試飛講評與飛行員培訓系統軟件設計

摘 要：為了提高試飛效率、縮短試飛周期，根據型號試飛需求，為多目標綜合安全監控系統設計試飛講評軟件，結合試飛實時數據處理任務要求，進一步提高試飛的效率和質量，為型號任務有效開展服務。該軟件基于地理信息、系統仿真、可視化技術及智能人機交互技術，基于多精度三維數字地圖、試飛數據庫及試飛任務信息庫，建立一個以試飛講評為主體的數字化環境，設計滿足新裝備飛行試飛任務事后分析講評需求的軟件。

關鍵詞：試飛講評； 可視化技術； 任務信息； 數據處理

中圖分類號：TN91134 文獻標識碼：A 文章編號：1004373X（2012）22011603

0 引 言

在新型飛機試飛過程由于新機結構復雜，采用多項先進技術和高新材料，試飛的風險和難度隨之提高，為了能更好地保證試飛安全、提高試飛效率以及完成對飛行員的培訓，研制開發了一套完整的試飛記錄回放講評系統，該系統可將任務的任一角度以三維立體展示，在多目標試飛過程中，試飛員據此能清楚地判別戰機位置、友機與目標。在其他科目試飛中，試飛講評與飛行員培訓系統能夠綜合分析關鍵時間段的相關數據、圖像信息，并與歷史相關數據進行對比分析。

國外在講評方面有非常成功完整的系統，美國有名的“紅旗”演習，它建立了一套完整的空戰訓練記錄回放講評系統，空戰訓練系統可將任務的任一角度以三維立體展示，飛行員據此能清楚地判別戰機位置、友機、目標與威脅源。 空戰訓練系統是“紅旗”演習的關鍵，因為它能直接評估任務效果。飛行員的記憶經常與空戰訓練系統記錄的并不相符，在看過任務實況回放后，飛行員可清楚地看到他們是如何進行任務的。由于需要長時間的討論，一次講評下來一般需要三、四個小時，往往比進行任務本身更久。講評的目的是讓飛行員能把經驗教訓立即反饋到下次任務中，甚至成為日后“紅旗”演習中的教學范例。

本軟件是對試飛前的任務規劃信息和試飛過程中形成的數據、圖像等信息的進一步挖掘和綜合分析，采用圖形處理技術、可視化軟件設計技術、圖像處理技術、多類型數據同步回放、數據挖掘技術等來實現試飛任務講評功能。

1 軟件設計原理

根據軟件工程規范的要求，系統規劃軟件的開發、運行，使系統具有可靠性、可維護性、可理解性、可擴展性、可移植性。采用標準化、通用化和系列化設計，人機界面簡捷，功能劃分合理清晰，系統具有較高的適應性和操作維護方便性。

該系統軟件基于地理信息、系統仿真、可視化技術及智能人機交互技術、數據庫技術、數據挖掘技術、多精度三維數字地圖隨動技術等建立一個以試飛講評為主體的數字化仿真環境，軟件采用模塊化設計，便于以后優化升級［1］。該軟件是基于P2P網絡結構設計的，每一個客戶端都隨時可以充當服務器，該系統結構有利于進行試飛講評和問題討論［2］。采用操作靈活、免安裝的桌面數據庫［3］。

借助先進的計算機技術，基于海量數據的統計規律構建實用的專項起降飛行技術分析基礎數據庫。運用飛行過程回放、飛行狀態查詢比對、歷次講評信息總結等手段，為試飛員飛行事后講評和操縱建議提供依據［4］。分步實施、逐步逼近。應用新型飛機飛行相關理論和研究成果，在新型飛機試飛期間，通過對試飛任務單信息和數據的采集，建立新型飛機飛行技術分析基礎數據庫，客觀反映試飛結果、總結試飛經驗，保障試飛安全、提高試飛效率、提高飛行員培訓效果。

2 軟件設計

該軟件設計了兩種工作模式，即實時監控模式和事后講評模式，可以充分利用系統資源。系統軟件總體結構示意圖如圖1所示，試飛講評軟件總體數據流向示意圖如圖2所示。

2.1 多類型多數據流數據處理軟件設計

試飛講評與飛行員培訓系統軟件的正常運行需要豐富的素材，多類型多數據劉數據處理軟件是對格式格柵信息、校準信息和ICD信息進行導入、編輯和管理，形成帶頭文件，以帶頭文件為依據對PCM（遙測、機載記錄）數據進行工程量轉換，部分參數依據其物理含義的理論原理設計算法和構建數學模型，進行分析處理，最后形成處理結果數據文件；對機載記錄的GPS數據與地面站的基準數據進行事后差分處理，形成結果數據文件；對遙測視頻和機載視頻進行實時處理和事后卸載、時間段挑選等［5］。其中PCM數據預處理模塊的輸入有機載記錄數據和遙測監控系統記錄的數據兩種數據格式，輸出有二進制、文本和第三方繪圖格式的數據文件，既可以全程處理，也可以按時間段進行處理，采樣率可以根據任務需要進行設置［6］，可以對數據進行去跳點、平滑和消除趨勢項等多項處理［7］。最后將各類數據的預處理結果都導入講評系統的數據庫中。該軟件結構如圖3所示。

圖3 多類型多數據流處理軟件結構圖2.2 講評信息管理軟件設計

數據管理軟件設計思想是，對講評所需的所有信息、數據進行管理、入庫，該軟件所形成的結果信息作為數據同步回放軟件的輸入。該軟件主要由任務規劃信息管理模塊、數據管理模塊和數據庫共三個模塊組成。

