劉 相，劉玉慶，朱秀慶，安 明

（中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心人因工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100094）

·基礎(chǔ)研究·

空間站艙內(nèi)定向虛擬訓(xùn)練方法研究

劉 相，劉玉慶，朱秀慶，安 明

（中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心人因工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100094）

在失重環(huán)境下航天員常常以任意的身體姿態(tài)漂浮，依賴視覺線索定向便成為艙內(nèi)航天員必須掌握的生存技能。針對(duì)在地面實(shí)物模擬器內(nèi)難以開展空間定向訓(xùn)練的問題，提出了一套基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的空間定向訓(xùn)練方法。該方法以虛擬實(shí)驗(yàn)艙和核心艙為訓(xùn)練場(chǎng)景，提供三維空間記憶與定向策略，幫助航天員學(xué)習(xí)任意視角下定向的技能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在具有不同視覺垂向信息量的艙段內(nèi)，該方法均能夠明顯提高定向任務(wù)績(jī)效，所提供的空間記憶策略有助于構(gòu)建具有層次性的空間知識(shí)結(jié)構(gòu)，多姿態(tài)定向訓(xùn)練能夠幫助航天員建立清晰完整的艙內(nèi)三維結(jié)構(gòu)認(rèn)知圖。

空間定向；訓(xùn)練；虛擬現(xiàn)實(shí)

1　引言

空間定向是指人們根據(jù)周圍環(huán)境判斷物體之間方位關(guān)系的行為。這種行為往往建立在對(duì)所處環(huán)境的熟悉和理解上，人們需要記憶關(guān)鍵地標(biāo)的空間布局，并能夠透過(guò)不同的視角想象地標(biāo)間的關(guān)系［1-2］。在地面環(huán)境下，重力給人類提供了一個(gè)可信賴的定向參考，它定義了“上下”的概念，將物體限制在“二維”平面內(nèi)，降低了定向的難度。然而在載人航天中，重力的缺失打破了地面固有的定向模式，嚴(yán)重影響了人類的空間定向能力，常常導(dǎo)致空間定向障礙［3-4］。航天器內(nèi)的航天員身處復(fù)雜的三維環(huán)境中，并且以任意的身體姿態(tài)漂浮，難以建立自身與地標(biāo)之間的方位關(guān)系，當(dāng)面向一個(gè)不熟悉的視角時(shí)，需要復(fù)雜的三維心理旋轉(zhuǎn)才能辨別方向。航天員無(wú)法形成對(duì)航天器空間結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確認(rèn)知，容易影響工作效率，甚至危及航天員的生命安全。例如，在和平號(hào)空間站的對(duì)接事故后，空間站內(nèi)的航天員并不能從視覺上判斷其在整體空間坐標(biāo)系下的方位，難以對(duì)整個(gè)空間站重新定位［2］。因此，記憶三維空間結(jié)構(gòu)并依賴視覺線索定向是航天員必須掌握的生存技能。

目前，在地面上最常用的是授課與實(shí)物模擬器學(xué)習(xí)相結(jié)合的方式進(jìn)行空間知識(shí)學(xué)習(xí)與定向訓(xùn)練，該方法能夠給受訓(xùn)航天員提供比較真實(shí)的訓(xùn)練場(chǎng)景，但由于重力的限制，航天員只能以單一的身體姿態(tài)觀察艙內(nèi)布局，這與在軌的視覺體驗(yàn)是完全不相符的。基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的飛行前適應(yīng)性訓(xùn)練是解決航天員空間定向障礙的一種有效途徑［3］。其目的是幫助航天員在飛行前學(xué)習(xí)艙內(nèi)結(jié)構(gòu)，建立空間認(rèn)知地圖，著重培養(yǎng)航天員的三維空間記憶能力和三維視角變換能力。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)不僅能夠提供逼真的空間站訓(xùn)練環(huán)境，模擬失重環(huán)境下的視覺體驗(yàn)，還能幫助航天員以任意的姿態(tài)或視角觀察艙內(nèi)布局，有效地減輕使用單一身體姿態(tài)訓(xùn)練導(dǎo)致的空間認(rèn)知欠缺。

