許衛(wèi)寶

海軍裝備部艦船辦公室，北京100071

0 引 言

艦載機著艦是世界上最危險也是最困難的任務(wù)之一，著艦時艦載機要跟蹤航空母艦的運動，承受海上復(fù)雜氣流環(huán)境的干擾，準(zhǔn)確降落在狹小的航空母艦甲板上完成阻攔著艦。飛行員在操控艦載機著艦時稍有不當(dāng)，就會引起著艦事故。為了確保著艦安全性，要求每一位艦載機飛行員都必須擁有嫻熟的著艦技能。飛行員著艦評估在艦載機飛行員訓(xùn)練中具有非常重要的意義，它可為飛行員著艦訓(xùn)練提供反饋，是提高飛行員著艦技能的有效途徑［1-3］。國外的飛行員著艦評估雖然已經(jīng)開展很多年，但多數(shù)是運用人工評價的方法，且采用的是單項指標(biāo)評估方法，并沒有綜合各項指標(biāo)給出飛行員綜合技能評分［4-7］。目前，國內(nèi)還未見針對于著艦過程的飛行員評估研究，本文將分析艦載機著艦過程的特點，建立著艦評估指標(biāo)體系，采用多層次模糊綜合評價的方法，對飛行員的綜合著艦技能進行評估。

1 艦載機著艦的評估指標(biāo)

著艦的最終表現(xiàn)由著艦過程中每個時刻的飛行表現(xiàn)綜合決定。通常，艦載機距離理想著艦點越近，飛行狀態(tài)對最終阻攔著艦表現(xiàn)影響越大。如圖1所示，根據(jù)對最終著艦過程影響的大小，距離理想著艦點由遠及近，將著艦過程分為如下幾個階段。

圖1 著艦階段劃分Fig.1 Phase division of carrier landing

開始階段：開始階段簡稱為X 階段，它包含艦載機由轉(zhuǎn)彎進場到距離理想著艦點1 524 m 的范圍。在這一階段艦載機若偏離理想狀態(tài)，后續(xù)還有足夠的時間進行調(diào)整，因此這一階段對最終阻攔著艦的影響并不是很大。

中間階段：中間階段簡稱為IM 階段，包含距離理想著艦點1 219～1 524 m 的范圍。中間階段是艦載機進入下滑道飛行的穩(wěn)定階段。因中間階段是開始階段的延續(xù)，所以對最終阻攔著艦的影響較小。

接近階段：簡稱為IC 階段，包含距離理想著艦點609～1 219 m 的范圍。與前兩個階段相比，接近階段較長，是飛行狀態(tài)小幅度調(diào)整的階段。接近階段是最終阻攔著艦表現(xiàn)的主要影響階段，因為艦載機在后續(xù)階段中幾乎沒有足夠的時間進行調(diào)整，其調(diào)整效果直接決定了艦載機的落點精度。所以與前兩個階段相比，接近階段對最終阻攔著艦的影響較大。

決斷階段：簡稱為AR 階段，包含距離理想著艦點183～609 m 的范圍。決斷階段是復(fù)飛決策階段，這個階段已經(jīng)距離理想著艦點很近，此時若出現(xiàn)較大的飛行狀態(tài)偏差已沒有足夠的時間完成調(diào)整過程，因此，當(dāng)決斷階段的飛行偏差過大時，飛行員只能拉桿使艦載機復(fù)飛，否則艦載機將以較大的落點偏差著艦而不能鉤掛阻攔索，進而沖出短距離降落跑道，發(fā)生事故。決斷階段的飛行表現(xiàn)關(guān)乎完成阻攔著艦安全性，是阻攔著艦過程的關(guān)鍵階段。

著艦階段：著艦階段是阻攔著艦的最后階段，包含距離理想著艦點183 m 至理想著艦點的范圍。在著艦階段，艦載機尾鉤將著艦，艦載機能否掛上阻攔索就發(fā)生在這個階段，著艦階段的飛行表現(xiàn)直接體現(xiàn)了阻攔著艦的最終表現(xiàn)，因此與前幾個階段相比，著艦階段對阻攔著艦的影響最大。

