作者：晁建刚    作者单位：中国航天员科研训练中心，北京 100094
来源：医学期刊 / 医药科学综合

【摘要】 航天飞行训练模拟器是用于航天员训练的地面重要设备之一。本文在国际通用划分标准的基础上，对我国现行研制的模拟器进行了技术原理和工程实施介绍，探讨模拟器研制的关键技术，并对后期发展提出了展望。
【关键词】 航天飞行训练模拟技术 模拟器 航天飞行训练
  
    载人飞船进入太空飞行前，驾驶飞船的航天员需要熟练掌握操作飞船的技能。从安全和经济方面考虑，通常在地面环境下采用模拟手段训练航天员。航天飞行训练模拟器（以下简称模拟器）就是训练航天员驾驶飞船的重要地面设备之一。
    世界上{dy}台飞行模拟器“林克机”由美国人林克在1929年研制成功，它的诞生实现了人类在地面实验室进行既经济又安全航空飞行试验训练的梦想［1］。
    国内外模拟器研制情况
    国外开展载人航天以美国和俄罗斯（前苏联）最早，规模也{zd0}，实际发射的载人航天器的种类和型号也很多。多年的实际载人飞行使他们积累了丰富的经验，建立了成系列的、先进的航天员训练模拟设备［2］。
    欧洲航天局、日本等国也开展了载人航天活动，并建立了航天员培训中心，但相应研制的航天飞行训练模拟设备比美、俄要少，在进行航天飞行任务上，大都是与美、俄合作或参与国际空间站的计划，在美国或俄罗斯进行航天员的主要训练。
    在美国，载人航天计划开始后，先后经历了“水星”、“双子星座”、“阿波罗”和“航天飞机/空间实验室”计划。在这4个计划中，都建立了相应的动态、静态的训练设备。在“水星”计划中，应用了很多种训练模拟器。另外，在“水星”、“双子星座”和“阿波罗”3个计划中，共使用了30多种模拟器。其中，“水星程序训练器”、“双子星座飞行模拟器”、“阿波罗指挥舱模拟器”、“阿波罗登月舱模拟器”以及后来的“航天飞机模拟器”是其中较庞大、较完整、应用最多的训练模拟器，为美国航天员的载人飞行做出了重要的贡献。
    俄罗斯(前苏联)的载人航天，随着型号的变化，相应的训练模拟器也不断出现。“东方”号、“上升”号、“礼炮”号、“联盟”号和“和平”号等载人飞行计划，都建立了相应的模拟器。最典型的有“联盟号固定基全任务训练模拟器”、“交会对接专项训练模拟器”、“出舱活动程序训练模拟器”和“空间站训练模拟器”等，构成了健全的训练设备体系［3］。
    欧洲和日本等国家相应的训练模拟设备较少，他们研制的设备多以工程技术研究设备和航天条件模拟设备为主。
我国自开展载人航天工程任务以来，也启动了航天飞行训练模拟器的研制任务。2002年7月在SZ3飞船技术状态的基础上完成了{dy}台固定基全任务飞行训练模拟器的研制，随后根据飞船技术状态进行更动改造完成了SZ5、SZ6、SZ7状态航天员训练与选拔任务。根据出舱活动程序任务的需要，2008年初完成了我国{dy}台出舱活动程序训练模拟器的研制，用于航天员的出舱活动程序训练。同时也研制了仪表专项训练台、环控操作、出舱活动学习系统等专项训练设备或软件系统。

    模拟器技术原理与工程实施

    航天飞行训练模拟器是以相似原理、控制理论、计算机技术、航空航天原理和工程实际的专业技术为基础，以计算机和各种物理效应设备为工具，采用实物、半实物和数字方法模拟真实飞船飞行所产生的人的视觉、触觉、听觉等感知，对航天员进行飞船设备操作、正常飞行程序和故障程序训练［4］，使航天员在正式执行任务前已经能够熟练掌握飞船驾驶的技能。飞行训练模拟器是典型的人在回路的飞行仿真系统。
