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视景仿真在航空航天训练器上的应用

作者：P.M.CAREY,C.Eng.,P.Eng.
本文基于1965年在魁北克地区蒙特利尔工学院所做的一次报告及其在电子与无线电工程师学会加拿大分区的论文集复印件。

摘要

本文对最近出现的视景仿真技术进行了简介。此类装置的用途是创造出一个人造的外界环境副本，并在地面飞行训练器上为飞行员展示动态视角影像。视觉模拟器的设计需要考虑三个通常并不相关的领域，即：电子学、光学和心理学。本文简述了视景仿真领域的影响因素和一些设计理念。也同时表明了该领域当前发展状况并假设了其未来的发展。

基于仿真的训练

仿真训练是一个用于训练飞行员/宇航员在航空器/航天器进行作业的步骤，使用地基机电综合训练器进行。
由于使用真实运载工具进行训练任务，耗费巨大且部分项目无法实施，模拟训练变得相当必要。例如，当我们进入超音速飞行时代，今日的商业喷气式飞机将会很快被替换。典型的超音速运输机造价约3000万美元，每操作一小时花费约9000美元。如果此事项需要在常规飞行的训练中考虑，那么在训练宇航员进行宇宙飞行的过程中就更加需要考虑。通过周密的训练，显著提高宇航任务的成功概率是可行的。
视景训练器只是全部训练装置的一部分。视景仿真指从运输工具窗口所看到的对外部环境的人工复制。本文仅讨论视景仿真在训练设施上的应用。

2.行为注意事项

在宇宙航行中，由于太空舱载荷的限制，充分利用人的自然能力极为重要。由于大脑有具有必要的感知能力和感知传感器，身体具有执行器，有能力执行综合控制操作，一个宇航员自身就是一个高效的电脑。训练期可被视作为了执行多种多样的日常活动而对这个人类电脑系统的编程。因此，训练过程的重要性是显而易见的，由于训练宇航员在接收到任何外部信息的组合时本能地进行正确的操作与其密切相关。
一项对人类行为的研究表明人的所有行动都要靠两个过程的结合：
（1）反射或本能反应；
（2）推理，例如在给定的情境中推导出该做什么。
人的推理能力使人有别于其他动物，但在飞行中，所做的行动必须是基于反射，因为在高速运动的运载器中没有时间来进行推理。
人生来就有一系列反射行为并可通过训练来增加新的反射行为。这就是模拟器被用来训练的学习过程。

3.闭环回路链接起心理学，光学和电子学

飞行员和模拟器可被视为图1所示的闭环系统。注意循环中包括与电子系统结合的飞行员。让我们深入这个循环内部，以直观视角来分析它。我们假设显示包括一个呈现在飞行员面前的模拟跑道，而飞行员正透过模拟的飞行器窗口看着这一切。他的眼睛向大脑反映着外部的环境信息。大脑视觉中枢对信息进行分析并做出决定，得到一个功能命令，反馈到大脑运动中枢，这就是他手脚受控运动的原理。

图1.视觉仿真器的闭环回路

这些控制有其附属的传感器，将电信号形式的位置信息反馈到飞行电脑中，依次分析数据和计算实际飞行器在此种情景下会做何种反应。信息随后被以伺服控制信号的形式反馈回来，到影像产生器，构建出演示中原始的图像。通过这种持续的闭环过程，飞行员可以借助视觉提示，驾驶飞行器到跑道上。视觉提示的正确度是很重要，由于飞行员在模拟器的其他感觉通道上也接收到了其他线索，这些线索必须是关联的。例如，他能在仪器上读到飞行器的位置信息。他也能感受到模拟的飞行器运动，这必须同视觉图像所表现出的相对运动一致。
飞行员视觉能力差异的重要性与其飞行器距外界物体的距离相反，这决定了可视数据的变化速率。因此，除了飞行器自身的翻滚运动带来的影响，对一个太空中的宇航员而言，视野的改变会相对地慢。相反地，对一个飞行器中的飞行员而言，当近地飞行时，环境变化显得相当地快，视觉提示也相当敏感。

4.传统飞行器的视觉模拟

提供传统飞行器的模拟器基本上有两个主要目标：
（1）军用拦截机
（2）商业客机
在这些基础需求之下有四个主要过程要求视觉训练：
（1）普通的飞行和搜索
（2）空对地攻击
（3）空对空攻击
（4）起飞和降落的视觉飞行规则。
对商业客机而言，显然只有起飞和降落的训练的需要会继续存在。
时至今日，一台有视觉功能的模拟器还没法取代在真实飞行器上进行的所有训练。从经济上考虑，我们需要在训练器和实际飞行器之间建立一种平衡。然而在未来，预期中训练器将在这种平衡中发挥更多的作用，原因是操作飞行器过于昂贵且超音速客机的出现将给模拟技术带来显著的影响。

5.宇宙航行训练

与飞行器项目比较，经济考虑相较于技术进步对太空任务训练的限制少。若不计成本，由于在很多情景下无法以其他方式来进行训练。对太空模拟器的典型要求如下：
（1）环绕地球，月球或其他行星的轨道任务。
（2）从轨道前往目的行星的着落地，降落并重返。
（3）在地球，月球与其他行星间的大气外飞行。
（4）在航行中与其他运载器近距离接触，即在轨或星际航行中的交会对