摘要
飞机机动动作识别是飞行动作评估、飞行载荷谱编制和飞行模拟等研究的重要基础。针对当前机动动作识别方法受限于现有机动动作划分准则问题,基于时间序列重要点方法提出一种自动的基于水平、铅垂平面下飞行轨迹投影融合的机动动作划分与识别方法。该方法利用二维平面轨迹数据趋势和时间序列聚类提取出飞行数据中的机动片段,进而借助机动动作拼接思想将机动片段组合与细化,并用完整飞机起落数据进行动作划分与识别验证。结果表明:该机动动作划分与识别方法能够在保证划分效率的前提下,提高了飞行动作的识别效率。
近年来,军用飞机使用发生了巨大变化,相对于过去注重安全的“套路化”演习训练,当前军用飞机实际用法转变到了“实战中”的训练使用,其突出特点为:飞行科目以及操作规定的调整,在飞行训练中飞行员根据实际作战情况进行灵活变通,并非完全按照飞行科目飞行。因此,基于轨迹自动识别机动动作的方法就显得十分必
目前国内外机动识别主要有知识库匹配法、模式匹配法、神经网络和趋势识别法
上述研究通过多种方法实现了机动动作的划分识别,但大多数情况下都针对特定机型,且计算成本高,或需要有经验的人士判读大量飞行参数数据,存在局限性。目前人工智能方法识别机动动作技术发展迅速,但人工智能方法需要大量机动数据进行训练,并不能适应多种机型,且从一整次飞行起落数据中准确拆分提取出机动动作数据仍需要较大工作量。因此,在工程中,提出一种能够快速、自动、准确地对多种机型进行机动动作划分并提取的方法尤为重要。
本文提出一种基于二维轨迹和时间序列重要点的飞行机动动作划分与识别方法。首先,给出飞机机动划分与识别的基本流程;然后,基于PLR-PI
机动动作,是指飞行员按照一定规则操控油门杆、脚蹬、方向舵进而控制飞机飞行速度、高度和飞行方向等状态。在此期间飞行记录仪通过一帧一帧的数据将飞机状态参数记录下来, 每个飞行参数数值是相对孤立的点,需要将其看作一个连续的序列进行分析才有意义。飞行动力学中将机动动作分为:铅垂面机动、水平面机动、空间机动三类基本动作。铅垂面机动是指飞机对称面与空间铅垂面重合,且飞行轨迹始终在该铅锤面内的动作;水平面机动是指飞机的飞行轨迹始终位于与海平面平行的某一空间水平面内的运动;空间机动是指飞机同时改变高度和方向的动作,其在水平面上投影是弯曲的而且在空间垂面(高度剖面)上也有变
根据上述思想,本文利用轨迹投影在水平以及铅垂平面的趋势状态,提出一种基于二维轨迹与时间序列重要点的机动动作划分方法,具体步骤如下:
1) 将飞行参数按固定长度分为多段序列,将序列轨迹在水平面上进行投影,利用序列重要点分段线性表示方
2) 将趋势序列在铅垂平面上进行投影,利用PLR-PIP方法对轨迹投影进行分割,识别序列趋势,利用一定的拆分规则对趋势序列进行拆分。
3) 对两个平面投影的趋势状态结果进行叠加,得到基本机动动作。
4) 根据判据划分出飞机起落段的机动动作,对于中间段,可以根据需求添加不同规则,对机动动作进行细化,机动划分与识别流程如

图1 基于二维轨迹和PLR-PIP的机动划分与识别流程图
Fig.1 Flowchart of aircraft maneuver division and recognition method based on 2D flight path and perceptually important point
趋势识别技术是一种从含噪的过程数据中提取趋势信息的技
PLR-PIP方法的基本思想是选出序列中对序列整体形状具有决定性的序列点,而其他决定性较小的点可以忽略掉,选出的点称之为序列感知重要点(PIP)。求解PIP主要是通过计算相邻的2个PIP组成的区域中各序列点到这2个PIP的距离。目前常采用3种距离表示方法:垂直距离(Perpendicular Distance,PD)、铅垂距离(Vertical Distance,VD)、欧几里得距离(Euclidean Distance,ED)。数据点到区间端点和的3种距离计算方法如

图2 三种距离计算方式
Fig.2 Illustration of the three distance computations
(1) |
(2) |
(3) |
对于3种距离,需要计算的次数相同,其中使用垂直距离和铅垂距离拟合出的图形相同,但使用铅垂距离计算量最小,因此本文在分析飞行参数时使用铅垂距离作为度量值。
设有时间序列,重要点序列,首先将序列的首位点加入集合;之后以相邻两点为一个子序列,计算其中的PIP点,加入集合;相邻的两个PIP形成一个子序列,将子序列进行线性插值,计算与相对位置原始序列的均方根误
PLR-PIP方法执行流程如

