传递对准中载舰挠曲变形和杆臂效应一体化建模与仿真

 针对舰载机惯导系统大方位失准角传递对准的非线性问题,根据舰载机在载舰上的实际停放情况,引入舰载机标称坐标系,并综合考虑载舰挠曲变形和杆臂效应的影响,建立挠曲变形和杆臂效应加速度一体化模型,完善舰载机惯导系统大方位失准角传递对准线性化模型。采用“速度+角速度”组合匹配算法的滤波模型,对固定安装失准角和挠曲变形角进行了估计。结果表明,该模型在舰载机大方位失准角传递对准时可以满足对准精度和时间的要求。     

舰载机惯导动基座传递对准基准系统技术研究

根据舰载机惯导动基座高精度对准的需求,从系统顶层设计的角度,引入数字停机位空间坐标系概念,建立了舰载机惯导动基座传递对准的基准。在此基础上,分析了杆臂效应和船体挠曲变形对基准精度的影响,并给出了相应的处理模型和方法。舰载机可直接引入该基准坐标系下的导航信息进行对准,无须关注舰船性能参数和主导航安装位置等,有利于减少惯导动基座对准技术难度,提高对准效率。     

基于边缘采样的简化高阶CKF在非线性快速传递对准中的应用

针对舰载机惯导系统非线性传递对准问题中误差模型不完善的问题，同时考虑了挠曲运动和动态杆臂的影响，提出了一种新的适用于大方位失准角情形下的挠曲变形和杆臂效应加速度一体化误差模型。采用高阶容积卡尔曼滤波（HCKF）算法对状态进行滤波估计，考虑到HCKF具有较大的计算量，分析了传递对准模型的状态方程与量测方程结构，设计了一种基于边缘采样的简化高阶容积卡尔曼滤波（M-RHCKF）算法，其在时间更新中使用边缘采样算法，在量测更新过程中使用简化量测更新过程，并给出了该算法的证明过程。采用"速度+姿态"组合匹配方式，对提出的误差模型进行仿真实验。结果表明，该模型可以满足对准精度和对准时间的要求，相比于未考虑动态杆臂的传递对准模型具有更高的对准精度。     

飞机载体的杆臂效应对GPS测速精度的影响

杆臂效应是由于测量体的安装位置与运动载体质心不重合而引起的。从理论上分析了杆臂效应产生的原理,推导得出杆臂效应引起的速度误差公式。通过仿真试验和飞行试验数据分析了飞机载体不同运动状态下,杆臂效应对GPS速度测量精度的影响。通过对杆臂误差补偿后,GPS测速精度得到很大提高。在惯导系统飞行试验中引入该方法,可以科学合理地给出系统试飞评定结果。     

基于Virtools的舰载机着舰拦阻仿真研究

针对舰载机拦阻着舰问题,建立了舰载机着舰拦阻的动力学模型,综合考虑航母运动、甲板风、着舰姿态等问题,然后利用建模软件CATIA及视景驱动软件Virtools建立虚拟的海洋环境和舰船载机的几何模型,并实现了对舰载机和舰船的6自由度运动的实时控制。仿真结果说明该仿真系统较好地模拟了舰载机着舰拦阻的真实情况。     

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。     

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。     

舰载机着舰中侧风和常值甲板风的影响研究

舰载机要安全着舰,需要精确控制全着舰航线轨迹及其稳定性,风是影响舰载机着舰航线的主要因素。论文主要研究了侧风和常值甲板风对舰载机着舰飞行产生的影响,建立了影响舰载机着舰飞行的不同侧风、甲板风的数学模型。根据数学模型计算了不同甲板风和侧风下着舰飞行轨迹参数,从而提出了着舰飞行修正方法。     

基于ADRC的舰载机着舰飞行控制系统解耦设计

针对舰载机在着舰下滑时飞行轨迹不稳定、在控制升降舵的同时还需要进行发动机推力补偿的问题,建立了舰载机纵向着舰飞行姿态运动模型,采用自抗扰控制技术对着舰飞行控制系统进行解耦。首先,将俯仰角回路和迎角回路中的耦合项视为扰动,设计扩张状态观测器对回路中的状态量和总扰动进行估计;然后,采用非线性状态误差反馈律和扰动实时补偿来计算虚拟控制量,并通过控制分配得到升降舵和发动机推力控制量。仿真结果表明,在升降舵偏转角和发动机推力可用的范围内,所设计的姿态控制系统和动力补偿系统能使航迹角快速、准确地跟踪姿态角指令。     