2.2.1 任務規劃信息管理模塊設計

任務規劃信息管理模塊的設計思路是將試飛任務單的內容進行整理、分解、歸類之后所形成的信息輸入到講評信息庫中。在講評過程中可以將任務規劃信息、指標與實際試飛過程中任務的執行數據進行對比分析，達到提高試飛任務設計、執行能力，找到提高試飛效率的最佳方案。

任務管理模塊主要具有任務單相關信息的錄入、編輯、修改和入庫功能，具有嚴格的用戶權限管理功能。任務設定、執行情況的對比結果，即試飛講評結論可以輸入也可以自動生成。

2.2.2 數據管理模塊設計

數據管理模塊主要對進入數據庫的數據進行管理，包括數據入庫、查詢、動作段定義、數據標注等。并形成系統日志。系統日志可以記錄最近一段時間內用戶對數據庫所進行的一切操作，有利于數據庫的維護和留證。

2.2.3 數據庫結構設計

該系統軟件的數據庫采用關系數據庫結構，主要是對用戶信息、試飛員信息、任務規劃信息、試飛數據信息和試飛講評技術資料庫等，進行錄入、管理、查詢等，設計一個好的數據庫結構是數據庫管理軟件穩定、高效運行的必備條件。該軟件的數據庫由5個數據庫表構成，數據庫結構示意圖如圖4所示。

圖4 數據庫結構示意圖其中，用戶管理庫表由用戶名、用戶密碼、用戶權限和備注字段共4個字段組成；試飛員信息庫中的字段有：試飛員編號、姓名、年齡、級別、飛機駕齡等；試飛數據信息庫是整個講評軟件中的核心數據庫，它主要由飛機名、飛機號、飛行日期、飛行架次、試飛員姓名、任務單編號、講評結果、備注共8個字段組成；任務規劃信息庫主要存放的是任務單的內容，包括任務單編號、天氣、風力、溫度、試飛動作設計、執行步驟、剖面圖等相關信息字段；技術資料庫主要由資料編號、發布日期、資料名稱、接收日期、飛機名、飛機號等字段構成。各個庫表之間通過關鍵字段建立聯接，可以實現聯合查詢功能［8］。

2.3 數據同步回放軟件設計

該軟件的設計思路是多個數據流的數據進行時間對齊處理，PCM和GPS差分數據流進行合并時，因為采樣率不同而且數據流中有相同數據元素，所以必須采用線性插值處理算法進行數據流合并，合并結果與音視頻進行同步時，不進行差分處理，采用時間對齊的處理方法，因為兩條數據流只是在時間上具有相關性，內容上沒有相同數據元素。同步誤差控制在40 ms內。

將完成同步之后的數據按照事先定義好的格式進行組包，按照UDP協議通過網絡發送到講評顯示終端，進行分析、顯示和講評。軟件數據流向圖如圖2所示。

2.4 視圖驅動、管理軟件設計

該軟件是試飛講評軟件的后臺應用軟件，綜合分析、顯示軟件和同步回放軟件之間的接口軟件。軟件功能主要是對講評分析、顯示軟件的管理，同步回放軟件與講評分析、顯示軟件之間的信息交換，包括參數信息、數據信息和網絡狀態信息等。軟件與相關軟件之間的數據流向圖如圖2所示。

2.5 講評信息可視化綜合分析、顯示軟件設計

該軟件采用可視化技術、三維動畫技術、多線程技術等圖形處理、計算機技術，以及網絡通信技術，設計開發三維姿態、二維綜合航跡、關鍵參數數據分析曲線等數據分析顯示軟件，音視頻解壓播放軟件等多個講評應用軟件，軟件結構如圖5所示。

圖5 可視化綜合分析、顯示軟件結構示意圖其中三維動畫顯示軟件包括飛機姿態（起落架、襟縫翼等局部可動件的驅動）、燃油動畫顯示、顫振激勵在飛機模型上通過色彩變化、數值和曲線的方式顯示；曲線分析軟件主要是對講評所需的關鍵數據進行點對點、時間歷程曲線繪制，可以在曲線上進行鼠標取點、放大、縮小、截取鼠標選定范圍的時間段數據等功能；數據對比分析軟件，是將本架次的某段數據與講評信息庫中的歷史數據進行對比分析，評判試飛任務執行效果，并進行原因分析，進一步提高任務的規劃、執行效率，歸納出更好的試飛方法，并將分析結果入庫保存。

在講評過程中可以隨時調入綜合監控軟件、平顯監控軟件以及圖5中所示的各個專業的監控軟件包中的任何一個實時監控中用到的監控畫面軟件［9］。資料調入顯示軟件是為了在講評過程中使用實際飛行動作效果與技術理論進行對比而設計的，目前只要是PDF格式的任何資料都可以在講評軟件界面隨時打開。

3 結 語

該軟件支持觸摸、鼠標等多種操作方式，通過三維動畫顯示、電子地理信息航跡顯示［10］、曲線、數據對比、歷史數據統計等多種方式，達到通過試飛數據對試飛過程進行立體重現，全方位的分析試飛過程中的每一個關鍵動作技術細節，讓試飛員、試飛工程師等相關技術人員，自己的試飛動作執行和試飛動作設計的實際效果，對試飛效率的提高起到重要作用。該講評系統軟件也可以用于其它型號試飛講評系統中，有非常好的可移植性和系統兼容性。

參 考 文 獻

［1］ 高飛， 聶青，李蕙芳，等.C++與數據結構＼[M＼].北京：北京理工大學出版社，2006.

［2］ 朗銳，羅發根.Visual C++ 網絡通信程序開發指南＼[M＼].北京：機械工業出版社，2004.

［3］ 李禹生，歐陽崢崢.Access數據庫應用技術＼[M＼].北京：清華大學出版社，2008.