宋立廷，曲志剛，吳文海，高麗

(海軍航空大學(xué)青島校區(qū) 控制科學(xué)與工程系， 青島 266041)

0 引 言

隨著我國海軍“走向深藍(lán)”戰(zhàn)略的深化實施，航空母艦作為海軍走向遠(yuǎn)海大洋的首要利器，重要性不言而喻，而艦載機(jī)是航空母艦的主要攻防武器，其戰(zhàn)斗力的發(fā)揮效果直接影響了航空母艦的作戰(zhàn)效能。因此，對艦載機(jī)飛行員及相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員的培養(yǎng)和訓(xùn)練十分重要，尤其是相關(guān)院校，若能充分發(fā)揮教學(xué)作用、提升訓(xùn)練品質(zhì)，培養(yǎng)出優(yōu)秀的艦載機(jī)飛行員和裝備維護(hù)保障人員，必將對未來我國航母形成實質(zhì)戰(zhàn)斗力打下堅實基礎(chǔ)[1]。為了提高飛行員和保障人員的訓(xùn)練質(zhì)量、加快培養(yǎng)進(jìn)程、保證艦載機(jī)安全起降和發(fā)揮戰(zhàn)斗力，亟需搭建高水平艦載機(jī)飛行控制模擬訓(xùn)練平臺[2-3]。

國外有關(guān)飛行模擬器的研究起步較早，例如，T.L.Alfred[4]通過搜索收集信息，介紹了飛行模擬的歷史及飛行模擬器實現(xiàn)飛行員訓(xùn)練的相關(guān)功能；A.S.J.Van Heerden等[5]開發(fā)了一種具有俯仰和橫滾兩個自由度的運動平臺驅(qū)動系統(tǒng)，可用于本科生的工程培訓(xùn)；J.L.Bouthillier[6]設(shè)計出一種易實現(xiàn)且低成本的三自由度飛行模擬運動平臺，并介紹了該平臺的優(yōu)缺點和應(yīng)用情況；Sérgio Ronaldo Barros dos Santos等[7]利用專用微處理器和X-Plane飛行模擬器組成測試平臺，進(jìn)行了飛機(jī)縱向控制系統(tǒng)的設(shè)計、仿真和實時實現(xiàn)；G.K.Sagoo等[8]利用西弗吉尼亞大學(xué)的飛行模擬器功能，讓飛行員在六自由度的運動飛行模擬器中進(jìn)行操縱測試，以評估F-15飛機(jī)的故障檢測、隔離和識別系統(tǒng)的性能。

近年來，國內(nèi)對模擬飛行訓(xùn)練裝置的開發(fā)設(shè)計也逐漸興起。例如，張沛帆[9]設(shè)計了基于VegaPrime視景驅(qū)動的某型運輸機(jī)飛行模擬訓(xùn)練器；王志樂等[10]利用HLA分布式仿真技術(shù)，基于COM 組件與PLUGIN 設(shè)計了分布式交互飛行虛擬仿真訓(xùn)練平臺，可用于桌面級仿真訓(xùn)練軟件和中小型飛行訓(xùn)練器的快速開發(fā)；張兵強(qiáng)等[11]基于虛擬仿真技術(shù)開發(fā)了航空類虛擬仿真實驗平臺，以供飛行學(xué)員進(jìn)行主戰(zhàn)機(jī)型的空中模擬飛行操作實驗和教學(xué)體驗飛行；鄭嘉銘等[12]基于MATLB和Flight Gear平臺，改進(jìn)了某型國產(chǎn)飛行訓(xùn)練裝置。

但已有研究尚缺乏針對艦載機(jī)機(jī)型的適配建模，而且大多是單純對飛行環(huán)節(jié)進(jìn)行仿真模擬，難以適用于機(jī)務(wù)保障人員的培養(yǎng)和訓(xùn)練。為此，本文設(shè)計搭建一套艦載機(jī)飛行控制模擬訓(xùn)練平臺，闡述該平臺的基本功能與原理，詳細(xì)介紹其組成結(jié)構(gòu)以及各個組成裝置的原理及功能，并通過實際應(yīng)用驗證該平臺的使用優(yōu)勢。

