楊 凡，田杰榮，劉 敏

（海軍航空大學(xué)，山東，煙臺(tái) 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(jī)在著艦過(guò)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(gè)空間有限、時(shí)刻運(yùn)動(dòng)的甲板上，著艦的難度和風(fēng)險(xiǎn)大大增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，著艦階段只占整個(gè)飛行過(guò)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(jī)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(jī)飛行員著艦甲板的能見(jiàn)度，是制約艦載機(jī)目視著艦訓(xùn)練安全性的關(guān)鍵因素。

目前，艦載機(jī)著艦過(guò)程中，海上能見(jiàn)度的測(cè)量通常有目視和能見(jiàn)度儀2 種觀測(cè)手段。其中：目視測(cè)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(cè)距離有限；能見(jiàn)度儀一般用于水平能見(jiàn)度的觀測(cè)，測(cè)量范圍有限，無(wú)法滿足著艦過(guò)程中的大范圍遠(yuǎn)距離觀測(cè)要求。而在實(shí)際著艦過(guò)程中，目視艦面或著艦點(diǎn)的視場(chǎng)范圍是由上至下傾斜的，對(duì)應(yīng)的是斜程能見(jiàn)度，傳統(tǒng)的用水平能見(jiàn)度來(lái)評(píng)估著艦?zāi)芤?jiàn)度條件的方法并不準(zhǔn)確。而激光雷達(dá)體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、測(cè)量精度高，且可自由改變探測(cè)角度，可實(shí)現(xiàn)多仰角探測(cè)[3]，是直接探測(cè)斜程能見(jiàn)度的最佳選擇。

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，惡劣天氣條件下的作戰(zhàn)能力往往決定著最終誰(shuí)來(lái)掌握海上戰(zhàn)場(chǎng)的主動(dòng)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(jiàn)度下的艦載機(jī)目視著艦任務(wù)給飛行員和指揮員帶來(lái)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(píng)估海上霧霾天氣下艦載機(jī)目視著艦的風(fēng)險(xiǎn)成為新難題。在此背景下，海上霧霾天氣下基于能見(jiàn)度的艦載機(jī)目視著艦風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法的研究，對(duì)艦載機(jī)目視著艦訓(xùn)練具有重要實(shí)踐指導(dǎo)意義。

1 斜程能見(jiàn)度測(cè)量方法

1.1 能見(jiàn)度測(cè)量原理

水平能見(jiàn)度測(cè)量的前提條件是在陽(yáng)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(jiàn)度定義為輻射在傳輸過(guò)程中衰減為光源的視覺(jué)反應(yīng)閾值時(shí)對(duì)應(yīng)的傳播距離：

式（1）中：V為能見(jiàn)度；η為視覺(jué)反應(yīng)閾值，是人眼將目標(biāo)從背景中區(qū)別出來(lái)的最小亮度對(duì)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(duì)波長(zhǎng)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(cè)量方法

激光雷達(dá)接收到的探測(cè)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(cè)距離( m )；P(R)為激光雷達(dá)接收到的信號(hào)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(jī)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(guò) 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(hào)的信噪比限制；Sa氣溶膠的消光-后向散射比，對(duì)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(hào)，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▉?lái)反演正確的消光值[11]。

艦載機(jī)在著艦過(guò)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?jiàn)度是斜程能見(jiàn)度，不能完全套用水平能見(jiàn)度的測(cè)量方法。激光雷達(dá)是通過(guò)給定波長(zhǎng)的激光以一定的角度向大氣發(fā)射，經(jīng)過(guò)大氣散射，接收機(jī)接收到后向散射信號(hào)，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(jiàn)度。因此，可以用激光雷達(dá)來(lái)測(cè)量后向散射信號(hào)。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(diǎn)消光系數(shù)的平均值，即對(duì)應(yīng)的能見(jiàn)度為斜程路徑的平均能見(jiàn)度。

