飞行训练安全监控与讲评装备设计

张广兴，余宗敏

(中国人民解放军91351部队，辽宁 兴城 125106)

0 引言

在飞行员培养过程中，保证飞行安全提高培训效率是飞行培训机构的重要任务。在飞行训练过程中，影响飞行安全的因素主要有飞机各系统工作状态、飞行员操控情况和飞行员生理心理状态3个方面[1-2]。为保证飞行训练安全、提高训练效率，国内外飞行训练机构对飞行安全开展了大量研究，在迅速发展的信息技术支持下，飞行安全实时监控系统和讲评系统正成为飞行训练装备体系的重要组成部分[3-6]。国内的飞行讲评系统大多关注的是飞行讲评本身，并不关注实时飞行安全，也没有对数据的实时传输、飞行安全监控和讲评装备进行体系化设计[7-10]。针对飞行训练任务需求，本文提出了集机载测试、无线信息实时传输、多目标安全监控与飞行讲评于一体的装备体系建设方案，对软硬件体系结构进行了设计。利用飞行安全监控设备，可及时了解飞机各系统工作情况、飞行员生理心理情况，飞行员的操纵和操作，帮助飞行员完成训练任务，为飞行指挥员提供指挥决策信息，保证飞行安全；利用测试系统记录和处理的信息，采用虚拟现实、数据库和地理信息系统等技术对飞行训练实况进行重构并直观再现，当某一架次或某一批次飞行结束后，飞行员可通过讲评系统详细了解自己在空中的操纵、飞行和着陆等训练情况，发现飞行中存在的问题并及时纠正，提高飞行训练效率。装备对降低飞行安全风险，提高飞行员培训效率具有较高的工程应用价值。

1 装备总体构成及各系统功能

图1 装备总体构成及信息流程Fig.1 Overall composition and information flow of the equipment

机载测试系统是安全监控与飞行讲评的信息源，利用飞机上的传感器和机载总线采集与飞行安全监控与讲评相关的数据、视频和参数，在记录的同时将这些信息发送给机载无线传输节点，通过无线传输系统和机场光纤通信系统将机载测试信息发送到安全的监控与讲评系统。利用无线传输系统的上行通道将北斗/GPS差分信息、地面控制指令和信息上传到机载无线传输节点，完成实时差分处理，实现对机载无线传输节点的参数设置。

安全监控与讲评系统接收下行的机载测试信息和其他安全监控信息，对飞行员生理心理参数、飞机关键系统参数和飞行员操控参数等进行综合处理，评估飞行安全风险，并将处理与评估结果进行实时显示，为飞行安全监控和指挥决策提供参考依据。飞行结束后，利用实时记录的数据或经事后处理的数据处理结果进行飞行讲评。

2 机载测试系统设计

机载测试系统采集与飞行安全监控和讲评相关的信息。系统组成如图2所示。

图2 机载测试系统组成及信息流程Fig.2 Composition and information flow of the airborne test system

机载时统模块接收北斗授时并对内部时钟进行设定，输出IRIG-B码，为信息采集提供时间服务。飞行员心理生理信息采集器是一个可穿戴设备，设备相对独立自带存储功能，支持数据事后下载，通过无线方式将采集到的参数实时发送给采编器。采编器将采集到的模拟量、数字量、开关量、频率量、离散量、时统、北斗/GPS实时差分数据、总线数据以及屏显视频等各类参数混合编码，并将编码后的信息发送给机载记录器和机上无线传输节点。

北斗/GPS定位测量分系统的天线接收卫星信号，为机载时统模块提供授时信号，为实时差分定位模块提供定位测量信息。实时差分定位模块接收天线传送的定位测量信息和机上无线传输节点接收的地面差分信号，完成对目标位置和速度解算，输出高度、经度、纬度和速度等信息，并将差分定位信息发送给采编器。

3 无线传输系统设计

无线传输系统主要由机上无线传输节点和地面无线传输节点组成，各节点搭建组成空地一体的无线传输网络，共同完成遥测信号的实时接收和解调，同时完成差分定位信息和控制指令的传送。

3.1 机上无线传输节点

机上无线传输节点主要由全向接收天线、全向发射天线、功率分配器、网络电台和功率放大器等组成。机上无线传输节点组成如图3所示。

张清元在陈二白家住过一段时间后，就被区上的干部接走了，安置在河口高地上的孤儿院。那孤儿院是县上出资办的，专门收容因战乱遗留下来的孤儿。张清元虽然不是战乱遗留下来的孤儿，但毙他爹毕竟有政策上的漏洞，而且他娘也死了，区公所就派专人把他也接了过去。

