一種可視化飛機著陸引導與評估系統研究*

楊 柯 史會麗 張 勇

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

1 引言

著陸作為飛機飛行過程中最為危險的階段，飛行事故中50%以上發生在該階段，為了減少這種飛行事故的發生，機場指揮員需要實時掌握著陸飛機偏離下滑道位置、起落架釋放等多項數據，并依據這些數據給出復飛和降落指令；同時受夜間及環境惡化的影響，飛行員目視對準跑道進近著陸時安全也受到嚴重威脅。因此如何解決上述情況下飛機著陸安全性和提高飛行員駕駛水平成為亟待解決的問題。

在我國軍民用機場飛機著陸引導階段［1］，主要靠儀表著陸系統［2～3］及引導雷達［4］等來完成。在著陸階段，儀表著陸系統可以引導飛行員安全準確地降落，但未將機上著陸信息下傳至塔臺，指揮員無法判斷飛機是否處在下滑道上；引導雷達進近階段受地雜波影響大、傳統目視等引導技術手段落后［5］。除此之外，目前機場飛行評估模式主要是以人為主導的定性評估，考核飛行員的飛行訓練時主要采取人工評價的方法，由于人工評價的主觀臆斷性較強，很難客觀、公正地對訓練過程、訓練效果做出合理、科學的評判。且飛行員也無法發現自己駕駛技術存在的缺陷，僅依據自己的習慣完成著陸過程，在接地迎角、接地速度等參數調整不良情況下，容易造成接地事故。

因此，為解決上述問題，在飛機進近下滑至著陸階段，本系統提出利用光電技術構建飛機著陸引導與評估系統，實現對目標的跟蹤、監視測量及偏差指示；輔助指揮官監視、引導，完成飛行評估。

2 系統設計思路

2.1 系統模型建立

光電引導系統放置在飛機跑道一側的固定位置，使用高分辨率電視、紅外熱像儀和激光測距等復合手段，完成著陸飛機的偏差數據的測量。光電引導系統主要完成飛機進近和著陸階段的引導，同時兼顧飛機姿態和著陸操作狀態的監視功能，是解決飛機引導問題，從而保證飛機安全著陸的重要手段。光電引導系統在飛機著陸引導階段的作用范圍約為飛機進入下滑道至著陸點的范圍區域［6～7］，如圖1所示。

2.2 系統基本框架

本系統以高清可見光電視、紅外、人眼安全激光、伺服平臺為基礎，解決基本的目標測量數據、直觀清晰圖像需求，實現多光譜跟蹤測量監視；根據測量數據，進行跟蹤測量數據融合處理、理想下滑道位置和偏差數據解算、指示，實現飛行偏差指示，完成輔助引導；以多源數據存儲與處理、數據統計查詢為基礎，建立評估模型，實現飛行評估，系統框架如圖2所示。

3 飛機的監視與引導

3.1 目標跟蹤

本系統以紅外攝像機、高清可見光電視、人眼安全激光及伺服平臺為基礎，進行多光譜跟蹤測量監視，以圖像穩定跟蹤［8］、激光測距、伺服控制、理想下滑道數學模型解算等技術為核心，通過對目標的自動跟蹤監視，獲取目標空間距離、角度、速度等信息，并進一步解算目標對應理想下滑道位置以及目標偏差信息，一方面將偏差對比信息疊加在視頻圖像中，進行輸出顯示，為指揮員提供輔助指揮；另一方面將多源數據進行存儲、處理，結合用戶需求，建立評估模型，進行應用查詢統計分析。

圖2 系統框架圖

系統由激光測距單元完成激光測距、測速；由紅外、電視攝像機采集圖像；由伺服轉臺輸出轉臺指向角度信息。各數據信息匯總后由光纖傳輸至監控臺；監控臺將視頻數據信息通過網絡傳輸至指揮臺，網絡內其他站點可能過網絡接收視頻數據信息。監控臺內圖像跟蹤單元接收視頻圖像，對視頻內飛機目標進行目標位置自動提取等圖像處理，獲取目標在圖像中的偏差角度（目標脫靶量），發送至管理計算機；管理計算機接收目標測量數據及脫靶量信息，解算目標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跟蹤閉環角度，實現對目標的自動跟蹤穩瞄；并將有關信息提供給圖像跟蹤單元，控制其在圖像中進行輔助指揮用的信息疊加，實現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

圖3 飛行偏差指示圖

飛機進近下滑航線偏差指示與引導圖內嵌于監控管理軟件界面中并采用固定顯示形式。監控管理軟件根據伺服轉臺轉動的方位、俯仰角度及激光測距數據，可解算出飛機飛行方位速度及高度偏差數據，并以圖形的方式繪制顯示，可供塔臺飛行指揮和操作人員了解飛機進近下滑情況，輔助指揮員進行進近著陸指揮。飛機進近下滑偏差指示圖如圖3所示。

4 飛行評估模型

本系統中管理計算機將收到不同來源的數據信息采用XML技術和數據庫技術，實現數據結構的規范和統一，完成基礎數據的收集、傳輸與存儲；同時，結合用戶需求，采用數據庫存儲過程、視圖等技術實現查詢統計顯示；建立評估模型，按一定標準及權重構建模型，并根據每個指標理想軌跡模型和評估模型，輸入測量數據，計算出本階段的飛行成績，進行飛行評估。其飛行評估流程如圖4所示。

