基于頻率采樣方法的FIR甲板運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償器設(shè)計(jì)

王治國(guó)，汪　瞳中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢430064

基于頻率采樣方法的FIR甲板運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償器設(shè)計(jì)

王治國(guó)，汪瞳
中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢430064

航空母艦甲板垂向運(yùn)動(dòng)是艦載機(jī)高海況著艦誤差的主要因素，為提高艦載機(jī)在高海況下的自動(dòng)著艦精度，自動(dòng)著艦系統(tǒng)采用甲板運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償器根據(jù)甲板垂向運(yùn)動(dòng)生成補(bǔ)償指令，以驅(qū)動(dòng)艦載機(jī)精確跟蹤甲板運(yùn)動(dòng)，從而減少著艦誤差。常規(guī)甲板運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償器在補(bǔ)償頻率范圍內(nèi)雖然可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期補(bǔ)償效果，但在補(bǔ)償頻率范圍外存在高增益區(qū)域，對(duì)甲板運(yùn)動(dòng)中的高頻分量起放大作用，并且將其混入生成的補(bǔ)償指令中，會(huì)對(duì)艦載機(jī)飛行安全產(chǎn)生影響。為在有效補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)減少對(duì)甲板運(yùn)動(dòng)高頻分量的放大作用，通過對(duì)艦載機(jī)自動(dòng)著艦系統(tǒng)的頻率響應(yīng)按頻率進(jìn)行采樣，設(shè)計(jì)出離散甲板運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償器頻率響應(yīng)，采用頻率采樣法設(shè)計(jì)數(shù)字式有限沖擊響應(yīng)（FIR）甲板運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償器。仿真結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)的基于頻率采樣方法的FIR甲板運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償器在有效補(bǔ)償由甲板運(yùn)動(dòng)引起的艦載機(jī)著艦誤差的同時(shí)，可有效降低甲板運(yùn)動(dòng)高頻分量的影響，提高著艦精度。

航空母艦；艦載機(jī)；自動(dòng)著艦；頻率采樣；甲板運(yùn)動(dòng)；補(bǔ)償

0　引言

航空母艦（簡(jiǎn)稱“航母”）在海上航行時(shí)，海浪及風(fēng)作用于艦體，引起航母的橫搖、縱搖、艏搖及垂蕩等運(yùn)動(dòng)，嚴(yán)重影響艦載機(jī)著艦時(shí)的精度和安全性［1-2］。如圖1所示，當(dāng)艦載機(jī)按等角下滑方式著艦時(shí)，航母甲板突然下沉并且出現(xiàn)縱搖，艦載機(jī)最終的尾鉤落點(diǎn)會(huì)跨過4根阻攔索，產(chǎn)生較大的著艦水平誤差，致使艦載機(jī)必須逃逸復(fù)飛。由此可見，甲板運(yùn)動(dòng)對(duì)艦載機(jī)著艦是否成功影響很大。

圖1　甲板運(yùn)動(dòng)造成著艦誤差示意圖Fig.1 Landing deviation caused by deck motion

為提高艦載機(jī)的著艦安全性，美國(guó)從20世紀(jì)中期開始大力發(fā)展艦載機(jī)自動(dòng)著艦技術(shù)［3］。圖2為美國(guó)艦載機(jī)自動(dòng)著艦系統(tǒng)組成框圖，在艦載機(jī)自動(dòng)著艦過程中，著艦引導(dǎo)雷達(dá)測(cè)量的位置信息在進(jìn)行導(dǎo)引律計(jì)算之前進(jìn)行了穩(wěn)定處理，不包含航母甲板的運(yùn)動(dòng)信息［4］，因此，當(dāng)艦載機(jī)按理想下滑道精確飛行著艦時(shí)，航母的甲板運(yùn)動(dòng)就成為艦載機(jī)自動(dòng)著艦的主要誤差來源。為減小因航母甲板運(yùn)動(dòng)造成的著艦誤差，美國(guó)艦載機(jī)自動(dòng)著艦系統(tǒng)采用了甲板運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償器，可根據(jù)航母甲板運(yùn)動(dòng)生成補(bǔ)償指令，在艦載機(jī)著艦前約12.5 s時(shí)加入引導(dǎo)指令，使艦載機(jī)能隨時(shí)精確跟蹤航母甲板運(yùn)動(dòng)，調(diào)整飛行軌跡，使其隨甲板起伏而起伏，從而減小由艦體運(yùn)動(dòng)造成的著艦誤差［5］。

圖2　艦載機(jī)自動(dòng)著艦系統(tǒng)組成框圖Fig.2 Structure of automatic carrier landing system

