岳桂金 張興國(guó) 吳 衡

飛行訓(xùn)練準(zhǔn)實(shí)時(shí)講評(píng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

岳桂金 張興國(guó) 吳 衡

本文根據(jù)飛行訓(xùn)練中講評(píng)的實(shí)際需求，設(shè)計(jì)了一種準(zhǔn)實(shí)時(shí)講評(píng)系統(tǒng)，分析了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流程和可視化表現(xiàn)模式，明確了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)，并實(shí)現(xiàn)了該系統(tǒng)。系統(tǒng)通過(guò)對(duì)每一架次的視頻和飛行參數(shù)進(jìn)行回放和展示，能夠在飛機(jī)結(jié)束后立即對(duì)飛行員的操作進(jìn)行事后講評(píng)，從而達(dá)到幫助參訓(xùn)人員對(duì)飛行過(guò)程進(jìn)行分析評(píng)估、查找問(wèn)題、總結(jié)經(jīng)驗(yàn)和提升水平的目的。

飛行講評(píng)是對(duì)飛行訓(xùn)練過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行講述評(píng)論和徹底詳細(xì)的分析，同時(shí)也是人與人之間的交流，彼此間把自己在飛行過(guò)程中積累的經(jīng)驗(yàn)提供給對(duì)方，相互溝通以提高飛行技術(shù)。飛行講評(píng)對(duì)保證飛行安全起著至關(guān)重要的作用，它能夠發(fā)現(xiàn)存在的隱患和問(wèn)題，為下次飛行做充分準(zhǔn)備，所以飛行講評(píng)在整個(gè)飛行過(guò)程中是一個(gè)非常重要的階段。飛行講評(píng)一般分為飛行前講評(píng)、飛行中講評(píng)和飛行后講評(píng)，其中飛行后講評(píng)又稱為事后講評(píng)（After Action Review，AAR）。

國(guó)內(nèi)航空事業(yè)和飛行員培訓(xùn)的深入開(kāi)展對(duì)飛行員培訓(xùn)保障提出了更高的要求。現(xiàn)有的飛行員講評(píng)中采用的軌跡數(shù)據(jù)需要飛行結(jié)束后把機(jī)載記錄數(shù)據(jù)和地面基站記錄的數(shù)據(jù)做事后差分處理后，與其他數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總處理，按時(shí)間順序把每一架飛機(jī)，每個(gè)架次和每個(gè)進(jìn)近的數(shù)據(jù)分開(kāi)，再進(jìn)行回放講評(píng)。這一過(guò)程的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備時(shí)間約為2～3h，而講評(píng)時(shí)間也需要2～3h，造成保障工作量大、數(shù)據(jù)卸載處理時(shí)間長(zhǎng)，飛行員工作強(qiáng)度較大，講評(píng)效果差，飛行和培訓(xùn)效率都降低。

飛行訓(xùn)練的發(fā)展趨勢(shì)提出了利用較少的設(shè)備、空間、頻點(diǎn)和人員等資源高效率保障多架次高強(qiáng)度飛行任務(wù)的要求；要求實(shí)現(xiàn)位置、軌跡和速度等定位導(dǎo)航信息的高精度實(shí)時(shí)差分，提高保障效率；要求將多架次飛機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)控，提高指揮效率，還要求在飛行結(jié)束后能夠盡快匯總所有數(shù)據(jù)進(jìn)行講評(píng)，提高培訓(xùn)效率。

系統(tǒng)概述

飛行訓(xùn)練準(zhǔn)實(shí)時(shí)講評(píng)系統(tǒng)是為滿足高強(qiáng)度、高效率和高精度的培訓(xùn)需求而設(shè)計(jì)的保障系統(tǒng)之一。該系統(tǒng)的研制采用了數(shù)據(jù)采集與處理、指揮控制和引導(dǎo)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)以及系統(tǒng)集成技術(shù)，充分利用各類精密傳感器和通信設(shè)施，完成多目標(biāo)飛機(jī)訓(xùn)練過(guò)程中的空情態(tài)勢(shì)、引導(dǎo)監(jiān)視、各類飛參信息顯示，以及不同目標(biāo)飛機(jī)的空情態(tài)勢(shì)、視頻、飛行參數(shù)的綜合顯示和講評(píng)。通過(guò)準(zhǔn)實(shí)時(shí)講評(píng)系統(tǒng)集成飛行航跡數(shù)據(jù)、飛參數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)，針對(duì)每次訓(xùn)練進(jìn)行準(zhǔn)實(shí)時(shí)同步回放，方便訓(xùn)練教師和飛行學(xué)員對(duì)關(guān)注的飛行批次進(jìn)行高效、準(zhǔn)確地查看，從而為下次的訓(xùn)練改進(jìn)提供數(shù)據(jù)支持。這種方式具有指揮和講評(píng)一致、事后講評(píng)可以準(zhǔn)實(shí)時(shí)進(jìn)行的特點(diǎn)，對(duì)提高飛行員培訓(xùn)和講評(píng)效率更有實(shí)際價(jià)值。