2　基于VR的定向訓(xùn)練方法

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于地面環(huán)境下的定向與導(dǎo)航研究，如地鐵站定向標(biāo)志設(shè)計(jì)、大型建筑物火災(zāi)逃生等。針對(duì)失重環(huán)境下的三維空間結(jié)構(gòu)記憶與空間定向問題，美國(guó)MIT人機(jī)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了長(zhǎng)期深入的研究［5-9］。Oman等［5］研究了虛擬立方體內(nèi)記憶空間結(jié)構(gòu)、想象三維旋轉(zhuǎn)和視角變換的方法，受試者記憶6面墻壁上物體的空間方位關(guān)系，然后訓(xùn)練在特定的身體朝向下判斷某個(gè)物體的方位。該實(shí)驗(yàn)得到三條重要結(jié)論：1）使用沉浸式頭盔顯示器的受試者與使用多個(gè)物理顯示器的受試者任務(wù)績(jī)效近似，甚至更優(yōu)，一定程度上證明了沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)在空間記憶與定向訓(xùn)練的可用性與實(shí)用性；2）受試者相對(duì)重力方向的身體姿態(tài)（正立和仰臥）對(duì)任務(wù)績(jī)效存在較小的影響，說(shuō)明這個(gè)1g環(huán)境下實(shí)驗(yàn)結(jié)果有可能應(yīng)用于太空失重環(huán)境；3）部分受試者在訓(xùn)練過(guò)程中形成了能夠迅速準(zhǔn)確完成任務(wù)的定向策略，因此可能存在普遍適用的空間記憶與定向訓(xùn)練方法。在進(jìn)一步的研究中，Richards等探究策略性的定向訓(xùn)練方法在任務(wù)績(jī)效、訓(xùn)練遷移與技能維持方面的影響［1］。受試者完成虛擬立方體內(nèi)的方向辨別訓(xùn)練，每次訓(xùn)練只顯示面前和下方的兩個(gè)物體，受試者確定自身朝向之后判斷其余物體的方位。提供的訓(xùn)練策略包括“典型視角”的應(yīng)用、成對(duì)的地標(biāo)記憶以及角落地標(biāo)記憶等。其實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，策略組比控制組任務(wù)績(jī)效更好，且在面對(duì)全新的環(huán)境時(shí)有更好的表現(xiàn)。使用該方法形成的空間記憶至少可以維持一個(gè)月。Shebilske在之后的研究中發(fā)現(xiàn)，在上述訓(xùn)練過(guò)程中如果使用隨機(jī)的視角序列進(jìn)行訓(xùn)練，受試者的技能遷移與維持會(huì)有更明顯的效果［6］。此外，Oman、Benveniste、Buckland研究了在具有不同視覺正向的相鄰艙段內(nèi)定向問題［7-9］，Buckland提出了一種“相鄰”訓(xùn)練方法［7］，該方法強(qiáng)調(diào)艙段內(nèi)部與艙段間相鄰墻面的功能關(guān)系，使用這種方法的受試者在面向新的視角時(shí)有更好的定向績(jī)效。

然而，上述研究旨在獲取一個(gè)一般性的記憶策略與定向方法，無(wú)法直接應(yīng)用于實(shí)際訓(xùn)練。首先，實(shí)驗(yàn)中所使用的艙內(nèi)虛擬環(huán)境比較簡(jiǎn)單，多是使用6個(gè)簡(jiǎn)單圖像（如動(dòng)物）代表各墻壁的主要標(biāo)識(shí)，沒有明確的視覺垂向信息，因此在定向過(guò)程中視覺信息有限。而在實(shí)際航天器內(nèi)，各個(gè)艙段具有不同的設(shè)計(jì)風(fēng)格，每一個(gè)艙段又要分象限、分區(qū)，簡(jiǎn)單的地標(biāo)記憶是不夠的，需要分層次的記憶空間結(jié)構(gòu)。其次，航天器內(nèi)的航天員可以出現(xiàn)在艙內(nèi)任意地點(diǎn)，也可以使用任意的身體姿態(tài)進(jìn)行定向，而在上述實(shí)驗(yàn)中虛擬航天員位于立方體中心，且身體軸向與某一面墻平行，并沒有做到真正意義上的任意朝向。結(jié)合國(guó)外研究結(jié)論與航天員空間定向訓(xùn)練任務(wù)要求，本文提出了一套基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的空間站艙內(nèi)定向策略與訓(xùn)練方法。以虛擬實(shí)驗(yàn)艙和核心艙為訓(xùn)練場(chǎng)景，提供真實(shí)完整的視覺反饋，同時(shí)為受訓(xùn)者提供三維空間記憶與定向策略，幫助航天員學(xué)習(xí)任意視角下定向的技能。該訓(xùn)練方法旨在提高受訓(xùn)者的三維空間記憶能力和視角變換能力，主要特點(diǎn)如下：

