基于安全性建模的民機(jī)ILS信號(hào)設(shè)計(jì)

袁心悅, 陳 洪, 丁 璐,*, 宋 磊, 黃 丹

(1. 上海交通大學(xué)航空航天學(xué)院, 上海 200240; 2. 廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院, 廣西 南寧 530004; 3. 上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院, 上海 200240)

0 引 言

相關(guān)統(tǒng)計(jì)表明,最后進(jìn)近著陸階段是飛行事故率最高的階段,在4%的飛行時(shí)間占比下,事故數(shù)量在該階段所占的比重高達(dá)49.1%[1-3],民機(jī)最后進(jìn)近著陸安全性的相關(guān)研究對(duì)于提升民用飛機(jī)的安全飛行而言具有重要意義。儀表著陸系統(tǒng)(instrument landing system, ILS)是一種飛機(jī)精密進(jìn)近著陸無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng),在協(xié)助航空器安全完成最后進(jìn)近著陸任務(wù)中發(fā)揮了重大作用[4-5]。ILS信號(hào)作為民機(jī)最后進(jìn)近著陸過程中飛行員獲取飛機(jī)狀態(tài)的主要機(jī)載顯示信號(hào),引導(dǎo)著飛行員操作飛機(jī),對(duì)民機(jī)進(jìn)近著陸安全至關(guān)重要[6-7]。情景意識(shí),是指飛行員在特定的時(shí)段里、特定的情境中,對(duì)影響飛機(jī)和機(jī)組的各種因素和各種條件的準(zhǔn)確知覺,可以使飛行員更加準(zhǔn)確地感知外界環(huán)境、更好地操控航空器,并使其保持在預(yù)定的航路上[8-11]。更加合理的ILS信號(hào)設(shè)計(jì)能夠提高飛行員的情景意識(shí),進(jìn)而提高航空器運(yùn)行安全的整體水平。

在最后進(jìn)近著陸過程中,飛行員通過下滑臺(tái)和航向臺(tái)提供的ILS信號(hào)確定飛機(jī)與標(biāo)稱路徑的相對(duì)位置,使飛機(jī)沿正確方向和高度飛向跑道[12-16]。但是在不同的相對(duì)位置下,由運(yùn)行安全性在水平方向及垂直方向所限定的偏離要求是不同的,并且相對(duì)跑道位置越近,對(duì)偏離的要求越嚴(yán)格。ILS將實(shí)際情況下滑角與航向角和標(biāo)稱軌跡之間的角度偏移量做線性變換,并將其以均勻分布的刻度形式顯示在主飛行顯示器(primary flight display, PFD)中,以供飛行員修正飛機(jī)下滑軌跡[17-19]。在空客A320客機(jī)的PFD中,航向道刻度上的一個(gè)點(diǎn)代表0.8°的偏離,下滑道刻度上的一個(gè)點(diǎn)代表0.4°的偏離[20-21]。然而,實(shí)際的軌跡安全性與距標(biāo)稱點(diǎn)的距離有關(guān),故隨角度偏移呈非線性關(guān)系。目前,刻度呈均勻變化的ILS信號(hào)不能反映實(shí)際的安全性變化,飛行員缺乏對(duì)不同位置下儀表著陸信號(hào)安全性變化的視覺刺激。為了在特殊情況或飛機(jī)達(dá)到性能邊緣時(shí),飛行員也能夠更快地意識(shí)到距離安全邊界的偏差范圍并及時(shí)做出修正,需要對(duì)最后進(jìn)近著陸過程的動(dòng)態(tài)軌跡安全范圍進(jìn)行研究,并將其作為飛行員輔助決策判斷的依據(jù)進(jìn)行可視化。

將最后進(jìn)近著陸過程的動(dòng)態(tài)安全性量化為信號(hào)刻度偏移并進(jìn)行可視化顯示,能給飛行員提供更加明確的決策參考。在具備更充分的機(jī)動(dòng)操作條件時(shí),顯示修正軌跡的余度,提高飛行員在不同位置下對(duì)儀表著陸信號(hào)的安全范圍感知度,有利于保證進(jìn)近著陸過程的軌跡精確性和運(yùn)行安全的穩(wěn)定性,使飛行員在觀察軌跡偏移角度信號(hào)的同時(shí),還能夠感知到進(jìn)近著陸過程中的即時(shí)安全性變化,并通過所獲得的實(shí)時(shí)信息對(duì)飛行狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè),對(duì)提升進(jìn)近著陸階段的安全性而言有重要的研究意義與價(jià)值。