1 基本功能

艦載機(jī)飛行控制模擬訓(xùn)練平臺具備三大基本功能：實驗教學(xué)功能、科學(xué)研究功能和為部隊服務(wù)的功能。旨在保障技術(shù)人才的教學(xué)訓(xùn)練，支撐先進(jìn)理論的科學(xué)研究以及滿足服務(wù)部隊的實戰(zhàn)需求；為海軍航空兵部隊飛行控制相關(guān)專業(yè)的裝備保障服務(wù)提供驗證平臺；為海軍機(jī)關(guān)飛行控制系統(tǒng)、著艦控制系統(tǒng)以及相關(guān)專業(yè)裝備的研究、論證決策等提供技術(shù)支持[13]。

其中，實驗教學(xué)功能指理論層面的綜合控制原理教學(xué)，以及實際操作層面的模擬駕駛訓(xùn)練和維護(hù)技能訓(xùn)練：主要提供自動飛行控制原理、電傳控制系統(tǒng)原理、主動控制技術(shù)原理、下滑著艦控制原理、自修復(fù)飛行控制原理和自動攻擊導(dǎo)引相關(guān)原理的教學(xué)實驗；還可提供艦載機(jī)空中飛行模態(tài)的仿真、視景反饋和地面模擬檢測、故障排查的功能。實現(xiàn)空中飛行駕駛和下滑著艦操縱等模擬訓(xùn)練，以及自動飛行控制系統(tǒng)(包括電傳控制系統(tǒng))的通電檢查、性能調(diào)整、故障模擬與排除等操作技能的訓(xùn)練[14]。

科學(xué)研究功能包括自動飛行控制系統(tǒng)控制律研究、自動著艦控制方法和著艦引導(dǎo)控制律研究、自動飛行控制系統(tǒng)安全性和魯棒性研究、飛行綜合控制技術(shù)研究和自動飛行控制系統(tǒng)控制品質(zhì)研究。本文搭建的訓(xùn)練平臺可以為上述技術(shù)方法的研究提供仿真模擬環(huán)境和演示驗證試驗平臺[15]。

為部隊服務(wù)功能則包括自動飛行控制系統(tǒng)和著艦引導(dǎo)控制系統(tǒng)的故障模擬排查及性能分析?？梢阅M自動飛行控制系統(tǒng)、電傳控制系統(tǒng)和著艦引導(dǎo)控制系統(tǒng)的空中故障狀況并進(jìn)行故障重現(xiàn)和影響分析，對部隊實際裝備發(fā)生的疑難故障進(jìn)行復(fù)現(xiàn)，以便研究分析其成因及解決辦法。

2 基本原理

本文設(shè)計搭建的艦載機(jī)飛行控制模擬訓(xùn)練平臺，其實質(zhì)是一套“人在回路”的艦載機(jī)飛行控制半物理仿真系統(tǒng)，不僅具備艦載機(jī)飛行仿真模塊，還配置了電傳系統(tǒng)模擬裝置和舵面模擬裝置等模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)艦載機(jī)飛行控制系統(tǒng)地面通電、性能調(diào)試、故障模擬與排除的課程實踐及電傳控制、著艦引導(dǎo)控制、自修復(fù)飛行控制等先進(jìn)控制技術(shù)的實驗教學(xué)，適應(yīng)艦載機(jī)飛行員及飛行控制系統(tǒng)相關(guān)裝備保障人員崗位任職培養(yǎng)的需求。

