飛行訓(xùn)練安全監(jiān)控與講評裝備設(shè)計

張廣興，余宗敏

(中國人民解放軍91351部隊，遼寧 興城 125106)

0 引言

在飛行員培養(yǎng)過程中，保證飛行安全提高培訓(xùn)效率是飛行培訓(xùn)機構(gòu)的重要任務(wù)。在飛行訓(xùn)練過程中，影響飛行安全的因素主要有飛機各系統(tǒng)工作狀態(tài)、飛行員操控情況和飛行員生理心理狀態(tài)3個方面[1-2]。為保證飛行訓(xùn)練安全、提高訓(xùn)練效率，國內(nèi)外飛行訓(xùn)練機構(gòu)對飛行安全開展了大量研究，在迅速發(fā)展的信息技術(shù)支持下，飛行安全實時監(jiān)控系統(tǒng)和講評系統(tǒng)正成為飛行訓(xùn)練裝備體系的重要組成部分[3-6]。國內(nèi)的飛行講評系統(tǒng)大多關(guān)注的是飛行講評本身，并不關(guān)注實時飛行安全，也沒有對數(shù)據(jù)的實時傳輸、飛行安全監(jiān)控和講評裝備進(jìn)行體系化設(shè)計[7-10]。針對飛行訓(xùn)練任務(wù)需求，本文提出了集機載測試、無線信息實時傳輸、多目標(biāo)安全監(jiān)控與飛行講評于一體的裝備體系建設(shè)方案，對軟硬件體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計。利用飛行安全監(jiān)控設(shè)備，可及時了解飛機各系統(tǒng)工作情況、飛行員生理心理情況，飛行員的操縱和操作，幫助飛行員完成訓(xùn)練任務(wù)，為飛行指揮員提供指揮決策信息，保證飛行安全；利用測試系統(tǒng)記錄和處理的信息，采用虛擬現(xiàn)實、數(shù)據(jù)庫和地理信息系統(tǒng)等技術(shù)對飛行訓(xùn)練實況進(jìn)行重構(gòu)并直觀再現(xiàn)，當(dāng)某一架次或某一批次飛行結(jié)束后，飛行員可通過講評系統(tǒng)詳細(xì)了解自己在空中的操縱、飛行和著陸等訓(xùn)練情況，發(fā)現(xiàn)飛行中存在的問題并及時糾正，提高飛行訓(xùn)練效率。裝備對降低飛行安全風(fēng)險，提高飛行員培訓(xùn)效率具有較高的工程應(yīng)用價值。

1 裝備總體構(gòu)成及各系統(tǒng)功能

圖1 裝備總體構(gòu)成及信息流程Fig.1 Overall composition and information flow of the equipment

機載測試系統(tǒng)是安全監(jiān)控與飛行講評的信息源，利用飛機上的傳感器和機載總線采集與飛行安全監(jiān)控與講評相關(guān)的數(shù)據(jù)、視頻和參數(shù)，在記錄的同時將這些信息發(fā)送給機載無線傳輸節(jié)點，通過無線傳輸系統(tǒng)和機場光纖通信系統(tǒng)將機載測試信息發(fā)送到安全的監(jiān)控與講評系統(tǒng)。利用無線傳輸系統(tǒng)的上行通道將北斗/GPS差分信息、地面控制指令和信息上傳到機載無線傳輸節(jié)點，完成實時差分處理，實現(xiàn)對機載無線傳輸節(jié)點的參數(shù)設(shè)置。

安全監(jiān)控與講評系統(tǒng)接收下行的機載測試信息和其他安全監(jiān)控信息，對飛行員生理心理參數(shù)、飛機關(guān)鍵系統(tǒng)參數(shù)和飛行員操控參數(shù)等進(jìn)行綜合處理，評估飛行安全風(fēng)險，并將處理與評估結(jié)果進(jìn)行實時顯示，為飛行安全監(jiān)控和指揮決策提供參考依據(jù)。飛行結(jié)束后，利用實時記錄的數(shù)據(jù)或經(jīng)事后處理的數(shù)據(jù)處理結(jié)果進(jìn)行飛行講評。