目前,針對(duì)飛機(jī)進(jìn)近著陸階段安全性量化方法的研究主要集中于概率模型構(gòu)建和層次分析方法,部分學(xué)者從這些角度展開了較多的研究工作。Thiel等[22]基于精密進(jìn)近航段截面航跡偏差概率密度函數(shù)建立了機(jī)場(chǎng)安全性評(píng)估模型。李娜等[23]基于統(tǒng)計(jì)建模方法建立了碰撞風(fēng)險(xiǎn)模型,結(jié)果表明進(jìn)近著陸過程的航跡偏差呈橢圓狀分布。陳農(nóng)田等[24]基于層次任務(wù)分析(hierarchical task analysis, HTA)方法對(duì)進(jìn)近著陸階段的操縱任務(wù)展開分析,為實(shí)施飛行員進(jìn)近著陸操縱行為風(fēng)險(xiǎn)分析奠定了基礎(chǔ)。王晴昊等[25]基于系統(tǒng)理論過程分析(system theoretic process analysis, STPA)方法對(duì)民用客機(jī)進(jìn)近著陸階段的高度、速度、下滑角等不安全控制行為(unsafe control actions, UCA)進(jìn)行了詳細(xì)的安全性分析。魯志東等[26]使用隨機(jī)模擬和相關(guān)性分析方法,建立典型大型民機(jī)飛行數(shù)值仿真平臺(tái),研究能量狀態(tài)參數(shù)偏離導(dǎo)致進(jìn)近著陸風(fēng)險(xiǎn)的影響規(guī)律,給出了由關(guān)鍵能量參數(shù)確定的能量狀態(tài)安全邊界,為大型民機(jī)進(jìn)近著陸過程的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警提供了方法基礎(chǔ)。安全性可視化方法主要集中于平視顯示器(head up display, HUD)、增強(qiáng)視景系統(tǒng)(enhanced vision system, EVS)等新興技術(shù),HUD技術(shù)[27-30]使飛行員在保持平視的情況下獲取飛機(jī)姿態(tài)、高度等信息;EVS技術(shù)[31-34]能將飛機(jī)外景實(shí)時(shí)圖像疊加在顯示器上,以增強(qiáng)飛行員的情景意識(shí)。然而,概率模型構(gòu)建和層次分析方法偏理論層面,如果能夠?qū)⑵渑c進(jìn)近著陸階段的運(yùn)行安全性結(jié)合起來(lái),將更符合實(shí)際需求、普適性更強(qiáng)。而HUD、EVS安全性可視化僅僅將實(shí)際飛行狀態(tài)與實(shí)景信息進(jìn)行了顯示,缺乏與進(jìn)近著陸安全性的聯(lián)系。

針對(duì)以上現(xiàn)存問題,本文提出基于高斯量化安全性的ILS信號(hào)設(shè)計(jì)方法,該方法考慮了安全性隨儀表刻度偏移的變化率,在進(jìn)行儀表著陸時(shí),通過信號(hào)顯示對(duì)安全性隨角度偏移的變化率進(jìn)行了補(bǔ)償,顯示修正軌跡的裕度,以供飛行員做輔助決策,有利于保證進(jìn)近著陸過程的軌跡精確性和運(yùn)行的安全穩(wěn)定性。

1 最后進(jìn)近過程量化安全性建模

1.1 最后進(jìn)近過程安全范圍分析

在跑道坐標(biāo)系OXYZ下建立如圖1所示的民機(jī)最后進(jìn)近著陸模型。以跑道入口中心點(diǎn)為原點(diǎn)O,以跑道中心線及其延長(zhǎng)線為X軸,入口外為正,入口內(nèi)為負(fù)。在跑道平面內(nèi)Y軸垂直于X軸,按照進(jìn)近方向看,左側(cè)為負(fù),右側(cè)為正。Z軸垂直XOY面向上。飛機(jī)坐標(biāo)為QS(XS,YS,ZS),下滑臺(tái)坐標(biāo)為QB(XB,YB,0),航向臺(tái)坐標(biāo)為QC(XC,0,0)。文中x、y、z和XS、YS、ZS(s表示進(jìn)近著陸過程中的任意點(diǎn))均表示該點(diǎn)在X軸、Y軸、Z軸上的投影。下滑角γ是指下滑面與水平面在垂直平面內(nèi)的夾角,γR為標(biāo)稱下滑角。航向角φ是指航向面與垂直平面在水平面內(nèi)的夾角,φR為標(biāo)稱航向角。

