田杰榮,王月基,史存虎

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

艦載機(jī)偏置中線監(jiān)視研究

田杰榮1,王月基1,史存虎2

(1.海軍航空兵學(xué)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(jī)是監(jiān)視和引導(dǎo)艦載機(jī)進(jìn)近著艦的重要設(shè)備,針對(duì)普通機(jī)場(chǎng)陸基著艦訓(xùn)練中線攝像機(jī)的部署問(wèn)題,提出了在跑道側(cè)方進(jìn)行偏置監(jiān)視的安置方法,建立了偏置中線監(jiān)視的下滑道指示模型和誤差模型,并利用MATLAB 進(jìn)行了仿真分析。仿真結(jié)果表明:不同的安裝位置會(huì)影響中線攝像機(jī)理想下滑道的指示角度以及指示精度,通過(guò)合理選取安裝位置可滿足監(jiān)視要求,解決中線攝像機(jī)在普通機(jī)場(chǎng)的部署問(wèn)題,提高艦載機(jī)陸基著艦訓(xùn)練效率。

艦載機(jī);陸基著艦訓(xùn)練;中線監(jiān)視;下滑道指示

艦載機(jī)在航空母艦著艦是一個(gè)十分復(fù)雜而又危險(xiǎn)的飛行過(guò)程,飛行員需要借助著艦指揮員和相關(guān)引導(dǎo)設(shè)備才能順利完成。中線攝像機(jī)是航空母艦上的一種引導(dǎo)設(shè)備,位于著艦跑道的中心線固定安裝在跑道下方,用來(lái)監(jiān)視艦載機(jī)進(jìn)近著艦,可以提供艦載機(jī)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(duì)下滑的艦載機(jī)實(shí)施著艦指揮。中線攝像機(jī)還可對(duì)艦載機(jī)下滑過(guò)程進(jìn)行全程記錄,為飛行員回顧下滑過(guò)程提供參考,并為著艦指揮官訓(xùn)練后講評(píng)提供依據(jù)。

為降低上艦風(fēng)險(xiǎn),節(jié)約訓(xùn)練成本,在允許艦載機(jī)飛行員在航空母艦上做著艦飛行之前,必須先進(jìn)行陸基著艦訓(xùn)練(Field Carrier Landing Practice,FCLP)。在普通機(jī)場(chǎng)進(jìn)行FCLP時(shí),安裝中線攝像機(jī)需要對(duì)跑道進(jìn)行破壞性施工,或者把中線攝像機(jī)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(huì)影響飛行安全。因此,架設(shè)飛行安全的中線攝像機(jī)是FCLP的迫切需求。目前國(guó)內(nèi)外主要針對(duì)航空母艦光電引導(dǎo)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、穩(wěn)定技術(shù)、自動(dòng)著艦和信息融合等[1-4]有深入研究,對(duì)航母中線電視監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)計(jì)和十字標(biāo)線的穩(wěn)定等也有研究[5-7],很少涉及普通機(jī)場(chǎng)訓(xùn)練條件下的著艦引導(dǎo)設(shè)備尤其是成本經(jīng)濟(jì)、使用方便、功能齊全的中線監(jiān)視系統(tǒng)研究。

本文在分析航空母艦上艦載機(jī)中線監(jiān)視原理的基礎(chǔ)上,針對(duì)普通機(jī)場(chǎng)中線攝像機(jī)偏置安裝的實(shí)際應(yīng)用,建立了偏置中線監(jiān)視模型,對(duì)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(jìn)行了詳細(xì)的分析,利用Matlab對(duì)中線攝像機(jī)在不同安裝位置對(duì)下滑道指示的影響進(jìn)行了仿真。研究結(jié)果表明,在中線攝像機(jī)偏置的情況下,中線攝像機(jī)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(guī)律性,通過(guò)合理選取安裝位置,可以解決中線攝像機(jī)在普通機(jī)場(chǎng)的部署問(wèn)題。特別說(shuō)明本文的普通機(jī)場(chǎng)是指可以供殲擊機(jī)等飛機(jī)起降,沒有專門為艦載機(jī)訓(xùn)練配置額外航空保障設(shè)備的機(jī)場(chǎng)。

1 艦載機(jī)中線監(jiān)視原理

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

圖1 艦載機(jī)著艦示意

中線攝像機(jī)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(jī)著艦,O′為中線攝像機(jī)安裝位置,距離理想著艦點(diǎn)大約100多米。如圖2所示,中線攝像機(jī)通過(guò)提供疊加十字標(biāo)線的中線合成視頻來(lái)顯示飛機(jī)的位置偏差信息,其中理想下滑道由十字標(biāo)線指示,十字標(biāo)線橫坐標(biāo)指示的角度就是α的角度。

圖2 中線攝像機(jī)監(jiān)視畫面

由三角函數(shù)關(guān)系可得:

(1)

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

由于θ較小,當(dāng)L?S,α變化不明顯,隨著飛機(jī)接近理想著艦點(diǎn),α?xí)饾u減小,直至為零,因此艦載機(jī)從下滑道入口點(diǎn)到理想著艦點(diǎn)過(guò)程中,中線攝像機(jī)十字標(biāo)線的橫坐標(biāo)會(huì)發(fā)生變化,運(yùn)動(dòng)規(guī)律如圖3所示。