訓(xùn)練平臺的核心功能體現(xiàn)了自動飛行控制系統(tǒng)和電傳控制系統(tǒng)等的基本原理，在飛機(jī)飛行控制系統(tǒng)中，是通過舵回路根據(jù)飛行控制指令自動驅(qū)動飛機(jī)操縱面，改變飛機(jī)氣動受力，調(diào)整飛機(jī)運動狀態(tài)，達(dá)到自動飛行控制的目的。早期的控制回路主要是通過機(jī)械操縱進(jìn)行傳動，存在很多缺點，因此出現(xiàn)了利用反饋控制原理，將飛行器的運動作為受控參數(shù)的電子飛行控制系統(tǒng)——電傳操縱系統(tǒng)。典型單通道電傳操縱系統(tǒng)主要由桿位移傳感器、飛行控制計算機(jī)、舵機(jī)及其作動器、飛機(jī)運動狀態(tài)傳感器、控制/顯示接口裝置等組成。飛行員的桿操縱信號、飛機(jī)運動狀態(tài)信號和控制面作動器位置信號全部通過電信號傳遞。電傳操縱系統(tǒng)能夠快速、準(zhǔn)確地處理飛控計算機(jī)產(chǎn)生的控制面偏轉(zhuǎn)角指令并以電信號的形式傳送給控制面伺服作動器?？刂泼嫠欧鲃悠鞲鶕?jù)飛行員的指令信號與相應(yīng)傳感器測得的飛機(jī)運動狀態(tài)之間的偏差進(jìn)行飛行控制，驅(qū)動相應(yīng)的控制面運動并使飛機(jī)能夠快速、平穩(wěn)地跟蹤飛行員的指令。

而在艦載機(jī)著艦過程中，因所處環(huán)境復(fù)雜、要求精度高、操作難度大，僅靠自動飛行控制系統(tǒng)和電傳控制系統(tǒng)難以平穩(wěn)、快速地實施著艦，故還涉及自動著艦引導(dǎo)技術(shù)、甲板運動補(bǔ)償技術(shù)、艦尾流抑制技術(shù)、自動油門控制系統(tǒng)以及全自動著艦引導(dǎo)技術(shù)等[16-17]。

3 組成結(jié)構(gòu)

基于自動飛行控制的基本原理，訓(xùn)練平臺模擬系統(tǒng)的飛行仿真模塊以飛行員的操縱指令、模擬故障參數(shù)和數(shù)據(jù)采集傳輸模塊所獲取的信息等作為輸入，運用計算機(jī)仿真技術(shù)、信號通信技術(shù)和數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)等，依據(jù)飛行動力學(xué)的理論和數(shù)據(jù)及飛行控制學(xué)原理，使用實時的4階龍格-庫塔法解算飛機(jī)的運動狀態(tài)和運動軌跡，通過電傳控制系統(tǒng)模擬裝置傳遞控制信號，以視景顯示模塊、虛擬儀表模塊以及舵面模擬裝置等作為模擬數(shù)據(jù)輸出，實現(xiàn)對現(xiàn)實飛行環(huán)境的模擬仿真，既能實時反饋解算飛行運動參數(shù)又能同步驅(qū)動舵面模擬裝置產(chǎn)生相應(yīng)的舵面偏轉(zhuǎn)，以供學(xué)員直觀地感受、學(xué)習(xí)并且進(jìn)行實際操縱訓(xùn)練。其簡單的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

圖1 艦載機(jī)飛行仿真模塊結(jié)構(gòu)圖

在進(jìn)行著艦過程仿真時，需由艦面運動引導(dǎo)仿真模塊來仿真艦船的運動和航母甲板的運動，由著艦環(huán)境仿真模塊來模擬艦尾流的信息，由精密著艦引導(dǎo)雷達(dá)系統(tǒng)產(chǎn)生著艦距離和偏差并且規(guī)劃期望著艦軌跡。基于著艦環(huán)境信息和著艦引導(dǎo)律，由自動飛行控制系統(tǒng)和自動油門控制系統(tǒng)所組成的綜合控制系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)的自動著艦控制律輸出控制信號，在與人工操縱信號融合后，經(jīng)由電傳控制系統(tǒng)控制舵面和發(fā)動機(jī)，保證艦載機(jī)下滑時的迎角和速度恒定并能沿著期望的下滑軌跡進(jìn)近著艦。自動著艦控制系統(tǒng)的原理如圖2所示[18-19]。