图3 PLR-PIP方法执行流程
Fig.3 A flowchart of the PLR-PIP method
以某次飞行的高度数据为例,对其进行PLR-PIP计算,设置拟合误差阈值为0.000 1,计算流程演示如

(a) 归一化后高度参数

(b) PIP为3, =0.9

(c) PIP为5, =0.1

(d) PIP为65, =0.000 1
图4 PLR-PIP计算过程
Fig.4 A demonstration of the PLR-PIP calculation progress
将原始飞行参数数据序列分成长度均为的多段序列,设某序列含有个序列点,该序列在水平面坐标系下横坐标,纵坐标。计算出该序列片段的PIP序列,记PIP序列横坐标为,纵坐标,PIP的铅垂距离值,规定距离阈值,当时将序列判定为平直基元,当时将序列判定为弯曲基元。当该序列在铅垂坐标系下时,计算出该序列片段PIP序列的横纵坐标后,计算相邻两PIP的斜率,形成斜率序列,规定斜率阈值,当时,将该区间标记为下降基元;当时,将该区间标记为水平基元;当时,将该区间标记为上升基元。
3个参数的设置对趋势识别精度影响较大,和主要影响趋势转折的识别能力。和越小对趋势转折的识别能力越强,但过小的取值会使趋势识别局限于局部特征,分类数量过多而失去了趋势识别的意义。体现了方法的初始趋势识别片段长度,越大对整体初始片段的局部趋势关注度就越小,受到噪声的影响就较小,但过小的取值会使片段中的重要趋势无法识别。
初始定义时,可能会将一个基本机动片段拆分成多个相邻的趋势相同的趋势序列,因此需要将这些趋势序列合并成为一个趋势序列,合并的序列有可能存在整体趋势改变的情况,如两个平直基元合并到一起有可能变为弯曲基元,此时需要对序列的趋势进行再次识别。重复序列识别、合并这一过程直到无相邻的相同趋势序列即完成趋势序列的合并。
将“水平趋势序列”投影到铅垂平面进行趋势识别时,单个序列中可能存在多个基元,如上升基元—水平基元,此时需要利用PIP检查序列的趋势,如果序列的趋势不一致,则需要将各个基元分割开来,并利用合并的思想检验有无相邻的相同趋势序列,形成的基本机动片段如

(a) 相同趋势合并前

(b) 相同趋势合并后

(c) 异同趋势拆分前

(d) 异同趋势拆分后
图5 趋势序列的拆分与合并
Fig.5 Division and combination of flight maneuvers
以一次起落数据为例,对飞行速度以及姿态角进行积分,复现飞机的运动轨迹,将轨迹投影到水平平面(平面)上,设置趋势识别参数如
参数 | 数值 |
---|---|
24 | |
3 | |
0.000 1 |

图6 水平面趋势识别结果
Fig.6 Horizontal trend identification results
对3.1节中产生的多个水平趋势序列进行铅垂面投影,得到与水平趋势序列相对应的铅垂趋势序列。根据选出铅垂趋势序列的PIP,计算各PIP之间的斜率,对比并判断是否发生基元种类变化的情况,如果有则在变化位置处对序列进行分割,与值设置如
参数 | 数值 |
---|---|
0.3 | |
0.001 |
叠加序列在水平与铅垂面下的趋势状态,根据飞行动力学,可以叠加出6种序列类型,如
水平面趋势 | 铅垂面趋势 | 序列类型 |
---|---|---|
平直 | 平直 | 平飞 |
平直 | 上升 | 爬升 |
平直 | 下降 | 下滑 |
弯曲 | 平直 | 转弯 |
弯曲 | 上升 | 转弯上升 |
弯曲 | 下降 | 转弯下降 |
由于飞机在起飞段与降落段之间的机动动作类型更受到关注,添加以下规则识别起飞与降落段:首先,确定气压高度首次达到最大值并且之后无明显高度上升类动作的时间,定义该时间值为起飞段与中间机动飞行段的分离点;其次,确定气压高度从某时刻开始做下降类动作,且之后无明显高度上升类动作,定义该时刻为着陆段与中间机动飞行段的分离点。利用气压高度值可以将起飞段与着陆段进一步划分出地面滑跑段,划分结果如

