海上雾霾天气下基于能见度的舰载机目视着舰风险评估方法研究.pdf

2023年海军 航空大 学学 报海军 航空大 学学 报2023第38卷 第3期Journal of Naval Aviation UniversityVol.38 No.3文章编号：2097-1427（2023）03-0277-06DOI:10.7682/j.issn.2097-1427.2023.03.007海上雾霾天气下基于能见度的舰载机目视着舰风险评估方法研究杨凡，田杰荣，刘敏（海军航空大学，山东，烟台264001）摘要：针对雾霾天气对舰载机目视着舰安全性的影响难以量化的问题，利用激光雷达在近海的能见度观测数据，反演海上雾霾天气下飞行员目视着舰的斜程能见度的状况，提出1种基于能见度指标的目视着舰风险评估方法，将舰载机着舰过程中飞行员频繁的目测压力，转变为舰上数据测量、风险评估和应对措施等程序化工作，将定性的安全分析转变为定量的风险评估和安全指导，谋求在现有着舰控制模式下有效降低飞行员着舰压力，提升指挥引导效率，为低能见度下舰载机目视着舰训练提供理论依据和实践指导。关键词：雾霾天气；斜程能见度；目视着舰；风险评估中图分类号：V328文献标识码：A0 引言航空母舰在海上受到海况和天气的影响，使得舰载机在着舰过程中，需要克服外界干扰（如大气紊流、甲板风、舰尾流、恶劣天气等）1，准确降落在1个空间有限、时刻运动的甲板上，着舰的难度和风险大大增加。据统计，着舰阶段只占整个飞行过程的3%左右，但却有1/3以上的飞行事故多发生在这一阶段。人工着舰事故率比陆基飞机约高36倍，着舰失败率又占总失误率的 85%，其中，黑夜失败率又比白天大 2倍2。在诸多影响因素中，海上雾霾天气直接影响舰载机飞行员着舰甲板的能见度，是制约舰载机目视着舰训练安全性的关键因素。目前，舰载机着舰过程中，海上能见度的测量通常有目视和能见度仪2种观测手段。其中：目视测量方法的海上有效参照物少，以舰面目标为参照物，则观测距离有限；能见度仪一般用于水平能见度的观测，测量范围有限，无法满足着舰过程中的大范围远距离观测要求。而在实际着舰过程中，目视舰面或着舰点的视场范围是由上至下倾斜的，对应的是斜程能见度，传统的用水平能见度来评估着舰能见度条件的方法并不准确。而激光雷达体积小、结构紧凑、测量精度高，且可自由改变探测角度，可实现多仰角探测3，是直接探测斜程能见度的最佳选择。现代战争中，恶劣天气条件下的作战能力往往决定着最终谁来掌握海上战场的主动权，因而海上雾霾天气下的目视着舰训练尤为重要。然而，低能见度下的舰载机目视着舰任务给飞行员和指挥员带来巨大压力，也给着舰安全造成了巨大挑战。如何处理训练和安全的关系，有效评估海上雾霾天气下舰载机目视着舰的风险成为新难题。在此背景下，海上雾霾天气下基于能见度的舰载机目视着舰风险评估方法的研究，对舰载机目视着舰训练具有重要实践指导意义。1 斜程能见度测量方法1.1 能见度测量原理水平能见度测量的前提条件是在阳光或均匀的天空照明下水平大气消光均匀。根据Koschmieder定律4，能见度定义为辐射在传输过程中衰减为光源的视觉反应阈值时对应的传播距离：V=-ln()=2.99。（1）式（1）中：V为能见度；为视觉反应阈值，是人眼将目标从背景中区别出来的最小亮度对比，航空气象领域其一般为5%5；为大气消光系数。考虑到消光系数对波长的依赖关系，Angstrom将上述公式进行修正6-7：=2.99V0.55q；（2）收稿日期：2022-10-09；修回日期：2023-03-27基金项目：海军航空大学2021年度文职人员科研基金（I32102005）作者简介：杨凡（1989），男，助教，硕士。海 军 航 空 大 学 学 报海 军 航 空 大 学 学 报第38卷0.585V1 3V61.36V501.6V50。（3）式（2）（3）中：单位是km-1；V单位是km；单位是m。1.2 斜程大气消光系数测量方法激光雷达接收到的探测距离R处的回波功率由激光雷达方程8所示：P()R=P0ct2AY()RR2()R T()R2。（4）式（4）中：R为激光雷达斜测距离()m；P()R为激光雷达接收到的信号功率()W；P0为激光脉冲平均功率()W；c为光速3108m s；t为激光脉冲宽度()s；A为接收机有效孔径()m2；为发射和接收光学系统损耗；Y()R为激光雷达系统的几何重叠因子，由系统结构参数决定；()R为大气粒子后向散射系数()m-1sr-1，()R=a()R+m()R，a()R与m()R分别是大气气溶胶和大气分子的后向散射系数()m-1sr-1；T()R为 大 气 粒 子 的 透 过 率 函 数，T(R)=exp-0R()r dr，()R=a()R+m()R，a()R和m()R分别是大气气溶胶和大气分子的消光系数()m-1。