导致起落架受力的解算不正确。经过多次记录测试后发现这是视景系统固有的一个缺陷，由于视景的刷新率为60He，而飞行动力学解算软件解算步长为0.01s，且由于滑跃起飞过程中速度较快，视景返回地形高度难以满足要求。
对于这一问题，最后想到的解决办法是根据航母的几何数据，建立了一个高分辨率的航母甲板高程三维数据库加入到飞行动力学解算软件，根据飞机起落架轮子在航母甲板的实时坐标位置来插值求出地形高度，供起落架受力解算用，不再利用视景返回的地形高度数据。这一方法的关键在于视景系统里的航母模型要和飞行动力学里的航母高程数据模型完全一致，这样才能保证在滑跃起飞的模拟过程中飞行员看到的场景和飞机的动力学响应完全一致。
3.2菲涅尔灯的模拟
菲涅尔灯是一套透镜光学助降系统，在舰载机飞行员航母着舰过程中起着至关重要的作用，它可以引导飞行员进入着舰下滑道，提供给飞行员关键的偏离标准下滑道高低的信息，以便飞行员及时做出修正成功着舰）2*⑶。
菲涅尔灯由4组灯光组成，即中央灯箱、水平基准灯、复飞灯和切断灯。最重要的是中央竖排的5个分段的灯箱，通过菲涅尔透镜发出5层光束，光束与降落跑道平面保持一定角度，形成5层坡面。要在视景里面模拟菲涅尔灯，首先要按照菲涅尔灯的结构和几何尺寸以及各组灯的轮廓、颜和数量用Creates软件画出外观模型，如图1所示。然后根据视景里模拟灯光的原理，选择用点光源进行灯光的模拟，在每一个灯的发光轮廓范围内按一定密度布置一组点光源，每一组点光源的颜和可视锥角根据菲涅尔灯的实际参数进行设置。中央5个分段的灯箱分别用5组点光源模拟，每一组对应一种颜和锥角参数。水平基准灯按灯的个数设置光源组数，每一组的颜和锥角都一样。复飞灯用红的可视角度为水平垂直各180度的点光源模拟，所有点光源设置一样的闪烁频率。切断灯用绿的可视角度为水平垂直各180度的点光源模拟，无闪烁。
图1菲涅尔灯模型
Fig.1Fresnel landing lamp model
首先在航母静止的情况下进行测试，发现在离航母较远比如进入下滑道的位置时菲涅尔灯可视性非常
差，分析后发现主要原因是视景系统的分辨率较低且亮度和对比度较低，当眼点离开灯较远之后整个菲涅尔灯只能用几个像素来显示，几乎看不到亮光，这与真实情况的菲涅尔灯效果相差甚远。考虑到视景显示系统分辨率及亮度和对比度与真实世界差距，不可能通过提高这些指标来解决这一问题，只能做有限的改善，尝试通过线性放大灯光间距的方法来解决这一问题o
杨永刚，等：舰载机飞行训练模拟器视景系统关键技术探讨133
实时计算飞行员到菲涅尔灯的距离，并根据这一距离参数线性放大中央5个分段灯箱之间的距离以及基准灯之间的距离，这样才使灯箱之间位置的变化并不会改变灯的可视角度。通过调整放大系数使得飞行员在进入下滑道到着舰整个过程各组灯光都可见，而且可以辨别，在着舰接近灯光后灯箱位置恢复到真实的位置。这样做虽然违背了真实的情况，但是飞行员整个飞行过程基本察觉不到灯的这种变化，对菲涅尔灯的功能进行了有效的模拟。
图2菲涅尔灯模型效果图
Fig.2Fressei landing lamp model eCeh drawing
菲涅尔灯模拟的另一个问题就是其自稳定系统的模拟。为了简化计算且达到功能模拟效果，对菲涅尔灯和航母进行单独控制，根据菲涅尔灯相对航母的安装位置，从航母的经纬度高度解算出菲涅尔灯的经纬度高度，使得菲涅尔灯会随着航母一起运动，相对位置不变，但是菲涅尔灯的姿态可以脱离航母单独控制，基本上可以设置到理想的稳定状态。其灯光的整体俯仰角度可随着航母的速度进行设置，以保证航母在不同的速度航行时，舰载机着舰下滑道保持固定的角度。3.3跑道纹理、舰尾灯的模拟
滑跃起飞的航母，甲板跑道上有三个起飞位置，其中有两个位置分别在一条长的起飞跑道线中间和起