國(guó)外一般將態(tài)勢(shì)回放作為事后講評(píng)的基礎(chǔ)內(nèi)容，本文依托飛行員培訓(xùn)的具體項(xiàng)目，針對(duì)多機(jī)同時(shí)開(kāi)展培訓(xùn)工作的特點(diǎn)，對(duì)飛行訓(xùn)練準(zhǔn)實(shí)時(shí)講評(píng)系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，首先分析和闡述了系統(tǒng)的功能需求和系統(tǒng)架構(gòu)，然后對(duì)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所需的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了討論，最終實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)

功能需求

飛行訓(xùn)練講評(píng)系統(tǒng)是飛行訓(xùn)練的保障系統(tǒng)之一，通過(guò)對(duì)飛行過(guò)程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析和可視化回放，融合了多種信息的準(zhǔn)實(shí)時(shí)講評(píng)系統(tǒng)可以為講評(píng)過(guò)程提供最直觀的依據(jù)，支持訓(xùn)練教師對(duì)學(xué)員的訓(xùn)練過(guò)程進(jìn)行講評(píng)和學(xué)員進(jìn)行自我講評(píng)。

某飛行訓(xùn)練項(xiàng)目要求著眼于加強(qiáng)多機(jī)訓(xùn)練過(guò)程中的保障能力，構(gòu)建集空情顯示、空域顯示、視頻顯示和飛行參數(shù)顯示于一體的準(zhǔn)實(shí)時(shí)講評(píng)系統(tǒng)，從而實(shí)時(shí)地對(duì)學(xué)員飛行過(guò)程進(jìn)行回放查看，并進(jìn)行準(zhǔn)實(shí)時(shí)講評(píng)。主要功能有：支持單機(jī)訓(xùn)練航跡數(shù)據(jù)的回放和遙測(cè)數(shù)據(jù)的可視化曲線講評(píng)顯示；能夠?qū)崿F(xiàn)中心線相機(jī)視頻、機(jī)載平顯視頻的同步講評(píng)回放和訓(xùn)練航線顯示；支持對(duì)每個(gè)進(jìn)近歷史航跡的查看；支持水平著陸圖、垂直著陸航跡圖的講評(píng)顯示和保留顯示；支持對(duì)講評(píng)播放的快進(jìn)、后退、暫停、停止等控制功能；支持語(yǔ)音講評(píng)播放。

系統(tǒng)架構(gòu)

關(guān)于本系統(tǒng)的架構(gòu)示意見(jiàn)圖1所示。

為了實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)實(shí)時(shí)講評(píng)功能，需要能夠接收實(shí)時(shí)差分的位置、軌跡和速度等導(dǎo)航數(shù)據(jù)、視頻和飛行參數(shù)。為此需要系統(tǒng)能夠進(jìn)行鏈路雙向通信，把一套地面固定基站的差分?jǐn)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送給多架機(jī)的機(jī)載移動(dòng)基站進(jìn)行差分處理，然后把每架機(jī)差分后的信息分別實(shí)時(shí)回傳到地面進(jìn)行顯示和處理，同時(shí)為了迎合國(guó)家導(dǎo)航系統(tǒng)的戰(zhàn)略發(fā)展方向，最好能實(shí)現(xiàn)GPS和北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的實(shí)時(shí)復(fù)合差分。

使用一臺(tái)地面遙測(cè)接收設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)多機(jī)的同時(shí)監(jiān)控，要求地面遙測(cè)接收設(shè)備或者與每架機(jī)的機(jī)載遙測(cè)發(fā)射設(shè)備具有不同的鏈路交聯(lián)，或者在同一通信鏈路中；前者依然需要多個(gè)頻點(diǎn)，除節(jié)省了地面設(shè)備外，與傳統(tǒng)的PCM遙測(cè)模式本質(zhì)上并無(wú)區(qū)別，而后者可以使用同一頻點(diǎn)組成局域網(wǎng)，從節(jié)約電磁資源和簡(jiǎn)化系統(tǒng)復(fù)雜度的角度考慮，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

圖1　系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

圖2　準(zhǔn)實(shí)時(shí)講評(píng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)邏輯圖

準(zhǔn)實(shí)時(shí)講評(píng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)邏輯圖如圖2所示。

