通航飛行訓(xùn)練教學(xué)輔助系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)*

夏正洪，朱曉波，羅 超

（中國民用航空飛行學(xué)院空中交通管理學(xué)院，四川 廣漢 618307）

0 引言

通用航空飛行訓(xùn)練高度在修正海平面氣壓3 000 m以下，通常采用地標(biāo)羅盤領(lǐng)航技術(shù)導(dǎo)航。飛行前準備時采用1∶100萬航圖進行紙質(zhì)作業(yè)，精度不夠且攜帶不方便；同時學(xué)員必須拉領(lǐng)航尺計算地標(biāo)羅盤領(lǐng)航諸要素如真空速、地速、偏流角、應(yīng)飛磁航向、預(yù)計飛行時間等，過程繁瑣、效率低下。因此，面對快速增長的通用航空訓(xùn)練飛行需求，亟需研究新的教學(xué)模式，保障安全的情況下縮短飛行前準備時間，提高訓(xùn)練飛行效率。

2000年，郭達偉開發(fā)了分布式虛擬現(xiàn)實飛行訓(xùn)練系統(tǒng)，對其關(guān)鍵技術(shù)及其實現(xiàn)方法進行了深入分析［1］。2008年，陶德桂等實現(xiàn)了無人機的計算機仿真，并對其實際飛行數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)對比來修正，可使領(lǐng)航人員迅速掌握領(lǐng)航要領(lǐng)［2］。2010年，張玲等基于飛行訓(xùn)練模擬器設(shè)計了飛行仿真系統(tǒng)，討論了軟硬件交互的大型復(fù)雜系統(tǒng)的集成優(yōu)化方法［3］。2012年，夏正洪等針對通航應(yīng)急救援效率低下現(xiàn)狀，研究了救災(zāi)指揮點與災(zāi)區(qū)的救援航空器分配算法［4］，并基于形態(tài)學(xué)的圖像處理和A*搜索算法，研究了救援直升機的二維航跡規(guī)劃方法和最短飛行路徑，為通航應(yīng)急救援預(yù)案的產(chǎn)生奠定了基礎(chǔ)［7］。柯強等分析ADS-B在飛行訓(xùn)練管制指揮的應(yīng)用與運行要求，并評估飛行訓(xùn)練間隔的安全性［5］。2013年，程斌提出了飛行訓(xùn)練過程仿真再現(xiàn)方法，實現(xiàn)對飛行訓(xùn)練質(zhì)量的評估［6］。潘衛(wèi)軍等采用Vornonoi圖方法進行基于GIS的山區(qū)直升機救援飛行路徑規(guī)劃研究，能有效地縮短救援飛行時間［8］。可見，飛行訓(xùn)練平臺方面的研究主要集中在模擬器及其仿真，飛行效率方面研究主要集中在航空應(yīng)急救援領(lǐng)域，而對通航飛行訓(xùn)練前的準備研究工作以及通航訓(xùn)練飛行教學(xué)培訓(xùn)方面缺乏關(guān)注，研究成果甚少。

本文針對當(dāng)前通航訓(xùn)練飛行前準備繁瑣、效率低下等缺點，提出開發(fā)一套通航訓(xùn)練飛行教學(xué)輔助系統(tǒng)。系統(tǒng)提供高精度電子地圖替代傳統(tǒng)的紙質(zhì)地圖作業(yè)，結(jié)合先進的計算機技術(shù)改變傳統(tǒng)低效落后的教學(xué)模式，能快速地根據(jù)輸入的低空風(fēng)向、風(fēng)速，航空器的飛行高度和表速，快速獲取各種地標(biāo)羅盤領(lǐng)航要素；結(jié)合航空器訓(xùn)練飛行科目和飛行算法，將航空器二維飛行和三維模擬飛行同步顯示，使得飛行員重點熟悉掌握航路飛行過程中的地形、重要障礙物信息，提高訓(xùn)練飛行安全性和效率。

1 模型構(gòu)造

1.1 參數(shù)定義

R：地球的平均半徑，單位（km）。

ri（Xi，Yi，Hi）：航路點ri的經(jīng)緯度坐標(biāo)和高度信息；本文以0°經(jīng)線為基準，東經(jīng)取經(jīng)度的正值，西經(jīng)取經(jīng)度的負值；南緯取90°加上緯度，北緯取90°減去緯度值，經(jīng)過處后得到航路點ri的經(jīng)緯度坐標(biāo)變更為（MXi，MYi）。

Route={r1，r2，r3，…，rn}：航線 Route 由 n 個航路點構(gòu)成。

anglei，j：航空器保持當(dāng)前航向切入航線所需轉(zhuǎn)彎角度。

Disi，j：航路點 i和 j之間的距離，單位（km）。

CheckDistance：航空器保持航向加入航路必須開始轉(zhuǎn)彎的位置與飛機保持航向飛行并與航路交叉點之間的最短距離，單位（km）。IAS：航空器的指示空速，即從空速表上得到的直接讀數(shù)，表征航空器推力的大小，單位節(jié)（kt）。

