作战飞机飞行安全实时预警指挥系统研究

黄绍君,孙韶杰,沈明辉,胡 杨

(空军石家庄飞行学院飞行模拟训练中心,北京 100195)

随着新军事变革的深入,战斗机飞行员训练难度增大、训练时间变长、训练架次增多,训练科目由原来的基本驾驶术训练逐渐朝着战术训练转变,对飞行员和指挥员的综合能力提出了更高的要求,飞行安全的压力也越来越大。影响飞行安全的因素,包括飞行时飞机上的各个电门及按钮是否处于正确位置、告警灯是否亮起、飞行数据与当前飞行科目要求参数是否一致、特情处置时机及处置程序是否正确、飞行员是否对自身和飞机的状态及飞行环境产生了不正确知觉等。如何有效对飞行安全隐患进行及时预警,防止飞行事故的发生,避免造成重大的人员及经济损失,越来越受到普遍的关注。

传统的飞行安全管理一般是事中控制、事后总结的简单管理模式,对安全隐患没有深层次的认识,极少能从根本上对灾害的产生进行事前控制,也就是预警[1]。目前的飞行安全预警主要针对民航飞机或设备[2-3],通过建立预警指标体系[4]、评估模型[5]、安全风险评估工具[6]等进行飞行安全研究,针对飞行过程中事故发生前的预防研究较少。飞行员是飞机飞行过程中的操纵者,从飞行员入手对飞行安全进行深入分析,提前进行预警和控制成为亟待解决的问题。因此,加强飞行安全预警,对提高部队战斗力,保证飞行安全具有十分重要的意义。

1 系统设计

飞行安全实时预警指挥系统旨在利用飞行数据对飞机状态进行实时分析、预测和评估,对飞行数据进行处理后,在塔台以三维信息的形式显示,对处于危险飞行状态的飞机向指挥员发出语音告警,由组织训练的指挥员通过积极的干预,提醒飞行员注意其飞机状态,保障飞行安全,从而减少飞行事故的发生。

飞行安全预警指挥系统主要由数据接收模块、数据处理模块、危险状态预警模块、三维信息显示模块、告警模块等组成。其结构如图1所示。

图1 飞行安全预警系统结构图

预警指挥系统通过数据接收模块接收飞机数据、环境数据,数据处理模块对这些数据进行相应的解算和处理,送往三维信息显示模块和危险状态预警模块,三维信息显示模块显示定制的状态信息,同时，危险状态预警模块根据飞行状态和环境参数进行模型解算判断,检查飞机是否处于危险状态,如果飞机处于危险状态,告警模块发出警报或相应的语音提示。塔台指挥员在听到告警后,通过电台与飞行员进行通话,提醒飞行员注意飞机状态。如果飞行员没有进行响应,则持续地对飞行员进行外部信号刺激,直至飞行员回应为止。

预警指挥系统除了可以接收处理飞机的雷情数据,还可以接收飞参数据以及飞行模拟器的数据。预警信息除了基于数据的预警,还有基于文本信息的响应迟缓预警,以及基于语音信息的通讯延迟预警等。

2 数据处理

目前塔台指挥所内有雷情信息接口系统以及信息显示系统,雷情信息接口系统主要是根据通信协议接收雷情数据,信息显示系统主要是在二维图形上显示飞机的位置,另外还可显示飞机的航向、高度等信息。

雷情数据包括气压高度、马赫数、指示空速、真空速、大气总温、升降速度、场压、真攻角、排气温度、法向加速度、侧向加速度、轴向加速度、燃油剩余量、侧滑角、无线电高度、航向角、俯仰角、倾斜角、航向角速度、俯仰角速度、倾斜角速度、低压转子转速N1、高压转子转速N2等。

雷达情报获取的数据不能完全满足塔台飞行安全实时预警系统的需求。一方面雷情信息更新速度较慢,影响后续数据解算,导致预警时间被延迟;另一方面是雷情信息内容不够丰富,比如缺少经纬度数据等,当飞机处于危险状态并需要持续进行预警时,缺乏有效的判断依据,因此需要进行数据处理,通过获取的雷情数据、飞参以及经验数据,得到告警所需的关键数据。

飞机在空中飞行时速度较大,假设其速度为720千米/小时,那么1秒钟就可以飞200米,这个距离非常大,反过来说，在有限的距离或高度内留给飞行员的时间是非常宝贵的。因此我们进行数据解算或外推时,不能按秒而要按毫秒进行解算或外推,这样才尽可能地提前预警,从而不会丢失中间重要的数据而错失告警的机会。

数据处理的目的就是根据已有的数据,推导出一些跟飞行状态密切相关的数据,这些推导出的数据除了包括我们缺少的数据比如经纬度等,也包括进行提前预测的一些数据,比如依据当前位置和速度等信息推测下一个位置信息,或者根据需要在每两帧数据之间进行插值计算等。以下是已知飞机前一点的经纬度,如何求解飞机下一点经纬度。

dE=0.006694380066764775264607878911781;

dA=6378137.0;

temp=sin(lat0*PI/180);

dW=sqrt(1-dE*temp*temp);

dN=dA/dW;

dM=dA*(1-dE)/(dW*dW*dW);

lat1=lat0+dx/dM*180/PI;

lon1=lon0+dy/(dN*cos(lat0*PI/180))*180/PI;