2 機載測試系統(tǒng)設(shè)計

機載測試系統(tǒng)采集與飛行安全監(jiān)控和講評相關(guān)的信息。系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 機載測試系統(tǒng)組成及信息流程Fig.2 Composition and information flow of the airborne test system

機載時統(tǒng)模塊接收北斗授時并對內(nèi)部時鐘進(jìn)行設(shè)定，輸出IRIG-B碼，為信息采集提供時間服務(wù)。飛行員心理生理信息采集器是一個可穿戴設(shè)備，設(shè)備相對獨立自帶存儲功能，支持?jǐn)?shù)據(jù)事后下載，通過無線方式將采集到的參數(shù)實時發(fā)送給采編器。采編器將采集到的模擬量、數(shù)字量、開關(guān)量、頻率量、離散量、時統(tǒng)、北斗/GPS實時差分?jǐn)?shù)據(jù)、總線數(shù)據(jù)以及屏顯視頻等各類參數(shù)混合編碼，并將編碼后的信息發(fā)送給機載記錄器和機上無線傳輸節(jié)點。

北斗/GPS定位測量分系統(tǒng)的天線接收衛(wèi)星信號，為機載時統(tǒng)模塊提供授時信號，為實時差分定位模塊提供定位測量信息。實時差分定位模塊接收天線傳送的定位測量信息和機上無線傳輸節(jié)點接收的地面差分信號，完成對目標(biāo)位置和速度解算，輸出高度、經(jīng)度、緯度和速度等信息，并將差分定位信息發(fā)送給采編器。

3 無線傳輸系統(tǒng)設(shè)計

無線傳輸系統(tǒng)主要由機上無線傳輸節(jié)點和地面無線傳輸節(jié)點組成，各節(jié)點搭建組成空地一體的無線傳輸網(wǎng)絡(luò)，共同完成遙測信號的實時接收和解調(diào)，同時完成差分定位信息和控制指令的傳送。

3.1 機上無線傳輸節(jié)點

機上無線傳輸節(jié)點主要由全向接收天線、全向發(fā)射天線、功率分配器、網(wǎng)絡(luò)電臺和功率放大器等組成。機上無線傳輸節(jié)點組成如圖3所示。

張清元在陳二白家住過一段時間后，就被區(qū)上的干部接走了，安置在河口高地上的孤兒院。那孤兒院是縣上出資辦的，專門收容因戰(zhàn)亂遺留下來的孤兒。張清元雖然不是戰(zhàn)亂遺留下來的孤兒，但斃他爹畢竟有政策上的漏洞，而且他娘也死了，區(qū)公所就派專人把他也接了過去。

圖3 機上無線傳輸節(jié)點組成Fig.3 Composition of onboard wireless transmission nodes

網(wǎng)絡(luò)電臺是搭建數(shù)據(jù)傳輸通道的核心設(shè)備。采用雙頻Mesh組網(wǎng)和編碼正交頻分復(fù)用(COFDM)調(diào)制技術(shù)，具備雙向無線傳輸能力，支持TCP/IP、UDP網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，適合在高速移動目標(biāo)間進(jìn)行實時無線傳輸。節(jié)點間可互為中繼，空中與地面網(wǎng)絡(luò)傳輸節(jié)點形成一個自組織、自愈合的無線網(wǎng)狀網(wǎng)，具備超視距傳輸能力。通過地面控制系統(tǒng)，可對網(wǎng)絡(luò)電臺的各項參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程設(shè)置和數(shù)據(jù)加密。

功率放大器與網(wǎng)絡(luò)電臺配套使用，以增加無線作用距離，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)電臺檢測到其功放接口連接有功率放大器時，通過其控制接口給功率放大器輸出直流激活信號，該激活信號使功率放大器進(jìn)入正常工作狀態(tài)。

為保證通信質(zhì)量適應(yīng)飛機氣動外形，采用機載馬刀型天線，每架飛機安裝2套發(fā)射天線和2套接收天線，采用電阻式等分型功率分配器，將一路輸入信號分成2路，輸出到2個功率放大器，通過發(fā)射天線下傳各類信息。

