飛航模擬技術與運用 Technique of Flight Simulator

飛航模擬技術與運用 文章日期：2011-07-12 08:16 飛航模擬技術與運用 耿驊 / 民航局 資料來源：Aircraft interiors international 2007年3月號 模擬的概念建立在三個基礎上：系統、模型與運算處理。將自然或人為的各種複雜「系統」依據物理定律「模型」化後，透過對模型輸入、輸出的「運算處理」，再對系統進行操作、試驗或重現的過程，就稱為模擬。 前言 飛航模擬是一門複雜的系統整合工程，它結合了空氣動力、物理、機械、光學、電子、資訊科學甚至人因工程等為一體，將飛航情況在地面作出逼真的模擬。在民航界，飛航模擬機主要為訓練及考驗飛航組員之用，可提供比真飛機更複雜及高真實度之環境模擬，以提高訓練效率、降低操作成本與課目風險。惟模擬機的造價並不便宜，以全動式模擬機（FFS，Full Flight Simulator）為例，每台平均造價約在1500萬美金左右，需要100名左右工程師，耗費24個月方能完成，如果攤提折舊與庫存零件，每小時使用成本約在300至1200美金之間。自1929年用於儀飛訓練的林克（Link）機問世以來，模擬也在航空界得到廣泛的運用，其效果愈來愈逼真、模擬的課目也愈見完整。因為軍用模擬技術屬於出口管制項目，資料較難取得，本文僅蒐整國內、外民用飛航模擬相關資料，從工程與法規等不同角度切入，對其技術原理與運用方式，擇要進行介紹。 系統模擬 在討論飛航模擬之前，或許有必要先瞭解一下不同的模擬方式，再行深入探討用於飛航模擬的各項技術。 模擬的概念建立在三個基礎上：系統、模型與運算處理。將自然或人為的各種複雜「系統」依據物理定律「模型」化後，透過對模型輸入、輸出的「運算處理」，再對系統進行操作、試驗或重現的過程，就稱為模擬。早期模擬以實體建置為主，電腦高速處理能力和大容量儲存裝置逐漸成熟後，複雜的數值運算不再成為障礙，加諸週邊機電技術的配合，數值模擬技術遂得以蓬勃發展。依模擬架構和方法的不同，可以分為物理模擬、數學模擬、半實物模擬（硬品迴路模擬）、真人迴路模擬等方式。 1.　 物理模擬　 按照真實系統的物理特性建立實物模型，並在模型上加入各種輸入條件進行試驗的過程稱為物理模擬，空氣動力學實驗用的風洞、水洞等均屬此類。其優點為直觀、具體；缺點為模型改變困難。試驗時因為模型縮尺的關係，無法反應真正物理現象，需利用相似定律對雷諾數等無因次量進行修正。 2.　 數學模擬　 利用物理統御方程對系統特性加以描述得到數學模型，再對數學模型進行運算與試驗的過程稱為數學模擬。電腦為數學模擬的核心，其擬真度很大一部分取決於如何處理龐大矩陣的方程式，計算能力愈強，就能夠使用愈接近真實的模型；藉助程式與介面的輔助，要修改模型也非常簡單而靈活。載具運動狀態的計算就是最典型的數學模擬。 3.　 半實物模擬（硬品迴路模擬）　 這種模擬方法是將實物與數學模擬相結合，對於簡單或變化規律比較清楚的部分以數學模擬為主，複雜或難以實現的部分就以實物或模型替代。 4.　 真人迴路模擬　 真人迴路模擬就是將操作者加入系統迴路中進行模擬，這種方法除了將動態特性透過數學模型，利用電腦進行模擬外，還要求能夠作出出視覺、聽覺、觸覺、平衡感等人工感覺。因為真人已在迴路之中，也必需達成在1：1的時間比下，模擬系統仍能流暢運作的即時（Real Time）效果。 飛航模擬之所以複雜，在於它是前述各種模擬的綜合體：其數據來自風洞等物理模擬；核心為大量計算的數學模擬；在某些裝置上，它採用與實 機相同或相仿的組件，屬於半實物模擬；模擬機當然要有人在飛，於是成為真人迴路模擬。隨著不同模擬方式的組合與運用，組成不同等級與價格的飛航模擬機。 飛航模擬機的分類 美國聯邦航空總署（FAA）現行FAR Part 121 Appendix H及AC 120-40B諮詢通告規範，民航訓練使用的FFS模擬機，依功能及擬真程度分為A、B、C、D四級，其中A為基本級，D為最高級。目前國內航空公司使用的訓練模擬機均屬Level D等級。 1.　Level A　 最基礎之飛航模擬機，為一封閉之全尺寸之飛機駕駛艙，包含模擬之所有系統、儀表、導航裝備、通訊、提醒及警告系統。