視覺條件對艦載機著艦終端誤差影響研究*

91245部隊 葫蘆島 125000)

視覺條件對艦載機著艦終端誤差影響研究*

桑亮

91245部隊 葫蘆島 125000)

針對光學助降系統易受到不良氣象條件(如低能見度)影響的缺點,研究了不同視覺條件對艦載機著艦終端誤差的影響。在光學著艦引導系統模型建立的基礎上,對分別采用光波束慣性穩定和角穩定方案時的著艦終端誤差進行了仿真對比分析。結果表明,采用慣性穩定方案時著艦終端誤差較大,采用角穩定方案時著艦終端誤差受視覺條件的影響較大。

光學助降系統;光波束穩定;著艦終端誤差;視覺品質

ClassNumberV37

1 引言

菲涅爾透鏡光學助降系統(Fresnel Lens Optical Landing System,FLOLS)是目前各國海軍普遍采用的艦載機光學著艦引導系統,它能夠相對于慣性空間提供一條光學下滑道,引導艦載機安全著艦。但其易受不良天氣(如低能見度)的影響,從而干擾駕駛員對下滑道的跟蹤。在實際工作中,由于受海浪海涌的影響,航母甲板會產生動態運動,從而使菲涅爾透鏡光學助降系統發出的光波束產生波束運動。為了穩定光波束的運動,給駕駛員提供一個相對理想的下滑道,菲涅爾透鏡光學助降系統通常有五種穩定方案:慣性穩定、角穩定、線穩定、點穩定和補償“肉球”穩定。

由于篇幅所限,本文將僅比較采用慣性穩定和角穩定方案時的著艦終端誤差的大小,并分別研究采用這兩種穩定方案時,不同視覺條件對著艦終端誤差的影響。

2 光學著艦引導系統建模

光學著艦引導系統包括助降系統控制律、下滑光波束運動方程、視覺信息環節、駕駛員環節、飛行控制系統、終端誤差方程等六個部分,如圖1所示[1～3]。

圖1 光學著艦引導系統模型

下面對上述各環節進行數學建模。

2.1 駕駛員模型

圖2 跟蹤飛行狀態下的駕駛員模型

(1)

該模型與真實駕駛員的工作頻率特性幾乎一致,使用該模型,在有人駕駛下,能使任何被控飛行動力學得到穩定[5]。

2.2 視覺信息模型

由于氣象條件的不利影響,駕駛員觀察到的下滑軌跡偏移量(hb-ha)與實際的偏移量會不完全一致,這樣的觀察偏差可用模擬駕駛員視覺信息模型來描述。

圖3 視覺信息模型

這里以可用的視覺信息環境UCE(Usable Cue Environment)來對視覺品質進行等級評定。視覺品質由UCE值進行量化,且二者之間成反比關系,UCE的值越大視覺品質就越差。UCE的定義方法如表1所示[6]。

表1 UCE的定義方法

表2給出了UCE值與視覺品質的關系,并說明了不同等級視覺品質的含義。

表2 視覺信息等級(UCE=1～5)的含義

視覺品質等級Ⅰ～Ⅴ所對應的模型輸出誤差如圖4所示。從圖4中可以看出,隨著視覺條件的變差,駕駛員的觀察誤差也相應變大。

圖4 視覺信息模型的輸出誤差

2.3 飛控系統模型

在菲涅爾透鏡光學助降系統發出的下滑光波束的引導下,駕駛員通過對“肉球”指示信號的跟蹤來校正飛機的下滑軌跡。此時飛機工作在反區狀態下,駕駛員采取的是反區操縱技術,即以駕駛桿控制迎角,以油門調整下降速率。本文所采用的飛行控制系統模型,包括油門控制回路、發動機和自然飛機動力學,如圖5所示。此模型中自然飛機動力學采用的是美國A-7E艦載機數據[6]。

