海上霧霾天氣下基于能見度的艦載機目視著艦風(fēng)險評估方法研究

楊 凡，田杰榮，劉 敏

（海軍航空大學(xué)，山東，煙臺 264001）

0 引言

航空母艦在海上受到海況和天氣的影響，使得艦載機在著艦過程中，需要克服外界干擾（如大氣紊流、甲板風(fēng)、艦尾流、惡劣天氣等）[1]，準(zhǔn)確降落在1個空間有限、時刻運動的甲板上，著艦的難度和風(fēng)險大大增加。據(jù)統(tǒng)計，著艦階段只占整個飛行過程的3%左右，但卻有1/3以上的飛行事故多發(fā)生在這一階段。人工著艦事故率比陸基飛機約高3～6 倍，著艦失敗率又占總失誤率的85%，其中，黑夜失敗率又比白天大2倍[2]。在諸多影響因素中，海上霧霾天氣直接影響艦載機飛行員著艦甲板的能見度，是制約艦載機目視著艦訓(xùn)練安全性的關(guān)鍵因素。

目前，艦載機著艦過程中，海上能見度的測量通常有目視和能見度儀2 種觀測手段。其中：目視測量方法的海上有效參照物少，以艦面目標(biāo)為參照物，則觀測距離有限；能見度儀一般用于水平能見度的觀測，測量范圍有限，無法滿足著艦過程中的大范圍遠(yuǎn)距離觀測要求。而在實際著艦過程中，目視艦面或著艦點的視場范圍是由上至下傾斜的，對應(yīng)的是斜程能見度，傳統(tǒng)的用水平能見度來評估著艦?zāi)芤姸葪l件的方法并不準(zhǔn)確。而激光雷達(dá)體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、測量精度高，且可自由改變探測角度，可實現(xiàn)多仰角探測[3]，是直接探測斜程能見度的最佳選擇。

現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，惡劣天氣條件下的作戰(zhàn)能力往往決定著最終誰來掌握海上戰(zhàn)場的主動權(quán)，因而海上霧霾天氣下的目視著艦訓(xùn)練尤為重要。然而，低能見度下的艦載機目視著艦任務(wù)給飛行員和指揮員帶來巨大壓力，也給著艦安全造成了巨大挑戰(zhàn)。如何處理訓(xùn)練和安全的關(guān)系，有效評估海上霧霾天氣下艦載機目視著艦的風(fēng)險成為新難題。在此背景下，海上霧霾天氣下基于能見度的艦載機目視著艦風(fēng)險評估方法的研究，對艦載機目視著艦訓(xùn)練具有重要實踐指導(dǎo)意義。

1 斜程能見度測量方法

1.1 能見度測量原理

水平能見度測量的前提條件是在陽光或均勻的天空照明下水平大氣消光均勻。根據(jù)Koschmieder定律[4]，能見度定義為輻射在傳輸過程中衰減為光源的視覺反應(yīng)閾值時對應(yīng)的傳播距離：

式（1）中：V為能見度；η為視覺反應(yīng)閾值，是人眼將目標(biāo)從背景中區(qū)別出來的最小亮度對比，航空氣象領(lǐng)域其一般為5%[5]；σ為大氣消光系數(shù)。

考慮到消光系數(shù)對波長的依賴關(guān)系，Angstrom將上述公式進(jìn)行修正[6-7]：

式（2）（3）中：σ單位是km-1；V單位是km；λ單位是μm。

1.2 斜程大氣消光系數(shù)測量方法

激光雷達(dá)接收到的探測距離R處的回波功率由激光雷達(dá)方程[8]所示：

式（4）中：R為激光雷達(dá)斜測距離( m )；P(R)為激光雷達(dá)接收到的信號功率( W )；P0為激光脈沖平均功率( W )；c為光速3×108m s ；Δt為激光脈沖寬度( s )；A為接收機有效孔徑( m2)；η為發(fā)射和接收光學(xué)系統(tǒng)損耗；Y(R)為激光雷達(dá)系統(tǒng)的幾何重疊因子，由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)決定；β(R)為大氣粒子后向散射系數(shù)(m-1sr-1)，β(R)=βa(R)+βm(R)，βa(R)與βm(R)分別是大氣氣溶膠和大氣分子的后向散射系數(shù)(m-1sr-1)；T(R)為 大 氣 粒 子 的 透 過 率 函 數(shù) ，和σm(R)分別是大氣氣溶膠和大氣分子的消光系數(shù)( m-1)。

