飞行模拟训练分布交互视景仿真系统研究

飞行模拟训练分布交互视景仿真系统研究

黄涛1王志国2于宙3

1..61769部队山西文水032100；

2.陆军航空兵学院领航与射击教研室北京101123；

3.陆军航空兵学院领航与射击教研室北京101123

摘要：随着计算机成像技术的兴起，视景仿真技术已经越来越多的被应用于各种军事训练中。分布交互式视景是飞行模拟系统的重要组成部分，主要特点是分布性、交互性和实时性。分布性是指视景系统在物理位置上分布的，处理能力是分布的，计算机能力是分布的；各系统单元采用局域网进行数据通信。交互性是指人与模拟器平台之间、模拟器平台之间、模拟器平台与环境之间都会有用信息交换而进行的交互作用。

关键词：飞行训练；分布交互；视景仿真

随着机载电子设备技术的迅速发展，飞参的作用也发生了巨大的变化，与飞机的维护、训练和飞行安全等越来越密切相关。当前多数部队所配发的飞参判读系统功能较为单一，需要药费大量的时间对飞行数据进行分析处理，只能为飞行人员提供二维曲线图和数据报表，无法为飞行训练提供快速、高效、直观的训练质量分析评估。当前视景仿真技术已在飞行模拟训练中被广泛应用，其逼真的仿真环境和训练效果得到了飞行人员的一致认可，分布交互式视景的特点为直升机模拟器编队飞行的实现提供了可能性。

一、视景仿真技术

1、技术简介。视景仿真是一种基于可计算信息的沉浸式交互环境，具体地说，就是采用以计算机技术为核心的现代高科技生成逼真的视、听、触觉一体化的特定范围的虚拟环境，用户借助必要的设备以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互作用、相互影响，从而产生“沉浸”于等同真实环境的感受和体验。其作为计算机技术中最为前沿的应用领域之一，它已经广泛应用于虚拟现实、模拟驾驶、场景再现、城市规划及其它应用领域。计算机仿真又称全数字仿真，是根据相似原理，利用计算机来逼真模仿研究系统中的研究对象，将研究对象进行数学描述，建模编程，并且在计算机中运行实现。作为计算机仿真的组成部分，视景仿真采用计算机图形图像技术，根据仿真的目的，构造仿真对象的三维模型并再现真实的环境，达到非常逼真的仿真效果。

2、技术组成。随着计算机成像技术的飞速发展和高速、高性能处理器的广泛应用，视景仿真技术也得到了较快的发展，已成为飞行训练仿真领域最为关键的技术之一。视景仿真技术主要包括视景显示技术和视景生成技术。由于在飞行训练过程仿真再现中对视景显示技术无过多要求，所以在此对显示技术就不作过多介绍。在飞行模拟训练系统中为了达到实时逼真的效果，图形计算机多是采用性能强大、价格昂贵的图形工作站，比如SGI、昆腾、益世等大型专业图形工作站。而今，计算机技术的高速发展使得基于PC机的硬件平台已能胜任一些对实时性和逼真度要求不高的仿真应用。

二、系统总体设计

1、视景数据库的设计。视景数据库主要由地形数据库、模型数据库、纹理数据库及配置文件组成。地形数据库是整个视景仿真系统的数据基础，它的质量直接影响到整个系统的训练效果，采用项目管理的方式管理三维地形数据，提供了地形模型生成向导Interviewer工具，将数字高程模型、卫星照片数据和文化信息数据分类载入后，通过设置参数，即可进行地形整体建模。三维模型数据库包括机场地面建筑，以及保障车辆、直升机、装甲车辆等三维活动实体模型。针对直升机飞行速度较慢，飞行高度较低，飞行员能够清晰地分辨舱外景象的特点，视景仿真系统的地形轮廓、文化特征、活动目标、纹理等应达到低空飞行的要求。地形高程数据应不低于1∶25万比例尺，地形纹理分辨率应不大于5米/像素。纹理数据库保存地形数据库和模型数据库所用到的纹理资源，而配置文件用来储存视景系统运行所需的系统和对象属性的缺省设置信息。

