Вы здесь: Главная > Космонавтика > Система имитации визуальной обстановки (СИВО)

Система имитации визуальной обстановки (СИВО)

.

Из всей информации о состоянии ПКА, воспринимаемой сенсорным полем космонавта, более 80% поступает по зрительному каналу. Поэтому так важна на космическом тренажере роль средств имитации визуальной обстановки.
Посредством СИВО на тренажере воспроизводится обстановка орбитального полета ПКА, поиск, обнаружение и стыковка с орбитальной станцией, спуск с орбиты и приземление с воспроизведением изображений звезд. Земли, Луны, Солнца и других космических объектов, находящихся на орбите, во всех пространственных и угловых положениях ПКА.


Космонавт, воспринимая на тренажере визуальную информацию и информацию, поступающую по другим каналам сенсорного поля (слуховому, вестибулярному и др.), формирует воздействия на органы управления ПКА, отчего изменяется пространственное положение ПКА, а следовательно, и визуальная обстановка. По ее изменению космонавт контролирует движения ПКА, выполняет необходимые маневры с ориентированием на местности или в пространстве. По соответствующим ориентирам он определяет углы ориентации ПКА, приращения этих углов, угловые скорости, скорость и направление движения, а также текущие координаты (плоскостные или пространственные).
Характер изменения визуальной обстановки в иллюминаторах и оптических средствах наблюдения ПКА определяется особенностями объектов наблюдения и динамическими характеристиками ПКА.
В связи с тем, что движение ПКА в общем случае осуществляется в трехмерном пространстве, структура изображения визуальной обстановки находится в зависимости от шести координат (трех декартовых и трех эйлеровых), что требует правильной передачи перспективы воспроизводимых визуальных условий. Немаловажную роль играют при этом характеристики средств наблюдения.
Кроме того, «реакция» визуальной обстановки на заданные тренируемым космонавтом управляющие воздействия должна быть идентична полетным условиям, иначе характеристики управления ПКА на тренажере будут искажены и восприятие условий тренажера не будет адекватно реальным.
В целом же воспроизведение визуальных условий на космическом тренажере относится к наиболее сложным техническим задачам. Обусловлено это такими обстоятельствами, как:
• необходимость сочетания в воспроизводимой визуальной обстановке компонентов с различной динамикой относительного движения (космические аппараты, звезды, планеты, Луна, Солнце, поверхность Земли с ориентирами на различном удалении и т. д.);
• широкий диапазон изменения масштаба отдельных объектов визуальной обстановки в процессе выполнения отдельной операции (орбитальной станции при стыковке, поверхности Земли при спуске транспортного корабля с орбиты и т. д.);
• большое разнообразие средств наблюдения ПКА с различными полями зрения и увеличением;
• необходимость существенного различия в характеристиках воссоздаваемых визуальных условий в зависимости от задач (динамическое управление ПКА, астронавигационные наблюдения и детальное, наблюдение объектов на поверхности Земли).
Учет этих особенностей существенно осложняет выбор способов реализации СИВО и диктует многообразие принципиальных подходов по воспроизведению визуальной обстановки на тренажерах.
При создании СИВО космических тренажеров применяются два основных направления. Первый базируется на физическом моделировании визуальных условий, в качестве носителей изображений которых используются масштабные модели, объемные или плоские макеты, диапозитивы и кинофильмы. Второе—основывается на математическом моделировании визуальной обстановки, изображение которой в виде математической модели хранится в памяти ЦВМ.
Применение того или иного способа реализации СИВО вытекает из анализа следующих, наиболее существенных, характеристик воспроизводимых условий космического полета.
Ширина поля зрения
Чем шире поле зрения, тем больший объем визуальной информации потенциально доступен космонавту. Однако пространственная разрешающая способность человеческого глаза за пределами небольшого участка центрального зрения сильно ограничена. Поэтому как бы ни велики были размеры поля зрения, объем оперативной информации, доступный космонавту, сравнительно невелик. С другой стороны, относительно высокая чувствительность периферийных участков сетчатки к восприятию движения в сравнении с пространственной разрешающей способностью обеспечивает фиксацию появления новых движущихся объектов почти в любом участке поля зрения. Определение оптимальных размеров имитируемого поля зрения всегда было одним из основных вопросов при создании СИВО космического тренажера.