    模拟器按照用途和复杂程度，一般可以分为3类：全任务飞行训练模拟器、专项训练模拟器和计算机辅助训练器［5］。
    全任务飞行训练模拟器 全任务飞行训练模拟器由模拟座舱系统、仿真系统、视景系统、音响系统、仪表系统、教员台系统、辅助系统等组成，是目前{zxj}、最完整的训练工具。全任务飞行训练模拟器按航空标准可分为A、B、C、D 4个等级，其中D级性能{zg}，训练课目覆盖面{zd0}［6］。
    按照模拟器的功能要求和相应的配置考虑，我国的航天飞行训练模拟器整个系统分为7个分项系统（图1）：教员台分项系统、主控机分项系统、模拟座舱分项系统、视景分项系统、仪表分项系统、音响分项系统、辅助支持分项系统。其中模拟座舱分项系统和辅助支持分项系统为航天员进行模拟器训练提供基本环境和基础支持；其他分项系统以主控机分项系统为核心，由网络连接在一起，分别负责部分训练功能的实现；各分项系统分别完成模拟器的相关配置，实现相应功能，并且相互协调配合，共同组成模拟器系统，实现模拟器的所有技术指标和功能要求［7］。
    全任务飞行训练模拟器在技术实现上采用典型的人在回路中的分布式交互半实物仿真。主体保持分布式以太网络系统的结构，包含飞船仿真系统（包含仿真计算机、仪表计算机和模拟座舱仪表板等）、主控计算机、音响计算机、视景计算机、教员计算机、图形化显示计算机、软仪表计算机、操作控制计算机、医监计算机等通过100 M交换式以太网络连接起来，构成固定基全任务飞行训练模拟器网络系统。通过网络通讯在各个结点之间交换时钟同步信号、航天员操作信息、仿真数据、仿真控制命令和模拟器操作报文。
    模拟器的仿真帧周期定制为40 ms，由在64位RISC系统Alpha机上运行的主控软件来实现。它采用了四路流水线、无序执行技术，使整个系统的性能得到了可靠的保证。在主控40 ms时钟同步信号的控制下，仪表计算机软件、仿真软件依次相继执行仿真运算并将仿真结果通过网络分发，其他软件接收并解析与自己相关的仿真数据后执行相关仿真工作。在仿真帧周期中，由于教员的参与不是非常的频繁，教员命令通过仿真软件转发。为确保教员命令执行的可靠性，教员软件与仿真软件间通过建立TCP连接通道传送仿真控制命令，而仿真数据交换和模拟器操作控制命令则采用无连接的UDP协议，为了减少数据交换的次数，在UDP通道上采用多播(Multicast)的方式进行通讯，模拟器各个网络节点根据所需要接收的数据类型分别隶属于一个或多个多播组。
    整个模拟器在教员分系统的指挥控制下，仿真系统根据预先装订好的飞行程序，进行飞行事件和各相关飞船系统的参数仿真；根据仿真数据，驱动模拟座舱仪表板、视景系统和音响系统等，给航天员提供一个逼真的感知场景；通过实时采集航天员在模拟座舱中的手动操作，并由xxxx实时解算，实现仿真系统的人在回路中的交互式仿真；教员台提供软仪表实现模拟座舱仪表板的实时镜像、提供逼真的三维图形化显示软件等供教员参考了解飞行参数、航天员操作和飞行状况。
    为解决仿真时统问题，支持xxxx之间紧密耦合的要求，提xx真模型之间交互效率、同时图1 全任务模拟器体系结构
    降低开发难度，提高可测试程度，xxxx间通过共享内存交换数据，通过Windows系统的信号灯、事件等机制进行同步。
    为达到训练航天员的真实效果，飞行训练模拟器中模拟座舱的仪表采用了直接引用仪表和改装仪表相结合的半实物仪表板系统。为保证模拟座舱仪表板的仿真逼真度，在仿真系统和仪表分系统间采用仪表计算机软件模拟真实飞船的数管功能，将仿真的数据参数转换成标准的仪表数据接收格式，下发到模拟座舱仪表板的系统控制器上供数据解析处理。
