船舶操纵模拟器利用计算机图形图像技术和虚拟仿真技术模拟出逼真的三维海洋视景与实船相似的操作环境，使学员置身于具备与实船相同尺寸和航海仪表布局的仿真驾驶台，通过响应操作面板来模拟在一定情况下的船舶操纵，再配上一定的视景和音响效果，使学员获得类似于实船操纵的经历，可以进行定向航行操纵，根据实际需要任意改变航向，进出港口、夹航道和进行避碰操作等；还能模拟海上各种气候环境条件。大大缩短了船员的培训周期，被广泛的应用于航海教学和船员培训领域中。
船舶操纵模拟器是一套半实物模拟仿真平台，由硬件系统与软件系统组成。
1.硬件系统
船舶操纵模拟器的硬件主要包括仿真驾驶台、教练台台体、环形屏幕、投影仪、图形工作站、液晶显示器、船用通信设备、音响设备和监视设备等组成。
1.1 仿真驾驶台
几乎是船舶模拟器唯一的物理仿真设备，其模拟的真实程度直接影响到学员的操船感觉，进而关系到学员的培训质量和船舶操纵模拟系统追求的逼真度。其物理尺寸和各种航海仪表的空间布局与实船基本相同，包括信息显示、导航显示设备及操纵控制面板，可以完成以下主要功能：（1）机驾合控制（2）采集车钟控制信号；（3）航行灯、信号灯的控制；（4）操舵方式选择、舵角显示、电/磁罗经角度显示功能；（5）主机转速、水深、船速、航行距离显示；（6）雷达标绘操作功能；（7）锚作业控制；（8）望远镜功能；（9）监视本船功能；（10）声音信号功能；（11）GMDSS海上遇险应急功能；（12）主机故障报警功能。
操作控制面板上有12个基本控制单元，包括雷达单元、缆控制单元、报警单元、计程仪单元、声音信号单元、望远镜单元、陀螺仪单元、灯光信号单元、总控单元、车钟单元、锚控单元和监视单元等，各控制单元主要山按钮、旋钮、液晶数码管和电路板构成。
1.2 环形屏幕和投影仪
主要用于将几何校正后的图形工作站输出的多通道视景拼接成一幅的完整画面，提供三维的视觉感官信息，形成水平视场角为180度以上柱面投影系统。投影幕的增益、宽高比率、对比度和均匀度的指标，以及投影仪的分辨率、流明等参数和数字边缘融合、数字颜色均衡、3D几何校正和弧形校正功能，决定了图像的清晰度和亮度，在一定程度上也决定了海洋三维视景的真实度。
2. 软件系统
船舶操纵模拟器的软件系统主要由视景仿真系统、船舶运动数学模型、教练台人机界面系统、电子海图ECDIS显示系统、雷达/ARPA图像生成系统综合数据显示系统等6个主要子系统构成。
2.1 视景仿真系统
视景仿真系统是利用实时三维视景软件驱动建好的仿真实体模型和场景模型，产生具有现实感觉的三维图形的实时动态视觉效果，然后通过投影仪将视景投射到环形投影幕上，使受训人员获得真实感强的视觉信息。主要实现的功能应包括：
（1）视景驱动：将船舶航行环境相关的三维模型（如船舶、地形、码头建筑、桥梁、航标等）实时驱动，进行动态显示。
（2）多通道显示：主要解决如何实现多台图形工作站输出相应通道视景，并实现同步更新画面，协调各通道的视景拼接。
（3）特殊效果管理：主要模拟雨、雪、云、能见度、亮度等天气以及浪级带来的视觉变化，还需模拟不同速度对应的船首浪花和尾迹，水面漂浮物随水面起伏等特效。
（4）声音管理：船舶仿真中不可缺少的一环，在模拟驾驶台配备本船声响信号的控制单元，可以实现船舶航行时汽笛、锣、钟、自动铃声和声号的控制。主要模拟以下几种声音：主机声，碰撞声、锚链声、汽笛声和风浪声。
（5）碰撞检测：是约束运动模型的重要工具，它是通过相交矢量来检测船舶是否与地形、目标船、港口建筑等发生碰撞，然后把检测的信息发送到船舶运动数学模型进行相应解算,获取解算后的位姿信息实时调整运动模型姿态，以更新三维视景。
2.2 船舶运动数学模型
船舶运动数学模型船舶模拟器的核心部分。船舶的位置变化和船舶各种运动参数等都依赖于模型的解算，模型解算的准确与否直接影响到操船感觉的真实度。当船员进行操纵模拟时，船舶的线位移、角位移、线速度、角速度等变量的变化要非常接近于真实船舶的运动，否则船员就会获得错误的经验信息。
