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基于LQG%2fLTR方法的舰载飞机自动着舰系统设计的理论与仿真分析.pdf

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摘要航空母舰已有舳多年的发展历史,特别是在近年来的几次现代化局部战争中,航空母舰及舰载飞机成为取得战争胜利的关键手段。舰载机作为航母的主要攻击力量在其飞行的各个阶段中,安全着舰是最困难的任务之~。舰载机的着舰环境十分恶劣。有限的着陆空间,舰体的运动,舰尾气流的扰动,飞机模型不确定性等等因素都不利于飞机的安全着舰。为了加强舰载机着舰的安全性.减轻飞机驾驶员的负担,舰载机自动着舰系统ACLS便应运而生。ACLS的目的是帮助飞行员驾驶飞机在较恶劣的条件下着舰。因此,ACLS系统的抗扰动性能及鲁棒稳定性就显得尤为重要。而目前应用于ACLS系统的设计方法对于较强扰动的环境下效果都不是特别理想,为了达到理想的着舰效果,就要求ACLS系统的设计方法具有上述优良性能。本文采用的设计方法为LQG/LTR方法。LQG方法.即线性二次型高斯方法,是用来处理有随机噪声干扰或模型状态无法直接测量的情况下的状态反馈最优化设计方法。其本质是附带卡尔曼滤波器的最优二次型控制器。为了加噶其鲁棒性,Doyle和Stein提dJ了一种线性多变量控制设计方法.称为线性二次高斯恢复LQG/LTR方法。改方法的实质是先设定一满足频域各性能指标及鲁棒性要求的N标回路,随后设计一个基于模型的补偿器,在输八端或输出端恢复目标回路的各项特性。本文的主要工作是将LQG/LTR方法应用到舰载飞机的自动着舰系统中。为此,本文首先概述了航窄母舰和舰载机的发展历史,舰载机的起E年¨着陆以及ACLS系统的设计方法,随后依次讨论了舰载机的着舰环境.叩航f}}的运动和舰尾流的模型、舰载飞机的动力学模型以及LQG/LTR疗法的发展历史及设计方法。最后设计了基于LQG/LTR方法的ACLS系统井进行仿真验【fL仿真结采表明,运用LQG/LTR方法设计的自动着舰系统鲁棒性能优良,在多重扰动存在的着舰环境中可以引导舰载帆准确着舰,H着舰谍差搬小。为了进一步测试系统鲁棒性能,本文进行了10组小同扰动形,℃F的着舰仿真.并进行了误差统计,结果同样起好。为r将着舰效果可视化,本文蛀厉运川了Matlab中的虚拟脱实技术将仿真结柴数抑导入建立好的靡拟雌界中.并通过虚拟劬画的形式将整个着舰过科表现出柬.从而得到了感性而直观的胜示效果。关键词 脱载b机舰尾流LQG/LTR h法“动着舰系统鲁棒稳定性虚拟现实中图分类号v2AbstractAircraft carrier has a developing history of more than 80 years Aircraft carrier andcarrier-based airplane have become a key factor of winning especially in recent years’several modem locaJ wol-As the main attack force,carrier-based airplane carrier,in itsvarious stages offligllt,landing safety is the most difficult task The landing environment ofthe carrier-based airplane is very tough Limited landing spaces,deck motion together withthe airwake disturbance factors have a bad effect on the safety oflandingIn order to improve the safety of landing and relieve the burden of the pilot,automaticcarrier landing systemACLSwas born The goal ofACLS is to help the pilot land on thecarrier deck when the landing environment is tough Therefore the disturbancerejectionability and robust stability are especially important to ACLS However,the designing currently used in ACLS does not