一種可視化飛機(jī)著陸引導(dǎo)與評(píng)估系統(tǒng)研究*

楊 柯 史會(huì)麗 張 勇

（1.海軍駐鄭州地區(qū)軍事代表室 鄭州 450000）（2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所 鄭州 450015）

1 引言

著陸作為飛機(jī)飛行過(guò)程中最為危險(xiǎn)的階段，飛行事故中50%以上發(fā)生在該階段，為了減少這種飛行事故的發(fā)生，機(jī)場(chǎng)指揮員需要實(shí)時(shí)掌握著陸飛機(jī)偏離下滑道位置、起落架釋放等多項(xiàng)數(shù)據(jù)，并依據(jù)這些數(shù)據(jù)給出復(fù)飛和降落指令；同時(shí)受夜間及環(huán)境惡化的影響，飛行員目視對(duì)準(zhǔn)跑道進(jìn)近著陸時(shí)安全也受到嚴(yán)重威脅。因此如何解決上述情況下飛機(jī)著陸安全性和提高飛行員駕駛水平成為亟待解決的問(wèn)題。

在我國(guó)軍民用機(jī)場(chǎng)飛機(jī)著陸引導(dǎo)階段［1］，主要靠?jī)x表著陸系統(tǒng)［2～3］及引導(dǎo)雷達(dá)［4］等來(lái)完成。在著陸階段，儀表著陸系統(tǒng)可以引導(dǎo)飛行員安全準(zhǔn)確地降落，但未將機(jī)上著陸信息下傳至塔臺(tái)，指揮員無(wú)法判斷飛機(jī)是否處在下滑道上；引導(dǎo)雷達(dá)進(jìn)近階段受地雜波影響大、傳統(tǒng)目視等引導(dǎo)技術(shù)手段落后［5］。除此之外，目前機(jī)場(chǎng)飛行評(píng)估模式主要是以人為主導(dǎo)的定性評(píng)估，考核飛行員的飛行訓(xùn)練時(shí)主要采取人工評(píng)價(jià)的方法，由于人工評(píng)價(jià)的主觀臆斷性較強(qiáng)，很難客觀、公正地對(duì)訓(xùn)練過(guò)程、訓(xùn)練效果做出合理、科學(xué)的評(píng)判。且飛行員也無(wú)法發(fā)現(xiàn)自己駕駛技術(shù)存在的缺陷，僅依據(jù)自己的習(xí)慣完成著陸過(guò)程，在接地迎角、接地速度等參數(shù)調(diào)整不良情況下，容易造成接地事故。

因此，為解決上述問(wèn)題，在飛機(jī)進(jìn)近下滑至著陸階段，本系統(tǒng)提出利用光電技術(shù)構(gòu)建飛機(jī)著陸引導(dǎo)與評(píng)估系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的跟蹤、監(jiān)視測(cè)量及偏差指示；輔助指揮官監(jiān)視、引導(dǎo)，完成飛行評(píng)估。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

2.1 系統(tǒng)模型建立

光電引導(dǎo)系統(tǒng)放置在飛機(jī)跑道一側(cè)的固定位置，使用高分辨率電視、紅外熱像儀和激光測(cè)距等復(fù)合手段，完成著陸飛機(jī)的偏差數(shù)據(jù)的測(cè)量。光電引導(dǎo)系統(tǒng)主要完成飛機(jī)進(jìn)近和著陸階段的引導(dǎo)，同時(shí)兼顧飛機(jī)姿態(tài)和著陸操作狀態(tài)的監(jiān)視功能，是解決飛機(jī)引導(dǎo)問(wèn)題，從而保證飛機(jī)安全著陸的重要手段。光電引導(dǎo)系統(tǒng)在飛機(jī)著陸引導(dǎo)階段的作用范圍約為飛機(jī)進(jìn)入下滑道至著陸點(diǎn)的范圍區(qū)域［6～7］，如圖1所示。

2.2 系統(tǒng)基本框架

本系統(tǒng)以高清可見(jiàn)光電視、紅外、人眼安全激光、伺服平臺(tái)為基礎(chǔ)，解決基本的目標(biāo)測(cè)量數(shù)據(jù)、直觀清晰圖像需求，實(shí)現(xiàn)多光譜跟蹤測(cè)量監(jiān)視；根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)，進(jìn)行跟蹤測(cè)量數(shù)據(jù)融合處理、理想下滑道位置和偏差數(shù)據(jù)解算、指示，實(shí)現(xiàn)飛行偏差指示，完成輔助引導(dǎo)；以多源數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)查詢?yōu)榛A(chǔ)，建立評(píng)估模型，實(shí)現(xiàn)飛行評(píng)估，系統(tǒng)框架如圖2所示。