飛行評估模型的建立首先要選擇合適的評價指標，其次要確立各評價指標的權重系數，最后對各個評價指標建立數學模型，并綜合得到飛行成績。下面就具體討論如何來建立飛行成績評估模型。

圖4 飛行評估流程圖

4.1 評價指標的確立原則

對于具體的實際評價問題，如何選取評價指標是一個很重要的問題。為了保證評價指標體系的科學性、準確性和實用性，評價指標的篩選應遵循以下原則［9］。

系統性原則：評價指標體系必須反映被評價問題的各個側面，即評價指標和標準必須充分反映飛行著陸階段的全過程。

科學性原則：整個綜合評價指標體系從元素構成到結構，評價指標能反映著陸階段訓練的真實情況。

可比性原則：評價指標對每個評價對象是公平的、可度量、可比較的，使最后的評價結果真實有效地反映了飛行訓練情況。

實用性原則：評價指標、標準必須是可測量、可獲取的，整個評價過程簡便實用，評價方法易于掌握。

在飛機著陸階段，根據飛行訓練資料以及一些資深飛行員多年飛行的經驗，確定在此飛行階段的評價指標是“三三制”即在進場著陸階段，距離-方位、距離-高度、距離-速度三個指標。

4.2 指標的權重系數

權重是衡量被評估對象要素重要程度的量值，也表示指標對總體目標貢獻的大小。權重值的改變可能引起被評價對象優劣順序的改變，直接影響著評價結果。因此，合理確定權重是效能評價的關鍵所在。由于影響效能的因素眾多，因素與總目標之間呈現復雜的非線性映射關系，各指標間的關系也錯綜復雜，為指標賦予準確的權值較困難。為合理確定指標體系中各指標的權重，應遵循以下原則。

1）以系統的整體最優作為出發點和追求目標；

2）權重要反映人的主觀意愿和價值觀念，同時必須通過客觀現實來量化體現，實現主動與現實的結合；

3）集中專家群體中每個人的權重方案，形成統一的方案。

本系統采用層次權重法［9～10］，首先確定需要先建立問題層次結構模型，構造判斷矩陣來計算判斷矩陣特征向量及最大特征值，并進行一致性檢驗。檢驗通過后，特征向量歸一化處理后得到權向量。

4.3 飛行評估建立

本系統的飛行訓練評估模型是以飛機著陸階段來建立飛行評估模型。建立“三三制”評估模型，從三個階段即I階段指1.5km以內，Ⅱ階段指1.5km～3km，Ⅲ階段指3km～4.5km，從三個指標即距離-方位，距離-高度，距離-速度，按一定標準及權重進行飛行評估，給出飛行成績。

目前每個指標具體評分模型如下：

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算出100分到60分之間的相應分數。最終成績為各個位置記錄點得分的平均值。

H表示當前距離的理想高度，h為當前距離的實際高度；高度差Δh=|h-H|；Δhm滿分標準；Δhn及格標準；L當前距離；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：大航線對正距離為5km，起落航線對正距離為2km～5km，小航線對正距離為2km。在航線對應的對正要求距離以前對正到跑道寬度范圍內，并在隨后的降落過程中一直處于該范圍的視作滿分，如有超出對正范圍的按照超出比例相應扣分。跑道寬度D=50，Δd飛機與跑道中心線的垂直距離；ΔD=|Δd|。

3）高度-速度：如圖所示為標準速度區間，全程處在理想速度范圍區間內的視為滿分，超出該速度區間按照超出的比例進行相應扣分。

當飛機已進入對正狀態后，Pi為當前速度；為當前距離處最大允許速度；為當前距離處最小允許速度。當飛機已進入對正狀態后：

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) 指各階段方位分數，Xi(i=1，…，3)指各階段方位分數的權重；Bi(i=1，…，3)指各階段高度分數，Yi(i=1，…，3)指各階段高度分數的權重；Ci(i=1，…，3)指各階段速度分數，Zi(i=1，…，3)指各階段速度分數的權重。

5 結語

本文給出了一種新的飛機著陸引導評估的解決方法，適用于各類飛機的進近階段的著陸引導及飛行評估。該系統能夠有效解決飛行訓練進近階段，采用多光譜融合［10～11］探測跟蹤及數據庫等技術，解決了相對運動平臺下理想下滑道偏差指示及多數據源飛行評估等問題，實現了具有“全天候跟蹤監視測量、著陸引導指示、飛行評估”等使命的光電進近引導系統。特別是其飛行評估作為整個系統的重要組成部分，實現了對飛行訓練成績的自動評估功能，方便學員自主訓練，找出問題，節省了大量人力。但由于影響飛行訓練的因素很多，包括飛行員收集、預測信息的能力、注意力分配與轉移、決策、操控的熟練程度等［12］，因而單由系統測量數據來評定訓練成績還是很不足的，下一步將盡可能地整合多方面信息，爭取做到對飛行成績的全面評定［13］。