自動地形跟隨控制律設計

陳孔錦，余云鵬，楊振聲，徐 燕

（航空工業洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

地形跟隨最早的雛形是低空飛行。早在20 世紀40 年代，低空飛行就已應用于軍事作戰，飛機利用地球曲率對雷達探測的避讓、地形對雷達探測的遮擋及地雜波對雷達探測的干擾加強隱身效果完成對敵防區的突然打擊[1]。由于技術限制，早期低空飛行主要依靠飛行員駕駛完成。然而超低空大速度飛行時，飛行員高度緊張，負擔很重，要在陌生地域、復雜氣象、夜間等環境下依靠飛行員駕駛完成超低空長距離飛行，幾乎不可能。隨著地形探測雷達和地形跟隨控制方法的發展，基于自動地形跟隨的超低空突防才逐漸成為可能。

基于地形探測雷達的地形跟隨技術需發射電磁波探測前方地形，隱身效果差。隨著數字地形技術和導航技術的成熟，出現了隱身效果更佳、突防效果更好的基于數字地形庫的自動地形跟隨技術。飛行員在低空突防系統中設置好起始點和目標點后，系統自動規劃參考航跡，飛機在地形跟隨控制算法控制下自動沿參考航跡飛往目標點[2]。

自動地形跟隨以超低空形式進行時，參考航跡緊貼地形起伏，飛機要嚴格沿參考航跡飛行，否則會出現撞地、撞山危險。為此，本文設計兩種適合超低空突防的自動地形跟隨控制方案。

1 控制方案

要實現飛機嚴格沿起伏變化劇烈的地形跟隨參考航跡飛行，就要保證飛機在參考航跡上飛行航跡傾角跟隨參考航跡傾角變化，為此設計了兩種基于飛行高度偏差和航跡傾角偏差的自動地形跟隨控制方案。

方案一的地形跟隨控制律框圖如圖1 所示。地形跟隨控制回路根據飛行高度差、升降速度差和升降加速度差進行控制，地形跟隨控制回路以飛機實時位置、飛行高度、升降速度和升降加速度作為輸入，經地形跟隨控制回路解算輸出法向過載指令，法向過載指令輸入到縱向控制增穩回路，由縱向控制增穩回路解算輸出平尾偏轉指令，控制飛機運動。由飛機位置插值參考航跡高度時，不能直接用飛機實時位置，應疊加一定的位置提前量，相當于飛行員進行手動地形跟隨時，不是根據飛機實時高度和飛機正下方的地形高度來控制飛機，而是綜合考慮飛機實時高度、速度、響應速度和飛機前方一定距離的地形高度及地形陡峭程度來控制飛機，因此位置提前量應隨飛機速度和地形陡峭程度調參。如果飛機速度快、地形陡峭，位置提前量應大些；如果飛機速度慢、地形平緩，位置提前量應小些。航跡傾角的正切值與升降速度存在近似線性關系。引入飛行高度差信號的作用是根據高度偏差將飛機拉到參考航跡上；引入升降速度差信號的作用是間接控制飛行航跡傾角，讓飛行航跡傾角跟上參考航跡傾角；引入升降加速度差信號的作用是間接控制飛行航跡傾角變化率，讓飛行航跡傾角變化率跟上參考航跡傾角變化率，這樣才能保證飛行航跡傾角跟上參考航跡傾角，上述三路信號相輔相成，才能保證飛機嚴格沿地形跟隨參考航跡飛行。

方案二的控制律框圖如圖2 所示。地形跟隨控制回路根據飛行高度差、航跡一階導差和航跡二階導差進行控制，地形跟隨控制回路以飛機實時位置、飛行高度、飛行航跡一階導和飛行航跡二階導作為輸入，經地形跟隨控制回路解算輸出法向過載指令，法向過載指令輸入到縱向控制增穩回路，由縱向控制增穩回路解算輸出平尾偏轉指令，控制飛機運動。由飛機位置插值參考航跡高度時，飛機位置同樣要疊加一定的位置提前量，位置提前量同樣應隨飛機速度和地形陡峭程度調參。 航跡傾角的正切值為航跡一階導。 引入飛行高度差信號的作用是根據高度偏差將飛機拉到參考航跡上；引入航跡一階導差信號的作用是控制飛行航跡傾角，讓飛行航跡傾角跟上參考航跡傾角；引入航跡二階導差信號的作用是控制飛行航跡傾角變化率，讓飛行航跡傾角變化率跟上參考航跡傾角變化率，這樣才能保證飛行航跡傾角跟上參考航跡傾角，上述三路信號相輔相成，就能保證飛機嚴格沿地形跟隨參考航跡飛行。

圖2 地形跟隨控制律框圖（方案二）

2 仿真結果

假設飛機以速度800km/h、正飛形式進行地形跟隨，航跡傾角限制為-15°至30°，法向過載限制為0g至3g，最小離地安全高度為50m，對于給定的地形，經綜合航跡平滑算法規劃出參考航跡，分別采用方案一和方案二讓飛機沿參考航跡飛行，方案一仿真結果如圖3 至圖4 所示，方案二仿真結果如圖5 至圖6 所示。

圖3 飛行航跡（方案一）

圖4 飛行參數（方案一）

圖5 飛行航跡（方案二）

圖6 飛行參數（方案二）

對于方案一，從圖中可以看出，飛機基本壓參考航跡飛行，最大偏離出現在過頂第二座山峰時，飛行航跡比參考航跡高1.55m，由于飛行航跡比參考航跡高，不影響飛行安全。地形跟隨過程中，航跡傾角在限制范圍內，法向過載稍有超限。

對于方案二，從圖中可以看出，飛機基本沿參考航跡飛行，最大偏離出現在過頂第二座山峰時，飛行航跡比參考航跡高3.17m，由于飛行航跡比參考航跡高，不影響飛行安全。地形跟隨過程中，航跡傾角在限制范圍內，法向過載在飛機從谷底拉起和飛越谷頂時瞬時超限。

兩次地形跟隨最大偏離都出現在過頂第二座山峰時，這是由于第二座山峰左右坡度較陡，當飛機沿參考航跡上坡過頂時，由于上坡坡度陡和飛機慣性，會造成飛機來不及調整航跡，沖出坡頂；飛機沖出坡頂后，也會由于下坡坡度陡和飛機慣性，造成飛機需要較長時間調整下滑航跡。因此，可考慮根據地形陡峭程度進行相應控制律參數調參。

另外，雖然參考航跡是基于800km/h 規劃的，但飛行過程不要求飛機以800km/h 飛行，只要飛行速度不大于800km/h 即可，速度大于800km/h 可能會造成法向過載超限。

3 結語

本文設計了兩種自動地形跟隨控制方案，兩種方案本質都是基于飛行高度偏差和航跡傾角偏差進行控制，仿真中兩種方案都能保證飛機沿參考航跡飛行，上述方案適用于低空、超低空自動地形跟隨，對相關系統工程設計有一定的借鑒意義。