work very well when the disturbances arerelatively strong In order to achieve good landing effect,sucb good abilities mentionedabove are demanded for the designing ofACLSThe designing used in this thesis is LQG/LTR LQG ,namelylinear quadratic Guass .is a state feedback optimal designing used whenstochastic noise disturbance is involved or model states cannot be measured directly.Itsnature is the optimal quadratic controller with kahnan filter.In order to enhance itsrobustness Doyle and Stein proposed the linear multivariable control design ,known ms the linear quadratic Gauss/loop transfer recoveryLQG/LTR Essenceofthe is to first set a target loop to meet the perance requirements in frequencydomain and robustness demand.and then design a model-based compensator,recovering thecharacteristics ofthe target loop in the or outputTbe main work of this thesis is to apply tbe LQG/LTR to the automatic carrierlanding system To this end this paper firstly outlines the development of aircraft cartierand carrier-based aircraft history;take-off and landing of the aircraft as well as ACLSsystem design,follovved by the discussion oftbe aircraft landing enviroHnlent including themovement of the carrier and the model of airwake,carrier-based aircraft dynamic modeland the developing history and designing melbod of LQG/LTR Finally design anACLS based on the LQG/LTR metbod and carry out the simulation and verificationSimulation results show that the ACLS based on the LQG。LTR has good robustperance and can guide the aircraft landing precisely in the presence of multipledisturbances.and landing error is very small To further testing the robustness ofthe system,tbis thesis carry out 10 groups oflanding simulation witb different s of disturbancesand the statistical result is also goodIn order to visualize the landing effect,the thesis finally uses the virtual realitytechnology in Matlab to imporl the simulation data to a virtual world established The wholelanding process is shown throu【曲a virtual animaion,hence achieving both emotional anddirect showing effectKey wordscarder-based airplane,airwake,LQG/LTR ,automatic carder landingsystem,robust stability,virtual realityClassificafion CodeV2复日凡学碗I哔也论文第一章绪论1.1.