圖2 自動著艦控制系統(tǒng)原理圖

甲板運動參數(shù)、艦尾流模型、環(huán)境模型參數(shù)以及著艦引導(dǎo)參數(shù)均由數(shù)據(jù)采集傳輸模塊收集，通過數(shù)據(jù)傳輸單元輸送給數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，同時還包括飛行狀態(tài)參數(shù)、駕駛操縱參數(shù)、控制設(shè)置參數(shù)等。數(shù)據(jù)采集傳輸模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集傳輸模塊結(jié)構(gòu)圖

訓(xùn)練平臺的硬件架構(gòu)由艦載機(jī)飛行控制半物理飛行仿真系統(tǒng)、地面檢測設(shè)備模擬裝置、交聯(lián)信號模擬器、控制與故障設(shè)置臺等組成，各組成部分結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖4所示。

圖4 艦載機(jī)飛行控制模擬訓(xùn)練平臺原理結(jié)構(gòu)圖

平臺實際整體布局如圖5所示，其中飛行控制半物理飛行仿真系統(tǒng)是仿真訓(xùn)練和模擬操作的主體，地面檢測設(shè)備模擬裝置用于進(jìn)行艦載機(jī)飛行控制系統(tǒng)地面通電、性能調(diào)試操作的教學(xué)訓(xùn)練，交聯(lián)信號模擬器用于各類模擬信號的產(chǎn)生和綜合，控制與故障設(shè)置臺可以實現(xiàn)實驗項目管理、機(jī)型管理和電源控制等任務(wù)，還可以人為設(shè)置空中或地面故障情況，分析故障影響并進(jìn)行應(yīng)對操作的訓(xùn)練[20]。

圖5 艦載機(jī)飛行控制模擬訓(xùn)練平臺整體布局圖

3.1 艦載機(jī)飛行仿真系統(tǒng)

艦載機(jī)飛行仿真系統(tǒng)包括艦載機(jī)飛行仿真模塊(三通道投影視景顯示、模擬座艙、人感系統(tǒng)模擬裝置等)、電傳控制系統(tǒng)模擬器、自動飛行控制系統(tǒng)和舵面模擬裝置。

3.1.1 飛行仿真模塊

利用艦載機(jī)飛行動力學(xué)數(shù)據(jù)和計算機(jī)仿真技術(shù)，采用半物理實時仿真，實現(xiàn)模擬飛行操縱，飛行仿真系統(tǒng)具有逼真的座艙顯示和桿操縱系統(tǒng)。飛行模擬器配有模擬座艙，座艙儀表顯示功能采用虛擬儀表實現(xiàn)，駕駛桿、油門桿和腳蹬配置人感模擬系統(tǒng)，操控特性與真實艦載機(jī)基本一致，采用三通道視景顯示系統(tǒng)實現(xiàn)艦載機(jī)飛行或著艦過程的場景畫面顯示，艦載機(jī)飛行仿真裝置硬件組成如圖6所示。

圖6 艦載機(jī)飛行仿真裝置硬件組成示意圖

模擬座艙用來實現(xiàn)飛控系統(tǒng)的操控和檢測功能以及飛行或檢測狀態(tài)信息顯示，由駕駛系統(tǒng)模擬裝置、人感模擬系統(tǒng)、虛擬儀表顯示屏組成。

駕駛系統(tǒng)模擬裝置殼體采用復(fù)合材料模具成型，外觀精致牢固，移動方便。座椅符合人體學(xué)設(shè)計，座椅安裝平臺可前后移動。駕駛系統(tǒng)模擬裝置和人感模擬系統(tǒng)可以實現(xiàn)模擬桿力和配平功能，油門桿系統(tǒng)采用懸掛式雙發(fā)油門，操控特性與實戰(zhàn)飛機(jī)基本一致。

