田杰榮， 崔 焰， 張 威

(海軍航空大學(xué)航空作戰(zhàn)勤務(wù)學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264001)

0 引言

艦載機(jī)著艦是一個(gè)十分復(fù)雜而危險(xiǎn)的過程，尤其是最后二十多秒的下滑道進(jìn)近，對(duì)飛行員來(lái)說無(wú)異于生死考驗(yàn)。如果僅靠飛行員的個(gè)人能力來(lái)完成，幾乎是一件不可能完成的任務(wù)，因此需要著艦指揮官(Landing Signal Officer，LSO)協(xié)助才能安全降落到航母上。艦載機(jī)在回收過程中，LSO依靠經(jīng)驗(yàn)和個(gè)人能力判斷艦載機(jī)的飛行狀態(tài)完成指揮，往往還需要借助其他輔助手段來(lái)提供決策支撐，中線監(jiān)視系統(tǒng)作為其中一種可以監(jiān)視進(jìn)入下滑道入口后飛機(jī)進(jìn)近著艦的全過程，提供中線電視畫面以顯示下滑道偏差，輔助LSO進(jìn)行決策。

陸基著艦訓(xùn)練(Field Carrier Landing Practice，F(xiàn)CLP)可以降低上艦風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)約訓(xùn)練成本。在此階段，需要為L(zhǎng)SO設(shè)計(jì)一種易于快速安裝部署、顯示效果良好，且可以保證飛行安全的中線監(jiān)視系統(tǒng)。目前，國(guó)內(nèi)外主要針對(duì)全自動(dòng)著艦和無(wú)人機(jī)著艦引導(dǎo)技術(shù)進(jìn)行研究[1-3]；而對(duì)中線監(jiān)視系統(tǒng)的研究主要是具體技術(shù)的應(yīng)用，如光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、圖像處理算法和十字標(biāo)線穩(wěn)定技術(shù)等[4-6]；很少涉及普通機(jī)場(chǎng)訓(xùn)練條件下(本文指沒有專門為艦載機(jī)訓(xùn)練配置額外航空保障設(shè)備的機(jī)場(chǎng))的LSO陸基中線監(jiān)視系統(tǒng)研究，尤其是成本經(jīng)濟(jì)、使用方便、功能齊全的中線監(jiān)視系統(tǒng)。

本文在分析LSO中線監(jiān)視輔助決策原理的基礎(chǔ)上，針對(duì)普通機(jī)場(chǎng)中線監(jiān)視系統(tǒng)在FCLP中的實(shí)際應(yīng)用，重點(diǎn)探討了LSO陸基中線監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的典型問題，包括安裝部署位置選擇，系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)和中線畫面顯示等，并仿真分析了下滑道指示精度。

1 中線監(jiān)視輔助決策原理

1.1 LSO下滑道偏差判斷原理

如圖1所示，艦載機(jī)在航空母艦上最后進(jìn)近著艦時(shí)，通常需要借助菲涅爾光學(xué)助降系統(tǒng)進(jìn)行攔阻著艦，光學(xué)助降系統(tǒng)的中間瞄準(zhǔn)燈箱發(fā)出的光束(可將其視為光平面)，與通過著艦跑道中心線且垂直于甲板平面的平面在空間相交，得到的直線為飛行員所跟蹤的光學(xué)下滑道。艦載機(jī)著艦時(shí)光學(xué)下滑道的角度恒定且著艦姿態(tài)固定，因此，飛機(jī)尾鉤的下滑軌跡沿一條與光學(xué)下滑道平行的下滑道在理想著艦點(diǎn)O觸艦。

LSO是引導(dǎo)下滑道上飛機(jī)安全著艦的軍官，負(fù)責(zé)飛機(jī)在最后進(jìn)近和著艦結(jié)束階段的目視控制，其工作站位于著艦區(qū)后部左舷。在著艦指揮過程中，LSO通過目視判斷艦載機(jī)下滑道偏差的能力需要長(zhǎng)期指揮實(shí)踐才能形成，其實(shí)質(zhì)是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)在空間標(biāo)定一條假想的下滑道，以此為基準(zhǔn)來(lái)確定艦載機(jī)在下滑道上的偏差。

如圖1所示，由于LSO工作站與菲涅爾光學(xué)助降系統(tǒng)、斜角甲板中心線有一定距離，這樣，LSO觀察沿理想光學(xué)下滑道的飛機(jī)時(shí)，觀察角是隨距離變化的，而且隨著距離縮短，觀察角在逐步增大[7]，但不管觀察角如何變化，LSO都是以理想光學(xué)下滑道為基準(zhǔn)判斷飛機(jī)偏差的。

