一種全自動(dòng)著艦仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王冀龍，董洪濤

（1 中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，西安 710068；2 海軍裝備部西安地區(qū)軍事代表局, 西安 710068）

0 引言

從 20世紀(jì)初航母出現(xiàn)在大家的視野后，經(jīng)過近百年的發(fā)展，航母已經(jīng)成為了名副其實(shí)的“海上堡壘”，它不僅是制海力量的體現(xiàn)，還能提供強(qiáng)力的制空權(quán)，這一切都和艦載機(jī)密不可分。航母雖然能在海上為艦載機(jī)提供平臺(tái)，但是航母上的著艦跑道非常短，再加之海洋環(huán)境的復(fù)雜性和航母的多向自由移動(dòng)性，使得艦載機(jī)著艦難度遠(yuǎn)超常規(guī)陸基著陸，艦載機(jī)著艦技術(shù)也成了保障航母戰(zhàn)斗力的一個(gè)難點(diǎn)。

為了提高艦載機(jī)著艦的成功率和安全度，美國在1948年提出了自動(dòng)著艦系統(tǒng) (ACLS，Automatic Carrier Landing System)的概念[1][2]，從一代的AN/SPN-10雷達(dá)，二代的AN/SPN-42雷達(dá)，改進(jìn)了的AN/SPN-46雷達(dá)，一直到21世紀(jì)初將GPS系統(tǒng)引入ACLS，經(jīng)過三代的發(fā)展，美國在自動(dòng)著艦系統(tǒng)的研究已經(jīng)相當(dāng)成熟。它的自動(dòng)著艦引導(dǎo)系統(tǒng)稱為“全天候航母著艦系統(tǒng)（AWCLS，All-Weather Carrier Landing System）。全自動(dòng)著艦技術(shù)在美國的艦載機(jī)著艦技術(shù)中成為了不可或缺的一環(huán)，我們很有必要深入研究。

1 仿真系統(tǒng)構(gòu)成

通過學(xué)習(xí)借鑒美國全自動(dòng)著艦引導(dǎo)系統(tǒng)，系統(tǒng)模擬 AWCLS，由兩大部分組成：（1）機(jī)載導(dǎo)航仿真設(shè)備；（2）艦載導(dǎo)航仿真設(shè)備。兩部分之間通過LINK-4A仿真數(shù)據(jù)鏈進(jìn)行通信，艦機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)在3D動(dòng)畫展示平臺(tái)顯示。其中機(jī)載導(dǎo)航仿真設(shè)備由GPS機(jī)載接收模塊、綜合數(shù)據(jù)處理模塊、機(jī)載飛控系統(tǒng)組成。艦載導(dǎo)航仿真設(shè)備由 GPS設(shè)備、AN/SPN-46雷達(dá)、AN/SPN-41儀表引導(dǎo)設(shè)備、艦船姿態(tài)設(shè)備組成[2]。AN/SPN-46雷達(dá)、GPS設(shè)備、AN/SPN-41儀表引導(dǎo)設(shè)備、艦船姿態(tài)設(shè)備、綜合數(shù)據(jù)處理模塊的數(shù)據(jù)均可利用屏幕顯示。仿真系統(tǒng)組成如圖1。我們的仿真系統(tǒng)模擬完全自動(dòng)駕駛階段，當(dāng)完好性出現(xiàn)問題或者系統(tǒng)判斷出已不適合繼續(xù)進(jìn)行自動(dòng)控制，就會(huì)提醒進(jìn)入手動(dòng)控制階段并退出系統(tǒng)。

