基于時(shí)域分析法的無人機(jī)飛行質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)方法

王玉偉，高 永

（海軍航空大學(xué)，山東煙臺(tái)264001）

數(shù)據(jù)表明，飛行器操控人員在復(fù)雜天氣條件下決策失誤，或操作不規(guī)范等是引起飛行事故和事故征候的一個(gè)重要原因[1]。飛行操作屬于一種極為特殊的技能，飛行技術(shù)的獲取、保持以及提升只能依賴于飛行訓(xùn)練這一種途徑。同時(shí)，飛行訓(xùn)練也是確保飛行安全最為關(guān)鍵的基礎(chǔ)。當(dāng)前世界上，無論是有人機(jī)還是無人機(jī)，飛行訓(xùn)練的效能評(píng)估都已成為全世界飛行訓(xùn)練行業(yè)的難點(diǎn)之一，在整個(gè)訓(xùn)練支持技術(shù)研究領(lǐng)域，飛行訓(xùn)練質(zhì)量分析評(píng)估技術(shù)已然變?yōu)檠芯繜狳c(diǎn)。對(duì)于傳統(tǒng)飛行訓(xùn)練質(zhì)量管理辦法，在飛行訓(xùn)練期間，數(shù)據(jù)的收集依賴于手工完成，人工主觀地對(duì)飛行訓(xùn)練期間出現(xiàn)的問題、訓(xùn)練質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估，這種分析評(píng)估方法效率低下，分析準(zhǔn)確度不高，主觀性強(qiáng)。

針對(duì)飛行訓(xùn)練質(zhì)量評(píng)價(jià)，學(xué)者們開展了大量的研究工作，空軍航空大學(xué)高文琦、錢鑫等人[2-6]建立了一套飛行訓(xùn)練成績?cè)u(píng)估數(shù)學(xué)模型，這一系統(tǒng)對(duì)各個(gè)階段評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了制定，對(duì)飛行成績采用飛行參數(shù)誤差進(jìn)行評(píng)定，系統(tǒng)同時(shí)還具有維護(hù)數(shù)據(jù)、成績統(tǒng)計(jì)等不同功能，整體性和操作性都很強(qiáng)，但是在各參數(shù)指標(biāo)得分方法方面存在明顯缺點(diǎn)。僅僅考慮了參數(shù)每單個(gè)采集點(diǎn)的范圍決定單個(gè)點(diǎn)得分，再疊加求平均得出指標(biāo)得分，并沒有進(jìn)一步分析數(shù)據(jù)總體的統(tǒng)計(jì)特征變化，如均值、標(biāo)準(zhǔn)差、偏度等等。這樣評(píng)價(jià)方法不夠細(xì)致，導(dǎo)致結(jié)果可信度不夠。

為此，本文提出一種基于時(shí)域分析法的無人機(jī)飛行質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)方法。