準(zhǔn)實(shí)時(shí)講評(píng)系統(tǒng)需要采用可視化的表現(xiàn)模式，及時(shí)、準(zhǔn)確、全面地反映飛行態(tài)勢(shì)的變化，態(tài)勢(shì)回放，包括飛行員視角實(shí)時(shí)顯示、飛機(jī)姿態(tài)的指揮員視角顯示、飛參數(shù)據(jù)和航跡的曲線化圖像等。借助于交互式回放控制技術(shù)，可以進(jìn)行實(shí)時(shí)回放，也可是進(jìn)行加速或者減速回放，以及對(duì)回放進(jìn)行暫停、顯示參數(shù)選擇、學(xué)員歷史數(shù)據(jù)篩選等功能。

關(guān)鍵技術(shù)多機(jī)單頻點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)組播

傳統(tǒng)的兩個(gè)頻率的方法（頻分雙工或FDD）使得在許多應(yīng)用中雙向通信的方便性或適用性中都有很多麻煩，同時(shí)FDD增加了復(fù)雜性，成本和重量與額外的天線，放大器和電路；每個(gè)鏈路使用單獨(dú)頻率也使得頻率管理變得復(fù)雜。本系統(tǒng)選用了具有國(guó)際領(lǐng)先的通訊技術(shù)，采用獨(dú)特的COFDM調(diào)制機(jī)制，具有自組織、自修復(fù)和優(yōu)異的射頻穿透能力及多路徑傳輸特性的無(wú)線網(wǎng)格網(wǎng)IP電臺(tái)（無(wú)線網(wǎng)絡(luò)電臺(tái)），作為解決空地?cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)姆桨浮＝⒘藢拵o(wú)線網(wǎng)絡(luò)遙測(cè)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)傳輸架構(gòu)，采用組播管理、上行控制、智能監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)流量、無(wú)線中繼等技術(shù)手段，提升了監(jiān)控能力、加強(qiáng)無(wú)線數(shù)據(jù)管理，解決了單頻點(diǎn)多機(jī)監(jiān)控問(wèn)題，節(jié)省了遙測(cè)頻點(diǎn)資源。

機(jī)載信息采集編碼設(shè)備主要完成機(jī)載復(fù)合平顯視頻信號(hào)及機(jī)載ARINC429、RS422、機(jī)載模擬信號(hào)等數(shù)據(jù)的采集，并把采集的視頻和關(guān)鍵參數(shù)復(fù)合編碼成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)遙測(cè)傳輸分系統(tǒng)的機(jī)載網(wǎng)絡(luò)電臺(tái)和機(jī)載UHF天線發(fā)射至地面遙測(cè)接收分系統(tǒng)的全向接收天線；地面網(wǎng)絡(luò)電臺(tái)將接收到的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包通過(guò)以太網(wǎng)交換機(jī)發(fā)送給地面遙測(cè)安全監(jiān)控服務(wù)器，服務(wù)器通過(guò)網(wǎng)絡(luò)組播將飛機(jī)的實(shí)時(shí)參數(shù)發(fā)送給監(jiān)控客戶端，從而實(shí)現(xiàn)地面實(shí)時(shí)多目標(biāo)安全監(jiān)控和輔助指揮。

機(jī)載信息采集編碼設(shè)備可接收地面控制中心的上行數(shù)據(jù)指令，完成設(shè)備狀態(tài)自檢，設(shè)備自啟動(dòng)、重啟，下傳數(shù)據(jù)位速率設(shè)置等操作。加裝可實(shí)時(shí)差分與具有授時(shí)功能的GPS/北斗復(fù)合定位設(shè)備，提供對(duì)飛機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡、速度的精確定位測(cè)量。

GPS/北斗定位分系統(tǒng)實(shí)時(shí)輸出的高精度GPS/北斗時(shí)間信息，定位信息，主要包括高度、三維速度、經(jīng)緯度、航跡等關(guān)鍵信息，為參訓(xùn)飛機(jī)教學(xué)分析提供差分后的高精度位置和速度信息，同時(shí)為機(jī)載測(cè)試單元通過(guò)GPS/北斗設(shè)備進(jìn)行集中統(tǒng)一授時(shí)，實(shí)現(xiàn)時(shí)統(tǒng)功能。

多機(jī)實(shí)時(shí)差分技術(shù)