圖1 仿真系統(tǒng)組成圖

GPS設(shè)備主要是模擬生成實(shí)時(shí)航母位置數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)內(nèi)容包括經(jīng)緯度、高度。AN/SPN-46雷達(dá)主要是模擬生成實(shí)時(shí)雷達(dá)捕捉的飛機(jī)位置信息，數(shù)據(jù)內(nèi)容包括方位角度、仰角角度、艦機(jī)距離、飛機(jī)航速、航向。AN/SPN-41儀表引導(dǎo)設(shè)備主要是模擬生成飛機(jī)實(shí)時(shí)位置的儀表數(shù)據(jù)，內(nèi)容包括方位角度，仰角角度，艦機(jī)距離。艦船姿態(tài)設(shè)備主要是模擬生成航母的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，包括航向、航速、縱橫搖、升沉。GPS機(jī)載接收模塊主要是模擬生成實(shí)時(shí)飛機(jī)位置數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)內(nèi)容包括經(jīng)緯度，高度。綜合數(shù)據(jù)處理模塊是根據(jù)距離判斷出實(shí)時(shí)位置應(yīng)該采用哪些設(shè)備提供的數(shù)據(jù)，并且對(duì)系統(tǒng)的完好性和數(shù)據(jù)的可信性做出判斷。機(jī)載飛控系統(tǒng)實(shí)時(shí)生成飛機(jī)實(shí)時(shí)姿態(tài)，包括航向、航速、橫滾、俯仰。LINK-4A仿真數(shù)據(jù)鏈主要是將艦載導(dǎo)航仿真設(shè)備中各設(shè)備生成的數(shù)據(jù)傳送給機(jī)載導(dǎo)航仿真設(shè)備，并將機(jī)載導(dǎo)航仿真設(shè)備生成的飛機(jī)姿態(tài)傳送給艦載導(dǎo)航仿真設(shè)備，同時(shí)將艦機(jī)姿態(tài)提供給3D動(dòng)畫展示平臺(tái)。3D動(dòng)畫展示平臺(tái)主要建立了航母、飛機(jī)和海洋的3D模型，并且能生成根據(jù)仿真系統(tǒng)生成的艦機(jī)姿態(tài)、位置數(shù)據(jù)的演示動(dòng)畫。

2 仿真系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)工作之前要設(shè)定艦機(jī)初值，我們通過綜合數(shù)據(jù)處理模塊輸入航母的經(jīng)緯度、航向，航速，飛機(jī)相對(duì)于航母的高度、距離、方位角、飛機(jī)的航向，航速，以及著艦的下滑角。在整個(gè)系統(tǒng)中，我們采取的是定坐標(biāo)系，整個(gè)流程中坐標(biāo)系的原點(diǎn)都在航母的初始位置中心，X軸是艦艏方向，Y軸為X軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，Z軸過原點(diǎn)且垂直于XOY平面。如圖2。

圖2 系統(tǒng)坐標(biāo)系

初值和坐標(biāo)系確定后，綜合數(shù)據(jù)處理模塊會(huì)產(chǎn)生T0時(shí)刻的艦機(jī)數(shù)據(jù)D0（艦經(jīng)度(t0)，艦緯度(t0)，艦高度(t0)，艦縱搖(t0)，艦橫搖(t0)，艦航向(t0)，艦航速(t0)，機(jī)高度(t0)，機(jī)經(jīng)度(t0)，機(jī)緯度(t0)，機(jī)速度(t0)，機(jī)航向(t0)，機(jī)俯仰(t0)，機(jī)橫滾(t0)，下滑角()θ）。數(shù)據(jù)會(huì)通過仿真數(shù)據(jù)鏈傳給艦載導(dǎo)航仿真設(shè)備，同時(shí)也發(fā)送給GPS機(jī)載接收模塊。

AN/SPN-46雷達(dá)生成增加了雷達(dá)誤差的數(shù)據(jù)（機(jī)方位角(t0)，機(jī)仰角(t0)，艦機(jī)距離(t0)，機(jī)速度(t0)，機(jī)航向(t0)）+Y(t0)。其中Y(t)是雷達(dá)設(shè)備的系統(tǒng)誤差函數(shù)。這些數(shù)據(jù)會(huì)顯示在 AN/SPN-46雷達(dá)的模擬顯示界面上。

AN/SPN-41儀表引導(dǎo)設(shè)備生成增加了儀表誤差的數(shù)據(jù)（機(jī)方位角(t0)，機(jī)仰角(t0)，艦機(jī)距離(t0)）+Z(t0)。其中Z(t)是儀表設(shè)備的系統(tǒng)誤差函數(shù)。這些數(shù)據(jù)會(huì)顯示在儀表設(shè)備的模擬顯示界面上。

艦船姿態(tài)設(shè)備生成增加了其設(shè)備誤差的數(shù)據(jù)（艦升沉(t1)，艦縱搖(t1),艦橫搖(t1)，艦航向(t1)，艦航速(t1)）+G（t1）。其中G（t）是艦船姿態(tài)設(shè)備的系統(tǒng)誤差函數(shù)。這些數(shù)據(jù)會(huì)顯示在艦船姿態(tài)的模擬顯示界面上。

GPS機(jī)載接收模塊生成增加了 GPS誤差的數(shù)據(jù)（機(jī)經(jīng)度(t0)，機(jī)緯度(t0)，機(jī)高度(t0)，）+H(t0)，其中H(t)是 GPS機(jī)載接收模塊的系統(tǒng)誤差函數(shù)。這些數(shù)據(jù)會(huì)顯示在GPS設(shè)備的模擬顯示界面上。