根據(jù)不同著艦階段對阻攔著艦的影響，確定各階段的評估指標(biāo)如下：

1）開始階段、中間階段和接近階段的評估指標(biāo)。

開始階段、中間階段和接近階段都是下滑道調(diào)整過程，它們對著艦表現(xiàn)具有相同種類的影響，只不過是影響大小不同而已。它們的評估指標(biāo)是：下滑道偏差、速度偏差、航跡角偏差、下沉速度、對中偏差及橫向速度偏差。

2）決斷階段的評估指標(biāo)。

決斷點一般定位在距離理想著艦點183 m 的位置，飛行員和著艦信號官主要根據(jù)艦載機在決斷點的表現(xiàn)判斷艦載機是否滿足安全著艦的條件，是否需要復(fù)飛。艦載機在決斷階段的表現(xiàn)可以通過決斷點的艦載機狀態(tài)來評估，具體評估指標(biāo)如下：決斷點凈高、決斷點下沉速度、決斷點滾轉(zhuǎn)角及決斷點俯仰角。

3）著艦階段的評估指標(biāo)。

一般在著艦階段艦載機飛行員不再做任何調(diào)整，這一階段飛行狀態(tài)的表現(xiàn)僅由艦載機著艦時刻的狀態(tài)表現(xiàn)決定，因此著艦階段的評估指標(biāo)即艦載機尾鉤著艦時刻的評估指標(biāo)，它們是尾鉤著艦時刻的橫向落點偏差、尾鉤著艦時刻的縱向落點偏差、尾鉤著艦時刻的艦載機下沉速度及尾鉤著艦時刻的艦載機滾轉(zhuǎn)角。

2 艦載機著艦的評估方法

2.1 著艦評估指標(biāo)體系的建立和權(quán)重系數(shù)的確定

利用專家打分的形式確定評估指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)。具體方法為：將專家分為3 類，即特級專家、一級專家和二級專家；然后，對專家進行問卷調(diào)查，調(diào)查問卷要求專家根據(jù)評估指標(biāo)的重要程度分別給出1～9 分，最重要的得9 分，最不重要的得1 分；最后，按特級專家評分權(quán)重0.9 分，一級專家評分權(quán)重0.8 分，二級專家評分權(quán)重0.7 分的比重對所有專家的評分進行加權(quán)平均，最終得到每個評估指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)［8］。這里，選取了6 名專家（其中特級專家1 名、一級專家2 名、二級專家3名）進行問卷調(diào)查，確定各評估指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)如圖2 所示。

圖2 指標(biāo)權(quán)重值系數(shù)Fig.2 Weight coefficients of assessment indicators

2.2 單指標(biāo)評估

在單指標(biāo)評價中，評價指標(biāo)分為關(guān)鍵時刻指標(biāo)和過程指標(biāo)兩類，對于不同的指標(biāo)，采用不同的評價方法。

1）關(guān)鍵時刻指標(biāo)。

所謂關(guān)鍵時刻指標(biāo)，是指該類指標(biāo)只取決于某關(guān)鍵時刻的指標(biāo)狀態(tài)值。關(guān)鍵時刻指標(biāo)的評估只需采用一般的隸屬度函數(shù)對其進行評估，在圖2 中，關(guān)鍵時刻指標(biāo)有：二級層次里著艦表現(xiàn)中的最大俯仰角、下沉速度、著艦速度和最大滾轉(zhuǎn)角，決斷點表現(xiàn)中的決斷點凈高、決斷點下沉速度、決斷點滾轉(zhuǎn)角和決斷點俯仰角；三級層次里落點情況中的縱向落點偏差和橫向落點偏差。對于關(guān)鍵時刻指標(biāo)，采用一般的隸屬度函數(shù)對其評價需要選擇合適的隸屬度函數(shù)和參數(shù)。對于參考值為明確量值的指標(biāo)，選擇三角隸屬度函數(shù)，對于參考值為一個區(qū)域范圍的，選擇正態(tài)隸屬度函數(shù)。其中，三角隸屬度函數(shù)表示為