圖5 飛行控制系統模型

圖6所示為飛行控制系統模型的階躍響應特性仿真圖,從圖中可以看出此模型的響應特性比較令人滿意。

圖6 飛機控制模型的階躍響應特性

2.4 助降系統控制律

助降系統控制律[7～8]是指根據由海浪海涌引起的甲板運動hs、θs、φs,按一定規律控制光源燈指示器的俯仰θL與滾轉φL,盡可能地為駕駛員提供一條理想下滑道。

采用美國ESSEX航母的幾何數據可確定慣性穩定助降系統控制律:

φL(t)=-0.89θs(t)+0.90φs(t)-0.815hs(t)
θL(t)=0.98θs(t)-0.13φs(t)

(2)

角穩定助降系統控制律:

φL(t)=-4.95θs(t)+1.00φs(t)
θL(t)=0.98θs(t)-0.14φs(t)

(3)

式(2)、式(3)中φL、θL的單位為(°),hs的單位為(m)。

2.5 光波束運動

理想情況的下滑光波束是一條以航母運動速度做平移運動的光波,但是在實際情況下,由于受到海浪、海涌的影響,航母會在海面上做六自由度的運動。由于艦體的俯仰與橫滾,就會使得甲板平面相對于海平面產生動態運動,從而造成下滑基準光波束產生波束運動。在不考慮穩定平臺跟蹤誤差引起的指示誤差時,可以得到下滑光波束運動的表達式為

hb=hs+LFNsinθs+YFNsinφs

(4)

其中,hs、θs、φs分別為航母在海浪、海涌作用下產生的隨機的沉浮運動、俯仰運動和滾轉運動,LFN為沿甲板中心線方向的光源至艦船縱搖中心的距離;YFN為沿垂直于甲板中心線方向的光源至艦船縱搖中心的距離。

由于可將航母運動視作平穩隨機過程,因此可利用白噪聲通過與功率譜相對應的成型濾波器的方法,得到時間域中的甲板運動信息。根據文獻[9]給出的美國ESSEX航空母艦在航速為8kn時,在中心高度為17ft海涌作用下的甲板俯仰、滾轉及沉浮運動的功率譜,可以得到的各成型濾波器的傳遞函數如下:

(5)

其中W·N為模擬海浪運動的白噪聲。

為了消除甲板運動對穩定光波束的不利影響,本文采用慣性穩定和角穩定兩種方案。慣性穩定方案是指保持下滑光波束在慣性空間中絕對穩定,作為正常工作中助降系統采用的首選方案,其波束運動方程為

hb(t)=0

(6)

在光波束角穩定狀態下,由菲涅爾光學助降系統提供的下滑基準光波束應該與海平面成一個固定的夾角。采用文獻[6]中的角穩定方案,光波束運動方程為

hb(t)=hs(t)-286θs(t)+7φs(t)

(7)

分別對慣性穩定和角穩定方案在Matlab/Simulink環境下進行仿真得到如圖7所示的下滑光波束運動軌跡。

圖7 下滑光波束運動hb

2.6 終端誤差方程

艦載機著艦終端誤差由三項組成,即飛機在理想著艦點處的高度誤差ΔhTD,飛機在艦尾處的高度誤差ΔhR,以及飛機在理想著艦點處的撞擊速度誤差ΔVTD。文獻[6]給出著艦終端誤差方程為

(8)

其中,haTD為飛機在理想著艦點處的實際高度,hTD為理想著艦點的高度,LTD為艦俯仰中心離著艦點的水平距離,YTD為著艦點離艦滾轉軸的距離,haR為飛機在艦尾處的實際高度,UR為飛機相對于艦的相對速度,ψd為航母中間線與甲板中心線的夾角一般取ψd=11°20′。

由于haTD具有平穩隨機過程的統計特性,因而可取haTD(t)的n個采樣,按式(9)求出其均方根值σ(haTD)。

(9)

σ(ΔhTD)=σ(haTD)-σ(hTD)

(10)

