飞行错觉模拟器系统软件的设计和实现

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2024年5月31日发(作者：)

飞行错觉模拟器系统软件的设计和实现

王聪;曹征涛;赵显亮;杨明浩;郑媛憬;李玉亮;郭华;葛华;贾宏博

【摘 要】目的:设计飞行错觉模拟器系统软件,并应用于国产飞行错觉模拟器的研制.

方法:根据飞行错觉模拟功能要求,分析并提出系统软件功能指标,采用飞行建模、虚

拟仪表、视景图像、运动控制算法和网络通信等技术,设计并实现由运动控制、视

景仿真、仪表仿真、飞机性能仿真、综合管理控制和座舱管理6个子系统软件组

成的飞行错觉模拟器系统软件,并进行软件功能鉴定测评和应用效果评价.结果:飞行

错觉模拟器系统软件经过2轮测评,9类43个测试项目共178个测试用例全部通

过.初步应用试验的15项评价指标中,80％的评价指标达良好及以上.结论:飞行错觉

模拟器系统软件功能、性能和接口等均满足设计和使用要求,可成功应用于飞行错

觉模拟器的开发.

【期刊名称】《医疗卫生装备》

【年(卷),期】2019(040)005

【总页数】6页(P24-28,37)

【关键词】飞行错觉模拟器;飞行错觉;飞行建模;飞机仿真;视景图像仿真

【作 者】王聪;曹征涛;赵显亮;杨明浩;郑媛憬;李玉亮;郭华;葛华;贾宏博

【作者单位】空军军医大学空军特色医学中心,北京100142;空军军医大学空军特

色医学中心,北京100142;空军军医大学空军特色医学中心,北京100142;空军军医

大学空军特色医学中心,北京100142;空军军医大学空军特色医学中心,北京

100142;空军军医大学空军特色医学中心,北京100142;空军军医大学空军特色医

学中心,北京100142;空军军医大学空军特色医学中心,北京100142;空军军医大学

空军特色医学中心,北京100142

【正文语种】中 文

【中图分类】R318;TP311

0 引言

飞行错觉指飞行人员在飞行过程中，对飞机或自身在地面和重力垂直线构成的坐标

系内位置、运动或姿态及其相互关系的错误认知状态[1]，是空间定向障碍

（spatial disorientation，SD）最典型的表现形式[2]。飞行错觉在飞行人员中发

生普遍，其危害性大，95.5%～100%的飞行员均产生过飞行错觉[2]。据Gibb等

[3]调查显示，1999—2009年美国空军由飞行错觉造成的飞行事故占事故总数的

11%，其中机毁人亡的严重飞机事故占42%。

虽然飞行错觉的发生受多种因素影响[4]，但具有一定的规律性，通常与气象条件、

飞行动作、飞机座舱设计和飞行人员身体状况密切相关[5]。飞行过程中遇到的雾、

云、雨和雪等复杂气象[6]，夜间、海上、沙漠和雪地等特殊飞行环境，飞机做机

动动作产生的线加速度和角加速度导致的刺激等[7]都更容易诱发飞行错觉。据

Willem[8]报道，夜间飞行、复杂的气象条件、缺乏参考物和不良座舱资源管理等

因素可分别提高飞行错觉风险2.1、2.7、3.2和3.8倍。

飞行错觉模拟器（也称空间定向障碍模拟器）是飞行员在地面飞行模拟环境下体验

空中飞行错觉的一类专用航空航天医学设备[9]和航空卫生保障器材[10]，其通常

具有逼真的座舱环境、适合于诱发飞行错觉的窗外视景和动感模拟平台。在飞行错

觉模拟器上开展飞行员飞行错觉体验和训练是目前航空医学界公认的预防和克服飞

行错觉最安全、高效的措施之一。北约组织已将飞行错觉模拟器演示训练列入

STANAG 3114《飞行人员的航空医学训练》标准大纲并付诸实施[8]。我军自

1984年起开展了包括地面错觉模拟训练在内的飞行员航空生理训练[11]，主要使

用电动转椅、视动转笼、飞行仪表视觉定向能力训练器[3]和短臂离心机[12]等功

能相对简单的训练设备。随着国产高性能战斗机性能的不断提升及航空生理训练标

准要求的提高，上述设备已不能满足我军飞行员高级飞行错觉训练需求。为此，本

课题组在既往工作基础上[13-14]，开展了国产飞行错觉模拟器的研制工作。

