基于模糊控制的艦載機著艦指揮官引導系統建模

摘 要：為保證航母艦載機著艦安全性，提出了一種基于模糊控制的艦載機著艦指揮官（LandingSignalOfficer，LSO）引導決策系統建模方法。通過分析艦載機著艦過程安全影響因素，明確飛行狀態變化量，總結LSO引導決策特點，針對LSO自身特點和工作原理，結合模糊控制理論，分別設計艦載機著艦指揮官橫縱向回路模糊控制規則，建立LSO橫縱向回路控制模型，評價指令優先級，最終完成LSO著艦引導綜合決策系統模型的建立。數值仿真結果表明，利用模糊控制原理建立的LSO綜合著艦引導模型，輸出指令符合真實情況下著艦指揮官的實際操作指令，為艦載機著艦安全性的提高提供了幫助。

關鍵詞：艦載機；著艦指揮官；引導系統；模糊控制

中圖分類號：V249.11 文獻標識碼：A 文章編號：1673-5048（2013）05-0040-05

LandingSignalOfficerGuideSystemModelingBasedon FuzzyControlforCarrierBasedAircraft

LIHui，ZHUQidan，ZHANGZhi，YUMengzhu

（CollegeofAutomation，HarbinEngineeringUniversity，Harbin150001，China）

Abstract：Toensurethelandingsafetyofcarrierbasedaircraft，thepaperproposesanapproachfor thelandingsignalofficer（LSO）guidedecisionsystemmodelingbasedonfuzzycontrol.Thesafetyfactors inthelandingprocessareanalyzed，andLSO’scharacteristicsandworkingprincipleareconsidered.To establishLSOhorizontalandverticalfuzzycontrollerrespectively，theintegratedguidedecisionsystem modelwiththefuzzyintelligentcontrolisfinished.Simulationresultsshowthattheoutputinstructions whichcomefromthemodelestablishedbyfuzzycontrolprinciple，meettheactualoperatinginstructionsof LSOintherealcase.Itplaysanimportantroleforsafetyofcarrierbasedaircraftlanding.

Keywords：carrierbasedaircraft；landingsignalofficer（LSO）；guidesystem；fuzzycontrol

0 引 言

艦載機作為航母作戰體系的重要組成部分，以其機動性強，打擊面廣作為各國海軍實力的集中體現。由于工作環境的特殊性，當執行訓練和作

戰任務之后，操縱艦載機安全降落到航母甲板并準確鉤索對于每一名駕駛員來說都是非常困難的[1-6]。在艦載機進艦著艦過程中，航母艦尾左舷著艦指揮官（LandingSignalOfficer，LSO）時刻觀察艦載機飛行狀態，依據飛行偏差向飛行員發送指令，飛行員根據LSO指令及時調整飛機飛行狀態，保證安全有效的著艦效果，由于LSO為艦載機著艦安全提供了有力保障，因此在艦載機起降安全性研究過程中，對LSO著艦引導系統進行精確建模是十分必要的。

本文綜合分析艦載機著艦過程安全影響因素，明確LSO著艦引導特點，基于模糊控制方法，分別建立LSO縱向回路和橫側向回路控制模型，依據優先級原則將兩回路有機結合，實現LSO著艦引導系統建模。

1 艦載機著艦安全影響因素分析

艦載機進艦著艦過程中，飛行員需要依據當前飛行狀態和LSO指令對飛機不斷做出調整，完成偏差糾正，最終實現安全著艦[2-3，7]。影響艦載機著艦安全的因素主要分為縱向回路和橫側向回路兩類，其中縱向回路偏差包括下滑偏差和下沉率偏差；橫側向回路偏差包括對中偏差和漂移率偏差。

1.1 縱向回路

（1）下滑偏差

下滑偏差是LSO最關心的縱向實時偏差。通過對艦載飛機下滑位置的判斷，既可以時刻監視飛機飛行狀態，又可以判斷最終飛機到達艦尾處的甲板凈空。如圖1所示，在著艦的最后階段，如果飛機下滑航跡正確，只要繼續保持就能鉤住阻攔索，完成著艦，LSO不需發出復飛指令；如果飛機高于理想著艦軌跡，則有可能無法完成鉤索，導致逃逸復飛等現象的發生。因此，LSO不應該接受有高于著艦軌跡傾向的飛機著艦。如果飛機低于理想著艦軌跡，則有可能撞向艦尾或墜入大海造成機毀人亡的悲劇，所以，LSO也絕不能接受有低于著艦軌跡傾向的飛機著艦[2]。

（2）下沉率

下沉率即縱向的下沉速度。艦載機理想的進艦下沉率是恒定的，但由于飛機在著艦過程中存在俯仰、偏航和滾轉運動，飛行員有時利用更改下沉率或油門來實現飛行姿態的變化，當下沉率持續過小時，飛機可能會逐漸高于理想下滑道，無法成功鉤索，需要復飛，造成著艦失敗；當下沉率持續過大時，飛機可能會低于下滑道，存在墜海或撞擊艦尾的風險，這種情況應絕對避免。