圖1 民機(jī)最后進(jìn)近著陸模型Fig.1 Civil aircraft’s final approach and landing model

如圖2所示,在飛機(jī)的最后進(jìn)近著陸過程中,安全飛行范圍可以近似為一個(gè)以標(biāo)稱軌跡為中心的錐體。從垂直方向截這個(gè)錐體,剖面是一個(gè)橢圓,其中橢圓的長(zhǎng)短半徑分別代表了在這個(gè)位置下,飛機(jī)在運(yùn)行安全限制下的下滑道和航向道方向上的可偏移范圍。定義μi和μj為橢圓的中心,σi和σj用來(lái)描述橢圓長(zhǎng)短半徑。下標(biāo)i和j分別表示下滑道、航向道方向,后文統(tǒng)一。距跑道著陸點(diǎn)距離不同,橢圓的面積隨之變化,因此σi和σj是關(guān)于距跑道入口距離x的函數(shù)。顯然,當(dāng)飛機(jī)位于軌跡中心時(shí)安全性最大,偏離中心角度越大,飛機(jī)的安全性越小,安全性關(guān)于中心呈對(duì)稱分布形式,使用高斯函數(shù)來(lái)描述進(jìn)近著陸過程中關(guān)于角度偏移的安全性恰好能表達(dá)此性質(zhì)。

圖2 最后進(jìn)近著陸階段橫向運(yùn)動(dòng)幾何圖Fig.2 Geometry diagram of lateral motion in the final approach and landing phase

記I和J分別為下滑道和航向道方向上的安全性定量表示,定義高斯安全性函數(shù):

(1)

(2)

當(dāng)飛機(jī)位于標(biāo)稱軌跡點(diǎn)下時(shí)安全性最大,因此分別定義μi和μj為標(biāo)稱下滑角和標(biāo)稱航向角。距離跑道越近,相同角度偏移變化對(duì)應(yīng)的安全性變化越大,將高斯安全性函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差定義為實(shí)際偏離中心的距離。定義σi為橢圓的上下頂點(diǎn){Q1(x),Q2(x)}在Z軸上的投影之差,用來(lái)確定下滑道方向的安全距離范圍。σj為橢圓左右頂點(diǎn){Q3(x),Q4(x)}在Y軸上的投影之差,用來(lái)確定航向道方向上的安全距離范圍。離跑道越近,對(duì)應(yīng)的可偏移距離范圍越小,安全性變化程度越大,因此用偏離中心的距離定義高斯安全性函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差,符合進(jìn)近著陸安全性函數(shù)的性質(zhì)。

為描述I(x,z)和J(x,y)安全性函數(shù),需要逆向求解得出標(biāo)稱軌跡點(diǎn)集合QR(x)與橢圓邊界點(diǎn)集合{Q1(x),Q2(x),Q3(x),Q4(x)},進(jìn)而計(jì)算得出μi、μj、σi、σj。

1.2 最后進(jìn)近過程逆向求解

圖3 最后進(jìn)近著陸階段縱向運(yùn)動(dòng)幾何圖Fig.3 Geometry diagram of longitudinal motion in the final approach and landing phase

QR(x,y,z)=QC(XS,0,(XS-XB)tanγR)

(3)

橢圓剖面上下邊界點(diǎn)坐標(biāo)為

(4)

(5)

同理,可根據(jù)最后進(jìn)近階段橫向運(yùn)動(dòng)幾何圖(見圖2)求解得出橢圓左右邊界點(diǎn)坐標(biāo)Q3(x,y,z)和Q4(x,y,z)。接下來(lái),將計(jì)算得出以橢圓中心及邊界點(diǎn)坐標(biāo)為自變量的μi、μj、σi、σj,進(jìn)而求解高斯量化安全性函數(shù)I(x,z)和J(x,y)。

1.3 進(jìn)近著陸安全性定量描述方法

根據(jù)最后進(jìn)近階段縱向和橫向的安全邊界范圍,可以推導(dǎo)得出進(jìn)近著陸過程中的下滑道和航向道方向上的安全性函數(shù)I和J分別為

(6)

(7)

其中,

(8)

(9)

進(jìn)近著陸過程中的下滑道和航向道方向上的安全性定量表示函數(shù)I和J所有參數(shù)均求解完成,下面將詳細(xì)介紹基于高斯安全性函數(shù)的ILS安全性信號(hào)設(shè)計(jì)。

