本發明涉及一種飛行員操作質量評估方法，尤其涉及一種基于曲線擬合的飛行員操作質量評估方法，屬于飛行信息處理技術領域。

背景技術：

風、湍流以及其他的環境干擾可能會影響飛行員的飛行操作質量。特別是在一年四季都有風，或者季風變化明顯的地方(如某些高原地區)。嚴重的情況可能會干擾航班的著陸或起飛。飛行員對這些氣流干擾所做出修正的反應至關重要。所以對所有航空公司而言，飛行員風險評估是一項非常重要的工作。

目前，在航空公司的規定當中，只有在非常嚴重的不安全事件當中出現超限記錄，這個超限才會被考慮用來驗證飛行員的表現，然而這種做法是不夠的。快速存取記錄器(QAR)是一個強有力的數據源和促進設備。風和湍流是QAR唯一能夠記錄下的環境因素，而諸如雷暴、沙塵暴等其他環境干擾，目前還不能夠被記錄下來。然而所有值得注意的環境干擾所產生的影響都應該得到評估，甚至它們可以是我們不能具體確定的東西。中國作為世界上第一個頒布使用QAR的國家，目前沒有任何人嘗試對這些環境因素進行研究，更不用說使用曲線擬合的方法去評估飛行員的操作質量。

早在1990年以前，人們就開始使用非線性回歸的方法對數據進行曲線擬合。Harvey、Lancaster、Guest等人對線性回歸、多項式回歸、樣條回歸等一些方法進行了仔細研究。他們對三次樣條曲線和三次多項式進行了比較，如圖1所示。他們對非線性回歸的困難進行了深入挖掘，并編制了數值實現的方法。然而，這種方法不能很好地和我們在飛行過程中遇到的問題進行擬合。例如，三次樣條曲線必須經過每一個數據點，它不能區分出風和湍流所造成的抖動；而三次多項式根據以下方程式來對數據點進行擬合：

Y＝A+Bx+Cx²+Dx³+Ex⁴…

多項式回歸的目的是確定使曲線對數據點進行最佳擬合的參數(A，B，C，…)值。但是，它無法體現出哪些數據點是必須要保留的，同時哪些是需要進行平滑的以及其需要平滑的程度。此外，由于曲線無法識別異常值，因此不能忽略異常值所造成的影響。而一個單獨的異常值可以嚴重扭曲由非線性回歸所確定出的曲線。數據集當中(正確)點的數量越少，異常值的影響力越大。所以，一種能充分考慮異常值的曲線擬合方法是非常必要的，以便根據該曲線可以有效地評估飛行員操作質量。

技術實現要素：

針對現有技術的不足，本發明所要解決的技術問題在于提供一種基于曲線擬合的飛行員操作質量評估方法。

為實現上述發明目的，本發明采用下述的技術方案：

一種基于曲線擬合的飛行員操作質量評估方法，包括如下步驟：

S1，根據對歷史飛行數據進行分析，確定判斷航班是否受到影響的影響因素；

S2，針對每種影響因素，獲取飛行過程的稀疏控制點和密集控制點，進行曲線擬合，分別得到每種影響因素的最佳飛行曲線；

S3，根據實際飛行曲線與最佳飛行曲線的差異計算飛行誤差，根據所有影響因素的飛行誤差對飛行員操作質量進行評估。

其中較優地，在步驟S1中，所述影響因素包括飛機飛行過程中的俯仰、坡度、航向和空速。

其中較優地，當步驟S2中的影響因素是俯仰時，獲取飛行過程中的俯仰的平均曲線，根據平均曲線和實際飛行曲線找到稀疏控制點和密集控制點，進行曲線擬合，得到俯仰的最佳飛行曲線，包括如下步驟：

