舰载机着舰侧向轨迹增量控制

汪 节，韩 维，王正磊，岳付昌

（1.海军航空大学，山东 烟台 264001；2.91475部队，辽宁 葫芦岛 125001）

0 引言

舰载机的着舰技术和能力，直接关系到航母整个体系作战能力。飞机侧向的着舰难度较大[1-8]：1） 横滚、偏航、侧偏等运动复杂耦合；2） 着舰过程中会有侧风、舰尾流、甲板运动等干扰；3） 触舰拦阻时滚转、偏航、侧偏必须保持在很小的误差范围内，以防止拦阻受力失衡过大而发生拦阻事故。

飞行员常需要通过压坡度或蹬舵的方式修正侧偏。以往侧向着舰控制，飞行员一般是直接控制滚转角或滚转角速率[1-8]，此控制方式（如图1 所示）的缺点如下[1-8]：1） 飞行员操作较为频繁，例如，修正右偏离时需要先左滚让速度矢量左偏，再右滚让速度矢量恢复到原来状态，最后小幅左右来回滚转调整以使速度矢量回到基准状态。飞行员蹬舵同理。2） 飞行员总需要保持1个侧向杆量来跟踪降落跑道对中线。由于甲板降落跑道对中线和航母航速方向存在夹角，对中线总有1 个侧向速度分量，导致飞机总需要1 个横向速度分量来跟踪甲板中心线，飞行员需要保持1 个常值侧向杆量。3） 对舰尾流的侧风没有抑制能力，完全依赖飞行员的人工操纵。

图1 着舰侧向常规控制结构Fig.1 Lateral conventional control structure for carrier landing

2016 年美海军试飞成功的“魔毯”（MAGIC CARPET）着舰技术，被称为着舰“游戏规则改变者”。该技术中1 个重要改变是采用了纵向轨迹增量控制，着舰试飞效果显著[9-19]。本文将此思想方法应用到侧向着舰上，提出侧向轨迹增量控制；深入分析着舰侧向轨迹增量控制的工作机理和着舰性能，为着舰领域的工程应用提供参考。

1 着舰侧向常规控制结构

图1 为着舰侧向常规控制结构[7]。襟副翼通道控制滚转角，内回路为滚转角速率控制，增加滚转阻尼；方向舵通道为偏航角速率反馈，增加航向阻尼。飞行员用侧向杆来控制飞机滚转，用脚蹬来控制飞机机头航向。

当侧偏较小时，飞行员会选择用脚蹬来改变飞机航向，由于飞机的航向静稳定性，侧向轨迹会跟踪机头方向，当修正完毕后，飞行员再操纵恢复机头指向。这种操纵方式的缺点是，飞机航向会变化，同时飞行员需要多次反复调整。

当侧偏较大时，飞行员一般会选择用横杆压坡度来修正，同时协调操纵脚蹬，控制航向。

当出现侧风时，飞行员可以选用侧航法或侧滑法进行修正。如果飞机的侧向对纵向没有解耦，那么飞行员会倾向于选择侧航法修正，让机头指向风的来向，以避免侧滑法的滚转修正对纵向动力学（升力等）的不良耦合影响。

2 着舰侧向轨迹增量控制

借鉴美国海军的MAGIC CARPET着舰理念[10-11]，提出侧向轨迹增量控制方法，如图2所示，在原有滚转角控制回路的基础上，增加轨迹速率控制回路和轨迹增量控制回路，同时保持机头航向。对各舵面通道和各层回路控制性能进行分析。

图2 着舰侧向轨迹增量控制Fig.2 Lateral delta ground track command structure for carrier landing

2.1 襟副翼通道

图2 中，将襟副翼通道作为主通道，控制侧向轨迹，因为副翼的控制效能要大于方向舵[6]。

2.1.1 侧向轨迹角速率控制

在传统滚转角控制的基础上，增加侧向轨迹角速率控制回路，此控制结构的设计意义在于：侧向轨迹角速率直接对应侧向过载（如式1），因而当有侧风或横向舰尾流的干扰时，此干扰会立即（零相位差、零时差）引起侧向过载变化（如式2），而侧向轨迹角速率的反馈会让飞控系统迅速反应，改变滚转姿态（如式3），抵消风干扰[20]。

令式（2）为0 rad/s，得到：

式（1）～（3）中：χ̇为侧向轨迹角速率；V为进场速度；L为升力；φ为滚转角；Cβ为侧力对侧滑角的导数；βw为风干扰所引起的侧滑角。由于侧风引起的侧力很小（相对于飞机升力），因此自动响应的滚转角也很小，故式（3）的约等于成立。

