一种可视化飞机着陆引导与评估系统研究*

杨 柯 史会丽 张 勇

（1.海军驻郑州地区军事代表室 郑州 450000）（2.中国电子科技集团公司第二十七研究所 郑州 450015）

1 引言

着陆作为飞机飞行过程中最为危险的阶段，飞行事故中50%以上发生在该阶段，为了减少这种飞行事故的发生，机场指挥员需要实时掌握着陆飞机偏离下滑道位置、起落架释放等多项数据，并依据这些数据给出复飞和降落指令；同时受夜间及环境恶化的影响，飞行员目视对准跑道进近着陆时安全也受到严重威胁。因此如何解决上述情况下飞机着陆安全性和提高飞行员驾驶水平成为亟待解决的问题。

在我国军民用机场飞机着陆引导阶段［1］，主要靠仪表着陆系统［2～3］及引导雷达［4］等来完成。在着陆阶段，仪表着陆系统可以引导飞行员安全准确地降落，但未将机上着陆信息下传至塔台，指挥员无法判断飞机是否处在下滑道上；引导雷达进近阶段受地杂波影响大、传统目视等引导技术手段落后［5］。除此之外，目前机场飞行评估模式主要是以人为主导的定性评估，考核飞行员的飞行训练时主要采取人工评价的方法，由于人工评价的主观臆断性较强，很难客观、公正地对训练过程、训练效果做出合理、科学的评判。且飞行员也无法发现自己驾驶技术存在的缺陷，仅依据自己的习惯完成着陆过程，在接地迎角、接地速度等参数调整不良情况下，容易造成接地事故。

因此，为解决上述问题，在飞机进近下滑至着陆阶段，本系统提出利用光电技术构建飞机着陆引导与评估系统，实现对目标的跟踪、监视测量及偏差指示；辅助指挥官监视、引导，完成飞行评估。

2 系统设计思路

2.1 系统模型建立

光电引导系统放置在飞机跑道一侧的固定位置，使用高分辨率电视、红外热像仪和激光测距等复合手段，完成着陆飞机的偏差数据的测量。光电引导系统主要完成飞机进近和着陆阶段的引导，同时兼顾飞机姿态和着陆操作状态的监视功能，是解决飞机引导问题，从而保证飞机安全着陆的重要手段。光电引导系统在飞机着陆引导阶段的作用范围约为飞机进入下滑道至着陆点的范围区域［6～7］，如图1所示。

2.2 系统基本框架

本系统以高清可见光电视、红外、人眼安全激光、伺服平台为基础，解决基本的目标测量数据、直观清晰图像需求，实现多光谱跟踪测量监视；根据测量数据，进行跟踪测量数据融合处理、理想下滑道位置和偏差数据解算、指示，实现飞行偏差指示，完成辅助引导；以多源数据存储与处理、数据统计查询为基础，建立评估模型，实现飞行评估，系统框架如图2所示。

3 飞机的监视与引导

3.1 目标跟踪

本系统以红外摄像机、高清可见光电视、人眼安全激光及伺服平台为基础，进行多光谱跟踪测量监视，以图像稳定跟踪［8］、激光测距、伺服控制、理想下滑道数学模型解算等技术为核心，通过对目标的自动跟踪监视，获取目标空间距离、角度、速度等信息，并进一步解算目标对应理想下滑道位置以及目标偏差信息，一方面将偏差对比信息叠加在视频图像中，进行输出显示，为指挥员提供辅助指挥；另一方面将多源数据进行存储、处理，结合用户需求，建立评估模型，进行应用查询统计分析。

图2 系统框架图

系统由激光测距单元完成激光测距、测速；由红外、电视摄像机采集图像；由伺服转台输出转台指向角度信息。各数据信息汇总后由光纤传输至监控台；监控台将视频数据信息通过网络传输至指挥台，网络内其他站点可能过网络接收视频数据信息。监控台内图像跟踪单元接收视频图像，对视频内飞机目标进行目标位置自动提取等图像处理，获取目标在图像中的偏差角度（目标脱靶量），发送至管理计算机；管理计算机接收目标测量数据及脱靶量信息，解算目标空间位置以及偏离伺服角度位置，为伺服控制单元提供自动跟踪闭环角度，实现对目标的自动跟踪稳瞄；并将有关信息提供给图像跟踪单元，控制其在图像中进行辅助指挥用的信息叠加，实现最终叠加了着陆信息的视频图像输出显示。

3.2 飞行偏差指示与引导

图3 飞行偏差指示图

飞机进近下滑航线偏差指示与引导图内嵌于监控管理软件界面中并采用固定显示形式。监控管理软件根据伺服转台转动的方位、俯仰角度及激光测距数据，可解算出飞机飞行方位速度及高度偏差数据，并以图形的方式绘制显示，可供塔台飞行指挥和操作人员了解飞机进近下滑情况，辅助指挥员进行进近着陆指挥。飞机进近下滑偏差指示图如图3所示。

4 飞行评估模型

本系统中管理计算机将收到不同来源的数据信息采用XML技术和数据库技术，实现数据结构的规范和统一，完成基础数据的收集、传输与存储；同时，结合用户需求，采用数据库存储过程、视图等技术实现查询统计显示；建立评估模型，按一定标准及权重构建模型，并根据每个指标理想轨迹模型和评估模型，输入测量数据，计算出本阶段的飞行成绩，进行飞行评估。其飞行评估流程如图4所示。