1 飛行質(zhì)量綜合評(píng)估結(jié)構(gòu)層次

基于綜合評(píng)估成績是一個(gè)起落飛行架次的成績，可以將評(píng)估模型自上而下分解成5個(gè)層次：飛行任務(wù)層、飛行階段層、飛行科目層、飛行動(dòng)作層、基本動(dòng)作層。飛行任務(wù)層主要根據(jù)無人機(jī)作為平臺(tái)擔(dān)負(fù)的使命任務(wù)來劃分，其對(duì)特定的飛行階段及飛行品質(zhì)有嚴(yán)格要求，需要在綜合評(píng)估時(shí)加大權(quán)重，如執(zhí)行光學(xué)偵查任務(wù)的無人機(jī)。為保證偵查信息的精確性、圖片的清晰度，需要無人機(jī)有較好的巡航穩(wěn)定性，在保持速度和高度的同時(shí)，還應(yīng)有較好的抗干擾風(fēng)能力。所以，進(jìn)行綜合評(píng)定的時(shí)候，必須加大無人機(jī)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)權(quán)重。相反，對(duì)執(zhí)行突擊任務(wù)的無人機(jī)，就需要有較好的機(jī)動(dòng)性。因此，在綜合評(píng)定時(shí)要增加機(jī)動(dòng)飛行的評(píng)分權(quán)重。飛行階段層是根據(jù)飛行航跡來劃分，其對(duì)特定階段的飛行安全和操控難易度有要求。如對(duì)飛行安全構(gòu)成威脅的主要因素包括起飛和著陸等，尤其是艦載無人機(jī)。每個(gè)飛行階段又存在多個(gè)飛行科目。每個(gè)飛行科目同時(shí)是由數(shù)個(gè)飛行動(dòng)作進(jìn)行編排所構(gòu)成，這些動(dòng)作主要包括筋斗類、盤旋類、升降轉(zhuǎn)彎類以及其他不同戰(zhàn)術(shù)動(dòng)作，它們構(gòu)成了飛行動(dòng)作層。針對(duì)不同的飛行動(dòng)作進(jìn)行飛行質(zhì)量評(píng)價(jià)往往不具備可比性，也無法用一套標(biāo)準(zhǔn)體系衡量所有的飛行動(dòng)作。為了解決這一問題，需要將一個(gè)飛行科目分解成具有可比性、容易建立指標(biāo)體系的基本飛行動(dòng)作?？芍我庖粋€(gè)復(fù)雜動(dòng)作都可以分解成平飛、上升、下滑、轉(zhuǎn)彎、橫滾這5個(gè)基本動(dòng)作，也稱作基本動(dòng)作層。圖1為飛行質(zhì)量綜合評(píng)估結(jié)構(gòu)層次?？梢钥闯瞿芊窈侠淼卦u(píng)價(jià)出基本動(dòng)作層是整個(gè)飛行質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)的關(guān)鍵，得出基本動(dòng)作評(píng)價(jià)，再根據(jù)具體飛行要求確定各個(gè)基本動(dòng)作所占權(quán)重，即可求出飛行質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)。

圖1 飛行質(zhì)量綜合評(píng)估結(jié)構(gòu)層次圖Fig.1 Structure of the comprehensive assessment of flight

2 基本動(dòng)作層評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

無人機(jī)飛控板所記錄的數(shù)據(jù)眾多，選取合適的評(píng)價(jià)指標(biāo)是一個(gè)很重要的問題。有的指標(biāo)雖然重要，但并不能起到實(shí)質(zhì)性、決定性的作用。為確保評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的準(zhǔn)確、實(shí)用以及科學(xué)性，在選擇評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)遵循下述原則[7-10]。

1）系統(tǒng)性原則：對(duì)于評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，能夠?qū)Ρ辉u(píng)價(jià)問題各個(gè)方面進(jìn)行反映，實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行質(zhì)量全過程的反映。

2）科學(xué)性原則：評(píng)價(jià)指標(biāo)體系元素構(gòu)成、結(jié)構(gòu)都能夠?qū)︼w行質(zhì)量真實(shí)情況進(jìn)行反映，方法、內(nèi)容都合理、科學(xué)。

3）可比性原則：對(duì)于評(píng)價(jià)對(duì)象必須能夠?qū)Ρ取⒐?、可度量，不能存在明顯傾向性。

4）實(shí)用性原則：評(píng)價(jià)指標(biāo)可測(cè)量、可獲取、操作簡(jiǎn)便實(shí)用。

參考上述指標(biāo)選擇原則，依據(jù)飛行大綱訓(xùn)練要求、資深的飛行員多年飛行經(jīng)驗(yàn)，構(gòu)建基本動(dòng)作層評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，見表1。

表1 基本動(dòng)作層評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Tab.1 Basic action evaluation index system

3 時(shí)域分析原理與指標(biāo)選擇

3.1 時(shí)域分析原理

時(shí)域分析法是指系統(tǒng)在輸入一組變量時(shí)，以輸出量的時(shí)域f(t)為基礎(chǔ)，分析系統(tǒng)的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)特性。時(shí)域分析直接在時(shí)間域中對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析，它以時(shí)域抽樣原理為基礎(chǔ)，因而時(shí)域分析法直觀易懂，分析方便。廣泛應(yīng)用于故障診斷、系統(tǒng)控制等領(lǐng)域[11-13]。