点，最后一个位置在一条短的起飞滑跑线起点，因此为了让飞行员进行真实的起飞模拟，需要按照真实的数据在航母模型上画出这两条起飞线。
航母着舰跑道比正常的跑道要窄得多短得多，飞行员要想成功着舰，除了保持准确的姿态，而且需要主轮接地时刚好落在一个很小的固定区域，这样才能保证尾钩挂上拦阻索。因此跑道区域有清晰的跑道线，尤其是跑道中线，飞行员在下滑过程中能够清晰看到跑道中线，便于对正跑道下滑。因此需要在航母建模的时候，舰面纹理要清晰，跑道线和拦阻索要醒目。
除了清晰的跑道线，航母上还特意在尾部设置了一排竖灯，顶端连接跑道中线，竖灯连续和中线形成的平面垂直于跑道面，这样在飞机下滑的过程中，如果对正了跑道中线，看到跑道中线和尾灯的连线为一条直线，如果偏左的话看上去是一个类似“〉”的形状，如果偏右的话看上去是一个类似“<”的形状。因此，需要把航母的尾灯有效地模拟出来。
3.2拦阻索的模拟
航母甲板跑道距离太短，舰载机着舰之后需要尾钩挂到拦阻索上进行快速的减速。视景里面对拦阻索的模拟主要是进行视觉的模拟，拦阻索的位置和几何尺寸要和真实的保持完全一致，和起飞斜板的模拟类似，需要在飞行动力学仿真软件里建立拦阻索的数学模型，其尺寸和位置与视景里面保持一致，在飞机着舰之后进行尾钩挂拦阻索的判断和拦阻力的解算，在视景里面呈现出减速的效果。
4环境的模拟
42复杂气象的模拟
复杂气象主要是在暴风雨天气，云层和能见度较低，以及海况等级较高的情况，在复杂气象着舰要比一般情况困难得多，飞行员要进行相应的训练，掌握相应的技巧积累经验。云高、云厚、云的覆盖率、雨的大小、风的大小、能见度和海况等级等都可以在视景模拟软件里根据需求进行任意的设置。相应的根据视景海况等级的设置，航母的动力学仿真模型应加入相应幅度航母的各种纵摇、横摇、浮沉等运动，根据风的设置，飞机动力学仿真模型需要加入相应的风模型，这样才能真实地模拟复杂气象情况下着舰情况［4*。
4.2夜间起降的模拟
舰载机具备夜间起降的能力才能形成全天候的作战能力，但是夜间起降却是难度非常高的技术，因为夜间着舰目视条件很差，能看到的参照物非常少，主要依靠菲涅尔灯、跑道标志灯和飞机的探照灯照明作为参照，对飞行员的心理素质和经验技术要求更高。
本文简单地讨论夜间起降模拟对视景系统的需求。首先视景系统要具备模拟夜景的能力，模拟的夜景里月光、星光云以及海水的亮度等效果应该比较逼真，其次对航母上的跑道灯光、菲涅尔灯和飞机探
照灯等主要的灯光模拟要和真实的夜间灯光效果在整个跑道下滑线上看上去都保持一致。因此，夜景灯光模拟效果是选用视景渲染软件平台的关键参考，真实的灯光模拟才能保证模拟训练的有效性。
（下转第160页
）
160系统仿真技术第15卷第2期
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微波功率放大器赵若焱女(1988―)，陕西西安人，
讲师，硕士，主要研究方向为暖通
曹振华男(1978―)，陕西蒲城人，
自动变光电焊面罩副教授，硕士，主要研究方向为暖通
空调。
(上接第133页)
5结语
本文主要介绍了舰载机飞行模拟器对视景系统的特殊要求以及一些关键内容模拟时会遇到的问题和解决的经验，供业界人士参考，以期业内能够建造出更好的舰载机飞行模拟器视景系统，为我国舰载机飞行员的培训做出相应的贡献。
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杨永刚男(1983―)，陕西西安人,
硕士生，主要研究方向为飞行仿真
。
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