著艦指揮官指令操作關聯(lián)引導系統(tǒng)建模

王宏欣，李　暉

（哈爾濱商業(yè)大學計算機與信息工程學院，哈爾濱150028）

著艦指揮官指令操作關聯(lián)引導系統(tǒng)建模

王宏欣，李暉

（哈爾濱商業(yè)大學計算機與信息工程學院，哈爾濱150028）

為保證航母艦載機著艦過程中著艦指揮官（Landing Signal Officer，LSO）對于駕駛員操作引導的安全性，建立了一種“LSO-駕駛員-艦載機”指令操作關聯(lián)引導系統(tǒng)，通過深入剖析LSO引導任務，明確控制難點，定義指令操作基元概念，闡述引導著艦糾偏過程中的指令操作基元的集合性，設計建立LSO指令操作關聯(lián)引導模型，LSO依據(jù)艦載機實時飛行狀態(tài)下達“飛行狀態(tài)關聯(lián)指令”，駕駛員依據(jù)LSO指令執(zhí)行“指令關聯(lián)操作”，可以實現(xiàn)完整的指令操作基元響應糾偏.針對不同飛行偏差狀態(tài)下指令操作關聯(lián)引導過程進行仿真，結(jié)果表明本文設計的引導控制模型對于著艦偏差修正準確，糾偏策略符合實際著艦情況，為艦載機著艦安全性的提高提供了幫助.

著艦指揮官；指令操作關聯(lián)模型；引導系統(tǒng)；艦載機

人工著艦過程中，要保證艦載機安全迅速地降落在航空母艦斜角甲板上，駕駛員必須精確控制飛行航跡和姿態(tài)，在穩(wěn)定飛行迎角的同時，沿理想下滑道飛行.現(xiàn)代艦載機具備較好的飛行性能，裝備良好的飛行控制系統(tǒng)，采用優(yōu)秀的著艦方法和技術(shù)手段，從理論上來講具備安全著艦的能力，但由于環(huán)境復雜多變，干擾因素多且繁雜以及工作在低速狀態(tài)下的飛行特性損失，都會造成著艦偏差，這些偏差可能出現(xiàn)在進艦全過程的任一階段，給艦機安全帶來諸多隱患［1］.因此在著艦過程中，除了駕駛員的精確操縱以外，著艦指揮官（Landing Signal Officer，LSO）要對艦載機進行輔助引導，依據(jù)當前飛行狀態(tài)和未來飛行趨勢，給予駕駛員調(diào)整指令，駕駛員執(zhí)行相應操作，飛機匹配理想航跡，LSO、駕駛員和艦載機共同組成完整的“LSO-駕駛員-艦載機”著艦引導系統(tǒng)，以此來實現(xiàn)安全著艦.基于此，明確著艦指揮官引導任務，對其引導控制技術(shù)進行研究是很有必要的［2-6］.

文獻［2］建立了艦載直升機LSO模型，文獻［7］模擬了LSO的飛行軌跡預估能力，文獻［8］分析了LSO引導控制的模糊邏輯，這些文獻雖然在一定程度上對LSO部分行為進行描述和分析，但考慮因素不全面，與實際引導指揮方式差異較大，作為完整全面的LSO模型尚顯不足.本文在分析LSO引導指揮任務的基礎上，設計LSO指令操作關聯(lián)模型，以LSO引導指令集作為藍本，依據(jù)艦載機實時飛行狀態(tài)下達“飛行狀態(tài)關聯(lián)指令”，駕駛員依據(jù)LSO指令執(zhí)行“指令關聯(lián)操作”，符合艦載機實際著艦情況，實現(xiàn)LSO著艦引導系統(tǒng)建模.

1　引導任務描述

LSO著艦引導的主要任務是：在艦載機進艦著艦過程前段，判斷是否發(fā)送糾偏指令：實時觀測駕駛員操控下的艦載機飛行狀態(tài)，如果狀態(tài)位于允許范圍內(nèi)，不發(fā)送指令，依賴駕駛員自身操作能力繼續(xù)航行；如果狀態(tài)超出允許范圍，發(fā)送修正指令，輔助駕駛員糾偏，此時駕駛員應嚴格依據(jù)LSO指令執(zhí)行操作，修正飛行航跡.在艦載機進艦著艦過程后段，判斷是否發(fā)送復飛指令：如果狀態(tài)穩(wěn)定，可以安全著艦，從駕駛員反應時間和操控水平的角度考慮，不再發(fā)送任何指令；如果狀態(tài)偏差較大，繼續(xù)著艦將會造成較大風險，LSO判斷復飛，向駕駛員發(fā)出復飛指令［5］.