在本文的研究中，所有飛參數(shù)據(jù)均為Matlab數(shù)據(jù)的double類型，每組數(shù)據(jù)包括2列：一列為時(shí)間，另一列為記載的數(shù)據(jù)（速度、高度、GPS坐標(biāo)等變量），即分析的時(shí)域輸入量為時(shí)間，輸出量為記載的數(shù)據(jù)。以時(shí)間為自變量描述，可以對(duì)記載信號(hào)進(jìn)行濾波、放大、統(tǒng)計(jì)特征計(jì)算、相關(guān)性分析等處理。計(jì)算得到的時(shí)域參數(shù)的參數(shù)指標(biāo)，一類是有量綱指標(biāo)如峰值、均值、方差、歪度、峭度、均方根值等；另一類是無量綱指，即波形指標(biāo)、脈沖指標(biāo)、峭度指標(biāo)、歪度指標(biāo)和裕度指標(biāo)等，這些參數(shù)指標(biāo)反映了記載數(shù)據(jù)的性能，即反映了飛行訓(xùn)練數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

3.2 時(shí)域分析指標(biāo)

為了分析方便，并立足于飛參數(shù)據(jù)現(xiàn)實(shí)需求，本文選擇以下幾類指標(biāo)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

3.2.1 均值分析

均值指一組數(shù)據(jù)或變量的平均值，也就是數(shù)據(jù)之和除以數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，均值一定程度反映了數(shù)據(jù)總體變化趨勢(shì)和規(guī)律。飛參數(shù)據(jù)的均值反映了一段時(shí)間內(nèi)飛行狀態(tài)的穩(wěn)定性與變化趨勢(shì)，所以，選擇將均值作為一個(gè)指標(biāo)進(jìn)行分析，均值計(jì)算表達(dá)式為：

3.2.2 方差（標(biāo)準(zhǔn)差）分析

方差是在概率論和統(tǒng)計(jì)中應(yīng)用較多，它可以衡量一組數(shù)據(jù)的離散程度，表征一組隨機(jī)變量與其數(shù)學(xué)期望之間的偏離程度的大小。

隨機(jī)變量A，若存在，則稱之為A的方差，記為稱為隨機(jī)變量A的標(biāo)準(zhǔn)差。

從方差定義可以看出，若變量X的取值集中在期望附近較小的一定范圍，則方差較?。环粗?，若變量X取值偏離期望程度較大，則方差較大。

在研究飛行質(zhì)量的過程中，研究飛行數(shù)據(jù)的方差即偏離程度，可以反映飛行員對(duì)操作狀態(tài)的感知能力和調(diào)整能力，因而將方差作為評(píng)價(jià)指標(biāo)之一。

3.2.3 偏度分析

偏度是用于衡量一組數(shù)據(jù)分布的不對(duì)稱程度的指標(biāo)。偏度指標(biāo)α的數(shù)學(xué)表述是指該組數(shù)據(jù)三階中心矩與標(biāo)準(zhǔn)差三次方的比值：

式（3）中：ν3代表3階中心距；σ為標(biāo)準(zhǔn)差。

正態(tài)分布曲線左右完全對(duì)稱，三階中心距等于0，即α=0。當(dāng)分布不對(duì)稱時(shí)，見圖2。當(dāng)α=0時(shí)為正態(tài)分布；當(dāng)α＞0時(shí)為正偏斜；當(dāng)α＜0時(shí)為負(fù)偏斜。

圖2 偏度偏斜示意圖Fig.2 Schematic diagram of skewness

在研究飛行質(zhì)量的過程中，研究飛行數(shù)據(jù)的偏度即不對(duì)稱程度或偏斜程度，可以直觀反映飛行的操作習(xí)慣，所以偏度也作為評(píng)價(jià)指標(biāo)的一項(xiàng)。

3.2.4 峰度分析

峰度是衡量一組數(shù)據(jù)分布的集中程度的指標(biāo)，峰度也可以量化分布曲線的尖峭程度，可以反映操縱靈敏程度，所以選擇作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

峰度指標(biāo)β的計(jì)算式為：

式（4）中：ν4是四階樣本中心距；σ是標(biāo)準(zhǔn)差；xi是第i個(gè)值；是樣本平均值。

當(dāng)峰度指標(biāo)β＞0時(shí)，表示數(shù)據(jù)散布程度相對(duì)正態(tài)分布更加集中，表現(xiàn)在曲線上即曲線呈尖峰狀態(tài)。