3.2 地上無線傳輸節(jié)點

地面無線傳輸節(jié)點由接收天線、全向發(fā)射天線、網(wǎng)絡(luò)電臺、功率放大器和控制計算機等設(shè)備組成。其中網(wǎng)絡(luò)電臺、功率放大器與機載測試分系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)備組成,其功能相同。地面?zhèn)鬏敼?jié)點組成如圖4所示。

圖4 地面無線傳輸節(jié)點組成Fig.4 Composition of ground wireless transmission nodes

為提高接收信號的信噪比，地面無線傳輸節(jié)點采用2根接收天線，一根為高增益垂直極化全向天線，另一根為垂直極化全向?qū)掝l帶天線。發(fā)射也采用高增益全向天線，指標(biāo)與高增益接收天線相同。

控制計算機配置雙網(wǎng)卡，一塊與地面網(wǎng)絡(luò)電臺連接，一塊與光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)連接，控制計算機利用數(shù)據(jù)接收與轉(zhuǎn)發(fā)程序完成對下行數(shù)據(jù)的接收，同時轉(zhuǎn)發(fā)到光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)。

3.3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用效果分析

飛行訓(xùn)練安全監(jiān)控與飛行講評需多機多節(jié)點互聯(lián)，在飛行訓(xùn)練過程中機場與飛機、飛機與飛機之間的通信距離較遠(yuǎn)，傳輸?shù)男畔⒘看笄翌愋投?。為滿足飛行訓(xùn)練需求，無線傳輸系統(tǒng)必須滿足節(jié)點數(shù)量不斷變化、動態(tài)節(jié)點互聯(lián)、抗干擾、快速部署易于安裝、傳輸穩(wěn)定可靠、傳輸帶寬大、信道利用率高等要求。

3.3.1 雙頻Mesh組網(wǎng)技術(shù)

雙頻Mesh網(wǎng)絡(luò)可以與其他網(wǎng)絡(luò)協(xié)同通信，可動態(tài)擴展通信節(jié)點，任意2個節(jié)點間可無線互聯(lián)組成一個自組網(wǎng)、自愈型的無線通信IP網(wǎng)絡(luò)，同時雙頻Mesh組網(wǎng)技術(shù)具有較好的抗干擾能力[11]。在網(wǎng)內(nèi)的所有節(jié)點均工作在同一個頻率的情況下，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)、視頻和音頻的點對點、點對多點、多點到多點的多方向傳輸交換，網(wǎng)內(nèi)不存在中心節(jié)點或關(guān)鍵節(jié)點，任意節(jié)點的接入和退出對其他節(jié)點的正常通信不會造成影響，能較好地滿足飛行安全監(jiān)控與飛行講評需求。

3.3.2 COFDM載波調(diào)制技術(shù)

系統(tǒng)采用編碼正交頻分復(fù)用(COFDM)技術(shù)，該技術(shù)除具有強大的編碼糾錯功能外，最大特點是多載波調(diào)制，它在頻域內(nèi)將給定信道分成許多正交子信道，在每個子信道上使用單個子載波，把數(shù)據(jù)流也分解為若干個子數(shù)據(jù)流，分解數(shù)據(jù)流速率，再利用這些子數(shù)據(jù)流分別去調(diào)制各子載波，每個子載波有多種調(diào)制編碼方式，且各子載波可并行傳輸，減小了對單個載波的依賴性，其抗多徑衰落、抗碼間干擾、抗多普勒頻移等能力較強[12-14],同時也有效提高了頻率利用效率，最大限度地利用頻譜資源，使得節(jié)點之間數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到15 Mb/s，可實現(xiàn)多路標(biāo)清或高清視頻、音頻和數(shù)據(jù)等信息的同時傳輸，有效保證飛機與飛機、飛機與地面各節(jié)點間流暢可靠的雙向無線通信。

3.3.3 分集接收技術(shù)