飞行错觉模拟器由运动平台、模拟座舱等硬件平台和飞行错觉模拟软件组成。该系

统软件对复杂气象、特殊飞行环境视景的仿真性能和对飞行动感、飞行错觉场景营

造能力直接决定着飞行员空间感知觉的生成效果，这对飞行错觉模拟器效能的发挥

具有至关重要的作用。本文主要介绍国产飞行错觉模拟器系统软件的设计和实现，

并对其软件功能及其应用效果进行测评。

1 系统整体设计

1.1 组成与功能

飞行错觉模拟器设计思想的核心是以特定飞行错觉发生机制为理论指导，以飞行员

的空间运动感知觉为中心，以高逼真度的飞行仿真系统为基础，通过系统软件设置

飞行科目，营造特殊飞行环境条件，协调调度飞行员的视觉、听觉和前庭感觉信息，

使飞行员在模拟飞行过程中体验各类飞行错觉。

飞行错觉模拟器系统软件主要由运动控制、视景仿真、仪表仿真、飞机性能仿真、

综合管理控制和座舱管理6个子系统软件组成，系统结构及软件对应关系如图1

所示。

为满足飞行错觉模拟使用功能要求，系统软件应具有以下功能：

（1）飞机模拟功能：模拟我军某型高性能战斗机飞机性能，仿真仪表、操纵部件

外观、布局和响应特性与被模拟飞机一致；系统总延迟时间＜120 ms，动感、仪

表和视景显示信息协调一致。

图1 飞行错觉模拟器系统结构及软件对应关系

（2）运动平台控制功能：控制运动平台进行纵向、侧向、升降、俯仰、横滚和偏

航等六自由度运动，具备运动洗出和倾斜协调功能。

（3）视景仿真功能：逼真模拟飞机舱外的地理、气象、人文等环境，能够模拟在

云、雾、雨和雪等复杂气象条件下飞行。

（4）飞行错觉演示训练功能：演示和体验倾斜错觉、俯仰错觉、倒飞错觉、方向

错觉、速度错觉、距离错觉、黑洞错觉、自动性错觉等常见飞行错觉。

（5）作业任务模拟功能：开展单机飞行、双机编队飞行、简单科目飞行、复杂科

目飞行、简单气象条件飞行和复杂气象条件飞行。

1.2 开发平台与系统接口

系统软件的运行环境为Windows7操作平台。视景生成软件采用Vega Prime

2017开发环境，仪表仿真软件采用GL Studio 4.1开发环境，飞机性能仿真、运

动控制、综合管理控制和座舱管理软件均采用Visual Studio 2010开发。各子系

统软件均采用C++编程语言开发。

飞行错觉模拟器系统软件的6个子系统软件间的数据接口方式如图2所示，各接

口间的传输数据包括飞行参数、初始化信息、平台状态和设备操作量等4类。软

件间采用以太网UPD组播方式传输各类接口数据。

图2 飞行错觉模拟器系统软件数据接口方式

2 软件设计及实现

2.1 运动控制软件

六自由度运动平台是一个空间并联运动系统，主要由下部固定平台、上部运动平台、

6个伺服作动筒、万向铰连接座、行程限位器等组成。通过控制伺服电动机改变作

动筒的长度，可驱动上部运动平台的姿态变化，实现绕3个空间坐标轴的俯仰、

横滚、偏航角运动和沿3个空间坐标轴的升降、横移、纵移直线运动。

运动控制软件接收飞机性能仿真软件提供的飞机实时速度、加速度等运动状态参数

后，进行运动变换，控制运动平台给处于模拟座舱内受训的飞行人员提供过载感觉

及一定范围内姿态角变化的动感信息，使飞行人员产生与实际飞行环境和任务条件

下一致的运动感觉。为尽可能逼真地复现飞机的真实运动状态，克服运动系统结构

和运动极限的限制，在运动系统控制模块中加入了洗出算法[15]，即运动平台在完

成一次突发运动后，能以低于人对比力感觉阈值0.02g的平缓运动返回中立位置，

使其能在有限的位移行程范围内执行下一次突发运动指令。

2.2 视景仿真软件

视景显示系统采用新型多液晶显示拼接技术，将 4块 42 in（1 in=25.4 mm）液

晶显示器以 115°夹角构成4通道视景，视场角160°×42°，分辨力1 920×1 080

像素/通道。视景仿真软件可根据飞机运动状态参数，生成逼真、稳定的舱外仿真

景象信息，飞行员可根据仿真景象判断飞机的姿态、位置、气象条件、地面及空中

目标等情况，为错觉模拟器提供视觉效果支持。

视景仿真软件包括视景生成软件和场景数据库。视景生成软件可实时仿真生成多通