    模拟座舱布局保持与真实飞船xx一致，舱内的手动操纵部件，诸如阀门等，通过采集回传仿真系统进行状态相关仿真，同时也用于教员实时检测与评价。
    为模拟与真实场景一致的音响效果，通过控制各种声源在模拟座舱分布的多个音箱上的播放，为航天员在模拟返回舱内创造一个逼真的音响环境，可使航天员体验和熟悉飞行环境的发动机、火工品等音响效果。
    教员软件以手动或通过脚本配置方法实现飞行程序的控制和适应不同训练任务的科目编排。
    视景软件生成的潜望镜、左右舷窗地球纹理图像通过无限远光学投影技术生成模拟座舱的视景供航天员感知。
    专项训练器 专项训练器由专项训练设备、仿真系统、教员系统等组成，进行某些系统的专门操作训练和飞行训练。专项训练器按照航空标准分（1～7）共7个等级。
    我国研制的出舱活动程序训练模拟器属于典型的专项训练器，它用于出舱活动与航天员相关的气闸舱设备和舱外服的正常操作训练、故障训练和出舱程序训练。
    按照模拟器的功能要求和相应的配置考虑，将模拟器系统分为7个分项：常压服分项、气闸舱载设备分项、生保支持设备分项、悬吊移动装置分项、主控与仿真分项、教员台分项和辅助支持分项。
    常压服分项和气闸舱载设备分项是系统的核心［8］。常压服分项由两套常压服、服装控制台及其配套设备组成；气闸舱设备由舱体及其配套设备组成，它们是航天员训练过程中的载体和操作对象；生保支持系统为常压服提供气源压力和液冷支持，配合常压服完成压力制度、液冷功能的模拟以及满足受训航天员的生理需要；悬吊移动装置分项提供常压服的承载功能并能满足常压服小阻力运动；主控与仿真分项完成系统压力模型、电源模型、系统监测以及接口控制与数据采集等功能；教员台分项则完成训练科目的设置、训练的指挥调度等功能；辅助支持分项则完成对系统供电、电视监视和系统通话功能。各分项分别完成模拟器的相关配置，实现相应功能，并且相互协调配合，共同组成模拟器系统，实现模拟器的所有技术指标和功能要求。
    真实条件下的舱外服和过闸程序处于低压乃至真空环境中，带有很大的危险性。在实验室常压下，基本无医学风险，运行代价小，培养航天员熟练掌握过闸操作步骤，是其在后期完成低压环境体验和执行飞行任务的基础。要掌握这种体验性的技能，航天员必须置身在一种相对真实的训练环境中，常压服和气闸舱载设备应当尽可能接近真实的环境和功能。
    由于这种操作技能与失重条件密切相关，为保障训练难度，接近飞行状态，减少航天员在轨任务的适应过程，应在地面训练环境中设计无支撑悬吊装置系统，平衡重力，减少摩擦力，辅助其训练中自主移动。
    由于在真实气闸舱内设计悬吊移动机构的复杂性和活动空间的矛盾，无法建立完整一体的气闸舱舱体，通过舱压模型＋仪表仿真显示来模拟。
    在常压环境下，利用反向模式模拟真实出舱活动中的服装压力变化情况，从在轨检查、轨道舱泄压、大流量冲洗、吸氧排氮、轨道舱再次泄压、服装气密性检查、出舱、气闸舱复压等过程。
    在常压环境中，舱外服中水升华器不工作，将液冷循环引出服装，通过生保支持的冷源进行外置式换热；为了保障训练的安全性并考虑多人次重复训练的费用问题，将服装内纯氧改为空气，按模型计算量“供氧”，降低火灾的风险；将舱外服内一次性的生保净化品改为全程开路通风（流量保持在医学要求范围内）。利用前端稳定输入、后端流量控制来进行服装内的压力调节。
    考虑模拟故障的功能、真实设备在常压开放环境下无法工作（舱门检漏仪）和减少研制的代价，气闸舱与出舱活动相关的设备采用操作功能模拟件来实现；