同樣可求得σ(ΔhR)和σ(ΔVTD)。

3 仿真與分析

以駕駛美國A-7E艦載機采用目視方式進行著艦為例,比較慣性穩定和角穩定兩種方案下著艦終端誤差的大小,并研究不同視覺條件對著艦終端誤差的影響。

飛機進入著艦窗口捕獲下滑道,進入下滑道的飛行高度為H0=116m,駕駛員眼睛離透鏡虛像距離Rx0=1524m,飛機真空速度U0=66.4m/s,母艦前進速度Us=15m/s,自然風速W=-2.57m/s,下滑基準光波束角β0=3.5°,如圖8所示。

圖8 艦載機下滑圖

根據圖1所示光學著艦引導系統模型進行仿真,可以得到視覺品質等級Ⅰ～Ⅴ級條件下,分別采用慣性穩定和角穩定方案時ha對hb的跟蹤情況(如圖9、圖10所示)。從圖中可以看出,隨著視覺品質的下降駕駛員對下滑道的跟蹤效果也在變差,相比較而言視覺條件對采用角穩定方案時的跟蹤情況影響較大。

圖9 慣性穩定ha對hb的跟蹤

圖10 角穩定ha對hb的跟蹤

根據式(8)的著艦終端誤差方程進行仿真計算得到表3和表4的結果。

從表格中的數據可以看出,在相同視覺條件下采用慣性穩定方案時,著艦終端誤差的三項指標(ΔhTD、ΔhR、ΔVTD)均比采用角穩定方案時大。這主要是由于采用慣性穩定方案時,助降系統為駕駛員提供了相對穩定的下滑光波束,這有利于駕駛員對理想下滑道的跟蹤。但是,相對穩定的下滑光波束卻無法實時地反映出甲板真實的運動情況,導致著艦終端誤差偏大。采用角穩定方案時,助降系統為駕駛員提供的是隨著艦點而運動的下滑光波束。這雖然增加了駕駛員對理想下滑道跟蹤的難度,卻能夠實時地反映出甲板的運動情況,在整個下滑過程中駕駛員有充足的時間來調整飛機姿態,從而減小著艦終端誤差。

表3 采用慣性穩定方案時不同視覺條件下各誤差統計特性

表4 采用角穩定方案時不同視覺條件下各誤差統計特性

從表中的數據還可以看出,無論是采用慣性穩定方案還是角穩定方案,隨著視覺條件變差終端誤差也在相應地變大。但相比較而言,視覺條件對角穩定方案影響較大(誤差增加的幅值較大)。這是因為,采用角穩定方案時,下滑光波束會產生波束運動,駕駛員按“肉球”指示修正下滑軌跡來跟蹤下滑光波束的運動,此時駕駛員對“肉球”偏移量的觀察就很容易受到視覺條件的影響。雖然表3、表4所列誤差均在允許范圍之內[11],著艦成功概率滿足規范要求(在65%以上)[12],但是隨著視覺品質的下降,駕駛員需要注意適當減小操縱增益,以獲得滿意的跟蹤效果。

4 結語

慣性穩定方案作為光學助降系統實際工作中的首選方案,能夠在慣性空間為駕駛員提供相對穩定的下滑光波束,這有利于駕駛員捕獲理想下滑道,但卻增加了著艦終端散布誤差的幅值。采用角穩定方案可以減少著艦終端誤差,但其易受視覺條件的影響,當視覺品質下降時,駕駛員應采取適當減小操縱增益的控制策略。

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ImpactofVisualConditionontheTerminalLandingError

SANG Liang

(No. 91245 Troop of PLA, Huludao 125000)

For the shortcoming that optical carrier landing guidance system is easily affected by the bad weather condition such as lew visibility, the impact of different visual conditions on carrier-based airplane terminal landing error was studied. After optical carrier landing guidance system was modeled, the terminal landing error of carrier-based airplane by using inertia stabilization scheme and angle stabilization scheme, were contrasted using Matlab/Simulink simulation. The simulation result showed that the terminal landing error was much larger when using inertia stabilization scheme, and visual condition had much more effective on angle stabilization scheme.

optical carrier landing guidance system, optical beam stabilization, terminal landing error, visual quality

2013年11月9日,

:2013年12月23日

桑亮,男,助理工程師,研究方向:通信系統工程與應用。

V37DOI:10.3969/j.issn1672-9730.2014.05.040