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飞航模拟技术与运用耿骅 / 民航局数据源：Aircraft interiors international2007年3月号模拟的概念建立在三个基础上：系统、模型与运算处理。将自然或人为的各种复杂“系统”依据物理定律“模型”化后，透过对模型输入、输出的“运算处理”，再对系统进行操作、试验或重现的过程，就称为模拟。前言飞航仿真是一门复杂的系统整合工程，它结合了空气动力、物理、机械、光学、电子、信息科学甚至人因工程等为一体，将飞航情况在地面作出逼真的模拟。在民航界，飞航模拟机主要为训练及考验飞航组员之用，可提供比真飞机更复杂及高真实度之环境模拟，以提高训练效率、降低操作成本与课目风险。惟模拟机的造价并不便宜，以全动式模拟机（FFS，Full Flight Simulator）为例，每台平均造价约在1500万美金左右，需要100名左右工程师，耗费24个月方能完成，如果摊提折旧与库存零件，每小时使用成本约在300至1200美金之间。自1929年用于仪飞训练的林克（Link）机问世以来，模拟也在航空界得到广泛的运用，其效果愈来愈逼真、模拟的课目也愈见完整。因为军用仿真技术属于出口管制项目，数据较难取得，本文仅搜整国内、外民用飞航仿真相关数据，从工程与法规等不同角度切入，对其技术原理与运用方式，择要进行介绍。系统仿真在讨论飞航模拟之前，或许有必要先了解一下不同的模拟方式，再行深入探讨用于飞航模拟的各项技术。模拟的概念建立在三个基础上：系统、模型与运算处理。将自然或人为的各种复杂”系统”依据物理定律”模型”化后，透过对模型输入、输出的“运算处理”，再对系统进行操作、试验或重现的过程，就称为模拟。早期仿真以实体建置为主，计算机高速处理能力和大容量储存装置逐渐成熟后，复杂的数值运算不再成为障碍，加诸外围机电技术的配合，数值模拟技术遂得以蓬勃发展。依模拟架构和方法的不同，可以分为物理模拟、数学模拟、半实物模拟（硬品回路模拟）、真人回路模拟等方式。1. 物理仿真 按照真实系统的物理特性建立实物模型，并在模型上加入各种输入条件进行试验的过程称为物理模拟，空气动力学实验用的风洞、水洞等均属此类。其优点为直观、具体；缺点为模型改变困难。试验时因为模型缩尺的关系，无法反应真正物理现象，需利用相似定律对雷诺数等无因次量进行修正。2. 数学模拟 利用物理统御方程对系统特性加以描述得到数学模型，再对数学模型进行运算与试验的过程称为数学模拟。计算机为数学仿真的核心，其拟真度很大一部分取决于如何处理庞大矩阵的方程式，计算能力愈强，就能够使用愈接近真实的模型；藉助程序与接口的辅助，要修改模型也非常简单而灵活。载具运动状态的计算就是最典型的数学模拟。3. 半实物模拟（硬品回路模拟） 这种模拟方法是将实物与数学模拟相结合，对于简单或变化规律比较清楚的部分以数学模拟为主，复杂或难以实现的部分就以实物或模型替代。4. 真人回路模拟 真人回路模拟就是将操作者加入系统回路中进行仿真，这种方法除了将动态特性透过数学模型，利用计算机进行仿真外，还要求能够作出出视觉、听觉、触觉、平衡感等人工感觉。因为真人已在回路之中，也必需达成在1：1的时间比下，仿真系统仍能流畅运作的实时（Real Time）效果。飞航模拟之所以复杂，在于它是前述各种模拟的综合体：其数据来自风洞等物理模拟；核心为大量计算的数学模拟；在某些装置上，它采用与实 机相同或相仿的组件，属于半实物模拟；模拟机当然要有人在飞，于是成为真人回路模拟。随着不同仿真方式的组合与运用，组成不同等级与价格的飞航仿真机。