江苏省高等学校虚拟仿真实验教学平台

1、航母舰载机技术是国家战略，专门人才培养是工业部门的刚性需求

航母舰载机是国家重大发展战略之一，是增强国家国防综合实力、推行深海防御战略和威慑敌对势力的有效手段，也是高难度、高风险、高消耗的多学科综合化系统工程，尤其是舰载机着舰技术更是被誉为“刀尖上的舞蹈”，是一个国家科学技术综合实力的集中体现。

由于舰载机着舰面临着复杂的海洋环境，如狭小的起降空间、舰尾流干扰、甲板运动等，因此舰载机着舰引导与控制是航母舰载机系统中最核心的技术，起着举足轻重的作用。

针对舰载机着舰引导与控制关键技术研究与攻关，各研究机构花费巨资建立了半实物仿真环境或铁鸟台架测试台，由于整个系统的庞大复杂，稍有不慎将造成不可挽回的人财物损失，只适合熟练掌握相关知识与技能的技术人员使用，不适合高校直接用于教学实验。

因此，建立适合相关专业在校大学生，或刚参加工作的应届毕业生的舰载机着舰引导与控制虚拟仿真实验项目，成为了理论与实践结合，培养综合素养和能力的必要途径。

2、三十余年的科研成果累积，为转化为虚拟教学项目奠定了坚实基础

南京航空航天大学先进飞行控制创新团队，依托“导航、制导与控制”国家重点学科（培育）学科，以及先进飞行器导航、控制与健康管理工信部重点实验室、航空工程国家级实验教学中心等优势实验资源，从上个世纪90年代初开始，一直致力于舰载机着舰引导与控制技术的研究，先后承担了多项海装国防重大预研项目，并与国内航空工业集团和船舶工业集团下属研究机构开展了广泛深入的合作，协助其建立了多个数字仿真及半实物仿真系统，积累了从舰载机飞行控制律设计、着舰引导系统建模、着舰环境（甲板运动、舰尾流等）建模、弹射/拦阻装置建模等系列化的虚拟仿真资源，为本项目的建设奠定了坚实的基础。

3、弥补实物实验教学不足，增强实验交互性，提升人才培养质量

由于舰载机飞行控制涉及到空气动力学、刚体运动学、传感器技术、控制理论等多个领域的知识，其复杂性可想而知，单纯依靠课堂教学，往往不能使学生真正理解飞行控制原理的物理实质，需要借助实物/半实物仿真实验平台增强其学习效果。

单位现有的舰载机半实物仿真实验系统包含三轴仿真转台、多自由度运动平台、多通道融合三维视景系统等造价昂贵的元部件，出于安全考虑，只能开展演示性实验，大学生在其中也只是了解个大概。单位现有的以小型舰载机和地面移动平台为基础的实物飞行演示平台，一方面需要良好稳定的空域和场地条件以及众多专业人员保障，另一方面如果控制律设计不当（对于初学者这种情况出现的概率非常大）会造成舰载机损毁甚至造成附加人员伤害或财物损失。因此在数字仿真基础上，借助虚拟现实技术建立可数字仿真驱动的舰载机着舰三维场景，既可以避免出现上述安全事故（在虚拟实验过程中允许出现失误），又可以反复实验通过关键参数分析对舰载机运动特性的影响过程，从而利于对舰载机飞行控制深入理解和创新开发。

由以上分析可知，现有的实物实验交互性不强，造成学生在学习过程中主动性不够，参与程度不高。如果增加实际飞行试验，又存在实验难度大，风险高等问题，而通过虚拟现实构建实际工程情境，辅以嵌入式飞控软硬件系统，以虚实结合的形式，让学生既能主动参与到实验中来，并通过实际操作进行开发性和创新性实验，又不会增加实验风险。

在实验项目设计中，为了与相关工业部门实现无缝对接，遵循数字飞行控制系统工业部门规划、设计以及实施的标准化流程，以“舰载机精确着舰飞行控制系统设计”为实验任务，构建了从基础部件认知、控制理论分析、综合仿真验证为主线的丰富的实验模块，涵盖了从基础认知实验、设计性实验、综合性实验等不同阶段的虚拟仿真实验，力求可以满足从无基础知识的本科生到有知识储备的博硕士研究生（甚至部分非本专业青年教师）理论与实验课程学习需求，并能支撑其进一步的创新性研究，甚至为舰载机飞行员，研究机构技术人员培训提供理论与实践教学平台。

本虚拟仿真实验目的如下：

（1）针对在校本科生和研究生，通过配合理论课程教学，建立从基础知识认知与储备，核心知识学习与实验验证，知识开拓与创新实践逐层递进式的实验教学模式。

在基础知识认知与储备阶段，可以通过舰载机三维虚拟实物模型，了解舰载机的操控原理、飞行控制基本组成与原理、惯导/大气传感器、飞行控制计算机、舵面作动器、座舱操控设备等实际设备的组成与原理，配合课堂知识，为学生提供进一步的工程知识积累。

在核心知识学习与实验验证阶段，要求学生将课堂理论知识搬到实验中来，实验项目为学生提供舰载机气动数据，供其完成舰载机建模、线性化分析、以及飞行控制基本控制结构和参数设计，并通过数字仿真验证是否满足品质规范要求。在此过程中学生逐步具备独立完成基本飞行控制律设计和仿真验证的工作，是从学习过程到设计过程的转变，以提高学生的实际动手能力。

在知识开拓与创新实践阶段，在课程所布置任务的驱动下，完成复杂环境、不同引导方式下舰载机着舰飞行控制系统设计，通过虚拟仿真项目中的不同场景设置，完成着舰综合性飞行试验验证，满足试飞前的飞行品质规范要求。此实验过程是将理论知识推向实际工程应用的关键一环，通过本实验模块的训练，可以对整个飞机系统进行全面认识，同时也对研究机构得工程化实践过程进行深入了解。

（2）针对舰载机飞行员以及工程技术人员，为其提供提升理论水平验证平台

舰载机飞行员以及工程技术人员在日常训练或设计过程中具备了相关领域丰富的工程实践经验，但往往在认识上存在片段化和零散性，缺乏系统性理论的指导，造成思维固化，阻碍其进一步开拓进取。本虚拟仿真平台依托理论课程知识体系建设，因此可以为舰载机飞行员以及工程技术人员工程经验升华与系统性学习提供理论与实践交互验证平台，进而提高其理论水平，推动工程技术人员的创新性研究。