大氣分子的消光系數(shù)因瑞利散射的消光模式[9]得到：

大氣氣溶膠消光系數(shù)可由Fernald理論[10]得到：

式（6）中：Rm為最大距離，是指Fernald 方法后向積分消光系數(shù)的反演距離，由回波信號的信噪比限制；Sa氣溶膠的消光-后向散射比，對于球形粒子散射，如霧滴等，可以假設(shè)其為常數(shù)；X(R)為距離修正信號，X(R)=P(R)R2Y(R)。須要注意的是，最大距離Rm與消光系數(shù)初值σa(Rm)本身均為未知量，需要采用適當(dāng)?shù)牡惴▉矸囱菡_的消光值[11]。

艦載機在著艦過程中，其下滑著艦階段的下滑角為3.5°～4°，其他著艦階段傾斜角度則明顯大于下滑角，因而，其目視著艦?zāi)芤姸仁切背棠芤姸?，不能完全套用水平能見度的測量方法。激光雷達(dá)是通過給定波長的激光以一定的角度向大氣發(fā)射，經(jīng)過大氣散射，接收機接收到后向散射信號，反演其大氣消光系數(shù)σ，再利用式（2）（3）得到相應(yīng)的斜程能見度。因此，可以用激光雷達(dá)來測量后向散射信號。值得注意的是，由于斜程路徑上的大氣并不均勻，因而這里的消光系數(shù)為斜程路徑上各點消光系數(shù)的平均值，即對應(yīng)的能見度為斜程路徑的平均能見度。

2 基于能見度的目視著艦風(fēng)險評估方法

2.1 評估方法思路

本研究基于能見度的目視著艦風(fēng)險，是指飛行員在著艦過程中能否看清航母或者看清航母著艦跑道。其中，能夠看清以視覺反應(yīng)閾值為判定標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)場階段重點判斷能否看清航母，下滑著艦階段重點判斷能夠看清著艦跑道。本文重點研究艦載機在進(jìn)近著艦Ⅲ類模式下的目視著艦風(fēng)險評估方法。評估方法以斜程能見度與斜程距離之間的大小關(guān)系為基礎(chǔ)，按照“由點到線、遠(yuǎn)近加權(quán)、逐級評估、分級應(yīng)對”的原則進(jìn)行設(shè)計，建立“航段點—航段—著艦子階段—著艦階段”共4級風(fēng)險評估體系，每個級別由遠(yuǎn)及近提高風(fēng)險評估權(quán)重[12]，將上一級別風(fēng)險評估的輸出結(jié)果作為下一級別風(fēng)險評估的輸入條件，以此類推，逐級開展風(fēng)險評估。在著艦子階段和著艦階段這2 個級別上，開展風(fēng)險等級顏色預(yù)警，針對不同的預(yù)警顏色采取相應(yīng)的安全措施。

圖1 風(fēng)險評估級別Fig.1 Risk assessment level

2.2 評估指標(biāo)依據(jù)

在艦載機著艦流程[13-14]中，綜合考慮激光雷達(dá)的有效測量距離和實際著艦過程中的艦機間距，選取對目視條件要求較高的進(jìn)場（5～20 km）和下滑著艦（0～5 km）2個階段開展風(fēng)險評估。為便于細(xì)致評估風(fēng)險，將著艦階段進(jìn)一步劃分為著艦子階段，即進(jìn)場階段細(xì)分為進(jìn)場Ⅰ（15～20 km）、進(jìn)場Ⅱ（10～15 km）、進(jìn)場Ⅲ（5～10 km）共3個階段。下滑著艦階段細(xì)分為下滑著艦Ⅰ（2～5 km）、下滑著艦Ⅱ（0～2 km）共2個階段。每個著艦子階段以0.5 km 為步長進(jìn)一步分為多個航段。由于預(yù)定航段中可能出現(xiàn)不同的艦機間傾斜角，在不同傾斜角對應(yīng)的航段點中隨機選取若干個樣本，判斷其中每個航段點是否有目視著艦風(fēng)險，綜合所有樣本航段點的風(fēng)險評估結(jié)果來判定該航段是否有目視著艦風(fēng)險；綜合所有航段的風(fēng)險評估結(jié)果來判定該著艦子階段的風(fēng)險等級并作出顏色預(yù)警；綜合所有著艦子階段的風(fēng)險評估結(jié)果來判定該著艦階段的風(fēng)險等級并作出顏色預(yù)警。航段點、航段、著艦子階段、著艦階段的風(fēng)險評估指標(biāo)依據(jù)具體如下。

