眼位影响下着舰信号官指挥战位位置

叶 兵，孙洪波，张 力，姜 鹏

(海军航空兵学院，辽宁 葫芦岛 125001)

在航母整个作业周期，舰载机着舰是舰载航空兵最具特色的任务，也是最困难和最危险的环节。着舰信号官即Landing Signal Officer(LSO)［1］对于着舰回收作业的顺利实施具有首要责任，也是舰载机飞行人员安全的重要保障。在整个着舰指挥过程中，由于LSO只能根据肉眼观察和自身经验对舰载机状态进行判断，进而对飞行员操作进行指挥和引导，因此保持其视线稳定或者控制其变化在一定范围，对LSO而言尤为必要，也与舰载机能否成功着舰密切相关。

LSO眼位与其着舰指挥战位在航母甲板上的位置和所处高度有关，它直接决定LSO观察舰载机时视线角度的变化情况，即LSO视角［2］。在不考虑其他因素影响下，如果着舰指挥战位在航母甲板上的位置设置恰当，同时LSO眼位处在优化的高度上，那么，LSO视角就能保持相对稳定，一方面有利于LSO观察与判断飞机状态，另一方面也为培训LSO建立有利条件，有助于快速形成着舰指挥能力。目前国内外研究主要基于美国、法国和俄罗斯等国为代表的现代航母，集中在舰载机着舰控制方法、人才培养、着舰环境、LSO决策技术和航空保障作业流程等方面［3-6］，较少涉及LSO眼位对着舰指挥的影响以及着舰指挥战位位置优化设置方面的研究。

文献［2］中，针对俄“库兹涅佐夫”号航母，对其现行着舰指挥战位位置下的理想LSO眼位进行了研究，并首次从眼位的角度对LSO视角变化及其对LSO指挥效果的影响进行了分析。本文在全甲板范围，进一步分析不同着舰指挥战位位置所对应的LSO视角和理想眼位高度的变化情况，以期为着舰指挥战位位置的优化设计提供有益参考。首先，建立LSO眼位和视角数学模型，从理论上分析说明全甲板范围LSO视角变化特点及其与眼位的联系;其次，设计基于理想LSO眼位高度的着舰指挥战位位置确定方案;最后，在全甲板范围内进行仿真分析，研究并验证理想LSO眼位高度的分布规律。结果表明，随着着舰指挥战位位置在甲板上变化，LSO视角和理想眼位高度，在整个甲板上具有明显的分布规律，应在航母着舰指挥战位设计过程中加以考虑。

1 数学模型与理论分析

1.1 着舰下滑几何

如图 1所示，“菲涅尔”透镜光学助降装置(FLOLS)［8］中心灯球所发出光平面与过着舰甲板中线垂面相交，所得交线即为光学下滑道。光学下滑道与着舰甲板交点为光学着舰点，所形成夹角即为舰载机着舰时的基准角。

图1 舰载机着舰下滑几何示意图

相对于航母，飞行员沿光学下滑道下滑，理想情况下保持其眼位始终在光学下滑道上。LSO的职责就是通过目视观察飞机状态，引导飞行员进行偏差修正以保持其眼位在光学下滑道上。显然光学着舰点也是LSO的最佳观察位置，其视角在整个着舰过程中保持恒定，但实际上无法实现导致LSO对于飞机下滑轨迹观察与飞行员所参考光学下滑道出现偏差，影响LSO对飞机状态判断的精准程度。

1.2 全甲板LSO视角

为确定出满足LSO视角要求同时对其观察影响最小的着舰指挥位置和LSO眼位高度，在甲板上建立坐标系，以光学着舰点为原点，X轴与着舰甲板中心线平行，向舰艉方向为正，Z轴垂直于着舰甲板平面，向上为正。舰载机着舰时LSO视角和相关空间关系如图2所示。

图2 LSO视角模型示意图

图2中，P、L分别为飞行员和LSO眼位所在位置，OP为光学下滑道，θ为基准角。P'、L'分别为飞行员和LSO眼位在相应平面上的投影，φ为LSO视角。

设L坐标为(xLSO，yLSO，hLSO)，P与L在 X轴方向上的水平距离为 S，则 P坐标为［xLSO+S，0，(xLSO+S)tanθ］，由三角函数关系可得

由于S≫yLSO，可以将yLSO视为小量，同时θ、φ相对较小，因此由式(1)可得

在舰载机着舰过程中，基准角θ和LSO眼位一旦确定即为定值，由式(2)可知，对于某基准角和LSO眼位设置，对应LSO视角只与S有关，而其变化趋势取决于xLSOtanθ-hLSO，由图2可知，xLSOtanθ为 LSO 着舰指挥战位所对应的光学下滑道位置，由式(2)可知:

当xLSOtanθ-hLSO＞0，即LSO眼位在光学下滑道下方时，LSO视角φ随着舰载机接近航母不断增大;

当xLSOtanθ-hLSO=0，即LSO眼位在光学下滑道上时，LSO视角φ与基准角θ保持一致;

