艦載機偏置中線監視研究

田杰榮,王月基,史存虎

(1.海軍航空兵學院,遼寧 葫蘆島 125001;2.民航山西空管分局,山西 太原 030031)

艦載機偏置中線監視研究

田杰榮1,王月基1,史存虎2

(1.海軍航空兵學院,遼寧 葫蘆島 125001;2.民航山西空管分局,山西 太原 030031)

中線攝像機是監視和引導艦載機進近著艦的重要設備,針對普通機場陸基著艦訓練中線攝像機的部署問題,提出了在跑道側方進行偏置監視的安置方法,建立了偏置中線監視的下滑道指示模型和誤差模型,并利用MATLAB 進行了仿真分析。仿真結果表明:不同的安裝位置會影響中線攝像機理想下滑道的指示角度以及指示精度,通過合理選取安裝位置可滿足監視要求,解決中線攝像機在普通機場的部署問題,提高艦載機陸基著艦訓練效率。

艦載機;陸基著艦訓練;中線監視;下滑道指示

艦載機在航空母艦著艦是一個十分復雜而又危險的飛行過程,飛行員需要借助著艦指揮員和相關引導設備才能順利完成。中線攝像機是航空母艦上的一種引導設備,位于著艦跑道的中心線固定安裝在跑道下方,用來監視艦載機進近著艦,可以提供艦載機與理想下滑道的水平和垂直角度偏差?；谄钚畔?可以輔助著艦指揮員形成決策,對下滑的艦載機實施著艦指揮。中線攝像機還可對艦載機下滑過程進行全程記錄,為飛行員回顧下滑過程提供參考,并為著艦指揮官訓練后講評提供依據。

為降低上艦風險,節約訓練成本,在允許艦載機飛行員在航空母艦上做著艦飛行之前,必須先進行陸基著艦訓練(Field Carrier Landing Practice,FCLP)。在普通機場進行FCLP時,安裝中線攝像機需要對跑道進行破壞性施工,或者把中線攝像機裸露在一種易于快速安裝部署、顯示效果良好且可以保證跑道中心線上,但這往往會影響飛行安全。因此,架設飛行安全的中線攝像機是FCLP的迫切需求。目前國內外主要針對航空母艦光電引導系統的設計、穩定技術、自動著艦和信息融合等[1-4]有深入研究,對航母中線電視監視系統設計和十字標線的穩定等也有研究[5-7],很少涉及普通機場訓練條件下的著艦引導設備尤其是成本經濟、使用方便、功能齊全的中線監視系統研究。

本文在分析航空母艦上艦載機中線監視原理的基礎上,針對普通機場中線攝像機偏置安裝的實際應用,建立了偏置中線監視模型,對安裝位置約束條件、偏置中線下滑道指示及指示精度誤差進行了詳細的分析,利用Matlab對中線攝像機在不同安裝位置對下滑道指示的影響進行了仿真。研究結果表明,在中線攝像機偏置的情況下,中線攝像機十字線指示的理想下滑道角度變化和指示精度具有明顯的規律性,通過合理選取安裝位置,可以解決中線攝像機在普通機場的部署問題。特別說明本文的普通機場是指可以供殲擊機等飛機起降,沒有專門為艦載機訓練配置額外航空保障設備的機場。

1 艦載機中線監視原理

如圖1所示,艦載機在航空母艦最后進近著艦時,采取保持迎角的方式,借助菲涅爾光學助降系統沿固定角度的下滑道完成攔阻著艦。OP為艦載機的理想下滑道,θ為下滑道的基準角,其大小一般為3.5°～4°,點O為艦載機的理想著艦點,通常位于第二根攔阻索[8]。

圖1 艦載機著艦示意

中線攝像機安裝在航母斜角甲板的中心線上,安裝位置下陷,不影響艦載機著艦,O′為中線攝像機安裝位置,距離理想著艦點大約100多米。如圖2所示,中線攝像機通過提供疊加十字標線的中線合成視頻來顯示飛機的位置偏差信息,其中理想下滑道由十字標線指示,十字標線橫坐標指示的角度就是α的角度。