2、视景控制程序设计。视景显示系统采用Quantum3D公司的软件系统的视景实时渲染引擎具备以下优势。

1）主控计算机与视景系统的接口。在主控计算机与视景系统的接口实现上，本系统采用了Mantis支持的公共图形发生器接口（CIGI），CIGI是一个数据协议包，它的数据包类型主要包括：定义数据包、控制数据包、请求数据包和响应数据包；主仿真计算机与IG系统都遵循CIGI协议，通过双向通讯交换数据，如主控计算机发送直升机的位置、飞行姿态等信息给IG显示，IG接受主控计算机的地形请求数据包并返回地形数据如地面建筑，直升机距地面高度等信息。

2）视景控制程序设计。视景仿真主要工作包括MantisClientGUI界面设

计和视景仿真程序设计。视景仿真框架图如图。

Client的GUI界面设计主要包括基本环境设置、模型、地形数据载入、特效环境设置和对Server端通信配置。视景仿真程序设计主要完成视景仿真过程，为用户提供流畅的视景仿真结果，通过接受主控仿真数据，结合配置好的Client端，对Server端驱动，生成整个视景。主要内容包括实时数据驱动算法实现、实时仿真数据处理、场景调度与管理、碰撞检测与响应等。

3、网络结构的设计。为了实现直升机模拟器的编队飞行，飞行模拟系统采用两级网络体系结构，一级网络实现模拟器之间及其他系统之间的联网，采用1000M以太网，作为系统的主干网，以便提高视景的实时性；并按照统一的协议和标准接口，保证系统内各模拟器在同一训练环境下的可交互性，实现视景帧和数据传输同步，满足多机多科目训练的需要。

三、飞行训练分布交互技术解决方案

1、网络仿真的实时性。为了保证网络仿真的实时性，应解决两个技术问题：仿真时间同步控制和数据传输延迟补偿。网络系统时间同步精度取决于单机的时间精度和网络延时。网络延迟由计算机性能、网络性能、网络协议以及网络数据流量决定，100/1000M网络可保证从网卡到网卡的传输率是几十到几百微秒，网卡和网络应用程序的数据传输最多几个毫秒，所以整个网络上的传输延迟为毫秒级。为提高时间同步精度，在系统设计时采取以下措施：提高单机的实时精度；优化网络通讯软件。为了保证各节点之间的时间同步，在训练控制台增加一个时间管理计算机，定时发送标准时间数据包给各节点主控计算机，确保系统内部的时间同步。网络数据传输延迟补偿采取以下方法解决：状态数据包加入时间戳，判断数据是否更新；多帧缓存，同时使用缓存区内一个时间戳的数据。

2、实体三维模型简化。视景中的实体主要由几何模型表示，大量的多边形的绘制对实体实时显示带来极大的挑战，导致大量的内存交换，降低了系统的实时交互速率。在不断提升硬件处理能力时，系统中通过Creator软件来简化三维模型的数据量。

1）使用纹理来代替多边形造型。采用纹理技术而不是通过增加几何造型复杂度来提高逼真度，纹理不仅增加了细节水平以及景物的真实感，更重要的是大大减少了视景多边形的数量，因而提高了视景显示刷新率。

2）实例（instance）使用。实例就像是一个模型的众多影子，而实际物体只有一个。如果同一物体在场景中多次被使用，而其它属性都一样，那么可以只建立一个模型，在以后的使用过程中只要通过运用实例的方法来引用该模型即可。

基于分布式视景系统体系结构采用了一个客户对应多个服务器的体系结构，具有扩展性和兼容性，按照统一的协议和标准接口，实现了视景多通道同步；通过提高单机仿真、网络传输的实时性和建立统一的坐标系，提高了视景仿真的实时性和空间一致性。

参考文献：

[1]王鸿洁，常国岑，李学军.多机协同的分布式海上攻防视景仿真[J].系统仿真学报，2015，19（3）：40.

[2]龙勇，黄先祥，张志利.基于视景仿真分布式列车仿真系统的视景生成设计[J].系统仿真学报，2016，18（7）：13.