首先，這種訓(xùn)練方法能夠幫助航天員有目的、有層次地學(xué)習(xí)與記憶艙內(nèi)空間知識(shí)。如圖1所示，將艙段內(nèi)飾的學(xué)習(xí)分解為整體布局學(xué)習(xí)和每個(gè)墻面細(xì)節(jié)知識(shí)的學(xué)習(xí)。將虛擬航天員背對(duì)艙門、身體軸向與所在艙段的視覺垂向軸一致時(shí)觀察的視角定義為典型視角。受訓(xùn)者先按照文獻(xiàn)［2］中“典型視角”方法在圖1（a）視角下學(xué)習(xí)各個(gè)墻面的基本特點(diǎn)，如根據(jù)視覺線索（如配色方案）辨認(rèn)天花板，根據(jù)設(shè)備擺放辨認(rèn)直立的墻面。然后學(xué)習(xí)墻面主要標(biāo)識(shí)之間的關(guān)系，使用文獻(xiàn)［1］中“成對(duì)”的策略，記憶相對(duì)的兩個(gè)物品，如設(shè)備包在艙門對(duì)面，筆記本電腦在防毒面具對(duì)面。最后學(xué)習(xí)每個(gè)墻面的布局，即空間知識(shí)的細(xì)節(jié)，學(xué)習(xí)某一物品與所在墻面主要標(biāo)識(shí)之間的位置關(guān)系。學(xué)習(xí)過(guò)程中按文獻(xiàn)［7］提出的“功能訓(xùn)練”方法重點(diǎn)介紹墻面、物品之間的功能關(guān)系，讓受訓(xùn)者了解艙內(nèi)每一個(gè)細(xì)節(jié)。按照上述訓(xùn)練流程，建立“艙段—墻面—標(biāo)識(shí)—細(xì)節(jié)”的分層空間知識(shí)結(jié)構(gòu)。

圖1　試驗(yàn)艙的分層知識(shí)結(jié)構(gòu)Fig.1 Hierarchical spatial knowledge of LAB

在具備了初步的空間知識(shí)后，受訓(xùn)者能夠使用具有隨機(jī)初始視角的定向訓(xùn)練序列進(jìn)一步記憶艙內(nèi)空間結(jié)構(gòu)，并學(xué)習(xí)定向技能。虛擬航天員以任意的身體朝向出現(xiàn)在某一艙段的任意地點(diǎn)，受訓(xùn)者根據(jù)視野內(nèi)的物品判斷所在艙段、艙內(nèi)位置和自身身體朝向，然后控制視點(diǎn)移行和轉(zhuǎn)動(dòng)，尋找目標(biāo)物體。判斷目標(biāo)的大體方向時(shí)提供兩種定向策略，一是依據(jù)“典型視角”的思想確定一個(gè)最熟悉的艙壁為基本方向，然后判斷其余艙壁和它的位置關(guān)系；二是以一個(gè)角落為原點(diǎn)建立空間坐標(biāo)系，確定相鄰的三面艙壁的方向，然后用“成對(duì)”的策略判斷其余三個(gè)面的位置。定向訓(xùn)練的預(yù)期效果是受訓(xùn)者能夠綜合使用兩種策略建立一個(gè)清晰完整的艙內(nèi)三維結(jié)構(gòu)認(rèn)知圖，在面向新的視角時(shí)能夠不再依賴策略，自然迅速地辨別方向。

3　實(shí)驗(yàn)研究

3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

探究上文提出的三維空間記憶與定向訓(xùn)練方法的優(yōu)劣：1）三維空間記憶策略能否幫助航天員更好地學(xué)習(xí)空間知識(shí)；2）以不同的身體姿態(tài)進(jìn)行定向訓(xùn)練能否幫助航天員更好地掌握定向技能；3）使用該方法的受訓(xùn)者在低能見度條件下是否有良好的定向績(jī)效；4）該方法在具有不同視覺垂向信息量的艙內(nèi)是否都有良好的訓(xùn)練效果。

