一种基于运动平台的纵向跑道运动预估及补偿方法

摘要

本发明是一种基于运动平台的纵向跑道运动预估及补偿方法，属于基于运动平台全自动着陆系统控制律设计技术领域。为保证飞机能够同步的跟踪理想着陆点，必须使着陆导引系统得到同步的补偿，本发明针对基于运动平台着陆阶段的最后阶段，综合考虑运动平台的航行运动和摇荡运动对飞机着陆的影响，进行运动跑道(理想着陆点)运动预估与补偿。纵向方面，将运动跑道纵向运动信号经过预估与补偿后引入纵向导引系统，以此改善系统的动态特性，抑制误差，提高飞机的跟踪精度。

说明书

技术领域

本发明是一种基于运动平台的纵向跑道运动预估及补偿方法，属于控 制律设计技术领域。

背景技术

与一般飞机着陆相比，基于运动平台的着陆过程更为复杂，在飞机 着陆到运动平台上的过程中会受到复杂的外界扰动，包括尾流、突风和 平台的运动等，其着陆环境远比陆基飞机恶劣。其中，运动平台的运动 给飞机着陆带来很大影响，因此须在基于运动平台的全自动着陆系统中 引入跑道的运动预估与补偿技术来确保飞机能够安全着陆。

与一般的飞机着陆情况相比较，飞机的着陆环境更加恶劣，主要体 现在舰尾部存在着复杂的气流扰动和海浪引起跑道的运动导致理想着陆 点的变化，这些将给着陆精度、安全性带来较大的不利影响。例如跑道 突然升高，可能导致飞机提前撞击运动平台上的跑道位置甚至撞上运动 平台的尾部；或者运动跑道突然降低，可能使飞机着陆钩无法挂上阻拦 索而被迫进行逃逸复飞。因此，需要在着陆导引系统中引入跑道运动补 偿器，以补偿跑道运动导致的着陆点位置的变化。在使用基于运动平台 的自动着陆系统时，须在飞机与运动平台跑道啮合前12～13秒启动。

发明内容

本方法的目的：

运动跑道的运动预报及补偿技术的目的是采用跑道运动预报技术消 除相位滞后，将运动跑道的预报信息补偿至飞机全自动着陆系统，来有 效地抑制超调并消除延迟，实现飞机对跑道位置运动的精确跟踪，提高 飞机着陆的准确性和安全性。

本发明的技术方案：

一种基于运动平台的纵向跑道运动预估及补偿方法，其特征在于，包 括以下步骤：

第一，运动平台扰动运动定义。

飞机的着陆环境为运动中的运动平台的跑道，这是飞机有别于陆基飞 机的一个主要特点。运动平台的运动包括两部分：一部分是它沿一定航 向的航行，而且该航向与其斜角跑道中心线方向存在夹角另一部分是 海浪扰动引起的运动平台摇荡运动，包括垂荡(又名升沉)、纵荡和横荡 三种平移，以及艏摇、纵摇和横摇三种转动，这六种运动的定义如图1 所示。

第二，纵向跑道运动预估及补偿器计算方法

对于纵向控制通道，着陆点位置的变化主要表现为其高度的变化，因 此，跑道运动补偿纵向通道主要用于纵向飞机预报理想下滑道的高度变 化，将运动平台运动转化为飞机高度偏差。根据运动平台运动定义可知， 运动平台摇荡运动中的纵摇、横摇和垂荡是着陆点高度变化的主要影响 因素，也是设计纵向DMC主要考虑的因素。一般情况下当运动平台运动 的横摇幅度极小，故常常忽略横摇运动对理想着陆点高度的影响。

假设运动平台跑道运动的沉浮运动量为H_s，纵摇俯仰角为θ_s，横摇滚 转角为φ_s，跑道运动的俯仰运动重心到期望着陆点的距离为X_F(常值)， 跑道运动的滚转运动重心到期望着陆点的距离为Z_F(常值)，理想着陆点 的垂直基准高度按照跑道高出海平面的距离为H₀，则跑道运动引起的高 度变化量为：

H_D＝H₀+Y_s+X_Fθ_s+Z_Fφ_s≈H₀+Y_s+X_Fθ_s

加入跑道运动预估及补偿后的ACLS纵向基本控制结构如图2所示。

通过跑道运动传感器输入跑道运动给纵向DMC，其输出指令是一个进 行了适当缩放和相位超前的高度变化指令，即跑道运动补偿指令H_DM。该 指令传输给ACLS纵向引导控制律，并通过产生的控制指令使飞机在相 位上与跑道垂直运动同步，实现对运动平台纵向运动的跟踪。

