李繼廣，董彥非，楊雷恒，屈高敏，林國忻

(1.西安航空學院 飛行器學院， 西安 710077； 2.西安航空職業(yè)技術(shù)學院 通用航空學院， 西安 710089；3.西安市無人機應用創(chuàng)新基地， 西安 710071)

隨著我國遠洋海軍建設的不斷深入，遼寧艦和第一艘國產(chǎn)航母的正式服役，以航母為核心的海軍建設正在成型。艦載機作為航母主要攻擊手段，是航母戰(zhàn)力的主要體現(xiàn)。然而，在航母甲板這種狹小的空間上降落艦載機是一件十分困難的事情。根據(jù)美軍數(shù)據(jù)顯示，艦載機著艦的事故率是陸上飛機的3～6倍，夜間著艦事故率更是比白天著艦增加2倍以上[1-2]。為了提高艦載機著艦的安全性，實現(xiàn)航母編隊的全天候作戰(zhàn)能力，美國在20世紀70年代就開發(fā)了全天候著艦引導系統(tǒng)(All Wether Carrier Landing System,AWCLS)。其中，全自動著艦系統(tǒng)(ACLS)是AWCLS系統(tǒng)的核心[1,3]。

艦載機著艦不僅面臨著著陸空間狹小的問題，還面臨著艦載機自身強非線性和強耦合控制問題，以及甲板運動補償問題、艦尾流甲板風擾動等問題。這些問題的存在使得艦載機著艦過程成為最危險的“刀尖上的舞蹈”。為了解決這些問題，許多研究者提出了各種解決方法，并取得了一定的成果。

文獻[1]中概述與總結(jié)了艦載機自動著艦系統(tǒng)及著艦引導、控制關(guān)鍵技術(shù)；文獻[4]中提出了一種基于主成分分析的艦載機著艦安全綜合評價機制；文獻[5]提出了一種改進線性化方法以補償氣流對空速和迎角的影響，并對下滑道上的誘導力進行量化處理；文獻[6]中基于大腦風暴優(yōu)化算法，對自動駕駛儀和自動油門系統(tǒng)的控制參數(shù)進行了優(yōu)化；文獻[7-8]中提出了一種對理想著艦點垂直運動位置和速度進行預估和補償?shù)姆椒?；文獻[9]中研究了在運動甲板上著艦的控制策略，以減少甲板沉浮和橫搖運動對安全著艦的影響；為了提高著艦控制器的精度和速度，文獻[10]中提出一種基于改進神經(jīng)網(wǎng)絡的動態(tài)逆控制方法；文獻[11]中結(jié)合線性二次型調(diào)節(jié)器與自適應積分滑模，設計了艦載機著艦的縱向航跡控制律；文獻[12]中討論了艦載機著艦非線性反演控制方法的研究進展；文獻[13]中解決了艦載無人機的非線性模型反演控制器設計方法的計算膨脹問題；文獻[14]中提出基于小擾動補償?shù)奈擦鞲蓴_下艦載機的著艦控制方法。

雖然這些研究成果對艦載機的安全著艦控制有著重要的參考意義，并在仿真條件下取得了很好的控制效果。然而，在實際應用中卻很難獲得仿真條件下的效果，甚至會引起更加危險的情景。這種實際應用和仿真情況不一致的根源在于ACLS系統(tǒng)引導信號輸出延遲問題在這些方法中未得到充分的考慮。在系統(tǒng)存在延遲的情況下，艦載機獲得引導指令已經(jīng)偏離了實際著艦需求，從而導致著陸失敗的風險。為了解決該問題，本研究提出了一種基于輸出延遲觀測器設計方法，來解決ACLS系統(tǒng)對艦載機引導延遲的問題。

1 ACLS系統(tǒng)延遲分析

全自動著艦系統(tǒng)(ACLS)是美國為提高艦載機著陸安全性于20世紀70年代大力發(fā)展的一種自動著艦技術(shù)。ACLS系統(tǒng)由艦載子系統(tǒng)和機載子系統(tǒng)組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，艦載子系統(tǒng)包括跟蹤雷達、高速通用計算機、穩(wěn)定平臺、數(shù)據(jù)鏈編碼/發(fā)射機、顯示設備、數(shù)據(jù)鏈監(jiān)控器以及飛行軌跡記錄儀等；機載子系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)鏈接收機、接收譯碼器、自動駕駛儀耦合器、自動油門控制系統(tǒng)、自動飛行控制系統(tǒng)、雷達增強器等。該系統(tǒng)自誕生之日起，就為艦載機在航母上安全著艦起到了至關(guān)重要的作用，使得艦載機著艦成功率大為提高。目前，該系統(tǒng)依然是各國航母必備的著艦輔助系統(tǒng)。

目前，美國現(xiàn)役的ACLS系統(tǒng)的核心裝備為AN/SPN-46型Ka波段脈沖雷達。該系統(tǒng)可以為艦載機提供從進近著艦窗口被捕獲，到引導著陸，直到成功著艦或者復飛全過程的引導指令[1,3]。在雷達系統(tǒng)、艦載機計算機、飛控系統(tǒng)進行通訊和鉸鏈時，都會產(chǎn)生不同程度的延遲效應。美國F/A-18艦載機在ACLS系統(tǒng)引導著艦時各部分的延遲如表1所示[15]。

圖1 ACLS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

延遲部分延遲時間/ms艦載雷達α-β濾波器計算延遲10信號傳輸異步延遲[0,50]接收機譯碼時間1任務計算機異步延遲[0,50]任務計算機計算延遲[12,50]飛控系統(tǒng)異步延遲[0,50]飛控系統(tǒng)前臺計算延遲[6,56]飛控系統(tǒng)計算延遲6.25