圖2 中線攝像機監視畫面

由三角函數關系可得:

(1)

其中,L為艦載機與理想著艦點的距離,S為中線攝像機與理想著艦點的距離,由于θ和S為固定值,α只與L有關。

由于θ較小,當L?S,α變化不明顯,隨著飛機接近理想著艦點,α會逐漸減小,直至為零,因此艦載機從下滑道入口點到理想著艦點過程中,中線攝像機十字標線的橫坐標會發生變化,運動規律如圖3所示。

圖3 中線攝像機十字標線橫坐標運動規律

2 偏置中線監視模型

2.1 安裝位置約束條件

中線攝像機在跑道側方安裝時,在攝像機視場設計基本不變的條件下,要使其監視范圍與攝像機中線安裝時相一致,其安裝位置受公式(2) 的條件約束,如圖4所示。

(2)

其中M為中線攝像機與跑道中心線的側方距離,φ為中線攝像機的水平視場角,φ為中線監視要求的水平視場角,通常情況下φ>φ。

圖4 中線攝像機偏置安裝示意

2.2 下滑道指示模型

如圖5所示,O′點為中線攝像機安裝位置,由于偏置安裝,中線攝像機十字標線指示下滑道的俯仰角α、方位角β會與中線安裝時不同。

圖5 偏置中線監視示意

由三角函數關系可得:

(3)

(4)

式中，M、S為常數,即中線攝像機選取了固定位置,在不考慮攝像機性能的前提下,α、β只與艦載機與理想著艦點的距離L有關,實際工作中L由測距雷達測量。由公式(3)和(4)可知,隨著L的減小,飛機接近理想著艦點,α和β均發生變化,對應于中線攝像機坐標系中的理想下滑道在俯仰和方位兩個方向同時變化。

2.3 指示精度誤差模型

下滑道指示精度是中線攝像機重要的技術指標,決定著艦機與理想下滑道之間的偏差估計。根據作用距離和圖像處理的要求[9],要想實現在3km 處分辨率達到3m的精度,下滑道指示精度應達到1mrad,才能保證圖像處理的正常實施。 中線攝像機的偏置安裝,改變了中線系統原有的布局,需要重新評估對于指示精度的影響。

根據誤差理論[10],對于

y=f(x1,x2,…xn)

(5)

函數系統誤差Δy的近似計算公式為

(6)

α、β是關于L的常數(M、S為常數),L的測距誤差會間接影響下滑道指示精度,α、β的誤差估計為:

(7)

(8)

3 仿真分析

3.1 仿真條件

中線攝像機指標要求為:

作用距離≥5km;

水平視場≥7°(以跑道中心線為中心);

垂直視場≥2°(以理想下滑道為中心);

下滑道指示精度:2mrad(3σ)。

攝像機視場設計:水平視場8.9°,垂直視場6.5°。

測距雷達的測距精度:6m。

參考普通機場跑道邊設備部署距離經驗,采用距中心線不超過15m垂直距離,即取M=15,根據公式(2),可得

S≥14×12.853≈193

(9)

3.2 結果與分析

令S的變化范圍為193～500,通過仿真,得出中線攝像機十字標線指示的俯仰角α、方位角β變化如圖6所示,指示精度誤差變化圖如圖7所示。

圖6 線攝像機偏置指示角度變化

圖7 中線攝像機偏置指示精度誤差變化

如圖6所示,中線攝像機的偏置安裝會造成中線攝像機的俯仰視角和方位視角的變化,這與(3)、(4)的結論是一致的,且隨著S的增大,α、β均有減小的趨勢。

如圖7所示,經分析計算得出中線下滑道方位指示誤差隨距離接近而增加,隨著S的增大下滑道俯仰和方位指示誤差均有減小的趨勢。對于S=193,飛機距理想著艦點距離進入150m后,測距誤差引起方位指示誤差達到0.04°以上,引起的俯仰指示誤差最大值為0.03°,均符合下滑道指示精度的要求。