綜上所述，在艦載機著艦過程中，LSO不僅要監(jiān)督和協(xié)調(diào)飛機運動，同時也對著艦安全負有重要責任，考慮LSO的重要作用，在建立的艦載機著艦模型基礎上添加LSO著艦引導與復飛決策系統(tǒng)，與駕駛員和艦載機共同構(gòu)成“LSO-駕駛員-艦載機”人機閉環(huán)系統(tǒng)，如圖1所示.

圖1　LSO-駕駛員-艦載機引導系統(tǒng)

LSO引導糾偏是困難的，主要原因有以下三點：

1）LSO作為個體人，指令行為具有非線性特點；

2）LSO控制策略依賴于飛行狀態(tài)，環(huán)境信息等諸多影響因素，具有復雜性特點；

3）LSO對艦載機狀態(tài)偏差判斷和糾偏指令具有模糊性特點，如LSO經(jīng)常作出“飛機下滑位置有點高”，“飛機對準有點靠右”等判斷［2］.

由于LSO控制方式的非線性、復雜性和模糊性，應用傳統(tǒng)控制方法進行建模難度較大，根據(jù)著艦指揮官引導糾偏策略表現(xiàn)形式，設計引導模型：依據(jù)艦載機當前飛行狀態(tài)信息，LSO參照引導指令集制定關聯(lián)糾偏指令，駕駛員依據(jù)指令執(zhí)行關聯(lián)響應操作，設計“LSO-駕駛員-艦載機”關聯(lián)匹配系統(tǒng)，以此建立LSO指令操作關聯(lián)模型.

2　指令操作基元

著艦過程中，LSO需要時時關注艦載機飛行狀態(tài)，依據(jù)其偏差情況，不斷發(fā)送糾偏指令，幫助艦載機完成著艦.因此實際引導過程可以看作是由多個“發(fā)送指令（LSO）-響應操作（駕駛員）-飛行糾偏（艦載機）”單元所組成的離散動作集合.

定義1艦載機著艦過程中，著艦指揮官與駕駛員共同完成一次“發(fā)送指令-響應操作-飛行糾偏”狀態(tài)調(diào)整過程稱為指令操作基元.

定義2針對任一著艦航次，為保證著艦安全，著艦指揮官與駕駛員共同完成的所有指令操作基元，稱為此著艦航次的指令操作集合H=｛hk|k∈K｝.

LSO指令操作基元的制定依據(jù)是艦載機飛行狀態(tài)，指令的作用效果是駕駛員響應操作.因此一個完整的指令操作基元應該包含三個部分，LSO引導指令內(nèi)容，指令下達條件（指令下達時艦載機飛行狀態(tài)）和駕駛員響應操作（針對此指令，駕駛員執(zhí)行的機動操作），即：

其中G=｛g1，g2，…，gm｝為LSO引導指令集合，T=｛t1，t2，…，tm｝為指令下達條件集合，O= ｛o1，o2，…，om｝為駕駛員響應操作集合.根據(jù)分析可知，一個完整的指令操作基元可以實現(xiàn)一次真實的LSO引導糾偏操作過程.

2.1引導指令集合

LSO引導指令并不是單一分散、無規(guī)則的表達方式，而是經(jīng)過長期試驗驗證和總結(jié).由駕駛員和著艦指揮官達成一致的既定規(guī)范集合，稱為LSO引導指令集.著艦指揮官依靠指令實現(xiàn)著艦引導，因此指令集合與LSO同時產(chǎn)生，經(jīng)歷了從早期簡單旗語動作到二戰(zhàn)無線通訊方式的過渡，考慮到無線電靜默的要求，LSO指揮指令只在極少數(shù)，可能影響著艦安全時下達，其它情況下飛行員按照光學助降系統(tǒng)的指示飛行即可.但在能見度低、甲板運動過大等光學助降系統(tǒng)失效的情況下，要求全程指令作用［9-13］.