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。     

一种基于多操纵面控制分配的IDLC人工着舰精确控制方法

传统舰载机采用纵杆控制迎角,油门杆控制下滑的着舰控制方式存在着操纵通道功能耦合,航迹与姿态耦合,着舰精度不高等多种不足。受舰尾流扰动、航母甲板运动等不利因素的影响,飞行员需要进行高频次的下滑修正操纵,身心负担极重。针对这一问题,在对美军魔毯技术（MAGIC CARPET）系统构成与着舰过程分析的基础上,针对三翼面布局飞机提出了一种基于多操纵面控制分配的综合直接力控制（IDLC）人工着舰精确控制方法。仿真分析表明：基于特征结构配置（EA）解耦设计直接力着舰控制方法能够实现飞机纵向运动长周期模态与短周期模态的解耦、油门通道与纵杆通道的解耦,具有抑制舰尾流扰动、稳定飞机下滑状态、减小操纵负担的功能;而基于多操纵面控制分配的设计方案通过鸭翼正偏增升,不但充分发挥了三翼面布局飞机气动舵面增升控制的优势,还减小了平尾配平出舵量,在一定程度上减小了平尾上偏所带来的升力损失。     

基于直接升力与动态逆的舰尾流抑制方法

在复杂的作战和着舰环境下,舰尾气流扰动是着舰误差的最主要来源之一。如果在着舰下滑阶段利用直接升力控制（DLC）的快速性和解耦性能力,可以极大地减轻飞行员着舰操纵负担并且提高着舰最后阶段对舰尾流的抑制能力。从航迹调节和姿态稳定的解耦角度出发,提出在非线性动态逆（NDI）控制框架下实现基于直接升力的着舰控制律方法,并通过建立含有舰尾流扰动的E-2C全量飞机仿真模型进行验证。结果表明：在非线性动态逆控制中引入直接升力的舰载机着舰控制律,可以实现在着舰下滑阶段姿态稳定的同时,通过直接升力快速解耦调节航迹误差,并且在引入舰尾流干扰的情况下,具有快速修正下滑倾角误差、抑制舰尾流干扰的能力,最终达到显著提高着舰精度的效果。     

基于实测值的舰载机着舰下沉速度影响性分析

舰载机的着舰下沉速度是起落架设计的重要输入,对起落架和机体的结构重量有很大影响。为了探索舰载机使用环境下各相关参数对下沉速度的影响,基于E-2C的实测着舰数据,将多元统计学的相关分析方法应用到舰载机着舰参数影响性分析,分析了17个着舰参数与着舰下沉速度的相关性。结果表明飞机下滑角、甲板俯仰角与下沉速度呈高度相关,舰上接合速度与下沉速度呈中度相关,这三者对下沉速度有很大影响;并进一步对这4个着舰参数进行非线性回归分析,拟合了E-2C着舰下沉速度的计算式,所得回归模型决定系数为0.991,平均绝对误差为1.66%,拟合效果很好。     

基于模糊推理的舰载机进舰过程安全性仿真分析

 舰载机进舰过程复杂,驾驶员对舰载机的控制是影响进舰安全的重要因素,驾驶员操作的偏差受到人员自身状态、环境状态以及设备(舰载机)状态的综合影响。以国外某型舰载机为例,提出了基于模糊推理的舰载机进舰过程安全性建模与仿真方法。考虑舰载机进舰过程中驾驶员控制的不确定性,分析了引起驾驶员不确定性的人-机-环因素,基于模糊推理建立不确定因素引起的驾驶员控制偏差模型,并在此基础上建立了舰载机进舰过程安全性仿真模型。通过仿真分析明确危险模式、危险程度以及危险发生的时刻点等关键因素的影响程度,为进一步保证舰载机进舰安全提供基础。     

