舰载机自动着舰引导与控制研究进展

舰载机自动着舰是一项复杂的系统工程。本文概述与总结了舰载机自动着舰系统及着舰引导与控制关键技术的发展现状;阐述了自动着舰系统的发展历程、设计规范,详细描述了自动着舰系统的基本架构和工作原理。在总结舰载机自动着舰引导与控制关键问题的基础上,详细概述和分析了舰载机数学建模、着舰引导、着舰飞行控制、动力补偿/自动油门控制、甲板运动建模、预估和补偿控制、舰尾气流建模与抑制、雷达噪声抑制与误差标校、复飞/逃逸决策与控制等关键技术的研究进展。最后,对舰载机自动着舰引导与控制的研究成果作了总结,并对未来发展方向进行了展望。本文旨在促进舰载机自动着舰技术的发展。     

油门响应特性对飞行员操纵着舰任务的影响研究

为了研究舰载机小油门响应特性对着舰任务的影响,建立舰载机着舰动力学模型以及驾驶员模型,以此为研究基础,采用自动油门系统(APCS)来分担驾驶员的操纵负荷,提高舰载机着舰的准确性。小油门的响应设计准则为:在油门阶跃输入后1.2 s的时间内使飞机的稳态加速度值达到±0.12g的90%。针对3种不同油门特性进行了飞行员操纵着舰的仿真计算。结果表明,飞机在进入下滑道时达到5 m的高度误差、小油门响应超过1.6 s时,驾驶员操纵舰载机将不能达到着舰要求。     

基于临界能量管理的着舰技术研究

以一种全新的视角,用能量管理来解释舰载机着舰,更加直接地分析舰载机的运动状态,并从能量管理的角度为着舰驾驶操作提供有益参考。结合舰载机着舰仿真数据,分析飞机油门、驾驶杆等控制量的输入对舰载机能量状态的影响,总结了规律性的着舰操纵方法,有助于飞行学员理解和掌握着舰理论,对其掌握舰载机的着舰驾驶技能有着积极的作用。     

舰载机油门助力装置评估试飞技术研究

由于舰载机在着舰下滑阶段采用的是反区(backside)操纵技术,这种驾驶操纵需要飞行员小量高频地推拉油门,这就要求油门杆操纵力足够小,以满足飞行员精确控制飞行轨迹的需求。介绍了油门助力装置在舰载机着舰下滑过程中的应用,提出了油门助力装置评估的方法。飞行试验结果表明,所提方法能够对油门助力装置给出客观评估,同时对后续其他操纵系统的评估提供参考。     

F/A-18E/F全自动着舰飞行特性分析

以F/A-18E/F舰载机为对象,针对航迹精确控制和安全性要求,分析了舰载机全自动着舰飞行特性。首先,基于自动着舰控制系统,建立了全自动着舰飞行控制系统的动力学模型;然后,对下滑轨迹纠偏与控制能力、控制器指令响应特性、变换下滑道机动特性进行了仿真分析。仿真结果表明,在全自动着舰安全边界范围内,舰载机能在较短时间内将航迹控制在理想下滑线附近;控制器具有良好的高度变化率、俯仰角、俯仰角速度等状态指令响应特性及控制面指令响应特性;F/A-18E/F变换下滑道机动则需要配合油门完成,说明仅通过平尾控制实现该机动并非安全着舰的必要条件。     

舰尾流影响下的舰载机着舰控制与仿真研究

舰载机着舰时处于“低速大迎角下滑”的飞行状态,飞机的操纵性下降,加上舰尾雄鸡尾流的干扰,如果不能很好地控制很可能造成着舰失败。搭建考虑高度影响的舰载机着舰动力学模型,从“力与运动的动态关系”和“能量转换”两个角度进行舰载机着舰过程物理机理的研究,并利用模糊PID控制器的快速收敛能力对比分析迎角、速度和高度三个反馈量,升降舵和油门杆两个控制量,共六个控制通道的控制机理和内在关系,得出它们的优劣势和适用情况。进行有风扰动下的控制仿真及分析,筛选出油门杆高度反馈PID控制器作为舰尾流扰动下的控制系统,仿真结果验证了该控制器的有效性。     

考虑杆臂效应与挠曲变形的全自动着舰技术

联合精确进近和着陆系统（JPALS）舰载组件旨在为最终进近阶段的舰载机提供自动着舰能力。针对由于舰船杆臂效应与挠曲变形的存在导致舰载机着舰定位精度下降的问题,开发了一种基于卫星引导的全自动着舰非线性化参数误差模型,结合舰船甲板运动及舰载机纵向飞行控制模型,评估舰船结构挠曲和姿态不确定性对着舰落点精度的影响。结果表明,杆臂效应与挠曲变形对着舰落点精度有显著影响,利用建立的误差模型以及飞行控制模型,能够将着舰落点精度有效控制在着舰标准之内。     

基于滑模变结构控制的舰载机动力补偿系统设计

分析了舰载机进场动力补偿系统的必要性,给出了一种基于趋近律的离散时间滑模变结构控制方法。利用该方法设计了一种保持地速迎角恒定的舰载机进场动力补偿系统,建立了舰载机自动着舰的综合仿真模型。仿真结果表明,通过控制俯仰角的变化量,能够使舰载机快速准确地沿着理想的下滑轨迹着舰,该动力补偿系统能够有效抑制舰尾气流扰动的影响,具有较强的鲁棒性。     