指令集合通常包括信息性指令、告警性指令和命令性指令三類，其中［8］：

信息性指令：用于告知駕駛員當前飛行狀態(tài)；告警性指令：用于告警駕駛員關注潛在危險、防止可能的控制錯誤；

命令性指令：用于直接命令駕駛員去執(zhí)行特定操作，命令必須立刻響應.

2.2指令邊界因素

指令操作基元輸入信息為艦載機當前飛行狀態(tài)，著艦過程縱向回路參考信息主要包括飛機高度偏差Δh，速度偏差Δu，加速度u'，下沉率偏差Δvz，俯仰角偏差Δθ和距艦距離X，各影響因素含義如表1所示.這些飛行狀態(tài)的不同組合可以作為LSO指令下達的條件［14-16］.

表1　指令邊界因素

2.3駕駛員響應操作

駕駛員著艦飛行過程中，響應LSO引導指令的操作方式主要包括油門操作和升降舵操作兩種，其中油門操作關閉進場動力補償系統(tǒng)，通過控制油門開度改變飛機推力，升降舵操作通過升降舵控制改變飛機姿態(tài)，兩種操作方式綜合實現(xiàn)駕駛員糾偏操作，具體操作方式如表2、3所示［12，17-19］.

表2　油門操作方式

續(xù)表2　油門操作方式

表3　升降舵操作方式

3　指令操作關聯(lián)模型

設H=｛h1，h2，…，hk|hk=（gk，tk，ok）｝為指令操作集合，gi∈G=｛g1，g2，…，gm｝為LSO引導指令集合，oi∈O=｛o1，o2，…，om|oi=（ti，si）｝為駕駛員響應操作集合，其中ti∈T=｛t1，t2，…，t7｝為駕駛員油門操作指令集合，si∈S=｛s1，s2，…，s5｝為駕駛員升降舵操作指令集合，ci∈C=｛c1，c2，…，cm|ci=（u'i，Δui，Δθi，Δhi，Δvz1，Xi）｝為指令下達條件集合，其中ci=（u'i，Δui，Δθi，Δhi，Δvzi，Xi）是一個關于艦載機飛行狀態(tài)信息的多元集合項.

即：

?o=oi∈O

在明確LSO指令集合、指令下達邊界條件和駕駛員響應操作對應關系的基礎上，文獻［12］給出縱向回路LSO指令操作關聯(lián)規(guī)則表，如表4所示，可以通過指令操作關聯(lián)模型實現(xiàn)完整的指令操作基元，對于當前飛行狀態(tài)偏差進行響應糾正，如圖2所示.

圖2　LSO指令操作關聯(lián)系統(tǒng)

具體引導糾偏過程LSO指令操作關聯(lián)模型算法如下：

步驟1通過機載測量系統(tǒng)獲取當前艦載機飛行狀態(tài)信息，包括飛機加速度u'、速度偏差Δu、俯仰角偏差Δθ、高度偏差Δh、下沉率偏差vz和距艦距離X，構(gòu)成飛行狀態(tài)信息多元集合項yi=（u'i，Δui，Δθi，Δhi，Δvzi，Xi）.

步驟2比對飛行狀態(tài)信息多元集合項中變量信息數(shù)值，判斷當前飛行狀態(tài)是否屬于指令下達條件集合C=｛c1，c2，…，cm｝，如果yi?C，表示此時艦載機在駕駛員操控下，可以比較穩(wěn)定地飛行，LSO無需發(fā)送糾偏指令；如果yi∈C，說明當前飛行狀態(tài)存在一定偏差，需要LSO發(fā)送指令，輔助糾偏.

步驟3依據(jù)當前飛行狀態(tài)yi∈C，確定此指令下達集合元素匹配的指令信息gi∈G，LSO下達“飛行狀態(tài)關聯(lián)指令”.

步驟4依據(jù)LSO指令信息gi∈G，駕駛員執(zhí)行“指令關聯(lián)操作”oi=O，包括相應油門操作ti∈T和相應升降舵操作si∈S，實現(xiàn)偏差修正，保證著艦安全.