2.1.2 侧向轨迹角控制

在上述侧向轨迹角速率控制回路的基础上，继续增加侧向轨迹角控制回路，此控制结构的设计意义如下[10]。

1） 飞行员感觉很直观。因为侧向轨迹角直接对应于飞机的地速的横向分量，如式（4）。

式（4）中，ẏ为侧向速度。飞机侧向速度相对于进场速度很小，因而式（4）的约等于成立。

2） 提高了飞行的控制层级，减小了飞行员操纵负担，着舰操纵容易。如式（2），滚转角和侧向轨迹角在动力学上相差了1次积分（即相位相差了90°）；飞行员只需对轨迹层面进行控制，滚转角层面的控制由飞控系统根据滚转角指令（由轨迹角回路运算出）进行。

3） 更好地抑制侧风和侧向舰尾流。风干扰与侧向轨迹角速率是同相的，侧向轨迹角比侧向轨迹角速率滞后90°，因此侧向轨迹控制回路自然也包围住风干扰信号，进而使系统具有较强的鲁棒性，对风干扰具有较强的抑制能力[20]。

2.1.3 侧向轨迹角增量控制

在指令前向通道中加入侧向基准指令，进而飞行员杆指令即对应侧向轨迹角增量指令，见图2 和式（5）。

式（5）中：Xstick为侧向杆位移量；χc为侧向轨迹角指令；χref为侧向基准轨迹；Δχc为侧向轨迹增量指令。

舰载机着舰时，为了减小舰机相对速度和减小甲板运动幅度，航母会以大概Vship=30 kn（15.4 m/s）的速度航行。由于斜甲板（航母降落跑道）与航母艏艉有固定夹角φship（约11°），所以斜甲板中心线会因为航母航行而有1个向右的侧向速度分量，如下：

飞机在基准状态，是要跟踪此侧向速度分量的，如式（7）；进而可得到侧向基准轨迹，如式（8）。

如式（8），飞行员需要事先通过人机接口，将航母航向、航速等输入到飞控系统中。飞控系统即可算出侧向基准轨迹χref，然后执行图2 所示的侧向轨迹增量控制。

设计增量控制策略，如式（5）。此设计意义在于[10]：让侧向操纵更直观、简单。详细分析如下。

1） 让侧向操纵更直观。飞行员的侧向杆位移与舰机侧向相对速度成正比，即与侧向纠偏速率成正比，如式（11）。

当轨迹能很好控制时，有：

由于侧向轨迹角在着舰中很小，有：

由式（4）（5）（8）～（10），得到：

式（11）中：k2=k V，由于着舰时速度保持，进场速度基本不变，故k2可认为是常值；ẏrelative为舰机侧向相对速度（也是横向纠偏速度）。

2） 让侧向操纵更容易。如式（11）中，当Xstick=0时，ẏrelative=0。这说明，当飞机侧向偏差纠正快到0 m时，飞行员只需要松横杆即可，当侧杆回中时，飞机能自动跟踪跑道中心线的侧向漂移。

侧向轨迹控制需要很高的精度，因而无论通过什么方法设计（如PID、滑模、动态逆等），最后控制器中都应包含积分器项。所以，实现方式上可用比例+积分控制。

2.2 方向舵通道

方向舵通道，有2种方案可选择：飞行员单独控制和飞行员飞控联合控制。

1） 由飞行员脚蹬进行单独控制，飞控系统只增加航向阻尼，如图1[7]。这种方案的优点是给了飞行员较大的自主权，缺点是增加了飞行员的负担。

2） 飞控系统以某种方式控制方向舵通道，同时保留飞行员脚蹬的控制。实际运行时，一般由飞控系统自动控制方向舵通道；当飞行员觉得需要补偿航向控制时，即脚蹬输入，如图2。

飞控系统控制方向舵通道，有2种方案可选择，各有利弊[1-6]。

1） 稳定航向方案，让飞机机头始终平行于甲板跑道中线。优点是有利于触舰拦阻（拦阻索两侧受力平衡），同时飞行员视场始终正对着横向对中线。缺点是修正侧偏时会有侧滑角存在，且侧滑角引起的侧力效应会一定程度减弱横向修正。另外，在有侧风干扰时，飞机会以滚转来抵消风干扰（即侧滑法），而滚转又影响纵向升力。

2） 消除侧滑方案，让机头始终跟踪侧向轨迹的方向。优点是当横向纠偏时，不会出现出现侧滑角影响横向修正。当出现风干扰时，不需要滚转来对抗风干扰。缺点是无论横向纠偏，还是抵消风干扰，都需要改变航向（飞机机头指向）。

综合来看，选用稳定航向方案有利于飞行员的视角和最后的拦阻。侧风的侧力效应远小于升力，因此滚转幅度较小；而滚转对升力的影响，可以通过纵侧向的解耦设计来消除。

3 HUD显示符号改进

“魔毯”项目中，在进行纵向轨迹增量控制的同时，其HUD 显示符号[9-10，16]也进行了改进，即增加了可上下移动的相对于舰船的显示符号（Ship Relative Velocity Vector，SRVV）以及固定的下滑道基准线（Glide Slope Reference Line，GSRL）。SRVV 和GSRL的相对位置，与纵向杆量、下滑道修正速率皆成正比，飞行员可以很直观地进行纵向修正。

