着舰指挥官指令操作关联引导系统建模

王宏欣，李　晖

（哈尔滨商业大学计算机与信息工程学院，哈尔滨150028）

着舰指挥官指令操作关联引导系统建模

王宏欣，李晖

（哈尔滨商业大学计算机与信息工程学院，哈尔滨150028）

为保证航母舰载机着舰过程中着舰指挥官（Landing Signal Officer，LSO）对于驾驶员操作引导的安全性，建立了一种“LSO-驾驶员-舰载机”指令操作关联引导系统，通过深入剖析LSO引导任务，明确控制难点，定义指令操作基元概念，阐述引导着舰纠偏过程中的指令操作基元的集合性，设计建立LSO指令操作关联引导模型，LSO依据舰载机实时飞行状态下达“飞行状态关联指令”，驾驶员依据LSO指令执行“指令关联操作”，可以实现完整的指令操作基元响应纠偏.针对不同飞行偏差状态下指令操作关联引导过程进行仿真，结果表明本文设计的引导控制模型对于着舰偏差修正准确，纠偏策略符合实际着舰情况，为舰载机着舰安全性的提高提供了帮助.

着舰指挥官；指令操作关联模型；引导系统；舰载机

人工着舰过程中，要保证舰载机安全迅速地降落在航空母舰斜角甲板上，驾驶员必须精确控制飞行航迹和姿态，在稳定飞行迎角的同时，沿理想下滑道飞行.现代舰载机具备较好的飞行性能，装备良好的飞行控制系统，采用优秀的着舰方法和技术手段，从理论上来讲具备安全着舰的能力，但由于环境复杂多变，干扰因素多且繁杂以及工作在低速状态下的飞行特性损失，都会造成着舰偏差，这些偏差可能出现在进舰全过程的任一阶段，给舰机安全带来诸多隐患［1］.因此在着舰过程中，除了驾驶员的精确操纵以外，着舰指挥官（Landing Signal Officer，LSO）要对舰载机进行辅助引导，依据当前飞行状态和未来飞行趋势，给予驾驶员调整指令，驾驶员执行相应操作，飞机匹配理想航迹，LSO、驾驶员和舰载机共同组成完整的“LSO-驾驶员-舰载机”着舰引导系统，以此来实现安全着舰.基于此，明确着舰指挥官引导任务，对其引导控制技术进行研究是很有必要的［2-6］.

文献［2］建立了舰载直升机LSO模型，文献［7］模拟了LSO的飞行轨迹预估能力，文献［8］分析了LSO引导控制的模糊逻辑，这些文献虽然在一定程度上对LSO部分行为进行描述和分析，但考虑因素不全面，与实际引导指挥方式差异较大，作为完整全面的LSO模型尚显不足.本文在分析LSO引导指挥任务的基础上，设计LSO指令操作关联模型，以LSO引导指令集作为蓝本，依据舰载机实时飞行状态下达“飞行状态关联指令”，驾驶员依据LSO指令执行“指令关联操作”，符合舰载机实际着舰情况，实现LSO着舰引导系统建模.

1　引导任务描述

LSO着舰引导的主要任务是：在舰载机进舰着舰过程前段，判断是否发送纠偏指令：实时观测驾驶员操控下的舰载机飞行状态，如果状态位于允许范围内，不发送指令，依赖驾驶员自身操作能力继续航行；如果状态超出允许范围，发送修正指令，辅助驾驶员纠偏，此时驾驶员应严格依据LSO指令执行操作，修正飞行航迹.在舰载机进舰着舰过程后段，判断是否发送复飞指令：如果状态稳定，可以安全着舰，从驾驶员反应时间和操控水平的角度考虑，不再发送任何指令；如果状态偏差较大，继续着舰将会造成较大风险，LSO判断复飞，向驾驶员发出复飞指令［5］.

综上所述，在舰载机着舰过程中，LSO不仅要监督和协调飞机运动，同时也对着舰安全负有重要责任，考虑LSO的重要作用，在建立的舰载机着舰模型基础上添加LSO着舰引导与复飞决策系统，与驾驶员和舰载机共同构成“LSO-驾驶员-舰载机”人机闭环系统，如图1所示.

图1　LSO-驾驶员-舰载机引导系统

LSO引导纠偏是困难的，主要原因有以下三点：

1）LSO作为个体人，指令行为具有非线性特点；

2）LSO控制策略依赖于飞行状态，环境信息等诸多影响因素，具有复杂性特点；

3）LSO对舰载机状态偏差判断和纠偏指令具有模糊性特点，如LSO经常作出“飞机下滑位置有点高”，“飞机对准有点靠右”等判断［2］.

