菲涅爾助降系統控制律對艦載機著艦安全性影響

屈程+鄒鑫+王鵬

摘 要：研究了菲涅爾光學助降系統控制律對艦載飛機著艦安全性的影響。闡述了光學助降系統控制律的工作機理，采用白噪聲通過成形濾波器的方法建立了甲板運動的隨機模型，針對不同海況條件，仿真分析了線穩定和慣性穩定方式助降系統控制律對艦載機著艦安全性的影響。結果表明：采用線穩定方式助降系統控制律在平穩和惡劣海況條件都能保證較好的著艦安全性；采用慣性穩定方式控制律在平穩海況條件能保證相對較好的著艦安全性，但在惡劣海況條件著艦成功率僅能達到59%，不能保證著艦安全性。

關鍵詞：艦載機；助降系統控制律；線穩定；慣性穩定；著艦安全性

中圖分類號：V212.1 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）35-0017-03

艦載飛機的著艦比陸基飛機的著陸更加困難和危險，到目前為止，菲涅爾光學著艦助降系統依然是艦載飛機著艦引導最終階段的最基本手段[1]。在航母隨海浪的搖晃和振蕩運動下，菲涅爾助降系統發出的光波束也隨之運動，使光學下滑道發生變化，進而引起理想著艦點的位置變化，這會導致較大的著艦偏差，嚴重時甚至造成著艦失敗。菲涅爾助降系統控制律能夠根據甲板運動的信息，按一定的規律控制下滑道光波束運動，使光波束相對于甲板運動盡可能穩定，從而增加著艦成功率[2]，因此，研究菲涅爾光學著艦助降系統控制律對艦載飛機著艦安全性的影響，對于保證艦載機飛行安全具有非常重要的意義。

目前國內關于艦載機著艦安全性的研究，主要集中在航母運動[3-5]以及航母艦尾流[6-8]的影響方面，而關于菲涅爾光學著艦助降系統控制律對艦載飛機著艦安全性影響的研究還比較少見。本文在對比分析不同光學著艦助降系統控制律的基礎上，通過引入平穩隨機過程理論，采用白噪聲通過成形濾波器的方法建立了甲板運動的隨機模型，針對平穩海況和惡劣海況兩種條件，仿真并分析了采用不同助降系統控制律對艦載機著艦安全性的影響。

1 菲涅爾助降系統控制律

菲涅爾光學著艦助降系統控制律能夠在慣性空間為飛行員提供一條相對于艦體穩定的光波束，主要包括角穩定、點穩定、線穩定、慣性穩定四種方式[1]。角穩定和點穩定方式雖然能夠保證理想著艦點不變，但是會在著艦過程中給飛行員操縱飛機帶來很大的困難，因此，這兩種方式已經很少使用。目前四種方式中使用較為廣泛的是線穩定和慣性穩定方式：

線穩定方式是指在慣性空間內保持光波束相對穩定，通過一定的規律控制菲涅爾燈箱的運動，保證光波束不受航母甲板俯仰和滾轉運動的影響，只隨甲板的垂蕩運動而垂直運動，且垂蕩幅度與航母保持一致。

慣性穩定方式是指在慣性空間內保持光波束絕對的穩定，通過光學助降系統控制律保證光波束不受甲板運動的影響。

通過對比不難發現，線穩定和慣性穩定方式的不同之處在于是否對航母甲板的沉浮運動進行了補償，本文針對線穩定和慣性穩定兩種方式助降系統控制律對艦載機著艦安全性的影響開展研究。

2 甲板運動隨機模型

助降系統控制律的核心是利用光波束對甲板的運動進行補償，因此，精確模擬甲板運動對于研究助降系統控制律對著艦安全性的影響非常有必要。如圖1所示，航母六自由度運動包括橫蕩、垂蕩、縱蕩、艏搖、橫搖和縱搖，在風、海況以及航母本身狀態等因素的共同作用下，甲板運動具有很高的復雜性。

文獻[4]通過采用正弦波疊加的方式建立了確定性的甲板運動數學模型，但實際上甲板運動是一個復雜的隨機過程，不能采用確定性的函數描述[9]，針對確定性的甲板運動數學模型的不足，本文采用白噪聲通過成形濾波器的方法建立了甲板運動的隨機模型。

根據隨機過程理論，如果產生隨機現象的條件在一定時間內無明顯變化，就可以把一個隨機過程看成平穩的。由于航空母艦具有很大的尺寸和重量，在艦載機著艦這一短暫的過程中產生甲板隨機運動的條件不會發生明顯變化，因此甲板運動可以視為平穩隨機過程。