飞航模拟机的分类美国联邦航空总署（FAA）现行FAR Part 121 Appendix H及AC 120-40B咨询通告规范，民航训练使用的FFS仿真机，依功能及拟真程度分为A、B、C、D四级，其中A为基本级，D为最高级。目前国内航空公司使用的训练仿真机均属Level D等级。1.Level A 最基础之飞航模拟机，为一封闭之全尺寸之飞机驾驶舱，包含仿真之所有系统、仪表、导航装备、通讯、提醒及警告系统。除驾驶座位外，尚需包含考试官及观察员之座位。具有基础之Motion、Visual以及Sound系统。其中Visual系统需提供每位驾驶员水平45度，垂直30度之视角。2. Level B除Level A要求外，需使用实际飞行性能数据作为仿真性能及系统反应之特性。另需加入对地面运动的模拟（Ground Effect Reaction and Handling）。3.Level C除Level B要求外，Visual系统需具仿真昏暗/夜晚（Dust/Night）之功能，并提供每位驾驶员至少75度之视角。Motion系统应为六轴平台控制系统。Sound系统应仿真重要之飞机声响，如Crash Landing。大气模型应可仿真风切（Wind Shear）情况。4. Level D除Level C要求外，应具Day Light/Dusk/Night之Visual系统及真实之飞机声响及振动等模拟反应。利用本级模拟机，视情况可以不经本场（Local）实机考验而取得飞航驾驶员该机型的检定资格，故也被称为零飞时（ZFT，Zero Flight Time）模拟机。国际民航组织和欧盟航空安全局（EASA）、加拿大、澳洲等国民航主管机关对训练用的飞航模拟机都有不同的称呼与标准，未来会逐渐统一，正在法制作业的FAR Part 60与新版的ICAO Doc.9625文件将明确反应这些调和的结果。不具备动感功能的仿真机则由FAA AC 120-45A分类为1-7级的”飞行训练器”（FTD，Flight Training Device），通常用来进行程序训练或飞机系统讲解的教学课目，也有少部分加装故障再现、自我测试（BIT）等功能，成为专用的机务训练模拟机。等级控制负载视景动感视角（每位驾驶）地面模型道面污染音效颤震雷达A静态夜间3轴45x30B静态夜间3轴45x30有有C静态与动态夜间、昏暗6轴75x30有感觉驾舱声音有D静态与动态夜间、昏暗与白昼6轴75x30有感觉并可见实际驾舱声音需进行特性符合检测整合仪表FAA AC 120-40B 飞航仿真机等级规格系统架构民用飞航仿真机依据本身的功能及需求，来决定其组成架构。以系统工程的角度来看，仿真机的主要系统有：1. 六自由度（6 DOF，Degree of Freedom）的动感平台2. 控制负载（Control Loading）3. 实时模拟环境（Real Time Environment）4. 各种仿真所需之数学模型（Modeling）5. 音效系统（Sound System）6. 视效系统（Visual System）7. 输入输出系统（Input/Output System）8. 座舱（Cockpit）本体9. 教官台（IOS，Instructor Operating Station）10. 其它杂项（Misc.），如舱门启动、烟雾、振动等特效加拿大CAE公司所制作的CRJ Level D训练型飞航模拟机美国NASA Ames中心的VMS研究型飞航模拟机事实上，模拟技术大约围绕在三个轴心打转：飞行力学及感觉提示（Flight Dynamics and Cueing）、视觉效果（Visual Effects）和发动机/仪表（Instrument）显示。高级一点的仿真机，除了显示仪表外，还可以仿真出飞行管理系统（FMS，Flight Management System）的页面转换以及机载系统在正常/紧急情况下的显示与反应（如座舱失火产生的警告声响与烟雾）。