菲涅尔透镜助降系统配置及终端误差分析

【收稿日期】2008-05-20 【作者简介】彭贞慧（1985－），男，江苏丰县人，南京航空航天大学自动化学院教师，研究方向为飞行器控制。
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甲板运动。使 FLOLS 波束运动相对甲板运动作适当的相位提 前，从而使飞机运动与甲板的垂直运动同步，以达到减小着 舰误差的目的。
5.终端误差分析及计算 通常用终端误差的大小评估着舰导引系统的性能。由于 在海浪作用下的航母运动是一个随机过程，因此，必须求出 着舰终端误差的统计特性(可取均方值)，另外 它具有各态历 经性，因此对平稳随机过程的一个样本函数取时间均值，从 概率意义上趋近于该过程的集合均值。飞机在舰尾处的高度 误差△hR、飞机在理想着舰点处的高度误差△hTD、飞机在理想 着舰点处的撞击速度误差△VTD。
为减小着舰终端误差，应开发对法向过载操纵具有优良 响应能力的飞控系统。从而使飞机的高度变化ha迅速地跟踪波 束运动hb，并且对舰尾流有优良的抑制能力。
4.助降控制律及波束稳定方案 助降系统控制律指的是在海浪引起的甲板运动 hs、θS、 φS 作用下，如何按一定规律控制光源灯指示器的俯仰θＬ与 滚转φＬ，使下滑光波束相对于舰体尽可能保持稳定。如式
-20 -0.020
-10
0.184
0
0.394
10
0.598
20
0.815
30
1.029
σ (ΔhTD
)
β0 +Δ
(m)
1.451 1.453 1.455 1.456 1.456 1.455
ΔhR β0+Δ
(m)
3.537 3.897 4.260 4.622 4.985 5.348
σ(ΔhR ) β0+Δ
[ ] hb = hs + C1θs + C2φs + C3φL + [C4θs + C5φs + C6θL ] R
（1）
式中 C1、C2、C3、C4、C5、C6 取决于航母几何尺寸，θＬ，φＬ 分别表示助降系统控制律作用下光源灯指示器的俯仰角和滚
转角。R 是波束上的一点到透镜的距离。
3.飞行员在环的飞控系统
基准下滑波束角安装角误差对着舰终端误差产生很大影响，如何确定该影响及其安全偏差范围具有实际工程意义。
【关键词】菲涅尔透镜光学助降系统(FLOLS)；舰载飞机；着舰精度；安装角误差
【中图分类号】V24
【文献标识码】A
【文章编号】1008-1151(2008)08-0049-02
（一）菲涅尔透镜光学助降系统结构配置
用来评定着舰性能和概率分布的定义如图 3 所示。
hR = (hR )M PhR
β0 −∞
(VI )M PVI
Vl VI
−∞
−σ 2
( X TD )M
σ (ΔX TD ) σ 2
+∞ PX TD
Us
图 3 用来评定相关性能的裕度和概率的定义
（二）基准下滑波束安装角误差对着舰终端误差 的影响
航母斜角甲板设有 4 根阻拦索，大约每 12 米设置一根。 飞机尾钩必须准确钩住阻拦索。而理想着舰点设在第二根阻
个角度 Δ 时，无论是减小还是增大，对终端误差的均方根值
影响都不大，但误差平均值变化较大。影响终端误差均方根 值的为 ha 项，在同一海况和透镜控制律下，当基准下滑波束 角的变化时，飞行员眼睛到基准下滑光波束的距离 ha 变化并 不明显，所以当基准下滑波束角变化时，理想着舰点处高度 误差均方根值变化不大。然而，由于基准下滑波束角变化， 所以实际基准下滑光波束的高度 hREF 也产生了变化。当基准下 滑波束角变化时，［-H/E+(Rx,TD-L)tan(β0+△］会变化，所以 理想着舰点处高度误差平均值会发生变化。同理，舰尾处的 高度误差平均值也变化而均方根值变化不大。影响理想着舰 点处撞击速度误差均方根值的也是 ha 项，所以，当基准下滑 波束角变化时，理想着舰点处撞击速度误差均方根值变化也 不大。随着基准下滑波束角的变化，理想着舰点处高度误差 的平均值有变化，而均方根值不会有太大变化。
之间的交线在惯性空间保持稳定。采用线稳定方案会随航母