S211，根據平均曲線確定飛行過程中正確的波動；

S212，根據實際飛行曲線與平均曲線的差異找到實際飛行曲線中正確的軌跡和不必要的抖動；

S213，在正確的軌跡中選取密集控制點，在不必要的抖動中選取稀疏控制點，進行曲線擬合，得到最佳飛行曲線。

其中較優地，在步驟S213中，在正確的軌跡中選取密集控制點，在不必要的抖動中選取稀疏控制點，進行曲線擬合，得到最佳飛行曲線，包括如下步驟：

S2131，在正確的軌跡中選取密集控制點，將密集控制點分配到平均曲線上，將組成正常軌跡的點帶入B樣條曲線擬合方程式，得到一條曲線；

S2132，在不必要的抖動中選取稀疏控制點，將稀疏控制點帶入B樣條曲線擬合方程式，得到一條曲線；

S2133，將兩條曲線合并組成最佳飛行曲線。

其中較優地，在步驟S2131中，所述B樣條曲線擬合方程式為：

其中，B_i是樣條基函數的系數；N_i，k(t)為樣條基礎函數；樣條基礎函數N_i，k(t)定義在節點向量t上。xi和xi+1定義節點向量t存在的區域范圍；

所述樣條基礎函數由下列方程式得出：

其中較優地，當步驟S2中的影響因素是坡度和航向時，獲取飛行過程中的稀疏控制點和密集控制點，進行曲線擬合，得到俯仰的最佳飛行曲線，包括如下步驟：

S221，分別獲取飛行過程中坡度的實際飛行曲線和航向的實際飛行曲線。

S222，對坡度和航線進行組隊，確定坡度的實際飛行曲線和航向的實際飛行曲線中正確的軌跡和不必要的抖動；

S223，分別在坡度的實際飛行曲線和航向的實際飛行曲線包含的正確的軌跡中選取密集控制點，在不必要的抖動中選取稀疏控制點和密集控制點，進行曲線擬合，得到最佳飛行曲線。

其中較優地，在步驟S222中，所述對坡度和航線進行組隊，確定坡度的實際飛行曲線和航向的實際飛行曲線中正確的軌跡和不必要的抖動，包括如下步驟：

將同一時段的坡度的實際飛行曲線和航向的實際飛行曲線進行對比；

找到兩條實際飛行曲線同時發生抖動的時段；

兩條實際飛行曲線同時發生抖動的時段為飛行過程中不必要的抖動；其他時段組成的實際飛行曲線為正確的軌跡。

其中較優地，當起飛和目的地一樣時，針對每種影響因素，獲取飛行過程中的平均曲線，根據平均曲線和實際飛行曲線找到稀疏控制點和密集控制點，進行曲線擬合，分別得到每種影響因素的最佳飛行曲線。

其中較優地，在步驟S3中，根據所有影響因素的飛行誤差對飛行員操作質量進行評估，根據所有影響因素的飛行誤差計算的誤差數等于俯仰、坡度、空速和航向的平方誤差總和。

本發明所提供的基于曲線擬合的飛行員操作質量評估方法，根據對歷史飛行數據進行分析，確定判斷航班是否受到影響的影響因素；針對每種影響因素，獲取飛行過程的稀疏控制點和密集控制點，進行曲線擬合，分別得到每種影響因素的最佳飛行曲線；根據實際飛行曲線與最佳飛行曲線的差異計算飛行誤差，根據所有影響因素的飛行誤差對飛行員操作質量進行評估。該方法可以充分考慮環境因素對飛機航行過程中實際飛行曲線的影響，而且在進行曲線擬合時可以充分考慮異常值，可以有效地評估飛行員操作質量。

附圖說明

圖1為現有的三次樣條曲線與三次多項式曲線對比的示意圖；

圖2為本發明所提供的基于曲線擬合的飛行員操作質量評估方法的流程圖；

圖3為本發明所提供的一個實施例中，5055航班離港和進港的俯仰平均曲線的示意圖；

圖4為本發明所提供的一個實施例中，最佳飛行示范的飛機起飛和爬升俯仰最佳飛行曲線與實際飛行曲線對比的示意圖；

圖5為本發明所提供的一個實施例中，飛機進港的仰俯最佳飛行曲線與實際飛行曲線對比的示意圖；

圖6為本發明所提供的一個實施例中，匹配時段情況下，起飛和爬升階段的正確波動和不必要的抖動的示意圖；

圖7為本發明所提供的一個實施例中，匹配時段情況下，下降和著陸階段的正確波動和不必要的抖動的示意圖；

圖8為本發明所提供的一個實施例中，標記出最佳飛行示范的飛機起飛(以及爬升)坡度曲線的示意圖；

圖9為本發明所提供的一個實施例中，標記出最佳飛行示范的飛機著陸(以及下降)坡度曲線的示意圖；

圖10為本發明所提供的一個實施例中，標記出最佳飛行示范的飛機起飛(以及爬升)航向曲線的示意圖；

圖11為本發明所提供的一個實施例中，標記出最佳飛行示范的飛機著陸(以及下降)航向曲線的示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發明的技術內容進行詳細具體的說明。

為了能夠評估飛行員對氣流干擾所做出修正的反應，提出了一種基于曲線擬合的飛行員操作質量評估方法，這種方法可以將飛行員控制飛機的穩定度進行量化。該方法通過在曲線擬合當中使用不同的方法控制樣條當中的控制點，從而確定出最佳的/正確的飛行路徑，然后計算出實際飛行路徑與經曲線擬合建立的最佳的飛行路徑兩者之間的誤差分數。