当xLSOtanθ-hLSO＜0时，即LSO眼位在光学下滑道上方时，LSO视角φ随着舰载机接近航母不断减小。

1.3 全甲板LSO眼位

由式(2)可得，舰载机距离航母S1、S2两点处的LSO视角差为

进一步计算可得LSO眼位高度为

2 眼位影响下着舰指挥战位位置确定方案

当着舰下滑道入口与LSO决策点(决定是否允许舰载机继续着舰时飞机距理想着舰点的水平距离对应的点)处视角差满足人眼最小分辨角要求时，其所对应的LSO眼位高度即为当前着舰指挥战位处的理想眼位高度，结合当前着舰指挥战位在甲板平面上所处位置，就可确定出适当的着舰指挥战位。

本文以俄罗斯“库兹涅佐夫”号航空母舰为例，取其着舰下滑道入口为1800m，FLOLS基准角为4°，LSO决策点位于舰载机距离航母着舰点［7］300m处，以最小人眼分辨角为阈值。眼位影响下的着舰信号官指挥战位位置确定方案计算流程如图3所示。

图3 着舰指挥战位确定方案流程图

3 仿真分析

为便于说明问题，假定飞行员在着舰过程中保持其眼位始终位于光学下滑道上，同时航母甲板保持平稳。同样以俄罗斯“库兹涅佐夫”号航空母舰为对象，其他条件与图3所示方案相同。当着舰指挥战位处在甲板上不同位置时，不同LSO眼位下对应视角变化情况如图4所示。

由图4可知，当着舰指挥战位处在甲板上不同位置时，对于不同高度的LSO眼位，其LSO视角在舰载机从下滑道入口到LSO决策点过程中，始终保持一致的连续性变化趋势，但不同的眼位条件下LSO视角变化区别较大，与式(2)结论相印证。基于此，由式(3)，利用着舰下滑道入口点和LSO决策点间视角差Δφ=φ300-φ1800来衡量着舰下滑过程中LSO视角变化范围。结合人眼最小分辨角优化后，满足视角差阈值条件下的理想LSO眼位如图5所示。

图4 全甲板范围内LSO视角变化图

图5 全甲板范围理想LSO眼位分布图

由图5可知，随着着舰指挥战位在全甲板范围内位置不断变化，结合人眼最小分辨角要求，满足相应LSO视角差阈值条件下的理想LSO眼位高度，在全甲板范围内具有明显的分布规律，其基本趋势关于着舰甲板中心线对称，从舰艏至舰艉逐渐增大。为进一步说明其变化规律，从甲板平面进行分析，如图6所示。

图6 全甲板范围理想LSO眼位高度平面分布图

图6中中心竖线为着舰甲板中心线。由图6结果可知，在航母甲板的纵向方向上，满足阈值条件的LSO眼位高度从舰艏到舰艉方向上逐渐增大;在航母甲板的横向方向上，满足阈值条件的LSO眼位高度关于着舰甲板中心线呈对称关系，并从着舰甲板中心线向两侧逐渐变小，所得这一结果也与图5中结果所显示的规律相一致。

4 结束语

本文以俄“库兹涅佐夫”号航母为代表，基于LSO着舰指挥战位在全甲板范围变化的情况，在舰载机从下滑道入口到LSO决策点的过程中，LSO视角保持一致的变化趋势，但不同的眼位条件下LSO视角变化区别较大，这对LSO观察和判断舰载机状态的影响也较大。以人眼最小分辨角为阈值条件时，其理想LSO眼位高度在全甲板范围内关于着舰甲板中心线对称，从中心向两侧逐渐减小，从舰艏向舰艉方向逐渐增大。

因此，在航母甲板设计之初，可结合理想LSO眼位分布特点，将其纳入LSO着舰指挥战位位置设计的影响因素中，结合各甲板位置的可用性、指挥的高效性和安全性等因素综合考虑，为其优化设置提供有益参考，以切实提高LSO在着舰下滑道上的指挥成效，进一步实现舰载机着舰回收的安全保障与高效实施。

［1］ 欧汛.航母舰载机着舰助降装置［J］.现代舰船，2005，8(A):44-47.

［2］ 张力，叶兵.基于 MATLAB的着舰信号官眼位研究［J］.指挥控制与仿真，2013，35(4):71-74.

［3］ Urnes J M，Hess R K.Development of the F/A-18A Automatic Carrier Landing System ［J］.Journal of Guidance，Control and Dynamics(S0731-5090)，1985，18(3):289-295.

［4］ 张明廉，徐军.舰载飞机自动着舰系统的研究［J］.北京航空航天大学学报，1994，20(4):386-291.

［5］ 彭兢，金长江.航空母舰尾流数值仿真研究［J］.北京航空航天大学学报，2000，26(3):340-343.

［6］ Richards R，Chrenka J，Thordsen M.Artificial intelligence technique for Pilot Approach Decision Aid Logic(PADAL)System ［R］∥ AD-A388045，2001.USA:AD，2001.

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［8］ 胡恩勇.光波束着舰引导系统研究［D］.南京:南京航空航天大学研究生院，2008.

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