3.2 受試者

招募16名受試者開展虛擬空間站艙內(nèi)定向訓(xùn)練方法研究實(shí)驗(yàn)。受試者均為計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)的研究生，具有一定的虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)經(jīng)歷。所有受試者進(jìn)行空間定向能力測(cè)試（三維心理旋轉(zhuǎn)測(cè)試和三維視角變換測(cè)試），選擇成績(jī)接近的12名受試者，隨機(jī)分為兩組，每組6人。第一組為實(shí)驗(yàn)組，按照上文提出的訓(xùn)練方法進(jìn)行訓(xùn)練，另一組為對(duì)照組。

3.3 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

之前的研究［10］建立了空間站模型，設(shè)計(jì)了基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的空間站內(nèi)定向訓(xùn)練系統(tǒng)，為航天員提供飛行前的適應(yīng)性訓(xùn)練。本研究以該虛擬空間站的實(shí)驗(yàn)艙和核心艙為實(shí)驗(yàn)環(huán)境開展定向訓(xùn)練方法研究。

實(shí)驗(yàn)艙和核心艙的內(nèi)部布局設(shè)計(jì)參考和平號(hào)與國(guó)際空間站，模型的紋理來(lái)自國(guó)際空間站或?qū)嵨锬M器照片。兩個(gè)艙段具有不同的設(shè)計(jì)風(fēng)格，所提供的定向輔助信息也存在一定的差異。如圖2所示，核心艙主要作為航天員日常的生活空間，配置了餐飲、健身、休息等區(qū)域，具有豐富的地標(biāo)信息與視覺垂向信息，各區(qū)域內(nèi)物品具有明顯的功能，物品間功能關(guān)系明確。實(shí)驗(yàn)艙四壁主要是由具有不同功能的機(jī)柜組成的，整體布局具有較為強(qiáng)烈的對(duì)稱性，但缺乏有助于定向的關(guān)鍵標(biāo)識(shí)。

3.4 實(shí)驗(yàn)流程

虛擬空間站艙內(nèi)定向訓(xùn)練方法實(shí)驗(yàn)分為三個(gè)階段，依次為實(shí)驗(yàn)培訓(xùn)階段、定向訓(xùn)練階段和定向測(cè)試階段，如圖3所示。

圖2　核心艙與實(shí)驗(yàn)艙模型Fig.2 Mockup of CORE and LAB module

圖3　實(shí)驗(yàn)流程Fig.3 Procedures of training and testing

1）培訓(xùn)階段

在開展定向訓(xùn)練之前，受試者需要進(jìn)行頭盔顯示器和三維鼠標(biāo)的使用培訓(xùn)。本實(shí)驗(yàn)使用的頭盔顯示器（Oculus Rift DK2）能夠給受試者提供完整的空間站艙內(nèi)立體視景，增強(qiáng)虛擬環(huán)境的沉浸感。三維鼠標(biāo)（SpaceMouse Wireless，3Dconnexion）不僅能夠控制虛擬視點(diǎn)的移動(dòng)，還能實(shí)現(xiàn)偏航、俯仰、滾轉(zhuǎn)三個(gè)自由度上的旋轉(zhuǎn)控制，模擬航天員以任意的視角觀察艙內(nèi)布局。要求經(jīng)過(guò)培訓(xùn)的受試者能夠熟練地控制三維鼠標(biāo)將虛擬視點(diǎn)旋轉(zhuǎn)至目標(biāo)角度。

2）訓(xùn)練階段

在定向訓(xùn)練階段，受試者保持上體正直姿態(tài)坐在椅子上，佩戴頭盔顯示器觀察虛擬空間站艙內(nèi)布局，使用三維鼠標(biāo)控制虛擬視點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)。