表4　指令操作關聯(lián)規(guī)則表

續(xù)表4　指令操作關聯(lián)規(guī)則表

4　指令操作關聯(lián)模型仿真實例

為說明本文提出的著艦指揮官指令操作關聯(lián)模型的真實性，開展引導過程仿真，仿真案例中設定不同偏差狀態(tài)，觸發(fā)LSO相應指令，分別對駕駛員保持無操作狀態(tài)、響應操作狀態(tài)和其他誤操作狀態(tài)進行仿真分析，驗證LSO指令操作關聯(lián)模型的正確性和必要性.

艦載機初始距離理想著艦點926 m，飛行高度76.67 m（下滑偏差20 m），初始速度69.96 m/s；初始初始迎角8.1°.

由于縱向位置高于理想下滑道，艦載機作俯沖動作，導致下沉率過大，分別對駕駛員無操作狀態(tài)、拉桿操作狀態(tài)和加油門操作狀態(tài)進行仿真，如圖3～6所示為不同操作狀態(tài)下的飛行速度、下沉率（Rate of Descend，ROD）、高度偏差和加速度仿真曲線.

圖3　不同操作情況速度變化曲線

圖4　不同操作情況下沉率變化曲線

圖5　不同操作情況高度偏差變化曲線

圖6　不同操作情況加速度變化曲線

1）駕駛員無動作時，下沉率不斷增加，飛行速度持續(xù)衰減，高度顯著降低，飛行位置低于理想下滑道，存在撞擊艦尾事故風險，著艦風險系數(shù)極高.

2）駕駛員拉桿操作時，下沉率逐漸降低，高度偏差隨之減小，但從速度和加速度曲線可以看出，加速度負向增大趨勢明顯，飛行速度迅速減小，并保持減小趨勢，不利于著艦控制.

3）依據(jù) LSO指令操作關聯(lián)模型可知，此時LSO應向駕駛員發(fā)送“不要再下降”指令，駕駛員依據(jù)該指令增大油門并保持在1/3最大推力，同時穩(wěn)定迎角，如圖3～6所示，下沉率平穩(wěn)降低，飛機速度略微增加后減小，加速度在振蕩變化后維持零值，能夠保證飛行速度位于安全進艦速度范圍內(nèi)，飛行高度減小以補償初始高度偏差，從各項數(shù)據(jù)中可以看出，“不要再下降”指令及相應操作有利于艦載機完成此糾偏任務.

5　結(jié)語

本文在分析著艦指揮官引導控制任務，明確控制難點的基礎上，依據(jù)LSO引導糾偏策略表現(xiàn)形式，設計建立了LSO指令操作關聯(lián)模型，通過定義指令操作基元概念，明確引導指令集合作為模型藍本，艦載機實時飛行狀態(tài)作為模型邊界條件，駕駛員響應操作作為模型輸出，最終完整表述“LSO-駕駛員-艦載機”系統(tǒng)的關聯(lián)匹配關系，多工況引導過程仿真結(jié)果表明設計模型實用有效，對于不同狀態(tài)偏差修正必要正確，糾偏策略符合艦載機實際著艦情況，為航母艦機適配安全性的深入研究提供了基礎理論幫助.

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M odeling landing signal officer instruction associated w ith operation guide system

WANG Hong-xin，LIHui
（School of Computer and Information Engineering，Harbin University of Commerce，Harbin 150028，China）

To ensure the operation safety of landing signal officer（LSO）to pilot during carrier-based aircraft landing，this paper proposed a“LSO-pilot-aircraft”instruction associated with operation system.To analyze LSO guidemission and design instruction associated with operation element the relationship and matching of“LSO-pilot-aircraft”system were exhibited by instruction associated with the operation model，and“instruction sending-operation responding-deviation correcting”process is realized based on LSO guidance instructions（original version），aircraft real-time flight states（boundary conditions）and pilot response operation（model output）.Multiple loading conditions simulation results show that corrective strategieswas in line with the actual situation of carrier-based aircraft landing.

landing signal officer（LSO）；introduction associated with operation model；guide system；carrier-based aircraft

V249

A

1672-0946（2016）02-0190-06

2016-01-30.

黑龍江省自然科學基金（F201349）

王宏欣（1972-），男，碩士，講師，研究方向：飛行器控制、智能控制與決策、數(shù)據(jù)挖掘、圖形圖像處理.