除駕駛座位外，尚需包含考試官及觀察員之座位。具有基礎之Motion、Visual以及Sound系統。其中Visual系統需提供每位駕駛員水平45度，垂直30度之視角。 2.　 Level B　除Level A要求外，需使用實際飛行性能數據作為模擬性能及系統反應之特性。另需加入對地面運動的模擬（Ground Effect Reaction and Handling）。 3.　Level C　除Level B要求外，Visual系統需具模擬昏暗/夜晚（Dust/Night）之功能，並提供每位駕駛員至少75度之視角。Motion系統應為六軸平台控制系統。Sound系統應模擬重要之飛機聲響，如Crash Landing。大氣模型應可模擬風切（Wind Shear）情況。 4.　 Level D　除Level C要求外，應具Day Light/Dusk/Night之Visual系統及真實之飛機聲響及振動等模擬反應。利用本級模擬機，視情況可以不經本場（Local）實機考驗而取得飛航駕駛員該機型的檢定資格，故也被稱為零飛時（ZFT，Zero Flight Time）模擬機。 國際民航組織和歐盟航空安全局（EASA）、加拿大、澳洲等國民航主管機關對訓練用的飛航模擬機都有不同的稱呼與標準，未來會逐漸統一，正在法制作業的FAR Part 60與新版的ICAO Doc.9625文件將明確反應這些調和的結果。 不具備動感功能的模擬機則由FAA AC 120-45A分類為1-7級的「飛行訓練器」（FTD，Flight Training Device），通常用來進行程序訓練或飛機系統講解的教學課目，也有少部分加裝故障再現、自我測試（BIT）等功能，成為專用的機務訓練模擬機。 等級 控制負載 視景 動感 視角 （每位駕駛） 地面模型 道面污染 音效 顫震 雷達 A 靜態 夜間 3 軸 45x30 　 　 　 　 　 B 靜態 夜間 3 軸 45x30 有 　 　 有 　 C 靜態與動態 夜間、昏暗 6 軸 75x30 有 感覺 駕艙聲音 有 　 D 靜態與動態 夜間、昏暗與白晝 6 軸 75x30 有 感覺並可見 實際 駕艙聲音 需進行特性符合檢測 整合儀表 　FAA AC 120-40B 飛航模擬機等級規格 系統架構 民用飛航模擬機依據本身的功能及需求，來決定其組成架構。以系統工程的角度來看，模擬機的主要系統有： 1.　 六自由度（6 DOF，Degree of Freedom）的動感平台 2.　 控制負載（Control Loading） 3.　 即時模擬環境（Real Time Environment） 4.　 各種模擬所需之數學模型（Modeling） 5.　 音效系統（Sound System） 6.　 視效系統（Visual System） 7.　 輸入輸出系統（Input/Output System） 8.　 座艙（Cockpit）本體 9.　 教官台（IOS，Instructor Operating Station） 10.　 其它雜項（Misc.），如艙門啟動、煙霧、振動等特效 　 加拿大CAE公司所製作的CRJ Level D訓練型飛航模擬機 美國NASA Ames中心的VMS研究型飛航模擬機　 事實上，模擬技術大約圍繞在三個軸心打轉：飛行力學及感覺提示（Flight Dynamics and Cueing）、視覺效果（Visual Effects）和發動機/儀表（Instrument）顯示。高級一點的模擬機，除了顯示儀表外，還可以模擬出飛行管理系統（FMS，Flight Management System）的頁面轉換以及機載系統在正常/緊急情況下的顯示與反應（如座艙失火產生的警告聲響與煙霧）。 飛行力學及感覺提示的模擬包括各類力學模型、飛操（Flight Control）與控制負載（Control Loading）和動感平台（Motion Platform）等。視覺系統包括影像產生器（IG，Image Generator），視覺資料庫（Visual Database），投影機（Projector），幾何矯正系統（Geometry Correction System）及投影屏幕。