道的地形、环境等视景图像，及云、雨、雪、雾/能见度等复杂气象条件，空间方

位、高度、距离变化，黎明、昼间、黄昏、夜间的连续时间变化等。视景数据库采

用MultiGen Creator、3ds Max等建模软件，建立了地理数据库和三维物体数据

库，包括平原、森林、山区、海洋、沙漠等地理信息，建筑物、桥梁、灯光等人文

环境模型，机场周边三维建筑物、跑道灯，其中地理范围＞200 km×200 km，场

周边卫片精度0.6 m。视景仿真软件的显示效果如图3所示。

图3 视景仿真软件显示效果图

2.3 仪表仿真软件

仪表仿真软件用于生成座舱内各类仪表和平视显示器，仪表的外观及在模拟范围内

的指标特性与被模拟机型一致。具体包括：

（1）中央仪表板：与某型飞机中央仪表板布局一致，包括地平仪、空速表、升降

速度表、高度表、领航时钟、罗盘、发动机仪表、多功能显示器、起落架指示灯等。

（2）平视显示器：可显示飞行航向、升降速度、空速、高度、俯仰角、倾斜角等，

其指示刻度和精度与实装一致。

仿真仪表面板显示在一个经抗振动设计的23 in液晶屏上，平视显示器画面显示在

中央窗外视景显示器上。仪表仿真软件还可以根据模拟机型的不同，迅速完成目标

机舱内仿真仪表和平视显示器的切换。

2.4 飞机性能仿真软件

飞机性能仿真软件实时采集飞行员操纵指令信号、飞机状态和环境信息，根据该型

飞机特定的气动模型、质量特性模型、起落架模型和发动机模型，解算飞机非线性

六自由度运动方程和发动机推力方程，得到飞机实时飞行参数，包括飞行姿态（侧

滑角、迎角、偏航角、俯仰角、滚转角等）和运动参数（空速、高度、升降速度、

加速度等）。飞机性能仿真软件将飞行参数实时发送给运动控制软件、视景仿真软

件、仪表仿真软件、座舱管理和综合管理软件，通过飞行仪表、舱外视景和动感信

息向飞行员实时提供飞行状态。飞机性能仿真软件架构如图4所示。

图4 飞机性能仿真软件架构图注：运动方程包括六自由度运动方程和发动机推力

方程

2.5 综合管理控制软件

综合管理控制软件由训练科目设置、飞行环境条件设置、飞行错觉管理和系统运行

监视控制4个功能模块组成。

训练科目设置模块可进行机种、机场、地域、时间和周边地理环境等项目的选择，

单机飞行、编队飞行、简单科目飞行、复杂科目飞行等训练科目内容的设置，昼夜

等飞行时刻的设置，实时显示各科目情况。

飞行环境条件设置模块可完成能见度，云、风、雨、雪等气象条件的选择及其参数

配置，如能见度0～70 km、云底高、云厚、云量和倾斜角度等。

飞行错觉管理模块可完成各项错觉演示功能设置及参数选择。通过协调调度飞行员

的视觉、听觉和前庭感觉信息，营造特殊飞行情境，向飞行员演示各类飞行错觉。

系统运行监视控制模块可完成各系统的运行控制、参数监控记录等，包括系统运行

状态的监视和控制，飞行过程中飞行状态、姿态、地图和航迹等飞行数据的监视，

训练科目和错觉设置信息的显示，舱内人员视频监视，运动控制参数监视等。同时，

该模块还具备各类飞行数据记录回放功能。

综合管理控制软件界面为飞行错觉模拟器系统软件的主界面，为操作人员提供功能

选项和参数设置，实现系统运行监视、控制等综合管理功能，如图5所示。

图5 飞行错觉模拟器系统综合管理控制软件界面

2.6 座舱管理软件

座舱管理软件包括控制信号采集和声音模拟2个模块。控制信号采集模块可实时

采集飞行员操纵杆、油门、脚舵和起落架等控制信号，为飞机性能仿真提供控制指

令输入，其应用界面如图6所示。声音模拟模块可根据飞行状态信息，从音频数

据库提取音频源，生成音频信号并通过音频矩阵发送至舱内不同位置的音箱，以模

拟环境音效，实现飞行员与指挥员间实时语音通信。

图6 座舱管理软件控制信号采集界面

2.7 飞行错觉模拟器系统软件运行流程

飞行错觉模拟器系统软件运行流程如图7所示。其中系统自检和初始化主要进行

各控制计算机、服务器、运动平台、操纵组件等硬件的自检和组播网络、飞行参数

等软件启动参数的初始化。在初始化完成后，操作人员通过综合管理控制软件设置