飞行评估模型的建立首先要选择合适的评价指标，其次要确立各评价指标的权重系数，最后对各个评价指标建立数学模型，并综合得到飞行成绩。下面就具体讨论如何来建立飞行成绩评估模型。

图4 飞行评估流程图

4.1 评价指标的确立原则

对于具体的实际评价问题，如何选取评价指标是一个很重要的问题。为了保证评价指标体系的科学性、准确性和实用性，评价指标的筛选应遵循以下原则［9］。

系统性原则：评价指标体系必须反映被评价问题的各个侧面，即评价指标和标准必须充分反映飞行着陆阶段的全过程。

科学性原则：整个综合评价指标体系从元素构成到结构，评价指标能反映着陆阶段训练的真实情况。

可比性原则：评价指标对每个评价对象是公平的、可度量、可比较的，使最后的评价结果真实有效地反映了飞行训练情况。

实用性原则：评价指标、标准必须是可测量、可获取的，整个评价过程简便实用，评价方法易于掌握。

在飞机着陆阶段，根据飞行训练资料以及一些资深飞行员多年飞行的经验，确定在此飞行阶段的评价指标是“三三制”即在进场着陆阶段，距离-方位、距离-高度、距离-速度三个指标。

4.2 指标的权重系数

权重是衡量被评估对象要素重要程度的量值，也表示指标对总体目标贡献的大小。权重值的改变可能引起被评价对象优劣顺序的改变，直接影响着评价结果。因此，合理确定权重是效能评价的关键所在。由于影响效能的因素众多，因素与总目标之间呈现复杂的非线性映射关系，各指标间的关系也错综复杂，为指标赋予准确的权值较困难。为合理确定指标体系中各指标的权重，应遵循以下原则。

1）以系统的整体最优作为出发点和追求目标；

2）权重要反映人的主观意愿和价值观念，同时必须通过客观现实来量化体现，实现主动与现实的结合；

3）集中专家群体中每个人的权重方案，形成统一的方案。

本系统采用层次权重法［9～10］，首先确定需要先建立问题层次结构模型，构造判断矩阵来计算判断矩阵特征向量及最大特征值，并进行一致性检验。检验通过后，特征向量归一化处理后得到权向量。

4.3 飞行评估建立

本系统的飞行训练评估模型是以飞机着陆阶段来建立飞行评估模型。建立“三三制”评估模型，从三个阶段即I阶段指1.5km以内，Ⅱ阶段指1.5km～3km，Ⅲ阶段指3km～4.5km，从三个指标即距离-方位，距离-高度，距离-速度，按一定标准及权重进行飞行评估，给出飞行成绩。

目前每个指标具体评分模型如下：

1）高度-距离：近距离阶段满分范围为理想位置上下5m范围，合格范围为理想位置上下10m；中距离阶段满分范围为理想位置上下10m范围，合格的范围为理想位置上下30m范围；远距离阶段满分范围为理想位置上下20m范围，合格范围为理想位置上下50m范围。满分与合格范围之间的偏差量按照比例计算出100分到60分之间的相应分数。最终成绩为各个位置记录点得分的平均值。

H表示当前距离的理想高度，h为当前距离的实际高度；高度差Δh=|h-H|；Δhm满分标准；Δhn及格标准；L当前距离；I阶段 Δhm=5，Δhn=10；Ⅱ阶 段 Δhm=10，Δhn=30；Ⅲ 阶 段 Δhm=20，Δhn=50。

2）高度-方位：大航线对正距离为5km，起落航线对正距离为2km～5km，小航线对正距离为2km。在航线对应的对正要求距离以前对正到跑道宽度范围内，并在随后的降落过程中一直处于该范围的视作满分，如有超出对正范围的按照超出比例相应扣分。跑道宽度D=50，Δd飞机与跑道中心线的垂直距离；ΔD=|Δd|。

3）高度-速度：如图所示为标准速度区间，全程处在理想速度范围区间内的视为满分，超出该速度区间按照超出的比例进行相应扣分。

当飞机已进入对正状态后，Pi为当前速度；为当前距离处最大允许速度；为当前距离处最小允许速度。当飞机已进入对正状态后：

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

Ai(i=1，…，3) 指各阶段方位分数，Xi(i=1，…，3)指各阶段方位分数的权重；Bi(i=1，…，3)指各阶段高度分数，Yi(i=1，…，3)指各阶段高度分数的权重；Ci(i=1，…，3)指各阶段速度分数，Zi(i=1，…，3)指各阶段速度分数的权重。

5 结语

本文给出了一种新的飞机着陆引导评估的解决方法，适用于各类飞机的进近阶段的着陆引导及飞行评估。该系统能够有效解决飞行训练进近阶段，采用多光谱融合［10～11］探测跟踪及数据库等技术，解决了相对运动平台下理想下滑道偏差指示及多数据源飞行评估等问题，实现了具有“全天候跟踪监视测量、着陆引导指示、飞行评估”等使命的光电进近引导系统。特别是其飞行评估作为整个系统的重要组成部分，实现了对飞行训练成绩的自动评估功能，方便学员自主训练，找出问题，节省了大量人力。但由于影响飞行训练的因素很多，包括飞行员收集、预测信息的能力、注意力分配与转移、决策、操控的熟练程度等［12］，因而单由系统测量数据来评定训练成绩还是很不足的，下一步将尽可能地整合多方面信息，争取做到对飞行成绩的全面评定［13］。