2 ILS安全性信號(hào)設(shè)計(jì)方法研究

為建立信號(hào)設(shè)計(jì)與安全性之間的關(guān)系,首先對(duì)安全性信號(hào)顯示與安全性變化進(jìn)行相關(guān)性分析。以下滑道偏差信號(hào)為例,定義實(shí)際軌跡偏離標(biāo)稱軌跡的角度為下滑角γ,將下滑角的變化記為dγ;下滑道偏差信號(hào)刻度函數(shù)為li,記li=li(γ),其變化為dli;該下滑角對(duì)應(yīng)的安全性函數(shù)記為si,si=I(γ),其變化為dsi。下滑道方向上的安全性信號(hào)的設(shè)計(jì)的本質(zhì)是通過dli/dγ來(lái)反映dsi/dγ。下滑道偏差信號(hào)的刻度呈均勻變化,即dli/dγ為常數(shù)。而實(shí)際上,下滑道方向上的安全性si關(guān)于下滑角γ呈非線性變化,即dsi/dγ非常數(shù)。因此,dli/dγ和dsi/dγ變化的趨勢(shì)不一致,即刻度均勻變化的下滑角偏差信號(hào)不能反映實(shí)際的下滑道安全性隨角度偏移的變化程度。為了能夠從提高飛行員情景意識(shí)的角度進(jìn)行信號(hào)設(shè)計(jì),進(jìn)而提高最后進(jìn)近階段的安全性,需要使下滑道偏差信號(hào)的刻度變化率與下滑道方向上的安全性變化率保持一致,才能讓飛行員通過觀察下滑道偏差信號(hào)的刻度偏移感知實(shí)際的安全性變化程度。

2.1 下滑道及航向道安全性信號(hào)變化率分析

第2節(jié)對(duì)最后進(jìn)近階段中不同位置下的安全性進(jìn)行了定性分析及定量描述,得出下滑道方向上的安全性函數(shù)si=I(x,γ)與距跑道入口距離x、下滑角γ均有關(guān)。為了求出不同位置下的下滑道安全性函數(shù)的變化率,本文先固定距跑道入口距離x,以進(jìn)行相關(guān)分析,后文將對(duì)不同跑道入口距離x下的下滑道安全性信號(hào)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行討論。

為求解不同下滑角對(duì)應(yīng)的安全性變化,參考式(6),對(duì)下滑道安全性函數(shù)I(x,γ)關(guān)于γ求偏導(dǎo):

(10)

為分析不同下滑角下安全性變化率趨勢(shì),對(duì)下滑道安全性函數(shù)I(x,γ)關(guān)于γ求二階偏導(dǎo),記為m(x):

(11)

因此,下滑道安全性函數(shù)I(x,γ)的拐點(diǎn),即下滑道安全性函數(shù)I(x,γ)關(guān)于γ的二階偏導(dǎo)函數(shù)m(x)的零點(diǎn)為

γ=γR±σi(x)

(12)

由此可知,?I(x,γ)/?γ,即安全性的變化率,在[μi-σi,μi+σi]內(nèi)單調(diào)遞減。第1.1節(jié)將運(yùn)行安全距離范圍定義為高斯函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差σi,因此本文討論的運(yùn)行安全情況下的安全性函數(shù)的定義域?yàn)閇μi-σi,μi+σi]。在定義域內(nèi),安全性的變化率絕對(duì)值|?I(x,γ)/?γ|先減后增,可定義以下形式的下滑道信號(hào)變化率函數(shù)fi(γ):

fi(γ)=ax·exp|γ-γR|

(13)

其中,系數(shù)ax>0,與距跑道入口距離x有關(guān),將在后文中進(jìn)行詳細(xì)介紹。下滑道信號(hào)變化率函數(shù)應(yīng)和安全性變化率函數(shù)的趨勢(shì)保持一致,fi(γ)先減后增,拐點(diǎn)為γ=γR,與安全性變化率函數(shù)dsi/dγ性質(zhì)一致。因此,將下滑道安全性信號(hào)變化率函數(shù)fi(γ)設(shè)置為式(13)的形式,能夠使下滑道安全性信號(hào)的刻度變化與實(shí)際下滑道方向上的安全性變化的趨勢(shì)保持一致。

與下滑道安全性信號(hào)變化率函數(shù)求解的思路一致,可定義航向道安全性信號(hào)變化率函數(shù)fj(φ):

fj(φ)=bx·exp|φ-φR|

(14)

式中:系數(shù)bx>0,是關(guān)于距跑道入口距離x的函數(shù)。

2.2 ILS安全性信號(hào)設(shè)計(jì)

第2.1節(jié)研究了距跑道入口距離x不變時(shí),航向道和下滑道方向上的ILS安全性信號(hào)函數(shù)形式。實(shí)際上,在相同角度偏移變化ε下,距離跑道越近,對(duì)應(yīng)的安全性變化程度越小,ILS安全性信號(hào)設(shè)計(jì)應(yīng)體現(xiàn)出這一性質(zhì)。