在實時飛行安全監(jiān)控過程中，為減小信號衰落的影響，采用空間分集技術(shù)，即機載和地面分別采用2根接收天線和最大比值合并方式來完成信號的接收(如圖3和圖4所示)，以此降低信號衰減的影響，提高通信質(zhì)量[15-16]，可獲得大約3 dB信號增益。

4 地面北斗/GPS差分系統(tǒng)設(shè)計

地面北斗/GPS差分系統(tǒng)主要為機載測試系統(tǒng)實時和事后定位處理提供差分信息，為飛行講評提供高精度的外測事后數(shù)據(jù)處理結(jié)果。系統(tǒng)主要由基準(zhǔn)站、天線和UPS等配套設(shè)施以及軟件組成?；鶞?zhǔn)站接收北斗/GPS信號，對衛(wèi)星信號完好性進(jìn)行監(jiān)測；由控制計算機向光纖通信系統(tǒng)和無線通信網(wǎng)絡(luò)實時播發(fā)校準(zhǔn)后的差分修正信息，通過地面無線傳輸節(jié)點的上行鏈路發(fā)送到多架飛機的機上無線傳輸節(jié)點，再通過機上無線傳輸節(jié)點發(fā)送給機載北斗/GPS定位采集器，實現(xiàn)飛機實時差分定位。在定點著陸飛行訓(xùn)練過程中，利用北斗/GPS實時差分提供的高精度位置、速度和對中偏差等信息，地面指揮員可及時指揮飛行員對飛機著陸姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整。數(shù)據(jù)處理計算機主要完成北斗/GPS數(shù)據(jù)的事后差分處理，為飛行講評提供高精度外測事后的數(shù)據(jù)處理結(jié)果。

5 安全監(jiān)控與講評系統(tǒng)設(shè)計

5.1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

安全監(jiān)控與講評系統(tǒng)是一個信息處理系統(tǒng)，采用C/S架構(gòu)，所有的信息處理功能都在服務(wù)器端實現(xiàn)，客戶端(監(jiān)控終端)只完成數(shù)據(jù)顯示、人機交互和一些簡單的計算功能。

根據(jù)安全監(jiān)控與講評系統(tǒng)的使命任務(wù)和功能需求，按層次化的原則系統(tǒng)可劃分為展示層、業(yè)務(wù)層和基礎(chǔ)支撐層?；A(chǔ)支撐層為業(yè)務(wù)系統(tǒng)的運行提供承載和服務(wù)，主要由硬件設(shè)備、操作系統(tǒng)和公共支撐軟件構(gòu)成。業(yè)務(wù)層以系統(tǒng)服務(wù)的形式提供業(yè)務(wù)支撐，是系統(tǒng)功能實現(xiàn)的核心，由實時數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)和飛行講評分系統(tǒng)構(gòu)成。展示層面向最終用戶，由信息監(jiān)控顯示分系統(tǒng)構(gòu)成。系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Schematic diagram of system architecture

5.2 基礎(chǔ)軟硬件分系統(tǒng)

分系統(tǒng)主要由服務(wù)器、時間統(tǒng)一模塊、磁盤陣列、內(nèi)部通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、操作系統(tǒng)及公共服務(wù)軟件組成。主要為實時數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)和飛行講評分系統(tǒng)提供計算、時間同步、存儲、通信和軟硬管理等服務(wù)，是飛行安全監(jiān)控和飛行講評任務(wù)的基礎(chǔ)保障裝備。

5.3 實時數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)

分系統(tǒng)由機載信息實時接收與分發(fā)模塊、參數(shù)配置與管理模塊、飛行安全實時評估模塊、飛行員心理生理信息處理模塊構(gòu)成。分系統(tǒng)的各個模塊集中運行在集群服務(wù)器上，與基礎(chǔ)軟硬件分系統(tǒng)構(gòu)成了一個以服務(wù)器集群為核心，集信息接收、記錄、處理與評估的信息處理平臺。