Так исследования по определению влияния ограничения горизонтального размера поля зрения пилота на качество управления самолетом показали возможность его уменьшения без серьезного ухудшения качества [110]. Однако уменьшение горизонтального размера поля зрения до 20° оказалось уже неприемлемым. Вместе с тем доказано, что сравнительно ограниченное поле зрения может быть вполне приемлемо в случаях, когда пилоту хорошо известна местность, над которой он выполняет полет.
В СИВО космических тренажеров, исходя из технических возможностей, ширина поля зрения обычно ограничена 40—60° для иллюминаторов, а в других случаях эти значения определяются полями зрения оптических средств наблюдения, установленных на ПКА.
Диапазон яркости имитируемых изображений
В существующих СИВО диапазон яркости воспроизводимых визуальных объектов ограничен по сравнению с тем, что наблюдается в реальных условиях. Однако вследствие адаптивных свойств зрительного анализатора человека главную роль играет пространственное распределение относительных, а не абсолютных уровней яркости. Как только в поле имитируемого изображения достигнуты минимальные уровни яркости, необходимые для его эффективного восприятия, дальнейшее ее увеличение нецелесообразно [110].
Цвет имитируемых изображений
Цвет является одним из важных параметров, воспроизводимых на тренажерах визуальных условий. Однако стремиться к абсолютной точности воссоздания цветов, наблюдаемых в реальных условиях, нецелесообразно, поскольку сочетания цветов непрерывно изменяются, например, для поверхности Земли в течение дня, при изменении погоды и времени года. Цветовой диапазон существующих телевизионных систем в большинстве случаев достаточен для отображения визуальной обстановки на космических тренажерах.
Цвет, как параметр, важен там, где сочетаниями цветов кодируется необходимая пилоту информация (например, огни посадочной полосы), а в целом он относится к желательным параметрам СИВО, которые способствуют опознаванию наблюдаемых объектов, их относительных размеров и расстояний до них.
Разрешающая способность имитируемых изображений
Глаз человека способен различать пространственные детали с угловыми размерами в 1 у гл. мин и менее.
Разрешающая способность современных СИВО, построенных на телевизионной основе, дает разрешение не лучше 6—7 угл. мин и уступает разрешающей способности глаза человека, однако доказательств того, что это сказывается в сильной мере на формировании необходимых навыков у космонавтов, не имеется.
Несколько лучшее разрешение имеют СИВО, в которых используются диапозитивы и кинофильмы, но их применение дает значительные ограничения по другим параметрам.
Разрешающая способность телевизионной проекционной системы, сопряженной с коллимационной оптикой, выше, чем у обычных телевизионных устройств. Коллимационная оптика увеличивает кажущуюся глубину пространства, но ее недостаток связан с тем, что глаза космонавта должны постоянно находиться в зоне выходного зрачка коллиматора. В целом же коллимация обеспечивает формирование на тренажере картин внешней визуальной обстановки, более правдоподобных реальным условиям.
Перспектива и синхронизм имитируемых изображений с динамикой ПКА
При перемещении ПКА в пространстве в поле зрения космонавта происходит непрерывное изменение перспективы и относительных размеров наблюдаемых объектов по мере изменения расстояния до них. Изменение перспективы визуальной обстановки жестко связано с движением ПКА во времени и пространстве. Наблюдаемое космонавтом движение в реальных условиях согласуется с физическим движением, которое воздействует на вестибулярный аппарат и тактильную систему пилота. Поэтому на тренажере особая роль отводится синхронизации динамики визуальной обстановки с управляющими воздействиями космонавта. При появлении запаздываний визуальная обстановка может быть неправильно интерпретирована, что может привести к формированию у космонавтов отрицательных навыков.
Кроме того, на динамических тренажерах спуска ПКА с орбиты серьезное внимание, как уже отмечалось ранее, уделяется синхронизации акселерационных воздействий при имитации физического движения ПКА и визуального отображения этого движения. В реальных условиях эти процессы едины. Нарушения на тренажере синхронизма воздействия этих процессов на сенсорное поле космонавта может приводить к «конфликту в его ощущениях» [111].
