基于模糊控制的艦載機(jī)著艦指揮官引導(dǎo)系統(tǒng)建模

摘 要：為保證航母艦載機(jī)著艦安全性，提出了一種基于模糊控制的艦載機(jī)著艦指揮官（LandingSignalOfficer，LSO）引導(dǎo)決策系統(tǒng)建模方法。通過分析艦載機(jī)著艦過程安全影響因素，明確飛行狀態(tài)變化量，總結(jié)LSO引導(dǎo)決策特點(diǎn)，針對(duì)LSO自身特點(diǎn)和工作原理，結(jié)合模糊控制理論，分別設(shè)計(jì)艦載機(jī)著艦指揮官橫縱向回路模糊控制規(guī)則，建立LSO橫縱向回路控制模型，評(píng)價(jià)指令優(yōu)先級(jí)，最終完成LSO著艦引導(dǎo)綜合決策系統(tǒng)模型的建立。數(shù)值仿真結(jié)果表明，利用模糊控制原理建立的LSO綜合著艦引導(dǎo)模型，輸出指令符合真實(shí)情況下著艦指揮官的實(shí)際操作指令，為艦載機(jī)著艦安全性的提高提供了幫助。

關(guān)鍵詞：艦載機(jī)；著艦指揮官；引導(dǎo)系統(tǒng)；模糊控制

中圖分類號(hào)：V249.11 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1673-5048（2013）05-0040-05

LandingSignalOfficerGuideSystemModelingBasedon FuzzyControlforCarrierBasedAircraft

LIHui，ZHUQidan，ZHANGZhi，YUMengzhu

（CollegeofAutomation，HarbinEngineeringUniversity，Harbin150001，China）

Abstract：Toensurethelandingsafetyofcarrierbasedaircraft，thepaperproposesanapproachfor thelandingsignalofficer（LSO）guidedecisionsystemmodelingbasedonfuzzycontrol.Thesafetyfactors inthelandingprocessareanalyzed，andLSO’scharacteristicsandworkingprincipleareconsidered.To establishLSOhorizontalandverticalfuzzycontrollerrespectively，theintegratedguidedecisionsystem modelwiththefuzzyintelligentcontrolisfinished.Simulationresultsshowthattheoutputinstructions whichcomefromthemodelestablishedbyfuzzycontrolprinciple，meettheactualoperatinginstructionsof LSOintherealcase.Itplaysanimportantroleforsafetyofcarrierbasedaircraftlanding.

Keywords：carrierbasedaircraft；landingsignalofficer（LSO）；guidesystem；fuzzycontrol

0 引 言

艦載機(jī)作為航母作戰(zhàn)體系的重要組成部分，以其機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，打擊面廣作為各國海軍實(shí)力的集中體現(xiàn)。由于工作環(huán)境的特殊性，當(dāng)執(zhí)行訓(xùn)練和作

戰(zhàn)任務(wù)之后，操縱艦載機(jī)安全降落到航母甲板并準(zhǔn)確鉤索對(duì)于每一名駕駛員來說都是非常困難的[1-6]。在艦載機(jī)進(jìn)艦著艦過程中，航母艦尾左舷著艦指揮官（LandingSignalOfficer，LSO）時(shí)刻觀察艦載機(jī)飛行狀態(tài)，依據(jù)飛行偏差向飛行員發(fā)送指令，飛行員根據(jù)LSO指令及時(shí)調(diào)整飛機(jī)飛行狀態(tài)，保證安全有效的著艦效果，由于LSO為艦載機(jī)著艦安全提供了有力保障，因此在艦載機(jī)起降安全性研究過程中，對(duì)LSO著艦引導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行精確建模是十分必要的。

本文綜合分析艦載機(jī)著艦過程安全影響因素，明確LSO著艦引導(dǎo)特點(diǎn)，基于模糊控制方法，分別建立LSO縱向回路和橫側(cè)向回路控制模型，依據(jù)優(yōu)先級(jí)原則將兩回路有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)LSO著艦引導(dǎo)系統(tǒng)建模。