其中，lon0、lat0分别为飞机当前帧周期经纬度,lon1、lat1分别为下一帧经纬度,dx、dy分别为飞机当前帧到下一帧在地面上的运动距离,PI为圆周率。

3 危险状态预警

根据对解算后数据的分析结果,我们来确定飞机是否处于危险状态或者将要进入危险状态,从而提供预警机制,防止事故的发生。因此,系统对危险状态的识别或预判,成为提高飞行安全的一条途径。

1)最低安全高度预警

海上空域训练、作战时,失去地面参照物,飞行员对自身和飞机的状态、位置、方向、运动及飞行环境产生不正确知觉时,极易进入空间定向障碍,此时飞机容易丢态。从开始产生空间定向障碍到事故发生,经过统计,一般在178秒左右,如何掌握好这三分钟时间,对飞行员进行有效的指挥与控制,是极大降低飞行事故率的关键。

数据处理过程中,如果飞机有无线电高度数据,则采用无线电高度,否则采用海拔高度。假设飞机高度为1000米,而升降速度为-100米/秒,而且一直保持这样的状态,那么只要10秒钟飞机就没有高度了,可见如果没有外部干预,飞机状态没有改变,出现事故的概率是非常大的。

最低安全高度预警与飞机训练科目有关,如果是起降训练、低空或超低空突防训练,则指挥员关注度可以不是很高,但如果是空战格斗训练,在飞机缠斗过程中高度发生了很大的改变,飞行员有可能只关注对方飞机态势,忽略了自身状态的改变。

2)失速预警

飞机出现大迎角小速度的情况下,很容易失速,这个在二代机上表现得更为明显,而三代机由于有数字飞控系统,不太容易失速,但如果飞机迎角超过了极限迎角,很可能也会发生失速的情况。

假设飞机的迎角范围为-20°～40°,如果超出这个范围,且速度小于200千米/小时,则飞机容易发生失速。如果能够预测到飞机将要达到失速状态,就可预先进行必要的干预。

3)极限过载预警

飞机在大过载特别是极限过载的情况下,飞行员容易进入红视或中心视力丧失状态,这时飞行员非常不容易操纵飞机,不仅对飞行员的生理机能发出了挑战,对飞机的结构强度也是极大的考验。因此,在训练而不是作战的情况下,过载一般不是太大,而且持续的时间不会太长。如果发现飞机过载超过一定的数值,且持续时间较长,塔台指挥则要考虑是否需要提醒飞行员注意飞机状态。

4)防撞预警

如果塔台组织的训练是双机或多机编队训练,为了防止相撞,则双机或多机飞机之间的距离、高度差都有明确的要求。随着训练难度、训练规模、训练时间的增大,飞行员的疲劳强度也随之增大,或者随着任务的完成,思想上有松懈情绪，容易忽视飞机之间的距离、高度差等数据。另外在编队飞行训练过程中,空中突然飘过来一大朵云,看不清楚舱外的情况,这时候飞行员如果心理紧张采取过激动作,导致飞机状态产生较大的变化,容易发生事故。

5)其他预警

其他比如飞机姿态处于比较频繁的剧烈变化之中,且持续时间较长,飞机有可能处于丢态。或者飞机以阈值以下速度向右倾斜,容易造成认知上的偏差。飞机做半滚倒转、加速减速飞行、大坡度转弯、特技动作和大动作量摆脱机动等复杂动作时,同样也需要予以关注。

4 三维信息显示及告警

1)三维信息显示

三维信息显示主要是根据解算后的数据,在塔台指挥所内的大屏幕显示器上,利用地景数据库对在训飞机的位置、姿态等信息进行可视化渲染,从而逼真地在线实时显示各架飞机的状态,便于指挥员观察和指挥。

三维信息显示可根据飞机的危险状态分别用不同的颜色区分其危险等级,比如用绿色表示比较安全的飞机；用红色提醒指挥员该飞机状态需要关注,用闪烁的红色表示该飞机处于紧急状态,需要即时加以干预。

除了用颜色表示飞机的危险状态信息,还可以选择对所关注的飞机显示其比较完整的参数信息,或者在屏幕上随着飞机的移动显示主要关心的数据,比如速度、高度、过载等。

2)告警

当飞机处于危险或者紧急状态时,根据飞机的危险状态预警信息,可以利用警报或语音信息对指挥员进行提示,提示某架飞机需要予以关注或者提醒。这是整个系统非常重要的一个环节,它提醒指挥员需要重点进行关注的飞机及其状态。

告警时明确地在语音中提醒是哪架飞机状态不正常,语音告警要短促有力和快速准确,发出的指令直接、简单、明确。

5 结束语

飞行安全实时预警指挥系统在线监测、识别和诊断飞机的运行状态,并向指挥员及时报警,将安全关口前移。开展飞行安全实时预警研究对于保障飞行安全具有重要意义, 有利于预先判断飞行员操纵行为的过程,有效地预防和矫正飞行员的行为失误,这样可以促进飞行安全管理模式由事后被动向事前主动转变。现行飞行安全管理虽然也强调风险管理, 强化安全监察的作用, 但这些做法还处于试运行或初始开展阶段, 还没有完全摆脱事后管理的“ 亡羊补牢” 式的管理模式, 安全管理的效能有待提高。开展飞行安全预警管理, 要求人们不仅要重视已有的安全危险, 还要主动地去识别新的危险, 变事后管理为事前与事后管理相结合, 变被动管理为主动管理, 牢牢掌握飞行安全管理的主动权。