纵向跑道运动补偿的核心是传递函数G_DMC(s)，G_DMC(s)包含一个相位超 前网络，使H_DM超前于运动平台运动，以使在驾驶员根据H_DM进行了操纵 后，飞机的运动能够与运动平台运动同步。这就要求在舰体运动特征频 率范围(ω_s＝0.2～1.0rad/s)内，G_DMC(s)应满足：

$G_{\mathrm{DMC}}\left(s\right)G_{\mathrm{ACLS}}\left(s\right){|}_{{\omega }_s=0.2~1.0\mathrm{rad}/s}=1$

其中G_ACLS(s)为不包括DMC的ACLS系统传递函数。

同时，为滤去数据测量和传输过程中的高频噪声，由确定的G_DMC(s)中还应包括一个低通滤波环节，以保证DMC能够稳定工作。 一般而言，G_ACLS(s)阶次通常都很高，直接按求取G_DMC(s)在 工程上难以实现。实际设计时，可根据经验或已有的传递函数建立一个 近似的传递函数表达式，然后根据该传递函数对高度的频率响应对其进 行微调。

综上，可得到跑道运动补偿器的一般形式：

$G_{\mathrm{DMC}}\left(s\right)=K_{\mathrm{DMC}}\left[\frac{s+T_1}{s+T_2}\right]\left[\frac{\frac{s^2}{{\omega }_{\mathrm{DMC}}^2}+\frac{2{\xi }_{\mathrm{DMC}}}{{\omega }_{\mathrm{DMC}}}s+1}{{(s+{\tau }_{\mathrm{DMC}})}^3}\right]$

其中，为超前滤波网络，主要作为相位补偿；为 补偿滤波网络，用来抑制高频噪声并使跑道运动补偿网络满足一定的频 宽要求。式中，K_DMC为补偿滤波器的增益；T₁，T₂为超前滤波器的时间常 数；ω_DMC为补偿滤波器的自然频率；ξ_DMC为补偿滤波器的阻尼；τ_DMC为补 偿滤波器的时间常数。

本发明的优点：

飞机基于运动平台的着陆过程中跑道运动预估及补偿是确保飞机精 确、安全着陆的必要环节。其主要优点包括：

1)保证飞机着陆过程中精确跟踪理想着陆点的高度运动；

2)提高飞机着陆精度；

3)确保飞机安全着陆；

4)具有较强的可实施性；

附图说明

图1是运动平台扰动运动定义示意图

图2是引入DMC的ACLS纵向通道控制结构图

图3是仿真模型图

图4仿真结果图

具体实施方式

实施例1

一种用于全自动着陆的纵向跑道运动预估及补偿方法，

1)首先给定跑道运动模型及所需跑道参数

俯仰运动的俯仰角(°)动态模型:

垂直起伏运动(m)动态模型:

其中，为函数的初始相位，此处可设

给定跑道俯仰运动中心线到期望着陆点的距离X_F＝70m，跑道高出海 平面距离H₀＝21m。

则可得到跑道运动引起的理想着陆点高度变化量为：

H_D＝H₀+Y_s+X_Fθ_s＝36.22sin(0.6t)+0.305sin(0.2t)+21sin(0.63t)+38.5

2)跑道运动补偿器

跑道运动补偿器的一般形式：

$G_{\mathrm{DMC}}\left(s\right)=K_{\mathrm{DMC}}\left[\frac{s+T_1}{s+T_2}\right]\left[\frac{\frac{s^2}{{\omega }_{\mathrm{DMC}}^2}+\frac{2{\xi }_{\mathrm{DMC}}}{{\omega }_{\mathrm{DMC}}}s+1}{{(s+{\tau }_{\mathrm{DMC}})}^3}\right]$

其中参数K_DMC＝180，T₁＝0.8，T₂＝7ξ_DMC＝0.78，ω_DMC＝2.23，τ_DMC＝1时， 跑道运动补偿器为：

$G_{\mathrm{DMC}}\left(s\right)=180\frac{s+0.8}{s+7}\frac{0.2s^2+0.7s+1}{{(s+3)}^3}$

该传递函数可以使G_DMC(s)G_ACLS(s)在ω_s＝0.2～1.0rad/s时具有合乎规范 要求的幅相特性。

3)仿真

搭建前述跑道运动模型，以及跑道运动传感器，并引入跑道运动 补偿器进行仿真，仿真框图如图3所示，仿真结果如图4所示。

由仿真结果可舰，跑道运动补偿将跑道运动提前了约0.9s，起到 了预估的作用，另外可调节K_DMC来改变幅值的变化。