1.2 橫側向回路

（1）對中偏差

對中偏差即對準位置偏差，是LSO關心的橫向實時偏差。所謂對中就是艦載機必須正確地對準降落作業區甲板跑道的中心線，否則就可能在降落后發生側向碰撞事故。LSO依據艦尾的“對中標尺”對飛機著艦過程對中品質進行判斷。如圖2所示，如果飛機對中靠左，則有可能墜入大海；如果飛機對中靠右，則有可能撞上甲板上的建筑或其他已停放的飛機[4]。

（2）漂移率

漂移率即橫向的位置變化率。飛行員利用改變漂移率來補償飛機的橫向偏差，但過大的漂移率會使飛機出現很大位置偏差，特別是當飛機向右的漂移率很大時，如果此時飛機向右的位置偏差也很大，機體容易撞擊航母右舷。因此飛行員應實時根據LSO提供的橫向指令更改漂移率，達到橫向對中的目的[3]。

從實際操作和應用方面考慮，上述四個影響因素是艦載機著艦指揮官最為關心的飛行狀態量，因此將其作為LSO著艦引導系統輸入是合理的。

2 LSO著艦引導系統結構特點

LSO作為個體人，其指令具有以下特點[8]：

（1）行為具有非線性特性；

（2）需要針對艦載機多個飛行狀態量完成著艦引導，過程具有復雜性特點；

（3）引導判斷具有模糊性。如LSO經常發出“飛機下滑位置有點高”，“飛機對準有點靠右”等指令[5]。

由于LSO行為的非線性、復雜性和模糊性，應用傳統控制方法對其建模難度很大，本文將建模對象———LSO作為“黑箱”，利用模糊控制方法來實現操作經驗的語言表述，形成“模糊規則”，并依據這些規則來模擬LSO的引導決策行為。

2.1 模糊控制理論

模糊控制器的組成結構如圖3所示[9-11]。

圖中“知識庫”框內的幾個模塊，分別是離線得出的隸屬函數庫t，存貯把數字量轉換成模糊量時使用的隸屬函數；控制規則庫R（近似推理算法），存貯進行近似推理的推理條件語句及近似推理的算法；清晰化算法庫fd，存貯對模糊量進行清晰化處理時使用的算法。

2.2 LSO著艦引導系統結構

LSO著艦引導系統工作原理：在艦載機著艦過程中，根據飛機當前的位置和姿態，獲取縱向回路下滑偏差和下沉率偏差，橫側向回路對中偏差和漂移率偏差，分別建立橫縱向模糊控制系統，得到橫縱向控制指令，根據實時飛行情況，適時向飛行員發送指令，系統結構如圖4所示。

本文利用自主設計的橫縱向模糊控制器，以1 s為周期輸出離散指令，經過LSO綜合著艦引導系統規則庫，向飛行員發送一維離散指令，飛行員接收引導指令，調整飛行狀態，使艦載機依據理想航跡飛行。艦載機系統與LSO系統作為兩個獨立的系統互通數據，并將數據作為反饋信號應用到各自系統中，二者共同作用形成完整的“艦載機-LSO”系統，保證艦載機安全有效地著艦。

3 LSO著艦引導系統建模

3.1 LSO縱向回路控制系統建模

LSO縱向回路模糊推理系統輸入論域為：下滑偏差和下沉率偏差，輸出信號為縱向回路離散糾偏指令。控制器的模糊判斷語言采用七標度分類法：正大（PB）、正中（PM）、正小（PS）、平均零（AZ）、負小（NS）、負中（NM）、負大（NB）。依據文獻[2]，下滑偏差范圍為[-1.5，1.5]，下沉率偏差范圍為[-1，1]。

由于人的判斷是遵循正態分布原則的，本文選擇Gauss型輸入論域模糊集合隸屬度函數[12]：

LSO縱向模糊控制器設計原則為：

（1）當縱向輸入偏差較大時，輸出的控制量應滿足盡快減小誤差的目的，特別是當艦載機向上的縱向偏差過大時，LSO應向飛行員發送向下的負大控制指令。

（2）當縱向輸入偏差較小時，在考慮消除誤差的基礎上，盡可能保持系統的穩定性，避免過大的超調和震蕩。

制定如表1中所示的模糊控制規則，表中橫向基準為下沉率，縱向基準為下滑偏差。

正弦信號輸入縱向模糊控制器中，得到引導指令輸出仿真曲線，如圖5所示。仿真結果表明：當下滑偏差為正大、下沉率也為正大時，LSO縱向輸出為負大；當下滑偏差為負大、下沉率為正大時，LSO縱向輸出為OK，輸出結果基本符合LSO縱向指令要求。