1.2 中線監(jiān)視系統(tǒng)下滑道標(biāo)定

根據(jù)LSO下滑道偏差判斷原理可知，只要在中線監(jiān)視系統(tǒng)的視頻畫面上標(biāo)定出理想光學(xué)下滑道，即可為L(zhǎng)SO提供下滑道偏差輔助決策功能。

美軍航母上中線監(jiān)視系統(tǒng)配置的攝像機(jī)，一般固定安裝在航母斜角甲板的中心線上，與飛行甲板平齊。其下滑道標(biāo)定的實(shí)現(xiàn)方法是在顯示畫面疊加十字標(biāo)線，水平電子十字線代表理想光學(xué)下滑道，垂直電子十字線代表斜角甲板中線，中心點(diǎn)為光學(xué)著艦點(diǎn)，這樣就可以通過畫面中進(jìn)近飛機(jī)與標(biāo)定下滑道的相對(duì)位置關(guān)系來(lái)為L(zhǎng)SO提供下滑道偏差信息。如果飛機(jī)在進(jìn)近過程中的圖像(以機(jī)頭為參考點(diǎn))處于十字線交點(diǎn)處，表示飛機(jī)處于理想下滑道上，反之，則說明飛機(jī)的航跡有偏差，如圖2所示。

圖2 中線監(jiān)視畫面示例

由于中線攝像機(jī)位于光學(xué)著艦點(diǎn)前方一定距離(以著艦方向?yàn)榛鶞?zhǔn))，因此中線監(jiān)視畫面的十字標(biāo)線的橫坐標(biāo)會(huì)向下移動(dòng)，且隨著飛機(jī)越接近理想著艦點(diǎn)，變化越明顯[8]。

2 LSO陸基中線監(jiān)視系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 部署位置選擇

在普通機(jī)場(chǎng)部署中線監(jiān)視系統(tǒng)時(shí)，設(shè)計(jì)目標(biāo)可以根據(jù)場(chǎng)地及機(jī)型要求而移動(dòng)布置，為L(zhǎng)SO著艦引導(dǎo)提供輔助決策功能以保障普通機(jī)場(chǎng)的訓(xùn)練任務(wù)。理論上，只要能在中線監(jiān)視系統(tǒng)視頻畫面標(biāo)示出理想光學(xué)下滑道，就可以部署于機(jī)場(chǎng)跑道任意位置，但實(shí)際中往往要受到一些客觀因素的制約。根據(jù)靈活部署的要求，分析兩種典型的部署方式，如圖3所示。

圖3 兩種典型的攝像機(jī)部署方式

2.1.1 光學(xué)下滑道安裝方式

這是最簡(jiǎn)單的一種部署方式，中線監(jiān)視攝像機(jī)既可部署于模擬著艦跑道中線的光學(xué)著艦點(diǎn)上，也可部署于光學(xué)著艦點(diǎn)與菲涅爾光學(xué)助降系統(tǒng)之間的某個(gè)位置，其具體位置與中線監(jiān)視攝像機(jī)的高度有關(guān)，基本確定原則是中線監(jiān)視攝像機(jī)的垂直視場(chǎng)中線面要與菲涅爾光學(xué)助降系統(tǒng)的理想光平面重合，水平視場(chǎng)中線面要與著艦跑道中心線平行。

2.1.2 偏置中線安裝方式

采用偏置中線安裝方式，攝像機(jī)的拍攝范圍要大于中線安裝時(shí)的情況。此時(shí)，需要較大的水平視場(chǎng)以覆蓋中線監(jiān)視所要求的區(qū)域，而垂直視場(chǎng)與攝像機(jī)中線安裝時(shí)基本一致[8]。

要使其監(jiān)視范圍與攝像機(jī)中線安裝時(shí)相一致，攝像機(jī)的水平視場(chǎng)角φ應(yīng)滿足

(1)

式中：M為攝像機(jī)與跑道中心線的側(cè)方距離；S為攝像機(jī)與理想著艦點(diǎn)的距離。

2.1.3 部署方式比較

如表1所示，通過是否需要艦載機(jī)相關(guān)數(shù)據(jù)信息支撐、飛行安全影響和部署靈活性等方面來(lái)比較3種安裝方式，可以看出，偏置中線安裝方式在陸基機(jī)場(chǎng)具有較大優(yōu)勢(shì)，能夠在保證飛行安全的前提下避免對(duì)跑道進(jìn)行破壞性施工，可根據(jù)風(fēng)向變化靈活快速調(diào)整位置，但該方式需要雷達(dá)或激光提供艦載機(jī)速度、距離等信息支撐解算中線監(jiān)視系統(tǒng)下滑道標(biāo)定。