航空母舰与舰载飞机发展概述随着20世纪初飞机的发明,航空母舰也应运而生。航空母舰是一种以舰载机为主要作战武器的大型水面舰只。历史上最早的航空母舰出现于1917年,由英国海军将一艘巡洋舰改装而成【li。但在19世纪美国海军理论家业尔弗雷德·塞耶·马汉的“巨舰大炮制胜论”在海战理论中占据主导地位的时代,战列舰是公认的海上主宰.航母仅被视作辅助舰艇。经历第二次世界大战的战火沈礼,航母在许多海上重大战役诸如“英舰队夜袭意太利主力舰队所在地塔兰托军港”、“英舰队聚歼德国王牌战列舰‘俾斯麦”’、“珊瑚海大海战”、“中途岛大海战”等等中所显示的强大作战威力和取得的骄人战绩,理所当然地取代战列舰髓七了“海战主力”的宝座i“。在第二次世界大战结束后的半个多世纪罩,在世界出现局部冲突或局部战争的地区,几乎都留下了超级大国航空母舰在海上诎浪的航迹。半个多世纪以来军事斗争的实践充分表明,航空母舰是现代化海军的象征,有些权威人士甚认为“没有航空母舰的海军不能|兑是’个健全的海军”。11前。全世界共有10个国家拥有34艘现役航空母舰.分别构成备国海军舰队的骨干和核心。亚洲{}I】有航空母舰的国家有印度,泰国。在当今,航母的一般使命有{]If11显日;山撮;2和平时期作为一种机动反应的威慑力量,遏止对本国或与本国有关的利益的侵犯;3战州n-海上展丌卒中兵力,夺取战区制空权;4可完成的仃务有实施对敌岸、海日杯的空中攻击.为舰队护空、并作为旗{Il指挥编队年¨E机执行符种特定任务,如反潜、护航、憬M海上交通、对敲实行海L封锁、攻击敌舰队、支援两栖作战等。}|I此uJ见,帆审母舰无论在肌史L还是在当今【}[界舞台-阳“扮演若非常重要的ffj色。航母之所以成为舰艇编队核心、海战{二力和对陆打,h的重婴力培.}要有赖J其特仃的武器驶簖舰载机.Ll航空哗舰车¨其他军舭为基地的E行器统称为舰载机fCarrierlrAi crat,CarrierbasedAircraft/ShipboardAircraft,包括日“载固定翼E机A1rplane和自M载衄,卜,f{LHelicopter,H叶I雠载州定翼飞目【分为常规起降飞机和垂II/短距起落E_|_LVerlical ShoaTake offand Landing,缩写为VSTOL。由功能备异的多种舰载【组成的航母航宁联队担负着以航母为核心的舰艇编队坫十LQG/LTR方法的蚍载飞机自动着舰系统设计的理论缱仿真Ⅻ}究夺取局部海域制空权、制海权,实施对陆打击、反潜作战、远程预警、空战指挥等重要作战使命。舰载机是航母强大作战威力之所在。1910年11月14R,美国飞行员伊利驾驶“寇蒂斯”式双翼飞机在“伯明翰”号轻型巡洋舰起飞成功。翌年1月18R在改装后的“宾夕法尼亚”号巡洋舰上还是伊利驾机完成了首次拦阻着舰。这两次试验奠定了航空母舰发展的基础。历史上,舰载机的发展经由螺旋桨式,到二战后改为喷气式发动机。进2,.20世纪50年代中期后,一批高性能的后掠翼喷气式舰载飞机开始上舰服役,主要是美国的A.4“空中之鹰”和F.8“十字军战士”,至今法国海军还在使用F.8的改型。60年代初期,美国的F一4“鬼怪”、A一6“入侵者”、英国的NA 39“海盗”和法国的“军旗”等舰载飞机陆续丌始装备部队。20世纪60年代中期以后,随着美国研制的E一2舰载空中预警机、EA.6A舰载电子战飞机相继进入航母舰队服役.再加上后柬上舰服役的s.3喷气式舰载反潜机,在美国的航空母舰上率先形成由战斗机、攻击机、预警机、反潜机、电于战飞机、侦察机、加油机、直升机和运输机等组成的综合机群。目前各国j±;在服役的主要舰载E机包括美国的F14、F/A.18、E.2、EA.6B S.3、英国的“海鹤”、法国的“超军旗”SuperEtendard】以及俄罗斯的苏一”等。欧盟正在研制}|勺欧洲战斗机EFA和美囡正在研制的联台打击战斗机Joint Strike Fighter也有舰载型%迄今为止,荚幽是全世界唯一捌有超级重型航母和舰载综合作战机群的旧家。作为世界L唯的超级大国,以现代化航空母舰为核心的海L舰队战斗群确保了美国奉行的令球战略的执行。在21 I址纪之初,航空母舰的发展势头似乎有增无减,世界许多罔家或地区特别是亚洲的些国家_F在建造或筹备发展臼己的航空母舰。可以预见,在21I址纪,航空啡舰将继续保持其海上霸宅地位口。