飞行力学及感觉提示的仿真包括各类力学模型、飞操（Flight Control）与控制负载（Control Loading）和动感平台（Motion Platform）等。视觉系统包括影像产生器（IG，Image Generator），视觉数据库（Visual Database），投影机（Projector），几何矫正系统（Geometry Correction System）及投影屏幕。较高等级仿真机上使用广角平行光学系统（Collimated System）还要外加一个成像用的双曲线镜（Hyperbolic Mirror）。航电仪表包括所有在座舱中的飞航仪表、飞行管理系统、雷达、武器投放等等；次系统仪表则涵盖几乎所有除发动机外的其他配备，诸如电气、液压、气压等等。简单的仪表显示多以软件仿真，复杂的功能如果嫌软件仿真太费事，也可以直接安装价格高昂的装机件（如FMS等）。发动机仿真不仅仿真显示数值，其模型计算出来的推力值也作为力学模型的输入。技术原理一套功能完整的飞航仿真机利用各种技术重现了飞机的系统反应及操作环境，以下分别就模型建立、动感平台、视觉系统、仪表显示仿真、发动机仿真等技术原理进行讨论。n 飞行力学模型如果各种硬件装置是飞航仿真机的躯体，模型就是赋予它生命的灵魂，其中最重要的一个模型就运用牛顿力学所建立的飞行力学模型。该模型以非线性的尤拉角（Euler Angles）运动方程为主，计算出飞机的姿态与加速度，再经积分为速度与位移后，透过视觉、仪表及动感平台”提示（cue）”给模拟机中的驾驶员。飞航模拟机需要在实时环境下处理所有的计算，一般商用及军用规范都要求要有60 Hz（系统每秒钟给出60个视框），其积分时间常数（Integration Constant）就是16ms，16ms以内，所有的计算模块都必需完成运算而得到输出，如何分配不同模块计算资源而能得到实时的运算就成为一件重要的工作。设计之初，软件工程师会先分析各计算模块所需的耗费时间，以选取适当的计算机硬件与资源规划。综合所有外力与外力矩的飞力模型尚未能达到一般训练所要求的飞行质量，此时阻尼项（Damping Terms）必须加入模型中。这种Damping 通常定义为飞机所受空气动力对于飞机角运动的阻滞，这些项目并不会影响模型最终的静态解（Static Performance），主要用于修正操纵特性和动平衡（Dynamic Control Response and Dynamic Stability）。也就是说，在飞航仿真机中的动态反应，并非全然是方程式的求解，而是需要不断地添加、调整一些人工阻尼项方能得到。n 重量与空气动力模型在仿真飞机物理性质时，重量模型（Weight Model）与气动力模型（Aerodynamic Model）决定了所有的飞行特性（Flight Characteristics）和操作反应（Control Response）。模型分别对飞机的机身、机翼、发动机、起落架、尾翼等不同的部位，建立相应的重量与空气动力模型后再加以组合。重量模型具有对应于质心的重量和惯性矩，气动力模型以升力系数Cl、阻力系数Cd等气动参数所构成，这些参数可由风洞吹试、试飞数据分析、计算流体力学（CFD）或是简易的小板法（Panel Method）求得，对不同的alpha（攻角）和 beta（侧滑角）计算出Cd、Cl等值后，再将结果汇整成三个二维的表格（Lookup Table），放在内存中供计算程序取用。最了解这些参数的当然是原始的飞机制造厂家，故制作模型时，尚需花费权利金购买；惟在尚未正式公布的FAR Part 60法规中，已允许系统商以实机飞测的逆向工程来获取这些数据。