    构建起来的出舱活动程序训练模拟器是一个以离散事件为驱动、集全实物仿真、半实物仿真和数字仿真为一体的人在回路中的实时仿真系统。受训者的操作事件驱动整个程序操作的训练。
    计算机辅助训练器 计算机辅助训练器最初用于飞行的理论教学，可以利用计算机图形图像、语音、虚拟现实等等手段进行航天员初步训练。
我国针对航天员出舱活动程序任务的需要，研制开发了出舱活动学习系统，利用三维虚拟交互模式构建了执行出舱任务所需的舱内设备的操作、舱外服的操作和出舱程序的操作。

    关键技术研究及对策

    从航天飞行训练模拟器实现的体系来看，模拟器的功能实现比较复杂，涉及到诸多学科。从目前技术发展来看，主要需要完善或突破有如下关键技术。
    体系结构 为满足不同型号任务飞行训练的需要，模拟器中的体系结构设计应该体现通用型。通用型是指设计上要尽可能适应多型号、多任务的需要，在体系组成、通讯交互、接口设置、功能实现等要充分考虑，留有冗余量。
    通常是建立一个适应训练仿真的体系平台，提供一个开放的、面向对象体系结构；提供通用的、相对独立的支撑服务程序、将应用层与底层环境分离。比如美国军方用于分布式仿真的HLA(high level architecture)平台。
    目前的航天训练模拟器一般是集中式仿真体系。可以系统采用基于插件（PLUG IN）的模式来实现仿真平台的支撑与训练仿真功能的实现。系统的框架以类工厂虚拟可动态加载、配置的框架的形式存在，功能是通过插件动态库来实现的。通过系统接口来调用功能，系统调用又是以配置文件的形式来确定调用的方式、时序、功能的表现形式、数据通讯方式、数据接口等。这样每个型号、不同任务的更动只需更换相关部分的动态库、脚本就可以，不需要对整个软件体系进行重构。在系统软件功能容易变动的地方，设置可以不用代码二次编译的配置文件驱动，减少了许多代码的编写、编译、生成等任务。典型的是飞行的程序装订、飞行事件的驱动、信息交互的配置等。目前开源飞行训练软件Orbiter、FlightGear等都采用了这种形式。系统共用的一些信息管理，比如软件版本的控制、机器通讯的设置、信息的读取可以利用集中数据库存取方法。Linux下可以采用NFS方式，Windows采用映射异地盘符等方法。
    模拟器体系中的硬件数据通信接口采用通用的标准总线结构，建立即插即用的硬件体系结构，如VME、VxI、PCI等，这些通信接口卡主要用于完成数据的采集、驱动、传输等功能。VME(Versa Module Eurocard)结合了Motorola公司Versa总线的电器标准和欧洲建立的Eruocard标准的机械形状因子，形成一个开放式构架并定义了一个在紧密耦合硬件构架中可以进行互联数据处理、数据存储和连接外围控制器之间的系统。VxI是一种高速计算机总线在仪器领域中扩展，具有标准开放、结构紧凑、数据吞吐能力强、{zg}可达40 Mb/s，定时和同步xx，模块可重复利用，众多仪器厂家支持。随着普通微机的普及，现在多趋向于PCI总线，甚至于PCI E，它的特点是通讯速率高、可以方便转换各种其他接口，已经广泛应用于仪器设备采集、驱动、数据传输等领域，PCI接口已经成为模拟器通信接口数据的一个主流。这种硬件对外的交互采用网络TCP/IP或USB来进行交互通讯。
    模型构建与实现 航天飞行训练中，仿真数学模型涉及了航天器几乎所有的系统。数学模型通常通过如下的手段来获取，一是理论模型，二是通过飞行试验数据插值所获取的数据模型；三是通过飞行试验数据辨识与修正的工程飞行模型［9］。
