艦載機(jī)綜合光電著艦引導(dǎo)信息融合

王 杰，譚樂祖，畢 波，劉新科

（1.海軍航空工程學(xué)院 a.訓(xùn)練部；b.指揮系，山東 煙臺(tái) 264001；2.海軍大連艦艇學(xué)院政治系，遼寧 大連 116018）

艦載機(jī)是大型艦船遂行各種作戰(zhàn)任務(wù)和履行使命的主要手段，艦載機(jī)著艦是其作戰(zhàn)活動(dòng)過程的重要環(huán)節(jié)，技術(shù)要求高，風(fēng)險(xiǎn)大。提高艦載機(jī)著艦引導(dǎo)信息的精度，向飛行員提供更加精確的著艦數(shù)據(jù)，可以最大限度降低艦載機(jī)著艦風(fēng)險(xiǎn)[1-2]。

目前，大型艦船上的艦載機(jī)著艦引導(dǎo)系統(tǒng)主要有電子著艦系統(tǒng)和光學(xué)助降系統(tǒng)[3]，電子著艦系統(tǒng)主要通過精密雷達(dá)和機(jī)載設(shè)備提供飛機(jī)相對(duì)大型艦船的位置、速度信息和飛行狀態(tài)，光學(xué)助降系統(tǒng)是通過大型艦船上的燈光信號(hào)，給飛行員提供正確的著艦下滑軌跡。

1 著艦系統(tǒng)提供的引導(dǎo)信息

假設(shè)oxyz為著艦點(diǎn)坐標(biāo)系，如圖1所示。x軸與甲板中心線平行，z軸垂直于甲板向上，y與x、z 構(gòu)成右手坐標(biāo)系。在著艦點(diǎn)坐標(biāo)系中艦載機(jī)的真實(shí)方位仰角、方位偏航角和斜距。

圖1 著艦點(diǎn)系坐標(biāo)

方位仰角信號(hào)為：

方位偏航角信號(hào)為：

斜距信號(hào)為：

電子著艦系統(tǒng)方位仰角信號(hào)為：

式(4)中：?elec為電子著艦系統(tǒng)方位仰角信號(hào)；?real為真實(shí)方位偏航角信號(hào)；Δw?,g為高斯白噪聲信號(hào)。

電子著艦系統(tǒng)方位偏航角信號(hào)為：

式(5)中：?elec為電子著艦系統(tǒng)方位偏航角信號(hào)；?real為真實(shí)方位偏航角信號(hào)；Δw?,g為高斯白噪聲信號(hào)。

電子著艦系統(tǒng)斜距信號(hào)為：

式(6)中：lelec為電子著艦系統(tǒng)斜距信號(hào)；lreal為真實(shí)斜距信號(hào)；Δwl,g為高斯白噪聲信號(hào)。

IFLOLS 光學(xué)助降系統(tǒng)能夠向艦載機(jī)提供的著艦信息為下滑航路(光路)。

根據(jù)實(shí)際情況可知，艦載機(jī)大部分時(shí)間會(huì)處于規(guī)定的理想下滑軌跡區(qū)域內(nèi)，偏離理想下滑區(qū)域的時(shí)間同偏離的角度成反比，即偏離的角度越大，艦載機(jī)在相應(yīng)燈光區(qū)域內(nèi)停留的時(shí)間就越短。通過以上分析，建立IFLOLS 光學(xué)助降系統(tǒng)縱向燈光量化模型為：

式(7)中：Δ?light為量化的光學(xué)助降系統(tǒng)縱向燈光信號(hào)偏差；Δ?real為模擬的真實(shí)軌跡方位仰角偏差；Y為燈光信息量化值；k1為比例系數(shù)；tY為艦載機(jī)在某種頻率顏色燈光中停留的時(shí)間；Δ?0為單位時(shí)間方位仰角變化量，為簡便起見暫設(shè)為一值很小的常量；ωm1為馬爾科夫噪聲；tY=n1?T，n1為周期數(shù)，T為采樣周期，燈光頻率或顏色改變或者為橙色穩(wěn)定光則tY置零。