表1 中線監(jiān)視攝像機(jī)3種安裝方式比較

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)成本經(jīng)濟(jì)、使用方便的設(shè)計(jì)目標(biāo)以及普通機(jī)場(chǎng)部署的特點(diǎn)，中線監(jiān)視系統(tǒng)由攝像單元、跟蹤測(cè)量單元、智能視頻處理單元、視頻存儲(chǔ)顯示單元等組成，如圖4所示。

攝像單元是前端圖像采集單元，負(fù)責(zé)將艦載機(jī)下滑過程中的原始圖像數(shù)據(jù)采集出來(lái)，并按照一定的編碼格式進(jìn)行編碼，為智能視頻處理單元提供數(shù)據(jù)。高精度室外精密云臺(tái)和水平校準(zhǔn)基座用于攝像單元的水平基準(zhǔn)、水平俯仰調(diào)整校準(zhǔn)，以保證與菲涅爾光學(xué)助降系統(tǒng)一致的下滑基準(zhǔn)角。攝像單元置于跑道表面故受溫度影響較大，因此選用具有溫控能力的保護(hù)罩以保證攝像機(jī)的精度。

圖4 中線監(jiān)視系統(tǒng)架構(gòu)

跟蹤測(cè)量單元采用測(cè)量精確、造價(jià)低廉、使用方便的激光測(cè)距手段來(lái)實(shí)現(xiàn)。包括跟蹤攝像機(jī)、激光測(cè)距機(jī)和伺服轉(zhuǎn)臺(tái)，其主要功能是實(shí)時(shí)提供艦載機(jī)的速度、距離、角度等信息。跟蹤攝像機(jī)安裝在伺服轉(zhuǎn)臺(tái)上，可隨轉(zhuǎn)臺(tái)沿方位軸和俯仰軸轉(zhuǎn)動(dòng)。采用對(duì)人眼安全的激光器，使用時(shí)不需采取防護(hù)措施，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)、近距離兼顧，高速度、高精度地連續(xù)測(cè)速、測(cè)距。

智能視頻處理單元是以高速數(shù)字信號(hào)處理器為核心組成的視頻圖像處理系統(tǒng)[9]，主要由模擬視頻信號(hào)預(yù)處理、數(shù)字化采樣、FPGA時(shí)序及濾波、DSP圖像處理等單元組成。其對(duì)中線監(jiān)視攝像機(jī)輸出的圖像進(jìn)行數(shù)字化處理[10]，提取出目標(biāo)位置信息并對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤，利用下滑道模型算法計(jì)算下滑道指示點(diǎn)坐標(biāo)位置，生成疊加電子十字線的圖像，指示飛機(jī)相對(duì)理想下滑道的偏差狀況。其信息處理流程如圖5所示。

圖5 智能視頻處理單元信息處理流程

視頻存儲(chǔ)顯示單元接收跟蹤測(cè)量設(shè)備發(fā)送的速度、距離等信息并將疊加電子十字線的飛機(jī)位置以圖像的形式顯示出來(lái)，存儲(chǔ)飛機(jī)進(jìn)近著艦的中線視頻信息用于分析評(píng)估。

2.3 下滑道指示十字線模型

由于飛機(jī)本身處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，中線監(jiān)視畫面上表示理想光學(xué)下滑道的十字線也要隨之不斷變動(dòng)，本系統(tǒng)利用飛機(jī)相對(duì)理想著艦點(diǎn)的空間坐標(biāo)位置作為輸入變量，將基本角、鉤眼距等作為已知參數(shù)，利用攝像機(jī)成像模型和預(yù)先標(biāo)定的攝像機(jī)內(nèi)參矩陣，以及已知的攝像機(jī)位置參數(shù)，經(jīng)過坐標(biāo)變換，計(jì)算出十字線中心在圖像平面上的位置點(diǎn)，通過該點(diǎn)在像平面畫兩條水平和垂直的直線，LSO通過觀察飛機(jī)相對(duì)十字線的位置偏差來(lái)判斷飛機(jī)是否處于正確的飛行航跡。