1 艦載機(jī)著艦安全影響因素分析

艦載機(jī)進(jìn)艦著艦過程中，飛行員需要依據(jù)當(dāng)前飛行狀態(tài)和LSO指令對(duì)飛機(jī)不斷做出調(diào)整，完成偏差糾正，最終實(shí)現(xiàn)安全著艦[2-3，7]。影響艦載機(jī)著艦安全的因素主要分為縱向回路和橫側(cè)向回路兩類，其中縱向回路偏差包括下滑偏差和下沉率偏差；橫側(cè)向回路偏差包括對(duì)中偏差和漂移率偏差。

1.1 縱向回路

（1）下滑偏差

下滑偏差是LSO最關(guān)心的縱向?qū)崟r(shí)偏差。通過對(duì)艦載飛機(jī)下滑位置的判斷，既可以時(shí)刻監(jiān)視飛機(jī)飛行狀態(tài)，又可以判斷最終飛機(jī)到達(dá)艦尾處的甲板凈空。如圖1所示，在著艦的最后階段，如果飛機(jī)下滑航跡正確，只要繼續(xù)保持就能鉤住阻攔索，完成著艦，LSO不需發(fā)出復(fù)飛指令；如果飛機(jī)高于理想著艦軌跡，則有可能無法完成鉤索，導(dǎo)致逃逸復(fù)飛等現(xiàn)象的發(fā)生。因此，LSO不應(yīng)該接受有高于著艦軌跡傾向的飛機(jī)著艦。如果飛機(jī)低于理想著艦軌跡，則有可能撞向艦尾或墜入大海造成機(jī)毀人亡的悲劇，所以，LSO也絕不能接受有低于著艦軌跡傾向的飛機(jī)著艦[2]。

（2）下沉率

下沉率即縱向的下沉速度。艦載機(jī)理想的進(jìn)艦下沉率是恒定的，但由于飛機(jī)在著艦過程中存在俯仰、偏航和滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，飛行員有時(shí)利用更改下沉率或油門來實(shí)現(xiàn)飛行姿態(tài)的變化，當(dāng)下沉率持續(xù)過小時(shí)，飛機(jī)可能會(huì)逐漸高于理想下滑道，無法成功鉤索，需要復(fù)飛，造成著艦失??；當(dāng)下沉率持續(xù)過大時(shí)，飛機(jī)可能會(huì)低于下滑道，存在墜?；蜃矒襞炍驳娘L(fēng)險(xiǎn)，這種情況應(yīng)絕對(duì)避免。

1.2 橫側(cè)向回路

（1）對(duì)中偏差

對(duì)中偏差即對(duì)準(zhǔn)位置偏差，是LSO關(guān)心的橫向?qū)崟r(shí)偏差。所謂對(duì)中就是艦載機(jī)必須正確地對(duì)準(zhǔn)降落作業(yè)區(qū)甲板跑道的中心線，否則就可能在降落后發(fā)生側(cè)向碰撞事故。LSO依據(jù)艦尾的“對(duì)中標(biāo)尺”對(duì)飛機(jī)著艦過程對(duì)中品質(zhì)進(jìn)行判斷。如圖2所示，如果飛機(jī)對(duì)中靠左，則有可能墜入大海；如果飛機(jī)對(duì)中靠右，則有可能撞上甲板上的建筑或其他已停放的飛機(jī)[4]。

（2）漂移率

漂移率即橫向的位置變化率。飛行員利用改變漂移率來補(bǔ)償飛機(jī)的橫向偏差，但過大的漂移率會(huì)使飛機(jī)出現(xiàn)很大位置偏差，特別是當(dāng)飛機(jī)向右的漂移率很大時(shí)，如果此時(shí)飛機(jī)向右的位置偏差也很大，機(jī)體容易撞擊航母右舷。因此飛行員應(yīng)實(shí)時(shí)根據(jù)LSO提供的橫向指令更改漂移率，達(dá)到橫向?qū)χ械哪康腫3]。