根據(jù)相應(yīng)性質(zhì),定義下滑道和航向道方向上的安全性信號(hào)變化率函數(shù)fi(x,γ)和fj(x,φ)為

fi(x,γ)=ki·x·exp|γ-γR|

(15)

fj(x,φ)=kj·x·exp|φ-φR|

(16)

式中:ki,kj分別為下滑道和航向道刻度相關(guān)系數(shù),均與具體情況中飛行主顯示器PFD的顯示尺寸有關(guān)。

本節(jié)設(shè)計(jì)的下滑道和航向道方向上的安全性信號(hào),在保留原先ILS信號(hào)對(duì)下滑角度偏差信息和航向角度偏差信息的顯示的基礎(chǔ)上,通過不同的刻度變化率設(shè)置,將不同時(shí)刻的下滑道方向和航向道方向上的安全性信息體現(xiàn)出來(lái),以輔助飛行員做出決策判斷。

如圖4所示,下滑道方向上的安全性信號(hào)顯示在飛行主顯示器PFD右側(cè),航向道方向上的安全性信號(hào)顯示在PFD下方。每個(gè)刻度表示同等變化的下滑角Δγ和航向角Δφ,刻度變化率表示下滑道和航向道方向上的安全性的變化趨勢(shì),中間較長(zhǎng)的刻度代表標(biāo)稱下滑角和標(biāo)稱航向角,圖4僅畫出了5條刻度,以示意刻度與變化率之間的關(guān)系。以下滑道安全性信號(hào)為例,下滑角越大、單位下滑角偏移對(duì)應(yīng)的刻度變化率越大,這與下滑角越大、單位下滑角偏移對(duì)應(yīng)的最后進(jìn)近過程飛機(jī)的安全性變化程度越大的性質(zhì)相一致。

圖4 ILS安全性信號(hào)設(shè)計(jì)圖Fig.4 Design diagram of ILS signal for safety

ILS安全性信號(hào)將實(shí)際安全性的變化趨勢(shì)體現(xiàn)在視覺上的刻度變化上,使飛行員能夠在觀察下滑角和航向角偏差信息的同時(shí),感知到實(shí)際安全性的大小,進(jìn)而調(diào)整飛行操作。ILS安全性信號(hào)擬從提高飛行員的情景意識(shí)的角度,提高進(jìn)近著陸過程的安全性。

3 民機(jī)ILS安全性信號(hào)驗(yàn)證

為驗(yàn)證加入本文設(shè)計(jì)的ILS安全性信號(hào)后對(duì)于進(jìn)近著陸過程的安全性的影響,本文首先建立了面向ILS安全性信號(hào)的飛行員認(rèn)知模型,產(chǎn)生飛機(jī)操縱狀態(tài)信號(hào),與飛控系統(tǒng)共同對(duì)飛機(jī)姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整,進(jìn)行民機(jī)最后進(jìn)近著陸場(chǎng)景仿真實(shí)驗(yàn)。同時(shí),建立了面向安全性的適航評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),對(duì)民機(jī)最后進(jìn)近著陸場(chǎng)景進(jìn)行安全性評(píng)估與分析,實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)框圖如圖5所示。

圖5 民機(jī)最后進(jìn)近著陸仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)框圖Fig.5 Block diagram of simulation experiment design during final approach and landing for civil aircraft

3.1 飛行員認(rèn)知系統(tǒng)建模

將飛行員認(rèn)知過程分解為感知與決策控制兩個(gè)過程,如圖6所示。將信號(hào)作為飛行員認(rèn)知過程的視覺輸入,對(duì)飛行員視覺感知與決策過程進(jìn)行建模,輸出控制信號(hào)流對(duì)飛機(jī)姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整。基于第2節(jié)設(shè)計(jì)的基于高斯量化的ILS安全性信號(hào),本節(jié)對(duì)進(jìn)近著陸過程中的飛行員認(rèn)知過程進(jìn)行建模,為后文進(jìn)近著陸安全性分析提供模型仿真基礎(chǔ)。

圖6 飛行員認(rèn)知模型Fig.6 Pilot cognitive model

3.1.1 飛行員感知模塊設(shè)計(jì)

