海上霧霾天氣下基于能見度的艦載機目視著艦風險評估方法研究

楊 凡，田杰榮，劉 敏

（海軍航空大學，山東，煙臺 264001）

0 引言

航空母艦在海上受到海況和天氣的影響，使得艦載機在著艦過程中，需要克服外界干擾（如大氣紊流、甲板風、艦尾流、惡劣天氣等）[1]，準確降落在1個空間有限、時刻運動的甲板上，著艦的難度和風險大大增加。據統計，著艦階段只占整個飛行過程的3%左右，但卻有1/3以上的飛行事故多發生在這一階段。人工著艦事故率比陸基飛機約高3～6 倍，著艦失敗率又占總失誤率的85%，其中，黑夜失敗率又比白天大2倍[2]。在諸多影響因素中，海上霧霾天氣直接影響艦載機飛行員著艦甲板的能見度，是制約艦載機目視著艦訓練安全性的關鍵因素。

目前，艦載機著艦過程中，海上能見度的測量通常有目視和能見度儀2 種觀測手段。其中：目視測量方法的海上有效參照物少，以艦面目標為參照物，則觀測距離有限；能見度儀一般用于水平能見度的觀測，測量范圍有限，無法滿足著艦過程中的大范圍遠距離觀測要求。而在實際著艦過程中，目視艦面或著艦點的視場范圍是由上至下傾斜的，對應的是斜程能見度，傳統的用水平能見度來評估著艦能見度條件的方法并不準確。而激光雷達體積小、結構緊湊、測量精度高，且可自由改變探測角度，可實現多仰角探測[3]，是直接探測斜程能見度的最佳選擇。

現代戰爭中，惡劣天氣條件下的作戰能力往往決定著最終誰來掌握海上戰場的主動權，因而海上霧霾天氣下的目視著艦訓練尤為重要。然而，低能見度下的艦載機目視著艦任務給飛行員和指揮員帶來巨大壓力，也給著艦安全造成了巨大挑戰。如何處理訓練和安全的關系，有效評估海上霧霾天氣下艦載機目視著艦的風險成為新難題。在此背景下，海上霧霾天氣下基于能見度的艦載機目視著艦風險評估方法的研究，對艦載機目視著艦訓練具有重要實踐指導意義。

1 斜程能見度測量方法

1.1 能見度測量原理

水平能見度測量的前提條件是在陽光或均勻的天空照明下水平大氣消光均勻。根據Koschmieder定律[4]，能見度定義為輻射在傳輸過程中衰減為光源的視覺反應閾值時對應的傳播距離：

式（1）中：V為能見度；η為視覺反應閾值，是人眼將目標從背景中區別出來的最小亮度對比，航空氣象領域其一般為5%[5]；σ為大氣消光系數。

考慮到消光系數對波長的依賴關系，Angstrom將上述公式進行修正[6-7]：

式（2）（3）中：σ單位是km-1；V單位是km；λ單位是μm。

1.2 斜程大氣消光系數測量方法

激光雷達接收到的探測距離R處的回波功率由激光雷達方程[8]所示：

式（4）中：R為激光雷達斜測距離( m )；P(R)為激光雷達接收到的信號功率( W )；P0為激光脈沖平均功率( W )；c為光速3×108m s ；Δt為激光脈沖寬度( s )；A為接收機有效孔徑( m2)；η為發射和接收光學系統損耗；Y(R)為激光雷達系統的幾何重疊因子，由系統結構參數決定；β(R)為大氣粒子后向散射系數(m-1sr-1)，β(R)=βa(R)+βm(R)，βa(R)與βm(R)分別是大氣氣溶膠和大氣分子的后向散射系數(m-1sr-1)；T(R)為 大 氣 粒 子 的 透 過 率 函 數 ，和σm(R)分別是大氣氣溶膠和大氣分子的消光系數( m-1)。

大氣分子的消光系數因瑞利散射的消光模式[9]得到：

大氣氣溶膠消光系數可由Fernald理論[10]得到：

式（6）中：Rm為最大距離，是指Fernald 方法后向積分消光系數的反演距離，由回波信號的信噪比限制；Sa氣溶膠的消光-后向散射比，對于球形粒子散射，如霧滴等，可以假設其為常數；X(R)為距離修正信號，X(R)=P(R)R2Y(R)。須要注意的是，最大距離Rm與消光系數初值σa(Rm)本身均為未知量，需要采用適當的迭代算法來反演正確的消光值[11]。

