目标跟踪任务系统设计与应用_张颖.pdf

第 14 卷 第 1 期2023 年 2 月Vol.14 No.1Feb.2023航空工程进展ADVANCES IN AERONAUTICAL SCIENCE AND ENGINEERING目标跟踪任务系统设计与应用张颖，蒙泽海，饶秋磊，何太（中国飞行试验研究院 飞机所，西安 710089）摘要：人机闭环特性对于完成高精度飞行任务十分关键。为了在试飞配试资源紧缺的条件下有效地检查人机闭环特性，研制可视化目标跟踪任务系统用以模拟空中受油等高精度任务的操纵过程。该系统通过虚拟目标跟踪算法模拟空中受油任务，包括编队预对接对接输油保持脱离整个任务阶段；面向该系统的虚拟受油任务功能，进行新型试飞技术研究，包括试飞方法设计及人机闭环特性评价准则的指标量化。该目标跟踪任务系统已成功应用于某型飞机，并采用新型试飞技术进行演示验证。结果表明：该系统可以在单机飞行时模拟执行空中受油任务，一方面可以有效检查人机闭环特性，另一方面可以有效地训练飞行员执行精确跟踪任务的驾驶技术，达到了优化人机闭环特性试飞方法、降低精确跟踪类任务的试飞风险、节约试飞配试资源的良好效果，所积累的实践经验值得在其他型号上进行推广。关键词：人机闭环特性；目标跟踪任务系统；空中受油；编队；对接中图分类号：V217 文献标识码：ADOI:10.16615/ki.1674-8190.2023.01.11Target tracking mission system design and applicationZHANG Ying，MENG Zehai，RAO Qiulei，HE Tai（Aircraft Flight Test Technology Institute，Chinese Flight Test Establishment，Xi an 710089，China）Abstract：Man-aircraft closed-loop characteristics is very important for the high precision flight mission.In order to check man-aircraft closed-loop characteristics under the condition of shortage of flight test resources，a visual target tracking system is developed to simulate the control process of high-precision tasks such as air-to-air refueling.Through the virtual target algorithm，the system can simulate air-to-air refueling task，including formation，pre-docking，docking，oil transportation and separation.For the virtual air-to-air refueling task function of the system，a new flight test technology is studied，including the flight test method design and the index quantification of man-aircraft closed-loop characteristics evaluation criteria.The target tracking mission system has been successfully applied to a certain aircraft，and successfully demonstrated by using new flight test technology.The flight test results show that the system can realistically simulate the air-to-air refueling task.On the one hand，it can effectively check the man-aircraft closed-loop characteristics，on the other hand，it can effectively train pilots to improve their flying skills of accurate tracking tasks，which has achieved positive effect of optimizing the flight test method，reducing the risks and saving the costs.The accumulated practical experience is worth popularizing in other types of aircraft.Key words：man-aircraft closed-loop characteristics；target tracking mission systems；air-refueling；formation；docking文章编号：1674-8190（2023）01-098-06收稿日期：20220209；修回日期：20220820通信作者：饶秋磊,引用格式：张颖,蒙泽海,饶秋磊,等.目标跟踪任务系统设计与应用J.航空工程进展,2023,14(1):98-103.ZHANG Ying,MENG Zehai,RAO Qiulei,et al.Target tracking mission system design and applicationJ.Advances in Aeronautical Science and Engineering,2023,14(1):98-103.