實(shí)驗(yàn)組和控制組受試者均通過(guò)艙內(nèi)物品功能學(xué)習(xí)、自由體驗(yàn)和策略性訓(xùn)練的流程，記憶艙內(nèi)物品布局、形成定向策略。在物品功能學(xué)習(xí)階段，兩組受試者均是在典型視角下了解實(shí)驗(yàn)艙和核心艙的基本布局，為實(shí)驗(yàn)組和控制組受試者提供詳細(xì)的物品介紹和功能關(guān)系學(xué)習(xí)時(shí)間，實(shí)驗(yàn)組被提供“成對(duì)地標(biāo)記憶”、“角落地標(biāo)記憶”等空間記憶策略，而控制組并沒有策略。在完成5 min自由體驗(yàn)之后進(jìn)入策略性訓(xùn)練階段，兩組受試者需通過(guò)尋找艙內(nèi)特定物品來(lái)進(jìn)一步學(xué)習(xí)艙內(nèi)布局并形成定向策略，在每個(gè)艙有16次訓(xùn)練任務(wù)，每次任務(wù)開始時(shí)虛擬航天員出現(xiàn)在艙內(nèi)任意地點(diǎn)，發(fā)送語(yǔ)音指令明確需要尋找的物品，受試者控制三維鼠標(biāo)旋轉(zhuǎn)視點(diǎn)，使目標(biāo)物體處于視野中心。實(shí)驗(yàn)組的受試者在訓(xùn)練過(guò)程中是以任意的身體姿態(tài)進(jìn)行學(xué)習(xí)，沒有旋轉(zhuǎn)方向上的限制。而控制組的訓(xùn)練方式與當(dāng)前地面實(shí)物模擬器內(nèi)的訓(xùn)練近似，受試者以直立的身體姿態(tài)觀察空間站內(nèi)部結(jié)構(gòu)，鎖定了滾轉(zhuǎn)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)并限制了俯仰方向的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，訓(xùn)練過(guò)程中均是以單一的典型身體姿態(tài)進(jìn)行學(xué)習(xí)。

3）測(cè)試階段

定向測(cè)試共有24次測(cè)試任務(wù)。前12次為基本定向測(cè)試，任務(wù)的順序是隨機(jī)的，6次在核心艙、6次在實(shí)驗(yàn)艙；后12次為低能見度條件下的訓(xùn)練效果遷移測(cè)試，與前12次任務(wù)的初始條件一致，加入煙霧效果，任務(wù)順序同樣是隨機(jī)的。每次任務(wù)開始時(shí)，虛擬航天員以任意的身體朝向出現(xiàn)在某一個(gè)艙內(nèi)的任意地點(diǎn)，受試者首先需要迅速判斷自己的方位，然后想象目標(biāo)的方位，以盡量較短的時(shí)間和盡量較小的旋轉(zhuǎn)角度找到目標(biāo)物品。記錄的數(shù)據(jù)包括判斷自身位置時(shí)間、定向的時(shí)間、旋轉(zhuǎn)的多余角度。定向時(shí)間反映了受試者在定向過(guò)程中不斷更新空間信息辨認(rèn)方向的能力；旋轉(zhuǎn)角度反應(yīng)了受試者定向過(guò)程中辨別方向的準(zhǔn)確性，但由于使用三維鼠標(biāo)控制虛擬視角與人體實(shí)際轉(zhuǎn)身存在一定差異，且受試者的定向策略存在差異，在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時(shí)將旋轉(zhuǎn)角度作為輔助指標(biāo)，定向時(shí)間作為主要績(jī)效指標(biāo)。

在完成全部測(cè)試后，受訓(xùn)者填寫調(diào)查問卷。問卷分為兩部分，一部分考察三維空間結(jié)構(gòu)記憶情況，主要為地標(biāo)位置及地標(biāo)之間的方位關(guān)系判斷，如“防毒面具是在核心艙的哪個(gè)區(qū)、哪個(gè)象限”、“依據(jù)局部視覺正向，II象限的筆記本電腦是在儀表板的哪個(gè)方向”等。另一部分調(diào)查受試者完成任務(wù)時(shí)空間定向策略的使用情況，了解其定向所需的輔助標(biāo)識(shí)與策略。