3 結束語

艦載機飛行員和著艦指揮官的訓練不同于一般的飛行員和指揮官,具有訓練周期長、強度大、危險性高等特點。因此為提高飛行員和指揮官的成才率,提高飛行員的著艦成功率,壯大艦載機飛行員和著艦指揮官隊伍,提高航母戰斗力,在現有機場的基礎上,建設一系列成本經濟、使用方便、功能齊全的專門用于培訓艦載機飛行員和著艦指揮官的著艦引導系統意義重大。本文以普通機場偏置部署中線攝像機為研究內容,通過建模與仿真分析了艦載機偏置中線監視對艦載機著艦引導的影響。結論表明,在中線攝像機偏置的情況下,其理想下滑道十字線指示精度可滿足要求,本文的研究可以應用于下一步偏置中線監視系統的設計。

[1] 劉波,耿林. 艦載機的光電降落引導系統研究[J]. 激光與紅外,2005,35(9):670-672.

[2] 吳文海,拜斌,范海震,等. 基于光電引導的全天候自動著艦模式研究[J]. 飛行力學,2013,31(2):126-129，134.

[3] 葛兵,高慧斌,余毅. 光電著艦引導系統的視軸穩定[J]. 光學精密工程,2014,22(6):1577-1583.

[4] 王杰,譚樂祖,畢波,等. 艦載機綜合光電著艦引導信息融合[J]. 海軍航空工程學院學報,2012,27(2):231-233.

[5] 趙建川,邵俊峰,王弟男,等. 航母中線電視監視系統的設計[J]. 中國光學,2012,5(6):625-629.

[6] 邵俊峰. 起降綜合電視監視系統研究[J]. 光機電信息,2011,28(9):54-58.

[7] 潘永之,李玉和,劉東岳. 基于坐標變換的艦載電子十字線穩定方法[J]. 計算機測量與控制,2008,16(1):106-108.

[8] US Department of the Navy. NATOPS Landing Signal Officer Manual[Z]. VIRGINIA: Landing Signal Officers School Naval Air Station Oceana Virginia Beach, 2001.

[9] 王兵學,張啟衡,劉玉清,等. CCD探測器搜索跟蹤系統的作用距離分析[J]. 光電工程,2004,31(11):12-15,62.

[10]吳文旺. 系統誤差傳遞公式的適用范圍及其完善[J]. 石家莊鐵道大學學報(自然科學版),1991,4(3):96-101.

Research on Offset Centerline Surveillance of the Carrier-based Aircraft

TIAN Jie-rong, WANG Yue-ji, SHI Cun-hu

(1.Naval Air Force Academy, Huludao 125001;2.Shanxi Air Traffic Management Branch of CAAC, Taiyuan 030031 Shanxi, China)

Centerline camera is an important equipment to monitor and guide the carrier-based aircraft into carrier deck. For deployment centerline camera in ordinary airport with field carrier landing practice, offset monitoring placement method is proposed in the side of the runway, slope indicator model and the error model of offset centerline monitoring is built, and the simulation analysis is carried out by MATLAB. Simulation results show that position of camera will affect the indication angle and indication accuracy of ideal glide in centerline camera, reasonable deployment can be selected to meet the monitoring requirements. The deployment of the centerline camera in the general airport is resolved. Training efficiency of field carrier landing practice is improved.

carrier-based aircraft; Field Carrier Landing Practice; centerline monitoring; slope indicator

2016-10-25

田杰榮(1982-),男,山西忻州人,碩士,講師,研究方向為艦載機基礎理論。 王月基(1974-),男,碩士,副教授。 史存虎(1962-),男,高級工程師。

1673-3819(2017)01-0037-04

V271.4+92；E917

A

10.3969/j.issn.1673-3819.2017.01.008

修回日期： 2016-11-20