圖3 中線攝像機(jī)十字標(biāo)線橫坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)規(guī)律

2 偏置中線監(jiān)視模型

2.1 安裝位置約束條件

中線攝像機(jī)在跑道側(cè)方安裝時(shí),在攝像機(jī)視場(chǎng)設(shè)計(jì)基本不變的條件下,要使其監(jiān)視范圍與攝像機(jī)中線安裝時(shí)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(jī)與跑道中心線的側(cè)方距離,φ為中線攝像機(jī)的水平視場(chǎng)角,φ為中線監(jiān)視要求的水平視場(chǎng)角,通常情況下φ>φ。

圖4 中線攝像機(jī)偏置安裝示意

2.2 下滑道指示模型

如圖5所示,O′點(diǎn)為中線攝像機(jī)安裝位置,由于偏置安裝,中線攝像機(jī)十字標(biāo)線指示下滑道的俯仰角α、方位角β會(huì)與中線安裝時(shí)不同。

圖5 偏置中線監(jiān)視示意

由三角函數(shù)關(guān)系可得:

(3)

(4)

式中，M、S為常數(shù),即中線攝像機(jī)選取了固定位置,在不考慮攝像機(jī)性能的前提下,α、β只與艦載機(jī)與理想著艦點(diǎn)的距離L有關(guān),實(shí)際工作中L由測(cè)距雷達(dá)測(cè)量。由公式(3)和(4)可知,隨著L的減小,飛機(jī)接近理想著艦點(diǎn),α和β均發(fā)生變化,對(duì)應(yīng)于中線攝像機(jī)坐標(biāo)系中的理想下滑道在俯仰和方位兩個(gè)方向同時(shí)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(jī)重要的技術(shù)指標(biāo),決定著艦機(jī)與理想下滑道之間的偏差估計(jì)。根據(jù)作用距離和圖像處理的要求[9],要想實(shí)現(xiàn)在3km 處分辨率達(dá)到3m的精度,下滑道指示精度應(yīng)達(dá)到1mrad,才能保證圖像處理的正常實(shí)施。 中線攝像機(jī)的偏置安裝,改變了中線系統(tǒng)原有的布局,需要重新評(píng)估對(duì)于指示精度的影響。

根據(jù)誤差理論[10],對(duì)于

y=f(x1,x2,…xn)

(5)

函數(shù)系統(tǒng)誤差Δy的近似計(jì)算公式為

(6)

α、β是關(guān)于L的常數(shù)(M、S為常數(shù)),L的測(cè)距誤差會(huì)間接影響下滑道指示精度,α、β的誤差估計(jì)為:

(7)

(8)

3 仿真分析

3.1 仿真條件

中線攝像機(jī)指標(biāo)要求為:

作用距離≥5km;

水平視場(chǎng)≥7°(以跑道中心線為中心);

垂直視場(chǎng)≥2°(以理想下滑道為中心);

下滑道指示精度:2mrad(3σ)。

攝像機(jī)視場(chǎng)設(shè)計(jì):水平視場(chǎng)8.9°,垂直視場(chǎng)6.5°。

測(cè)距雷達(dá)的測(cè)距精度:6m。

參考普通機(jī)場(chǎng)跑道邊設(shè)備部署距離經(jīng)驗(yàn),采用距中心線不超過(guò)15m垂直距離,即取M=15,根據(jù)公式(2),可得

S≥14×12.853≈193

(9)

3.2 結(jié)果與分析

令S的變化范圍為193～500,通過(guò)仿真,得出中線攝像機(jī)十字標(biāo)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(jī)偏置指示角度變化

圖7 中線攝像機(jī)偏置指示精度誤差變化

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

如圖7所示,經(jīng)分析計(jì)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(shì)。對(duì)于S=193,飛機(jī)距理想著艦點(diǎn)距離進(jìn)入150m后,測(cè)距誤差引起方位指示誤差達(dá)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(jié)束語(yǔ)

艦載機(jī)飛行員和著艦指揮官的訓(xùn)練不同于一般的飛行員和指揮官,具有訓(xùn)練周期長(zhǎng)、強(qiáng)度大、危險(xiǎn)性高等特點(diǎn)。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(jī)飛行員和著艦指揮官隊(duì)伍,提高航母戰(zhàn)斗力,在現(xiàn)有機(jī)場(chǎng)的基礎(chǔ)上,建設(shè)一系列成本經(jīng)濟(jì)、使用方便、功能齊全的專門用于培訓(xùn)艦載機(jī)飛行員和著艦指揮官的著艦引導(dǎo)系統(tǒng)意義重大。本文以普通機(jī)場(chǎng)偏置部署中線攝像機(jī)為研究?jī)?nèi)容,通過(guò)建模與仿真分析了艦載機(jī)偏置中線監(jiān)視對(duì)艦載機(jī)著艦引導(dǎo)的影響。結(jié)論表明,在中線攝像機(jī)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(yīng)用于下一步偏置中線監(jiān)視系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

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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?yàn)榕炤d機(jī)基礎(chǔ)理論。 王月基(1974-),男,碩士,副教授。 史存虎(1962-),男,高級(jí)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