4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

本實(shí)驗(yàn)測(cè)試指標(biāo)為任務(wù)完成時(shí)間和旋轉(zhuǎn)角度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看出，無(wú)論是在具有明顯視覺垂向信息的核心艙，還是在具有一定對(duì)稱混淆性的實(shí)驗(yàn)艙，實(shí)驗(yàn)組的受試者均能夠更快地完成定向任務(wù)，轉(zhuǎn)向的角度偏差也更小。受試者在核心艙中的定向時(shí)間比實(shí)驗(yàn)艙短，但轉(zhuǎn)向誤差基本一致。引入煙霧后受試者的任務(wù)績(jī)效有一定下降。這個(gè)結(jié)果基本符合實(shí)驗(yàn)預(yù)期：經(jīng)過(guò)空間定向訓(xùn)練的受訓(xùn)者對(duì)所處艙段環(huán)境建立了一定的空間認(rèn)知，并形成了定向策略。但定向過(guò)程中依賴視覺線索，艙內(nèi)視覺垂向信息量、能見度等都會(huì)影響航天員的定向行為，豐富的視覺線索有助于迅速定向。

進(jìn)一步對(duì)任務(wù)完成時(shí)間與轉(zhuǎn)角偏差進(jìn)行方差分析，得到如下結(jié)論：1）相比控制組，使用本文提出的空間記憶與定向方法進(jìn)行訓(xùn)練的受訓(xùn)者取得了更好的任務(wù)績(jī)效，平均定向時(shí)間快4.3 s，轉(zhuǎn)角偏差差距不大［任務(wù)完成時(shí)間：F（1，44）= 9.512，p=0.004，旋轉(zhuǎn)角度：F（1，44）=1.432，p =0.238］；2）測(cè)試艙段對(duì)任務(wù)完成時(shí)間存在顯著性影響［F（1，44）=8.033，p=0.007］，但對(duì)轉(zhuǎn)角偏差影響并不顯著［F（1，44）=1.351，p= 0.251］，這說(shuō)明艙段內(nèi)的輔助定向信息能夠有效的幫助航天員定向；3）訓(xùn)練方法與測(cè)試艙段在兩個(gè)指標(biāo)上均沒有交互效應(yīng)［任務(wù)完成時(shí)間：F（1，44）=0.004，p=0.947，旋轉(zhuǎn)角度：F（1，44）= 0.057，p=0.813］，這說(shuō)明在具有不同視覺垂向信息量的艙段內(nèi)，本文提出的訓(xùn)練方法均優(yōu)于控制組的訓(xùn)練效果，該方法具有一定的普遍適用性。

在問卷調(diào)查的空間知識(shí)測(cè)試中，實(shí)驗(yàn)組的受試者記憶位置準(zhǔn)確，犯的錯(cuò)誤更少。全部6名受試者均能夠準(zhǔn)確判斷地標(biāo)之間的位置關(guān)系，4名表示已經(jīng)形成了具有層次性的空間知識(shí)結(jié)構(gòu)，而對(duì)照組只有1名受試者達(dá)到要求。在定向策略方面，對(duì)照組的受試者傾向于使用“成對(duì)”和“典型視角”的定向策略；實(shí)驗(yàn)組中4名受試者習(xí)慣使用以“典型視角”為基礎(chǔ)的策略，另外2名表示已經(jīng)建立了完整的三維空間認(rèn)知地圖，明確物品間的位置關(guān)系，在后期的定向測(cè)試中并不需要任何的定向策略。這個(gè)結(jié)果首先說(shuō)明本文提出的訓(xùn)練方法的確有助于航天員在不同視角下建立空間認(rèn)知，也證明了測(cè)試結(jié)果中受試者在旋轉(zhuǎn)角度上不存在顯著差異的原因：盡管在辨別初始方向的反應(yīng)時(shí)間上存在差異，大多數(shù)受試者傾向于使用典型視角進(jìn)行定向，即首先旋轉(zhuǎn)至自身最熟悉的角度再辨認(rèn)方向。受試者的這一行為再次證明了艙內(nèi)地標(biāo)與視覺垂向?qū)教靻T定向的重要輔助作用。

圖4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Experimental results

綜上所述，可以推斷出本文訓(xùn)練方法的優(yōu)劣，該方法能夠顯著地縮短航天員定向的時(shí)間，提出的三維空間記憶策略能夠幫助航天員建立清晰完整的空間認(rèn)知圖，以不同的身體姿態(tài)進(jìn)行定向訓(xùn)練能夠幫助航天員更好地掌握定向技能。