由于LSO控制方式的非线性、复杂性和模糊性，应用传统控制方法进行建模难度较大，根据着舰指挥官引导纠偏策略表现形式，设计引导模型：依据舰载机当前飞行状态信息，LSO参照引导指令集制定关联纠偏指令，驾驶员依据指令执行关联响应操作，设计“LSO-驾驶员-舰载机”关联匹配系统，以此建立LSO指令操作关联模型.

2　指令操作基元

着舰过程中，LSO需要时时关注舰载机飞行状态，依据其偏差情况，不断发送纠偏指令，帮助舰载机完成着舰.因此实际引导过程可以看作是由多个“发送指令（LSO）-响应操作（驾驶员）-飞行纠偏（舰载机）”单元所组成的离散动作集合.

定义1舰载机着舰过程中，着舰指挥官与驾驶员共同完成一次“发送指令-响应操作-飞行纠偏”状态调整过程称为指令操作基元.

定义2针对任一着舰航次，为保证着舰安全，着舰指挥官与驾驶员共同完成的所有指令操作基元，称为此着舰航次的指令操作集合H=｛hk|k∈K｝.

LSO指令操作基元的制定依据是舰载机飞行状态，指令的作用效果是驾驶员响应操作.因此一个完整的指令操作基元应该包含三个部分，LSO引导指令内容，指令下达条件（指令下达时舰载机飞行状态）和驾驶员响应操作（针对此指令，驾驶员执行的机动操作），即：

其中G=｛g1，g2，…，gm｝为LSO引导指令集合，T=｛t1，t2，…，tm｝为指令下达条件集合，O= ｛o1，o2，…，om｝为驾驶员响应操作集合.根据分析可知，一个完整的指令操作基元可以实现一次真实的LSO引导纠偏操作过程.

2.1引导指令集合

LSO引导指令并不是单一分散、无规则的表达方式，而是经过长期试验验证和总结.由驾驶员和着舰指挥官达成一致的既定规范集合，称为LSO引导指令集.着舰指挥官依靠指令实现着舰引导，因此指令集合与LSO同时产生，经历了从早期简单旗语动作到二战无线通讯方式的过渡，考虑到无线电静默的要求，LSO指挥指令只在极少数，可能影响着舰安全时下达，其它情况下飞行员按照光学助降系统的指示飞行即可.但在能见度低、甲板运动过大等光学助降系统失效的情况下，要求全程指令作用［9-13］.

指令集合通常包括信息性指令、告警性指令和命令性指令三类，其中［8］：

信息性指令：用于告知驾驶员当前飞行状态；告警性指令：用于告警驾驶员关注潜在危险、防止可能的控制错误；

命令性指令：用于直接命令驾驶员去执行特定操作，命令必须立刻响应.

2.2指令边界因素

指令操作基元输入信息为舰载机当前飞行状态，着舰过程纵向回路参考信息主要包括飞机高度偏差Δh，速度偏差Δu，加速度u'，下沉率偏差Δvz，俯仰角偏差Δθ和距舰距离X，各影响因素含义如表1所示.这些飞行状态的不同组合可以作为LSO指令下达的条件［14-16］.

表1　指令边界因素

2.3驾驶员响应操作

驾驶员着舰飞行过程中，响应LSO引导指令的操作方式主要包括油门操作和升降舵操作两种，其中油门操作关闭进场动力补偿系统，通过控制油门开度改变飞机推力，升降舵操作通过升降舵控制改变飞机姿态，两种操作方式综合实现驾驶员纠偏操作，具体操作方式如表2、3所示［12，17-19］.

表2　油门操作方式

续表2　油门操作方式

表3　升降舵操作方式

3　指令操作关联模型

设H=｛h1，h2，…，hk|hk=（gk，tk，ok）｝为指令操作集合，gi∈G=｛g1，g2，…，gm｝为LSO引导指令集合，oi∈O=｛o1，o2，…，om|oi=（ti，si）｝为驾驶员响应操作集合，其中ti∈T=｛t1，t2，…，t7｝为驾驶员油门操作指令集合，si∈S=｛s1，s2，…，s5｝为驾驶员升降舵操作指令集合，ci∈C=｛c1，c2，…，cm|ci=（u'i，Δui，Δθi，Δhi，Δvz1，Xi）｝为指令下达条件集合，其中ci=（u'i，Δui，Δθi，Δhi，Δvzi，Xi）是一个关于舰载机飞行状态信息的多元集合项.

即：

⇒o=oi∈O

在明确LSO指令集合、指令下达边界条件和驾驶员响应操作对应关系的基础上，文献［12］给出纵向回路LSO指令操作关联规则表，如表4所示，可以通过指令操作关联模型实现完整的指令操作基元，对于当前飞行状态偏差进行响应纠正，如图2所示.

图2　LSO指令操作关联系统

具体引导纠偏过程LSO指令操作关联模型算法如下：

步骤1通过机载测量系统获取当前舰载机飞行状态信息，包括飞机加速度u'、速度偏差Δu、俯仰角偏差Δθ、高度偏差Δh、下沉率偏差vz和距舰距离X，构成飞行状态信息多元集合项yi=（u'i，Δui，Δθi，Δhi，Δvzi，Xi）.