舰载机人工进场着舰精确轨迹控制技术

进场着舰精确轨迹控制是舰载机设计的难点和关键技术之一。首先，对舰载机人工进场着舰轨迹及精确轨迹控制的应用需求进行了讨论，指出其必要性和直观的有益效果；随后，讨论了舰载机进场着舰精确轨迹控制的演变过程、发展趋势及涉及的等角下滑航迹率控制技术、进场动力补偿技术、直接力控制技术、DP（Delta flight Path）控制技术等关键技术；最后，讨论了舰载机进场着舰精确轨迹控制对减轻驾驶员操纵负担、降低触舰点分散度、减小触舰载荷等方面的收益。研究工作对舰载机的精确轨迹着舰控制系统设计具有一定的工程指导价值。     

舰载机着舰舰面效应及其补偿方法研究

根据舰面效应的作用机理,分析了舰面效应对舰载机着舰的影响,总结了舰载机在不同着舰模式下的舰面效应补偿方法.针对舰载机自动着舰模式,通过分析舰面效应所产生的附加升力造成的着舰偏差,提出了引导信号指令修正的舰面效应补偿方法,并给出了舰面效应自动补偿方法的具体流程,分析了自动补偿方法的特性及其应用面临的关键问题.     

舰载机理想着舰点垂直运动的预估与补偿

理想着舰点的垂直运动是影响着舰精度和安全的一个主要因素,因此必须加强舰载机对理想着舰点垂直运动的同步跟踪能力.为此,提出对理想着舰点垂直运动的位置和速度信号进行预估和补偿的方法,将垂直运动的位置和速度信号经过预估和补偿后分别引入到纵向自动着舰引导系统和飞控系统的垂向速度通道中,使得舰载机可以准确跟踪理想着舰点的垂直运动,以减小甲板运动对着舰的影响.针对不同海况条件,对设计的补偿器和预估器进行仿真验证,并与其他方法进行比较.结果表明本文提出的理想着舰点垂直运动预估与补偿方法可有效地补偿由甲板运动引起的着舰误差,显著提高了着舰的安全性和精确性.     

舰载机智能复飞决策技术研究

为了进一步改进复飞技术,针对复飞环境,提出了一种在原军用推力操纵的基础上,加入具有保持迎角恒定的升降舵模糊控制的复飞系统,从而有效地增强了低动压状态下飞机的机动能力。给出了复飞决策准则,设计了基于模糊控制的复飞决策系统,并对具有该复飞决策系统的舰载机自动着舰导引系统进行了仿真验证。结果表明,该复飞决策系统明显地缩小了复飞边界区,大大提高了着舰和复飞的安全性,可实现自动复飞,减轻了飞行员的负担。     

舰载机综合光电着舰引导信息融合

飞机着舰过程对着舰引导信息的精度要求非常高,为了更好地辅助飞行员着舰或者实现舰载机自主着舰,文章将电子着舰系统和光学助降系统提供的引导信息进行融合,实现了电子与光学着舰信息的综合运用。其中,电子着舰系统提供斜距、方位仰角和方位偏航角,光学助降系统提供方位仰角和方位偏航角。仿真结果表明,该方法提供的着舰引导信息精度高。     

飞行与推力综合控制系统的设计

讨论了一种具有飞行与推力综合舰载机自动着舰控制系统的设计方法。结合国产某型收音机首先分析了基于俯仰姿态的升降速率控制系统的结构与控制规律；然后，对飞机进场功率补诉结构与控制规律进行了分析；最后，在同时考虑飞行控制系统与发动机推力补偿控制系统的条件下，对该综合系统的控制规律进行了设计与仿真，并提供了仿真结果。     

舰载机着舰时航迹稳定性研究

本文讨论了舰载飞机以小于有利速度着舰时的航迹稳定性问题。在分析飞机航迹稳定性的同时,还对油门杆控制、机动襟翼控制对改善航迹稳定性的作用进行了初步探讨;在此基础上还讨论了舰载飞机加装波束导引系统对着舰过程的影响原理。结果表明:采用油门杆控制、机动襟翼控制来改善着舰阶段的航迹稳定性是可行的:而且用以上两控制系统作为内环的自动驾驶仪在波束导引系统自动导引飞机着舰过程中,能控制飞机的飞行速度、高度,帮助驾驶员操纵。     

舰载机自动着舰导引的相关技术

介绍了舰载机自动着舰导引系统的基本组成及工作原理。围绕提高着舰精度和安全性，着重讨论了甲板运动补偿及预估、进场动力补偿、舰尾气流扰动抑制、着舰系统中噪声处理，以及复飞决策等着舰的相关技术。     

无人直升机自动着舰导引控制设计与验证

针对无人直升机自动着舰的特点和需求,研究着舰导引轨迹生成,进行着舰导引轨迹跟踪控制设计,并通过仿真和飞行试验验证跟踪控制的精确性。     

侧向自动着舰引导控制L1自适应设计

针对具有不确定性及外部干扰的着舰轨迹精确跟踪控制问题,提出了一种对侧向自动着舰引导控制内外回路进行综合化设计的方法.使用特征结构配置实现侧向模态解耦跟踪控制,同时设计L1自适应控制器以补偿系统由于不确定性、舵面故障、舰尾流干扰带来的不利影响,将其应用到侧向自动着舰控制系统.仿真结果表明,对内外回路进行综合设计的着舰引导控制律具有抑制不确定性及干扰的能力,能够实现对侧向自动着舰轨迹的精确跟踪控制.     

舰载机着舰下滑过程中的PIO趋势评估与防范

为了研究舰载机着舰安全性,首次提出了舰载机的驾驶员诱发震荡（PIO）问题,结合对陆基飞机飞行员诱发振荡的研究成果,分析了舰载机与陆基飞机在该问题上的异同点,构造了速率限制器前置滤波器来改进控制回路中的舵机速率保护结构,重点对舰载机着舰下滑过程可能发生PIO情况进行了仿真分析,并利用史密斯准则评估了过程的振荡趋势,说明了下滑过程发生PIO对着舰安全的影响,同时验证了所提出的防范方法的有效性。