n 其他模型除了非线性的飞力模型外，起落架也由重量加上弹簧与阻尼（Damper）构成，以对应复杂的”地面运动模型”。其他模型还包括”环境模型”，设定温度、气压值、风速与能见度，以模拟不同之操作情况，还可以提供起降特性的模拟如积雪、湿滑、结冰、道面残胶（Wet-on-rubber）等情况。”大气乱流模型”通常提供”Von Karman”、”Dryden”两个标准乱流模式；”风切模型”与”微爆气流模型”类似，但风切模型是不同强度但单纯的垂直或水平大气运动，”微爆气流”模型则是几个实际飞安案例的重现。上述模型在训练时都有不同的运用时机，也依模型的复杂度赋配不同的计算资源，从而使整体解算为优化。n 飞操与控制负载飞操系统杆力（Stick Force）的模拟，称作”控制负载”。目前中、大型航空器及高速战斗机的飞操系统都采不可逆（Irreversible）式架构，驾驶员并不直接感受来自气动面上的空气动力，而是由俗称”帮机”的人工感觉机件提供操纵量的感觉，故在进行控制负载时，我们只要把每个飞行状态的杆力换成对驾驶杆的驱动力（其实是由液压系统产生相对应的阻力）就可以表现出驾御时的手感了。如果仿真的对象采用可逆式的飞操构架（如中、小型机），则就必需计算不同飞行状态下，加诸于控制面的空气动力，再换算回杆力即可。这种数值化的飞操系统仿真有一个附带的好处，只要修改其中的参数，就可以轻易仿真出飞操系统卡阻等不正常情况。n 动感平台如果是全动式的模拟机，动作感觉的提示还需要靠动感平台才能作到。Level-D的FFS需有6个自由度的平台，由6支致动器分排在上下两个正三角形之中，利用三点决定一个平面的几何原理，控制 6支致动器的长度便可以改变平台的姿态，每支致动器必须有24-60吋不等的行程来模拟。平台上的座舱加上视觉系统及教官台（IOS）等装备重达数吨，要平稳而迅速地驱动如此庞大的系统，在以往只有液压才能提供如此庞大的动力，飞航模拟机的液压设备约有一部箱型车左右大小，常被安置在模拟机棚厂里一个不起眼的角落。大约3年前，荷兰 FCS公司推出了第一套可以满足Level D等级的电动动感平台，其致动器外观与一般液压致动器并无二致，但是里面是一个强力的直流无刷马达来驱动一组来回运动的滚珠导螺杆。目前95以上的模拟机选择液压为动力来源，电动伺服虽然有导螺杆固定磨耗等问题，但仍是一种极为引人的解决方案。平台的姿态控制是经由致动器上的光学传感器提供位置信息并回授给主机，动感计算程序搜集6个致动器的位置并换算为平台现在的姿态，比对主机对平台的命令后再对6个致动器作出伸长或缩短的修正，这个控制大约每秒要执行2万次之多，平台才能表现出平滑的起伏（Heave）、横移（Sway）、推挤（Surge）、滚转（Roll）、仰府（Pitch） 和侧偏（Yaw）等运动。囿于模拟机的行程限制，其六个自由度的动作有限，这些运动并不全然配合物理模型所计算出来的结果，而是基于机构限制和感官特性的考虑，对操作者（驾驶员）所作出的种种提示，很多时候其实是”错觉”而非”感觉”。当然，人是极精密的感测组件，甚至可以感测到0.01G的细微重力变化，若详细探讨各种欺骗技俩，就要进入生理学与人因工程的领域了。n视觉系统视觉系统包括影像产生器、视觉数据库、投影机、几何矫正系统及投影屏幕等。影像产生器是视觉系统的核心，通常的作法是将对象以三角面（Polygons）处理后，再于其上加上纹理（Texture）的效果，大幅提升影像的质量。视觉数据库则是IG的前端，其作用在于产生IG所需的地形地物数据，平时以数据库的形态存在，以Real Time方式执行仿真作业时，IG必需以非常快的速度撷取此数据库而产生影像视讯，故通常都是以面向对象数据库（OODB）的形态来加强其访问速度。