從實(shí)際操作和應(yīng)用方面考慮，上述四個(gè)影響因素是艦載機(jī)著艦指揮官最為關(guān)心的飛行狀態(tài)量，因此將其作為LSO著艦引導(dǎo)系統(tǒng)輸入是合理的。

2 LSO著艦引導(dǎo)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

LSO作為個(gè)體人，其指令具有以下特點(diǎn)[8]：

（1）行為具有非線性特性；

（2）需要針對(duì)艦載機(jī)多個(gè)飛行狀態(tài)量完成著艦引導(dǎo)，過程具有復(fù)雜性特點(diǎn)；

（3）引導(dǎo)判斷具有模糊性。如LSO經(jīng)常發(fā)出“飛機(jī)下滑位置有點(diǎn)高”，“飛機(jī)對(duì)準(zhǔn)有點(diǎn)靠右”等指令[5]。

由于LSO行為的非線性、復(fù)雜性和模糊性，應(yīng)用傳統(tǒng)控制方法對(duì)其建模難度很大，本文將建模對(duì)象———LSO作為“黑箱”，利用模糊控制方法來實(shí)現(xiàn)操作經(jīng)驗(yàn)的語言表述，形成“模糊規(guī)則”，并依據(jù)這些規(guī)則來模擬LSO的引導(dǎo)決策行為。

2.1 模糊控制理論

模糊控制器的組成結(jié)構(gòu)如圖3所示[9-11]。

圖中“知識(shí)庫”框內(nèi)的幾個(gè)模塊，分別是離線得出的隸屬函數(shù)庫t，存貯把數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模糊量時(shí)使用的隸屬函數(shù)；控制規(guī)則庫R（近似推理算法），存貯進(jìn)行近似推理的推理?xiàng)l件語句及近似推理的算法；清晰化算法庫fd，存貯對(duì)模糊量進(jìn)行清晰化處理時(shí)使用的算法。

2.2 LSO著艦引導(dǎo)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

LSO著艦引導(dǎo)系統(tǒng)工作原理：在艦載機(jī)著艦過程中，根據(jù)飛機(jī)當(dāng)前的位置和姿態(tài)，獲取縱向回路下滑偏差和下沉率偏差，橫側(cè)向回路對(duì)中偏差和漂移率偏差，分別建立橫縱向模糊控制系統(tǒng)，得到橫縱向控制指令，根據(jù)實(shí)時(shí)飛行情況，適時(shí)向飛行員發(fā)送指令，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

本文利用自主設(shè)計(jì)的橫縱向模糊控制器，以1 s為周期輸出離散指令，經(jīng)過LSO綜合著艦引導(dǎo)系統(tǒng)規(guī)則庫，向飛行員發(fā)送一維離散指令，飛行員接收引導(dǎo)指令，調(diào)整飛行狀態(tài)，使艦載機(jī)依據(jù)理想航跡飛行。艦載機(jī)系統(tǒng)與LSO系統(tǒng)作為兩個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)互通數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)作為反饋信號(hào)應(yīng)用到各自系統(tǒng)中，二者共同作用形成完整的“艦載機(jī)-LSO”系統(tǒng)，保證艦載機(jī)安全有效地著艦。

3 LSO著艦引導(dǎo)系統(tǒng)建模

3.1 LSO縱向回路控制系統(tǒng)建模

LSO縱向回路模糊推理系統(tǒng)輸入論域?yàn)椋合禄詈拖鲁谅势?，輸出信?hào)為縱向回路離散糾偏指令?？刂破鞯哪：袛嗾Z言采用七標(biāo)度分類法：正大（PB）、正中（PM）、正?。≒S）、平均零（AZ）、負(fù)?。∟S）、負(fù)中（NM）、負(fù)大（NB）。依據(jù)文獻(xiàn)[2]，下滑偏差范圍為[-1.5，1.5]，下沉率偏差范圍為[-1，1]。

由于人的判斷是遵循正態(tài)分布原則的，本文選擇Gauss型輸入論域模糊集合隸屬度函數(shù)[12]：

LSO縱向模糊控制器設(shè)計(jì)原則為：

（1）當(dāng)縱向輸入偏差較大時(shí)，輸出的控制量應(yīng)滿足盡快減小誤差的目的，特別是當(dāng)艦載機(jī)向上的縱向偏差過大時(shí)，LSO應(yīng)向飛行員發(fā)送向下的負(fù)大控制指令。