训练科目，选择机型、机场、单机、编队飞行及飞行错觉演示类型，设置各类气象

条件。确认设置后，综合管理控制软件向其他子系统软件下发各类运行参数（包括

更新飞机模型及相关视景、仪表显示信息等），并在模拟飞行中演示和管理飞行错

觉。同时飞机性能仿真软件根据飞行员操作信号和相关飞行信息，解算得到飞行参

数并发送给运动控制软件、视景仿真软件、仪表仿真软件和座舱管理软件，完成实

时运动模拟、视景显示、仪表显示和声音播放。综合管理控制软件在飞行错觉模拟

运行期间进行各子系统运行状态的监视和控制，保存各子系统的运行数据。在本次

飞行科目和错觉模拟项目完成后，可选择开展其他类型的飞行错觉模拟演示并进行

训练科目等参数设置。

图7 飞行错觉模拟器系统软件运行流程图

3 软件测评与结果

为保证飞行错觉模拟器系统软件的设计和开发符合使用功能需求，按照《飞行错觉

模拟器定型试验大纲》和《飞行错觉模拟器系统软件鉴定测评大纲》的要求，在中

国航天软件测评中心对飞行错觉模拟器系统软件的功能和性能进行了系统级测试。

测试类型包括文档审查和动态测试。其中文档审查依据GJB 438B—2009《军用

软件开发文档通用要求》对软件需求规格说明、软件设计说明、软件用户手册等文

档进行齐套性、完整准确性、一致性和规范性审查。动态测试是在飞行错觉模拟器

系统软件实装测试环境下，对功能、性能、接口、人机交互界面、安全性、边界、

强度、余量和安装性能9类测试项目的43个测试项进行了178个测试用例的测

试。

此次鉴定测评共进行了2轮。经对照第一轮测试问题单，本课题组进行了软件更

改和版本升级，并依例提交了软件更改单。测评单位对软件更改进行确认和影响域

分析后，展开第2轮回归测试。改进后系统在2轮测试中测试用例全部执行通过，

飞行错觉模拟器系统软件文档、功能、性能、接口等均满足规定要求，通过了软件

鉴定测评。

4 应用效果

为保证飞行错觉模拟器系统软件的使用效果，课题组邀请3名某型战斗机飞行员

开展了初步的应用评价试验。试验试用的飞行错觉模拟器样机外观如图8所示。

试验方法主要是让飞行员在模拟器上进行综合飞行和错觉体验，重点对飞行性能、

显示性能、其他性能和错觉模拟四大类15个测试项目进行测试评价。每名飞行员

按照5分制进行飞行仿真逼真度综合评分，5、4、3、2、1 分分别对应飞行仿真

逼真度优秀、良好、一般、较差和很差。飞行错觉模拟器系统软件功能试验主观评

分结果详见表1。

图8 飞行错觉模拟器样机外观

从表1可以看出，飞行员对飞行错觉模拟器系统软件功能15项指标的主观评分中，

12项为良好及以上，占评测指标总数的80%。其中，显示性能的5个测试项目及

错觉场景设置项目的评分均达到良好及以上，证明飞行错觉模拟器系统软件能够较

为逼真地模拟真实飞行中的复杂气象、外部飞行环境等因素，从而能在倾斜错觉、

速度错觉、黑洞进场错觉等视性飞行错觉效果评价中取得良好的评价。通过应用的

初步评价试验，证明飞行错觉模拟器系统软件功能达到了预期使用要求，可成功应

用于飞行错觉模拟器的开发。

表1 飞行错觉模拟器系统软件功能试验主观评分结果测试项目 测试内容 评分均值

/分飞行性能 起飞 滑跑距离、加速时间、离地速度 4.3爬升 爬升角、爬升率、爬

升时间 4.0水平加速 加速时间、最高速度、加速响应 4.3下滑 下滑角、下滑距离、

下降率 3.3着陆 着陆滑跑距离、接地速度、着陆时间 4.3显示性能 复杂气象 云中、

雾/能见度、雨、雪、闪电等 4.3仿真仪表 外观、布局、响应特性 4.0地理环境 海

上、沙漠、雪地等 4.0自然环境 昼夜、黄昏、月/星光等 4.3人文环境 机场、建筑

物、桥梁、车辆等 4.0其他性能 运动平台 瞬时加速度、响应速度 3.7操纵性能 操

纵驾驶杆、脚舵、油门响应特性 3.7声音模拟 环境音效、告警音逻辑、语音通信

4.3错觉模拟 错觉场景设置 气象条件、飞机动作、仪表响应等 4.0飞行错觉 倾斜

错觉、速度错觉、黑洞进场错觉 4.0

5 结语

本文通过综合运用飞行建模、虚拟仪表、视景图像、运动控制算法和网络通信等技