中線監(jiān)視攝像機(jī)取艦載機(jī)下滑的某一個(gè)具體時(shí)刻的橫、縱坐標(biāo)線剖面，如圖6所示。

圖6 中線攝像機(jī)橫、縱坐標(biāo)線位置計(jì)算方法

圖6(a)中：γv為1/2攝像機(jī)垂直視場(chǎng)角；α為理想下滑道的基本角；β為攝像機(jī)對(duì)飛機(jī)的觀察角；L1為攝像機(jī)垂直視場(chǎng)中線與理想下滑道交點(diǎn)到理想著艦點(diǎn)的水平距離；L2為攝像機(jī)到理想著艦點(diǎn)的距離；X為艦載機(jī)到理想著艦點(diǎn)的水平距離；h為過艦載機(jī)的鉛垂線與理想下滑道及垂直視場(chǎng)中線交點(diǎn)的距離；dv為艦載機(jī)所在距離上理想下滑道到垂直視場(chǎng)中線的距離；F為過艦載機(jī)鉛垂線與理想下滑道交點(diǎn)到垂直視場(chǎng)中線的距離。

根據(jù)已知量求解，即

(2)

h=(X+L2)·tanβ-X·tanα

(3)

dv=h·cosβ

(4)

(5)

Dv=F·sinγv。

(6)

Rv為艦載機(jī)所在距離上理想下滑道在垂直視場(chǎng)中所占比例，即

(7)

圖6(b)中：γh為1/2攝像機(jī)水平視場(chǎng)角；dh為攝像機(jī)水平視場(chǎng)中線與跑道中線間距離；Dh為艦載機(jī)所在距離上視場(chǎng)水平中線垂線與視場(chǎng)水平中線及視場(chǎng)邊界線交點(diǎn)間距離。

根據(jù)已知量求解Dh，即

Dh=(L2+X)·tanγh。

(8)

Rh為艦載機(jī)所在距離上理想下滑道在水平視場(chǎng)中所占比例，即

(9)

橫、縱坐標(biāo)線在遠(yuǎn)、近端位置中線電視畫面如圖7所示。

圖7 坐標(biāo)線遠(yuǎn)、近端位置示意圖

3 系統(tǒng)仿真分析

3.1 系統(tǒng)顯示畫面

中線監(jiān)視系統(tǒng)輸出的視頻信號(hào)由智能視頻處理單元進(jìn)行圖像處理，能夠在視頻圖像上疊加穩(wěn)定的電子十字線，用以指示飛機(jī)航跡與理想下滑道的偏差。中線監(jiān)視攝像機(jī)拍攝的視頻信號(hào)在智能視頻處理單元中疊加上相關(guān)顯示信息，如飛機(jī)進(jìn)近相對(duì)速度、記錄時(shí)間、日期等字符以備監(jiān)視及記錄，如圖8所示。

中線監(jiān)視攝像機(jī)安裝在跑道邊沿時(shí)，通過對(duì)理想下滑道的分析，建立了中線偏置情況下理想下滑道指示十字線模型，實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)理想下滑道在攝像機(jī)坐標(biāo)系中的位置在高低和方位兩個(gè)方向同時(shí)變化。

圖8 中線監(jiān)視畫面

3.2 指示精度分析

下滑道指示精度是中線監(jiān)視系統(tǒng)重要的技術(shù)指標(biāo)，決定著艦機(jī)與理想下滑道之間的偏差估計(jì)。

仿真實(shí)驗(yàn)中，中線監(jiān)視攝像機(jī)置于跑道邊距中心線15 m，離理想著艦點(diǎn)縱向193 m，固定翼飛機(jī)的機(jī)身長(zhǎng)度15 m，下滑時(shí)飛機(jī)攻角8°，下滑角3.5°。

飛機(jī)在光軸方向投影高度大于3 m，飛機(jī)距離攝像機(jī)5 km，機(jī)身在攝像機(jī)靶面成像高度大于3像素，滿足監(jiān)視要求。

方位指示誤差隨距離接近而增加，俯仰指示誤差隨距離接近先增加而后減小，飛機(jī)距理想著艦點(diǎn)距離進(jìn)入150 m后，測(cè)距誤差引起方位指示誤差達(dá)到0.04°以上，引起的俯仰指示誤差最大值為0.03°，均符合下滑道指示精度的要求，如圖9所示。

圖9 指示精度變化圖

4 結(jié)語(yǔ)

LSO的核心工作是保障視距內(nèi)的著艦飛機(jī)的安全，其工作站的配置應(yīng)能最大限度地滿足LSO指揮需要，能為L(zhǎng)SO提供目視下滑道偏差的輔助決策。本文設(shè)計(jì)的LSO陸基中線監(jiān)視系統(tǒng)，提出將監(jiān)視攝像機(jī)部署于跑道邊沿，可應(yīng)用在普通機(jī)場(chǎng)進(jìn)行FCLP，可以根據(jù)風(fēng)向、風(fēng)速、凈空等自然條件而快速移動(dòng)，對(duì)于LSO監(jiān)視飛機(jī)下滑道偏差具有重要意義。