本文进行侧向轨迹增量控制。因此，也同样改进HUD显示符号，如图3所示。

图3 改进的HUD显示符号Fig.3 Improved HUD display symbols

增加固定的竖向短划线表示横向对中基准线（Line-UP Reference Line，LURL），进而与GSRL 形成了十字型符号结构。同时，让SRVV也可以左右移动。进而，SRVV 与横向对中基准线LURL 的相对位置，与侧向杆量、侧向对中修正速率皆成正比，进而可以让飞行员可以很直观地进行侧向修正。

4 仿真分析

在计算机上连接操纵杆，与MATLAB Simulink通信，进行实时着舰控制仿真，并用视景软件显示着舰视景。接上操纵杆，模拟飞行员操纵，实时修正对中偏差。从离舰1 400 m 时开始仿真，进场速度70 m/s，斜甲板9.5°，船速25 kn，基准侧向轨迹为1.7°。着舰仿真实验分成2组：实验组采用侧向轨迹增量控制（常规舵面）；对照组采用常规控制（常规舵面）。在不同条件进行仿真，比较实验组和对照组的结果。

1） 实验条件一：初始偏差10 m+飞行员实时操纵。

图4～7 中的变量，从左到右、从上到下，分别是侧向轨迹增量、侧向对中偏差、侧向漂移速度、滚转角；航向角、侧滑角、襟副翼、方向舵。

图4 基于侧向轨迹增量控制的飞行员修正Fig.4 Pilot correction of carrier landing based on lateral delta ground track command

图4 显示，当采用“侧向轨迹增量控制+飞行员实时操纵”时，飞行员操纵负担明显减小：①可以进行“一杆输入”策略（即修正偏差时只需保持1 个稳态杆值，在偏差将要修正完毕时松杆），整个过程，侧向轨迹增量能很好地跟踪飞行员侧杆指令；②松杆后，图4中的飞机能如前文所述，侧向轨迹角增量也为0，侧向轨迹自动恢复到侧向基准轨迹。

图5 显示，当采用“侧向常规控制+飞行员实时操纵”时，飞行操纵负担较大：①飞机滚转角能很好地跟踪飞行员的侧向杆指令，飞行员需要有较大的回杆时机预期，才能避免轨迹和侧偏的过大超调；②飞行员需要来回调整侧向杆，才能将修正侧偏；③稳态时，需要1 个稳态常值侧杆量，才能让飞机跟踪甲板中心线的向右漂移。

图5 基于侧向常规控制的飞行员修正Fig.5 Pilot correction of carrier landing based on lateral conventional control

2） 实验条件二：侧风1 m/s+飞行员不操纵。

图6中，当采用“侧向轨迹增量控制+飞行不操纵”时，飞机对风干扰有很好的抑制能力：①飞机受到的影响较小，整个过程的侧偏为0.7 m；②飞机在受到风扰时迅速反应，侧向轨迹不断恢复到基准轨迹，在第30 s 时，完全恢复到基准轨迹，侧偏也最终稳定在0.7 m。这是因为控制结构中，有侧向轨迹角速率的反馈（与风干扰同相）和侧向轨迹角的反馈，这两层回路都包围了风干扰信号，进而系统会有快速抵抗干扰的能力。

图6 基于侧向轨迹增量控制的风干扰Fig.6 Wind disturbance of carrier landing based on lateral delta ground track command

图7 中，当采用“侧向常规控制+飞行员不操纵”时，飞机侧偏会持续受到影响，侧向轨迹无法恢复（最终稳定在0.8°），侧偏会越来越大。这是因为没有回路包围风干扰的信号，控制系统接受不到风干扰的信号，无法做出响应和抑制风干扰。

图7 基于侧向常规控制的风干扰Fig.7 Wind disturbance of carrier landing based on lateral conventional control

5 结论

本文参考美军“魔毯”着舰技术的纵向轨迹增量控制思想，提出舰载机着舰侧向轨迹增量控制，在原有滚转角控制回路的基础上，增加轨迹速率控制回路和轨迹增量控制回路，同时保持航向。本文从理论和仿真2 个角度进行了研究，结果显示着舰性能比侧向常规控制要优秀。主要优点是有：

1） 简易。降低了飞行员的操纵频次和操纵负担，提高了飞行员控制层级。

2） 直观。着舰侧向操纵更直观，侧向杆量与飞机侧偏修正速率成正比例，而且当横杆回中时飞机能自动跟踪跑道中心线的横向漂移。另外，本文对HUD显示符号的改进，让飞行员基于侧向轨迹增量控制的着舰操纵更加直观。

3） 鲁棒。显著提高了侧风和舰尾流抑制能力，即使在飞行员不操纵的情况下，飞机也能迅速反应和抑制风干扰。

因此，如着舰工程中采用本文所提出的侧向轨迹增量方法，可在不增加任何侧向舵面的情况下，只需要改进侧向控制结构，即可显著降低飞行员操纵负担，并提高着舰性能。