图7 简单机动动作与任务段划分
Fig.7 Flight maneuver and mission section division
在3.3节中得到了此次飞行的机动动作划分结果,在此基础之上可以根据不同的需求设置细分准则。根据飞行训练大纲以及飞行模式,利用片段内速度、航向角、滚转角等飞行参数的变化模式,本文总结14种细分准则作为参考,如
基本动作 | 速度 | 航向角 | 滚转角 | 细分动作 |
---|---|---|---|---|
平飞 | 不变 | 不变 | 不变 | 匀速平飞 |
平飞 | 增大 | 不变 | 不变 | 加速平飞 |
平飞 | 减小 | 不变 | 不变 | 减速平飞 |
平飞 | 不变/增大/减小 | 不变 | 增大/减小 | 水平滚转 |
爬升 | 不变/减小 | 不变 | 不变 | 爬升 |
爬升 | 增大 | 不变 | 不变 | 跃升 |
下降 | 不变/减小 | 不变 | 不变 | 下降 |
下降 | 增大 | 不变 | 不变 | 俯冲 |
转弯 | 不变/增大/减小 | 增大/减小 | 增大 | 水平左转 |
转弯 | 不变/增大/减小 | 增大/减小 | 减小 | 水平右转 |
转弯上升 | 不变/增大/减小 | 增大/减小 | 增大 | 左转上升 |
转弯上升 | 不变/增大/减小 | 增大/减小 | 减小 | 右转上升 |
转弯下降 | 不变/增大/减小 | 增大/减小 | 增大 | 左转下降 |
转弯下降 | 不变/增大/减小 | 增大/减小 | 减小 | 右转下降 |
不包含起飞段与降落段的细化后的基本机动动作划分结果如

图8 简单机动动作细分
Fig.8 An example of flight maneuver division
根据3.4节中的划分点,在三维轨迹下截取对应片段,通过领域专家判定各片段机动动作类别,对比与本文方法划分的动作类别是否一致。限于篇幅,本文只展示部分对比结果,如
采样点划分区间 | 本文方法识别的动作类别 | 专家人员识别的动作类别 |
---|---|---|
[7 098,8 256) | 爬升 | 爬升 |
[8 257,8 664) | 右转上升 | 右转上升 |
[8 665,8 951) | 匀速平飞 | 匀速平飞 |
[8 952,9 552) | 右转下降 | 右转下降 |
[9 570,9 882] | 水平滚转 | 水平滚转 |
以上划分结果表明,该方法实现了基本机动动作的划分,即起落历程中没有数据点未被识别,且机动动作划分的类别十分吻合,证明本文建立的飞行动作识别方法是有效的。
为了验证本文所提方法的识别准确性与效率,采用1-N
(4) |
对比验证研究在Intel(R)Core(TM)i7-9750H CPU,2.60 GHz、2.59 GHz、8 GB内存,Microsoft Windows 10操作系统上进行。本文所用程序由Python 3.9软件编写。
将本文方法与DTW、PCA(Principal Component Analysis)和CTW(Canonical Time Warping)3种方法进行对比分析研究。选取20组某型固定翼飞机飞行训练数据,通过对6种飞行动作的识别准确率和运行时间进行统计,其中识别准确率如
飞行动作 | 精度/% | |||
---|---|---|---|---|
DTW | PCA | CTW | 本文方法 | |
平飞 | 83.51 | 88.34 | 53.15 | 88.38 |
爬升 | 75.12 | 80.36 | 64.86 | 86.46 |
下降 | 70.34 | 77.69 | 39.54 | 87.35 |
转弯 | 69.51 | 70.35 | 67.51 | 73.56 |
转弯上升 | 66.79 | 65.35 | 46.82 | 69.11 |
转弯下降 | 72.52 | 77.67 | 68.51 | 70.62 |

图9 不同方法的1-NN正确率
Fig.9 1-NN accuracy of different maneuvering recognition methods
飞行动作 | 识别时间/s | |||
---|---|---|---|---|
DTW | PCA | CTW | 本文方法 | |
平飞 | 2 010.91 | 2 171.56 | 3 119.66 | 1 352.50 |
爬升 | 2 091.27 | 2 300.39 | 3 474.81 | 864.35 |
下降 | 1 827.73 | 1 847.19 | 2 506.61 | 965.24 |
转弯 | 1 884.41 | 2 072.85 | 2 036.72 | 1 865.43 |
转弯上升 | 1 682.95 | 1 851.24 | 3 869.26 | 1 352.50 |
转弯下降 | 2 161.77 | 2 377.94 | 2 336.49 | 1 142.56 |
参 考 文 献
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