Представленный анализ наиболее существенных сторон условий тренировки отражает как сложность технической реализации космических тренажеров, так и многогранность психических процессов, протекающих при обучении космонавтов на тренажерах. С позиций педагогической психологии эти процессы должны быть контролируемы и управляемы.
Контроль и управление
Обучение космонавтов на современных тренажерах относится к управляемому процессу, в ходе которого их профессиональные качества целенаправленно изменяются. Этот процесс осуществляется поэтапно под руководством инструктора экипажа и психолога.

На начальном этапе космонавты знакомятся с интерьером рабочего места космонавта (РМК), его оборудованием, с расположением средств отображения информации, оптическими приборами и органами управления ПКА.
На этапе подготовки на специализированных тренажерах космонавты закрепляют теоретические знания и приобретают профессиональное мастерство по выполнению отдельных операций, приемов, режимов управления в штатных и аномальных режимах полета ПКА. Продолжительность подготовки на каждом из тренажеров зависит от индивидуальных способностей, уровня знаний, специализации и прошлого опыта членов экипажа. После формирования уверенных навыков выполнения отдельных операций и приемов осуществляется переход на комплексные тренажеры, где осуществляется наиболее всесторонняя подготовка экипажа.
Комплексные тренировки — это завершающий этап подготовки, когда последовательно отрабатываются все этапы полета ПКА: запуск, выведение на орбиту, ориентация и маневрирование на орбите, поиск, обнаружение и стыковка с орбитальной станцией или другим космическим аппаратом, расстыковка, спуск с орбиты и другие промежуточные операции. На комплексных тренажерах командир экипажа, по сравнению с другими его членами, выполняет наибольшее количество тренировок, что вызвано его личной ответственностью за реализацию жизненно важных этапов полета. Значительное количество тренировок на комплексных тренажерах направлено на приобретение экипажем навыков выявления нештатных и аварийных ситуаций полета и нахождения способов выхода из них.
Каждое занятие на тренажере включает инструктаж и разбор тренировки. Инструктаж охватывает наиболее важные аспекты предстоящего тренировочного упражнения: характеристики отрабатываемых этапов полета ПКА, информацию о системах ПКА, порядок действий экипажа в обычной и аварийной обстановке, сведения об ограничениях, накладываемых особенностями тренажера, и т. д.
По окончании каждой тренировки инструктор делает разбор, в ходе которого детально анализируется выполненное тренировочное упражнение и делаются выводы о достигнутых успехах, отмечаются ошибки и вскрываются неусвоенные разделы теоретического курса.
По мере накопления профессионального опыта, продолжительность и частота инструктажа и разбора уменьшается.
На всех этапах подготовки в состав космических тренажеров включаются устройства и приборы, которые обеспечивают: контроль за ходом обучения, оценку действий тренируемого космонавта, оперативное управление процессом обучения, корректировку (при необходимости) программы обучения.
Контроль и оценка деятельности космонавтов осуществляется на основе объективных критериев, учитывающих точностные, временные и надежностные показатели деятельности, характеризующие вероятностную достоверность выполнения поставленных перед экипажем задач.
Повышение эффективности обучения на тренажерах достигается решением следующих задач:
• регистрации действий космонавтов по управлению ПКА в динамических режимах;
• контроля и регистрации траектории движения ПКА или управляемых параметров;
• оперативным предъявлением обучаемому объективных показателей, характеризующих допущенные им ошибки по величине и знаку;
• регистрации и воспроизведения в реальном масштабе времени выполненного тренировочного упражнения или его фазы, в которой были допущены ошибки;
• формирования объективных оценок профессионализма космонавтов;
• оценкой психофизиологической напряженности космонавтов в процессе тренировки;
• регистрации визуальной обстановки, наблюдаемой обучаемыми на РМК и ее воспроизведением при разборе тренировки.
Воспроизведение на тренажере эталонных приемов управления ПКА, включая управление в аварийных ситуациях, используется обучаемыми для корректировки своих действий, создает преимущества условий тренажера перед полетными, которые подобными свойствами не обладают. Так, демонстрация особенностей и ошибочных действий космонавтов в процессе тренировок на фоне эталонных способствует выработке стратегии управления, исключающей возможные ошибки.