大气分子的消光系数因瑞利散射的消光模式9得到：m()z,=m()z,83m()z,=1.5410-3exp-z75324。（5）大气气溶胶消光系数可由Fernald理论10得到：a()R=X()R exp-2()Sa-SmRRmm()r drX()Rma()Rm+SaSmm()Rm+2RRmX()R exp-2()Sa-SmRRmm()r dr dR-SaSmm()R。（6）式（6）中：Rm为最大距离，是指Fernald方法后向积分消光系数的反演距离，由回波信号的信噪比限制；Sa气溶胶的消光-后向散射比，对于球形粒子散射，如雾滴等，可以假设其为常数；X()R为距离修正信号，X()R=P()R R2Y()R。须要注意的是，最大距离Rm与消光系数初值a()Rm本身均为未知量，需要采用适当的迭代算法来反演正确的消光值11。舰载机在着舰过程中，其下滑着舰阶段的下滑角为3.54，其他着舰阶段倾斜角度则明显大于下滑角，因而，其目视着舰能见度是斜程能见度，不能完全套用水平能见度的测量方法。激光雷达是通过给定波长的激光以一定的角度向大气发射，经过大气散射，接收机接收到后向散射信号，反演其大气消光系数，再利用式（2）（3）得到相应的斜程能见度。因此，可以用激光雷达来测量后向散射信号。值得注意的是，由于斜程路径上的大气并不均匀，因而这里的消光系数为斜程路径上各点消光系数的平均值，即对应的能见度为斜程路径的平均能见度。2 基于能见度的目视着舰风险评估方法2.1 评估方法思路本研究基于能见度的目视着舰风险，是指飞行员在着舰过程中能否看清航母或者看清航母着舰跑道。其中，能够看清以视觉反应阈值为判定标准，进场阶段重点判断能否看清航母，下滑着舰阶段重点判断能够看清着舰跑道。本文重点研究舰载机在进近着舰类模式下的目视着舰风险评估方法。评估方法以斜程能见度与斜程距离之间的大小关系为基础，按照“由点到线、远近加权、逐级评估、分级应对”的原则进行设计，建立“航段点航段着舰子阶段着舰阶段”共4级风险评估体系，每个级别由远及近提高风险评估权重12，将上一级别风险评估的输出结果作为下一级别风险评估的输入条件，以此类推，逐级开展风险评估。在着舰子阶段和着舰阶段这2个级别上，开展风险等级颜色预警，针对不同的预警颜色采取相应的安全措施。图1 风险评估级别Fig.1 Risk assessment level2.2 评估指标依据在舰载机着舰流程13-14中，综合考虑激光雷达的有效测量距离和实际着舰过程中的舰机间距，选取对 278第3期杨凡，等：海上雾霾天气下基于能见度的舰载机目视着舰风险评估方法研究目视条件要求较高的进场（520 km）和下滑着舰（05km）2个阶段开展风险评估。为便于细致评估风险，将着舰阶段进一步划分为着舰子阶段，即进场阶段细分为进场（1520 km）、进场（1015 km）、进场（510km）共3个阶段。下滑着舰阶段细分为下滑着舰（25 km）、下滑着舰（02 km）共2个阶段。每个着舰子阶段以0.5 km为步长进一步分为多个航段。由于预定航段中可能出现不同的舰机间倾斜角，在不同倾斜角对应的航段点中随机选取若干个样本，判断其中每个航段点是否有目视着舰风险，综合所有样本航段点的风险评估结果来判定该航段是否有目视着舰风险；综合所有航段的风险评估结果来判定该着舰子阶段的风险等级并作出颜色预警；综合所有着舰子阶段的风险评估结果来判定该着舰阶段的风险等级并作出颜色预警。航段点、航段、着舰子阶段、着舰阶段的风险评估指标依据具体如下。1）航段点风险：由于舰载机着舰过程中，预定航线相对稳定，根据该航段中舰机倾斜角度的变化范围，可以确定对应的斜程能见度变化范围。在倾斜角度范围内取3到5个角度，计算得到对应的斜程能见度，用斜程距离与斜程能见度的大小关系来判断该能见度条件是否对目视着舰安全有影响15-16。风险权重取值R1=1。若飞行员的斜程能见度大于等于舰机间斜程距离，则风险样本数量X1=0，此时X1R1，判定该航段点无目视着舰风险；若飞行员的斜程能见度小于舰机间斜程距离，则风险样本数量X1=1，此时X1R1，判定该航段点有目视着舰风险。2）航段风险：根据风险航段点的数量占比来判定该航段有无风险。若R2个及以上航段点有目视着舰风险，则判定步长0.5 km的航段有目视着舰风险；否则判定为无风险。其中，R2是根据航段与着舰点的远近来设定的风险影响权重，距离远则取值大，距离近则取值小。3）着舰子阶段风险：根据风险航段的数量占比来判定该着舰子阶段的风险等级并标注风险预警颜色。若该着舰子阶段的所有航段中，没有航段判定为有风险，则该着舰子阶段近似判定为无风险；有小于R31数量的航段已判定为有风险，则该着舰子阶段判定为低风险；有大于等于R31小于R32数量的航段已判定为有风险，则该着舰子阶段判定为中风险；有大于等于R32数量的航段已判定为有风险，则该着舰子阶段判定为高风险。