过去.我幽幽防采取以本|防御为主的军事战略.没有发瞄航窀母舰/舰载E机轻武器系统。近年来.蟹求我幽幽防战略应从“近海防御”转变为“经略海洋”的呼声越柬越强烈。我Iq女{j有漫长的海岸线和广阔的海疆,南沙群岛小断m观。I删边Ⅲ家的局部冲突,迁订酬扰已久的台湾问题.都对我国海军的-‘出剖/J提了很商的要求。我国曾鹌二1984年【|{』买了澳大利亚退役的墨尔奉号航母,冷战结束后义从俄罗斯以及乌兜9 91{J买了乩良格号、基辅号、叫斯兜号等航窀母舰.这屿航母大多作为休刚设施运用,仅柯比良格引f前n·进行修复作、№,似这屿舭母目前J{未作为下事刖造。2006年3川10 I,r日人K解放军总裴备部科技委揖会副1三仟汪致远宜却I目将自行建造一IJ旧的未来lj『【母.发展航,}母舰战l{;1。复口大学砸j‘学位论土1.2舰载机的起飞与着舰概述1.2.1舰载机的起飞纵观航母舰载机的起飞方式,二战以前的早期舰载机由于起飞重量轻、滑跑距离短,采用了局部甲板或全通甲板自主式起飞方式,二战之后,随着飞机重量的逐步增大及滑跑距离的增长,再采用以曲的起飞方式已不再适用,必须寻找新的起飞方法,赋予舰载机一外力和离舰俯仰角的弹射起飞方式以及滑跃起飞方式应运而生。弹射起飞是指用弹射器蒸汽型或液压型给舰载机施加外力,使其迅速增速而“弹射升空”。目前,美国的舰载机全部采用这种起飞方式,法国、巴西、阿根廷等国的航母上亦采用了该种起飞方式。弹射起飞大大降低了对舰载机的要求,但是其在技术上特别是在弹射器的研究难度大。而且所需的能量较大,容易出现敞障,可靠性不容易得到保障。滑跃起飞又被称作斜板跃飞或斜曲面甲板起飞。它是指舰载机仪依靠自身动力首先在航母水平甲板上滑跑,后经航母舰首斜曲面甲板一般与7K平碡j呈6。一20。斜面,又称滑跳式甲板和滑橇式甲板,使舰载机在离舰瞬问被赋予定航迹倾斜角、向上的垂赢分速度,使舰载机跃入空中,实现离舰起飞的方法。目l狮采J_lj滑跃起飞的国家有英、俄、两班牙、意大利和印度等。滑跃起E能人火缩短舰载机起飞滑跑距离.并EL其结构简崃,造价低廉,还能有效减轻驾驶员的工作负担。目前舰栽机的起飞方式将主要向滑跃起b方式发展,并磐 步发腱跃升式起萍架起E方,℃和ln磁弹射、斜曲面甲板起E技术等一些更为先进的起b技术14l【“。1.2.2舰载机的着舰1.2.2.1舰载机的着舰飞行环境f¨帆尾处的“公坞尾”气流如图¨所目i,航空母舰行驶时,通过舰旧扪气流有时会在尾部突然向海面F沉,然后冉上升,J侈状像公鸡尾,所以又称“公鸡尾”气流。当E机着脱通过浚区域时,会闭为受到气流的影响而向下运动掉尚度.这会在;}}|当程度}影l】时其精确着舰及安伞荇舰。苎塑,坚塑堡塑矍塾型壁堑型墨竺堡生塑些堡些堕墨型竺//崖荔l划1 I舰尾处“公鸡尾”气流151r21着舰区紊流为使飞机着舰时有足够的甲板风,母舰要根据实际情况高速航行。这时甲板风不是沿着着舰区的中心线流动,而是沿母舰的轴线方向流动。此时对于E机柬|兑.这种气流就成为来自右舷的删风。同时,束自舰首方向的气流趔到飞行甲板上的舰桥后产生紊流向舰尾处流去,这会对着舰产qi很不利的影响。旧、母舰运动航空母舰自身的运动对于舰载机的着舰下滑有着搬大的影响。尤其当大浪涌时更为不利。飞行员有时眼看着母舰后端升起来.在b机差步就要着舰时,后端又 下r沉下去,使拦阻钩抓空。这样,如粜母舰的这种纵摇剧期较长,i|J还比较好应付。但如果周期较短,就会使着舰变得卜分嘲难㈣{I。1.2.2.2舰载机着舰程序及其物理图象通常.舰载龟机以航空母舰为基准,报ji履带形航线飞行,实施进舰着舰,如阁2所示。一般的着舰程序为r1艇载E机首先保持编队,放F尾钩,执航卒母舰腿尾方向通过航,}母舰上空或台艘【审.此时E行速度为300-350kn555 6.648 2km/h。b行高度约800fl240m2舰载b机以这种b{r状态沿航窀母舰的轴线力向作向前的苴线b行片划后,符b机均川隔15s向左舷散丌脱离编队3结束1 80。转弯后,E机逆航空雌IjI的f研进方向沿止艘水下E;J.,E行驰要捡肖E机藕节.确认E机重量小J。最大着舰重繁4E机n一航空母舰左舷L窄飞行.然后玖作i80。转弯,E到航空母舰1.斜角l掣板中心线艇长线的后方,截获F滑逆入J J,此时b行高度375fl43m.速度125~l 30kn230~240km/h;复13人学颐L学位论立5E机进入下滑道人工着舰时,由飞行员操纵舰载飞机根据助降系统的引导沿下滑道下降,自动着舰时由自动着舰系统ACLS{l导沿下滑道下降,飞机的速度保持在125kn230km/h左右。在这个阶段,为了加快飞机发动机的响应速度,通常将发动机保持在8589%军用额定功率状态,以确保舰载飞机高度不足或者飞行姿态不满足着舰要求时,加犬推力进行复E;6舰载飞机飞越航空母舰舰尾甲板.