飛行員的感知過程是指飛行員對(duì)外界信息的注意、覺察、感覺、知覺等的一系列過程[35]。在飛行員對(duì)飛行參數(shù)相關(guān)信息的感知過程中,會(huì)產(chǎn)生反應(yīng)時(shí)間(reaction-time, RT)和觀測(cè)誤差(observation-error, OE)兩個(gè)主要影響因素。其中,RT是指飛行員對(duì)于感知到的信息產(chǎn)生反應(yīng)所需的時(shí)間,OE是指由儀表校驗(yàn)誤差導(dǎo)致飛行員在觀測(cè)時(shí)產(chǎn)生的誤差[36]。PFD作為數(shù)字航空電子設(shè)備,飛行員對(duì)其的OE影響值很小,因此本文主要探究飛行員對(duì)于現(xiàn)階段顯示在飛行主顯示器PFD中的ILS信號(hào)與本文研究的ILS安全性信號(hào)的RT的影響。

本文使用串行自終止搜索(serial self-terminating search, SSTS)模型[37]對(duì)飛行員對(duì)儀表的RT進(jìn)行建模。在此模型中,定義變量τRT為飛行員在感知階段獲取信息的RT。飛行員搜索n個(gè)儀表的RT值τRT與n成正比:

(17)

式中:ap為信息反應(yīng)過程中的固有時(shí)間;bm為單個(gè)儀表信號(hào)的RT。由于不同儀表信號(hào)的尺寸、面積大小等影響飛行員感知的因素往往不同,因此bi會(huì)隨著儀器的不同而變化?；赟STS模型,分別對(duì)目前的ILS信號(hào)和本文設(shè)計(jì)的ILS安全性信號(hào)進(jìn)行建模。

(1) 飛行員對(duì)目前的ILS信號(hào)的感知模型

目前的ILS信號(hào)為下滑角度偏差信號(hào)和航向角度偏差信號(hào),因此在式(17)中取n=2。在真實(shí)飛機(jī)設(shè)計(jì)中,下滑角度偏差信號(hào)與航向角度偏差信號(hào)在飛行主顯示器PFD中顯示的尺寸和面積大小相同,飛行員對(duì)這兩個(gè)信號(hào)的RT相同,令b1=b2=b0。因此,飛行員關(guān)于ILS信號(hào)的RT基礎(chǔ)表達(dá)式為

τRT=ap+2b0

(18)

目前的ILS信號(hào)僅體現(xiàn)出了飛機(jī)在下滑道方向上和航向道方向上距離真實(shí)軌跡距離標(biāo)稱軌跡的偏差信息,從而進(jìn)行決策控制,操縱飛機(jī)對(duì)其軌跡進(jìn)行修正?？梢詫⑵涑橄鬄橐曈X感知刻度變化引起飛行員的情景意識(shí)?？潭茸兓酱?引起情景意識(shí)所需的時(shí)間就越少,因此延遲時(shí)間與刻度變化成反比,即可令b0=1/k0。對(duì)于目前的ILS信號(hào),單個(gè)儀表信號(hào)的b0與下滑角度偏差信號(hào)的變化率函數(shù)fi0以及航向角度偏差信號(hào)的變化率函數(shù)fj0的關(guān)系為

(19)

由于飛行員關(guān)于目前的ILS信號(hào)中下滑角度偏差信號(hào)和航向角度偏差信號(hào)的RT值b1=b2=b0,基于式(19),得出飛行員對(duì)于目前飛行主顯示器PFD中的下滑角度偏差信號(hào)的感知時(shí)延τRT_i0和航向角度偏差信號(hào)的感知時(shí)延τRT_j0為

(20)

飛行員的實(shí)時(shí)感知ILS角度關(guān)于目前的飛行主顯示器PFD輸出的實(shí)際ILS角度的傳遞函數(shù)為

G0(s)=e-τRTi0·s=e-τRTj0·s

(21)

(2) 飛行員對(duì)ILS安全性信號(hào)的感知模型

本文設(shè)計(jì)的ILS安全性信號(hào),通過與下滑道、航向道方向上的安全性變化率趨勢(shì)一致的刻度變化率設(shè)置方法,在保留原先ILS信號(hào)對(duì)下滑角度偏差信息和航向角度偏差信息顯示的基礎(chǔ)上,將不同時(shí)刻的下滑道方向和航向道方向的安全性信息體現(xiàn)出來(lái),使飛行員能夠通過觀察下滑角度和航向角度偏差信號(hào)的刻度偏移感知到相應(yīng)方向上的實(shí)際安全性的變化程度。

基于計(jì)算得出的下滑道安全性信號(hào)的RT函數(shù)表達(dá)式,將SSTS算法修改為適應(yīng)下滑道安全性信號(hào)的感知模型:

(22)

同理,將飛行員對(duì)航向道安全性信號(hào)的SSTS感知模型修正為

(23)