    航天飞行训练模拟器中，模型的目的主要是面对训练，所以模型的构建主要是针对航天员所感知到的数据，包括仪表所显示的各个分系统的数据和机构操纵所产生的数据，所以模型的构建要针对训练目的。但通常国际上惯例，训练模拟器通常也具有工程验证功能，Apollo 13应急中的从模拟器中取得操作方法就是典型的例子。在具体实施中，模型主要从工程出发，一般采用以理论模型为主，通过每次的飞行试验数据进行修正。
    模型建立主要以纯数学模型为主，在具体应用前一般通过仿真进行验证与校验，分析模型的准确性、xx性等。常用的仿真工具是Matlab，利用仿真的数据与实际工程的实测数据比对，不断地进行数学模型的逼近。航天器不同分系统产生的航天员感知/操纵数据对仿真的数据关注程度有所不一，对于模型逼近或者说模型本身的要求也根据实际情况实施。模型仿真要考虑人的感知、机器的运算承载能力、仿真步长之间的矛盾。仿真步长过小，数据精度较高，数据的刷新率高，对机器的承载带来了负荷，实际上已经远远超出人的感知和工程训练需要的能力。仿真步长过大，仿真的xx度降低，有时模型也无法收敛。针对不同的模型，仿真步长根据训练需求和模型本身可能存在区别。模型也要考虑奇异性问题，典型的应用就是对于航天器姿态仿真采用四元数法而不采用欧拉角［10］。
    模拟器中模型是通过编程仿真实现。考虑模拟器适应不同型号任务的需要，模型的实现尽可能减少实现更动的二次编译。典型的是具体的数学模型、输入参数和限制条件以脚本形式，由程序装载进行内部解析转换自动实现。比如通过XML语言构建航天器的参数，这是目前比较常用的方法；通过Tcl/Tk、Python、Ruby这些脚本语言来实现。尤其是Python，在游戏策略更动中得到普及，在模拟器中可以应用到程序策略，模型策略、训练成绩评价等等。在飞行命令解析中，Tcl/Tk是比较好的选择。
    航天器不同模型之间需要数据交互。为保证系统运行的实时性，可以采用共享内存等方法进行数据写入和读取。在需要交互仿真的情况下，为提高交互时序的顺序性和准确性，也为减少编程的复杂度和工作量，可以采用市场上比较通用的中间件技术来实现，比如ACE、ICE、DCOM技术的发布与订阅来实现数据交互等。大型异地的分布仿真可采用HLA体系结构。
    仪表仿真 载人航天器仪表的主要作用是为航天员提供一个全程监视和控制航天器的工作平台，是航天员操作与感知的最主要和最重要的设备。在航天飞行训练模拟器中，仪表仿真是非常重要的，它必须提供在功能和操作上与真实载人航天器尽可能逼真的仪表数据显示和操作。
    飞行训练模拟器上的仪表，按仿真方法可以分为3类：一是直接引用仪表，即全实物仿真；二是改装仪表，即半实物仿真；三是计算机实时图形仿真仪表，即数字仪表或虚拟仪表。全实物仿真的仪表代价较大，且模拟器中需要专门对数据接口进行仿真转换，工程实现复杂；半实物仿真仪表需要对真实仪表进行改造，实现存在风险；虚拟仪表用交互视软件技术来实现，相对简单，代价也小。
    一般模拟器中的座舱中的仪表采用真实仪表。为便于教员对航天员的操作仪表进行实时监测，采用软件实现虚拟仪表用于教员远程监控，虚拟仪表的显示与操作保持与真实仪表同步，即实时镜像。
    随着计算机显示设备和图形化技术的迅速发展，目前虚拟仪表逐渐成为仪表仿真的一个主流。虚拟仪表从开始的简单的只能用于观察监测的单一仪表到现在具有与真实仪表一样具有交互操作功能的仪表。这种具有交互功能的仪表仿真一是可以用在单项仪表训练器上，目前NASA用于航天飞机仪表训练器和用于航空训练的CAE仪表训练器都采用了这种方法。而在模拟器训练中，可以利用舱外的虚拟仪表协助舱内操作真实仪表的航天员完成故障恢复和应急情况下的操作，具有很好的工程应用价值。