在亞太地區(qū)上空，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)單點(diǎn)定位精度優(yōu)于5m，衛(wèi)星信號(hào)信噪比高于GPS，目前北斗導(dǎo)航系統(tǒng)總衛(wèi)星數(shù)量16顆，正常情況下接收機(jī)可以接收到8顆左右的衛(wèi)星信號(hào)。北斗導(dǎo)航定位技術(shù)在飛行試驗(yàn)應(yīng)用中具有最高可達(dá)3000m/s的超高速下的定位測(cè)量應(yīng)用，最大可達(dá)50g/s的加速度適用范圍，大氣層內(nèi)高度方向無(wú)限制等優(yōu)點(diǎn)，是發(fā)展趨勢(shì)之一。為此必需研發(fā)機(jī)載和地面GPS/北斗定位采集器，實(shí)現(xiàn)接收北斗衛(wèi)星導(dǎo)航信息，進(jìn)行定位軌跡測(cè)量，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航信息的采集、差分、實(shí)時(shí)輸入輸出和存儲(chǔ)備份等功能；還要具有接收北斗衛(wèi)星的授時(shí)信息，將時(shí)間信息變成IRIG-B（AC）碼和IRIG-B（DC）碼，用于對(duì)其它系統(tǒng)進(jìn)行授時(shí)的功能。

GPS/北斗定位采集器系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案采用一片F(xiàn)PGA和兩片ARM STM32的設(shè)計(jì)，F(xiàn)PGA接收BD2模塊送出的導(dǎo)航授時(shí)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)分流后一路送第一個(gè)STM32（ARM 1），將原始數(shù)據(jù)無(wú)丟失地記于存儲(chǔ)介質(zhì)中，分流后的另一路送到另一個(gè)STM32（ARM 2），STM32（ARM 2）接收到數(shù)據(jù)后，從數(shù)據(jù)包中解出時(shí)間信息和定位信息，將解碼出的時(shí)間信息和定位信息送OLED顯示模塊顯示。STM32（ARM 2）還連接實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）芯片，以便在無(wú)法接收到BD授時(shí)定位信息時(shí)采用實(shí)時(shí)時(shí)鐘數(shù)據(jù)為測(cè)試系統(tǒng)授時(shí)，STM32（ARM 2）還將接收到的時(shí)間數(shù)據(jù)（包括外部時(shí)間數(shù)據(jù)或內(nèi)部時(shí)間數(shù)據(jù)）通過(guò)串行接口送入FPGA，F(xiàn)PGA根據(jù)接收到的時(shí)間信息，在每個(gè)PPS時(shí)鐘的上升沿，將時(shí)間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成需要的數(shù)據(jù)格式送到高速DA，并控制高速DA將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為IRIG-B AC碼輸出。設(shè)計(jì)原理如圖4所示。

圖3　GPS/北斗定位采集器原理框圖

圖4　飛行訓(xùn)練準(zhǔn)實(shí)時(shí)講評(píng)軟件界面示意框圖

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

準(zhǔn)實(shí)時(shí)講評(píng)系統(tǒng)目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)并應(yīng)用于實(shí)際的飛行訓(xùn)練活動(dòng)中，幫助飛行教師和訓(xùn)練學(xué)員在飛行結(jié)束后10min內(nèi)實(shí)施回放講評(píng)。系統(tǒng)以多機(jī)單頻點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)組播技術(shù)為核心，搭建了空地一體化保障網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了多機(jī)的實(shí)時(shí)差分，能獲取高精度的定位導(dǎo)航信息，還使飛行教師能以訓(xùn)練學(xué)員的視角直觀體會(huì)操作過(guò)程，將精力完全集中于指導(dǎo)教學(xué)，也方便了學(xué)員在高強(qiáng)度的訓(xùn)練過(guò)程后能夠及時(shí)進(jìn)行自我改進(jìn)。圖4所示為飛行訓(xùn)練準(zhǔn)實(shí)時(shí)講評(píng)軟件運(yùn)行時(shí)的軟件界面示意框圖，左側(cè)上方為回放控制部分，可以選擇特定學(xué)員的特定架次進(jìn)行查看；左側(cè)下方分別為指揮員視角的中心線相機(jī)視頻和飛行學(xué)員視角的機(jī)載平顯視頻；右側(cè)上方可以選擇該架次需要顯示的參數(shù)；右側(cè)下方為參數(shù)曲線圖、垂直著陸圖和水平著陸圖。

結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)飛行訓(xùn)練準(zhǔn)實(shí)時(shí)講評(píng)系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)，在分析了功能需求的基礎(chǔ)上，明確了設(shè)計(jì)方案和系統(tǒng)架構(gòu)，對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)所需的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了討論，最后實(shí)現(xiàn)了講評(píng)系統(tǒng)。實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)在飛行員培訓(xùn)工作中提供了準(zhǔn)確高效的講評(píng)手段，取得了良好的應(yīng)用效果。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.24.013