沉浮而垂直运动。采用线稳定方案时的波束运动方程为 hb=hs。 （3）点稳定。点稳定方案是指整个下滑光波束由于海浪
运动仍作相应的平移。且除了下滑光波束上所设置的某点以
外，下滑光波束仍对透镜作波束转动。一般所设置的不作转
动运动的下滑光波束上的某一点离透镜的距离为 2500 英尺
hs θs φs
L Y TD TD
hTD
hs′ θs′
β
0
θL
±
φs′
φL
±
FCS | meatball
hb 8⋅57.3 3R
dc −
dε
x
d&
ha 8⋅57.3 d 3R
x
s
ΔhTD
ΔhR ΔVTD
图 1 光学助降系统结构配置
1.舰动力学环节 在海浪、海涌作用下，航母产生运动，实际上可将该动 视作平稳随机过程，因此可利用白噪声通过与功率谱相对应 的成形滤波器的方法，得到时间域中的俯仰运动θS，滚转运 动φS 和沉浮运动 hs 图 2 所示。
(m)
2.323 2.324 2.323 2.321 2.323 2.321
ΔVTD β0+Δ
(m/s)
0.218 0.209 0.195 0.198 0.208 0.214
σ(ΔVTD ) β0+Δ
(m/s)
1.684 1.691 1.698 1.706 1.712 1.714
由表格中的数据可以看出，当基准下滑波束角β0 变化一
2008 年第 8 期 （总第 108 期）
大众科技 DA ZHONG KE JI
No.8，2008 (Cumulatively No.108)
菲涅尔透镜助降系统配置及终端误差分析
彭贞慧，王新华，方 芬
（南京航空航天大学自动化学院，江苏 南京 210016）
【摘 要】菲涅尔透镜助降系统的配置包含 6 个部分，一共有 5 种不同的波束稳定方案。着舰精度可以由误差方程来评定。
拦锁处。如图 4 所示当基准光波束存在 Δ 的误差时，飞机由 理想着舰点由 TD 变到 TD1。若 Δ 为正且较大 TD1 则有可能落 到第四根阻拦索前面，若 Δ 为且较小 TD1 可能落到第一根后
面。这两种情况下飞机尾钩都钩不到阻拦索发生着舰事故。
Δ
β0
TD1
TD
Ramp
L
图 4 基准波束角增大与减少对理想着舰点影响
菲涅尔透镜光学助降系统（FLOLS）作为基本的目视助降 设备，最显著的优点就是该助降系统发出的相对海平面保持 一定倾斜角的 5 层光波束。每层下滑光波束都对应着一条光 学下滑道。这 5 层光波束对进场着舰的飞机起纵向下滑引导 的作用，让着舰变得更安全。
全系统包含舰船、飞控系统、助降系统控制律、及终端 误差分析等部分。可由图 1 表示。
根之间也为 12m,第三根和第四根之间为 11.5m。
所以，基准下滑波束角向上偏转 Δ 对应的 ΔXTD β0+Δ 应满
足如下条件：
12 +11.5 − ΔXTD
β0 +Δ
≥
σ (ΔXTD 2
) β0 +Δ
（4）
σ
(ΔX TD
)
β0
ΔX TD β0 +Δ
σ (ΔX TD
)Байду номын сангаас
β0 +Δ
Δ
β0
1#阻 拦索
（762 米）。点稳定方案的助降控制律φＬ＝0，仅在 R＝2500
英尺处，依赖θＬ使该点的波束运动 hb=hs。采用点稳定方案时
的波束运动方程为 hb=hs（R=2500）。
（4）角稳定。该方案要求波束运动 hb 与着舰点的垂直运
动 hTD 同步垂直平移。故必须通过助降系统控制光源灯指示器
的俯仰θＬ和滚转φＬ，以产生相应的波束运动，去抵消由于
(a) 沉浮运动
(b) 俯仰、滚转运动
图 2 时域中的航空母舰运动
2.波束运动方程 理想情况下下滑光波束是一条静止的光波，其基准角为 β0。由于舰船运动等原因，导致光波束偏离了理想的光波束。 若定义 hb 为实际的下滑基准光波束上的一点相对于理想的下 滑基准光波束的垂向偏移。经推导，波束运动 hb 的最终表达 式由下式表示。
【参考文献】 [1] 杨一栋,胡建兴,卢永锦.光学着舰助降系统[M].北京:国防
工业出版社,2008. [2] 杨一栋.舰载机着舰引导技术译文集[C],3-4. [3] 杨一栋.舰载机着舰导引系统研究报告[R],(卷 4).