MTK：磁航跡角，航空器所在位置北端順時針測量到航跡去向的夾角。

DA：偏流角，地速矢量偏離空速矢量的角度，即航跡偏離航空器縱軸的夾角。

WA：風(fēng)角，風(fēng)速矢量與地速矢量之間的夾角。

MC：航線角，兩個航路點之間的相對方位角，預(yù)計的磁航跡角。

MH應(yīng)飛：應(yīng)飛磁航向，航空器所在位置北端順時針測量到航向線的夾角。

ETAi，j：航空器從航路點i到j(luò)的預(yù)計飛行時間，單位秒（s）。

tr：航空器的轉(zhuǎn)彎率，單位（°/s）。

r：航空器的轉(zhuǎn)彎半徑，單位（km）。

t：航空器以tr的轉(zhuǎn)彎率轉(zhuǎn)過anglei，j所需時間，單位秒（s）。

1.2 領(lǐng)航參數(shù)計算

通用航空飛行訓(xùn)練前準備的一項極其重要的內(nèi)容是通過拉領(lǐng)航尺計算領(lǐng)航參數(shù)，本文采用計算機程序的方式替代傳統(tǒng)拉尺獲得領(lǐng)航參數(shù)如圖1所示。首先依次讀取兩個航路點信息，根據(jù)航路點經(jīng)緯度高度信息獲取航空器的磁航跡角和航段長度，然后根據(jù)所輸入的航段風(fēng)向風(fēng)速以及航空器的真空速獲得飛機的偏流角、應(yīng)飛磁航向、風(fēng)角等參數(shù)，并根據(jù)正弦定理獲得航空器的地速和航段預(yù)計飛行時間。

其中，航空器的真空速、地速與風(fēng)速之間的矢量關(guān)系如圖2所示。

如果已知兩個航路點的經(jīng)緯度坐標(biāo)信息，則可以使用三角式（2）和式（4）獲得航路點之間的磁航跡角和航段長度。

應(yīng)飛磁航向MH等于磁航跡角MTK與偏流角DA之差。

風(fēng)角WA等于風(fēng)向WD與航跡角MC之差。

由圖2可知，結(jié)合正弦定理，偏流角DA和航空器地速GS可以通過式（8）和式（9）獲得。

預(yù)計到達時間ETAi，j等于航路點i和j之間的航段距離Disi，j除以航空器的地速GS。

1.3 航空器飛行算法

航空器起飛后通?？梢援?dāng)前航向加入航線或指定航路點加入航線，其中指定航路點模式下航空器將直飛目標(biāo)點，然后航空器將保持飛向目標(biāo)航路點的航向，進入保持航向加入航線模式：求解保持當(dāng)前航向與目標(biāo)航段的交叉點CP，并不斷地求解飛機當(dāng)前位置與CP點之間的距離，如果該距離小于CheckDistance（航空器最晚轉(zhuǎn)彎點與CP點之間的最小距離），則開始轉(zhuǎn)彎并不斷地比較航空器已轉(zhuǎn)過的角度θ與飛機加入航線所需轉(zhuǎn)彎角度anglei，j，若θ=anglei，j則轉(zhuǎn)彎結(jié)束，航空器保持當(dāng)前航向飛向下一個航路點［4］，其示意圖如圖3所示。

由圖3可知，航空器當(dāng)前位置點（Xcur，Ycur）保持航向MH飛行，飛行軌跡將于航段相交于CP，其經(jīng)緯度坐標(biāo)可以由兩條直線交點獲得。

其中，（MXi，MYi），（MXj，MYj）分別為航路點i和j的經(jīng)緯度坐標(biāo)的修正值；（MXcur，MYcur）為航空器當(dāng)前位置點的經(jīng)緯度坐標(biāo)修正值。

因此，沿航線飛行可視為直飛下一個航路點和轉(zhuǎn)彎過程的不斷重復(fù)，其流程圖如圖4所示。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)及數(shù)值仿真

2.1 通航飛行訓(xùn)練教學(xué)輔助系統(tǒng)實現(xiàn)

針對通航飛行訓(xùn)練前準備教學(xué)過程繁瑣、效率低下等缺陷，提出開發(fā)一套教學(xué)輔助系統(tǒng)。使用先進的虛擬現(xiàn)實結(jié)合計算機程序設(shè)計改變傳統(tǒng)教學(xué)模式，快速獲得各種領(lǐng)航參數(shù)，提高通航飛行訓(xùn)練前準備的效率。系統(tǒng)通過加載高精度等高線數(shù)字地圖替代傳統(tǒng)低精度紙質(zhì)地圖，能直觀地顯示障礙物、航路點的經(jīng)緯度坐標(biāo)、高度，可以任意放大縮小、移動該地圖，顯示并保存任意比例的航圖。系統(tǒng)根據(jù)輸入的表速、風(fēng)速、風(fēng)向以及航路點經(jīng)緯度坐標(biāo)等參數(shù)，快速獲取真空速、地速、偏流角、應(yīng)飛磁航向和預(yù)計各段航路飛行時間等地標(biāo)羅盤領(lǐng)航要素；通過程序信息化，節(jié)約了傳統(tǒng)教學(xué)模式中飛行前準備時拉領(lǐng)航尺獲得領(lǐng)航參數(shù)的時間。系統(tǒng)提供通航飛行訓(xùn)練的二維和三維飛行模擬同步顯示功能，給飛行員非常直觀地感受障礙物的位置和飛行體驗，提高了教學(xué)質(zhì)量和訓(xùn)練飛行的效率和安全性。系統(tǒng)主要由數(shù)字地圖GIS功能、領(lǐng)航要素計算、航線和障礙物管理、飛行模擬4個功能模塊組成，如圖5所示。

