舰载机进舰着舰过程仿真建模_王延刚
收稿日期：2007-07-17 修回日期：2008-11-24
第20 卷第24 期系统仿真学报
摘要：航母—舰载机—起落架，多体动力学系统，进舰着舰系统仿真模型，驾驶员和LSO 的行为特征，考虑风场扰动，海浪等因素。
该模型不仅适于航母-舰载机适配性问题，还可研究进舰着舰任务中LSO 对驾驶员行为的影响。
通过仿真示例验证该模型的合理性和可行性。
引言：首先介绍舰载机进舰着舰的基本过程，并从飞行动力学的角度出发，阐述涉及的相关问题，然后对仿真系统各模块进行分析，并提出相应建模方法，最后给出数字仿真结果，以验证其合理性。
1、舰载机进舰着舰过程描述
✈菲涅尔透镜光学助降系统（Fresnel Lens Optical Landing System, FLOLS）；
✈舰载机沿下滑道保持大约-3.5°的航迹角下滑；
✈平行于下滑道的5层光束，最中间为橙色，为理想航迹；
✈LSO综合甲板运动、飞机特性、驾驶员技术要求调整飞行状态或者复飞。
✈常规飞机着陆：拉平；舰载机：助降系统引导，撞击式着舰，通过拦阻系统强制飞机在50——70m内减速止动，有时LSO警告驾驶员做逃逸机动。
2、建模方法
2.1航母运动建模
✈海上运动包括前向行驶运动和海浪造成的扰动运动，工程实践中，前者按定常直线运动处理，而后者采用平稳随机过程理论描述。
✈文献[10]提供一种拟合窄带平稳随机过程频谱的实用有效的工程方法——成形滤波器法，以白噪声输入一个拟合的航母运动近似传递函数，得到航母扰动运动，再叠加航母行驶运动最终得到用于仿真的舰船运动。
图1舰载机着舰示意图
2.2航母扰流建模
✈航空母舰扰流的模拟方式有频域法、数据库法和工程化方法三种，仿真模拟较为普遍采用的是第三种方法。
✈该方法主要是根据航母扰流的物理特性和成因建立模型，以美军标1797A推荐的模型较为完善，给出的航母舰尾流（包括稳态分量、自由紊流分量、周期性分量以及随机分量）扰动速度的空间分布，能满足工程需要。
✈航母舰尾流（包括稳态分量、自由紊流分量、周期性分量以及随机分量），同舰尾流对舰载机着舰轨迹和动态响应的影响研究_胡国才中舰尾流模型一致。
2.3柔性多体系统建模
✈起落架接触航母甲板之后，舰载机进舰着舰动力学系统可视为航母、舰载机、起落架组成的柔性多体系统。
2.3.1起落架系统
✈起落架系统的运动模型方面的研究已经比较成熟；[13-15]
✈该系统主要由缓冲器和轮胎组成，缓冲器部分可视为一个非线性弹簧和一个非线性阻尼器的组合体，而轮胎则视为非线性弹簧与滑移铰的组合，并认为起落架质量集中在缓冲器和轮胎的结合处。
据此建立起落架-轮胎仿真模型，缓冲器和轮胎产生的力仅是各自压缩量的函数，而滑移铰所受摩擦力也可转化为轮胎压缩量的函数。
图2起落架—轮胎系统模型示意图
2.3.2多体动力学系统
✈运动航母的舰体坐标系和舰载机的航迹坐标系
✈考虑起落架-轮胎系统的动态特性时，由于舰载机与起落架，起落架与甲板之间存在严重耦合关系；利用张量理论，可以将矢量和矢量矩的表示整齐划一，张量运算又附带参考坐标系的转换，使模型形式上得到简化，物理概念更加直观。
2.4着舰信号官LSO模型
✈模糊理论
✈对甲板运动和飞行轨迹的预测
✈人工神经网络技术
图3着舰信号官的行为模型
2.5驾驶员模型
✈驾驶员在下滑道入口遭遇较小扰动偏差，其操作是连续跟踪行为；遭遇较大初始偏差，驾驶员需要进行大调整甚至复飞；
✈在进舰着舰整个过程中，驾驶员根据飞行偏差的大小采取不同的操作方式，符合人的变策略控制行为特征，因此，适于采用滑动模态变结构控制技术，构建驾驶员变策略控制模型。
驾驶员变策略控制模型具体可分为连续跟踪驾驶员模型，搜索捕获驾驶员模型，复飞驾驶员模型和逃逸驾驶员模型。
图4变策略驾驶员模型
3、模型结构框图
图5舰载机进舰着舰系统仿真结构模型
4、仿真实例
5、结论
✈本文以航母—舰载机—起落架组成的柔性多体系统为动力学核心，构建了完整的舰载机进舰着舰系统仿真模型。
✈模型完整性不仅体现在对舰载机进舰着舰任务实现上，而且综合了能够反映驾驶员和LSO的行为特征的操作指令模型，并且考虑舰载机特殊的扰动风场和海浪运动等外部环境。
✈因此，该仿真模型不仅能够研究舰载机着舰飞行动力学问题，而且对研究航母—舰载机的适配性、航母—舰载机—起落架相互耦合等多学科交叉问题都有着重要的理论和实际意义，为探索LSO 对驾驶员行为的影响特性、研究二者协作机理提供便利的仿真工具。