3 飛機(jī)的監(jiān)視與引導(dǎo)

3.1 目標(biāo)跟蹤

本系統(tǒng)以紅外攝像機(jī)、高清可見(jiàn)光電視、人眼安全激光及伺服平臺(tái)為基礎(chǔ)，進(jìn)行多光譜跟蹤測(cè)量監(jiān)視，以圖像穩(wěn)定跟蹤［8］、激光測(cè)距、伺服控制、理想下滑道數(shù)學(xué)模型解算等技術(shù)為核心，通過(guò)對(duì)目標(biāo)的自動(dòng)跟蹤監(jiān)視，獲取目標(biāo)空間距離、角度、速度等信息，并進(jìn)一步解算目標(biāo)對(duì)應(yīng)理想下滑道位置以及目標(biāo)偏差信息，一方面將偏差對(duì)比信息疊加在視頻圖像中，進(jìn)行輸出顯示，為指揮員提供輔助指揮；另一方面將多源數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、處理，結(jié)合用戶需求，建立評(píng)估模型，進(jìn)行應(yīng)用查詢統(tǒng)計(jì)分析。

圖2 系統(tǒng)框架圖

系統(tǒng)由激光測(cè)距單元完成激光測(cè)距、測(cè)速；由紅外、電視攝像機(jī)采集圖像；由伺服轉(zhuǎn)臺(tái)輸出轉(zhuǎn)臺(tái)指向角度信息。各數(shù)據(jù)信息匯總后由光纖傳輸至監(jiān)控臺(tái)；監(jiān)控臺(tái)將視頻數(shù)據(jù)信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸至指揮臺(tái)，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)其他站點(diǎn)可能過(guò)網(wǎng)絡(luò)接收視頻數(shù)據(jù)信息。監(jiān)控臺(tái)內(nèi)圖像跟蹤單元接收視頻圖像，對(duì)視頻內(nèi)飛機(jī)目標(biāo)進(jìn)行目標(biāo)位置自動(dòng)提取等圖像處理，獲取目標(biāo)在圖像中的偏差角度（目標(biāo)脫靶量），發(fā)送至管理計(jì)算機(jī)；管理計(jì)算機(jī)接收目標(biāo)測(cè)量數(shù)據(jù)及脫靶量信息，解算目標(biāo)空間位置以及偏離伺服角度位置，為伺服控制單元提供自動(dòng)跟蹤閉環(huán)角度，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的自動(dòng)跟蹤穩(wěn)瞄；并將有關(guān)信息提供給圖像跟蹤單元，控制其在圖像中進(jìn)行輔助指揮用的信息疊加，實(shí)現(xiàn)最終疊加了著陸信息的視頻圖像輸出顯示。

3.2 飛行偏差指示與引導(dǎo)

圖3 飛行偏差指示圖

飛機(jī)進(jìn)近下滑航線偏差指示與引導(dǎo)圖內(nèi)嵌于監(jiān)控管理軟件界面中并采用固定顯示形式。監(jiān)控管理軟件根據(jù)伺服轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)的方位、俯仰角度及激光測(cè)距數(shù)據(jù)，可解算出飛機(jī)飛行方位速度及高度偏差數(shù)據(jù)，并以圖形的方式繪制顯示，可供塔臺(tái)飛行指揮和操作人員了解飛機(jī)進(jìn)近下滑情況，輔助指揮員進(jìn)行進(jìn)近著陸指揮。飛機(jī)進(jìn)近下滑偏差指示圖如圖3所示。

4 飛行評(píng)估模型

本系統(tǒng)中管理計(jì)算機(jī)將收到不同來(lái)源的數(shù)據(jù)信息采用XML技術(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的規(guī)范和統(tǒng)一，完成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的收集、傳輸與存儲(chǔ)；同時(shí)，結(jié)合用戶需求，采用數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)過(guò)程、視圖等技術(shù)實(shí)現(xiàn)查詢統(tǒng)計(jì)顯示；建立評(píng)估模型，按一定標(biāo)準(zhǔn)及權(quán)重構(gòu)建模型，并根據(jù)每個(gè)指標(biāo)理想軌跡模型和評(píng)估模型，輸入測(cè)量數(shù)據(jù)，計(jì)算出本階段的飛行成績(jī)，進(jìn)行飛行評(píng)估。其飛行評(píng)估流程如圖4所示。