2 基于能見(jiàn)度的目視著艦風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法

2.1 評(píng)估方法思路

本研究基于能見(jiàn)度的目視著艦風(fēng)險(xiǎn)，是指飛行員在著艦過(guò)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(jué)反應(yīng)閾值為判定標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)場(chǎng)階段重點(diǎn)判斷能否看清航母，下滑著艦階段重點(diǎn)判斷能夠看清著艦跑道。本文重點(diǎn)研究艦載機(jī)在進(jìn)近著艦Ⅲ類模式下的目視著艦風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法。評(píng)估方法以斜程能見(jiàn)度與斜程距離之間的大小關(guān)系為基礎(chǔ)，按照“由點(diǎn)到線、遠(yuǎn)近加權(quán)、逐級(jí)評(píng)估、分級(jí)應(yīng)對(duì)”的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，建立“航段點(diǎn)—航段—著艦子階段—著艦階段”共4級(jí)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系，每個(gè)級(jí)別由遠(yuǎn)及近提高風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估權(quán)重[12]，將上一級(jí)別風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的輸出結(jié)果作為下一級(jí)別風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的輸入條件，以此類推，逐級(jí)開展風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。在著艦子階段和著艦階段這2 個(gè)級(jí)別上，開展風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)顏色預(yù)警，針對(duì)不同的預(yù)警顏色采取相應(yīng)的安全措施。

圖1 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估級(jí)別Fig.1 Risk assessment level

2.2 評(píng)估指標(biāo)依據(jù)

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

1）航段點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)：由于艦載機(jī)著艦過(guò)程中，預(yù)定航線相對(duì)穩(wěn)定，根據(jù)該航段中艦機(jī)傾斜角度的變化范圍，可以確定對(duì)應(yīng)的斜程能見(jiàn)度變化范圍。在傾斜角度范圍內(nèi)取3 到5 個(gè)角度，計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的斜程能見(jiàn)度，用斜程距離與斜程能見(jiàn)度的大小關(guān)系來(lái)判斷該能見(jiàn)度條件是否對(duì)目視著艦安全有影響[15-16]。風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重取值R1=1。若飛行員的斜程能見(jiàn)度大于等于艦機(jī)間斜程距離，則風(fēng)險(xiǎn)樣本數(shù)量X1=0，此時(shí)X1

2）航段風(fēng)險(xiǎn)：根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)航段點(diǎn)的數(shù)量占比來(lái)判定該航段有無(wú)風(fēng)險(xiǎn)。若R2個(gè)及以上航段點(diǎn)有目視著艦風(fēng)險(xiǎn)，則判定步長(zhǎng)0.5 km 的航段有目視著艦風(fēng)險(xiǎn)；否則判定為無(wú)風(fēng)險(xiǎn)。其中，R2是根據(jù)航段與著艦點(diǎn)的遠(yuǎn)近來(lái)設(shè)定的風(fēng)險(xiǎn)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(xiǎn)：根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)航段的數(shù)量占比來(lái)判定該著艦子階段的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)并標(biāo)注風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警顏色。若該著艦子階段的所有航段中，沒(méi)有航段判定為有風(fēng)險(xiǎn)，則該著艦子階段近似判定為無(wú)風(fēng)險(xiǎn)；有小于R31數(shù)量的航段已判定為有風(fēng)險(xiǎn)，則該著艦子階段判定為低風(fēng)險(xiǎn)；有大于等于R31小于R32數(shù)量的航段已判定為有風(fēng)險(xiǎn)，則該著艦子階段判定為中風(fēng)險(xiǎn)；有大于等于R32數(shù)量的航段已判定為有風(fēng)險(xiǎn)，則該著艦子階段判定為高風(fēng)險(xiǎn)。其中，R31、R32是根據(jù)航段與著艦點(diǎn)遠(yuǎn)近來(lái)設(shè)定的風(fēng)險(xiǎn)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(xiǎn)：根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)著艦子階段的數(shù)量占比來(lái)判定該著艦階段的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)并標(biāo)注風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警顏色。若著艦階段中的所有子階段的風(fēng)險(xiǎn)判定中，僅有R41及以上個(gè)低風(fēng)險(xiǎn)、僅有R42及以上個(gè)中風(fēng)險(xiǎn)、僅有R43及以上個(gè)高風(fēng)險(xiǎn)，則該著艦階段的目視著艦風(fēng)險(xiǎn)分別判定為低、中、高風(fēng)險(xiǎn)；否則判定為無(wú)風(fēng)險(xiǎn)。其中，R41、R42、R43是根據(jù)著艦子階段與著艦點(diǎn)遠(yuǎn)近來(lái)設(shè)定的風(fēng)險(xiǎn)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(xiǎn)應(yīng)對(duì)措施