(in Chinese)第 1 期张颖等：目标跟踪任务系统设计与应用0引 言现代飞机的设计与试验过程中，评价一架飞机飞行品质的好坏不仅取决于飞机本身的动力学特性，还取决于飞行员与飞机、操纵系统、飞控系统之间工作分配的合理性。当执行任务时，飞行员首先根据任务要求对当前获得的各种信息（视觉、听觉、触觉、加速度感觉等）进行判断和比较，然后向操纵系统发出指令，操纵系统一方面给飞行员提供操纵感觉反馈信号，另一方面将指令发送给执行机构，从而改变飞行轨迹、姿态、空速等参数，这些变化又通过不同渠道将信息反馈给飞行员，如此不断循环直到完成飞行任务，这样飞行员、操纵系统、飞控系统、飞机在飞行时组成一个闭环回路，即人机闭环系统1。人机闭环特性是评价人机控制系统回路完成飞行任务的精确程度及力学特性的重要技术指标。按照真实任务场景进行闭环品质评价，如密集编队、空中加油、空战跟踪等，需要多机配试，成本高、风险大，因此采用有效的试飞方法或辅助试飞设备，通过单机试飞对人机闭环特性进行评估是目前的主要方式。国外对现代先进飞机评估人机闭环特性的试验方法主要包括三向姿态角截获、随机口头指令跟踪、人为选择舱外目视点进行跟踪，进一步地，可以通过在驾驶舱内安装平视显示器设置虚拟参考标记进行跟踪2。其中，三向姿态角截获、随机口头指令跟踪由于过于简单通常难以深入考核人机闭环特性，而平显虚拟标记可以通过写入不同复杂程度的任务算法来设置跟踪任务的难易程度，因此也更能激发潜在的飞行员飞机系统动态特性。英国在试飞 EF2000 战斗机时，就在平显上增加了模拟目标运动的指示信号来进行人机闭环特性评价3，这种方法的优点在于有利于飞行安全；跟踪的目标信号和飞机响应参数可同步采集记录，便于数据处理与分析4；且目标运动规律既可以随机设置，也可以严格复现，便于对试飞结果进行比较分析5；可以准确地记录反映飞行员操纵力输入特性的数据6；可根据飞行员的特点调节飞行任务的操纵负荷等级；能够节约配试资源，不需要提供目标机、火控雷达等硬件。国内在人机闭环特性试飞领域一直缺乏有效的研究手段与设备。在民用飞机领域人机闭环特性试飞过程中，需要由工程师发出随机口头指令，飞行员通过跟踪口头指令给出主观评分，该方法的缺点是无法同时记录口头指令与操纵响应；而军用飞机试飞则需要提供配试目标机以完成跟踪、截获等任务，尚缺少能通过单机试飞评估人机闭环特性的平显虚拟参考标记研究设备7-10。为了弥补国内在人机闭环特性研究手段上的不足，本文研制可视化目标跟踪任务系统，该系统通过虚拟目标跟踪算法模拟空中受油任务的整个任务阶段，同时面向该系统的虚拟受油任务功能，进行新型试飞技术研究，并进行演示验证。1虚拟目标跟踪算法设计目标跟踪任务系统研制的核心是虚拟目标跟踪算法的设计。为了确保虚拟跟踪任务与真实任务之间的高逼真度和高相似度，设计过程中开发了坐标计算、投影转换、透视除法、视口变换等一系列算法，如图 1所示。（1）坐标计算：根据飞行参数，实时计算飞机与“虚拟目标”之间的相对位置关系11；（2）投影转换：将“虚拟目标”投影到机体坐标系以符合飞行员的观察视角（如图 2所示）；（3）透视除法：设计目标的形状变化规律以模拟“近大远小”的视觉成像机制（如图 2所示）；图 1 目标显示算法流程图Fig.1Schematic diagram of target display algorithm （a）透视投影 （b）正视投影图 2 两种投影下的可视空间Fig.2Visible space of two kinds of projection99第 14 卷航空工程进展（4）视口变换：使屏幕上的像素和变换后的坐标建立对应关系，设置视口的纵横比和可视空间的纵横比相同，防止最终映射到屏幕上的图像发生形变。依据上述设计步骤，虚拟目标的位置与半径计算方法如式（1）式（3）所示：xyz=1000cos sin 0-sin cos cos(-0)0-sin(-0)010sin(-0)0cos(-0)cos(-0)sin(-0)0-sin(-0)cos(-0)0001 xyz（1）x=X0-t0t()Vx0Vx20+Vy20Vx+Vy0Vx20+Vy20Vy-Vx20+Vy20dty=Y0-t0t()Vx0Vx20+Vy20Vy-Vy0Vx20+Vy20Vxdtz=Z0+t0tVhdt（2）r=arctan()H/x2+y2+z2arctan(H/L)R（3）式中：Vx、Vy、Vh分别为 GPS 速度中的北向速度、东向速度、天向速度；、为俯仰、滚转、偏航姿态角；H 为加油锥套的几何高度；L 为加油软管伸出的距离；R为跟踪任务界面中瞄准环的半径；r为任务界面中虚拟目标的半径；x、y、z为虚拟目标在飞机体轴系下的坐标；x、y、z为虚拟目标在飞机初始航迹坐标系下的坐标。为了确保计算结果连续、任务界面连贯，已知任意可积函数的积分一定连续，算法采用 GPS 天向速度积分解算高度，且任务界面不受气流干扰影响，可提高任务的流畅性12。2空中受油任务界面设计受“菲涅尔灯引导着舰”案例的启发，任务界面设计从受油场景中抽象出“加油探头”“受油锥套”等关键要素，用位置矢量表示跟踪误差，引导飞行员操纵飞机使瞄准环与虚拟目标重合来完成跟踪任务13，任务界面如图 3所示。图 3 目标跟踪任务界面Fig.3Target tracking task interface100第 1 期张颖等：目标跟踪任务系统设计与应用任务界面可显示两机相对距离 x、y、z、L以及接近速率 v。x、y、z 分别表示两机的前向、侧向、垂向相对距离，相对距离 L 显示进度条的充满程度，接近速率 v表示两机相对速度；虚拟加油锥套代表目标，用来显示做匀速直线运动的锥套相对于受油机机体系的 yOz平面内的投影，作为被截获跟踪的目标，目标圆点的半径大小根据两机相对距离 L而