為了量化飛行員修正環境干擾所做出的反應，以及對飛行員整個的連續表現進行評分，需要仔細觀察飛行機俯仰、坡度、航向和空速的連續曲線。如果這些曲線是穩定的，就能初步判斷航班并沒有受到任何環境因素的影響。然而，實際上曲線是存在波動的，并且這些波動包括正常指令下的變動和不必要的抖動，必須對它們進行區分并且分別進行處理。

樣條曲線擬合是一個恰當的技術可以用來解決這個困難，其基本思想是利用密集的控制點來保持原有的正確曲線形狀，同時利用稀疏的控制點來平滑無用的抖動，在后續進行詳細的說明。

如圖2所示，本發明提供的基于曲線擬合的飛行員操作質量評估方法，具體包括如下步驟：首先，根據對歷史飛行數據進行分析，確定判斷航班是否受到影響的影響因素。其次，分別獲取俯仰和空速兩個因素的平均曲線，根據平均曲線和實際飛行曲線找到稀疏控制點和密集控制點，進行曲線擬合分別得到俯仰最佳飛行曲線和空速最佳飛行曲線。然后，分別獲取坡度和航線的實際飛行曲線，對坡度和航線進行組隊，找到稀疏控制點和密集控制點，進行曲線擬合分別得到坡度最佳飛行曲線和航線最佳飛行曲線。最后，根據實際飛行曲線與最佳飛行曲線的的差異計算飛行誤差，根據飛行誤差對飛行員操作質量進行評估。下面對這一過程做詳細具體的說明。

S1，根據對歷史飛行數據進行分析，確定判斷航班是否受到影響的影響因素。

根據對歷史飛行數據進行分析，要量化飛行員修正環境干擾所做出的反應，以及對飛行員整個的連續表現進行評分，需要確定判斷航班是否受到影響的影響因素，在本發明所提供的實施例中，影響因素包括飛機飛行過程中的俯仰、坡度、航向和空速。通過對飛機飛行過程中，這些影響因素連續曲線的分析，可以擬合出航班并沒有受到任何環境因素的影響時，這些影響因素的最佳飛行曲線。進而可以計算出飛行誤差。

S2，針對每種影響因素，獲取飛行過程中的稀疏控制點和密集控制點，進行曲線擬合，分別得到每種影響因素的最佳飛行曲線。

針對影響因素中的仰俯和空速，分別獲取飛行過程的平均曲線，在本發明所提供的實施例中，平均曲線根據歷史飛行數據進行分析獲得，當影響因素是俯仰時，獲取飛行過程中的俯仰和速度之間的平均曲線，根據平均曲線和實際飛行曲線找到稀疏控制點和密集控制點，進行曲線擬合，得到俯仰的最佳飛行曲線，具體包括如下步驟：

S211，根據平均曲線確定飛行過程中正確的波動。

在俯仰和速度之間有一個共同規則：平均曲線跟隨指令保持著普遍正確的變化。因此，可以通過找到這些正確的改變，并為每個飛機的曲線設置密集控制點用以進行保持。然后，為其他的時間階段設置稀疏的控制點用以平滑剩余的曲線段。在本發明所提供的實施例中，因為平均曲線是通過大量歷史飛行數據進行分析得到的曲線，所以根據平均曲線中的波動確定正確的波動。

S212，根據實際飛行曲線與平均曲線的差異找到實際飛行曲線中正確的軌跡和不必要的抖動。

根據平均曲線確定飛行過程中正確的波動之后，通過實際飛行曲線與平均曲線進行比較，找到實際飛行曲線與平均曲線的差異，根據這些差異以及正確的波動確定實際飛行過程中正確的軌跡和不必要的抖動。

