菲涅尔助降系统控制律对舰载机着舰安全性影响

屈程+邹鑫+王鹏

摘 要：研究了菲涅尔光学助降系统控制律对舰载飞机着舰安全性的影响。阐述了光学助降系统控制律的工作机理，采用白噪声通过成形滤波器的方法建立了甲板运动的随机模型，针对不同海况条件，仿真分析了线稳定和惯性稳定方式助降系统控制律对舰载机着舰安全性的影响。结果表明：采用线稳定方式助降系统控制律在平稳和恶劣海况条件都能保证较好的着舰安全性；采用惯性稳定方式控制律在平稳海况条件能保证相对较好的着舰安全性，但在恶劣海况条件着舰成功率仅能达到59%，不能保证着舰安全性。

关键词：舰载机；助降系统控制律；线稳定；惯性稳定；着舰安全性

中图分类号：V212.1 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）35-0017-03

舰载飞机的着舰比陆基飞机的着陆更加困难和危险，到目前为止，菲涅尔光学着舰助降系统依然是舰载飞机着舰引导最终阶段的最基本手段[1]。在航母随海浪的摇晃和振荡运动下，菲涅尔助降系统发出的光波束也随之运动，使光学下滑道发生变化，进而引起理想着舰点的位置变化，这会导致较大的着舰偏差，严重时甚至造成着舰失败。菲涅尔助降系统控制律能够根据甲板运动的信息，按一定的规律控制下滑道光波束运动，使光波束相对于甲板运动尽可能稳定，从而增加着舰成功率[2]，因此，研究菲涅尔光学着舰助降系统控制律对舰载飞机着舰安全性的影响，对于保证舰载机飞行安全具有非常重要的意义。

目前国内关于舰载机着舰安全性的研究，主要集中在航母运动[3-5]以及航母舰尾流[6-8]的影响方面，而关于菲涅尔光学着舰助降系统控制律对舰载飞机着舰安全性影响的研究还比较少见。本文在对比分析不同光学着舰助降系统控制律的基础上，通过引入平稳随机过程理论，采用白噪声通过成形滤波器的方法建立了甲板运动的随机模型，针对平稳海况和恶劣海况两种条件，仿真并分析了采用不同助降系统控制律对舰载机着舰安全性的影响。

1 菲涅尔助降系统控制律

菲涅尔光学着舰助降系统控制律能够在惯性空间为飞行员提供一条相对于舰体稳定的光波束，主要包括角稳定、点稳定、线稳定、惯性稳定四种方式[1]。角稳定和点稳定方式虽然能够保证理想着舰点不变，但是会在着舰过程中给飞行员操纵飞机带来很大的困难，因此，这两种方式已经很少使用。目前四种方式中使用较为广泛的是线稳定和惯性稳定方式：

线稳定方式是指在惯性空间内保持光波束相对稳定，通过一定的规律控制菲涅尔灯箱的运动，保证光波束不受航母甲板俯仰和滚转运动的影响，只随甲板的垂荡运动而垂直运动，且垂荡幅度与航母保持一致。

惯性稳定方式是指在惯性空间内保持光波束绝对的稳定，通过光学助降系统控制律保证光波束不受甲板运动的影响。

通过对比不难发现，线稳定和惯性稳定方式的不同之处在于是否对航母甲板的沉浮运动进行了补偿，本文针对线稳定和惯性稳定两种方式助降系统控制律对舰载机着舰安全性的影响开展研究。

2 甲板运动随机模型

助降系统控制律的核心是利用光波束对甲板的运动进行补偿，因此，精确模拟甲板运动对于研究助降系统控制律对着舰安全性的影响非常有必要。如图1所示，航母六自由度运动包括横荡、垂荡、纵荡、艏摇、横摇和纵摇，在风、海况以及航母本身状态等因素的共同作用下，甲板运动具有很高的复杂性。

文献[4]通过采用正弦波叠加的方式建立了确定性的甲板运动数学模型，但实际上甲板运动是一个复杂的随机过程，不能采用确定性的函数描述[9]，针对确定性的甲板运动数学模型的不足，本文采用白噪声通过成形滤波器的方法建立了甲板运动的随机模型。

根据随机过程理论，如果产生随机现象的条件在一定时间内无明显变化，就可以把一个随机过程看成平稳的。由于航空母舰具有很大的尺寸和重量，在舰载机着舰这一短暂的过程中产生甲板随机运动的条件不会发生明显变化，因此甲板运动可以视为平稳随机过程。

如图2所示，如果一个线性定常系统的输入x（t）是一个平稳随机过程，那么经过线性传递函数G（s）后的输出y（t）也是一个平稳随机过程。

3 理想着舰点处高度偏差

舰载機在理想着舰点处的高度偏差是影响着舰精度和安全的重要因素之一[5]，该偏差的理想值范围是-2.493～4.986ft，允许值范围是-4.986～10.004ft，当该偏差小于允许值的最小值时会造成舰载机提前撞舰，当该偏差大于允许值的最大值时会造成舰载机钩锁脱挂[3]。因此，本文重点分析线稳定和惯性稳定两种方式助降系统控制律对舰载机在理想着舰点处高度偏差的影响。