1）航段點風(fēng)險：由于艦載機著艦過程中，預(yù)定航線相對穩(wěn)定，根據(jù)該航段中艦機傾斜角度的變化范圍，可以確定對應(yīng)的斜程能見度變化范圍。在傾斜角度范圍內(nèi)取3 到5 個角度，計算得到對應(yīng)的斜程能見度，用斜程距離與斜程能見度的大小關(guān)系來判斷該能見度條件是否對目視著艦安全有影響[15-16]。風(fēng)險權(quán)重取值R1=1。若飛行員的斜程能見度大于等于艦機間斜程距離，則風(fēng)險樣本數(shù)量X1=0，此時X1

2）航段風(fēng)險：根據(jù)風(fēng)險航段點的數(shù)量占比來判定該航段有無風(fēng)險。若R2個及以上航段點有目視著艦風(fēng)險，則判定步長0.5 km 的航段有目視著艦風(fēng)險；否則判定為無風(fēng)險。其中，R2是根據(jù)航段與著艦點的遠(yuǎn)近來設(shè)定的風(fēng)險影響權(quán)重，距離遠(yuǎn)則取值大，距離近則取值小。

3）著艦子階段風(fēng)險：根據(jù)風(fēng)險航段的數(shù)量占比來判定該著艦子階段的風(fēng)險等級并標(biāo)注風(fēng)險預(yù)警顏色。若該著艦子階段的所有航段中，沒有航段判定為有風(fēng)險，則該著艦子階段近似判定為無風(fēng)險；有小于R31數(shù)量的航段已判定為有風(fēng)險，則該著艦子階段判定為低風(fēng)險；有大于等于R31小于R32數(shù)量的航段已判定為有風(fēng)險，則該著艦子階段判定為中風(fēng)險；有大于等于R32數(shù)量的航段已判定為有風(fēng)險，則該著艦子階段判定為高風(fēng)險。其中，R31、R32是根據(jù)航段與著艦點遠(yuǎn)近來設(shè)定的風(fēng)險影響權(quán)重，距離遠(yuǎn)則取值大，距離近則取值小。

4）著艦階段風(fēng)險：根據(jù)風(fēng)險著艦子階段的數(shù)量占比來判定該著艦階段的風(fēng)險等級并標(biāo)注風(fēng)險預(yù)警顏色。若著艦階段中的所有子階段的風(fēng)險判定中，僅有R41及以上個低風(fēng)險、僅有R42及以上個中風(fēng)險、僅有R43及以上個高風(fēng)險，則該著艦階段的目視著艦風(fēng)險分別判定為低、中、高風(fēng)險；否則判定為無風(fēng)險。其中，R41、R42、R43是根據(jù)著艦子階段與著艦點遠(yuǎn)近來設(shè)定的風(fēng)險影響權(quán)重，距離遠(yuǎn)則取值大，距離近則取值小。

2.3 風(fēng)險應(yīng)對措施

按照“簡潔高效、方便操作”的原則，針對著艦階段的風(fēng)險等級，制定風(fēng)險應(yīng)對措施[17]。在待機階段，航空管制中心測量發(fā)布風(fēng)險評估結(jié)果，在目視著艦飛行過程中，由著艦指揮官或自動控制系統(tǒng)根據(jù)不同著艦階段的風(fēng)險等級，指揮引導(dǎo)飛行員或協(xié)調(diào)艦面采取相應(yīng)的安全措施[18]，減輕飛行員重復(fù)目測的工作量，降低其著艦壓力，提高目視著艦訓(xùn)練的安全性?；谛背棠芤姸鹊哪恳曋烇L(fēng)險評估流程，如圖2所示。

圖2 風(fēng)險評估流程圖Fig.2 Risk assessment flow chart

3 風(fēng)險評估方法仿真結(jié)果及分析

針對海上斜程能見度實測數(shù)據(jù)難以直接大量獲取的難題，項目組采取近似替代的方法，采用煙臺近海霧霾天氣下激光雷達(dá)的能見度觀測數(shù)據(jù)，代入風(fēng)險評估方法用于仿真，對比當(dāng)前著艦的最低能見度標(biāo)準(zhǔn)，用于驗證評估方法的有效性。