除了考虑船舶受风、浪、流等影响之外，船舶运动模型还必须响应总控单元、缆控单元、锚控单元、车钟单元、舵等的控制，并实时获取视景系统中的碰撞信息，运动数学模型能进行六自由度运动的各参数值的解算，比较准确反映本船运动变化特征、变化规律以及本船和其它实体相互关系
2.3 教练台人机界面系统
教练台人机界面系统是组织培训和教学的工具，其教学组织功能是船舶模拟器总体性能的体现，也是船舶模拟器软件系统各种信息的交中心，应具备如下功能"：
（1）编制任务：在利用船舶模拟器开展训练时，需要预先给受训人员设定一些任务，如：选择练习类型、练习科目、航区、码头港口以及海图号：选择本船的船舶类型、名称、装载状态和船位；另外还包括GMDSS模拟器中的操作指示，ARPA操作程序等，这些设置能以文件形式存储起来，供以后调用；
（2）环境参数设置：教练员应能在教练台设置有关训练项目所需的所有环境参数，如雨、雪、云、能见度、亮度、风、浪、流、以及时间等，设置其中的参数来模拟夜景、雾景。
（3）动态监控：教练员应能够在任何时候对任何学员的操作、作业进行监视加以动态干预，设置船舶故障，如增加目标船、移动船位、目标船路径等，通过教练员直接操作。
（4）数据记录：教练台人机界面系统能够自动、全过程记录学员的操作（车钟、舵、鸣笛等），动态数据采样（如舵角、位姿、速度、航向等），时间记录等，以便事后分析或评分。
（5）回放、中断、暂停功能：教练员应能通过教练员回放本船任意一段训练过程，便于教学，能在操作训练过程中暂停操作，以便于进行讲评。(在暂停阶段，教练台还具有监控和干预功能)。
（6）数据输出：模拟结果以图形(海图轮廓+本船航迹+目标船航迹)和数字(船位及各种操船数据)形式给出，以便对受训者作出评估。
（7）效能评估：船舶模拟器除了作为教学培训的手段外，还有很重要的功能是用于考核、评分。船舶模拟器考核时依据STCW-95公约进行综合评分，一般是从操作正误、操作熟练程度和应急反应方面来评分。
2.4 电子海图ECDIS 显示系统
船舶模拟器上的电子海图系统是指利用计算机和软件编程把海图信息、船位信息、船舶动态参数集中处理，以图文和音响综合表现航海情况的模拟子系统。电子海图在舰船模拟器中作用主要是能实时、直观、精确的显示模拟过程中本船与它船、本船与岸壁、本船与航道等的地理环境相对位置关系及本船的实际运动状态。
性能完善的电子海图系统可以进行航线辅助设计、船位实时显示、航向航迹监测、航行自动警报(如偏航、误入危险区等)、快速查询各种信息(如水文、港口、潮汐等)、船舶动态实时显示(如每秒刷新船位、航速、航向)等功能。
2.5 雷达/ARPA 图像生成系统
而作为功能完备的大型舰船模拟器,雷达/ARPA系统显然是其必不可少的重要组成部分，主要用来模拟实现船舶的定位功能，是保证海上航行安全和提供综合信息的船舶重要辅助决策系统，如何应用雷达/ARPA对于实际船舶的操作具有非常现实的意义。
在雷达/ARPA 系统生成生成图像中,有训练区域的雷达图像及ARPA信息。雷达图像主要包括岸线回波、固定物标回波和运动目标回波。此外，雷达图像的生成中，还包括雷达假回波、雷达同屏干扰、异常大气条件对雷达的影响及雷达性能参数的模拟、雷达的最小探测距离等。
雷达控制面板的操作按钮应实现天线开关、量程增减、游标测物距离、显示所选目标信息、打开或关闭固距环、调整增益及抑制雨雪、海浪干扰功能。集成电路板将采集到的按钮操作信号通过以太网模块快速的上传到雷达/ARPA 模拟器的PC机上，更新显示器上的雷达图像信息，从而模拟出实际船舶雷达设备的功能。
2.6 综合数据显示系统
综合数据显示系统是为操机人员提供机舱主机的参数，包括主机转速、滑油量、滑油压力、冷却水温度、涡轮前排温，还可以显示水深、船速、方向角、舵角、回转角速度等参数值，它实现了船舶的机驾合一功能，模拟驾驶台的操机人员直接通过车钟控制单元就可调节主机的转速，并可以随时监测到主机的滑油、冷却水的参数。
船舶操纵模拟器能使受培训学员好象亲临实船，可以用于各种情况下的船舶航行、避碰、进/出港等方面的操纵训练，对于提高船员的操船和应急能力具有非常重要的意义。