图3给出了舰载机在理想着舰点处高度偏差示意图，其中，ha为飞行员眼睛到基准光波束的垂向距离，RTD为理着舰点与菲涅尔透镜之间的水平距离，β0为光基准下滑波束角， 为舰载机在理想着舰点处的实际高度，h？坠？壮D航母甲板在海浪作用下会发生摇荡运动，此时理想着舰点的高度为hTD，舰载机在理想着舰点处的高度偏差△hTD为：

在舰载机着舰过程中，飞机需要跟踪光波束的运动hb，当飞机跟上光波束后，有ha=hb，这样（4）式可以改写为：

其中，hs为甲板的垂荡幅度，？兹s和？渍s航母甲板的纵摇角和横摇角，LTD为理想着舰点距离航母俯仰中心的水平距离，YTD为理想着舰点距离航母滚转轴的水平距离。

4 仿真分析

仿真分析了线稳定和惯性稳定两种方式菲涅尔光学助降系统控制律对舰载机着舰安全性的影响，LTD=286ft，H/E=14.5ft，RTD=275ft，β0=3.5°，在航母六自由度摇荡中，纵摇和垂荡运动对理想着舰点高度变化的影响最大[3]，因此，本文重点研究航母甲板的纵摇和垂荡运动影响。文献[10]给出了平稳海况和恶劣海况下航母甲板纵摇和垂荡运动的传递函数：

甲板随机运动采用白噪声通过成型滤波器的方法仿真实现，仿真条件设置为：有限带宽白噪声随机种子数为81262，噪声功率谱密度为1，采样时间为0.1s，仿真算法采用固定步长欧拉法。图4给出了平稳海况分别采用线稳定和惯性稳定方式助降系统控制律时理想着舰点的高度偏差，观察图4（a）可以发现，采用线稳定方式理想着舰点的高度偏差几乎全部处于理想偏差区，在30s的时间长度内进入允许偏差区的时间为0.9s，占总仿真时间的3%，一般不会造成提前撞舰或钩索脱挂的危险；观察图4（b）可以发现，采用惯性稳定方式理想着舰点的高度偏差全部处于理想偏差区，同样不会出现钩索脱挂或提前撞舰的情况。endprint

图5给出了恶劣海况分别采用线稳定和惯性稳定方式助降系统控制律时理想着舰点的高度偏差。观察图5（a）可以发现，在恶劣海况下采用线稳定方式助降系统控制律能够保证较好的着舰成功率，理想着舰点的高度偏差在30s仿真时间内仅有2.3s进入了允许偏差区，占总仿真时间的7.67%，不会引起钩索脱挂或提前撞舰的危险；观察图5（b）可以发现，采用惯性稳定方式理想着舰点的高度偏差进入提前撞舰区和钩索脱挂区的时间分别为5.3s和7s，分别占总仿真时间的17.67%和23.3%，恶劣海况下，在30s仿真时间长度内舰载机着舰成功率仅为59%，按照规范要求，着舰成功的概率至少应在65%以上，因此，恶劣海况下采用惯性稳定方式助降系统控制律不能满足舰载机着舰安全性的需求。

5 结束语

针对平稳海况和恶劣海况条件，仿真分析了采用线稳定和惯性稳定方式菲涅尔光学助降系统控制律对舰载机着舰安全性的影响，主要结论如下：（1）本文方法能够模拟不同海况条件采用不同方式助降系统控制律时舰载机在理想着舰点处的高度偏差。（2）舰载机在平稳海况条件下着舰时，采用线稳定和惯性稳定方式助降系统控制律都能够保证相对较高的着舰安全性，可以优先选择飞行员操纵负担相对较轻的惯性稳定方式助降系统控制律引导飞行员着舰。（3）舰载机在恶劣海况条件下着舰时，采用线稳定方式助降系统控制律能够保证相对较高的着舰安全性，采用惯性稳定方式助降系统控制律着舰成功率相对较低，尽管飞行员能够根据经验以及着舰指挥官的指令及时作出调整以提高着舰成功率，但并不能完全保证舰载机着舰的安全性，因此，恶劣海况条件下应尽量避免采用惯性稳定方式助降系统控制律进行舰载机着舰引导。

参考文献：

[1]杨一栋.舰载飞机着舰引导与控制[M].北京：国防工业出版社，2007.

[2]王梦.舰载“菲涅尔“光学助降系统的精确控制研究[D].南京航空航天大学，2014.

[3]许东松，刘星宇，王立新.航母运动对舰载飞机着舰安全性的影响[J].北京航空航天大學学报，2011，37（3）：289-294.

[4]周胜明.航母甲板运动对舰载机着舰影响仿真分析[J].飞机设计，2012，32（6）：28-32.

[5]周鑫，彭荣鲲，袁锁中.舰载机理想着舰点垂直运动的预估与补偿[J].航空学报，2013，34（7）：1663-1669.

[6]贲亮亮.舰载机着舰环境扰动影响及其响应分析[D].南京航空航天大学，2013.

[7]安军.航母尾流模拟及舰载机着舰控制的初步研究[D].华中科技大学，2012.

[8]吕开东，李新飞，姜迈，等.舰载机着舰过程的舰尾气流数值仿真分析[J].飞行力学，2013，311（1）：19-23.

[9]李新飞.舰载机起降关键技术仿真研究[D].哈尔滨工程大学，2012.

[10]Durand T S，Teper G L.An analysis of terminal flight path control in carrier landing[R].AD 606040，1964.endprint