2.2 地標(biāo)羅盤領(lǐng)航要素的計算

新津機場是中國民用航空飛行學(xué)院重要通航訓(xùn)練基地之一，機場標(biāo)高460 m，跑道長度1 200 m。本文以新津機場02號跑道轉(zhuǎn)場廣漢避讓邛崍機場的航線622PA（去程）為例如圖6所示，通過本文所建模型求解飛行前準備中的地標(biāo)羅盤領(lǐng)航參數(shù)。航空器起飛后上升至修正海壓高度900 m，沿崇州VOR/DME臺的徑向線150°向臺飛行，當(dāng)?shù)竭_A點（距崇州DME距離顯示6.4 n mil（NM））時轉(zhuǎn)航向0°飛往壽安鎮(zhèn)，到達B點（崇州臺40°徑向線且DME距離為5.1 n mil）時，上升高度至1 100 m，飛機過壽安鎮(zhèn)后上升航線高度修正海壓1 500 m并直飛彭縣，過彭縣后轉(zhuǎn)航向95°直飛廣漢。

若航線上存在側(cè)風(fēng)，如果航空器通過每個航段起點仍然采用航向等于航線角（磁航跡角）飛行，則航跡就會偏向下風(fēng)面；為了使得飛行軌跡與預(yù)計飛行航線相重合，則必須要修正偏流，采用飛機機頭向上風(fēng)方向飛行，即重點求出偏流角DA和應(yīng)飛磁航向MN應(yīng)飛。假設(shè)航空器的真空速節(jié)TAS=90節(jié)，風(fēng)向WD=300°，風(fēng)速WS=10節(jié)，航線角MC=330°。

根據(jù)領(lǐng)航參數(shù)計算模型可得，

風(fēng)角WA=WD-MC=300-330=-30°，

由式（3）和式（4）可知，Dis1，2=18.21 km，

于是，訓(xùn)練飛行前準備過程得到所有的領(lǐng)航參數(shù)如表1所示：

表1 622PA航線領(lǐng)航參數(shù)計算

2.3 訓(xùn)練航線飛行模擬

通航飛行訓(xùn)練教學(xué)輔助系統(tǒng)加載高精度KML數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換為電子地圖顯示，并具有GIS功能如放大縮小拖動等功能，系統(tǒng)讀取并載入訓(xùn)練航線顯示在地圖中，可以選擇訓(xùn)練機型并對其速度、航向、位置等參數(shù)進行初始設(shè)置，并獲取地標(biāo)羅盤領(lǐng)航參數(shù)，根據(jù)前述的航空器飛行算法進行二維飛行模擬，在飛行過程中將顯示訓(xùn)練飛行時間、速度、航向等重要的飛行參數(shù)，通過不斷地獲取航空器位置的屏幕坐標(biāo)，并將其轉(zhuǎn)換成經(jīng)緯度坐標(biāo)，并通過數(shù)據(jù)傳送模塊將實時的經(jīng)緯度坐標(biāo)信息以KML文件的形式傳送到三維顯示模塊，該模塊調(diào)用Google Earth的API進行三維航跡演示如圖7，基本可實現(xiàn)航線二維和三維飛行模擬顯示同步，給飛行員提供直觀的飛行過程體驗，保障飛行安全性。

3 結(jié)論

針對通航飛行訓(xùn)練效率低、教學(xué)模式無法滿足日益增長的訓(xùn)練需求現(xiàn)狀，分析其瓶頸是飛行前準備需要使用領(lǐng)航尺獲取多種領(lǐng)航參數(shù)。因此，采用計算機程序設(shè)計快速求解各種領(lǐng)航參數(shù)如偏流角、地速、應(yīng)飛磁航向、預(yù)計飛行時間等；研究了航空器當(dāng)前航向加入航線或指定航路點加入航線的飛行算法，指出了航空器加入航線實質(zhì)上就是直飛航路點和轉(zhuǎn)彎過程的不斷重復(fù)。開發(fā)了通航飛行訓(xùn)練教學(xué)輔助系統(tǒng)，系統(tǒng)提供高精度電子地圖替代傳統(tǒng)的紙質(zhì)地圖作業(yè)，具有快速獲取領(lǐng)航參數(shù)、二維和三維訓(xùn)練飛行模擬同步顯示功能，使得飛行員重點熟悉掌握航路飛行過程中的地形、重要障礙物和地標(biāo)信息，對于通航訓(xùn)練飛行安全和教學(xué)效率的提高有重要意義。

參考文獻：

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