艦載機在著艦過程中，其下滑著艦階段的下滑角為3.5°～4°，其他著艦階段傾斜角度則明顯大于下滑角，因而，其目視著艦能見度是斜程能見度，不能完全套用水平能見度的測量方法。激光雷達是通過給定波長的激光以一定的角度向大氣發射，經過大氣散射，接收機接收到后向散射信號，反演其大氣消光系數σ，再利用式（2）（3）得到相應的斜程能見度。因此，可以用激光雷達來測量后向散射信號。值得注意的是，由于斜程路徑上的大氣并不均勻，因而這里的消光系數為斜程路徑上各點消光系數的平均值，即對應的能見度為斜程路徑的平均能見度。

2 基于能見度的目視著艦風險評估方法

2.1 評估方法思路

本研究基于能見度的目視著艦風險，是指飛行員在著艦過程中能否看清航母或者看清航母著艦跑道。其中，能夠看清以視覺反應閾值為判定標準，進場階段重點判斷能否看清航母，下滑著艦階段重點判斷能夠看清著艦跑道。本文重點研究艦載機在進近著艦Ⅲ類模式下的目視著艦風險評估方法。評估方法以斜程能見度與斜程距離之間的大小關系為基礎，按照“由點到線、遠近加權、逐級評估、分級應對”的原則進行設計，建立“航段點—航段—著艦子階段—著艦階段”共4級風險評估體系，每個級別由遠及近提高風險評估權重[12]，將上一級別風險評估的輸出結果作為下一級別風險評估的輸入條件，以此類推，逐級開展風險評估。在著艦子階段和著艦階段這2 個級別上，開展風險等級顏色預警，針對不同的預警顏色采取相應的安全措施。

圖1 風險評估級別Fig.1 Risk assessment level

2.2 評估指標依據

在艦載機著艦流程[13-14]中，綜合考慮激光雷達的有效測量距離和實際著艦過程中的艦機間距，選取對目視條件要求較高的進場（5～20 km）和下滑著艦（0～5 km）2個階段開展風險評估。為便于細致評估風險，將著艦階段進一步劃分為著艦子階段，即進場階段細分為進場Ⅰ（15～20 km）、進場Ⅱ（10～15 km）、進場Ⅲ（5～10 km）共3個階段。下滑著艦階段細分為下滑著艦Ⅰ（2～5 km）、下滑著艦Ⅱ（0～2 km）共2個階段。每個著艦子階段以0.5 km 為步長進一步分為多個航段。由于預定航段中可能出現不同的艦機間傾斜角，在不同傾斜角對應的航段點中隨機選取若干個樣本，判斷其中每個航段點是否有目視著艦風險，綜合所有樣本航段點的風險評估結果來判定該航段是否有目視著艦風險；綜合所有航段的風險評估結果來判定該著艦子階段的風險等級并作出顏色預警；綜合所有著艦子階段的風險評估結果來判定該著艦階段的風險等級并作出顏色預警。航段點、航段、著艦子階段、著艦階段的風險評估指標依據具體如下。

1）航段點風險：由于艦載機著艦過程中，預定航線相對穩定，根據該航段中艦機傾斜角度的變化范圍，可以確定對應的斜程能見度變化范圍。在傾斜角度范圍內取3 到5 個角度，計算得到對應的斜程能見度，用斜程距離與斜程能見度的大小關系來判斷該能見度條件是否對目視著艦安全有影響[15-16]。風險權重取值R1=1。若飛行員的斜程能見度大于等于艦機間斜程距離，則風險樣本數量X1=0，此時X1

2）航段風險：根據風險航段點的數量占比來判定該航段有無風險。若R2個及以上航段點有目視著艦風險，則判定步長0.5 km 的航段有目視著艦風險；否則判定為無風險。其中，R2是根據航段與著艦點的遠近來設定的風險影響權重，距離遠則取值大，距離近則取值小。

3）著艦子階段風險：根據風險航段的數量占比來判定該著艦子階段的風險等級并標注風險預警顏色。若該著艦子階段的所有航段中，沒有航段判定為有風險，則該著艦子階段近似判定為無風險；有小于R31數量的航段已判定為有風險，則該著艦子階段判定為低風險；有大于等于R31小于R32數量的航段已判定為有風險，則該著艦子階段判定為中風險；有大于等于R32數量的航段已判定為有風險，則該著艦子階段判定為高風險。其中，R31、R32是根據航段與著艦點遠近來設定的風險影響權重，距離遠則取值大，距離近則取值小。

4）著艦階段風險：根據風險著艦子階段的數量占比來判定該著艦階段的風險等級并標注風險預警顏色。若著艦階段中的所有子階段的風險判定中，僅有R41及以上個低風險、僅有R42及以上個中風險、僅有R43及以上個高風險，則該著艦階段的目視著艦風險分別判定為低、中、高風險；否則判定為無風險。其中，R41、R42、R43是根據著艦子階段與著艦點遠近來設定的風險影響權重，距離遠則取值大，距離近則取值小。