其中，R31、R32是根据航段与着舰点远近来设定的风险影响权重，距离远则取值大，距离近则取值小。4）着舰阶段风险：根据风险着舰子阶段的数量占比来判定该着舰阶段的风险等级并标注风险预警颜色。若着舰阶段中的所有子阶段的风险判定中，仅有R41及以上个低风险、仅有R42及以上个中风险、仅有R43及以上个高风险，则该着舰阶段的目视着舰风险分别判定为低、中、高风险；否则判定为无风险。其中，R41、R42、R43是根据着舰子阶段与着舰点远近来设定的风险影响权重，距离远则取值大，距离近则取值小。2.3 风险应对措施按照“简洁高效、方便操作”的原则，针对着舰阶段的风险等级，制定风险应对措施17。在待机阶段，航空管制中心测量发布风险评估结果，在目视着舰飞行过程中，由着舰指挥官或自动控制系统根据不同着舰阶段的风险等级，指挥引导飞行员或协调舰面采取相应的安全措施18，减轻飞行员重复目测的工作量，降低其着舰压力，提高目视着舰训练的安全性。基于斜程能见度的目视着舰风险评估流程，如图2所示。图2 风险评估流程图Fig.2 Risk assessment flow chart航段点航段着舰子阶段着舰阶段风险样本数量X1评估样本数量Y1风险权重取值R1风险样本数量X2评估样本数量Y2风险权重取值R2风险样本数量X3评估样本数量Y3风险权重取值R3R3=R3 1R3 2 R3 3风险样本数量X4X4=X4 1X4 2 X4 3评估样本数量Y4风险权重取值R4R4=R4 1R4 2 R4 3X1R1无风险X1R1有风险X2 0,R2)无风险X2R2,Y2 有风险X3=0 无风险X3(0,R3 1)低风险X3R3 1,R3 2)中风险X3R3 2,Y3 高风险X4 1 0,R4 1),X4 2 0,R4 2),X4 3 0,R4 3)无风险X4 1R4 1,Y4,X4 2 0,R4 2),X4 3 0,R4 3)低风险X4 2R4 2,Y4,X4 3 0,R4 3)中风险X4 3R4 3,Y4 高风险无风险绿色低风险黄色中风险橙色高风险红色1.进场阶段为/预警，下滑着舰阶段为/预警，采用目视进场、仪表着舰；2.进场阶段为/预警，下滑阶段为/预警，采用仪表进场、目视着舰；3.进场和下滑着舰阶段为/预警，采用仪表进场、仪表着舰。进场阶段精密进近，调整飞机高度、航向；下滑着舰阶段借助光学助降和仪表着舰，修正着舰偏差。进场阶段飞机待机，下滑着舰阶段飞机复飞，同时舰面机动离开雾团或紧急除雾。若持续预警，则前往被降场。注意观察着舰位置评估级别风险样本及权重取值风险判定颜色预警应对措施 279海 军 航 空 大 学 学 报海 军 航 空 大 学 学 报第38卷3 风险评估方法仿真结果及分析针对海上斜程能见度实测数据难以直接大量获取的难题，项目组采取近似替代的方法，采用烟台近海雾霾天气下激光雷达的能见度观测数据，代入风险评估方法用于仿真，对比当前着舰的最低能见度标准，用于验证评估方法的有效性。选取雾（水平能见度1 km）、轻雾/霾（水平能见度3 km）2种典型天气下的能见度的观测数据，模拟着舰过程能见度变化情况，如图3、4所示。图3 雾天气下水平能见度1 kmFig.3 Horizontal visibility in foggy weather is 1 km图4 轻雾/霾天气下水平能见度3 kmFig.4 Horizontal visibility in light fog/haze weather is 3 km通过分析图3，可以得到以下结论。1）斜程能见度随着舰机水平距离的减小而降低，这表明观测原点模拟的舰面位置在雾中，观测原点处V=1的取值代表的是舰面的水平能见度1 km。2）按照当前着舰的能见度最低标准，在该天气条件下应不满足着舰条件。但是，新的风险评估方法仿真结果表明：在01.5 km、2.54 km、515 km的航段内，飞行员的目视能力满足能见度条件，这几个航段无目视着舰风险，在着舰过程中采取相应的安全措施，容易满足目视着舰条件，可以开展目视着舰训练。通过分析图4，可以得到以下结论。1）斜程能见度随着舰机水平距离的先减小而后增大，这表明观测原点模拟的舰面位置在轻雾或霾的边缘，观测原点处V=3的取值代表的是舰面的水平能见度3 km。2）按照当前着舰的能见度最低标准，在该天气条件下应满足着舰条件。但是，新的风险评估方法仿真结果表明：在214 km的航段内，飞行员的目视能力已不能满足能见度条件，该航段内有明显的目视着舰风险，即使采取应对措施，可能也难以满足目视着舰条件，极大影响目视着舰的安全性。对比图3、4的分析结果，可以发现，新的风险评估方法相比最低能见度标准，满足全航段的风险评估要求，更符合飞行员在目视着舰过程中的实际情况。