飛行評(píng)估模型的建立首先要選擇合適的評(píng)價(jià)指標(biāo)，其次要確立各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，最后對(duì)各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)建立數(shù)學(xué)模型，并綜合得到飛行成績(jī)。下面就具體討論如何來(lái)建立飛行成績(jī)?cè)u(píng)估模型。

圖4 飛行評(píng)估流程圖

4.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)的確立原則

對(duì)于具體的實(shí)際評(píng)價(jià)問(wèn)題，如何選取評(píng)價(jià)指標(biāo)是一個(gè)很重要的問(wèn)題。為了保證評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的科學(xué)性、準(zhǔn)確性和實(shí)用性，評(píng)價(jià)指標(biāo)的篩選應(yīng)遵循以下原則［9］。

系統(tǒng)性原則：評(píng)價(jià)指標(biāo)體系必須反映被評(píng)價(jià)問(wèn)題的各個(gè)側(cè)面，即評(píng)價(jià)指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)必須充分反映飛行著陸階段的全過(guò)程。

科學(xué)性原則：整個(gè)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系從元素構(gòu)成到結(jié)構(gòu)，評(píng)價(jià)指標(biāo)能反映著陸階段訓(xùn)練的真實(shí)情況。

可比性原則：評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)每個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象是公平的、可度量、可比較的，使最后的評(píng)價(jià)結(jié)果真實(shí)有效地反映了飛行訓(xùn)練情況。

實(shí)用性原則：評(píng)價(jià)指標(biāo)、標(biāo)準(zhǔn)必須是可測(cè)量、可獲取的，整個(gè)評(píng)價(jià)過(guò)程簡(jiǎn)便實(shí)用，評(píng)價(jià)方法易于掌握。

在飛機(jī)著陸階段，根據(jù)飛行訓(xùn)練資料以及一些資深飛行員多年飛行的經(jīng)驗(yàn)，確定在此飛行階段的評(píng)價(jià)指標(biāo)是“三三制”即在進(jìn)場(chǎng)著陸階段，距離-方位、距離-高度、距離-速度三個(gè)指標(biāo)。

4.2 指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)

權(quán)重是衡量被評(píng)估對(duì)象要素重要程度的量值，也表示指標(biāo)對(duì)總體目標(biāo)貢獻(xiàn)的大小。權(quán)重值的改變可能引起被評(píng)價(jià)對(duì)象優(yōu)劣順序的改變，直接影響著評(píng)價(jià)結(jié)果。因此，合理確定權(quán)重是效能評(píng)價(jià)的關(guān)鍵所在。由于影響效能的因素眾多，因素與總目標(biāo)之間呈現(xiàn)復(fù)雜的非線性映射關(guān)系，各指標(biāo)間的關(guān)系也錯(cuò)綜復(fù)雜，為指標(biāo)賦予準(zhǔn)確的權(quán)值較困難。為合理確定指標(biāo)體系中各指標(biāo)的權(quán)重，應(yīng)遵循以下原則。

1）以系統(tǒng)的整體最優(yōu)作為出發(fā)點(diǎn)和追求目標(biāo)；

2）權(quán)重要反映人的主觀意愿和價(jià)值觀念，同時(shí)必須通過(guò)客觀現(xiàn)實(shí)來(lái)量化體現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)與現(xiàn)實(shí)的結(jié)合；

3）集中專家群體中每個(gè)人的權(quán)重方案，形成統(tǒng)一的方案。

本系統(tǒng)采用層次權(quán)重法［9～10］，首先確定需要先建立問(wèn)題層次結(jié)構(gòu)模型，構(gòu)造判斷矩陣來(lái)計(jì)算判斷矩陣特征向量及最大特征值，并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。檢驗(yàn)通過(guò)后，特征向量歸一化處理后得到權(quán)向量。

4.3 飛行評(píng)估建立

本系統(tǒng)的飛行訓(xùn)練評(píng)估模型是以飛機(jī)著陸階段來(lái)建立飛行評(píng)估模型。建立“三三制”評(píng)估模型，從三個(gè)階段即I階段指1.5km以內(nèi)，Ⅱ階段指1.5km～3km，Ⅲ階段指3km～4.5km，從三個(gè)指標(biāo)即距離-方位，距離-高度，距離-速度，按一定標(biāo)準(zhǔn)及權(quán)重進(jìn)行飛行評(píng)估，給出飛行成績(jī)。