В каждом конкретном случае, исходя из специфики условий и характера выполняемой задачи, необходима своя методика анализа и предъявления данных об усваиваемых навыках с целью формирования наиболее целесообразных приемов и действий. Чем глубже анализ учебных упражнений космонавта и чем четче осмыслено им выполнение поставленной задачи, тем успешнее развиваются его способности. При этом оптимизация процесса обучения осуществляется только на основе количественных оценок параметров, определяющих процесс управления ПКА.
В настоящее время в качестве критериев оценки профессионализма космонавтов используется эффективность выполнения отдельных операций, характеризующаяся такими показателями, как точность, время выполнения операции и энергетические затраты. Исходя из психологической структуры деятельности космонавта, формируемые на тренажере навыки подразделяются на сенсорные—прием информации различными анализаторами, интеллектуальные — переработка информации и принятие решений, моторные — выполнение управляющих воздействий.
С этих позиций в интегральный критерий оценки профессионализма космонавтов вводятся такие показатели, как: время, величина и количество ошибок, скорость переработки информации, вероятность правильности или ошибочности принятого решения, устойчивость работы, частота и амплитуда управляющих воздействий, способность прогнозирования. По этим показателям определяются отклонения параметров управления от нормативов в виде плотности распределения отклонения, дисперсии и т. д. При оценке действий космонавтов в аварийных ситуациях вычисляется вероятность выхода управляемых параметров за пределы безопасных величин. Профессионализм космонавтов определяется также по таким критериям, как стабильность работы, мера загрузки, определяемая методом дополнительной задачи, и характеристики управляющих воздействий [75].
С ростом профессионализма уменьшается разброс характеристик, определяющих деятельность космонавта. В зависимости от решаемых задач, его подготовленность оценивается также сопоставлением алгоритмов и характеристик его деятельности с эталонными показателями опытных космонавтов или инструкторов.
Использование нормативных оценок в качестве единственного показателя уровня подготовленности в большинстве случаев неправомерно. Более полное раскрытие природы становления навыков осуществляется посредством сопоставления достигнутой эффективности выполнения тренировочного упражнения и нервно-психического напряжения космонавта. С этой целью в состав тренажеров включаются устройства анализа и формирования показателей психофизиологической напряженности в процессе тренировки. Сопоставлением текущих значений этих параметров с нормативными оценивается состояние космонавтов и уровень их тренированности. По мере становления профессионализма, показатели психофизиологической напряженности космонавтов приближаются к значениям, соответствующим состоянию покоя.
В последнее время для оценки эмоционального состояния космонавтов стали использоваться спектральные характеристики их речи [26], что существенно упростило аппаратурную часть космических тренажеров.
На основе оценок эмоционального состояния космонавтов при тренировках осуществляется прогноз их работоспособности в полете, факторы которого могут существенно повлиять на способности решать поставленные задачи с необходимым качеством.
Изложенный подход в оценке профессионализма космонавтов, основанный на учете всей совокупности параметров управляемого процесса, включая количественные показатели психофизиологической напряженности, несущие существенную информацию об их тренированности, получил название интегрального [23].
Предъявление космонавту в процессе тренировки дозированных объемов информации, соответствующих объективным успехам обучения, сокращает время усвоения полного алгоритма процедуры управления ПКА.
Управление объемом предъявляемой на тренажере космонавту информации осуществляется автоматически или вручную инструктором с пульта контроля и управления (ПКУ).
Кроме того, параметры условий и ситуаций тренировочных упражнений изменяются в наиболее вероятном диапазоне (по отношению к реальным условиям) с целью формирования гибких и пластических навыков, которые могут быть использованы в прогнозируемых ситуациях реального полета.
В ряде случаев операции с быстротечными процессами воспроизводятся на начальных этапах обучения в замедленном темпе (нереальном масштабе времени). Если же процесс управления носит процедурный характер с большими временными интервалами между управляющими воздействиями с целью оптимизации процесса обучения по времени, темп тренировочного упражнения ускоряется.