較高等級模擬機上使用廣角平行光學系統（Collimated System）還要外加一個成像用的雙曲線鏡（Hyperbolic Mirror）。航電儀表包括所有在座艙中的飛航儀表、飛行管理系統、雷達、武器投放等等；次系統儀表則涵蓋幾乎所有除發動機外的其他配備，諸如電氣、液壓、氣壓…等等。簡單的儀表顯示多以軟體模擬，複雜的功能如果嫌軟體模擬太費事，也可以直接安裝價格高昂的裝機件（如FMS等）。發動機模擬不僅模擬顯示數值，其模型計算出來的推力值也作為力學模型的輸入。 技術原理 一套功能完整的飛航模擬機利用各種技術重現了飛機的系統反應及操作環境，以下分別就模型建立、動感平台、視覺系統、儀表顯示模擬、發動機模擬等技術原理進行討論。 ■ 飛行力學模型 如果各種硬體裝置是飛航模擬機的軀體，模型就是賦予它生命的靈魂，其中最重要的一個模型就運用牛頓力學所建立的飛行力學模型。該模型以非線性的尤拉角（Euler Angles）運動方程為主，計算出飛機的姿態與加速度，再經積分為速度與位移後，透過視覺、儀表及動感平台「提示（cue）」給模擬機中的駕駛員。飛航模擬機需要在即時環境下處理所有的計算，一般商用及軍用規範都要求要有60 Hz（系統每秒鐘給出60個視框），其積分時間常數（Integration Constant）就是16ms，16ms以內，所有的計算模組都必需完成運算而得到輸出，如何分配不同模組計算資源而能得到即時的運算就成為一件重要的工作。設計之初，軟體工程師會先分析各計算模組所需的耗費時間，以選取適當的電腦硬體與資源規劃。 綜合所有外力與外力矩的飛力模型尚未能達到一般訓練所要求的飛行品質，此時阻尼項（Damping Terms）必須加入模型中。這種Damping 通常定義為飛機所受空氣動力對於飛機角運動的阻滯，這些項目並不會影響模型最終的靜態解（Static Performance），主要用於修正操縱特性和動平衡（Dynamic Control Response and Dynamic Stability）。也就是說，在飛航模擬機中的動態反應，並非全然是方程式的求解，而是需要不斷地添加、調整一些人工阻尼項方能得到。 ■ 重量與空氣動力模型 在模擬飛機物理性質時，重量模型（Weight Model）與氣動力模型（Aerodynamic Model）決定了所有的飛行特性（Flight Characteristics）和操作反應（Control Response）。模型分別對飛機的機身、機翼、發動機、起落架、尾翼等不同的部位，建立相應的重量與空氣動力模型後再加以組合。重量模型具有對應於質心的重量和慣性矩，氣動力模型以升力係數Cl、阻力係數Cd等氣動參數所構成，這些參數可由風洞吹試、試飛數據分析、計算流體力學（CFD）或是簡易的小板法（Panel Method）求得，對不同的alpha（攻角）和 beta（側滑角）計算出Cd、Cl等值後，再將結果匯整成三個二維的表格（Lookup Table），放在記憶體中供計算程式取用。最瞭解這些參數的當然是原始的飛機製造廠家，故製作模型時，尚需花費權利金購買；惟在尚未正式公布的FAR Part 60法規中，已允許系統商以實機飛測的逆向工程來獲取這些數據。 ■ 其他模型 除了非線性的飛力模型外，起落架也由重量加上彈簧與阻尼（Damper）構成，以對應複雜的「地面運動模型」。其他模型還包括「環境模型」，設定溫度、氣壓值、風速與能見度，以模擬不同之操作情況，還可以提供起降特性的模擬如積雪、濕滑、結冰、道面殘膠（Wet-on-rubber）等情況。「大氣亂流模型」通常提供「Von Karman」、「Dryden」兩個標準亂流模式；「風切模型」與「微爆氣流模型」類似，但風切模型是不同強度但單純的垂直或水平大氣運動，「微爆氣流」模型則是幾個實際飛安案例的重現。上述模型在訓練時都有不同的運用時機，也依模型的複雜度賦配不同的計算資源，從而使整體解算為最佳化。 ■ 飛操與控制負載 飛操系統桿力（Stick Force）的模擬，稱作「控制負載」。