Разработка отечественных систем виртуальной реальности для космических тренажерных комплексов

Долговесов Б.С.

12 апреля 1961 года впервые в мире на орбиту вокруг Земли был выведен космический корабль-спутник «Восток», пилотируемый летчиком-космонавтом СССР Юрием Алексеевичем Гагариным. Начало эпохи пилотируемой космонавтики обусловило необходимость создания средств подготовки космонавтов и формирования у экипажей профессиональных навыков по управлению космическим аппаратом и его системами в штатных и предполагаемых нештатных ситуациях – космических тренажеров (КТ). КТ пилотируемых космических аппаратов (ПКА) представляют собой совокупность технических средств, в структуре которых важное место занимают системы для имитации внешней визуальной обстановки на всех этапах полёта (выведение на орбиту, стыковка корабля с орбитальным пилотируемым комплексом, задачи орбитального полёта, а также возвращение экипажа на Землю). Из всей информации о состоянии ПКА, воспринимаемой сенсорным полем космонавта, порядка 80% поступает по зрительному каналу. Поэтому в космическом тренажёре важная роль отводится средствам имитации визуальной обстановки, посредством которых на тренажёре воспроизводится обстановка орбитального полёта ПКА, поиск, обнаружение и стыковка с орбитальной станцией, спуск с орбиты и приземление с воспроизведением изображений звёзд. Земли, Луны, Солнца и других космических объектов, находящихся на орбите.

С развитием компьютерной графики появилась возможность замены использовавшихся ранее для тренажёров имитаторов визуальной обстановки с физическими моделями и телевизионными камерами на имитаторы с математическим моделированием визуальной обстановки. Это так называемые системы виртуальной реальности (СВР), где визуальная обстановка формируется методами компьютерного синтеза трёхмерных сцен. Создаваемые компьютерные технологии должны обеспечивать широкие возможности моделирования в реальном масштабе времени динамических сюжетов визуальной обстановки с имитацией различных состояний атмосферы, погодных явлений, световых эффектов, теней и т. д. Особенно это важно при моделировании сценариев развития внештатных ситуаций, отработка выхода из которых занимает 80% от всей подготовки космонавта.

С начала 80-х годов XX века начинается активное сотрудничество Института автоматики и электрометрии СО РАН (ИАиЭ СО РАН) с Центром подготовки космонавтов им. Ю.А. Гагарина по созданию СВР для космических тренажёров. На базе разработок Института по формированию и отображению высокореалистичных виртуальных сцен в реальном масштабе времени создано несколько поколений СВР (от одноканальных до многоканальных с расширенными функциональными возможностями) для практического применения в имитационно-тренажёрных комплексах ЦПК им. Ю.А. Гагарина и РКК “Энергия” им. С.П. Королёва. Системы успешно эксплуатировались при подготовке космонавтов орбитальной станции «Мир», а затем – по программе международной космической станции (МКС).

В 1981–1985 гг. в ИАиЭ совместно с СКБ НП создается образец трёхканальной СВР «Аксай» для целевого использования в тренажёрах ЦПК. Это была первая в СССР профессиональная система для космического тренажёра. Создан комплекс программных средств, поддерживающий систему от этапа создания до работы в составе тренажёра ЦПК им. Ю.А. Гагарина. При создании системы «Аксай» были учтены и рекомендации космонавтов, передавшие свой лётный и космический «визуальный» опыт. Система «Аксай» успешно эксплуатировалась при подготовке космонавтов по программе космической станции «Мир». За создание системы «Аксай» коллектив разработчиков награжден Дипломом им. Юрия Гагарина .

Работы по совершенствованию СВР были направлены на создание новых  структурных решений и алгоритмов формирования изображений, ориентированных не только на уменьшение аппаратных затрат (по сравнению, например, с «Аксаем»), но и на возможность расширения по производительности и по набору функций в зависимости от решаемых задач.

Эти разработки вызвали интерес в  ЦПК им. Ю.А. Гагарина, где начинается процесс модернизации тренажёрного парка. Визит в ИАиЭ представителей Центра – заместителя начальника управления по научно-исследовательской и испытательной работе космонавта Ю.Н. Глазкова, космонавта А.А. Леонова и командира технической части И.Н. Пачкаева – подтвердил целесообразность дальнейшего сотрудничества в области создания СВР для тренажёрных  комплексов. 

Представители ЦПК им. Ю.А. Гагарина с сотрудниками ИАиЭ и СКБ НП во время посещения Института

Первый ряд (слева направо): зав. лабораторией ИАиЭ А.М. Ковалев, Герой Советского Союза летчик-космонавт Ю.Н. Глазков, дважды Герой Советского Союза летчик-космонавт А.А. Леонов, зав. лабораторией ИАиЭ П.Е. Твердохлеб, командир технической части ЦПК им. Ю.А. Гагарина И.Н. Пачкаев, зав. лабораторией ИАиЭ Б.С. Долговесов (1986 г.).