仿真計算機(jī)和數(shù)據(jù)庫管理計算機(jī)能夠滿足飛行仿真的實時性、數(shù)據(jù)管理容量的要求。模擬座艙還包括飛行控制系統(tǒng)所需的控制顯示裝置，模擬座艙系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 模擬座艙系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3.1.2 自動飛行控制系統(tǒng)模擬器

艦載機(jī)自動飛行控制系統(tǒng)用實裝試驗件實現(xiàn)半物理實時仿真。自動飛行控制系統(tǒng)相關(guān)控制部件的模擬裝置采用與真實裝備一致的輸入/輸出信號，滿足自動飛行控制系統(tǒng)的實驗需求，可實現(xiàn)艦載機(jī)自動飛行控制系統(tǒng)模態(tài)模擬、控制律分析、性能分析和故障模擬，自動飛行控制系統(tǒng)模擬器的硬件結(jié)構(gòu)如圖8所示，包括自動飛行控制計算機(jī)(或模擬裝置)、自動飛行控制盒模擬裝置、飛控調(diào)效邏輯控制盒模擬裝置和傳感器模擬裝置。自動飛行控制計算機(jī)模擬裝置接收來自傳感器模擬裝置、電傳控制系統(tǒng)模擬器以及交聯(lián)信號模擬器的信息，根據(jù)操作員通過自動飛行控制盒、地面檢測設(shè)備和控制與故障設(shè)置臺等給定的操縱量和輸入指令，自動飛行控制計算機(jī)模擬裝置進(jìn)行模態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯和控制律解算，形成控制信號，經(jīng)數(shù)據(jù)通信總線傳遞給電傳控制系統(tǒng)模擬裝置，控制舵面模擬裝置運動，并完成對姿態(tài)和航跡的控制。

圖8 自動飛行控制系統(tǒng)模擬器硬件結(jié)構(gòu)圖

在進(jìn)行著艦過程模擬時，自動著艦仿真模塊可以采用進(jìn)場動力補(bǔ)償(APC)技術(shù)、甲板運動補(bǔ)償與預(yù)估技術(shù)、著艦引導(dǎo)跟蹤雷達(dá)噪聲抑制技術(shù)、艦尾氣流擾動抑制技術(shù)以及艦載機(jī)復(fù)飛決策技術(shù)等對艦載機(jī)自動著艦控制系統(tǒng)進(jìn)行模擬，完成對艦載機(jī)著艦導(dǎo)引控制、綜合飛行/推進(jìn)控制、進(jìn)場/著艦飛行管理控制理論的實驗研究。

3.1.3 舵面模擬裝置

在實際飛行中，飛行控制系統(tǒng)通過控制飛機(jī)的舵面來調(diào)整飛行狀態(tài)，在地面通電檢查、故障分析和控制律重構(gòu)等實驗中需直接觀察舵面偏轉(zhuǎn)情況并要求能夠設(shè)置舵面卡死故障，因此舵面模擬裝置應(yīng)能夠模擬水平尾翼、垂直尾翼、前翼、襟副翼的偏轉(zhuǎn)，在駕駛桿進(jìn)行操縱時，使學(xué)員能夠直觀地觀察舵面狀態(tài)的變化或研究舵面故障情況。舵面模擬裝置由電傳控制系統(tǒng)模擬器驅(qū)動，其結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 舵面模擬裝置結(jié)構(gòu)圖

3.2 交聯(lián)信號模擬器

交聯(lián)信號模擬器能夠模擬電傳控制系統(tǒng)、自動飛行控制系統(tǒng)和著艦引導(dǎo)系統(tǒng)所需的各種交聯(lián)信號，包括慣導(dǎo)系統(tǒng)、大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)、任務(wù)系統(tǒng)等產(chǎn)生的飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)以及控制偏差信號。利用A/D轉(zhuǎn)換、總線數(shù)據(jù)生成技術(shù)，完成電傳控制系統(tǒng)與自動飛行控制系統(tǒng)的信號激勵[21]。