3.2 LSO橫側向回路控制系統建模

LSO的橫側向輸入信號為艦載機對中偏差和漂移率偏差，輸出信號為LSO橫側向回路離散指令，對中偏差范圍[-3.5，3.5]，漂移率范圍[-1，1]。將周期為6.3s和3.2s的對中偏差和漂移率偏差正弦信號輸入到橫側向回路模糊控制器中，得到相應的輸出信號，輸入輸出仿真曲線如圖6所示。

仿真結果表明：當對中偏差正大、漂移率也正大時，LSO橫向輸出為負大；當對中偏差為負大、漂移率為正大時，LSO橫向輸出為OK，輸出結果基本符合LSO橫側向指令要求。

3.3 LSO綜合著艦引導系統建模

在艦載機著艦過程中，飛行員接收LSO指令的同時，會分散控制艦載機的注意力，因此LSO有一條重要的工作原則：在保證艦載機安全進艦的前提下，盡可能少地向飛行員發送指令[1]。當LSO向飛行員發出超過一維的指令，將會使飛行員控制橫縱向飛行狀態嚴重耦合，增加艦載機著艦的危險系數，因此在實際工作過程中，LSO需要完成指令信息的優先級排序，優先向飛行員發送最關鍵、最重要的引導指令。

LSO綜合著艦引導系統的輸入為縱向回路和橫側向回路模糊控制器的輸出信號，系統判斷兩輸入信號的優先級，控制規則的設計原則為：

（1）同等級的向上指令比向左/右指令優先；

（2）同等級的向左/右指令比向下的指令優先；

（3）向左指令比下一級向上的指令優先。

此處同等級的概念是指確定的數據在七標度模糊語言中相同。

LSO引導決策系統控制器的控制規則如表2所示，表中橫向基準為橫側向回路指令，縱向基準為縱向回路指令。

由于LSO向飛行員發送的指令為離散信號，因此需要先將LSO橫縱向模糊控制器的輸出曲線離散化，利用制定好的控制規則，得到相應時刻的離散指令，離散指令條形圖如圖7所示。

從指令條形圖中可以看出，著艦指揮官依據當前著艦風險自動判斷指令優先級，在橫縱向14條指令中選擇一維指令向飛行員發送，使飛行員明確當前最主要飛行偏差，依據糾偏指令執行相應飛行更正，從而實現最終著艦安全。

4 結 論

對本文建立的LSO模糊智能引導系統模型進行仿真的結果表明，利用模糊控制建立的LSO引導模型符合真實著艦指揮官的工作特點，輸出結果基本符合真實環境下的糾偏效果。同時，系統模型的建立也為具有模型不確定性、非線性以及任

務環境復雜性的對象，特別是對象是人的情況，提供了一種行之有效的解決方法。

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以色列求購10000多枚靈巧炸彈

美國國防安全合作局（DSCA）2012年12月10日向美國國會提交的報告顯示，以色列已經向美國申請采購10350枚慣性導航系統/全球定位系統制導炸彈。

采購申請包括5175枚GBU-31、1725枚GBU-38、3450枚GBU-39炸彈以及35500枚各種類型的引信、備附件、訓練和保障服務。所有這些炸彈都已經在以色列空軍（IAF）的采購物資清單中。其中GBU-31包括“聯合直接攻擊彈藥”（JDAM）制導組件，配裝2000磅的Mk84通用戰斗部或用于摧毀掩體目標的BLU-109侵徹戰斗部。以色列申請采購Mk84和BLU-109的數量分別是3450枚和1725枚。較小的GBU-38由“聯合直接攻擊彈藥”（JDAM）組件與500磅的Mk82通用戰斗部組成。

據美國國防安全合作局（DSCA）估計，此次以色列申請采購的合同總價可能高達6.47億美元。相比之下，2007年以色列申請采購了10000枚“聯合直接攻擊彈藥”（JDAM）組件、4000枚“寶石路”Ⅱ激光制導炸彈組件、13500枚通用戰斗部和侵徹戰斗部以及50枚GBU-28“寶石路”Ⅲ鉆地彈（每枚重2075kg），估計總價也不過4.65億美元。

還有一個值得注意的現象是，DSCA公布的此次采購清單中沒有以色列預計要購買的額外的GBU-28鉆地彈，這可能是因為美國擔心以色列用其對伊朗實施單邊打擊而不愿提供。

從業界的觀點來看，潛在的以色列JDAM訂單對于波音公司將是令人欣喜的援助，在美國不確定的預算氣氛中，這將增加它的出口。

GBU-39SDB的采購需求對研制這種炸彈的波音公司和洛克希德·馬丁公司聯合團隊來說也是好消息，因為僅為美國軍方生產340多枚SDB炸彈，而美國軍方正轉向采購雷神公司的GBU-53SDBⅡ。

同時，如果美國國會批準了采購請求，以色列空軍（IAF）將不可能從以色列軍事工業（IMI）公司訂購大量的戰斗部或購買艾爾比特（Elbit）系統公司的Lizard4激光制導組件。

（張傳勝 趙鴻燕）