當(dāng)峰度指標(biāo)β=0時(shí)，分布為正態(tài)分布，表現(xiàn)在曲線上就是曲線呈正態(tài)曲線。

當(dāng)峰度指標(biāo)β＜0時(shí)，表示數(shù)據(jù)散布程度相對(duì)于正態(tài)分布更加分散，表現(xiàn)在曲線上就是曲線呈低峰狀態(tài)。如圖3所示。

圖3 峰度狀態(tài)示意圖Fig.3 Schematic diagram of kurtosis

4 基本動(dòng)作層評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型的建立

4.1 指標(biāo)權(quán)重方法的確定

在主觀賦權(quán)方法當(dāng)中，序關(guān)系分析法（G1法）計(jì)算量較于特征值法成倍的減少，方法簡(jiǎn)單直觀，對(duì)元素或指標(biāo)的個(gè)數(shù)沒有限制，具有保序性，且相比于層次分析法，G1法無需矩陣一致性判斷，計(jì)算過程非常容易[14-18]。因而本文采用G1法對(duì)飛行基本動(dòng)作指標(biāo)權(quán)重系數(shù)進(jìn)行確定。

4.2 G1法原理及計(jì)算步驟

G1法是一種主觀分析法，每一步調(diào)整都可以將專家的意愿進(jìn)行體現(xiàn)，調(diào)整過程明確、方法簡(jiǎn)單。其優(yōu)勢(shì)顯然不僅在于能夠建立完全一致判斷矩陣，而且對(duì)最終序列關(guān)系進(jìn)行確定時(shí)無需構(gòu)造判斷矩陣[7]。求各個(gè)指標(biāo)權(quán)重具體步驟如下。

4.2.1m位專家序關(guān)系一致時(shí)

1）確定指標(biāo)間序關(guān)系。依照重要程度進(jìn)行排序，最重在前，次重靠后，得到關(guān)系序列x1＞x2＞…＞xn。

2）xk-1和xk之間相對(duì)重要程度的對(duì)比判斷：

表2 rk賦值表Tab.2 Assignment table ofrk

3）指標(biāo)權(quán)重系數(shù)計(jì)算。

4.2.2m位專家序關(guān)系不一致時(shí)

得到指標(biāo)權(quán)重系數(shù)為：

4.3 時(shí)域指標(biāo)及總指標(biāo)得分方法

以基本動(dòng)作層中平飛階段為例建立評(píng)價(jià)模型。每個(gè)評(píng)價(jià)參數(shù)指標(biāo)都有4個(gè)時(shí)域分析子指標(biāo)，利用參數(shù)距離計(jì)算，得出第z個(gè)參數(shù)第i個(gè)時(shí)域分析指標(biāo)的成績?yōu)椋?/p>

式（9）中：i=1,2,3,4,z=1,2,3,4,5；diz為第z個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)在第i個(gè)時(shí)域指標(biāo)的實(shí)測(cè)結(jié)果與預(yù)定時(shí)域指標(biāo)的誤差；di,s為可忽略誤差；di,b為允許存在的最大誤差。

可以得到平飛第z個(gè)指標(biāo)的總分為：

式（10）中，Wi為G1法求得的時(shí)域指標(biāo)間的權(quán)重系數(shù)。

各參數(shù)指標(biāo)權(quán)重系數(shù)Yz同理可得，即該階段的平飛動(dòng)作飛行總成績S為：

5 飛行質(zhì)量評(píng)價(jià)實(shí)例

為驗(yàn)證評(píng)價(jià)模型的可行性，選擇4名操控手作為評(píng)價(jià)對(duì)象，進(jìn)行平飛任務(wù)，設(shè)定平飛任務(wù)計(jì)劃：高度保持200 m，速度保持30 m/s，航向角保持0°，滾轉(zhuǎn)角保持0°，俯仰角保持5°。設(shè)置各參數(shù)的時(shí)域分析指標(biāo)可忽略距離di,s及允許存在的最大距離di,b。其中，平飛高度數(shù)據(jù)及其時(shí)域分析計(jì)算結(jié)果，在Matlab中實(shí)現(xiàn)效果如圖4～7所示。其他參數(shù)的時(shí)域指標(biāo)同理可得，具體得分如表3所示。