如圖2所示，如果一個線性定常系統的輸入x（t）是一個平穩隨機過程，那么經過線性傳遞函數G（s）后的輸出y（t）也是一個平穩隨機過程。

3 理想著艦點處高度偏差

艦載機在理想著艦點處的高度偏差是影響著艦精度和安全的重要因素之一[5]，該偏差的理想值范圍是-2.493～4.986ft，允許值范圍是-4.986～10.004ft，當該偏差小于允許值的最小值時會造成艦載機提前撞艦，當該偏差大于允許值的最大值時會造成艦載機鉤鎖脫掛[3]。因此，本文重點分析線穩定和慣性穩定兩種方式助降系統控制律對艦載機在理想著艦點處高度偏差的影響。

圖3給出了艦載機在理想著艦點處高度偏差示意圖，其中，ha為飛行員眼睛到基準光波束的垂向距離，RTD為理著艦點與菲涅爾透鏡之間的水平距離，β0為光基準下滑波束角， 為艦載機在理想著艦點處的實際高度，h？墜？壯D航母甲板在海浪作用下會發生搖蕩運動，此時理想著艦點的高度為hTD，艦載機在理想著艦點處的高度偏差△hTD為：

在艦載機著艦過程中，飛機需要跟蹤光波束的運動hb，當飛機跟上光波束后，有ha=hb，這樣（4）式可以改寫為：

其中，hs為甲板的垂蕩幅度，？茲s和？漬s航母甲板的縱搖角和橫搖角，LTD為理想著艦點距離航母俯仰中心的水平距離，YTD為理想著艦點距離航母滾轉軸的水平距離。

4 仿真分析

仿真分析了線穩定和慣性穩定兩種方式菲涅爾光學助降系統控制律對艦載機著艦安全性的影響，LTD=286ft，H/E=14.5ft，RTD=275ft，β0=3.5°，在航母六自由度搖蕩中，縱搖和垂蕩運動對理想著艦點高度變化的影響最大[3]，因此，本文重點研究航母甲板的縱搖和垂蕩運動影響。文獻[10]給出了平穩海況和惡劣海況下航母甲板縱搖和垂蕩運動的傳遞函數：

甲板隨機運動采用白噪聲通過成型濾波器的方法仿真實現，仿真條件設置為：有限帶寬白噪聲隨機種子數為81262，噪聲功率譜密度為1，采樣時間為0.1s，仿真算法采用固定步長歐拉法。圖4給出了平穩海況分別采用線穩定和慣性穩定方式助降系統控制律時理想著艦點的高度偏差，觀察圖4（a）可以發現，采用線穩定方式理想著艦點的高度偏差幾乎全部處于理想偏差區，在30s的時間長度內進入允許偏差區的時間為0.9s，占總仿真時間的3%，一般不會造成提前撞艦或鉤索脫掛的危險；觀察圖4（b）可以發現，采用慣性穩定方式理想著艦點的高度偏差全部處于理想偏差區，同樣不會出現鉤索脫掛或提前撞艦的情況。endprint

圖5給出了惡劣海況分別采用線穩定和慣性穩定方式助降系統控制律時理想著艦點的高度偏差。觀察圖5（a）可以發現，在惡劣海況下采用線穩定方式助降系統控制律能夠保證較好的著艦成功率，理想著艦點的高度偏差在30s仿真時間內僅有2.3s進入了允許偏差區，占總仿真時間的7.67%，不會引起鉤索脫掛或提前撞艦的危險；觀察圖5（b）可以發現，采用慣性穩定方式理想著艦點的高度偏差進入提前撞艦區和鉤索脫掛區的時間分別為5.3s和7s，分別占總仿真時間的17.67%和23.3%，惡劣海況下，在30s仿真時間長度內艦載機著艦成功率僅為59%，按照規范要求，著艦成功的概率至少應在65%以上，因此，惡劣海況下采用慣性穩定方式助降系統控制律不能滿足艦載機著艦安全性的需求。

5 結束語

針對平穩海況和惡劣海況條件，仿真分析了采用線穩定和慣性穩定方式菲涅爾光學助降系統控制律對艦載機著艦安全性的影響，主要結論如下：（1）本文方法能夠模擬不同海況條件采用不同方式助降系統控制律時艦載機在理想著艦點處的高度偏差。（2）艦載機在平穩海況條件下著艦時，采用線穩定和慣性穩定方式助降系統控制律都能夠保證相對較高的著艦安全性，可以優先選擇飛行員操縱負擔相對較輕的慣性穩定方式助降系統控制律引導飛行員著艦。（3）艦載機在惡劣海況條件下著艦時，采用線穩定方式助降系統控制律能夠保證相對較高的著艦安全性，采用慣性穩定方式助降系統控制律著艦成功率相對較低，盡管飛行員能夠根據經驗以及著艦指揮官的指令及時作出調整以提高著艦成功率，但并不能完全保證艦載機著艦的安全性，因此，惡劣海況條件下應盡量避免采用慣性穩定方式助降系統控制律進行艦載機著艦引導。

參考文獻：

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