通用加油監(jiān)視系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)內(nèi)容

肖 珺

（海軍裝備部，陜西 西安 710089）

引言

空中加油機(jī)主要執(zhí)行對(duì)作戰(zhàn)飛機(jī)進(jìn)行空中加油任務(wù)，以增加作戰(zhàn)飛機(jī)的航程和續(xù)航時(shí)間，能夠大大增強(qiáng)航空兵的遠(yuǎn)程作戰(zhàn)、快速反應(yīng)和持續(xù)作戰(zhàn)能力。隨著空中加油技術(shù)的迅速發(fā)展，空中加油機(jī)在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中已凸顯出巨大作用，并已成為影響現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)取得勝利的重要技術(shù)手段之一。

空中加油機(jī)航空電子系統(tǒng)圍繞實(shí)現(xiàn)飛機(jī)加油功能，一般通過(guò)加裝加油監(jiān)視系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)空中加油全過(guò)程的空域監(jiān)視。不同型號(hào)論證時(shí)，因其飛機(jī)大小、加油監(jiān)視系統(tǒng)安裝位置、目標(biāo)受油機(jī)種等諸多不同，加油監(jiān)視系統(tǒng)的功能需求和性能指標(biāo)存在一定的差異。這就需要設(shè)計(jì)人員在方案設(shè)計(jì)時(shí)，充分結(jié)合平臺(tái)特性進(jìn)行考慮，而由于型號(hào)研制初期，很難掌握真實(shí)空中環(huán)境下，加/受油機(jī)相對(duì)的位置變化情況，對(duì)加油監(jiān)視系統(tǒng)提出的功能要求、性能指標(biāo)往往存在很大的誤差，導(dǎo)致最終呈現(xiàn)給飛行員的監(jiān)視視頻差強(qiáng)人意。這就使得針對(duì)空中加油機(jī)加油監(jiān)視系統(tǒng)的設(shè)計(jì)往往需要充分的仿真驗(yàn)證和地面、空中試驗(yàn)。

1 概述

空中加油機(jī)加油監(jiān)視系統(tǒng)半物理試驗(yàn)是通過(guò)采用真實(shí)的硬件系統(tǒng)，外接視景仿真系統(tǒng)，利用空中動(dòng)態(tài)加油全過(guò)程的模擬，驗(yàn)證加油機(jī)任務(wù)管理系統(tǒng)的功能、性能指標(biāo)及內(nèi)外交聯(lián)接口的正確性。要求最大限度的模擬真實(shí)的空中加油過(guò)程，給出加油全過(guò)程中設(shè)計(jì)的加油監(jiān)視系統(tǒng)功能、性能指標(biāo)摸底，用于為各型加油機(jī)加油監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供一種試驗(yàn)驗(yàn)證環(huán)境和相關(guān)試驗(yàn)內(nèi)容。

2 試驗(yàn)背景及意義

空中加油是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程[1]，一般包括五個(gè)階段：會(huì)合階段、編隊(duì)階段、對(duì)接階段、加油階段和退出階段。

（1）會(huì)合階段：指受油機(jī)從自身方位飛到指定加油區(qū)域，與加油機(jī)進(jìn)行會(huì)合的階段。

（2）編隊(duì)階段：指受油機(jī)在到達(dá)指定區(qū)域并與加油機(jī)會(huì)合后，在加油機(jī)后方并與其保持一定距離進(jìn)行編隊(duì)飛行的階段。

（3）對(duì)接階段：指受油機(jī)逐漸接近加油機(jī)，并完成加油設(shè)備對(duì)接的階段。

（4）加油階段：指加油設(shè)備相連后，受油機(jī)和加油機(jī)保持相對(duì)飛行，完成輸油的階段。

（5）退出階段：指輸油完成后，受油機(jī)與加油機(jī)緩慢分開的階段。

在整個(gè)空中加油過(guò)程中，加油員既要保證在不同階段均能保證受油機(jī)/受油機(jī)編隊(duì)在視野范圍之內(nèi)，實(shí)時(shí)監(jiān)控其動(dòng)態(tài)；又會(huì)根據(jù)階段的不同，對(duì)加油監(jiān)視系統(tǒng)的功能、顯示及操作提出不同的需求。這就要求在加油監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，必須既考慮系統(tǒng)各項(xiàng)功能性能指標(biāo)能否滿足使用需求，又要考慮空中加油全過(guò)程系統(tǒng)應(yīng)能完整、合理的為飛行員提供所需的所有信息。