针对图3、4中的能见度条件，采用新的风险评估方法，进一步评估着舰子阶段、着舰阶段的目视着舰风险，如图58所示。图5 舰面能见度1 km下目视着舰子阶段风险等级Fig.5 Risk level of visual landing sub-stageunder visibility of 1 km on flight deck图6 舰面能见度1 km下目视着舰阶段风险等级Fig.6 Risk level of visual landing stageunder visibility of 1 km on flight deck图7 舰面能见度3 km下目视着舰子阶段风险等级Fig.7 Risk level of visual landing sub-stageunder visibility of 3 km on flight deck斜程能见度V/km2520151050舰机水平距离L/km05101520有无航段风险斜程能见度V最低能见度标准航段风险斜程能见度V最低能见度标准航段风险2520151050斜程能见度V/km05101520舰机水平距离L/km航段风险风险等级高中低无下滑着舰下滑着舰 进场 进场进场着舰子阶段下滑着舰下滑着舰进场进场进场风险等级高中低无下滑着舰进场着舰阶段下滑着舰进场风险等级高中低无下滑着舰下滑着舰 进场 进场进场着舰子阶段下滑着舰下滑着舰进场进场进场有无 280第3期杨凡，等：海上雾霾天气下基于能见度的舰载机目视着舰风险评估方法研究图8 舰面能见度3 km下目视着舰阶段风险等级Fig.8 Risk level of visual landing stageunder visibility of 3 km on flight deck通过分析图58，可以得到以下结论。1）评估方法中的风险等级、预警颜色，逐级呈现、简洁直观、可视性强，便于指挥员掌握使用，也便于系统显示、自动控制，可满足实际训练中的安全要求。2）根据着舰子阶段、着舰阶段的不同，可以对着舰阶段的整体和局部开展风险评估，在不同阶段采取针对性的安全措施。在风险评估上，能够具体细致到“小颗粒度”，即从小处着眼，便于风险前置，排除安全隐患；在应对措施上，能够宏观体现到“大颗粒度”，即体现大处着手，便于指挥和操作，减轻指挥员和飞行员的工作压力。4 结论本文通过利用近海激光雷达观测反演的能见度数据，模拟海上雾霾天气下目视着舰的能见度状况，提出1种基于能见度的舰载机目视着舰的风险评估方法，将“是否安全”这一定性问题，转化为斜程能见度判定风险这一定量方法，并通过仿真验证了评估方法的有效性。该评估方法可以减轻飞行员着舰的目视压力，提高指挥引导的工作效率，为舰载机目视着舰训练的安全性评估提供了1种新思路。参考文献：1张阳,王树才,杨琨.舰载机着舰过程分析与评估J.工程与试验,2016,56(1):25-28,72.ZHANG YANG,WANG SHUCAI,YANG KUN.Analy-sis and evaluation of carrier-based aircraft landing processJ.Engineering&Test,2016,56(1):25-28,72.(in Chi-nese)2武恒州,罗福平,石星辰,等.全自动着舰技术现状与发展趋势分析J.飞机设计,2020,40(6):1-5.WU HENGZHOU,LUO FUPING,SHI XINGCHEN,etal.Analysis on the status quo and development trend ofautomatic carrier landing technologyJ.Aircraft Design,2020,40(6):1-5.(in 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quantitative risk assessment and safety guidance.The research seeks to effectively reduce the landing pressure of pilots under the existing landing control mode,improve command and guidance efficiency,and provide theoretical basis and practical guidance for visuallanding training of carrier aircraft in low visibility.Keywords:fog and haze weather;slope visibility;visual landing;risk assessment 282