基于Unity 3D的仪表飞行领航模拟系统应用研究

吕明阳 穆奕豪 李泽成 严俊建

摘   要：仪表飞行领航课程的教学中，受限于实验室实验设备的复杂性，不便于理论教学中直接使用，所以利用Unity 3D制作移动设备端可以使用的仪表飞行领航模拟系统。根据不同仪表领航科目进行专门的设计，使学生对领航过程有了更直观的认识。并且经过实验对比，此系统也可以缩短学生学习时间，巩固学习效果，提高了学习效率。

关键词：仪表领航;Unity 3D;模拟系统;试验教学

飞行技术专业的仪表飞行领航课程，是一门注重实践的课程。该课程所讲内容为驾驶飞机时应该如何利用仪表进行领航，所以在进行理论教学过程中，一般使用模拟飞行训练器进行实验验证。但是由于该设备是一种比较综合、复杂的设备，所以不适合刚刚学习该课程的学生操作。所以一般在理论学习后再去实验室进行实验。在这过程中，理论学习与实验课间隔时间比较久，学生有一定的知识遗忘。并且，理论学习过程中在二维平面上学习飞机的三维运动，学生会存在空间感上的不足。所以，采用仿真技术设计一款简单易操作的仪表飞行领航模拟系统，可以在手机、平板电脑等手持设备上随时使用，实现学生在理论课堂中沉浸式教学，是非常有必要的。

1 所需实现试验科目

仪表飞行领航模拟系统需要实现等待航线、切入航线、仪表进近着陆的功能。等待航线具有调节空中交通流量、调配间隔的作用。如图1所示，等待航线由等待定位点、入航航迹、入航端、出航航迹、出航端构成。当飞机偏离航线或者要飞向新的航线时，需要切入航线，如图2所示，飞机需要调整航向切入预定航线。当飞机进场后，需要建立航向道、截获下滑道后实施仪表进近着陆，如图3所示。

2 系统实现功能确定

首先，通过调查问卷的方式，确定模拟系统实现的功能。发放调查问卷的对象为完整学习了飞行理论后，已在航校飞行了一段时间的飞行学员。因为飞行训练过程中，飞行学员会对这些飞行科目进行训练，所以此时的飞行学员能够将课堂理论与实践相结合，从实际训练角度挖掘模拟系统需要实现的功能。本研究对30名飞行学员进行了调查问卷，飞行学员飞行阶段分布如图4所示：

根据调查结果分析，模拟系统需要模拟飞行训练中预先准备阶段、直接准备阶段、飞行实施阶段、航后讲评阶段。由于是模拟系统，本研究将预先准备阶段、直接准备阶段合并为准备阶段，所以系统模拟准备阶段、飞行实施阶段、航后讲评阶段。

准备阶段，需要系统提供飞行任务概述。本文采用图形化的任务描述方式，例如以航图的形式将等待程序展示，如图5所示，将必要的飞机指示空速、风向及风速以文字、图形化展示。飞行实施阶段，仿照Garmin G1000界面，上方展示飞机的高度、速度、姿态，下方展示无线电磁指示器，如图6所示。航后讲评阶段，为飞行航迹展示，结合飞行任务展示页面，可以非常明确的了解到飞的是否标准，如图7所示。

3 系统应用分析

3.1 实验对象

在设计好模拟系统后，分别组织了20位还未学习仪表飞行领航课程的学生，此20位学生的绩点排名，均在年级中间，保证了被试者的学习能力在差不多的水平。将20位同学分为A、B两组，每组各10位同学。A组在不使用模拟系统练习的前提下观看教学视频学习，然后对其进行题目测试，记录下此时的成绩。然后使用模拟系统学习，再次测试记录成绩。B组同学直接同时使用模拟系统练习结合观看教学视频学习，然后进行测试，记录测试成绩。每次测试，均采用理论执照题库随机抽取10道题目进行测试，每道题目1分，满分为10分。

3.2 实验成绩

两次测试成绩如图8所示。A组在使用了模拟系统后，成绩很明显提高。但第一次未使用模拟系统学习的测试成绩比B组使用了模拟系统后的测试成绩要整体低很多。

对A、B两组3次测试进行平均值、方差、均方差分析，如表1所示。A组第一次成绩平均分为5.1分，第二次成绩平均分为8.2分，平均提分3.1分。B组第一次成绩平均分为7.9分，比A组第一次成绩高2.8分，但是比A组第二次成绩平均分第0.3分。同时，通过方差与均方差的对比，B组同学成绩分布比A组同学成绩稳定。

同学与A组同学访谈，A组第二次成绩比B组成绩高的原因是在第一次测试后，同学们发现了自身学习的不足，在使用模拟系统学习时更加有针对性的练习，达到了查漏补缺的效果。

4.结论

本文通过调查问卷的方式确定模拟系统需要实现的功能，然后基于Unity 3D模拟仿真技术实现，并对20位还未学习过仪表飞行领航课程的同学进行分组实验。研究结果表明：

1） Unity 3D技术可以很好地对仪表飞行领航实验进行模拟仿真;

2） 在首次学习时就使用理论学习结合模拟系统练习的方式，比单纯理论学习的效果要好很多;

3） 在测试后，需要解决发现的问题，这样才可达到比较好的学习效果。

参考文献：

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本文系中国民航大学大学生创新创业训练计划项目资助（项目编号：202010059135）

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