正態(tài)隸屬度函數(shù)表示為

具體的隸屬度函數(shù)選擇及相關(guān)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值如表1 所示。

表1 隸屬度函數(shù)類型及參數(shù)Tab.1 Subordinate functions types and parameters

2）過程指標(biāo)。

所謂過程指標(biāo)，是指該類指標(biāo)值由一個過程內(nèi)各個時刻的指標(biāo)狀態(tài)決定，過程數(shù)據(jù)是一個時間序列，以序列相對標(biāo)準(zhǔn)值的偏離度作為評價依據(jù)對測量值做出評價，其中標(biāo)準(zhǔn)值根據(jù)經(jīng)驗確定。在圖2 中，四級層次中的所有指標(biāo)均是過程指標(biāo)。其評估公式為

2.3 綜合評估

通過關(guān)鍵時刻指標(biāo)和過程指標(biāo)的評價，可以得到需要評價的指標(biāo)在某組數(shù)據(jù)情況下的得分，接下來，便進行綜合評估。

通過權(quán)重值系數(shù)的計算，可以得到每一層次指標(biāo)的權(quán)重值系數(shù)，分別用wi，wij，wijq和wijqp代表第1、第2、第3 和第4 層指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，其中下腳標(biāo) i(i=1，2，3)， j(j=1，2，3，4，5)，q(q=1，2，3，4)，p(p=1，2，3，4)分別代表各層指標(biāo)的層級關(guān)系，如圖3 所示。相應(yīng)地，用具有相同腳標(biāo)的fi，fij，fijq和fijqp代表第1、第2、第3 和第4 層指標(biāo)的評估得分。

每一層次中各因素評估得分則是由其相對應(yīng)的所有下一層次因素的權(quán)重值系數(shù)組成的權(quán)重值系數(shù)向量與它們的評估得分組成的評估得分列向量相乘所得，用相同的方法進行逐層計算，則最后得到的得分便是整個評估模型綜合評估后所得的得分。

圖3 一組數(shù)據(jù)評估得分Fig.3 Algorithm performance rating of a set of the data

三級層次中，各因素的得分為

二級層次中，各因素的得分為

一級層次中，各因素的得分為

整個評估模型的最終評估得分為

綜合上述評估方法，在得到一組著艦數(shù)據(jù)后，便能算出此次著艦的最終評估得分，從而對該著艦過程做出評估。

3 評估方法仿真及驗證

運用飛行員在回路的艦載機模擬系統(tǒng)進行著艦過程仿真，得到了10 組著艦仿真數(shù)據(jù)，將仿真數(shù)據(jù)作為評估數(shù)據(jù)源。

按照上述方法，基于MATLAB 建立飛行員著艦的多層次模糊綜合評價體系。利用評價體系，對10 組數(shù)據(jù)分別進行評分，可以得到10 組數(shù)據(jù)的綜合評分，圖3 給出了其中一組仿真數(shù)據(jù)的評分。同時，專家對此10 組數(shù)據(jù)也進行評分，得到10 組專家的評估結(jié)果如表2 所示。

表2 10 組數(shù)據(jù)的綜合評分及專家評估結(jié)果對比Tab.2 Comparison of algorithm performance rating with expert rating of ten sets of the data

將10 組評估數(shù)據(jù)與10 組專家評估結(jié)果進行對比，并使用THEIL 不等系數(shù)法對兩份數(shù)據(jù)進行分析。THEIL 不等系數(shù)是一種量度兩個序列一致性的指標(biāo)，當(dāng)THEIL 不等系數(shù)接近0 時，表明兩個序列完全一致，反之，當(dāng)不等系數(shù)接近1 時，表明兩個序列完全不一致。對于單輸出序列，THEIL不等系數(shù)定義為［9］：