圖4 均值計(jì)算Fig.4 Mean calculation

圖5 標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算Fig.5 Standard deviation calculation

圖6 偏度計(jì)算Fig.6 Calculation of skewness

圖7 峰度計(jì)算Fig.7 Kurtosis calculation

表3 某操控手平飛成績得分Tab.3 Score of a control hand level flight

G1法計(jì)算得到的時(shí)域指標(biāo)間權(quán)重向量為：

評(píng)價(jià)指標(biāo)間權(quán)重向量為：

將W、Y代入式（10）、（11）得該學(xué)員平飛總成績?yōu)?2.085。

同理，其他學(xué)員的成績分別可得：87.509、72.386、74.525。

教員傳統(tǒng)打分方法依據(jù)飛行訓(xùn)練大綱，實(shí)行5分、4分、3分制，得出成績分別為：4、4、3、3。

可以看出，傳統(tǒng)打分方法得出的分?jǐn)?shù)只有3分、4分或5分，區(qū)間太小，不能合理地區(qū)分學(xué)員的操縱水平高低。比如，前兩位學(xué)員的成績利用本文方法的得分是有差距的，而在傳統(tǒng)方法下，2位學(xué)員的成績卻是一樣的。而且傳統(tǒng)方法依據(jù)飛行大綱不能對(duì)每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)定量分析，不少指標(biāo)只是定性分析，質(zhì)量評(píng)價(jià)存在主觀性。傳統(tǒng)方法評(píng)價(jià)只對(duì)指標(biāo)定了范圍閾值，缺少對(duì)每個(gè)參數(shù)數(shù)據(jù)時(shí)域分析。比如，傳統(tǒng)方法規(guī)定高度誤差在20 m以內(nèi)，高度得分為滿分5分。如果以此方法打分，一個(gè)高度在標(biāo)準(zhǔn)高度20 m范圍內(nèi)來回波動(dòng)和一個(gè)高度穩(wěn)定在標(biāo)準(zhǔn)高度不變的成績得分是一樣的，明顯傳統(tǒng)方法評(píng)價(jià)結(jié)果不細(xì)致，說服力不足。

本文提出的飛行質(zhì)量評(píng)價(jià)模型對(duì)所有指標(biāo)進(jìn)行定量分析，并利用時(shí)域分析原理，結(jié)合飛參數(shù)據(jù)現(xiàn)實(shí)需求得出了合適的時(shí)域分析指標(biāo)，指標(biāo)信息能充分反映各參數(shù)中學(xué)員的操縱水平，質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果更合理。

6 結(jié)束語

本文針對(duì)部隊(duì)無人機(jī)飛行訓(xùn)練質(zhì)量評(píng)估方法評(píng)價(jià)不細(xì)致、效率低、主觀性強(qiáng)的問題，提出了一種基于時(shí)域分析法的無人機(jī)飛行質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)方法。實(shí)例顯示，這一模型能夠糾正傳統(tǒng)評(píng)價(jià)方法評(píng)價(jià)不細(xì)致、主觀性強(qiáng)等現(xiàn)象。利用時(shí)域分析原理，結(jié)合飛參數(shù)據(jù)現(xiàn)實(shí)需求得出了合適的時(shí)域分析指標(biāo)，并用G1法確定指標(biāo)間權(quán)重系數(shù)，評(píng)價(jià)結(jié)果公正客觀，便于對(duì)訓(xùn)練期間的問題進(jìn)行查找，提升飛行員操作水平。

下一步根據(jù)具體的飛行任務(wù)要求，由基本動(dòng)作層為基礎(chǔ)，調(diào)研確定每個(gè)層次中子層次的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)建立的飛行質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型編寫成相應(yīng)的軟件，將需要進(jìn)行評(píng)價(jià)的飛行數(shù)據(jù)輸入進(jìn)去，即可自動(dòng)獲得飛行質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果。