飛行訓練準實時講評系統設計與實現

岳桂金 張興國 吳 衡

飛行訓練準實時講評系統設計與實現

岳桂金 張興國 吳 衡

本文根據飛行訓練中講評的實際需求，設計了一種準實時講評系統，分析了系統的數據流程和可視化表現模式，明確了系統實現的關鍵技術，并實現了該系統。系統通過對每一架次的視頻和飛行參數進行回放和展示，能夠在飛機結束后立即對飛行員的操作進行事后講評，從而達到幫助參訓人員對飛行過程進行分析評估、查找問題、總結經驗和提升水平的目的。

飛行講評是對飛行訓練過程中出現的問題進行講述評論和徹底詳細的分析，同時也是人與人之間的交流，彼此間把自己在飛行過程中積累的經驗提供給對方，相互溝通以提高飛行技術。飛行講評對保證飛行安全起著至關重要的作用，它能夠發現存在的隱患和問題，為下次飛行做充分準備，所以飛行講評在整個飛行過程中是一個非常重要的階段。飛行講評一般分為飛行前講評、飛行中講評和飛行后講評，其中飛行后講評又稱為事后講評（After Action Review，AAR）。

國內航空事業和飛行員培訓的深入開展對飛行員培訓保障提出了更高的要求。現有的飛行員講評中采用的軌跡數據需要飛行結束后把機載記錄數據和地面基站記錄的數據做事后差分處理后，與其他數據進行匯總處理，按時間順序把每一架飛機，每個架次和每個進近的數據分開，再進行回放講評。這一過程的數據準備時間約為2～3h，而講評時間也需要2～3h，造成保障工作量大、數據卸載處理時間長，飛行員工作強度較大，講評效果差，飛行和培訓效率都降低。

飛行訓練的發展趨勢提出了利用較少的設備、空間、頻點和人員等資源高效率保障多架次高強度飛行任務的要求；要求實現位置、軌跡和速度等定位導航信息的高精度實時差分，提高保障效率；要求將多架次飛機進行統一監控，提高指揮效率，還要求在飛行結束后能夠盡快匯總所有數據進行講評，提高培訓效率。

系統概述

飛行訓練準實時講評系統是為滿足高強度、高效率和高精度的培訓需求而設計的保障系統之一。該系統的研制采用了數據采集與處理、指揮控制和引導、網絡通信技術以及系統集成技術，充分利用各類精密傳感器和通信設施，完成多目標飛機訓練過程中的空情態勢、引導監視、各類飛參信息顯示，以及不同目標飛機的空情態勢、視頻、飛行參數的綜合顯示和講評。通過準實時講評系統集成飛行航跡數據、飛參數據和視頻數據，針對每次訓練進行準實時同步回放，方便訓練教師和飛行學員對關注的飛行批次進行高效、準確地查看，從而為下次的訓練改進提供數據支持。這種方式具有指揮和講評一致、事后講評可以準實時進行的特點，對提高飛行員培訓和講評效率更有實際價值。

國外一般將態勢回放作為事后講評的基礎內容，本文依托飛行員培訓的具體項目，針對多機同時開展培訓工作的特點，對飛行訓練準實時講評系統進行了詳細設計，首先分析和闡述了系統的功能需求和系統架構，然后對實現系統所需的關鍵技術進行了討論，最終實現了系統。

系統設計

功能需求

飛行訓練講評系統是飛行訓練的保障系統之一，通過對飛行過程中產生的數據進行采集、分析和可視化回放，融合了多種信息的準實時講評系統可以為講評過程提供最直觀的依據，支持訓練教師對學員的訓練過程進行講評和學員進行自我講評。

某飛行訓練項目要求著眼于加強多機訓練過程中的保障能力，構建集空情顯示、空域顯示、視頻顯示和飛行參數顯示于一體的準實時講評系統，從而實時地對學員飛行過程進行回放查看，并進行準實時講評。主要功能有：支持單機訓練航跡數據的回放和遙測數據的可視化曲線講評顯示；能夠實現中心線相機視頻、機載平顯視頻的同步講評回放和訓練航線顯示；支持對每個進近歷史航跡的查看；支持水平著陸圖、垂直著陸航跡圖的講評顯示和保留顯示；支持對講評播放的快進、后退、暫停、停止等控制功能；支持語音講評播放。

系統架構

關于本系統的架構示意見圖1所示。

為了實現準實時講評功能，需要能夠接收實時差分的位置、軌跡和速度等導航數據、視頻和飛行參數。為此需要系統能夠進行鏈路雙向通信，把一套地面固定基站的差分數據實時發送給多架機的機載移動基站進行差分處理，然后把每架機差分后的信息分別實時回傳到地面進行顯示和處理，同時為了迎合國家導航系統的戰略發展方向，最好能實現GPS和北斗導航系統的實時復合差分。

使用一臺地面遙測接收設備實現對多機的同時監控，要求地面遙測接收設備或者與每架機的機載遙測發射設備具有不同的鏈路交聯，或者在同一通信鏈路中；前者依然需要多個頻點，除節省了地面設備外，與傳統的PCM遙測模式本質上并無區別，而后者可以使用同一頻點組成局域網，從節約電磁資源和簡化系統復雜度的角度考慮，具有明顯的優勢。