同時(shí)綜合數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)艦機(jī)距離和角度首先生成一個(gè)盤旋后進(jìn)入艦尾正后方 50km，高度為50sinθkm處的曲線，如圖3，并將該曲線發(fā)送給機(jī)載飛控系統(tǒng)。在到達(dá)該位置時(shí)，飛機(jī)的航向角應(yīng)和航母的航向角保持一致，飛機(jī)的俯仰角應(yīng)為θ，飛機(jī)的橫滾角為0°[3]。

圖3 飛機(jī)進(jìn)近前的盤旋曲線

所有設(shè)備的數(shù)據(jù)通過 LINK-4A仿真數(shù)據(jù)鏈傳輸給綜合數(shù)據(jù)處理模塊，同時(shí)GPS設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸給 GPS機(jī)載接收模塊，GPS機(jī)載接收模塊用兩個(gè)GPS的數(shù)據(jù)算出GPS系統(tǒng)獲得的飛機(jī)角度信息（機(jī)方位角(t0)，機(jī)仰角(t0)，艦機(jī)距離(t0)）并傳輸給綜合數(shù)據(jù)處理模塊。

綜合數(shù)據(jù)處理模塊接收到由 GPS系統(tǒng)、AN/SPN-46雷達(dá)、AN/SPN-41儀表引導(dǎo)設(shè)備模擬運(yùn)算得到的飛機(jī)數(shù)據(jù)，經(jīng)過判決采用其中的一個(gè)數(shù)據(jù)成為飛機(jī)位置真值，并送給機(jī)載飛控系統(tǒng)，機(jī)載飛控系統(tǒng)根據(jù)得到的飛機(jī)位置真值和計(jì)劃的飛行曲線做比較，得到飛機(jī)下一刻的位移以及下一刻的飛機(jī)姿態(tài)（機(jī)速度(t1)，機(jī)航向(t1)，機(jī)俯仰(t1)，機(jī)橫滾(t1)）。并將其傳給綜合數(shù)據(jù)處理模塊。綜合數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)這些數(shù)據(jù)生成T1時(shí)刻的艦機(jī)數(shù)據(jù)D1（艦經(jīng)度(t1)，艦緯度(t1)，艦升沉(t1)，艦縱搖(t1)，艦橫搖(t1)，艦航向(t1)，艦航速(t1)，機(jī)高度(t1)，機(jī)經(jīng)度(t1)，機(jī)緯度(t1)，機(jī)速度(t1)，機(jī)航向(t1)，機(jī)俯仰(t1)，機(jī)橫滾(t1)，下滑角()θ）。并將這些數(shù)據(jù)再次傳給艦載導(dǎo)航仿真設(shè)備，同時(shí)也發(fā)送給GPS機(jī)載接收模塊。不斷重復(fù)上述的步驟生成T2、T3……時(shí)刻的數(shù)據(jù)，直到飛機(jī)成功著艦或者系統(tǒng)退出自動(dòng)模式。其中生成的數(shù)據(jù)也會(huì)實(shí)時(shí)傳送到3D動(dòng)畫展示平臺(tái)，如圖4。

3 設(shè)備選擇

系統(tǒng)中有三種設(shè)備提供數(shù)據(jù)，所以對(duì)數(shù)據(jù)使用或拋棄的判決是很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。設(shè)備的選擇首先和作用范圍相關(guān)，各設(shè)備的作用范圍如圖5。

從圖 5看出，GPS設(shè)備覆蓋范圍最廣泛，AN/SPN-41的作用范圍是90m到40km，AN/SPN-46的作用范圍是50m到15km。 在作用范圍的約束下，我們對(duì)設(shè)備的選擇遵循以下原則：

圖4 3D動(dòng)畫展示平臺(tái)

圖5 各設(shè)備的覆蓋范圍

（1）第一階段：從飛機(jī)做曲線盤旋進(jìn)入到50km處和從50km處飛進(jìn)至40km時(shí)，選擇使用GPS系統(tǒng)數(shù)據(jù)，AN/SPN-41和AN/SPN-46數(shù)據(jù)此時(shí)處于無效狀態(tài)。

（2）第二階段：從飛機(jī)從40km處飛進(jìn)至15km處，選擇使用 AN/SPN-41數(shù)據(jù)為第一采納數(shù)據(jù)，GPS系統(tǒng)數(shù)據(jù)為備份數(shù)據(jù)，AN/SPN-46數(shù)據(jù)此時(shí)處于無效狀態(tài)。

（3）第三階段：從飛機(jī)從15km處飛進(jìn)至300m處，選擇使用 AN/SPN-46數(shù)據(jù)為第一采納數(shù)據(jù)，AN/SPN-41數(shù)據(jù)為第二采納數(shù)據(jù)，GPS系統(tǒng)數(shù)據(jù)為備份數(shù)據(jù)。