По заказу Центра в период 1986–1990 г.г. в лаборатории «Синтезирующих систем визуализации» на отечественной элементной базе создается ряд СВР «Альбатрос» для решения специализированных тренажёрных задач, в том числе и многоканальные, с расширенными функциональными возможностями (подвижные объекты, текстура, атмосферные эффекты, различного рода источники света и т. д.). Базовый вариант системы включает управляющую ЭВМ типа «Электроника-85», геометрический процессор и видеопроцессор. Управляющая ЭВМ формирует локальную базу данных, обеспечивает прием параметров положения наблюдателя от тренажерного комплекса, диспетчеризацию внешних событий и диагностику неисправностей. Высокий научно-технический уровень разработки системы «Альбатрос» и профессионализм коллектива, принимавшего участие в работах по её созданию, вводу в эксплуатацию и обеспечению начального тренировочного процесса, отмечен «Дипломом имени Ю.А. Гагарина за разработку и создание системы «Альбатрос» и в связи с проведением 1000-й тренировки на космических тренажёрах с её использованием».

Общий вид системы «Альбатрос»

С появлением высокоинтегрированной элементной базой создается ряд СВР нового поколения «Ариус» с различными модификациями для решения задач специализированных тренажёров подготовки космонавтов по программам космических станций «Мир» и МКС, развёртывание которой на орбите началось 20 ноября 1998 г. с запуска российского функционального грузового блока «Заря», ставшего её первым модулем.

Системы «Ариус» явились базой для их дальнейшего развития и совершенствования с учётом новых задач тренажёрных комплексов.

Общий вид системы «Ариус»

На базе стандартных графических процессоров создаются СВР с расширенными функциональными возможностями:  имитация различных средств наблюдения с характерными для них эффектами (дисторсионные искажения, расфокусировка),  моделирование различного времени суток  и состояния атмосферы. За счёт программируемости на всех уровнях обработки данных такие системы универсальны и легко адаптируются для решения различных тренажёрных задач. Это  очень важно в связи с растущими требованиями к подготовке космонавтов по мере совершенствования космических транспортных кораблей (ТК) и расширения функциональности МКС.

Одна из функций этих систем – имитация приборов наблюдения в тренажёрах для подготовки экипажей к визуальной оценке различных стадий полёта ТК (полёт по траектории, сближение и стыковка с МКС и т. д.), а также для визуальной оценки поверхности Земли с МКС по соответствующим приборам наблюдения.

Виртуальная сцена сближения транспортного корабля с МКС

Компьютерная модель бортового оптического прибора контроля ориентации космического аппарата относительно земной линии горизонта

Тренажеры ЦПК им. Ю.А. Гагарина представляют собой полномасштабные натурные макеты орбитальных станций, служебных модулей и транспортных космических кораблей, используемых в качестве рабочих мест для тренировки космонавтов.

Тренажёрный зал орбитальной станции «Мир»

Центральный пост управления орбитальной станции «Мир» - один из ее рабочих отсеков.

Тренажёрный зал российских служебных модулей «Заря» и «Звезда».

Этапной работой для советской космонавтики явилась разработка многоразовой космической системы (МКС) «Энергия-Буран». Создание системы было самой масштабной и трудоёмкой программой в истории нашей космонавтики. Для её выполнения были задействованы крупнейшие научные и производственные центры. 15 ноября 1988 года осуществлён первый полёт орбитального корабля  (ОК) «Буран» в беспилотном варианте, который завершился после выполнения немногим более двух витков вокруг Земли успешной автоматической посадкой на ВПП космодрома Байконур.

3D модель пусковой установки для системы «Энергия-Буран»

Виртуальная модель ОК «Буран»

Параллельно с разработкой СВР для тренажёров орбитальных станций «Мир» и МКС в лаборатории Института велись подготовительные работы по моделированию многоразового возвращаемого орбитального корабля (ОК) «Буран». Была создана виртуальная модель с целью дальнейшего использования при создании тренажёра посадки ОК «Буран» на ВПП и обучения работе на орбите с полезным грузом. В дальнейшем работы по программе «Буран» были закрыты.

Ещё одно перспективное направление в развитии  СВР – это использование в тренажёрных и обучающих системах технологии интегрированной виртуальной реальности (ИВР). Данная  технология, получившая развитие в ИАиЭ СО РАН, предполагает не только пассивную демонстрацию компьютерных моделей пространственных объектов, явлений и процессов, но и активное «присутствие» лектора (преподавателя) в предметной виртуальной среде с непосредственным взаимодействием с моделями изучаемых объектов и акцентирующего внимание на проблемных аспектах изучаемого материала. 