傳統(tǒng)地面試驗(yàn)的方法，在空中加油監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)計(jì)及驗(yàn)證時(shí)存在很大的弊端，畢竟空中加油是一個(gè)在三維空間內(nèi)動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程，在地面很難復(fù)現(xiàn)；而單純的仿真驗(yàn)證，由于模型、軟件運(yùn)行環(huán)境等存在無(wú)法修正的偏差，也不能完全替代地面試驗(yàn)。

因此，本文提出了一套通用加油監(jiān)視系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)方法和相關(guān)試驗(yàn)內(nèi)容，能夠有效結(jié)合地面試驗(yàn)與仿真驗(yàn)證兩種方式，揚(yáng)長(zhǎng)避短，提高試驗(yàn)效率和準(zhǔn)確度。

3 試驗(yàn)平臺(tái)搭建

試驗(yàn)平臺(tái)由攝像機(jī)組件、顯示控制單元、視景仿真系統(tǒng)及試驗(yàn)電纜組成，其中：

（1）攝像機(jī)組件由可見光攝像機(jī)組、紅外攝像機(jī)組和可調(diào)節(jié)底座組成，主要用于驗(yàn)證可見光/紅外攝像機(jī)組件能否提供所需的左/右區(qū)域及后向全景的高清視頻，并在監(jiān)控區(qū)域內(nèi)始終可以監(jiān)控到受油機(jī)/受油機(jī)編隊(duì)，且其性能指標(biāo)能夠在不同距離分別滿足目標(biāo)探測(cè)的三個(gè)等級(jí)（發(fā)現(xiàn)、識(shí)別和辨認(rèn)）。

（2）顯示控制組件由機(jī)上真實(shí)顯示設(shè)備和顯控管理處理機(jī)組成，主要用于為加油監(jiān)視系統(tǒng)提供顯示窗口和視頻信息的綜合處理，并驗(yàn)證設(shè)計(jì)的加油監(jiān)視視頻顯示風(fēng)格、畫面切換的操作邏輯以及多路高清視頻融合拼接的顯示效果是否能夠滿足使用要求。

（3）視景仿真系統(tǒng)由1 臺(tái)配備視景仿真軟件的工作站和1 臺(tái)配備動(dòng)態(tài)環(huán)境仿真軟件的視景服務(wù)器組成，主要用于為加油監(jiān)視系統(tǒng)提供飛行加受油場(chǎng)景模擬、多視角機(jī)載視覺視景輸出等，并可以根據(jù)攝像機(jī)組件的設(shè)計(jì)指標(biāo)更改軟件配置參數(shù)，據(jù)此用于模擬動(dòng)態(tài)空中環(huán)境下的攝像機(jī)組件，并提供加油全過(guò)程的動(dòng)態(tài)仿真。

（4）1 套用于設(shè)備互聯(lián)互通的試驗(yàn)電纜。

系統(tǒng)交聯(lián)關(guān)系見圖1。

這套加油監(jiān)視功能半物理試驗(yàn)系統(tǒng)采用了視景仿真組件與攝像機(jī)組件并行接入的方式，一方面既充分發(fā)揮了視景仿真系統(tǒng)的軟件優(yōu)勢(shì)，為試驗(yàn)提供了動(dòng)態(tài)、逼真、參數(shù)可配置的虛擬環(huán)境，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)純物理環(huán)境下地面試驗(yàn)的局限性，同時(shí)也因?yàn)榻尤胝鎸?shí)的物理系統(tǒng)而減少了單純仿真帶來(lái)的誤差；另一方面采用底座可調(diào)節(jié)攝像機(jī)組件，配合光學(xué)靶標(biāo)，實(shí)時(shí)驗(yàn)證視景仿真設(shè)置的參數(shù)在純物理環(huán)境下的真實(shí)情況，同時(shí)對(duì)攝像機(jī)組件的性能指標(biāo)進(jìn)行摸底，將仿真與驗(yàn)證充分結(jié)合，有效縮短試驗(yàn)周期，提高試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。