式中：Pi為10 組數(shù)據(jù)仿真結(jié)果，i=1，2，…，10；實際輸出序列Ai是專家對10 組數(shù)據(jù)的評估得分，i=1，2，…，10。將數(shù)據(jù)代入相應(yīng)的THEIL 公式，計算可得u=0.038 6，因為u 十分接近于0，根據(jù)THEIL 公式，可以認(rèn)為綜合評估得分與專家評估得分的一致度很高。

4 結(jié) 語

艦載機阻攔著艦與一般的著陸過程相比雖然縮短了降落滑跑的距離，但卻提高了對艦載機著艦落點的精度要求，增加了著艦過程的危險性。為了保證艦載機準(zhǔn)確的落在阻攔區(qū)域內(nèi)，安全完成阻攔著艦，要求飛行員必須擁有熟練的阻攔著艦技能，嚴(yán)格控制艦載機在著艦過程中的位置和姿態(tài)。飛行員阻攔著艦評估是為飛行員的阻攔著艦訓(xùn)練提供反饋，提高飛行員阻攔著艦技能的有效途徑。本文建立了飛行員著艦評估體系，基于多層次模糊分析方法實現(xiàn)了飛行員的阻攔著艦評估，經(jīng)驗證，該方法的評估結(jié)果與專家的評估結(jié)果基本一致，可為提高艦載機飛行員的著艦技能提供支撐。

［1］周煜，伍逸夫，趙峰. 航母著艦引導(dǎo)系統(tǒng)概述［J］. 艦船電子工程，2011，31（11）：22-24，36.ZHOU Yu，WU Yifu，ZHAO Feng. Review on the land?ing vectoring system of aircraft carrier［J］. Ship Elec?tronic Engineering，2011，31（11）：22-24，36.

［2］馬世強. 艦載機降落技術(shù)探討［J］. 艦載武器，2007（11）：70-77.MA Shiqiang. Shipborne aircraft landing technique and it’s future development［J］. Shipborne Weapons，2007（11）：70-77.

［3］田瑾，趙廷弟. 艦載機著艦安全的多維狀態(tài)空間分析［J］. 北京航空航天大學(xué)學(xué)報，2011，37（2）：155-160.TIAN Jin，ZHAO Tingdi. Multi-dimensional state space model to aircraft-deck landing safety［J］. Jour?nal of Beijing University of Aeronautics and Astronau?tics，2011，37（2）：155-160.

［4］MENELLO R S. AESA/automatic carrier landing sys?tem compatibility testing［C］//40th Annual Internation?al Symposium of the Society of Flight Test Engineers 2009. United States：Society of Flight Test Engineers，2010：159-174.

［5］COUTARD L，CHAUMETTE F，PFLIMLIN J. Auto?matic landing on aircraft carrier by visual servoing［C］// IEEE International Conference on Intelligent Ro?bots and Systems. United States：Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc.，2011：2843-2848.

［6］URNES J M，HESS R K. Development of the F/A-18A automatic carrier landing system［J］. Journal of Guid?ance，Control，and Dynamics，1985，8（3）：289-295.

［7］CRASSIDIS J L，MOOK D J，MCGRATH J M. Auto?matic carrier landing system utilizing aircraft sensors［J］. Journal of Guidance，Control，and Dynamics，1993，16（5）：916-921.

［8］林以軍，王鳴歌，范萬崗，等.基于模糊評判法的飛行模擬器逼真度評估［J］. 科學(xué)技術(shù)與工程，2008，8（2）：543-546.LIN Yijun，WANG Mingge，F(xiàn)AN Wangang，et al.Flight simulator fidelity evaluation based on fuzzy eval?uation［J］. Science Technology and Engineering，2008，8（2）：543-546.

［9］董居中. THEIL 不等系數(shù)法在水下自航器仿真模型驗證中的應(yīng)用［J］.計算機仿真，1998，15（2）：51-53.DONG Juzhong. The application of Theil’s inequality coefficients method in the confirmation of the underwa?ter vehicle simulation model［J］. Computer Simulation，1998，15（2）：51-53.