以圖3為例。圖中分別顯示了來自5055航班飛行離港和進港的平均俯仰曲線。其中，橫軸代表速度，縱軸代表俯仰角。飛行離港的主要階段為起飛和爬升。在起飛過程中，由于操控的影響大于風的影響飛機出現抬頭的姿勢，這個過程通常是平滑的，沒有由于風的干擾而造成的隨機抖動影響。然而，爬升階段則是另一種情況。在這個階段當中，飛機幾乎是保持穩定的俯仰角度，同時可以明顯看出由于風和湍流所引起的小位移。因此，可以在不同機場起飛的飛行數據中看出，起飛階段的曲線應該是保持一個完美的軌跡(如果有同一機場離港飛行的大量數據，那么他們的平均軌跡就可以被視為是理想的標準軌跡。)。同時，應該對爬升階段曲線進行平滑處理，擺脫小的波動以顯示完美軌跡。同樣在航班進港過程當中，下降和進近階段時飛機的俯仰角度幾乎保持穩定，當進入到著陸階段時，由于執行了“平飄”的操控，從而造成了曲線當中出現了一個尖銳的凸起。在飛機差不多接地時，平飄操控是非常明顯的。這是飛行進港當中唯一正確的波動。對于在下降和進近階段剩余的抖動而言，雖然由于復雜的天氣情況這些抖動不容易避免，但實際上它們是不必要的并且能夠通過改善被去除掉的。因此，雖然難以達到完美，但進港時的俯仰操作曲線是由原始的降落平飄和經過平滑的下降和進近軌跡組合而成的。

S213，在正確的軌跡中選取密集控制點，在不必要的抖動中選取稀疏控制點，進行曲線擬合，得到最佳飛行曲線。

上文中已經分別知道了起飛階段和平飄階段。隨后在正確的軌跡中選取密集控制點，在不必要的抖動中選取稀疏控制點。將密集控制點分配到平均飛行俯仰曲線上，同時運用于整個航段以保持時間的一致性。同樣，保留稀疏控制點作為平均曲線的一部分，將他們運用于整個飛行曲線，對于所有飛機使得所有控制點都是一致的。圖4是一個飛機離港俯仰曲線的示例，其中，橫軸代表速度，縱軸代表俯仰角。曲線1顯示的是實際飛行曲線，曲線2顯示的是其最佳飛行示范的飛機進港俯仰曲線(最佳飛行曲線)。圖5是飛機進港俯仰曲線示意圖。其中，橫軸代表速度，縱軸代表俯仰角。曲線1顯示的是實際飛行曲線，曲線2顯示的是其最佳飛行示范的飛機離港俯仰曲線(最佳飛行曲線)。

其中，在正確的軌跡中選取密集控制點，在不必要的抖動中選取稀疏控制點，進行曲線擬合，得到最佳飛行曲線，具體包括如下步驟：

S2131，在正確的軌跡中選取密集控制點，將密集控制點分配到平均曲線上，將組成正常軌跡的點帶入B樣條曲線擬合方程式，得到一條曲線；

采用B樣條曲線擬合示例，使用密集的控制點來保持大部分的原有的曲線形狀，同時使用稀疏的控制點來平滑無用的抖動。

B樣條曲線擬合方程式為：

其中，B_i是樣條基函數的系數；樣條基礎函數N_i，k(t)由下列方程式得出：

樣條基礎函數N_i，k(t)定義在節點向量t上。xi和xi+1定義節點向量t存在的區域范圍。

S2132，在不必要的抖動中選取稀疏控制點，將稀疏控制點帶入B樣條曲線擬合方程式，得到一條曲線；

S2133，將兩條曲線合并組成最佳飛行曲線。

正常軌跡組成的點涵蓋飛行過程中的一部分時段，稀疏控制點組成的點涵蓋飛行過程中的另一部分時段，將兩個時段的飛行曲線合并，得到涵蓋所有飛行時段的最佳飛行曲線。

空速曲線擬合方法與俯仰曲線的擬合方法相同，找到飛機飛行過程中空速的平均曲線，根據平均曲線確定飛行過程中正確的波動。根據實際飛行曲線與平均曲線的差異找到正確的軌跡和不必要的抖動。在正確的軌跡中選取密集控制點，在不必要的抖動中選取稀疏控制點和密集控制點，進行曲線擬合，得到最佳飛行曲線。在此便不做贅述了。

當影響因素是坡度和航向時，獲取飛行過程中的稀疏控制點和密集控制點，進行曲線擬合，得到俯仰的最佳飛行曲線，具體包括如下步驟：

S221，分別獲取飛行過程中坡度的實際飛行曲線和航向的實際飛行曲線。

當影響因素是坡度和航向時，因為坡度和航向是屬于不同的情況。如果飛行航跡不同，飛機通常沒有通用的平均正確的坡度和航向轉向。它們都是在需要的時候進行轉向。這看起來好像沒有規則可尋。然而，有一個常識是：無論何時進行轉彎，坡度和航向都會同時出現一個巨大的突變。因此，分別獲取飛行過程中坡度的實際飛行曲線和航向的實際飛行曲線，將每一架飛機的坡度和航向曲線進行組隊，并找出相應的巨大突變給它們設置密集控制點，同時設置稀疏控制點以保持曲線的平滑。