IFLOLS 光學(xué)助降系統(tǒng)橫向燈光量化模型為：

式(8)中：Δ?light為量化的光學(xué)助降系統(tǒng)側(cè)向燈光信號(hào)偏差；Δ?real為模擬的真實(shí)軌跡方位偏航角偏差；S為燈光信息量化值；k2為比例系數(shù)；tS為艦載機(jī)捕獲到某一顏色、某一數(shù)量燈光信號(hào)持續(xù)的時(shí)間，tS=n2?T，n2為周期數(shù)，T為采樣周期，燈光數(shù)量或顏色改變或者燈光為黃色光則tS置零；Δ?0為單位時(shí)間方位偏差角變化量，簡便起見暫設(shè)為一值很小的常量；ωm2為馬爾科夫噪聲。

利用上面兩個(gè)模型，可以將光學(xué)助降系統(tǒng)燈光信號(hào)進(jìn)行量化，得出相應(yīng)的方位仰角和方位偏航角信息，為接下來實(shí)現(xiàn)信息融合做好準(zhǔn)備。

2 著艦引導(dǎo)信息融合

由于著艦系統(tǒng)直接向艦載機(jī)提供的輸出信號(hào)有艦載機(jī)相對(duì)大型艦船的方位仰角、方位偏航角以及斜距，因而將著艦系統(tǒng)的這3個(gè)量作為觀測量[4-5]。估計(jì)的狀態(tài)應(yīng)該同觀測量相關(guān)，考慮方位仰角和方位偏航角之間關(guān)系的復(fù)雜性，由觀測量直接估計(jì)方位角很難實(shí)現(xiàn)，因而采用間接估計(jì)的方法。首先，估計(jì)出艦載機(jī)的坐標(biāo)和速度信息；再換算成方位角和斜距供著艦使用[6-7]。因此，選取的狀態(tài)變量為：

艦載機(jī)著艦過程的狀態(tài)空間模型可以用如下兩個(gè)方程描述：

在著艦點(diǎn)系，艦載機(jī)著艦過程離散狀態(tài)方程

已知的觀測量Z為電子著艦系統(tǒng)提供的斜距信息、方位仰角信息和方位偏航角信息以及光學(xué)助降系統(tǒng)提供的方位仰角信息和方位偏航角信息。

由于艦載機(jī)坐標(biāo)偏差同方位角之間不是線性關(guān)系，因而只能列寫它們的轉(zhuǎn)換關(guān)系：

3 仿真驗(yàn)證

根據(jù)文獻(xiàn)[5]，電子著艦系統(tǒng)的采樣周期10 ms，艦載機(jī)攝像頭的采樣周期可以為20 ms，而本文考慮的是著艦階段最后的0～3 km，飛機(jī)進(jìn)場時(shí)的速度為220～280 km/h，整個(gè)過程大約持續(xù)1 min，所以選定采樣周期為10 ms，共進(jìn)行6 000次采樣。

選取狀態(tài)初值為x0=[3 000,82,0,1,200,2]T。

關(guān)于3個(gè)方向的位置偏離情況，見圖2～4，可以看出，濾波位置能夠精確跟蹤真實(shí)位置。

圖2 x軸濾波值

圖3 y軸濾波值

圖4 z軸濾波值

4 結(jié)論

本文將電子著艦系統(tǒng)和光學(xué)助降系統(tǒng)輸出的引導(dǎo)信息進(jìn)行融合，提供了精確的著艦引導(dǎo)信息，并通過仿真驗(yàn)證了算法的高精確性，為以后艦載機(jī)著艦研究提供了有益的參考。

[1]張小苗,尚洋,雷志輝,等.一種基于單幅跑道圖像的無人機(jī)降落位姿測量新方法[J].國防科技大學(xué)學(xué)報(bào),2008,30(1):19-24.

[2]王曉劍,潘順良,宋子善,等.無人直升機(jī)自主著艦的計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào),2007,33(6):686-689.

[3]彭秀艷,趙希人.艦載機(jī)起降指導(dǎo)技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].機(jī)電設(shè)備,2006,23(2):12-15.

[4]高青.多傳感器數(shù)據(jù)融合算法研究[D].西安:西安電子科技大學(xué),2008.

[5]駱光明,等.數(shù)據(jù)鏈——信息系統(tǒng)連接武器系統(tǒng)的捷徑[M].北京:國防工業(yè)出版社,2008:42-46.

[6]余勇.精確著艦引導(dǎo)及復(fù)飛技術(shù)研究[D].南京:南京航空航天大學(xué),2003.

[7]朱曉娟.飛行控制系統(tǒng)多傳感器信息融合技術(shù)研究[D].南京:南京航空航天大學(xué),2008.