几何矫正系统则是顺应飞航姿态的变化造成视角的变动，同一个对象，从不同角度观看，当然也需要调整几何外形才能更加逼真。至于影像投影则区分为实像投影与虚像投影： 一般平价的模拟机都是实像的投影，把视讯送到显示器或用投影机大型屏幕；如果直接送到显示器上，其视角（FOV，Field of View）就由显示器与驾驶眼睛的距离所决定。在PC级的飞行模拟游戏中，这个距离大约就是游戏杆和屏幕短短的方寸之间，故飞行仿真游戏的视角、焦距和真实飞行的差异极大，起落及低空课目时的立体感觉也就完全不同！用投影机打在远处的屏幕上的好处是可以获得极大的视角，视角（立体感）的问题虽然解决了，但从眼点到屏幕的距离总是有限，驾驶员凝视的焦距并非无限大，操作久了还是会觉得眼捷肌有些疲劳。军用教练仪常采用这种成像方式，其屏幕排列为筒形或半球形，用三具投影机分别成像，投影间的接合不连续面与畸变，以软件处理或透过棱镜的方式修正。高级仿真机上使用广角平行光学系统则外加一个成像用的双曲线镜组，镜组由背投影屏幕及双曲线镜屏（Mirror）构成，高流明投影机射出的视景，打在半透明的背投影屏幕上并映像至镜屏中，驾驶员在视域里看到的是镜屏中的平行虚像。整个工作原理和抬头显示器（HUD，Head Up Display）类似，只是HUD通常只要投影射控及飞行所需的字符，成像在无限远处，而平行光学系统则在有限的空间里，利用凹面镜产生亮度极高，但焦距仍为无限远的放大视景。这种作法可以获得极为逼真的画面，唯一的缺点就是飞行员的头部可以转动，但眼睛的上下位置不能作太大的移动，否则视景会产生变形。在一般固定翼飞机上这问题不大，即使执行绕视进场（Circle to Land）课目，只要屏幕够广（目前已达225度，民用型210度已很足够），驾驶员在模拟机里可以把撇头找寻斜后方的跑道，但直升机低空作业时，驾驶员经常得前后左右甚至向下方张望，到处找寻找目视参考点，目前还没有一种成熟的视觉系统满足这种”头可以乱动”的严苛要求。n仪表显示仿真仪表显示的仿真可以从硬模拟及软模拟两个方向导入。硬仿真的部分可以选择价格昂贵、通过适航检定的装机件，通过控制主机上安插的ARINC 429/629或MIL-STD-1553B信号转换卡，将计算结果转换当量与格式后传至真实仪表。软仿真仅是一个外壳加上屏幕的仿真件，则由程序来作整个航电仿真的主控，屏幕只是单纯的视讯显示。就经济效益的角度来讲，反正模拟机就是”仿真”，只要显示出来的航电页面，顺序与内容正确，信号从何而来并不是重点，故目前均以软模拟居多，逼真一点的，甚至两套液压系统间”蹬舵传油”的效果都作得出来。硬模拟的好处是”质感”、”触感”均佳，这点是软模拟永远可望而不可及的。比较特殊的是飞行管理系统（FMS），因为页面内容复杂，又与多个系统有接口关系，除了使用装机件硬模拟外，采用软模拟时，常会以一台称作Rehost的专用计算机来执行。n发动机模拟与飞机的气动力模型一样，发动机模型可以向原厂购买现成，也可以由仿真机系统商自行整合开发或修改既有的模型。一般发动机的模型分成三个模块：第一个模块仿真控油器（HMU/EEC）的作动，连动到大气环境条件和驾驶员油门手柄输入。第二个模块为热力模块，考虑整个热力过程，为了使系统的反应逼真，连散热都会被考虑进去，使关车后尾管温度（EGT）仪表不会神奇地瞬间归零。第三个模块则是动力模块，利用热功当量模拟出压缩机与涡轮的加减速运动。三个模块串连作用，便可将发动机的操作反应作出相当逼真的模拟。模拟机检定标准各国的民航主管机关负责检定与测试在该国内境内操作的飞航模拟机（我国为交通部民用航空局），只有定期接受检定，确保该仿真机的性能达到民航主管机关认可的标准，在其上执行的训练时数与考验才会受到承认。