S222，對坡度和航線進行組隊，確定坡度的實際飛行曲線和航向的實際飛行曲線中正確的軌跡和不必要的抖動。

對坡度和航線進行組隊，確定坡度的實際飛行曲線和航向的實際飛行曲線中正確的軌跡和不必要的抖動，具體包括如下步驟：

將同一時段的坡度的實際飛行曲線和航向的實際飛行曲線進行對比；

找到兩條實際飛行曲線同時發生抖動的時段；

兩條實際飛行曲線同時發生抖動的時段為飛行過程中不必要的抖動；其他時段組成的實際飛行曲線為正確的軌跡。

當將坡度和航向曲線進行組隊時，得到匹配時間情況下兩組正確波動及不必要抖動的實例如圖6和圖7。他們時間階段是相互對應的。

S223，分別在坡度的實際飛行曲線和航向的實際飛行曲線包含的正確的軌跡中選取密集控制點，在不必要的抖動中選取稀疏控制點和密集控制點，進行曲線擬合，得到最佳飛行曲線。

分別在坡度的實際飛行曲線和航向的實際飛行曲線正確的軌跡中選取密集控制點，在不必要的抖動中選取稀疏控制點和密集控制點，進行曲線擬合，得到最佳飛行曲線。其中，根據密集控制點和稀疏控制點進行曲線擬合得到最佳飛行曲線與俯仰曲線的擬合方法相同，在此便不再贅述了。

圖8和圖9是飛機在起飛(以及爬升)和降落(以及下降)階段的坡度的平均曲線和實際飛行曲線的展示圖。其中，橫軸為飛行距離，縱軸為坡度，曲線1為實際飛行曲線，曲線2為修訂后的最佳飛行曲線。圖10和圖11是飛機在起飛(以及爬升)和降落(以及下降)階段的航向的平均曲線。其中，橫軸為飛行距離，縱軸為航向，曲線1為實際飛行曲線，曲線2為修訂后的最佳飛行曲線。

在本發明所提供的實施例中，當起飛和目的地一樣時，針對每種影響因素，獲取飛行過程中的平均曲線，根據平均曲線確定飛行過程中正確的波動。根據實際飛行曲線與平均曲線的差異找到正確的軌跡和不必要的抖動。在正確的軌跡中選取密集控制點，在不必要的抖動中選取稀疏控制點和密集控制點，進行曲線擬合，分別得到每種影響因素的最佳飛行曲線。根據實際飛行曲線與最佳飛行曲線的的差異計算飛行誤差，根據飛行誤差對飛行員操作質量進行評估。

S3，根據實際飛行曲線與最佳飛行曲線的差異計算飛行誤差，根據所有影響因素的飛行誤差對飛行員操作質量進行評估。

根據實際飛行曲線與最佳飛行曲線的差異計算飛行誤差，在本發明所提供的實施例中，計算的飛行誤差等于俯仰、坡度、空速和航向的平方誤差總和。根據所有影響因素的飛行誤差對飛行員操作質量進行評估。飛行誤差越大，飛行員操作質量的評分越低。

當所有飛機從兩個固定機場對飛時，包括巡航階段的含有坡度和航向的所有類型曲線都可以進行比較。在這種情況下，平均曲線可以在所有單獨的最佳操作當中被提取作為最好的飛行示范。

綜上所述，本發明所提供的基于曲線擬合的飛行員操作質量評估方法，根據對歷史飛行數據進行分析，確定判斷航班是否受到影響的影響因素。分別獲取俯仰和空速兩個因素的平均曲線，根據平均曲線和實際飛行曲線找到稀疏控制點和密集控制點，進行曲線擬合分別得到俯仰和空速最佳飛行曲線。然后，分別獲取坡度和航線的實際飛行曲線，對坡度和航線進行組隊，找到稀疏控制點和密集控制點，進行曲線擬合分別得到坡度和航線最佳飛行曲線。最后，根據實際飛行曲線與最佳飛行曲線的的差異計算飛行誤差，根據飛行誤差對飛行員操作質量進行評估。該方法可以充分考慮環境因素對飛機航行過程中實際飛行曲線的影響，而且在進行曲線擬合時可以充分考慮異常值，可以有效地評估飛行員操作質量。

上面對本發明所提供的基于曲線擬合的飛行員操作質量評估方法進行了詳細的說明。對本領域的一般技術人員而言，在不背離本發明實質精神的前提下對它所做的任何顯而易見的改動，都將構成對本發明專利權的侵犯，將承擔相應的法律責任。