图3 机上无线传输节点组成Fig.3 Composition of onboard wireless transmission nodes

网络电台是搭建数据传输通道的核心设备。采用双频Mesh组网和编码正交频分复用(COFDM)调制技术，具备双向无线传输能力，支持TCP/IP、UDP网络传输协议，适合在高速移动目标间进行实时无线传输。节点间可互为中继，空中与地面网络传输节点形成一个自组织、自愈合的无线网状网，具备超视距传输能力。通过地面控制系统，可对网络电台的各项参数进行远程设置和数据加密。

功率放大器与网络电台配套使用，以增加无线作用距离，当网络电台检测到其功放接口连接有功率放大器时，通过其控制接口给功率放大器输出直流激活信号，该激活信号使功率放大器进入正常工作状态。

为保证通信质量适应飞机气动外形，采用机载马刀型天线，每架飞机安装2套发射天线和2套接收天线，采用电阻式等分型功率分配器，将一路输入信号分成2路，输出到2个功率放大器，通过发射天线下传各类信息。

3.2 地上无线传输节点

地面无线传输节点由接收天线、全向发射天线、网络电台、功率放大器和控制计算机等设备组成。其中网络电台、功率放大器与机载测试分系统的相关设备组成,其功能相同。地面传输节点组成如图4所示。

图4 地面无线传输节点组成Fig.4 Composition of ground wireless transmission nodes

为提高接收信号的信噪比，地面无线传输节点采用2根接收天线，一根为高增益垂直极化全向天线，另一根为垂直极化全向宽频带天线。发射也采用高增益全向天线，指标与高增益接收天线相同。

控制计算机配置双网卡，一块与地面网络电台连接，一块与光纤传输网络系统连接，控制计算机利用数据接收与转发程序完成对下行数据的接收，同时转发到光纤传输网络。

3.3 系统关键技术及应用效果分析

飞行训练安全监控与飞行讲评需多机多节点互联，在飞行训练过程中机场与飞机、飞机与飞机之间的通信距离较远，传输的信息量大且类型多。为满足飞行训练需求，无线传输系统必须满足节点数量不断变化、动态节点互联、抗干扰、快速部署易于安装、传输稳定可靠、传输带宽大、信道利用率高等要求。

3.3.1 双频Mesh组网技术

双频Mesh网络可以与其他网络协同通信，可动态扩展通信节点，任意2个节点间可无线互联组成一个自组网、自愈型的无线通信IP网络，同时双频Mesh组网技术具有较好的抗干扰能力[11]。在网内的所有节点均工作在同一个频率的情况下，可实现数据、视频和音频的点对点、点对多点、多点到多点的多方向传输交换，网内不存在中心节点或关键节点，任意节点的接入和退出对其他节点的正常通信不会造成影响，能较好地满足飞行安全监控与飞行讲评需求。

3.3.2 COFDM载波调制技术

系统采用编码正交频分复用(COFDM)技术，该技术除具有强大的编码纠错功能外，最大特点是多载波调制，它在频域内将给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用单个子载波，把数据流也分解为若干个子数据流，分解数据流速率，再利用这些子数据流分别去调制各子载波，每个子载波有多种调制编码方式，且各子载波可并行传输，减小了对单个载波的依赖性，其抗多径衰落、抗码间干扰、抗多普勒频移等能力较强[12-14],同时也有效提高了频率利用效率，最大限度地利用频谱资源，使得节点之间数据传输速率达到15 Mb/s，可实现多路标清或高清视频、音频和数据等信息的同时传输，有效保证飞机与飞机、飞机与地面各节点间流畅可靠的双向无线通信。

3.3.3 分集接收技术

在实时飞行安全监控过程中，为减小信号衰落的影响，采用空间分集技术，即机载和地面分别采用2根接收天线和最大比值合并方式来完成信号的接收(如图3和图4所示)，以此降低信号衰减的影响，提高通信质量[15-16]，可获得大约3 dB信号增益。

4 地面北斗/GPS差分系统设计

地面北斗/GPS差分系统主要为机载测试系统实时和事后定位处理提供差分信息，为飞行讲评提供高精度的外测事后数据处理结果。系统主要由基准站、天线和UPS等配套设施以及软件组成。基准站接收北斗/GPS信号，对卫星信号完好性进行监测；由控制计算机向光纤通信系统和无线通信网络实时播发校准后的差分修正信息，通过地面无线传输节点的上行链路发送到多架飞机的机上无线传输节点，再通过机上无线传输节点发送给机载北斗/GPS定位采集器，实现飞机实时差分定位。在定点着陆飞行训练过程中，利用北斗/GPS实时差分提供的高精度位置、速度和对中偏差等信息，地面指挥员可及时指挥飞行员对飞机着陆姿态进行调整。数据处理计算机主要完成北斗/GPS数据的事后差分处理，为飞行讲评提供高精度外测事后的数据处理结果。