選取霧（水平能見度1 km）、輕霧/霾（水平能見度3 km）2種典型天氣下的能見度的觀測數(shù)據(jù)，模擬著艦過程能見度變化情況，如圖3、4所示。

圖3 霧天氣下水平能見度1 kmFig.3 Horizontal visibility in foggy weather is 1 km

通過分析圖3，可以得到以下結(jié)論。

1）斜程能見度隨著艦機水平距離的減小而降低，這表明觀測原點模擬的艦面位置在霧中，觀測原點處V=1的取值代表的是艦面的水平能見度1 km。

2）按照當(dāng)前著艦的能見度最低標(biāo)準(zhǔn)，在該天氣條件下應(yīng)不滿足著艦條件。但是，新的風(fēng)險評估方法仿真結(jié)果表明：在0～1.5 km、2.5～4 km、5～15 km 的航段內(nèi)，飛行員的目視能力滿足能見度條件，這幾個航段無目視著艦風(fēng)險，在著艦過程中采取相應(yīng)的安全措施，容易滿足目視著艦條件，可以開展目視著艦訓(xùn)練。

通過分析圖4，可以得到以下結(jié)論。

圖4 輕霧/霾天氣下水平能見度3 kmFig.4 Horizontal visibility in light fog/haze weather is 3 km

1）斜程能見度隨著艦機水平距離的先減小而后增大，這表明觀測原點模擬的艦面位置在輕霧或霾的邊緣，觀測原點處V=3 的取值代表的是艦面的水平能見度3 km。

2）按照當(dāng)前著艦的能見度最低標(biāo)準(zhǔn)，在該天氣條件下應(yīng)滿足著艦條件。但是，新的風(fēng)險評估方法仿真結(jié)果表明：在2～14 km的航段內(nèi)，飛行員的目視能力已不能滿足能見度條件，該航段內(nèi)有明顯的目視著艦風(fēng)險，即使采取應(yīng)對措施，可能也難以滿足目視著艦條件，極大影響目視著艦的安全性。

對比圖3、4的分析結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，新的風(fēng)險評估方法相比最低能見度標(biāo)準(zhǔn)，滿足全航段的風(fēng)險評估要求，更符合飛行員在目視著艦過程中的實際情況。

針對圖3、4 中的能見度條件，采用新的風(fēng)險評估方法，進(jìn)一步評估著艦子階段、著艦階段的目視著艦風(fēng)險，如圖5～8所示。

圖5 艦面能見度1 km下目視著艦子階段風(fēng)險等級Fig.5 Risk level of visual landing sub-stage under visibility of 1 km on flight deck

圖6 艦面能見度1 km下目視著艦階段風(fēng)險等級Fig.6 Risk level of visual landing stage under visibility of 1 km on flight deck

圖7 艦面能見度3 km下目視著艦子階段風(fēng)險等級Fig.7 Risk level of visual landing sub-stage under visibility of 3 km on flight deck

圖8 艦面能見度3 km下目視著艦階段風(fēng)險等級Fig.8 Risk level of visual landing stage under visibility of 3 km on flight deck

通過分析圖5～8，可以得到以下結(jié)論。

1）評估方法中的風(fēng)險等級、預(yù)警顏色，逐級呈現(xiàn)、簡潔直觀、可視性強，便于指揮員掌握使用，也便于系統(tǒng)顯示、自動控制，可滿足實際訓(xùn)練中的安全要求。

2）根據(jù)著艦子階段、著艦階段的不同，可以對著艦階段的整體和局部開展風(fēng)險評估，在不同階段采取針對性的安全措施。在風(fēng)險評估上，能夠具體細(xì)致到“小顆粒度”，即從小處著眼，便于風(fēng)險前置，排除安全隱患；在應(yīng)對措施上，能夠宏觀體現(xiàn)到“大顆粒度”，即體現(xiàn)大處著手，便于指揮和操作，減輕指揮員和飛行員的工作壓力。

4 結(jié)論

本文通過利用近海激光雷達(dá)觀測反演的能見度數(shù)據(jù)，模擬海上霧霾天氣下目視著艦的能見度狀況，提出1種基于能見度的艦載機目視著艦的風(fēng)險評估方法，將“是否安全”這一定性問題，轉(zhuǎn)化為斜程能見度判定風(fēng)險這一定量方法，并通過仿真驗證了評估方法的有效性。該評估方法可以減輕飛行員著艦的目視壓力，提高指揮引導(dǎo)的工作效率，為艦載機目視著艦訓(xùn)練的安全性評估提供了1種新思路。