5　結(jié)語(yǔ)

本文以失重環(huán)境下的空間定向障礙為出發(fā)點(diǎn)，針對(duì)地面實(shí)物模擬器訓(xùn)練的局限性，提出了一套有助于航天員學(xué)習(xí)三維空間知識(shí)和定向技能的虛擬定向訓(xùn)練方法。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，為在地面上解決航天員空間失定向問題提出兩種可行的途徑：1）基于設(shè)計(jì)角度，在艙內(nèi)布局上加入明顯的地標(biāo)和視覺垂向信息設(shè)計(jì)，幫助航天員明確方向；2）基于訓(xùn)練角度，在飛行前幫助航天員學(xué)習(xí)三維空間知識(shí)，并給予航天員多種身體姿態(tài)下的視覺反饋，模擬飛行視覺體驗(yàn)。

（References）

［1］Richards J T，Oman C M，Shebilske W L，et al.Training，transfer，and retention of three-dimensional spatial memory in virtual environments［J］.Journal of Vestibular Research，2002，12（5，6）：223-238.

［2］Oman C.Spatial orientation and navigation in microgravity［M］//Spatial Processing in Navigation，Imagery and Perception.Springer US，2007：209-247.

［3］Stroud K J，Harm D L，Klaus D M.Preflight virtual reality training as a countermeasure for space motion sickness and disorientation［J］.Aviation，Space，and Environmental Medicine，2005，76（4）：352-356.

［4］Vidal M，Amorim M A，Berthoz A.Navigating in a virtual three-dimensional maze：how do egocentric and allocentric reference frames interact？［J］.Cognitive Brain Research，2004，19（3）：244-258.

［5］Oman C M，Shebilske W L，Richards J T，et al.Three dimensional spatial memory and learning in real and virtual environments［J］.Spatial Cognition and Computation，2000，2（4）：355-372.

［6］Shebilske W L，Tubré T，Tubré A H，et al.Three-dimensional spatial skill training in a simulated space station：random vs.blocked designs［J］.Aviation，Space，and Environmental Medicine，2006，77（4）：404-409.

［7］Buckland DA.A Training Methodology for Spatial Orientation in Spacecraft［D］.Cambridge，MA：Massachusetts Institute of Technology，2006.

［8］Cizaire C C J L.Effect of two-module-docked spacecraft configurations on spatial orientation［D］.Cambridge，MA：Massachusetts Institute of Technology，2007.

［9］Oman C M，Benveniste D，Buckland D A，et al.Spacecraft module visual verticals and training affect spatial task performance［J］.Habitation，2006，10（3/4）：202-203.

［10］姜國(guó)華，劉玉慶，朱秀慶，等.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在空間站艙內(nèi)定向訓(xùn)練中的應(yīng)用［J］.載人航天，2015，22（2）：115-120.JIANG Guohua，LIU Yuqing，ZHU Xiuqing，et al.Application of virtual reality in spatial orientation training for space station［J］.Manned Spaceflight，2015，22（2）：115-120.（in Chinese）

Study on Virtual Reality Based Training Methods for Spatial Orientation in Spacecraft

LIU Xiang，LIU Yuqing，ZHU Xiuqing，AN Ming
（National Key Laboratory of Human Factors Engineering，China Astronaut Research and Training Center，Beijing 100094，China）

During manned spaceflight，the astronauts floating inside a spacecraft must master the skill of orienting themselves in a random body orientation according to the visual cues.However，conducting spatial orientation training in mockups on the ground is difficult to realize，a VR based training method was proposed.A virtual scene of the LAB module and CORE module ere established and the training strategies for spatial orientation were set up.Experimental results show that the trainees’performance in orientation and spatial memory tasks is significantly improved in both modules with different number of visual cues.The training method can help to establish hierarchical spatial knowledge and cognitive structures of the training modules.

spatial orientation；training；virtual reality

TP391.9

A

1674-5825（2016）05-0645-06

2016-03-07；

2016-09-02

國(guó)防基礎(chǔ)科研計(jì)劃（B1720132001）

劉相（1991-），男，碩士研究生，研究方向?yàn)楹教祜w行訓(xùn)練仿真。E-mail：lx9177xiang@163.com