目前中、大型航空器及高速戰鬥機的飛操系統都採不可逆（Irreversible）式架構，駕駛員並不直接感受來自氣動面上的空氣動力，而是由俗稱「幫機」的人工感覺機件提供操縱量的感覺，故在進行控制負載時，我們只要把每個飛行狀態的桿力換成對駕駛桿的驅動力（其實是由液壓系統產生相對應的阻力）就可以表現出駕御時的手感了。如果模擬的對象採用可逆式的飛操構架（如中、小型機），則就必需計算不同飛行狀態下，加諸於控制面的空氣動力，再換算回桿力即可。這種數值化的飛操系統模擬有一個附帶的好處，只要修改其中的參數，就可以輕易模擬出飛操系統卡阻等不正常情況。 ■ 動感平台 如果是全動式的模擬機，動作感覺的提示還需要靠動感平台才能作到。Level-D的FFS需有6個自由度的平台，由6支致動器分排在上下兩個正三角形之中，利用三點決定一個平面的幾何原理，控制 6支致動器的長度便可以改變平台的姿態，每支致動器必須有24-60吋不等的行程來模擬。平台上的座艙加上視覺系統及教官台（IOS）等裝備重達數噸，要平穩而迅速地驅動如此龐大的系統，在以往只有液壓才能提供如此龐大的動力，飛航模擬機的液壓設備約有一部箱型車左右大小，常被安置在模擬機棚廠裏一個不起眼的角落。大約3年前，荷蘭 FCS公司推出了第一套可以滿足Level D等級的電動動感平台，其致動器外觀與一般液壓致動器並無二致，但是裡面是一個強力的直流無刷馬達來驅動一組來回運動的滾珠導螺桿。目前95％以上的模擬機選擇液壓為動力來源，電動伺服雖然有導螺桿固定磨耗等問題，但仍是一種極為引人的解決方案。 平台的姿態控制是經由致動器上的光學感應器提供位置資訊並回授給主機，動感計算程式蒐集6個致動器的位置並換算為平台現在的姿態，比對主機對平台的命令後再對6個致動器作出伸長或縮短的修正，這個控制大約每秒要執行2萬次之多，平台才能表現出平滑的起伏（Heave）、橫移（Sway）、推擠（Surge）、滾轉（Roll）、仰府（Pitch） 和側偏（Yaw）等運動。囿於模擬機的行程限制，其六個自由度的動作有限，這些運動並不全然配合物理模型所計算出來的結果，而是基於機構限制和感官特性的考量，對操作者（駕駛員）所作出的種種提示，很多時候其實是「錯覺」而非「感覺」。當然，人是極精密的感測元件，甚至可以感測到0.01G的細微重力變化，若詳細探討各種欺騙技倆，就要進入生理學與人因工程的領域了。 　視覺系統 視覺系統包括影像產生器、視覺資料庫、投影機、幾何矯正系統及投影屏幕等。影像產生器是視覺系統的核心，通常的作法是將物件以三角面（Polygons）處理後，再於其上加上紋理（Texture）的效果，大幅提昇影像的品質。視覺資料庫則是IG的前端，其作用在於產生IG所需的地形地物資料，平時以資料庫的形態存在，以Real Time方式執行模擬作業時，IG必需以非常快的速度擷取此資料庫而產生影像視訊，故通常都是以物件導向資料庫（OODB）的形態來加強其存取速度。幾何矯正系統則是順應飛航姿態的變化造成視角的變動，同一個物件，從不同角度觀看，當然也需要調整幾何外形才能更加逼真。至於影像投影則區分為實像投影與虛像投影： 一般平價的模擬機都是實像的投影，把視訊送到顯示器或用投影機大型屏幕；如果直接送到顯示器上，其視角（FOV，Field of View）就由顯示器與駕駛眼睛的距離所決定。在PC級的飛行模擬遊戲中，這個距離大約就是搖桿和螢幕短短的方寸之間，故飛行模擬遊戲的視角、焦距和真實飛行的差異極大，起落及低空課目時的立體感覺也就完全不同！用投影機打在遠處的屏幕上的好處是可以獲得極大的視角，視角（立體感）的問題雖然解決了，但從眼點到屏幕的距離總是有限，駕駛員凝視的焦距並非無限大，操作久了還是會覺得眼捷肌有些疲勞。軍用教練儀常採用這種成像方式，其屏幕排列為筒形或半球形，用三具投影機分別成像，投影間的接合不連續面與畸變，以軟體處理或透過稜鏡的方式修正。 高級模擬機上使用廣角平行光學系統則外加一個成像用的雙曲線鏡組，鏡組由背投影螢幕及雙曲線鏡屏（Mirror）構成，高流明投影機射出的視景，打在半透明的背投影螢幕上並映射至鏡屏中，駕駛員在視域裏看到的是鏡屏中的平行虛像。整個工作原理和抬頭顯示器（HUD，Head Up Display）類似，只是HUD通常只要投影射控及飛行所需的字符，成像在無限遠處，而平行光學系統則在有限的空間裏，利用凹面鏡產生亮度極高，但焦距仍為無限遠的放大視景。