全飞行模拟机视景系统显示技术的发展
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摘要：自20世紀中期第一台飞行模拟机投入运行以来，模拟机的设计理念、加工工艺、制造手段、电子系统的技术不断进步。航空业界以往虽然对标准40°垂直视场角视景系统感到满意，但如今视景系统的视场角既然可以扩展，这项技术指标的提高就可能刺激航空公司对更高更宽的视场角模拟机视景系统的需求。因为通过增加垂直视场角，飞行员在模拟训练中可得到更多的高度和速度信息，以便在接近地面和滑行时作出快速准确的决定，从而提高训练效果。
关键词：全飞行模拟机；视景系统；显示技术
视景系统是飞行模拟机的重要组成部分，它的作用是为飞行员提供飞行各个阶段如滑行、起飞、爬升、巡航、进近、降落中的各种外界视觉景象信息，如候机楼、其它飞机、跑道、塔台、云雾雨雪、太阳、大地、河流、山峦等。视景系统包括视景计算机、图像发生器、投影与显示子系统。
一、视景系统概况
视景系统负责视景图像的生成和显示，它给飞行员提供虚拟的外部世界。其中图像生成系统负责实时三维图像的生成，投影系统负责将实时三维图像投影到180度环形曲面屏幕上。视景系统的进步包括图像生成系统、投影系统和视景数据库建模三个方面的进步。首先，图像生成系统的PC化趋势。20世纪大型专用图形工作站或图形生成硬件被配置高性能显卡的PC机所取代，代表产品有加拿大CAE公司的Tropos-6000系统和美国RSI公司的RasterF1ite XT系统。该系统具有更小的体积、更小的能耗和更高的图形多边形生成率、纹理填充率。同时OpenGL Shader等新技术的出现和使用使得实时三维视景图像具有更高的逼真度。其次，视景图像投影系统方面，原来广泛应用的“三枪”显像管投影系统被LCOS（硅基液晶）投影机所取代。实际上各类型的LCD、DLP投影机早已存在，但长期以来这类投影机的图像分辨率、对比度、色彩方面一直存在欠缺，只在低端固定飞行训练器上应用。新型LCos投影机在上述三个方面都有巨大的进步，如RSI公司的
Raster FIite XT视景系统采用的JvC公司的DLA一HDlOK投影机，其采用非移动镜面技术，带来色彩稳定，并具有较高分辨率表现的投影画面。分辨率达到1920×1080，对比度达到2500：1，具有影院级的色级和黑色域显示效果。采用该投影机的投影系统亮度可以轻易达到9英尺一朗伯，远大于CCAR一60部法规要求的6英尺一朗伯。因此该类投影机最终取代了“三枪”投影系统在高端飞行模拟机上得到了广泛的应用。该投影系统结构简单、维护简便，图像曲面校正和边缘融合由视景软件完成而不像“三枪”投影系统采用调节投影管偏转扫描电路参数来实现，所以模拟机维护人员在视景的投影图像的校正和投影系统维护工作大大简化，维护成本也进一步降低，故障率明显下降。但新投影系统也正因其调
节手段单一，所以各视景投影通道亮度、模拟仿真视景环境的不同时间段色彩平衡较原先“三枪”系统需要更多的调试技巧。最后，在视景数据库方面，开发工具普遍采用Multigen Creator软件H。取代各厂商的自有视景建模工具。各厂商仅开发一些辅助插件或编译软件，完成对视景数据库的编泽、加密工作，保证其知识产权。由于图像生成PC的性能飞跃，全球高层数据、高精度卫星照片和地貌矢量数据库的引入，开发出的视景数据库具有更高的逼真度。在具备增强型近地警告（EGPWS）的现代大型飞机模拟机上，导航显示仪表（ND）实时显示的地形能与视景数据库中显示的地形完美匹配。同时一种全新的全球地形数据库技术被广泛采用，即视景图像中的地形由储存在硬盘中的高层数据和卫星照片数据实时合成。在具备该技术模拟机飞行时，飞行员飞行到全球各地，其所见的地形、地貌都与真实环境接近。而原来的视景系统当飞出机场数据库建模范围后，只能以大块的平坦地貌进行代替，无法反映真实地形、地貌。该技术是计算机性能的飞速发展、全球高层数据和卫星照片普及的产物。
二、全飞行模拟机视景系统显示技术
1.60°垂直视场角视景系统的开发.60°垂直视场角视景系统的开发时间非常短。SEOS公司的工程师1997年春天在瑞士洛桑召开的国际训练设备研讨会上第一次提出了满足FAA AC-63咨询通告中对D级直升机模拟机技术规范的实现方案。在这个理论方案的基础上，生产出了一套全比例的样机。次年他们就证明样机演示的结果完全符合理论要求。紧接着SEOS就生产出了一台60°垂直视场角的标准产品。为了满足垂直视场角增加50%的要求，SEOS将其投影系统的镜面半径从10 ft增大到11 ft，这样投影系统的总重量增加了60%，而且还不包括投影器和支撑平台的重量。SEOS指出这个方案比采用玻璃镜面的40°垂直视场角的系统还是要轻一些，总重量大约增加25%左右。扩展视场角所面临的最大挑战是必须满足D级标准对亮度、分辨率和对比度的要求。对于60°垂直视场角的系统来说，每个通道的面积比40°的系统增加了大约20%。由此便出现了白天场景亮度稍暗的情况。
2.超越模拟机技术规范。在近十五年中，除了对D级直升机模拟机外，FAA和其他各国民航局未对模拟机技术规范作较大的修改。航空公司训练用的模拟机视景系统仍然只要求150°×40°的视场。实际上D级模拟机也未要求必须使用全景式视景系统，允许使用广角显示器提供的图像系统。标准的150°水平视场角的系统为每个飞行员提供了75°的视角。十年前推出的180°系统能让飞行员在飞机盘旋进近第4边转弯到与跑道成90°夹角位置时可以看到跑道尽头。从理论上讲，在驾驶舱两边各增加15°的视场角并不困难，并且180°水平视场可由现成的3通道投影器实现。
3.投影系统由传统的5通道减少为3通道。例如CAE电子公司为芬兰航空公司生产了一台A330全飞行模拟机，他们仅采用了3个通道就实现了200°×40°的视场要求。这套MAXVUE Plus显示系统从根本上改变了典型的5通道投影系统，并且通过了D级鉴定。另外他们还为另一个客户生产了一套3通道200°的系统。对投影系统进行的重新设计和技术改造，使用了EIS-BARCO的投影器和CAE的专利镜头可以充分利用整个投影头的荧光屏，而且决不会烧毁荧光屏。CAE坚信，由于减少了两个通道的投影头，这种低成本的视景系统将会得到越来越广泛的应用，而且，这种200°的投影系统最终会成为模拟机视景系统的行业标准。比如说，澳大利亚民航部门已经要求：低标准天气条件下的复训必须在安装了200°视景系统的模拟机上完成。而FAA和CAA则表示在近期内不会强制要求。
总而言之，在多项新技术、新理念广泛应用在飞行模拟机的今天，飞行模拟机的飞行逼真程度在不断提升，维护成本和使用成本在不断下降，人性化的操作界面给飞行员和维护工作人员提供了更好的飞行训练和维护环境，相关的法规和训练模式也正在进行调整和改进。模拟飞行仿真正以崭新的面貌展现在世人面前。
参考文献
[1]康霞.飞行模拟机视景系统的故障诊断[M].北京：国防工业出版社，2016.
[2]许海.微小型无人驾驶直升机建模与仿真分析[J].电光与控制，2016，13（3）：49-53.
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