Dynamics Model of Carrier-based Aircraft Landing Gears Landed on Dynamic Deck

In order to study the carrier-based aircraft landing laws landed on the carrier, the dynamics model of carrier-based aircraft landing gears landed on dynamic deck is built. In this model, the interactions of the carrier-based aircraft landing attitude and the damping force acting on landing gears are considered, and the influence of dynamic deck is introduced into the model through the deck normal vectors. The wheel-deck coordinate system is put forward to solve the complex simulation problem of force-on-wheel which comes from the dynamic deck. At last, by simulation, it is demonstrated that the model can be applied to landing attitude when the carrier-based aircraft is landing on the dynamic deck, it is also proved that the model is comprehensive and suitable for any abnormal landing situation.     

MC-LRF based pose measurement system for shipborne aircraft automatic landing

Due to the portability and anti-interference ability, vision-based shipborne aircraft automatic landing systems have attracted the attention of researchers. In this paper, a Monocular Camera and Laser Range Finder (MC-LRF)-based pose measurement system is designed for shipborne aircraft automatic landing. First, the system represents the target ship using a set of sparse landmarks, and a two-stage model is adopted to detect landmarks on the target ship. The rough 6D pose is measured by solving a Perspective-n-Point problem. Then, once the rough pose is measured, a region-based pose refinement is used to continuously track the 6D pose in the subsequent image sequences. To address the low accuracy of monocular pose measurement in the depth direction, the designed system adopts a laser range finder to obtain an accurate range value. The measured rough pose is iteratively optimized using the accurate range measurement. Experimental results on synthetic and real images show that the system achieves robust and precise pose measurement of the target ship during automatic landing. The measurement means error is within 0.4° in rotation, and 0.2% in translation, meeting the requirements for automatic fixed-wing aircraft landing.Received 5 July 2022; revised 19 August 2022; accepted 27 September 2022.     

IFSTA自主着舰控制律仿真研究

针对舰载机的自动着舰系统,以IESTA原型机K8飞机为研究对象建立了着舰环境模型,设计了自动着舰控制律,对在着舰阶段的控制作用及影响着舰精度的因素进行了分析和研究,并分别进行了数值仿真和半实物地面仿真验证.研究结果表明,为了使飞机成功完成着舰任务,需满足海况、大气扰动、控制系统带宽频率的最低要求.     

缩比模型模拟全尺寸飞机自动着舰的相似关系

由于直接采用全尺寸舰载机进行全自动着舰试验的风险较高，可以采用缩比模型模拟全尺寸飞机进行着舰的试验方案。基于相似系统原理，研究了缩比模型模拟全尺寸飞机着舰的相似关系，具体包括着舰导引律、自动驾驶仪、进近动力补偿系统与甲板运动补偿系统的增益以及航母运动与机舰相对运动参数的相似比例关系。以某算例舰载机及其缩比模型为算例，完成了各自着舰的数学仿真计算。结果表明，全尺寸飞机着舰数学仿真结果与缩比模型仿真结果满足运动相似关系，且各项参数的相似比例与推导结果一致，证明了本文研究结论的正确性。     

动基座近舰面流场数值模拟

航母尾迹流场对舰载机的着舰有较大影响,所以需要对其流场特点进行研究,分析不同状态下舰载机气动特性的变化。采用嵌套网格技术对航母处于垂荡状态下无人机的着舰进行了模拟。首先,利用SFS2舰船进行数值计算,验证了舰船流场的数值模拟方法。然后,对比了单独无人机定常与非定常计算结果,表明所建立的嵌套网格适用于无人机流场的模拟。接着,对航母单相流和两相流的流场结果进行了分析,结果显示甲板下方的流动对甲板上方流场没有大的影响。因此,忽略了水的影响只对航母在空气流场中的特性进行研究,结果表明航母尾迹非定常特性明显,静止航母下滑轨迹上的速度均处于周期性波动状态,且波动幅值随着远离航母而逐渐衰减;而在垂荡情况下航母尾迹变得更加紊乱,水平方向速度波动的周期性减弱,但垂向速度的波动幅值进一步增大。对于静止航母,无人机在不同时刻着舰气动特性的变化也存在差异;当航母处于垂荡状态时,无人机的升力和俯仰力矩在短时间内会有更大的波动。     

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。