基于甲板运动补偿的舰载机自动着舰引导控制方法

摘要

本发明涉及一种基于甲板运动补偿的舰载机自动着舰引导控制方法，属于舰载机着舰引导与控制技术领域。舰载机自动着舰引导控制系统由装载在舰上的引导子系统和装载在飞机上的控制子系统组成。引导子系统包括跟踪雷达、雷达稳定平台、高速通用计算机、显示平台、数据编码发射机、数据链监控器和飞行轨迹记录仪；控制子系统包括自动驾驶仪、数据链接收机、接收译码器、自动驾驶仪耦合器、自动油门控制器和机上雷达设备。在该系统中引入甲板运动信息，设置甲板运动预估器和甲板运动补偿网络，使舰载机着舰轨迹跟踪舰母甲板运动轨迹，从而减小了由于甲板运动而引起的着舰误差，提高了着舰安全。

主权项

1.一种基于甲板运动补偿的舰载机自动着舰引导控制方法，其特征在于，包括设置舰母甲板运动预估器和舰母甲板运动补偿网络，（1）设置舰母甲板运动预估器，用于预估时刻后的舰母甲板运动信息，该舰母甲板运动预估器是利用卡尔曼最优滤波理论推导得到的一组递推方程，定义甲板沉浮运动位移是舰载机着舰引导控制系统状态向量的一个分量，状态向量在时刻的最优估计值为：（1）式中，为变换矩阵，k为时间，，为预估时间，T_s为系统采样时间，为最优滤波值，预估时刻的舰母甲板运动位置信息分两步进行计算:利用离散系统卡尔曼滤波方程组，递推计算k时刻舰载机着舰引导系统状态的卡尔曼最优滤波值：（2）式中，为状态矢量x从t_k-1时刻转移到t_k时刻的“状态转移矩阵”，为上一时刻最优滤波值；为最优预测值；z_k为t_k时刻的观测矢量，为时刻的观测矢量与状态矢量间的观测系数矩阵，与两个矢量是基于离散形式的卡尔曼滤波理论，建立的甲板沉浮运动的离散数学模型，即其中为时刻状态矢量，为上一时刻状态矢量；为时刻的动态噪声矢量对时刻状态矢量影响的噪声系数矩阵，为系统动态噪声，其方差阵为；为观测噪声，其方差阵为；最优增益矩阵：（3）最优滤波误差协方差阵：（4）最优预测误差协方差阵：（5）式中,为上一时刻最优滤波误差协方差阵；为舰载机引导系统动态噪声的方差阵，为舰载机引导系统观测噪声的方差阵；分别表示,,的转置矩阵，其中状态转移矩阵，噪声系数矩阵及观测系数矩阵分别为：（6）式中，为系统采样周期，为甲板运动方程的系统矩阵；=0.36；=0.06；为甲板运动方程的干扰（或控制）矩阵；=0.6，为时间；利用公式(1)计算最优估计值变换矩阵的计算式为（7）式中，，本发明的舰母甲板运动预估器仅对时刻后的甲板沉浮运动位移信息估计值，按照公式(1)展开得到：（8）由于参数很小，上式近似为（9）式中，为甲板沉浮运动位移的最优滤波值；为甲板沉浮运动速度的最优滤波值；（2）设置舰母甲板运动补偿网络并用于着舰引导系统与控制系统舰母甲板运动补偿网络，包括纵向甲板运动补偿网络和侧向甲板运动补偿网络，纵向甲板运动补偿网络被施加于舰上引导子系统的纵向导引律中，侧向甲板运动补偿网络被施加于舰上引导子系统的侧向导引律中；基于纵向甲板运动补偿网络的舰上引导子系统的纵向导引律在航母自动着舰引导子系统中的高速通用计算机的导引律计算子模块中引入舰母甲板运动信息，设置纵向甲板运动补偿网络；引入纵向甲板运动补偿网络的纵向导引律计算表述式：以此表达式在高速通用计算机的导引律计算子模块中，设置纵向引导补偿网络，式中为纵向引导控制律，为比例项增益、为积分项增益、为微分项增益、为二次微分项增益，为高度偏差指令信号，为甲板运动信息经过甲板运动预估器再经过甲板运动补偿网络之后的输出信号，也称为甲板运动补偿指令，H_com为舰载机参考飞行高度指令信号，H为舰载机实际飞行高度反馈信号，s为复变量，其中系数K_P、K_i、K_d、K_dd、K₀通过舰载机飞行的实际高度反馈信号H对舰载机飞行参考高度指令信号H_com的响应进行寻优获得；Hc为纵向甲板运动补偿信号，它是纵向甲板运动信号经过纵向甲板运动补偿网络后得到的信号，其中纵向甲板运动信号的表达式为式中，为甲板的垂直起伏运动位移信号，它是通过甲板运动预估器预估获得；为甲板的俯仰运动信号，为期望降落点到舰尾的距离，纵向甲板运动补偿网络的传递函数表示为式中，、、为补偿网络参数，可以通过频率响应法进行设计；基于纵向导引信号的纵向姿态控制律计算表述式为：此次表达式在高速通用计算机的导引律计算子模块中，设置纵向姿态补偿网络，式中为纵向姿态引导控制律，为俯仰角反馈增益，为俯仰角速率反馈增益，这两个参数能够通过根轨迹设计方法来寻优获得；为舰载机飞行实际俯仰角增量，为舰载机飞行实际俯仰角速率增量；基于侧向甲板运动补偿网络的舰上引导子系统的侧向导引律     在航母自动着舰引导子系统中的高速通用计算机的导引律计算子模块中引入舰母侧向甲板运动信息，设置侧向甲板运动补偿网络；舰上引导子系统中的侧向导引律计算表述式为：=式中，为着舰轨迹侧向偏离误差；为期望的着舰轨迹侧向偏离；为实际的着舰轨迹侧向偏离；为复变量；为侧向引导控制律，为比例项增益、为积分项增益、为微分项增益，通过舰载机飞行的实际侧向偏离反馈信号对舰载机飞行参考侧向偏离指令信号的响应进行寻优获得；为侧向甲板运动补偿信号，通过下述计算过程获得：式中，为重力加速度，为飞机离航母着舰点的水平距离；为雷达测量轴跟踪舰体坐标系水平轴的偏摆角；为的微分；为的微分，为的二次微分；基于侧向导引信号的侧向姿态控制律计算表述式为：式中为副翼舵偏角增量；为方向舵偏角增量；为舰载机飞行滚转角增量；为侧向引导控制律；为舰载机飞行滚转角速率增量；为偏航角速率增量；为侧滑角增量；为迎角基准值，为洗出网络，为预估时间，、、、、为侧向姿态控制参数，可以利用根轨迹设计方法获得。