3.3 控制和故障設(shè)置臺

利用控制和故障設(shè)置臺完成訓(xùn)練平臺各模塊的管理、控制以及故障模態(tài)設(shè)置，控制臺實現(xiàn)實驗項目管理、機(jī)型管理和電源控制等任務(wù)，分為電源控制單元和教員實驗控制單元兩部分。電源控制單元主要完成實驗系統(tǒng)的主電源控制、交流電源相序的測量、二次電源的產(chǎn)生和測量、電源故障的告警等任務(wù)。教員實驗控制單元主要完成實驗系統(tǒng)任務(wù)控制，對各類數(shù)據(jù)的傳輸、分析和管理，實驗和訓(xùn)練效果的評估等任務(wù)[22]。

4 實現(xiàn)與應(yīng)用

依照所設(shè)計的飛行控制模擬訓(xùn)練平臺，編寫飛行駕駛模擬和艦基起降操縱模擬程序，并搭建、連接各硬件設(shè)備。平臺完整建成后的主體如圖10所示，圖中①為三通道投影視景顯示屏；②為綜合模擬座艙；③為舵面模擬裝置；④為實驗中控機(jī)柜。

圖10 飛行控制模擬訓(xùn)練平臺實物圖

本文設(shè)計的模擬訓(xùn)練平臺實際使用過程中的實時仿真場景如圖11所示，其可作為艦載機(jī)飛行員進(jìn)行著艦操縱訓(xùn)練的模擬器，其中由艦載機(jī)飛行仿真系統(tǒng)模擬飛機(jī)駕駛視景，系統(tǒng)中的航空母艦?zāi)M場景如圖12所示；此外還可以用于控制律設(shè)計的半物理仿真驗證，例如，試驗艦載機(jī)著艦魯棒控制的實際仿真效果如圖13所示。

圖11 模擬訓(xùn)練平臺實時仿真場景圖

圖12 航空母艦?zāi)M場景

圖13 艦載機(jī)著艦魯棒控制仿真效果圖

平臺建成后，現(xiàn)已應(yīng)用于飛行控制及相關(guān)專業(yè)學(xué)員的《飛行控制原理》《電傳控制系統(tǒng)》等課程的實驗教學(xué)和模擬實操訓(xùn)練，每門課程根據(jù)培養(yǎng)目的安排2～3次實驗課，使課堂教學(xué)更具開放性、趣味性，優(yōu)化了學(xué)員對專業(yè)知識的理性認(rèn)識和直觀感受。同時也為研究生學(xué)員進(jìn)行控制律原理設(shè)計提供了仿真驗證平臺，改善了培養(yǎng)條件，豐富了訓(xùn)練手段，提高了教學(xué)效果，受到廣大師生的一致好評。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計搭建的艦載機(jī)飛行控制系統(tǒng)模擬訓(xùn)練平臺是解決艦載機(jī)飛行員及相關(guān)技術(shù)保障人員匱乏這一問題的有效手段，符合我國海軍當(dāng)前的發(fā)展需求。使用該平臺進(jìn)行飛行控制專業(yè)相關(guān)原理的教學(xué)及模擬操作訓(xùn)練，不僅能加快飛行員及相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員的培養(yǎng)進(jìn)度、提升訓(xùn)練質(zhì)量，還可以為新型戰(zhàn)機(jī)飛行控制系統(tǒng)的改進(jìn)性研究、艦載機(jī)著艦引導(dǎo)技術(shù)和其他新技術(shù)、新理論的研究提供實驗平臺。但該訓(xùn)練平臺的功能尚不完善，仍有很多需要改進(jìn)的問題，例如未來可引入虛擬現(xiàn)實(VR)技術(shù)，通過給模擬座艙加配機(jī)械臂來實現(xiàn)4D效果的模擬飛行體驗，為學(xué)員模擬操作訓(xùn)練提供更逼真的環(huán)境等。