常規(guī)甲板運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償器基于超前網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，利用超前網(wǎng)絡(luò)的相位超前特性改善艦載機(jī)自動(dòng)著艦系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，從而提高艦載機(jī)跟蹤甲板運(yùn)動(dòng)的精度以提高著艦精度。但是，超前網(wǎng)絡(luò)又存在高頻增益較大的特點(diǎn)，使得艦船運(yùn)動(dòng)中的高頻分量得以放大，并混入自動(dòng)著艦系統(tǒng)，影響艦載機(jī)飛行安全性。對(duì)此，本文將首先分析甲板運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償對(duì)提高艦載機(jī)著艦精度的機(jī)理以及常規(guī)甲板運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償器存在的缺點(diǎn)，并利用基于頻率采樣的方法設(shè)計(jì)數(shù)字式有限沖擊響應(yīng)甲板運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償器，在實(shí)現(xiàn)更高精度的補(bǔ)償甲板運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，有效彌補(bǔ)常規(guī)甲板運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償器的缺陷，并較好地補(bǔ)償由甲板運(yùn)動(dòng)引起的艦載機(jī)著艦誤差，最后，通過仿真驗(yàn)證該設(shè)計(jì)方法的合理性。

1　甲板運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)幕驹?/h2>

圖3為艦載機(jī)自動(dòng)著艦系統(tǒng)的閉環(huán)波特圖。在低頻段內(nèi)，艦載機(jī)自動(dòng)著艦系統(tǒng)存在較大的相位滯后，并且幅頻特性也存在較大變化［6-7］，而航母的甲板運(yùn)動(dòng)主要在此低頻段，因此，如果讓艦載機(jī)直接跟蹤航母甲板運(yùn)動(dòng)，必然會(huì)出現(xiàn)艦載機(jī)的起伏運(yùn)動(dòng)滯后于航母甲板運(yùn)動(dòng)的情況，并因而出現(xiàn)較大的跟蹤誤差［8-9］。

圖3　艦載機(jī)自動(dòng)著艦系統(tǒng)的閉環(huán)波特圖Fig.3 Closed-loop Bode diagram of automatic carrier landing system

由圖3可見，在低頻段，艦載機(jī)自動(dòng)著艦系統(tǒng)的相位具有非線性的特點(diǎn)，即艦載機(jī)自動(dòng)著艦系統(tǒng)對(duì)不同頻率甲板運(yùn)動(dòng)滯后的時(shí)長(zhǎng)不同，因此，如果通過預(yù)估甲板運(yùn)動(dòng)抵消艦載機(jī)運(yùn)動(dòng)的滯后，讓艦載機(jī)跟蹤預(yù)估的甲板超前運(yùn)動(dòng)，則會(huì)出現(xiàn)甲板運(yùn)動(dòng)預(yù)估時(shí)長(zhǎng)難以確定的問題。

甲板運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償器的功能是對(duì)艦載機(jī)自動(dòng)著艦系統(tǒng)的頻率響應(yīng)ACLS(jω)進(jìn)行校正，使其在低頻段的幅頻特性近似為1，相頻特性近似為0；或具有線性相位，使艦載機(jī)的起伏運(yùn)動(dòng)跟蹤航母甲板運(yùn)動(dòng)的滯后為固定延時(shí)，再通過甲板運(yùn)動(dòng)預(yù)估予以消除。

美國(guó)海軍艦載機(jī)的自動(dòng)著艦系統(tǒng)中采用的甲板運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償器如式（1）所示［9］：

圖4　甲板運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償器波特圖Fig.4 Bode diagram of deck motion compensator

圖5　加入甲板運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償器后的自動(dòng)著艦系統(tǒng)波特圖Fig.5 Bode diagram of automatic carrier landing system with deckmotion compensator

由于超前網(wǎng)絡(luò)在提供超前相位的同時(shí)，在高頻段存在高增益，雖經(jīng)補(bǔ)償濾波網(wǎng)絡(luò)抑制可降低甲板運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償器的高頻增益，但在局部頻段內(nèi)仍會(huì)存在局部高增益。由圖4可見，在1～10 rad/s范圍內(nèi)，甲板運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償器幅頻特性超過了0 dB，最大接近10 dB。由圖5可見，在相應(yīng)頻率范圍內(nèi)，自動(dòng)著艦系統(tǒng)的增益較圖3也有較大的提升。