目前每個(gè)指標(biāo)具體評(píng)分模型如下：

1）高度-距離：近距離階段滿分范圍為理想位置上下5m范圍，合格范圍為理想位置上下10m；中距離階段滿分范圍為理想位置上下10m范圍，合格的范圍為理想位置上下30m范圍；遠(yuǎn)距離階段滿分范圍為理想位置上下20m范圍，合格范圍為理想位置上下50m范圍。滿分與合格范圍之間的偏差量按照比例計(jì)算出100分到60分之間的相應(yīng)分?jǐn)?shù)。最終成績(jī)?yōu)楦鱾€(gè)位置記錄點(diǎn)得分的平均值。

H表示當(dāng)前距離的理想高度，h為當(dāng)前距離的實(shí)際高度；高度差Δh=|h-H|；Δhm滿分標(biāo)準(zhǔn)；Δhn及格標(biāo)準(zhǔn)；L當(dāng)前距離；I階段 Δhm=5，Δhn=10；Ⅱ階 段 Δhm=10，Δhn=30；Ⅲ 階 段 Δhm=20，Δhn=50。

2）高度-方位：大航線對(duì)正距離為5km，起落航線對(duì)正距離為2km～5km，小航線對(duì)正距離為2km。在航線對(duì)應(yīng)的對(duì)正要求距離以前對(duì)正到跑道寬度范圍內(nèi)，并在隨后的降落過(guò)程中一直處于該范圍的視作滿分，如有超出對(duì)正范圍的按照超出比例相應(yīng)扣分。跑道寬度D=50，Δd飛機(jī)與跑道中心線的垂直距離；ΔD=|Δd|。

3）高度-速度：如圖所示為標(biāo)準(zhǔn)速度區(qū)間，全程處在理想速度范圍區(qū)間內(nèi)的視為滿分，超出該速度區(qū)間按照超出的比例進(jìn)行相應(yīng)扣分。

當(dāng)飛機(jī)已進(jìn)入對(duì)正狀態(tài)后，Pi為當(dāng)前速度；為當(dāng)前距離處最大允許速度；為當(dāng)前距離處最小允許速度。當(dāng)飛機(jī)已進(jìn)入對(duì)正狀態(tài)后：

I ⅡⅢA3*X3 B3*Y3 C3*Z3距離-方位距離-高度距離-速度A1*X1 B1*Y1 C1*Z1 A2*X2 B2*Y2 C2*Z2

Ai(i=1，…，3) 指各階段方位分?jǐn)?shù)，Xi(i=1，…，3)指各階段方位分?jǐn)?shù)的權(quán)重；Bi(i=1，…，3)指各階段高度分?jǐn)?shù)，Yi(i=1，…，3)指各階段高度分?jǐn)?shù)的權(quán)重；Ci(i=1，…，3)指各階段速度分?jǐn)?shù)，Zi(i=1，…，3)指各階段速度分?jǐn)?shù)的權(quán)重。

5 結(jié)語(yǔ)

本文給出了一種新的飛機(jī)著陸引導(dǎo)評(píng)估的解決方法，適用于各類飛機(jī)的進(jìn)近階段的著陸引導(dǎo)及飛行評(píng)估。該系統(tǒng)能夠有效解決飛行訓(xùn)練進(jìn)近階段，采用多光譜融合［10～11］探測(cè)跟蹤及數(shù)據(jù)庫(kù)等技術(shù)，解決了相對(duì)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)下理想下滑道偏差指示及多數(shù)據(jù)源飛行評(píng)估等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了具有“全天候跟蹤監(jiān)視測(cè)量、著陸引導(dǎo)指示、飛行評(píng)估”等使命的光電進(jìn)近引導(dǎo)系統(tǒng)。特別是其飛行評(píng)估作為整個(gè)系統(tǒng)的重要組成部分，實(shí)現(xiàn)了對(duì)飛行訓(xùn)練成績(jī)的自動(dòng)評(píng)估功能，方便學(xué)員自主訓(xùn)練，找出問(wèn)題，節(jié)省了大量人力。但由于影響飛行訓(xùn)練的因素很多，包括飛行員收集、預(yù)測(cè)信息的能力、注意力分配與轉(zhuǎn)移、決策、操控的熟練程度等［12］，因而單由系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)評(píng)定訓(xùn)練成績(jī)還是很不足的，下一步將盡可能地整合多方面信息，爭(zhēng)取做到對(duì)飛行成績(jī)的全面評(píng)定［13］。