從表1可知，ACLS系統(tǒng)各部分間都存在不同程度的時間延遲。這些時間延遲雖然每一部分都不十分嚴重，但是，當整個系統(tǒng)的延遲效應疊加起來之后，將會對艦載機安全著艦產(chǎn)生十分重大的影響。從系統(tǒng)延遲產(chǎn)生的原因來看，主要是由于各部分電子器件在工作過程中存在一定的運算時間和慣性。這些時間延遲是器件本身固有的屬性，而且會隨著使用時間的增加而增加。因此，全自動著艦系統(tǒng)的引導延遲問題是一種不可避免的固有特征，只能隨著技術(shù)的進步而減小，但是卻不可能完全消除。

從產(chǎn)生的影響來看，系統(tǒng)信號延遲的主要表現(xiàn)形式是使系統(tǒng)的相位滯后。這種延遲現(xiàn)象將降低系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度，使得系統(tǒng)發(fā)生振蕩、超調(diào)等不利情況，嚴重時最終甚至會導致發(fā)散，使得艦載機無法準確跟蹤著陸航跡，致使著艦失敗。因此，對系統(tǒng)的延遲問題應格外重視。

2 延遲觀測器設計

系統(tǒng)的狀態(tài)模型為：

(1)

式中：x(t)為系統(tǒng)狀態(tài)變量；u(t)是控制輸入；y(t)為無延遲情況下的系統(tǒng)輸出。

當系統(tǒng)存在輸出信號延遲時，設輸出延遲輸出常數(shù)為Δ，則系統(tǒng)的實際輸出可表示為

(2)

對于式(1)所確定的線性系統(tǒng)來說，其延遲狀態(tài)方程可表示為

(3)

為了進行輸出延遲觀測器設計，這里首先給出如下延遲系統(tǒng)穩(wěn)定性定理。

引理1：對于線性延遲系統(tǒng)

(4)

其穩(wěn)定的條件為：

sI-A-Be-Δs=0

(5)

特征根的實部都為負數(shù)。此時，延遲系統(tǒng)式(4)為指數(shù)穩(wěn)定。

針對式(1)和式(2)所確定的輸出延遲系統(tǒng)，設計如下形式的延遲觀測器：

(6)

根據(jù)以上各式，對式(6)變換可得：

(7)

則式(7)的特征方程為

sI-A-KCe-Δs=0

(8)

只要選擇合適的K值，特征方程式(8)的特征根實部就可以全為負值。根據(jù)引理1，則延遲系統(tǒng)式(7)以指數(shù)形式收斂。也就是說，在延遲觀測器式(6)作用下，觀測器觀測到系統(tǒng)值和真實系統(tǒng)的誤差以指數(shù)的形式收斂到零。

3 仿真驗證

為了驗證延遲觀測器的效果，這里對航母甲板的沉浮運動進行預測。根據(jù)文獻[4]，在海浪高度為17ft (5.181 6 m)的海況下，某航母甲板沉浮運動的傳遞函數(shù)為

根據(jù)表1，對系統(tǒng)取一個較大的延遲上界。在仿真中，假設系統(tǒng)的延遲時間為1 s。同時，為了讓系統(tǒng)可以對信號進行跟蹤，對系統(tǒng)添加一個PI反饋控制器。PI控制器參數(shù)分別為P=0.8，I=1.3。

此時，觀測器對航母甲板沉浮運動以及速度的觀測如圖2所示，航母沉浮運動模型對正弦信號的跟蹤應用輸出信號直接反饋控制結(jié)果如圖3所示。航母沉浮運動模型對正弦信號的跟蹤應用延遲觀測器式(6)觀測的輸出進行反饋控制結(jié)果如圖4所示。

圖2 觀測器對航母甲板運動觀測效果

圖3 系統(tǒng)輸出反饋跟蹤結(jié)果

圖4 延遲觀測器輸出反饋跟蹤結(jié)果

從圖2可知，在系統(tǒng)存在延遲的情況下，觀測器可以無延遲的觀測航母沉浮運動的速度。對于航母沉浮位置的觀測，在經(jīng)過初始階段較大的誤差之后，也可以無延遲、無誤差的觀測。

從圖3可知，采用系統(tǒng)輸出反饋控制，控制結(jié)果始終存在相位滯后，且存在一定的靜態(tài)誤差。該仿真結(jié)果說明，如果采用雷達直接測量的航母甲板運動信息對艦載機進行引導的話，艦載機的著陸將存在較大的誤差。這將對著陸過程造成巨大的安全隱患。

從圖4可知，采用延遲觀測器輸出進行反饋時，系統(tǒng)除了在初始階段存在較大超調(diào)外，控制結(jié)果可以很好的跟蹤理想信號。通過圖3仿真結(jié)果可知，本文所設計延遲觀測器可以有效地對延遲輸出系統(tǒng)進行觀測。采用延遲觀測器輸出代替延遲系統(tǒng)的直接輸出進行控制可以獲得更好的控制效果。

4 結(jié)論

為了解決ACLS系統(tǒng)的輸出信號的延遲問題，本文分析了ACLS系統(tǒng)延遲的原因和造成的影響，設計了一種延遲觀測器。在采用延遲觀測器輸出代替系統(tǒng)延遲輸出進行控制后，系統(tǒng)的跟蹤性能有了極大的改善，取得了較好的跟蹤效果。說明了本研究所設計的延遲觀測器是有效的。