選取上海浦東機(jī)場(chǎng)34 L跑道為例進(jìn)行演算,進(jìn)行具體ILS安全性信號(hào)設(shè)計(jì)。查閱CAAC發(fā)布的相關(guān)資料,將34 L跑道的具體參數(shù)代入,得出航向道和下滑道安全性信號(hào)變化率模型fi(x,γ)與fj(x,φ)。

根據(jù)改進(jìn)SSTS飛行員感知模型,可以寫出飛行員的實(shí)時(shí)感知下滑角γper關(guān)于飛行主顯示器PFD輸出的實(shí)際下滑角γ的傳遞函數(shù)Gi(s)以及飛行員實(shí)時(shí)感知航向角φper關(guān)于實(shí)際航向角φ的傳遞函數(shù)Gj(s),具體形式為

Gi(s)=e-τRTi·s

(24)

Gj(s)=e-τRTj·s

(25)

3.1.2 飛行員決策控制過程建模

以升降舵偏角δe為例,進(jìn)行飛行員決策控制模塊相關(guān)分析。飛行員根據(jù)實(shí)時(shí)感知下滑角γper與期望下滑角γc,對(duì)升降舵進(jìn)行控制:

(26)

實(shí)際的升降舵輸出會(huì)受到飛行員神經(jīng)肌肉動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的影響,根據(jù)已有的研究[38],人的肌肉動(dòng)作在控制系統(tǒng)中可以用簡(jiǎn)單的一階慣性環(huán)節(jié)進(jìn)行模擬:

(27)

式中:τ為時(shí)間常數(shù),反映飛行員通過肌肉動(dòng)作執(zhí)行所需要的固定時(shí)間長(zhǎng)度。

3.2 民機(jī)最后進(jìn)近著陸場(chǎng)景仿真實(shí)驗(yàn)

基于前文搭建的民機(jī)進(jìn)近著陸場(chǎng)景,本文進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)字化構(gòu)造性仿真實(shí)驗(yàn)。在仿真過程中,初始設(shè)置飛機(jī)已完成五邊進(jìn)近,對(duì)從最后進(jìn)近航段至完成著陸的最后進(jìn)近著陸過程進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。為探究加入ILS安全性信號(hào)的改進(jìn)儀表設(shè)計(jì)對(duì)進(jìn)近著陸安全性的影響,本文將進(jìn)近著陸仿真設(shè)置為4組對(duì)照實(shí)驗(yàn)。根據(jù)是否在可視化儀表中加入ILS安全性信號(hào)以及最后進(jìn)近階段最后進(jìn)近點(diǎn)(final approach fix, FAF)的ILS角度偏差的不同設(shè)置,探究在最后進(jìn)近著陸階段中,ILS安全性信號(hào)對(duì)飛行安全的影響。4組對(duì)照實(shí)驗(yàn)的設(shè)置方法如表1所示。

表1 對(duì)照實(shí)驗(yàn)設(shè)置Table 1 Control experiment setting

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

每組進(jìn)近著陸仿真實(shí)驗(yàn)分別進(jìn)行500次,對(duì)進(jìn)近著陸實(shí)驗(yàn)相關(guān)航跡信息進(jìn)行記錄。從每組實(shí)驗(yàn)中選取500次飛行軌跡曲線的中線, 并繪制所選取中線的三維軌跡圖,如圖7所示。其中,OXYZ為以跑道入口中心點(diǎn)為原點(diǎn)O的跑道坐標(biāo)系。

圖7 飛行軌跡中線三維視圖Fig.7 Three-dimensional view of the flight trajectory’s midline

為對(duì)2 000次民機(jī)進(jìn)近著陸實(shí)驗(yàn)中的著陸點(diǎn)安全性進(jìn)行分析,首先要對(duì)相關(guān)適航條款建立面向安全性的符合性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。進(jìn)近著陸階段的適航標(biāo)準(zhǔn)主要參考?xì)W洲航空安全局(European Aviation Safety Agency, EASA)發(fā)布的全天候運(yùn)營(yíng)的認(rèn)證規(guī)范(certification specifications for all weather operations,CS-AWO)中的相關(guān)規(guī)定,通過梳理得到的相關(guān)要求如表2所示。

表2 CS-AWO規(guī)定的著陸階段限制要求Table 2 Landing stage limitation requirements specified by CS-AWO