（2）當(dāng)縱向輸入偏差較小時(shí)，在考慮消除誤差的基礎(chǔ)上，盡可能保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性，避免過大的超調(diào)和震蕩。

制定如表1中所示的模糊控制規(guī)則，表中橫向基準(zhǔn)為下沉率，縱向基準(zhǔn)為下滑偏差。

正弦信號(hào)輸入縱向模糊控制器中，得到引導(dǎo)指令輸出仿真曲線，如圖5所示。仿真結(jié)果表明：當(dāng)下滑偏差為正大、下沉率也為正大時(shí)，LSO縱向輸出為負(fù)大；當(dāng)下滑偏差為負(fù)大、下沉率為正大時(shí)，LSO縱向輸出為OK，輸出結(jié)果基本符合LSO縱向指令要求。

3.2 LSO橫側(cè)向回路控制系統(tǒng)建模

LSO的橫側(cè)向輸入信號(hào)為艦載機(jī)對(duì)中偏差和漂移率偏差，輸出信號(hào)為LSO橫側(cè)向回路離散指令，對(duì)中偏差范圍[-3.5，3.5]，漂移率范圍[-1，1]。將周期為6.3s和3.2s的對(duì)中偏差和漂移率偏差正弦信號(hào)輸入到橫側(cè)向回路模糊控制器中，得到相應(yīng)的輸出信號(hào)，輸入輸出仿真曲線如圖6所示。

仿真結(jié)果表明：當(dāng)對(duì)中偏差正大、漂移率也正大時(shí)，LSO橫向輸出為負(fù)大；當(dāng)對(duì)中偏差為負(fù)大、漂移率為正大時(shí)，LSO橫向輸出為OK，輸出結(jié)果基本符合LSO橫側(cè)向指令要求。

3.3 LSO綜合著艦引導(dǎo)系統(tǒng)建模

在艦載機(jī)著艦過程中，飛行員接收LSO指令的同時(shí)，會(huì)分散控制艦載機(jī)的注意力，因此LSO有一條重要的工作原則：在保證艦載機(jī)安全進(jìn)艦的前提下，盡可能少地向飛行員發(fā)送指令[1]。當(dāng)LSO向飛行員發(fā)出超過一維的指令，將會(huì)使飛行員控制橫縱向飛行狀態(tài)嚴(yán)重耦合，增加艦載機(jī)著艦的危險(xiǎn)系數(shù)，因此在實(shí)際工作過程中，LSO需要完成指令信息的優(yōu)先級(jí)排序，優(yōu)先向飛行員發(fā)送最關(guān)鍵、最重要的引導(dǎo)指令。

LSO綜合著艦引導(dǎo)系統(tǒng)的輸入為縱向回路和橫側(cè)向回路模糊控制器的輸出信號(hào)，系統(tǒng)判斷兩輸入信號(hào)的優(yōu)先級(jí)，控制規(guī)則的設(shè)計(jì)原則為：

（1）同等級(jí)的向上指令比向左/右指令優(yōu)先；

（2）同等級(jí)的向左/右指令比向下的指令優(yōu)先；

（3）向左指令比下一級(jí)向上的指令優(yōu)先。

此處同等級(jí)的概念是指確定的數(shù)據(jù)在七標(biāo)度模糊語言中相同。

LSO引導(dǎo)決策系統(tǒng)控制器的控制規(guī)則如表2所示，表中橫向基準(zhǔn)為橫側(cè)向回路指令，縱向基準(zhǔn)為縱向回路指令。

由于LSO向飛行員發(fā)送的指令為離散信號(hào)，因此需要先將LSO橫縱向模糊控制器的輸出曲線離散化，利用制定好的控制規(guī)則，得到相應(yīng)時(shí)刻的離散指令，離散指令條形圖如圖7所示。