步骤2比对飞行状态信息多元集合项中变量信息数值，判断当前飞行状态是否属于指令下达条件集合C=｛c1，c2，…，cm｝，如果yi∉C，表示此时舰载机在驾驶员操控下，可以比较稳定地飞行，LSO无需发送纠偏指令；如果yi∈C，说明当前飞行状态存在一定偏差，需要LSO发送指令，辅助纠偏.

步骤3依据当前飞行状态yi∈C，确定此指令下达集合元素匹配的指令信息gi∈G，LSO下达“飞行状态关联指令”.

步骤4依据LSO指令信息gi∈G，驾驶员执行“指令关联操作”oi=O，包括相应油门操作ti∈T和相应升降舵操作si∈S，实现偏差修正，保证着舰安全.

表4　指令操作关联规则表

续表4　指令操作关联规则表

4　指令操作关联模型仿真实例

为说明本文提出的着舰指挥官指令操作关联模型的真实性，开展引导过程仿真，仿真案例中设定不同偏差状态，触发LSO相应指令，分别对驾驶员保持无操作状态、响应操作状态和其他误操作状态进行仿真分析，验证LSO指令操作关联模型的正确性和必要性.

舰载机初始距离理想着舰点926 m，飞行高度76.67 m（下滑偏差20 m），初始速度69.96 m/s；初始初始迎角8.1°.

由于纵向位置高于理想下滑道，舰载机作俯冲动作，导致下沉率过大，分别对驾驶员无操作状态、拉杆操作状态和加油门操作状态进行仿真，如图3～6所示为不同操作状态下的飞行速度、下沉率（Rate of Descend，ROD）、高度偏差和加速度仿真曲线.

图3　不同操作情况速度变化曲线

图4　不同操作情况下沉率变化曲线

图5　不同操作情况高度偏差变化曲线

图6　不同操作情况加速度变化曲线

1）驾驶员无动作时，下沉率不断增加，飞行速度持续衰减，高度显著降低，飞行位置低于理想下滑道，存在撞击舰尾事故风险，着舰风险系数极高.

2）驾驶员拉杆操作时，下沉率逐渐降低，高度偏差随之减小，但从速度和加速度曲线可以看出，加速度负向增大趋势明显，飞行速度迅速减小，并保持减小趋势，不利于着舰控制.

3）依据 LSO指令操作关联模型可知，此时LSO应向驾驶员发送“不要再下降”指令，驾驶员依据该指令增大油门并保持在1/3最大推力，同时稳定迎角，如图3～6所示，下沉率平稳降低，飞机速度略微增加后减小，加速度在振荡变化后维持零值，能够保证飞行速度位于安全进舰速度范围内，飞行高度减小以补偿初始高度偏差，从各项数据中可以看出，“不要再下降”指令及相应操作有利于舰载机完成此纠偏任务.

5　结语

本文在分析着舰指挥官引导控制任务，明确控制难点的基础上，依据LSO引导纠偏策略表现形式，设计建立了LSO指令操作关联模型，通过定义指令操作基元概念，明确引导指令集合作为模型蓝本，舰载机实时飞行状态作为模型边界条件，驾驶员响应操作作为模型输出，最终完整表述“LSO-驾驶员-舰载机”系统的关联匹配关系，多工况引导过程仿真结果表明设计模型实用有效，对于不同状态偏差修正必要正确，纠偏策略符合舰载机实际着舰情况，为航母舰机适配安全性的深入研究提供了基础理论帮助.

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M odeling landing signal officer instruction associated w ith operation guide system

WANG Hong-xin，LIHui
（School of Computer and Information Engineering，Harbin University of Commerce，Harbin 150028，China）

To ensure the operation safety of landing signal officer（LSO）to pilot during carrier-based aircraft landing，this paper proposed a“LSO-pilot-aircraft”instruction associated with operation system.To analyze LSO guidemission and design instruction associated with operation element the relationship and matching of“LSO-pilot-aircraft”system were exhibited by instruction associated with the operation model，and“instruction sending-operation responding-deviation correcting”process is realized based on LSO guidance instructions（original version），aircraft real-time flight states（boundary conditions）and pilot response operation（model output）.Multiple loading conditions simulation results show that corrective strategieswas in line with the actual situation of carrier-based aircraft landing.

landing signal officer（LSO）；introduction associated with operation model；guide system；carrier-based aircraft

V249

A

1672-0946（2016）02-0190-06

2016-01-30.

黑龙江省自然科学基金（F201349）

王宏欣（1972-），男，硕士，讲师，研究方向：飞行器控制、智能控制与决策、数据挖掘、图形图像处理.