继续下降.尾钩挂住第3或第4根拦阻索,借助拦阻索的帮助,减速滑跑直至停止。H 1 2 WSt“l卉眦小盘I划如果尾钩错过了拦阻索,则b行员应增大油『J,在余下的E行甲板L滑跑,完成逃逸复b.革新进目“着帆。这时如果E机的燃油不够,可山航窀母舰j二守待命的加油机实施窄中加油。Ih以f着舰环境以及着日M过样可以看_}l,舰投机着舰时的主要难度在于【cJIa1尽管航母比一般舰船大褂多t fr】对j。舰载机着舰,‘P板面积还是显得过于狭基于LQG/LTR方法的舰戟飞机自动着脱系境世汁的8论及仿真目f究b0de小;甲板摇晃不稳,并有海风和舰船产生的不规则气流影响;着舰甲板附近有许多障碍物;舰载机驾驶员可以看到的着舰甲板视野常常受到舰载机构件的限制舰载机驾驶员的可视信号比起在岸上.不论是可视质量还是可视距离都要差得多;n夜间着舰或天气原因引起的能见度降低1.2.2.3舰载飞机安全着舰的几个关键技术为了使舰载飞机能在飞行环境比较恶劣的情况下安全、准确而又迅速地降落在一个空问狭窄,不断浮动甚至剧烈摇晃的航母甲板上,就需要在飞机降落过程中对其速度、姿态以及轨迹作十分精确的控制,从而需要以F几个方面的技术保障口】1改善飞机本身的轨迹稳定性;飞机的轨迹稳定性取决于飞机的极曲线特性它是随着速度变化的。通常飞机的b行速度越低,它的轨豆生稳定性越差。当飞机的飞行速度小于最小阻力速度时,屯机处于轨迹不稳定区,飞行速度比塌小阻力速度小得越多,飞机的轨迹l稳定度越大。而舰载机为了满足在航空母舰上着陆的要求,它的着陆速度一般要比陆基飞机小得多。现代战斗机为了保证高速性能通常采用小展弦比的机翼,这也使得它的低速轨迹稳定性较差。目前可通过采用飞机大胜弦比的气动如局,发动机功率自动补偿系统和直接升力控制等技术改善舰载机轨迹稳定性。21航母必须提供相对平稳的着舰平台。如粜航母本身的摇晃过于剧烈,那么一盘『的舰载机也无法实现安{着舰;3有效的着舰辅助系统、机t及舰上辅助着舰系统。主要包括舰上指挥系统、非涅耳透镜光学助降系统、尚一低光束发生器、电子下滑指不器EGS等等;4舭载机飞行员必须具备良蚶的驾驶技术51艇载乜机A动着舰系统ACLSAutomatic Carrier Landing System由于舰载飞机的进舰着舰难度人、肛l险商,即使最优秀的舰载b机匕行m血难以确保一无 失地安全着舰。}l有研制舰载b机全n动引导着舰控制系统,爿能从根本l一解m进舰着舰的难题。作为一种特定的飞行控制系统,ACLSrN”1于帆载飞机飞行员的“延伸”,可以取代飞行员完成舰栽E机进舰着舰的控制。现代航空母舰/舰载飞机J 泛采用的ACLS基本原理如图1 3所小。航空l主}舰1.的*H踪雷达测舰载飞机的实际位置,同时山甲板运复。人学颂L学位论文动传感嚣测量航空母舰飞行甲板的运动情况.将数据传送给补偿计算机对甲板运动进行补偿,然后计算舰载飞机所处的理想位黄;将舰载飞机的理想位簧和实际位置输入指令计算机.进行比较得到误差信号,根据误差信号经由引导控制律计算得到舰载飞机的控制指令,再由无线电数据链发送给舰载飞机舰载飞机上的自动驾驶仪根据接收装置收到的误差信号,操纵飞机消除误差,在预定位置安全着舰。ACLS能够大大降低舰载飞机着舰的纵向误差和横向误差,保证舰载飞机高效率地完成批次降落,大大提高舰载飞机着舰的安全性、准确性和自动化程度。采用ACLS后,舰载飞机获得了更太的自由度,无论白天、黑夜、晴天、刚天,甚至在能见度为零的条件下,都能安全着舰。削1 3规裁E机自动着舰系统原理示意幽美国海军历虫L第代ACLS是1956年研制成功的AN/SPN.10系统。AN/SPN.10系统是无线电引导的仪袭着舰系统ILSInstrument Landing System,蛙早在航空母舰CVA一59福莱斯特FORRESTAL号航母和F-4 E机上使用】。20|}}纪70年代,发胜了新型的微波着舰系统MLSMicrowave Landing System与ILS柑比.MLS具有糙盖范围证、精度高、抗环境r扰能力强、体积小、重量轻等优点.并能够达到IlI类精度着陆舰,逐步取代ILS,应用于陆基飞机、舰载机和短距/难l茸起降E机。III类精度婴求的高度误差仪为O 5m,基本能够满足自动进舰着舰的需要。早埘的ACLS肚能较差,仪作为人1肴帆疗式n勺补充。往实际操作一”通常采JI|多种引导/导航系统搭配、互_{_l补充的r作方式, 般根据舰载机进舰的距离采用1同的操作模式,距离较JⅡEv.t采』1 J ACLS系统q导,花接近航。l母舰的最后阶段.采用光学助降系统与ACLS系统北川引导.舰载飞目I飞行员L控的方式进舰着舰。特别是在气
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