式（1）所示常規(guī)甲板運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償器可有效補(bǔ)償艦載機(jī)自動(dòng)著艦系統(tǒng)的低頻段，但在補(bǔ)償頻段以外仍存在較大增益，在高海況下會(huì)對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)中的高頻分量起放大作用，并會(huì)將放大后的高頻信號(hào)送入艦載機(jī)自動(dòng)著艦系統(tǒng)中，進(jìn)而對(duì)艦載機(jī)飛行造成影響。為避免這種情況，要求甲板運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償器在實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償功能的同時(shí)應(yīng)具有較好的低通濾波能力，即不能出現(xiàn)高增益。但由于式（1）所示常規(guī)甲板運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償器中存在超前環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)在提供相位超前的同時(shí)，也造成了局部高增益，因此，利用常規(guī)甲板運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償器難以實(shí)現(xiàn)較好的低通濾波性能。

2 　FIR甲板運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償器設(shè)計(jì)方法

有限沖擊響應(yīng)濾波器FIR具有實(shí)現(xiàn)任意頻譜的能力［10-11］，因此，可考慮采用有限沖擊響應(yīng)濾波器來實(shí)現(xiàn)具備較好的低通濾波性能的甲板運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償器。

由于甲板運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)原理是校正自動(dòng)著艦系統(tǒng)閉環(huán)頻率響應(yīng)，使幅頻特性近似為1，相頻特性近似為0，或?qū)⑾囝l特性校正為線性相位，因此可以采用頻率采樣的方法設(shè)計(jì)FIR甲板運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償器。首先，獲取自動(dòng)著艦系統(tǒng)的低頻段頻率響應(yīng)，然后，求取甲板運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償器的頻率響應(yīng)，再采用頻率采樣法設(shè)計(jì)FIR甲板運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償器的單位脈沖響應(yīng)，從而得出FIR甲板運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償器。下面，給出具體的設(shè)計(jì)方法：

第1步：選取FIR甲板運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償器的采樣周期為T。

第3步：確定FIR甲板運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償器單位脈沖響應(yīng)長(zhǎng)度。

第4步：求取甲板運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償器的頻率響應(yīng)。

取：

上式中，arg DMC（）k中的-M·T·k是為了實(shí)現(xiàn)利用FIR甲板運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償器校正后艦載機(jī)運(yùn)動(dòng)相對(duì)甲板運(yùn)動(dòng)具有線性相位，即存在固定延時(shí)，該延時(shí)為M·T，該固定延時(shí)可通過甲板運(yùn)動(dòng)預(yù)估予以消除，即預(yù)報(bào)M·T以后的甲板運(yùn)動(dòng)送入FIR甲板運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償器，從而實(shí)現(xiàn)艦載機(jī)運(yùn)動(dòng)對(duì)甲板運(yùn)動(dòng)的精確跟蹤。

其中，μ（l），l=1，…，L為修正參數(shù)，μ（l）具有以下特點(diǎn)：

第5步：對(duì)DMC（）k做離散傅立葉反變換，求取確定FIR甲板運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償器單位脈沖響應(yīng)。

則FIR甲板運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償器可表達(dá)為

式中：x（）n為送入FIR甲板運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償器的甲板運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)；y（）n為FIR甲板運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償器的輸出。

第6步：根據(jù)DMC（）k計(jì)算頻率響應(yīng)，如果不能滿足需求，則調(diào)整參數(shù)，重新上述設(shè)計(jì)過程。

3　仿真驗(yàn)證

按第2節(jié)FIR甲板運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償器介紹設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)步驟如下。

第1步：選取FIR甲板運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償器的采樣周期為0.25 s。

第3步：確定FIR甲板運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償器單位脈沖響應(yīng)長(zhǎng)度為400。

圖6　采用FIR甲板運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償器的艦載機(jī)自動(dòng)著艦仿真系統(tǒng)構(gòu)架Fig.6 Framework of automatic carrier landing simulation system with FIR deck motion compensator

圖7　自動(dòng)著艦系統(tǒng)閉環(huán)頻率響應(yīng)采樣Fig.7 Closed-loop frequency sampling of automatic carrier landing system

第4步：求取甲板運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償器的頻率響應(yīng)。

M=10，則通過FIR甲板運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償器校正后，艦載機(jī)運(yùn)動(dòng)較甲板運(yùn)動(dòng)存在MT=2.5 s的固定延時(shí)。

設(shè)計(jì)的FIR甲板運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償器期望頻率響應(yīng)如圖8所示。

圖8　甲板運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償器期望頻率響應(yīng)Fig.8 Desired frequency sampling of deck motion compensator

第5步：對(duì)DMC（）k做離散傅立葉反變換，求取確定FIR甲板運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償器單位脈沖響應(yīng)。DMC（）k如圖9所示。

圖9　甲板運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償器單位脈沖響應(yīng)Fig.9 Unit impulse response of deck motion compensator