仿真机检定程序依FAA AC 120-40B分为”接受确认测试指南”(ATG，Approval Test Guide)测试与”功能/主观”(Functionality and Subjective)测试两部分。前者有性能、操纵质量、运动系统、杆力等部分；以性能测试为例，依据飞行阶段，分为滑行、起飞、爬升、巡航、进场和落地等，每个阶段选取几个量化参数，用以比较模拟机和实机之间的误差，以反应其运算结果的拟真程度。整个过程由ATG软件直接输出性能分析监视报表，对选定的参数进行容差检测，其他部分也都依据规范要求，由检定人员逐项核实。功能/主观测试则由检定试飞员实际操作模拟机，先对驾驶舱内各个仪表系统进行功能检查，其次对视景的不同投影通道进行?色、亮度、聚焦及机场真实度进行检查，最后还要执行实际的飞行测试，包括了不同天候及特殊状?下的起飞、巡航、着陆等课目，全程约需4个小时，以确认仿真机对各系统操作仿真的准确性。准此，ATG进行的接收确认测试，是对仿真机数学模型和环境模型及其相互影响进行综合性的评定，按性能规范与测试项目，逐项进行测试，记录数据，并与实机试飞数据比较，根据允许误差来评定飞航模拟机的置信度与精度，是一种客观的评估。主观测试由检定驾驶员根据操纵飞行仿真器所作的”仿真飞行”与操纵真实飞机飞行，就其功能、仪表布局、性能进行综合比较，得出”像”或”不像”，或”有哪些地方不像”的评估意见，是整合、定性、主观的结论。一主一客，两种测试结果相辅相成。从事检定驾驶员必需熟悉仿真机系统工程并具有良好的试飞经验，模拟机的维护人员也必需明了如何判读”接收确认测试”的数据并与执行”功能/主观测试”的检定驾驶员沟通，调整仿真机的各项系统参数，从而确保法规的符合性与飞航模拟训练的真实度。运用探讨以上所讨论的飞航模拟机各项技术，很大程度上都是所谓的”训练型”模拟机，特别是在民航运输业内，作为组员机种训练、考验用的Level D模拟机。当使用这种模拟机时，受训组员已具有基本操控技能及相关系统知识，使用高拟真模拟机的目的在于调整思想态度及专业素养。这时，课目的设计就显得极为重要。十年前，航路导向飞行训练（LOFT，Line Oriented Flight Training）课目随CRM训练刚刚引入台湾时，普遍被认为是练习CRM技巧与问题解决演练的有效方法，最近一阵子似乎又没有那么风行。从LOFT课目的开发来看，其实存在着许多问题：其中要包含多少思想训练？个人的 操作技能、组员的协调能力和飞航管理决策三者的比重为何？这些比重的背后又有哪些理论基础？教师机师怎么运用模拟机教官台内的功能灵活赋配课目与任务归询？LOFT课目是AOR、FOM、AOM与经验智慧的结合，LOFT训练在飞行训练中的角色与地位，就是航空公司能否发挥模拟机训练能量的缩影。另外，模拟机训练毕竟只是一种方式，要使模拟机训练发挥作用，就必需将每个模拟机课目置于统一的、合理的训练计划之下，训练计划确立后，随之而能发展教学大纲、执行步骤与考核标准，缺一不可，而这些工作都建立在对飞航仿真机功能与限制全盘了解的基础上。除了利用”训练型”模拟机进行人员训练与考核外，航空界还有许多其他地方应用到模拟技术：在美国加州太空总署（NASA）的Ames实验室，你可以发现建于70年代，如游乐园里”大魔神”般高耸入云的”研究型”垂直运动模拟机（VMS，Vertical Motion Simulator），其高度达60呎，最初设置的目的在模拟SST高速客机的动作，目前对研究单位提供出租服务，可配合需要快速变更座舱布置；欧美若干大学也会购置构型可迅速重组的飞航模拟机，以进行各种学术研究。开发新机型时，往往会先建立一个”工程型”仿真机，以模拟方式对各种装机的软、硬件或全系统进行功能测试，