（4）從300m處至著艦點(diǎn)，認(rèn)為飛機(jī)已經(jīng)可以靠慣性自主安全著艦。

4 完好性判決

對(duì)于艦載機(jī)自動(dòng)引導(dǎo)，完好性判決是最核心的一環(huán)，它直接決定著飛機(jī)成功降落的安全度。真實(shí)著艦引導(dǎo)的完好性判決是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，其中會(huì)有大量的艦面指揮人員參與。我們的系統(tǒng)模擬的是全自動(dòng)的流程，所以系統(tǒng)中完好性的均以設(shè)備狀態(tài)和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度來判決。

我們將完好性判決程度設(shè)置為兩級(jí)：低安全級(jí)和高安全級(jí)。

低安全級(jí)：在任何一個(gè)階段，只要有一個(gè)設(shè)備可以正常工作即視為系統(tǒng)完好，可以引導(dǎo)。在第一階段，只要GPS設(shè)備沒無故障，即視為可以正常引導(dǎo)，若出現(xiàn)故障，則提示轉(zhuǎn)為手動(dòng)并退出系統(tǒng)。在第二階段，只要 AN/SPN-41無故障，則使用AN/SPN-41進(jìn)行引導(dǎo)，若AN/SPN-41出現(xiàn)故障，則轉(zhuǎn)為使用GPS設(shè)備引導(dǎo)，若GPS設(shè)備出現(xiàn)故障，則提示轉(zhuǎn)為手動(dòng)并退出系統(tǒng)。第三階段先使用AN/SPN-46，若 AN/SPN-46出現(xiàn)故障則轉(zhuǎn)為使用AN/SPN-41，若 AN/SPN-41出現(xiàn)故障則轉(zhuǎn)為 GPS設(shè)備引導(dǎo)，若GPS設(shè)備出現(xiàn)故障則提示轉(zhuǎn)為手動(dòng)并退出系統(tǒng)。可以看出，低安全級(jí)時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)沒有經(jīng)過判決，不能保證在引導(dǎo)過程中的艦機(jī)數(shù)據(jù)的完全準(zhǔn)確性。這種程度的判決危險(xiǎn)系數(shù)很高，除了極端條件下并不推薦使用。

高安全級(jí)，在任何一個(gè)階段，均要所有設(shè)備都正常工作，且第一采納數(shù)據(jù)要在第二采納數(shù)據(jù)和備份數(shù)據(jù)的精度范圍內(nèi)。在第一階段，和低安全級(jí)判斷方式一致。在第二階段，AN/SPN-41數(shù)據(jù)需要在GPS設(shè)備數(shù)據(jù)+GPS系統(tǒng)精度的范圍內(nèi)，否則要提示切換至手動(dòng)并退出系統(tǒng)，如圖6。在第3階段，AN/SPN-46數(shù)據(jù)應(yīng)當(dāng)在AN/SPN-41數(shù)據(jù)+儀表系統(tǒng)精度的范圍內(nèi)，還應(yīng)當(dāng)在GPS設(shè)備數(shù)據(jù)+GPS系統(tǒng)精度的范圍內(nèi)，否則要提示切換至手動(dòng)并退出系統(tǒng)，如圖7。

圖6 第二階段的數(shù)據(jù)判決

圖7 第三階段的數(shù)據(jù)判決

5 結(jié)論

全自動(dòng)著艦是一個(gè)復(fù)雜的過程，如何保障艦載機(jī)甚至艦載無人機(jī)可以實(shí)施安全可靠的全自動(dòng)著艦將會(huì)是未來幾年內(nèi)航母艦機(jī)起降技術(shù)中的一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)。但也是一個(gè)必須突破的技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)了一種針對(duì)全自動(dòng)著艦的仿真系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)了在引導(dǎo)過程中的系統(tǒng)工作流程、設(shè)備選擇和完好性判決方法，為全自動(dòng)著艦提供了一種仿真模型。同時(shí)，系統(tǒng)還有很高的可擴(kuò)展性，例如增加不同飛機(jī)的飛控參數(shù)，可以模擬更多類型的飛機(jī)著艦過程。繼續(xù)增加導(dǎo)航設(shè)備，可以更加模擬仿真度更高。詳細(xì)設(shè)計(jì)每種設(shè)備的誤差函數(shù)和性能指標(biāo)，則可以使模擬過程更加精確。用大地坐標(biāo)系代替平面坐標(biāo)系，甚至可以代入某些海域的地圖，達(dá)到可計(jì)算環(huán)境的仿真。

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