4 試驗(yàn)系統(tǒng)功能

搭建的試驗(yàn)系統(tǒng)為滿足某型加油機(jī)加油監(jiān)視系統(tǒng)的試驗(yàn)需求，具備以下功能：

4.1 攝像機(jī)組件具備以下功能/性能

（1）提供后向全景可見光/紅外全景視頻和左/右側(cè)可見光/紅外區(qū)域視頻。

（2）能夠在試驗(yàn)環(huán)境下對(duì)攝像機(jī)的安裝角度進(jìn)行靈活調(diào)整。

（3）攝像機(jī)各項(xiàng)性能指標(biāo)與裝機(jī)目標(biāo)值相同。

4.2 顯示控制組件具備以下功能

（1）具備對(duì)攝像機(jī)組件輸出的視頻信號(hào)進(jìn)行綜合處理，輸出圖形、圖像信息。

（2）具備對(duì)視景仿真系統(tǒng)輸出的模擬空中加油全過(guò)程視頻信號(hào)進(jìn)行綜合處理，輸出圖形、圖像信息。

（3）具備全景視頻、區(qū)域視頻綜合顯示功能。

（4）采用裝機(jī)目標(biāo)相同的顯示器，以便驗(yàn)證顯示效果和操作邏輯。

4.3 視景仿真系統(tǒng)具備以下功能

（1）提供基于飛行仿真數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)視景軟件，支持飛行仿真場(chǎng)景和典型加油任務(wù)仿真，滿足飛機(jī)迫近加受油過(guò)程的場(chǎng)景要求和起飛編隊(duì)加受油的任務(wù)要求。

（2）提供高性能仿真計(jì)算機(jī)，用于視景計(jì)算和仿真模型計(jì)算。

圖1 空中加油機(jī)加油監(jiān)視半物理試驗(yàn)系統(tǒng)

（3）提供多種飛機(jī)模型，加油機(jī)模型可由用戶自行編輯，受油機(jī)以國(guó)內(nèi)主戰(zhàn)戰(zhàn)斗機(jī)種為主，滿足加受油典型事件功能。

（4）提供多路角度可調(diào)的視景圖像輸出。

（5）支持可見光/紅外仿真圖像生成。

5 試驗(yàn)方法及內(nèi)容

空中加油機(jī)加油監(jiān)視系統(tǒng)半物理試驗(yàn)分為兩種方法：一是通過(guò)采用真實(shí)的硬件系統(tǒng)，搭建加油監(jiān)視系統(tǒng)試驗(yàn)環(huán)境，采用標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)靶標(biāo)驗(yàn)證系統(tǒng)功能、性能相關(guān)指標(biāo)；另一方面采用視景仿真系統(tǒng)接入實(shí)驗(yàn)環(huán)境，采用軟件仿真的形式模擬出加油全過(guò)程的受油機(jī)目標(biāo)特征及位置變化，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行摸底驗(yàn)證，確保系統(tǒng)能夠滿足后續(xù)型號(hào)的使用需求。

5.1 試驗(yàn)方法

方法一：采用視景仿真系統(tǒng)，按照選用的攝像機(jī)組的性能指標(biāo)和安裝位置進(jìn)行配置，用視景仿真系統(tǒng)按照典型加油任務(wù)剖面對(duì)加油全過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，實(shí)時(shí)輸出各通道圖像，通過(guò)光纖接口接入顯控管理處理機(jī)，由顯控管理處理機(jī)進(jìn)行視頻融合拼接并送顯示器進(jìn)行顯示。

方法二：選取符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求的光學(xué)靶標(biāo)（包括可見光和紅外兩種），按照典型的受油機(jī)尺寸，進(jìn)行理論計(jì)算，得出等效距離關(guān)系，再分別選擇與1.85km、500m、100m、20m 等效的位置布置光學(xué)靶標(biāo)，由攝像機(jī)組分別對(duì)靶標(biāo)進(jìn)行拍攝，輸出圖像的接入顯控管理處理機(jī)，由顯控管理處理機(jī)進(jìn)行視頻融合拼接并送顯示器進(jìn)行顯示。