圖1　系統架構示意圖

圖2　準實時講評系統數據邏輯圖

準實時講評系統的數據邏輯圖如圖2所示。

準實時講評系統需要采用可視化的表現模式，及時、準確、全面地反映飛行態勢的變化，態勢回放，包括飛行員視角實時顯示、飛機姿態的指揮員視角顯示、飛參數據和航跡的曲線化圖像等。借助于交互式回放控制技術，可以進行實時回放，也可是進行加速或者減速回放，以及對回放進行暫停、顯示參數選擇、學員歷史數據篩選等功能。

關鍵技術多機單頻點網絡組播

傳統的兩個頻率的方法（頻分雙工或FDD）使得在許多應用中雙向通信的方便性或適用性中都有很多麻煩，同時FDD增加了復雜性，成本和重量與額外的天線，放大器和電路；每個鏈路使用單獨頻率也使得頻率管理變得復雜。本系統選用了具有國際領先的通訊技術，采用獨特的COFDM調制機制，具有自組織、自修復和優異的射頻穿透能力及多路徑傳輸特性的無線網格網IP電臺（無線網絡電臺），作為解決空地數據傳輸的方案。建立了寬帶無線網絡遙測傳輸的數據傳輸架構，采用組播管理、上行控制、智能監控網絡流量、無線中繼等技術手段，提升了監控能力、加強無線數據管理，解決了單頻點多機監控問題，節省了遙測頻點資源。

機載信息采集編碼設備主要完成機載復合平顯視頻信號及機載ARINC429、RS422、機載模擬信號等數據的采集，并把采集的視頻和關鍵參數復合編碼成網絡數據包，通過網絡遙測傳輸分系統的機載網絡電臺和機載UHF天線發射至地面遙測接收分系統的全向接收天線；地面網絡電臺將接收到的網絡數據包通過以太網交換機發送給地面遙測安全監控服務器，服務器通過網絡組播將飛機的實時參數發送給監控客戶端，從而實現地面實時多目標安全監控和輔助指揮。

機載信息采集編碼設備可接收地面控制中心的上行數據指令，完成設備狀態自檢，設備自啟動、重啟，下傳數據位速率設置等操作。加裝可實時差分與具有授時功能的GPS/北斗復合定位設備，提供對飛機運動軌跡、速度的精確定位測量。

GPS/北斗定位分系統實時輸出的高精度GPS/北斗時間信息，定位信息，主要包括高度、三維速度、經緯度、航跡等關鍵信息，為參訓飛機教學分析提供差分后的高精度位置和速度信息，同時為機載測試單元通過GPS/北斗設備進行集中統一授時，實現時統功能。

多機實時差分技術

在亞太地區上空，北斗衛星導航系統單點定位精度優于5m，衛星信號信噪比高于GPS，目前北斗導航系統總衛星數量16顆，正常情況下接收機可以接收到8顆左右的衛星信號。北斗導航定位技術在飛行試驗應用中具有最高可達3000m/s的超高速下的定位測量應用，最大可達50g/s的加速度適用范圍，大氣層內高度方向無限制等優點，是發展趨勢之一。為此必需研發機載和地面GPS/北斗定位采集器，實現接收北斗衛星導航信息，進行定位軌跡測量，實現導航信息的采集、差分、實時輸入輸出和存儲備份等功能；還要具有接收北斗衛星的授時信息，將時間信息變成IRIG-B（AC）碼和IRIG-B（DC）碼，用于對其它系統進行授時的功能。

GPS/北斗定位采集器系統設計方案采用一片FPGA和兩片ARM STM32的設計，FPGA接收BD2模塊送出的導航授時數據，經過分流后一路送第一個STM32（ARM 1），將原始數據無丟失地記于存儲介質中，分流后的另一路送到另一個STM32（ARM 2），STM32（ARM 2）接收到數據后，從數據包中解出時間信息和定位信息，將解碼出的時間信息和定位信息送OLED顯示模塊顯示。STM32（ARM 2）還連接實時時鐘（RTC）芯片，以便在無法接收到BD授時定位信息時采用實時時鐘數據為測試系統授時，STM32（ARM 2）還將接收到的時間數據（包括外部時間數據或內部時間數據）通過串行接口送入FPGA，FPGA根據接收到的時間信息，在每個PPS時鐘的上升沿，將時間數據轉換成需要的數據格式送到高速DA，并控制高速DA將數據轉換為IRIG-B AC碼輸出。設計原理如圖4所示。

圖3　GPS/北斗定位采集器原理框圖

圖4　飛行訓練準實時講評軟件界面示意框圖

系統實現

準實時講評系統目前已經實現并應用于實際的飛行訓練活動中，幫助飛行教師和訓練學員在飛行結束后10min內實施回放講評。系統以多機單頻點網絡組播技術為核心，搭建了空地一體化保障網絡，實現了多機的實時差分，能獲取高精度的定位導航信息，還使飛行教師能以訓練學員的視角直觀體會操作過程，將精力完全集中于指導教學，也方便了學員在高強度的訓練過程后能夠及時進行自我改進。圖4所示為飛行訓練準實時講評軟件運行時的軟件界面示意框圖，左側上方為回放控制部分，可以選擇特定學員的特定架次進行查看；左側下方分別為指揮員視角的中心線相機視頻和飛行學員視角的機載平顯視頻；右側上方可以選擇該架次需要顯示的參數；右側下方為參數曲線圖、垂直著陸圖和水平著陸圖。

結束語

本文對飛行訓練準實時講評系統進行了詳細的設計，在分析了功能需求的基礎上，明確了設計方案和系統架構，對系統實現所需的關鍵技術進行了討論，最后實現了講評系統。實際應用表明，該系統在飛行員培訓工作中提供了準確高效的講評手段，取得了良好的應用效果。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.24.013