参考文献
[1] Urnes J M, Hess R K. Development of the F/A-18A Automatic CarrierLanding System [J]. Journal of Guidance, Control and Dynamics(S0731-5090), 1985, 18(3): 289-295.
[2] 张明廉, 徐军. 舰载飞机自动着舰系统的研究[J]. 北京航空航天大学学报, 1994, 20(4): 386-291.
[3] 于勇, 杨一栋, 代世俊. 着舰导引中的H∞飞行/推理控制系统研究[J]. 南京理工大学学报, 2003, 27(3): 256-260.
[4] Steinberg Marc L. A Comparison of Neural, Fuzzy, Evolutionary, andAdaptive Approaches for Carrier Landing [C]// AIAA Guidance,Navigation, and Control Conference, 2001. USA: AIAA, 2001.
[5] Anderson M R. Inner and Outer Loop Manual Control of CarrierAircraft Landing [C]// AIAA Guidance, Navigation and ControlConference, 1996. USA: AIAA, 1996.
[6] 屈香菊, 崔海亮. 舰载机进舰任务中的驾驶员变策略控制模型[J].北京航空航天大学学报, 2003, 29(11): 993-997
[7] Richards R, Chrenka J, Thordsen M. Artificial intelligence techniquefor Pilot Approach Decision Aid Logic (PADAL) System [R]//AD-A388045, 2001. USA: AD, 2001.
[8] 石明, 屈香菊, 王萌辉. 甲板运动对舰载机人工着舰的影响和补偿[J]. 飞行力学, 2006, 24(1): 5-8.
[9] 石明, 崔海亮, 屈香菊. 舰载飞机进舰降落信号员模型建模[J]. 北京航空航天大学学报, 2006, 32(2): 135-138.
[10] Durand T S, Teper G L. An Analysis of Terminal Flight Path Controlin Carrier Landing [R]// AD606040, 1964. USA: AD, 1964.
[11] 彭兢, 金长江. 航空母舰尾流数值仿真研究[J]. 北京航空航天大学学报, 2000, 26(3): 340-343.
[12] Flying Qualities of Piloted Aircraft. MIL-STD-1797 [S]. March 1987.
[13] Liu Weiwei, Qu Xiangju. Modeling of carrier-based aircraft ski jumptake-off based on tensor [J]. Chinese Journal of Aeronautics(S1000-9361), 2005, 18(4): 326-335.
[14] 徐冬苓, 李玉忍. 飞机起落架数学模型的研究[J]. 系统仿真学报,2005, 17(4): 831-833. (Xu Dongling, Li Yuren. Mathematical modelresearch on aircraft landing gear [J]. Journal of System Simulation(S1004-731X), 2005, 17(4): 831-833.)
[15] 朱剑毅, 李麟. 飞机起落架的动力学建模及仿真[J]. 系统仿真学报,2006, 18(6): 1434-1436. (Zhu Jianyi, Li Lin. Dynamics modeling and simulation of planes’landing gear [J]. Journal of System Simulation(S1004-731X), 2006, 18(6): 1434-1436.)。