淺析無人機著艦航向指令修正方法范文

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摘要：本文提出一種基于艦船運動預(yù)測的無人機航向指令修正方法，以實時估算艦船所遭遇海浪的幅值與頻率，在線預(yù)計艦船運動為基礎(chǔ)，預(yù)測著艦時的艦船狀態(tài)信息，并利用這些信息生成無人機的航向與航跡角修正指令，以使著艦時無人機與理想著艦點之間的偏差最小。最后利用該方法給出了典型艦船動態(tài)特性的高精度仿真結(jié)果。

關(guān)鍵詞：自主著艦系統(tǒng)；艦船運動預(yù)測；實時估算；指令修正；理想觸艦點

在自主著艦的過程中，由于理想著艦點、進艦速度、航向和俯仰姿態(tài)等有嚴(yán)格限制，艦載無人機自主著艦具有極大的難度。若要在陣風(fēng)擾動、通信丟失、高海況、艦船運動等情況下實現(xiàn)準(zhǔn)確著艦，則面臨更大的挑戰(zhàn)[1]。為了解決這些問題，本文提出了一種基于艦船運動預(yù)測的無人機航向指令修正方法，包括艦船運動實時預(yù)測和決定無人機著艦最優(yōu)軌跡的算法，主要目標(biāo)是利用著艦前10s預(yù)測的艦船狀態(tài)，來修正無人機著艦階段航向與航跡角等。假定滿足如下要求[2]：（1）算法對中等以下海況有效；（2）艦船轉(zhuǎn)彎運動速率不大于0.5（°）/s；（3）飛控系統(tǒng)具有抗風(fēng)擾著艦?zāi)芰Γ灤装屣L(fēng)影響可以忽略；（4）算法需要利用船體軸系下含有當(dāng)前艦船姿態(tài)、速率和加速度信號，在距艦船18km范圍內(nèi)可以獲取這些信號，并按20Hz頻率接收；（5）在這些信號瞬時丟失時，艦船運動預(yù)測模型是穩(wěn)定的。

1艦船運動實時預(yù)測

1.1頻率估算要得到準(zhǔn)確的艦船運動預(yù)計模型，就必須準(zhǔn)確估算海浪頻率。由于從開始進場到著艦有相對較長的時間段，所以可以采用傅里葉變換估算波浪頻率。傅里葉變換（FFT）廣泛用于有噪信號的多頻率估算。圖1給出了從有噪信號（如圖1（a）所示）中獲取的波浪頻率（如圖1（b）所示），頻率估算誤差如圖1（c）所示。由圖1可知，F(xiàn)FT可得到精確的頻率估算。

1.2幅值估算一旦頻率已知，波浪模型的幅值等參數(shù)變?yōu)榫€性，許多參數(shù)估算技術(shù)可以用來估算幅值。這里選擇最小二乘算法，因為其精度高，運算簡便。估算結(jié)果如圖2所示。

2相對船體軌跡的優(yōu)化算法

這種優(yōu)化算法的主要目標(biāo)是利用艦船運動模型來預(yù)測并修正著艦參數(shù)從而得到甲板運動。在此基礎(chǔ)上還可以修正對準(zhǔn)跑道的中心線、下滑道、俯仰角等來獲得著艦點在漂移限制范圍內(nèi)的精確著陸。最終目標(biāo)是獲取艦載機進艦著艦的最優(yōu)軌跡。設(shè)計算法時假定以下條件成立：（1）在進艦過程的最后20s內(nèi)，艦船運動盡可能穩(wěn)定；（2）對于相同的艦船運動和引言規(guī)定的海況，算法有效；（3）若著艦之前的5s內(nèi)艦船數(shù)據(jù)鏈中斷后，飛機繼續(xù)進艦和逃逸時，算法有效。甲板運動時的下滑道與對中修正示意圖如圖3所示。逃逸時，指令發(fā)生器產(chǎn)生期望的速度（全加力）和對中，以便安全復(fù)飛。同樣，由式（4）~式（6）可以得到無人機的理想加速度：

3無人機理想運動模型

與陸基飛機著陸不同，艦載機著艦下滑不經(jīng)過平飄，而是沿一特定軌道進行帶動力勻速直線下滑[3，4]。假定無人機以相對艦船的恒定速度v*進艦，則無人機相對斜角甲板坐標(biāo)系的理想位置定義如下：式中：xca為艦船位置，d為無人機與艦船之間的初始距離。由式（1）~式（3）可以得到無人機的理想速度：

4用于艦船運動補償?shù)慕嵌刃拚?/p>

下面分析用于艦船運動補償?shù)臒o人機控制系統(tǒng)[5]。由于艦船升沉、縱搖和橫搖運動，著艦點的實際位置xca，yca和zca不同于理想位置。補償這一誤差可以分為兩部分：飛行航跡角修正和無人機最終著陸階段的航向修正。在著艦前10s執(zhí)行修正。z軸方程形式如下：式中：tF為理想著艦時刻。著艦時的理想z值為：將艦船升沉、橫搖和縱搖運動導(dǎo)致著艦點z向坐標(biāo)的復(fù)合擾動標(biāo)注為ΔzN。航跡角補償中各變量關(guān)系如圖4所示。式（7）~式（10）忽略了實際著艦與理想著艦之間的時差影響。假如時差大，可用迭代方法計算著艦時刻tF的實際著艦點。

5仿真結(jié)果

仿真由高逼真度的艦船動力學(xué)模型和8個不同頻率正弦函數(shù)疊加的海浪動力學(xué)模型組成。海浪運動影響艦船的縱搖、升沉和橫搖運動及其速率，滾轉(zhuǎn)、俯仰和偏航及其速率。由圖5可知，根據(jù)艦船運動預(yù)測能準(zhǔn)確估算所有變量（實線為實際變量，虛線為預(yù)測變量）。為驗證預(yù)測能力，將著艦前的最后10s曲線放大，如圖6所示（實線為實際變量，虛線為預(yù)測變量）。可以看到10s內(nèi)的所有變化均可準(zhǔn)確預(yù)測出來，并且確保誤差均在要求范圍內(nèi)。著艦時的預(yù)測誤差及誤差要求見表1，由表可知預(yù)測誤差滿足要求。

6結(jié)束語

為了讓艦載無人機在各種不利條件下實現(xiàn)準(zhǔn)確著艦，本文提出了基于艦船運動預(yù)測的無人機航向指令修正方法，包括艦船運動實時預(yù)測和決定無人機著艦最優(yōu)軌跡的算法，主要目標(biāo)是利用著艦前10s預(yù)計的艦船狀態(tài)來修正無人機著艦階段航向與航跡角等。仿真結(jié)果表明，艦船運動實時預(yù)測可以準(zhǔn)確估算所有變量，從而對著艦引導(dǎo)系統(tǒng)的設(shè)計及工程實現(xiàn)有實際的應(yīng)用參考價值。

參考文獻

[1]楊一棟，余俊雅.艦載機著艦引導(dǎo)與控制[M].北京：國防工業(yè)出版社，2007.

[2]張明廉，徐軍.艦載飛機自動著艦系統(tǒng)的研究[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報，1994，20（4）：386-391.

[3]周自全，張子彥.飛行品質(zhì)和飛行安全[J].飛行力學(xué)，2009，27（2）：1-6.

[4]羅先震，金長江.艦載飛機著艦下滑軌跡控制與分析[J].飛行力學(xué)，1993（3）：34-44.

作者：華藝欣 肖奔 單位：中國飛行試驗研究院