方法一主要是利用視景仿真系統(tǒng)提供軟件模擬的空中加油過(guò)程，確認(rèn)攝像機(jī)安裝角度、視場(chǎng)范圍等關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計(jì)是否合理，能否滿足使用需求；也能夠?qū)︼@控管理處理機(jī)的視頻融合拼接算法、視場(chǎng)畸變等問(wèn)題進(jìn)行摸底；與此同時(shí)，還能對(duì)顯示窗口的設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證，確保設(shè)計(jì)的8 窗口顯示能夠符合人機(jī)功效設(shè)計(jì)。

方法二主要用于對(duì)選用的攝像機(jī)性能指標(biāo)進(jìn)行摸底，對(duì)選用的攝像機(jī)進(jìn)行摸底，確認(rèn)其是否能夠在加油過(guò)程中的關(guān)鍵距離上發(fā)現(xiàn)、識(shí)別目標(biāo)。

5.2 試驗(yàn)內(nèi)容

5.2.1 驗(yàn)證交聯(lián)接口

（1）驗(yàn)證攝像機(jī)組件與顯控管理處理機(jī)的視頻通信及數(shù)據(jù)通信。

（2）驗(yàn)證顯控管理處理機(jī)與多功能顯示器的視頻通信及數(shù)據(jù)通信。

5.2.2 驗(yàn)證加油監(jiān)視顯示功能

（1）驗(yàn)證攝像機(jī)組件是否能夠提供后向全景視頻和左/右側(cè)向區(qū)域視頻，并確保受油機(jī)在不同距離特征清晰可辨。

（2）驗(yàn)證顯控管理處理機(jī)的視頻處理，輸出圖形/圖像信息，全景視頻、區(qū)域視頻綜合顯示功能，并驗(yàn)證顯示器顯示布局及操作邏輯的設(shè)計(jì)。

5.2.3 系統(tǒng)性能摸底

（1）結(jié)合視景仿真系統(tǒng)，摸底整個(gè)加油過(guò)程受油機(jī)/受油機(jī)編隊(duì)是否始終能夠在加油員的視野范圍內(nèi)，整個(gè)過(guò)程的飛行員顯示控制邏輯合理高效。

（2）對(duì)方案設(shè)計(jì)中要求的后向視場(chǎng)、左/右側(cè)向視場(chǎng)進(jìn)行摸底驗(yàn)證，驗(yàn)證該指標(biāo)是否滿足加油全過(guò)程的視頻監(jiān)視需求。

（3）利用光學(xué)靶標(biāo)，分別對(duì)攝像機(jī)組件在不同距離發(fā)現(xiàn)、識(shí)別目標(biāo)的能力進(jìn)行摸底。

（4）對(duì)加油監(jiān)視視頻從采集、處理到顯示整個(gè)流程的傳輸延時(shí)進(jìn)行摸底。

（5）對(duì)顯控管理處理機(jī)在視頻融合時(shí)帶來(lái)的視場(chǎng)畸變情況進(jìn)行摸底。

（6）對(duì)顯示器顯示方式和操作邏輯進(jìn)行摸底。

6 結(jié)束語(yǔ)

加油監(jiān)視系統(tǒng)是現(xiàn)代空中加油機(jī)必備的系統(tǒng)之一，能夠?yàn)轱w行員在整個(gè)空中加油過(guò)程中解決駕駛艙視場(chǎng)封閉帶來(lái)的周圍空域信息的缺失。但由于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)階段很難獲得較為真實(shí)的、動(dòng)態(tài)的空中加油環(huán)境，導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)不能完全分析整個(gè)受油機(jī)與加油機(jī)相對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程，這就會(huì)帶來(lái)一定的設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。

本文研究了一種空中加油機(jī)加油監(jiān)視半物理試驗(yàn)系統(tǒng)和試驗(yàn)方法，引入視景仿真系統(tǒng)，采用兩套試驗(yàn)方式分別解決動(dòng)態(tài)環(huán)境和光學(xué)傳感器性能摸底兩方面的問(wèn)題，為后續(xù)的加油監(jiān)視系統(tǒng)在設(shè)計(jì)階段的驗(yàn)證試驗(yàn)提供了可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。