Пример использования ИВР: совмещенное изображение виртуальной модели служебного модуля «Заря» МКС и лектора для наглядной интерактивной демонстрации

Такой подход представления учебного материала  приближает процесс обучения к традиционному (присутствие преподавателя в аудитории), что является существенным фактором повышения интереса и степени усвояемости учебного материала, особенно при изучении  сложных устройств, механизмов и динамики их поведения.  Системы на основе ИВР могут быть использованы в учебных классах при обучении космонавтов и персонала оперативных групп. Виртуальные модели космических аппаратов, процесс  создания виртуальных лабораторий в космосе, отработка на виртуальных моделях процесса сборки сложных конструкций в космосе и т.д. – вот не полный перечень тематических примеров, которые наглядно могут быть продемонстрированы в интерактивном режиме.

Исследование и освоение околосолнечного пространства и Вселенной является главной целью, ради которой будут и дальше создаваться пилотируемые космические аппараты и орбитальные станции и спускаемые аппараты для исследования планет. Большой интерес у исследователей космического пространства вызывает одна из ближайших к Земле планет – Марс. На исследование Марса, в частности, направлена программа Аврора Европейского космического агентства (ESA's Aurora Exploration Programme), в которой проект ExoMars предусматривает создание и доставку на Марс марсохода – исследовательского мобильного аппарата (ровера) – для исследований планеты с целью понимания её природы. Марсоход предназначается для использования в качестве транспортного средства доставки в различные точки поверхности Марса исследовательского инструментария для изучения планеты во всех её аспектах (особенности рельефа поверхности, состав грунта, состав марсианской атмосферы и т. д.). Виртуальная реальность является одним из эффективных средств при реализации программ по изучению космического пространства, связанных с исследованием планет солнечной системы.

В лаборатории Синтезирующих систем визуализации (ИАиЭ СО РАН) проводились работы по моделированию поведения марсохода на поверхности Марса. По фотографиям отдельных ракурсов марсохода для проекта ExoMars упомянутой программы, создана полная демонстрационная виртуальная модель прототипа марсохода. Используя трёхмерную виртуальную модель поверхности планеты и виртуальную модель марсохода, исследователи получают возможность интерактивно просмотреть все варианты создания маршрутов и экспериментов для марсохода, отработать на виртуальной модели марсохода функционирование манипуляторов научного инструментария для выполнения исследовательских задач.

Виртуальная модель марсохода с нераскрытыми солнечными батареями и исследовательской аппаратурой

Виртуальная модель марсохода в рабочем режиме (забор грунта с помощью бурильной установки)

Литература

1. Долговесов Б.С. Семейство компьютерных систем визуализации «Альбатрос» //Автометрия, – 1994, № 6. С.3.

2. Долговесов Б.С., Малахов С.П., Фомичев В.М. Особенности построения систем визуализации для тренажерных комплексов подготовки космонавтов // Тезисы 3-ей Междунар. научно-практич. конф. "Пилотируемые полеты в космос". РГНИИЦПК им. Ю.А. Гагарина. Звездный городок. – 1997.

3. Долговесов Б.С. и др. Состояние и перспективы развития систем визуализации в тренажерных комплексах // 4-я Междунар. научно-практ. конф. «Пилотируемые полеты в космос» (Звездный городок, РГНИИЦПК им. Ю.А. Гагарина, 21-22 марта 2000 г.): Тезисы докладов. С. 262.

4. Долговесов Б.С. Визуализация в авиационных и космических тренажерах” // Труды Междунар. Конф. «Современные проблемы информационных технологий и космический мониторинг» (Ханты-Мансийск, 14-16 июня, – 2001). С. 52.

5. Долговесов Б.С., Обертышев К.Ф. Компьютерные системы визуализации для тренажерных комплексов // Наука – производству. – 2003. №2. С. 30.

6. Долговесов Б.С. и др. 3D графика реального времени: от тренажеров до виртуальных студий // Труды 15-й Междунар. конф. по компьютерной графике и ее приложениям Графикон-2005 (Новосибирск, 20-24 июня 2005). Новосибирск, ИВММГ СО РАН, – 2005. С. 44.

7. Тренажерные комплексы и тренажеры / Под ред. В.Е. Шукшунова. –М.: Машиностроение, – 2005. http://www.esa.int/esaMI/Aurora/SEM1NVZKQAD_0.html

8. Алешин А., Афанасьев В. и др. Система визуализации индуцированного виртуального окружения для задач исследования космоса: состояние проекта // Труды 14-й Междунар. конф. по компьютерной графике и зрению Графикон-2004. Москва, 6-9 сентября 2004. ( Москва, МГУ, 2004). С. 12 – 15.

-

Об авторе: кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник.
Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, г. Новосибирск, просп. Академика Коптюга, 1
Помещена в музей с разрешения автора 13 июня 2025