术，设计并实现了由6个子系统软件组成的具备国产战斗机性能的飞行错觉模拟

器系统软件。本课题组以生成飞行员空间运动感知觉和模拟演示飞行错觉为应用目

标，提出并实现了特殊飞行环境、复杂气象条件、飞行作业任务和错觉模拟等飞行

错觉模拟器系统软件的技术指标。软件鉴定测评结果表明，该飞行错觉模拟器系统

软件功能、性能、接口等均满足设计要求。初步应用主观评价测试结果表明，飞行

错觉模拟器飞行仿真系统软件功能达到了预期使用要求，可成功应用于飞行错觉模

拟器的开发。本系统软件下一步将结合飞行错觉模拟器飞行员评价，提升软件性能、

优化参数配置，进而提升飞行错觉模拟器错觉模拟效果和成功率。

[参考文献]

【相关文献】

[1]PREVIC F H，ERCOLINE W R．Spatial disorientation in aviation[M]．Reston：American

Institute of Aeronautics and Astronautics，2004：1-4．

[2] 于立身，陈太生，于刚，等．前庭功能检查技术[M]．西安：第四军医大学出版社，2013：

531-533．

[3]GIBB R，ERCOLINE B，SCHARFF L．Spatial disorientation：decades of pilot

fatalities[J].Aviat Space Environ Med，2011，82（7）：717-724.

[4] STOTT J R ation and disorientation in aviation[J].Extrem Physiol Med，2013

（2）：2.

[5] 罗永昌，王颉，毕红哲，等.军事航空医学概论[M].北京：人民军医出版社，2014：265-279.

[6]SÁNCHEZ-TENA M Á，ALVAREZ-PEREGRINA C，VALBUENA-IGLESIAS M C，et

l illusions and spatial disorientation in aviation pilots[J].J Med Syst，2018，45

（5）：79.

[7]NASH C J，COLE D J，BIGLER R S.A review of human sensory dynamics for application

to models of driver steering and speed control[J].Biol Cybern，2016，110（2-3）：91-116.

[8] WILLEMB. Spatial disorientation training-demonstration and avoidance（RTO-TR-

HFM-118）[R]. Soesterberg：The Research and Technology Organization（RTO）of NATO，

2008：27-28.

[9] 胡文东，韩文强.航空航天医学装备学的学科特点及发展前景[J].医疗卫生装备，2008，29

（9）：120-121.

[10]韩学平，梁岚萍，郭华.便携式综合理疗工作站的设计与应用[J].医疗卫生装备，2016，37

（11）：11-14.

[11]谢溯江，徐珀，贾宏博，等.飞行员地面错觉模拟及其反应参考值[J].中华航空航天医学杂志，

2011，22（2）：81-85.

[12]宋新亮，段虹，孙喜庆，等.短臂离心机暴露时前庭性错觉的诱发效果及特点[J].航天医学与医

学工程，2013，26（5）：359-362.

[13]谢溯江，于立身，贾宏博，等.不同强度的科里奥利加速度刺激对人体主观感觉及眼震的影响[J].

中华航空航天医学杂志，2001，12（2）：77-80.

[14]毕红哲，谢溯江，贾宏博.高性能战斗机飞行员仪表视觉空间定向能力训练效果观察[J].中华航

空航天医学杂志，2010，21（1）：12-15.

[15]高亚奎，朱江，林皓，等.飞行仿真技术[M].上海：上海交通大学出版社，2015：432-438.

本文标签： 飞行错觉模拟器运动软件