全飛行模擬機視景系統顯示技術的發展
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摘要：自20世紀中期第一臺飛行模擬機投入運行以來，模擬機的設計理念、加工工藝、制造手段、電子系統的技術不斷進步。航空業界以往雖然對標準40°垂直視場角視景系統感到滿意，但如今視景系統的視場角既然可以擴展，這項技術指標的提高就可能刺激航空公司對更高更寬的視場角模擬機視景系統的需求。因為通過增加垂直視場角，飛行員在模擬訓練中可得到更多的高度和速度信息，以便在接近地面和滑行時作出快速準確的決定，從而提高訓練效果。
關鍵詞：全飛行模擬機；視景系統；顯示技術
視景系統是飛行模擬機的重要組成部分，它的作用是為飛行員提供飛行各個階段如滑行、起飛、爬升、巡航、進近、降落中的各種外界視覺景象信息，如候機樓、其它飛機、跑道、塔臺、云霧雨雪、太陽、大地、河流、山巒等。視景系統包括視景計算機、圖像發生器、投影與顯示子系統。
一、視景系統概況
視景系統負責視景圖像的生成和顯示，它給飛行員提供虛擬的外部世界。其中圖像生成系統負責實時三維圖像的生成，投影系統負責將實時三維圖像投影到180度環形曲面屏幕上。視景系統的進步包括圖像生成系統、投影系統和視景數據庫建模三個方面的進步。首先，圖像生成系統的PC化趨勢。20世紀大型專用圖形工作站或圖形生成硬件被配置高性能顯卡的PC機所取代，代表產品有加拿大CAE公司的Tropos-6000系統和美國RSI公司的RasterF1ite XT系統。該系統具有更小的體積、更小的能耗和更高的圖形多邊形生成率、紋理填充率。同時OpenGL Shader等新技術的出現和使用使得實時三維視景圖像具有更高的逼真度。其次，視景圖像投影系統方面，原來廣泛應用的“三槍”顯像管投影系統被LCOS（硅基液晶）投影機所取代。實際上各類型的LCD、DLP投影機早已存在，但長期以來這類投影機的圖像分辨率、對比度、色彩方面一直存在欠缺，只在低端固定飛行訓練器上應用。新型LCos投影機在上述三個方面都有巨大的進步，如RSI公司的
Raster FIite XT視景系統采用的JvC公司的DLA一HDlOK投影機，其采用非移動鏡面技術，帶來色彩穩定，并具有較高分辨率表現的投影畫面。分辨率達到1920×1080，對比度達到2500：1，具有影院級的色級和黑色域顯示效果。采用該投影機的投影系統亮度可以輕易達到9英尺一朗伯，遠大于CCAR一60部法規要求的6英尺一朗伯。因此該類投影機最終取代了“三槍”投影系統在高端飛行模擬機上得到了廣泛的應用。該投影系統結構簡單、維護簡便，圖像曲面校正和邊緣融合由視景軟件完成而不像“三槍”投影系統采用調節投影管偏轉掃描電路參數來實現，所以模擬機維護人員在視景的投影圖像的校正和投影系統維護工作大大簡化，維護成本也進一步降低，故障率明顯下降。但新投影系統也正因其調
節手段單一，所以各視景投影通道亮度、模擬仿真視景環境的不同時間段色彩平衡較原先“三槍”系統需要更多的調試技巧。最后，在視景數據庫方面，開發工具普遍采用Multigen Creator軟件H。取代各廠商的自有視景建模工具。各廠商僅開發一些輔助插件或編譯軟件，完成對視景數據庫的編澤、加密工作，保證其知識產權。由于圖像生成PC的性能飛躍，全球高層數據、高精度衛星照片和地貌矢量數據庫的引入，開發出的視景數據庫具有更高的逼真度。在具備增強型近地警告（EGPWS）的現代大型飛機模擬機上，導航顯示儀表（ND）實時顯示的地形能與視景數據庫中顯示的地形完美匹配。同時一種全新的全球地形數據庫技術被廣泛采用，即視景圖像中的地形由儲存在硬盤中的高層數據和衛星照片數據實時合成。在具備該技術模擬機飛行時，飛行員飛行到全球各地，其所見的地形、地貌都與真實環境接近。而原來的視景系統當飛出機場數據庫建模范圍后，只能以大塊的平坦地貌進行代替，無法反映真實地形、地貌。該技術是計算機性能的飛速發展、全球高層數據和衛星照片普及的產物。