    虚拟仪表的实现有多种方法。一是直接编码方式，也就是采用直接使用程序代码实现各种仪表的仿真，不借助于其它辅助二次工具。这种方式简单易行，但在模拟器中，由于需要模拟显示的仪表数量比较多，外观形状差别比较大，程序的编写和修改过程非常复杂，不利用软件的测试和维护。由于载人航天器仪表的状态不断改动和更新，给仪表的仿真带来了诸多不便，代码的重用率较低，界面显示部分的工作需要大量的调整参数，重复劳动较多，代码维护不方便。如果通过切换位图来实现仪表显示画面的仿真，虽然实现方法比较简单，但要消耗大量的内存来实现位图的更换。二是所见即所得的控件生成方式。为解决虚拟仪表仿真硬编码方式所存在的问题，有必要编写通用的代码或程序，以控件化的方式使用。无论系统状态怎么改变，仪表仿真实现都可以通过所见即所得的方式进行配置修改。需要改动配置文件，就可以实现界面的调整。目前市场上有诸多的产品如SAMMI、GLStudio、VAPS、LabView。
    目前在控件生成方式的基础上，出现了基于插件的仪表生成方式，即仪表的生成采用可配置、可编辑、可重用、可增加或删除的类似于搭积木形式的插件模式。且仪表的实现由简单的贴图片方式，逐渐转向三维发展。虚拟镜像的仪表越来接近沉浸感。交互式三维虚拟仪表成为航天训练仪表的一个趋势。
    舱载设备仿真 模拟器{zd0}的特点就是要构建航天员感知的人机操作感知界面，主要包括飞行器需要航天员操作的舱载设备。对于模拟器舱载设备来说，除正常的功能模拟仿真外，也需要模拟器故障模式。同时，考虑到教员对航天员设备操作的实时监测和仿真的需要，设备上的信息和操作也要回传给教员用于监测和评价。
    考虑到实际训练的需要和工程研制代价，舱载设备可以采用如下模式：真实件、功能操作件和外形件3种模式。如果设备具有独立功能，与仿真没有耦合关系或操作事件可以回传，在研制代价较低的情况下可以采用飞船的真实件；有独立功能，与仿真有很大的耦合关系、要模拟故障功能，可采用模拟功能和操作界面的功能操作件；没有操作功能和仿真模拟功能，只是人机界面的空间感觉的舱载设备，可以采用外形模拟件。
随着目前计算机控制和显示技术的迅猛发展，利用电子技术进行真实设备机械、液路信号驱动界面的功能仿真成为主流，实现人机界面的模拟仿真，避免了内部复杂的机械、液路的实际驱动。上述功能的完成需要对真实设备的机理功能以电子技术控制模拟实现，需要对真实设备等效仿真。

    展 望

    随着科学技术的发展，飞行训练模拟器可从以下几个方面再进行深入研究探讨。
    1) 运用机理建模、系统辨识、模糊建模、神经网络建模及模糊神经网络建模等仿真建模技术，可建立各种航天器系统的模型，其动态响应、精度等能够很好的满足训练要求。
    2) 采用计算机成像、数字音响播放、多自由度的运动控制技术使得针对航天的视景、音响、运动模拟技术不断提高，可以非常逼真地模拟航天飞行过程。
    3) 人工智能、神经网络、专家系统等智能技术的应用，可使仿真建模、仿真计算、系统控制及训练评价方法有很大的提高。
    4) 可建立基于虚拟现实技术的训练模拟器。航天领域一个非常xx的计划是用虚拟现实训练模拟器培训“哈勃”望远镜维修任务飞行乘员组和地面支持专家，保证了维修“哈勃”望远镜的成功。
    5) 分布交互式仿真开始应用到大系统联合系统。模拟器、指控中心和飞船3大系统建立天地联合系统，可以进行工程演练与工程决策。

【参考文献】（略）
摘编自：