機載信息實時接收與分發(fā)模塊實時接收機載測試系統(tǒng)和地面設(shè)備送來的信息，進(jìn)行參數(shù)解算并分類打包轉(zhuǎn)發(fā)到飛行安全實時評估模塊和飛行員心理生理信息處理模塊。飛行安全實時評估模塊對接收到的飛機各系統(tǒng)工作狀態(tài)和飛行員操控等信息進(jìn)行處理，對飛機的健康狀態(tài)進(jìn)行實時評估。飛行員心理生理信息處理模塊對接收到的飛行員體溫、心率、心電、呼吸頻率和血氧飽和度等重要生理心理參數(shù)進(jìn)行處理，實時監(jiān)控飛行員在飛行狀態(tài)下的生理心理狀況并進(jìn)行評估。

參數(shù)配置與管理模塊由網(wǎng)絡(luò)電臺控制與管理軟件和信息記錄軟件組成。網(wǎng)絡(luò)電臺控制與管理軟件對機載和地面網(wǎng)絡(luò)電臺的頻點、IP地址、MESH ID、鏈路數(shù)據(jù)加密等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，對在線網(wǎng)絡(luò)電臺的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。信息記錄軟件能夠按要求將接收到的原始信息和處理后的信息進(jìn)行記錄。

5.4 飛行講評分系統(tǒng)

分系統(tǒng)與實時數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)共享基礎(chǔ)支撐層的軟硬件資源，主要由數(shù)據(jù)庫、講評數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)管理模塊和飛行講評管理模塊組成。講評數(shù)據(jù)處理模塊利用實時記錄或從飛機下載的數(shù)據(jù)，根據(jù)講評需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；數(shù)據(jù)管理模塊將處理后的信息錄入數(shù)據(jù)庫同時轉(zhuǎn)存到磁盤陣列，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類管理、存儲和檢索；飛行講評管理模塊可根據(jù)飛行員講評需要，讀取經(jīng)處理錄入數(shù)據(jù)庫的各類參數(shù)和信息，根據(jù)不同人員的指令要求對飛行訓(xùn)練過程進(jìn)行回放，再現(xiàn)全部或部分訓(xùn)練實況，利用該模塊可靈活地選擇講評場景控制講評進(jìn)度，具備單人、多人、多機以及在線、離線等場景的講評。

5.5 信息顯示監(jiān)控分系統(tǒng)

分系統(tǒng)主要由監(jiān)控終端、信息顯示大屏幕和信息監(jiān)控模塊組成，主要顯示業(yè)務(wù)層的處理和評估結(jié)果。可根據(jù)用戶需求提供二維或三維位置、速度和航向，能夠以視頻、表格、圖形、儀表和曲線等多種形式將被監(jiān)控目標(biāo)各系統(tǒng)的工作狀態(tài)以及飛行員的操控等信息顯示在監(jiān)控終端或大屏幕上，對飛機空中情況、起降過程等進(jìn)行監(jiān)控，對可能影響飛行安全的事件進(jìn)行告警，為指揮決策提供依據(jù)。

6 結(jié)束語

著眼飛行訓(xùn)練的需要,借鑒飛參回傳系統(tǒng)和飛機試飛安全監(jiān)控與事故預(yù)警預(yù)測的成功經(jīng)驗，構(gòu)建了集機載信息采集、飛行員生理心理信息采集、信息傳輸、信息接收處理、輔助安全決策、飛行講評于一體的裝備體系。裝備設(shè)計充分利用機載測試信息，實現(xiàn)了空地信息的網(wǎng)絡(luò)化傳輸，解決了飛行訓(xùn)練過程中多目標(biāo)飛參、視頻的實時傳輸問題，為飛行安全監(jiān)控和飛行講評提供了有效手段，可有效降低飛行風(fēng)險，提高飛行員的培訓(xùn)效率。各系統(tǒng)涉及的設(shè)備、技術(shù)手段和方法在相近或相關(guān)領(lǐng)域均有應(yīng)用，不存在技術(shù)瓶頸。設(shè)計的裝備體系架構(gòu)可為飛行培訓(xùn)機構(gòu)的飛行安全監(jiān)控和飛行員培訓(xùn)裝備建設(shè)提供借鑒，具有較為廣闊的應(yīng)用前景。