二、全飛行模擬機視景系統顯示技術
1.60°垂直視場角視景系統的開發.60°垂直視場角視景系統的開發時間非常短。SEOS公司的工程師1997年春天在瑞士洛桑召開的國際訓練設備研討會上第一次提出了滿足FAA AC-63咨詢通告中對D級直升機模擬機技術規范的實現方案。在這個理論方案的基礎上，生產出了一套全比例的樣機。次年他們就證明樣機演示的結果完全符合理論要求。緊接著SEOS就生產出了一臺60°垂直視場角的標準產品。為了滿足垂直視場角增加50%的要求，SEOS將其投影系統的鏡面半徑從10 ft增大到11 ft，這樣投影系統的總重量增加了60%，而且還不包括投影器和支撐平臺的重量。SEOS指出這個方案比采用玻璃鏡面的40°垂直視場角的系統還是要輕一些，總重量大約增加25%左右。擴展視場角所面臨的最大挑戰是必須滿足D級標準對亮度、分辨率和對比度的要求。對于60°垂直視場角的系統來說，每個通道的面積比40°的系統增加了大約20%。由此便出現了白天場景亮度稍暗的情況。
2.超越模擬機技術規范。在近十五年中，除了對D級直升機模擬機外，FAA和其他各國民航局未對模擬機技術規范作較大的修改。航空公司訓練用的模擬機視景系統仍然只要求150°×40°的視場。實際上D級模擬機也未要求必須使用全景式視景系統，允許使用廣角顯示器提供的圖像系統。標準的150°水平視場角的系統為每個飛行員提供了75°的視角。十年前推出的180°系統能讓飛行員在飛機盤旋進近第4邊轉彎到與跑道成90°夾角位置時可以看到跑道盡頭。從理論上講，在駕駛艙兩邊各增加15°的視場角并不困難，并且180°水平視場可由現成的3通道投影器實現。
3.投影系統由傳統的5通道減少為3通道。例如CAE電子公司為芬蘭航空公司生產了一臺A330全飛行模擬機，他們僅采用了3個通道就實現了200°×40°的視場要求。這套MAXVUE Plus顯示系統從根本上改變了典型的5通道投影系統，并且通過了D級鑒定。另外他們還為另一個客戶生產了一套3通道200°的系統。對投影系統進行的重新設計和技術改造，使用了EIS-BARCO的投影器和CAE的專利鏡頭可以充分利用整個投影頭的熒光屏，而且決不會燒毀熒光屏。CAE堅信，由于減少了兩個通道的投影頭，這種低成本的視景系統將會得到越來越廣泛的應用，而且，這種200°的投影系統最終會成為模擬機視景系統的行業標準。比如說，澳大利亞民航部門已經要求：低標準天氣條件下的復訓必須在安裝了200°視景系統的模擬機上完成。而FAA和CAA則表示在近期內不會強制要求。
總而言之，在多項新技術、新理念廣泛應用在飛行模擬機的今天，飛行模擬機的飛行逼真程度在不斷提升，維護成本和使用成本在不斷下降，人性化的操作界面給飛行員和維護工作人員提供了更好的飛行訓練和維護環境，相關的法規和訓練模式也正在進行調整和改進。模擬飛行仿真正以嶄新的面貌展現在世人面前。
參考文獻
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