這種作法可以獲得極為逼真的畫面，唯一的缺點就是飛行員的頭部可以轉動，但眼睛的上下位置不能作太大的移動，否則視景會產生變形。在一般固定翼飛機上這問題不大，即使執行繞視進場（Circle to Land）課目，只要屏幕夠廣（目前已達225度，民用型210度已很足夠），駕駛員在模擬機裏可以把撇頭找尋斜後方的跑道，但直昇機低空作業時，駕駛員經常得前後左右甚至向下方張望，到處找尋找目視參考點，目前還沒有一種成熟的視覺系統滿足這種「頭可以亂動」的嚴苛要求。 　儀表顯示模擬 儀表顯示的模擬可以從硬模擬及軟模擬兩個方向導入。硬模擬的部分可以選擇價格昂貴、通過適航檢定的裝機件，通過控制主機上安插的ARINC 429/629或MIL-STD-1553B信號轉換卡，將計算結果轉換當量與格式後傳至真實儀表。軟模擬僅是一個外殼加上螢幕的模擬件，則由程式來作整個航電模擬的主控，螢幕只是單純的視訊顯示。就經濟效益的角度來講，反正模擬機就是「模擬」，只要顯示出來的航電頁面，順序與內容正確，信號從何而來並不是重點，故目前均以軟模擬居多，逼真一點的，甚至兩套液壓系統間「蹬舵－傳油」的效果都作得出來。硬模擬的好處是「質感」、「觸感」均佳，這點是軟模擬永遠可望而不可及的。比較特殊的是飛行管理系統（FMS），因為頁面內容複雜，又與多個系統有介面關係，除了使用裝機件硬模擬外，採用軟模擬時，常會以一台稱作Rehost的專用電腦來執行。 　發動機模擬 與飛機的氣動力模型一樣，發動機模型可以向原廠購買現成，也可以由模擬機系統商自行整合開發或修改既有的模型。一般發動機的模型分成三個模組：第一個模組模擬控油器（HMU/EEC）的作動，連動到大氣環境條件和駕駛員油門手柄輸入。第二個模組為熱力模組，考慮整個熱力過程，為了使系統的反應逼真，連散熱都會被考慮進去，使關車後尾管溫度（EGT）儀表不會神奇地瞬間歸零。第三個模組則是動力模組，利用熱功當量模擬出壓縮機與渦輪的加減速運動。三個模組串連作用，便可將發動機的操作反應作出相當逼真的模擬。 模擬機檢定標準 各國的民航主管機關負責檢定與測試在該國內境內操作的飛航模擬機（我國為交通部民用航空局），只有定期接受檢定，確保該模擬機的性能達到民航主管機關認可的標準，在其上執行的訓練時數與考驗才會受到承認。模擬機檢定程序依FAA AC 120-40B分為「接受確認測試指南」(ATG，Approval Test Guide)測試與「功能/主觀」(Functionality and Subjective)測試兩部分。前者有性能、操縱品質、運動系統、桿力等部分；以性能測試為例，依據飛行階段，分為滑行、起飛、爬昇、巡航、進場和落地等，每個階段選取幾個量化參數，用以比較模擬機和實機之間的誤差，以反應其運算結果的擬真程度。整個過程由ATG軟體直接輸出性能分析監視報表，對選定的參數進行容差檢測，其他部分也都依據規範要求，由檢定人員逐項核實。功能/主觀測試則由檢定試飛員實際操作模擬機，先對駕駛艙內各個儀表系統進行功能檢查，其次對視景的不同投影通道進行?色、亮度、聚焦及機場真實度進行檢查，最後還要執行實際的飛行測試，包括了不同天候及特殊狀?下的起飛、巡航、著陸等課目，全程約需4個小時，以確認模擬機對各系統操作模擬的準確性。 準此，ATG進行的接收確認測試，是對模擬機數學模型和環境模型及其相互影響進行綜合性的評定，按性能規範與測試項目，逐項進行測試，記錄數據，並與實機試飛數據比較，根據允許誤差來評定飛航模擬機的置信度與精度，是一種客觀的評估。主觀測試由檢定駕駛員根據操縱飛行模擬器所作的「模擬飛行」與操縱真實飛機飛行，就其功能、儀表布局、性能進行綜合比較，得出「像」或「不像」，或「有哪些地方不像」的評估意見，是整合、定性、主觀的結論。一主一客，兩種測試結果相輔相成。從事檢定駕駛員必需熟悉模擬機系統工程並具有良好的試飛經驗，模擬機的維護人員也必需明瞭如何判讀「接收確認測試」的數據並與執行「功能/主觀測試」的檢定駕駛員溝通，調整模擬機的各項系統參數，從而確保法規的符合性與飛航模擬訓練的真實度。 運用探討