Непреложным требованием к тренировочному процессу космонавтов является его систематичность с последовательным возрастанием сложности, что вытекает из основных дидактических принципов педагогики [92]. С этих позиций аппаратурная часть космического тренажера и, в частности, ПКУ должны обеспечивать решение следующих задач:
• организацию тренировочного процесса по гибкой программе; программное нарастание сложности тренировочных упражнений;
• формирование подсказок обучаемому космонавту;
• изменение временного масштаба тренировочного упражнения (ускорение или замедление);
• варьирование параметров, условий и ситуаций тренировочного упражнения;
• автоматизированный ввод аварийных ситуаций;
• корректировку программы тренировки;
• автоматизированное обучение по принципу «делай как я».
Повышение эффективности обучения и тренировки, оцениваемой фактором времени и показателями профессионализма, осуществляется на основе закономерностей становления навыков.
В соответствии с этими педагогическими принципами эффективность обучения существенно возрастает с предъявлением обучаемому и инструктору информации о тенденции развивающихся навыков (прежде всего о характере допускаемых ошибок). С этой целью в космических тренажерах реализуется постоянная гибкая обратная связь с космонавтом (внутренняя обратная связь) и инструктором (внешняя обратная связь), что позволяет эффективно управлять обучением как со стороны тренируемого, так и инструктора.
Контроль обучения со стороны инструктора позволяет: адаптировать программу тренировок с индивидуальными особенностями обучаемого; оперативно информировать обучаемого о характере ошибок и способах их устранения; формировать интегральные оценки уровня профессионализма обучаемого.
Вместе с тем инструкторскому контролю присущи такие над остатки, как субъективность подхода к организации тренировки и построению методик обучения; трудность фиксации ошибок и оценок уровня профессионализма обучаемого; трудность выявления ошибок и причин их возникновения; субъективизм оценки действий обучаемого, обусловленный уровнем мастерства инструктора; отсутствие достоверных документальных данных для завершения тренировочного процесса или его корректировки.

СКУТ обеспечивает визуальный и инструментальный контроль за действиями обучаемых. Инструментальный контроль обеспечивают устройства контроля параметров тренировок, анализа психофизиологической напряженности, записи и воспроизведения тренировок, а также пульт контроля и управления (ПКУ).
Через ПКУ осуществляются все управляющие воздействия инструктора, для реализации которых используются: приборы-повторители, аналогичные установленным на РМК; приборы отображения информации об управляемых параметрах и действиях обучаемых; дублирующие органы управления ПКА; органы управления тренировочным процессом (ввод начальных условий, отказов, нештатных ситуаций и т. д.); средства радиосвязи с обучаемыми и обслуживающим персоналом.
Инструктор с ПКУ осуществляет:
• управление ходом тренировки;
• визуальный контроль за действиями обучаемых;
• контроль исполнения обучаемыми логических команд управления и проверки работы систем;
• контроль и оценку действий обучаемых по управлению бортовыми системами ПКА;
• контроль и оценку выполнения обучаемыми динамических операций управления ПКА;
• наблюдение воспроизводимой на тренажере визуальной обстановки;
• воспроизведение тренировки или ее фрагментов на средствах отображения;
• выявление причин ошибочных действий обучаемых;
• ввод нештатных или аварийных ситуаций.
Инструментальный контроль дает обширную и достоверную информацию для объективной оценки качества выполненного космонавтом тренировочного упражнения с учетом его психофизиологических затрат. Он позволяет оперативно информировать обучаемого и инструктора об ошибках, а также осуществлять последующий количественный анализ допущенных ошибок и выявлять причины их возникновения.
Воспроизведение информации, записанной в процессе тренировки, позволяет инструктору при разборе проанализировать работу космонавтов, указать им на ошибки, отметить достижения и оригинальные действия в нестандартных ситуациях, продемонстрировать показательные тренировки или их фрагменты и определить в конечном итоге перспективность экипажа.
Таким образом, СКУТ позволяет полностью реализовать возможности космического тренажера как учебно-тренировочного средства с целью оптимизации учебного процесса или даже существенного упрощения его структуры.

Комментирование записей временно отключено.