按照“簡(jiǎn)潔高效、方便操作”的原則，針對(duì)著艦階段的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，制定風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)措施[17]。在待機(jī)階段，航空管制中心測(cè)量發(fā)布風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果，在目視著艦飛行過(guò)程中，由著艦指揮官或自動(dòng)控制系統(tǒng)根據(jù)不同著艦階段的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，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(cè)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?jiàn)度的目視著艦風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估流程，如圖2所示。

圖2 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估流程圖Fig.2 Risk assessment flow chart

3 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法仿真結(jié)果及分析

針對(duì)海上斜程能見(jiàn)度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)難以直接大量獲取的難題，項(xiàng)目組采取近似替代的方法，采用煙臺(tái)近海霧霾天氣下激光雷達(dá)的能見(jiàn)度觀測(cè)數(shù)據(jù)，代入風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法用于仿真，對(duì)比當(dāng)前著艦的最低能見(jiàn)度標(biāo)準(zhǔn)，用于驗(yàn)證評(píng)估方法的有效性。

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

圖3 霧天氣下水平能見(jiàn)度1 kmFig.3 Horizontal visibility in foggy weather is 1 km

通過(guò)分析圖3，可以得到以下結(jié)論。

1）斜程能見(jiàn)度隨著艦機(jī)水平距離的減小而降低，這表明觀測(cè)原點(diǎn)模擬的艦面位置在霧中，觀測(cè)原點(diǎn)處V=1的取值代表的是艦面的水平能見(jiàn)度1 km。

2）按照當(dāng)前著艦的能見(jiàn)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(xiǎn)評(píng)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(jiàn)度條件，這幾個(gè)航段無(wú)目視著艦風(fēng)險(xiǎn)，在著艦過(guò)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(guò)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(jiàn)度3 kmFig.4 Horizontal visibility in light fog/haze weather is 3 km

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

2）按照當(dāng)前著艦的能見(jiàn)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(xiǎn)評(píng)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(jiàn)度條件，該航段內(nèi)有明顯的目視著艦風(fēng)險(xiǎn)，即使采取應(yīng)對(duì)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(duì)比圖3、4的分析結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，新的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法相比最低能見(jiàn)度標(biāo)準(zhǔn)，滿足全航段的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估要求，更符合飛行員在目視著艦過(guò)程中的實(shí)際情況。

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

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

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

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

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

通過(guò)分析圖5～8，可以得到以下結(jié)論。

1）評(píng)估方法中的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)、預(yù)警顏色，逐級(jí)呈現(xiàn)、簡(jiǎn)潔直觀、可視性強(qiáng)，便于指揮員掌握使用，也便于系統(tǒng)顯示、自動(dòng)控制，可滿足實(shí)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(duì)著艦階段的整體和局部開展風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，在不同階段采取針對(duì)性的安全措施。在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)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(xiǎn)前置，排除安全隱患；在應(yīng)對(duì)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(guò)利用近海激光雷達(dá)觀測(cè)反演的能見(jiàn)度數(shù)據(jù)，模擬海上霧霾天氣下目視著艦的能見(jiàn)度狀況，提出1種基于能見(jiàn)度的艦載機(jī)目視著艦的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，將“是否安全”這一定性問(wèn)題，轉(zhuǎn)化為斜程能見(jiàn)度判定風(fēng)險(xiǎn)這一定量方法，并通過(guò)仿真驗(yàn)證了評(píng)估方法的有效性。該評(píng)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(jī)目視著艦訓(xùn)練的安全性評(píng)估提供了1種新思路。