5 安全监控与讲评系统设计

5.1 系统体系结构

安全监控与讲评系统是一个信息处理系统，采用C/S架构，所有的信息处理功能都在服务器端实现，客户端(监控终端)只完成数据显示、人机交互和一些简单的计算功能。

根据安全监控与讲评系统的使命任务和功能需求，按层次化的原则系统可划分为展示层、业务层和基础支撑层。基础支撑层为业务系统的运行提供承载和服务，主要由硬件设备、操作系统和公共支撑软件构成。业务层以系统服务的形式提供业务支撑，是系统功能实现的核心，由实时数据处理分系统和飞行讲评分系统构成。展示层面向最终用户，由信息监控显示分系统构成。系统体系结构图如图5所示。

图5 系统体系结构图Fig.5 Schematic diagram of system architecture

5.2 基础软硬件分系统

分系统主要由服务器、时间统一模块、磁盘阵列、内部通信网络设备、操作系统及公共服务软件组成。主要为实时数据处理分系统和飞行讲评分系统提供计算、时间同步、存储、通信和软硬管理等服务，是飞行安全监控和飞行讲评任务的基础保障装备。

5.3 实时数据处理分系统

分系统由机载信息实时接收与分发模块、参数配置与管理模块、飞行安全实时评估模块、飞行员心理生理信息处理模块构成。分系统的各个模块集中运行在集群服务器上，与基础软硬件分系统构成了一个以服务器集群为核心，集信息接收、记录、处理与评估的信息处理平台。

机载信息实时接收与分发模块实时接收机载测试系统和地面设备送来的信息，进行参数解算并分类打包转发到飞行安全实时评估模块和飞行员心理生理信息处理模块。飞行安全实时评估模块对接收到的飞机各系统工作状态和飞行员操控等信息进行处理，对飞机的健康状态进行实时评估。飞行员心理生理信息处理模块对接收到的飞行员体温、心率、心电、呼吸频率和血氧饱和度等重要生理心理参数进行处理，实时监控飞行员在飞行状态下的生理心理状况并进行评估。

参数配置与管理模块由网络电台控制与管理软件和信息记录软件组成。网络电台控制与管理软件对机载和地面网络电台的频点、IP地址、MESH ID、链路数据加密等参数进行设置，对在线网络电台的工作状态进行监控。信息记录软件能够按要求将接收到的原始信息和处理后的信息进行记录。

5.4 飞行讲评分系统

分系统与实时数据处理分系统共享基础支撑层的软硬件资源，主要由数据库、讲评数据处理模块、数据管理模块和飞行讲评管理模块组成。讲评数据处理模块利用实时记录或从飞机下载的数据，根据讲评需要对数据进行处理；数据管理模块将处理后的信息录入数据库同时转存到磁盘阵列，并对数据进行分类管理、存储和检索；飞行讲评管理模块可根据飞行员讲评需要，读取经处理录入数据库的各类参数和信息，根据不同人员的指令要求对飞行训练过程进行回放，再现全部或部分训练实况，利用该模块可灵活地选择讲评场景控制讲评进度，具备单人、多人、多机以及在线、离线等场景的讲评。

5.5 信息显示监控分系统

分系统主要由监控终端、信息显示大屏幕和信息监控模块组成，主要显示业务层的处理和评估结果。可根据用户需求提供二维或三维位置、速度和航向，能够以视频、表格、图形、仪表和曲线等多种形式将被监控目标各系统的工作状态以及飞行员的操控等信息显示在监控终端或大屏幕上，对飞机空中情况、起降过程等进行监控，对可能影响飞行安全的事件进行告警，为指挥决策提供依据。

6 结束语

着眼飞行训练的需要,借鉴飞参回传系统和飞机试飞安全监控与事故预警预测的成功经验，构建了集机载信息采集、飞行员生理心理信息采集、信息传输、信息接收处理、辅助安全决策、飞行讲评于一体的装备体系。装备设计充分利用机载测试信息，实现了空地信息的网络化传输，解决了飞行训练过程中多目标飞参、视频的实时传输问题，为飞行安全监控和飞行讲评提供了有效手段，可有效降低飞行风险，提高飞行员的培训效率。各系统涉及的设备、技术手段和方法在相近或相关领域均有应用，不存在技术瓶颈。设计的装备体系架构可为飞行培训机构的飞行安全监控和飞行员培训装备建设提供借鉴，具有较为广阔的应用前景。