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（1）所示。可以通过θＬ来消除波束的转动项，通过φＬ来消 除波束的平移项。
（1）惯性稳定。惯性稳定方案是指保持下滑光波束在惯
性空间中绝对稳定，亦称点和线稳定，它是正常工作中采用
的助降系统稳定方案。采用惯性稳定方案的波束运动方程为
hb=0。 （2）线稳定。所谓线稳定，实际上是无沉浮补偿的惯性
稳定方案。下滑光波束面与经过斜角甲板中心线的垂直平面
1.基准波束角增大或减小时的终端误差 实际基准光波束角为β1＝β0＋△，在确定基准下滑波束 角的偏转范围时，可由航母上理想着舰点的前后距离的误差 平均值和均方根值并根据阻拦索之间的间距确定航母上理想 着舰点前后距离的误差范围，从而确定基准下滑波束角的偏 转范围。图 5 所示为确定基准下滑波束角向上偏转最大值的 示意图。第一根和第二根阻拦索间距离为 12m,第二根和第三
⎧⎪⎨ΔΔhhTRD==hhaRaT−D(−h(sh-sL-RLθTsD+θsY+RφYs）TDφs）
（3）
⎪⎩ΔVTD = h&s -LTDθ&s +uRθs − uR sinψd ⋅φs − h& a
飞机高度 ha，航母运动 hs，θS，φS，航母几何即可求出 着舰导引终端误差的三个性能指标。
而 ha 是随海况、透镜控制律、飞控系统、飞行员模型、 气流扰动等因素而随机变化的。由于 ha 具有平稳随机过程的 特性，haTD 也具有平稳随机过程的统计特性，因而可取 hAtd(t) 的 n 个采样，求出其均方根值σ（haTD）。同样可求得σ（△hR） 和σ（△VTD）。
航母沉浮 hs、俯仰θS 和滚转φS 所引起的着舰点的垂直运动。
由于着舰点的垂直运动方程（式中 LTD，YTD 是舰船几何），采
用角稳定方案时的波束运动方程为 hb=hTD。
hTD = hs − LTD ⋅θs + YTD ⋅φs
（2）
（5）相位补偿稳定。由于飞行员系统有个时间滞后，命
令飞行员在环的飞控系统以主动移动 FLOLS 波束方式去跟踪
2#阻 拦 索 12m
β1
ΔX TD β0 3#阻拦索
12m
11.5m
4#阻拦 索
ΔXTD β0 +Δ
σ (ΔXTD
)
β0 +Δ
Δ
β1
β0
σ (ΔXTD β0 ) ΔXTD β0
图 5 确定基准下滑角向上最大偏转角度示意图 图 6 确定基准下滑角向下最大偏转角度示意图
图 6 所示为确定基准下滑波束角向上偏转最大值的示意 图。
由图 6 可得基准下滑波束角向下偏转 Δ 对应的 ΔXTD β0 +Δ
应满足如下条件：
12 +
ΔX TD
β0 +Δ
≥
σ (ΔXTD 2
) β0 +Δ
2.结论
经过仿真可以得到以下数据。
（5）
表 1 透镜控制律为惯性稳定时，基准下滑波束角变化的 终端误差
β0＝40△
h Δ TD β0 +Δ
（ ' ） (m)