結(jié)合上海浦東機(jī)場(chǎng)34 L跑道相關(guān)參數(shù)與表2梳理得到的適航標(biāo)準(zhǔn),飛機(jī)在進(jìn)近著陸過程中,最終著陸接地位置需落在如圖8所示的指定區(qū)域范圍內(nèi)。以跑道入口為原點(diǎn),沿跑道中心線方向的可著陸區(qū)域?yàn)閇60 m,823 m],垂直于跑道中心線的可著陸區(qū)域?yàn)閇-21 m,21 m]。

圖8 上海浦東機(jī)場(chǎng)34 L跑道著陸接地點(diǎn)區(qū)域圖Fig.8 Area map of landing touchdown points for runway 34L at Shanghai Pudong Airport

在跑道坐標(biāo)系的XOY面中,定義飛機(jī)著陸點(diǎn)的坐標(biāo)為(xa,ya),可將著陸區(qū)域劃分如下:

(1) 將xa∈[-823,-60],ya∈[-21,21]的區(qū)域定義為Ⅰ級(jí)安全區(qū)域,為相對(duì)最安全的著陸區(qū)域;

(2) 將xa∈[-3 800,0],ya∈[-60,60]范圍內(nèi)的非Ⅰ級(jí)安全區(qū)域定義為Ⅱ級(jí)安全區(qū)域,該區(qū)域包含跑道范圍內(nèi)的偏離、提前著陸以及滯后著陸,對(duì)應(yīng)飛行員操作為人為緊急著陸或復(fù)飛;

(3) 將XOY面中非Ⅰ/Ⅱ級(jí)安全區(qū)域定義為不安全區(qū)域,為飛機(jī)異常著陸事故發(fā)生區(qū)域。

根據(jù)2 000次仿真對(duì)照實(shí)驗(yàn),統(tǒng)計(jì)其在以上3個(gè)區(qū)域的概率分布情況,相關(guān)數(shù)據(jù)如表3所示。從表3中的數(shù)據(jù)可以看出,在以較小ILS偏角進(jìn)近著陸過程中,在可視化儀表中加入ILS安全性信號(hào)相比目前刻度均勻變化的ILS信號(hào),著陸點(diǎn)落在Ⅰ級(jí)安全區(qū)域的概率從85.98%提升到了89.27%,落在發(fā)生飛行事故的不安全區(qū)域的概率從2.75%降為1.82%;將Ⅰ級(jí)和Ⅱ級(jí)安全區(qū)域統(tǒng)稱為安全區(qū)域,則ILS安全性信號(hào)在以較小ILS偏角進(jìn)近中將安全著陸的概率從97.25%提高到了98.18%。

表3 著陸點(diǎn)概率分布Table 3 Probability distribution of landing points %

在以較大ILS偏角進(jìn)近著陸中,相比目前刻度均勻變化的ILS信號(hào),在可視化儀表中加入ILS安全性信號(hào),使著陸點(diǎn)落在Ⅰ級(jí)安全區(qū)域的概率從70.32%提升到了77.25%,著陸點(diǎn)落在不安全區(qū)域的概率從11.04%降為8.23%;ILS安全性信號(hào)在以較大ILS偏角進(jìn)近著陸中將安全著陸的概率從88.96%提高到了91.77%。

因此,無(wú)論以大小偏角進(jìn)近,在可視化儀表中加入ILS安全性信號(hào)均提高了安全著陸的概率,尤其在進(jìn)近偏角大的情況下,安全性提升效果更加明顯。由此可見,在進(jìn)近著陸過程中,將安全性可視化為ILS安全性信號(hào),能通過提升飛行員對(duì)真實(shí)安全范圍的情景意識(shí),進(jìn)而提高安全著陸的概率。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)均勻分布的儀表著陸信號(hào)無(wú)法反映真實(shí)安全性變化的問題,本文提出一種基于高斯量化的ILS安全性的信號(hào)設(shè)計(jì)方法,研究了基于高斯量化的民機(jī)最終進(jìn)近過程的安全性模型,并利用逆向求解方法確定安全范圍?；谠撃Ｐ驮O(shè)計(jì)了ILS安全信號(hào)模型,實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)安全性量化顯示。最后,搭建了面向ILS安全性儀表設(shè)計(jì)系統(tǒng)的飛行員認(rèn)知模型,并結(jié)合民機(jī)系統(tǒng)模型進(jìn)行了數(shù)字化結(jié)構(gòu)性仿真實(shí)驗(yàn)。仿真結(jié)果表明,本文設(shè)計(jì)的ILS 安全性信號(hào)有助于提升進(jìn)近著陸階段的安全性。后續(xù)研究工作將考慮結(jié)合模擬器進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證該安全性信號(hào)設(shè)計(jì)方法與飛行員真實(shí)的響應(yīng)效果之間的關(guān)系。