第6步：根據(jù)DMC（）k計(jì)算頻率響應(yīng)，如圖10所示。該FIR甲板運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償器可以較好地校正艦載機(jī)自動(dòng)著艦系統(tǒng)的幅頻特性，并能將自動(dòng)著艦系統(tǒng)的相頻特性在低頻段校正為線性相位。此外，該FIR甲板運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償器還具有良好的低通濾波性能，峰值放大倍數(shù)約為2.1，即6.4 dB，較圖4降低了約3.6 dB。

圖10　 FIR甲板運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償器頻率響應(yīng)Fig.10 Response of FIR deck motion compensator

將甲板運(yùn)動(dòng)直接送入該FIR甲板運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償器，可得結(jié)果如圖11所示。

圖11　 FIR甲板運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償器輸入輸出Fig.11 Input and output of FIR deckmotion compensator

艦載機(jī)跟蹤甲板運(yùn)動(dòng)情況如圖12所示。

由圖12可見，艦載機(jī)運(yùn)動(dòng)相對(duì)甲板運(yùn)動(dòng)存在2.5 s的固定延時(shí)。

將提前2.5 s的甲板運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)送入該FIR甲板運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償器后，可得結(jié)果如圖13所示。

圖12　艦載機(jī)運(yùn)動(dòng)跟蹤甲板運(yùn)動(dòng)情況Fig.12 Deckmotion tracking trajectory of aircraft

圖13　將預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)送入FIR甲板運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償器后的輸入輸出Fig.13 Inputand outputof FIR deck motion compensator after inputted the forecasted data

艦載機(jī)跟蹤甲板運(yùn)動(dòng)情況如圖14所示。

圖14　將預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)送入FIR甲板運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償器后艦載機(jī)運(yùn)動(dòng)跟蹤甲板運(yùn)動(dòng)情況Fig.14 Deckmotion tracking trajectory ofaircraft after inputted the forecasted data

由圖14可見，艦載機(jī)運(yùn)動(dòng)跟蹤甲板運(yùn)動(dòng)的精度有較大的提升。

4　結(jié)語(yǔ)

本文分析了航母甲板運(yùn)動(dòng)對(duì)著艦的影響以及甲板運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償對(duì)提高著艦精度的機(jī)理，指出常規(guī)甲板運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償器由于在補(bǔ)償頻段以外存在較大增益，導(dǎo)致在高海況下會(huì)出現(xiàn)對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)高頻分量放大并影響艦載機(jī)飛行的缺陷。采用基于頻率采樣方法設(shè)計(jì)的數(shù)字式有限沖擊響應(yīng)甲板運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償器，在有效補(bǔ)償艦載機(jī)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，具備良好的低通濾波能力，可有效抑制船舶運(yùn)動(dòng)高頻分量混入自動(dòng)著艦系統(tǒng)，避免對(duì)艦載機(jī)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響。最后，通過仿真驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方法的合理性。

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［責(zé)任編輯：喻菁］

FIR deck motion compensator design based on the frequency sampling approach

WANGZhiguo，WANGTong China Ship Developmentand Design Center，Wuhan 430064，China

The vertical motion of the aircraft carrier is amajor cause behind carrier-based aircraft landing error.In order to enhance the landing precision of carrier-based aircraft in high sea state，the automatic carrier landing system incorporates a deck motion compensator to generate the compensation command that corresponds with the vertical deck motion.This command guides the aircraft's tracking motion precisely and reduces the landing error significantly.In most cases，the deck motion compensator can realize the expected compensation effect within the compensation frequency region，but it usually induces a high gain region outside the compensation range，which amplifies the high frequency component of deck motion and threatens the aircraft flight safety.In order to compensate deck motion effectively and reduce the influence of the high frequency component of deckmotion，the frequency response ofa discrete deckmotion compensator is designed in this paper through an automatic landing frequency samp ling system，and a deckmotion compensator with digital Finite Impulse Response（FIR）is also designed by using the frequency sampling method.The simulation results indicate that the proposed FIR deck motion compensator can decrease the aircraft landing deviation effectively.

aircraft carrier；carrier-based aircraft；automatic landing；frequency sampling；deck motion；compensation

U674.771

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2015.04.004

2014-12-10網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2015-7-28 17:25:08

國(guó)家部委基金資助項(xiàng)目

王治國(guó)，男，1977年生，高級(jí)工程師。研究方向：艦船總體研究與設(shè)計(jì)。E-mail:498750356@qq.com汪瞳（通信作者），男，1984年生，博士，工程師。研究方向：艦載機(jī)著艦引導(dǎo)技術(shù)。E-mail：wangtong701@foxmail.com