2.3 風險應對措施

按照“簡潔高效、方便操作”的原則，針對著艦階段的風險等級，制定風險應對措施[17]。在待機階段，航空管制中心測量發布風險評估結果，在目視著艦飛行過程中，由著艦指揮官或自動控制系統根據不同著艦階段的風險等級，指揮引導飛行員或協調艦面采取相應的安全措施[18]，減輕飛行員重復目測的工作量，降低其著艦壓力，提高目視著艦訓練的安全性。基于斜程能見度的目視著艦風險評估流程，如圖2所示。

圖2 風險評估流程圖Fig.2 Risk assessment flow chart

3 風險評估方法仿真結果及分析

針對海上斜程能見度實測數據難以直接大量獲取的難題，項目組采取近似替代的方法，采用煙臺近海霧霾天氣下激光雷達的能見度觀測數據，代入風險評估方法用于仿真，對比當前著艦的最低能見度標準，用于驗證評估方法的有效性。

選取霧（水平能見度1 km）、輕霧/霾（水平能見度3 km）2種典型天氣下的能見度的觀測數據，模擬著艦過程能見度變化情況，如圖3、4所示。

圖3 霧天氣下水平能見度1 kmFig.3 Horizontal visibility in foggy weather is 1 km

通過分析圖3，可以得到以下結論。

1）斜程能見度隨著艦機水平距離的減小而降低，這表明觀測原點模擬的艦面位置在霧中，觀測原點處V=1的取值代表的是艦面的水平能見度1 km。

2）按照當前著艦的能見度最低標準，在該天氣條件下應不滿足著艦條件。但是，新的風險評估方法仿真結果表明：在0～1.5 km、2.5～4 km、5～15 km 的航段內，飛行員的目視能力滿足能見度條件，這幾個航段無目視著艦風險，在著艦過程中采取相應的安全措施，容易滿足目視著艦條件，可以開展目視著艦訓練。

通過分析圖4，可以得到以下結論。

圖4 輕霧/霾天氣下水平能見度3 kmFig.4 Horizontal visibility in light fog/haze weather is 3 km

1）斜程能見度隨著艦機水平距離的先減小而后增大，這表明觀測原點模擬的艦面位置在輕霧或霾的邊緣，觀測原點處V=3 的取值代表的是艦面的水平能見度3 km。

2）按照當前著艦的能見度最低標準，在該天氣條件下應滿足著艦條件。但是，新的風險評估方法仿真結果表明：在2～14 km的航段內，飛行員的目視能力已不能滿足能見度條件，該航段內有明顯的目視著艦風險，即使采取應對措施，可能也難以滿足目視著艦條件，極大影響目視著艦的安全性。

對比圖3、4的分析結果，可以發現，新的風險評估方法相比最低能見度標準，滿足全航段的風險評估要求，更符合飛行員在目視著艦過程中的實際情況。

針對圖3、4 中的能見度條件，采用新的風險評估方法，進一步評估著艦子階段、著艦階段的目視著艦風險，如圖5～8所示。

圖5 艦面能見度1 km下目視著艦子階段風險等級Fig.5 Risk level of visual landing sub-stage under visibility of 1 km on flight deck

圖6 艦面能見度1 km下目視著艦階段風險等級Fig.6 Risk level of visual landing stage under visibility of 1 km on flight deck

圖7 艦面能見度3 km下目視著艦子階段風險等級Fig.7 Risk level of visual landing sub-stage under visibility of 3 km on flight deck

圖8 艦面能見度3 km下目視著艦階段風險等級Fig.8 Risk level of visual landing stage under visibility of 3 km on flight deck

通過分析圖5～8，可以得到以下結論。

1）評估方法中的風險等級、預警顏色，逐級呈現、簡潔直觀、可視性強，便于指揮員掌握使用，也便于系統顯示、自動控制，可滿足實際訓練中的安全要求。

2）根據著艦子階段、著艦階段的不同，可以對著艦階段的整體和局部開展風險評估，在不同階段采取針對性的安全措施。在風險評估上，能夠具體細致到“小顆粒度”，即從小處著眼，便于風險前置，排除安全隱患；在應對措施上，能夠宏觀體現到“大顆粒度”，即體現大處著手，便于指揮和操作，減輕指揮員和飛行員的工作壓力。

4 結論

本文通過利用近海激光雷達觀測反演的能見度數據，模擬海上霧霾天氣下目視著艦的能見度狀況，提出1種基于能見度的艦載機目視著艦的風險評估方法，將“是否安全”這一定性問題，轉化為斜程能見度判定風險這一定量方法，并通過仿真驗證了評估方法的有效性。該評估方法可以減輕飛行員著艦的目視壓力，提高指揮引導的工作效率，為艦載機目視著艦訓練的安全性評估提供了1種新思路。