從指令條形圖中可以看出，著艦指揮官依據(jù)當(dāng)前著艦風(fēng)險(xiǎn)自動(dòng)判斷指令優(yōu)先級(jí)，在橫縱向14條指令中選擇一維指令向飛行員發(fā)送，使飛行員明確當(dāng)前最主要飛行偏差，依據(jù)糾偏指令執(zhí)行相應(yīng)飛行更正，從而實(shí)現(xiàn)最終著艦安全。

4 結(jié) 論

對(duì)本文建立的LSO模糊智能引導(dǎo)系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真的結(jié)果表明，利用模糊控制建立的LSO引導(dǎo)模型符合真實(shí)著艦指揮官的工作特點(diǎn)，輸出結(jié)果基本符合真實(shí)環(huán)境下的糾偏效果。同時(shí)，系統(tǒng)模型的建立也為具有模型不確定性、非線性以及任

務(wù)環(huán)境復(fù)雜性的對(duì)象，特別是對(duì)象是人的情況，提供了一種行之有效的解決方法。

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·簡訊·

以色列求購10000多枚靈巧炸彈

美國國防安全合作局（DSCA）2012年12月10日向美國國會(huì)提交的報(bào)告顯示，以色列已經(jīng)向美國申請(qǐng)采購10350枚慣性導(dǎo)航系統(tǒng)/全球定位系統(tǒng)制導(dǎo)炸彈。

采購申請(qǐng)包括5175枚GBU-31、1725枚GBU-38、3450枚GBU-39炸彈以及35500枚各種類型的引信、備附件、訓(xùn)練和保障服務(wù)。所有這些炸彈都已經(jīng)在以色列空軍（IAF）的采購物資清單中。其中GBU-31包括“聯(lián)合直接攻擊彈藥”（JDAM）制導(dǎo)組件，配裝2000磅的Mk84通用戰(zhàn)斗部或用于摧毀掩體目標(biāo)的BLU-109侵徹戰(zhàn)斗部。以色列申請(qǐng)采購Mk84和BLU-109的數(shù)量分別是3450枚和1725枚。較小的GBU-38由“聯(lián)合直接攻擊彈藥”（JDAM）組件與500磅的Mk82通用戰(zhàn)斗部組成。

據(jù)美國國防安全合作局（DSCA）估計(jì)，此次以色列申請(qǐng)采購的合同總價(jià)可能高達(dá)6.47億美元。相比之下，2007年以色列申請(qǐng)采購了10000枚“聯(lián)合直接攻擊彈藥”（JDAM）組件、4000枚“寶石路”Ⅱ激光制導(dǎo)炸彈組件、13500枚通用戰(zhàn)斗部和侵徹戰(zhàn)斗部以及50枚GBU-28“寶石路”Ⅲ鉆地彈（每枚重2075kg），估計(jì)總價(jià)也不過4.65億美元。

還有一個(gè)值得注意的現(xiàn)象是，DSCA公布的此次采購清單中沒有以色列預(yù)計(jì)要購買的額外的GBU-28鉆地彈，這可能是因?yàn)槊绹鴵?dān)心以色列用其對(duì)伊朗實(shí)施單邊打擊而不愿提供。

從業(yè)界的觀點(diǎn)來看，潛在的以色列JDAM訂單對(duì)于波音公司將是令人欣喜的援助，在美國不確定的預(yù)算氣氛中，這將增加它的出口。

GBU-39SDB的采購需求對(duì)研制這種炸彈的波音公司和洛克希德·馬丁公司聯(lián)合團(tuán)隊(duì)來說也是好消息，因?yàn)閮H為美國軍方生產(chǎn)340多枚SDB炸彈，而美國軍方正轉(zhuǎn)向采購雷神公司的GBU-53SDBⅡ。

同時(shí)，如果美國國會(huì)批準(zhǔn)了采購請(qǐng)求，以色列空軍（IAF）將不可能從以色列軍事工業(yè)（IMI）公司訂購大量的戰(zhàn)斗部或購買艾爾比特（Elbit）系統(tǒng)公司的Lizard4激光制導(dǎo)組件。

（張傳勝 趙鴻燕）