李?lèi)?ài)軍，胡雪松，王瑜，楊庶，禹科

1.西北工業(yè)大學(xué)，陜西 西安 710072

2.航空工業(yè)西安自動(dòng)飛行控制研究所，陜西 西安 710065

在現(xiàn)代海戰(zhàn)中，艦載直升機(jī)擔(dān)負(fù)了偵察救護(hù)、反潛反艦、兩棲突擊、空中預(yù)警，以及運(yùn)輸補(bǔ)給等多種使命[1-2]，已經(jīng)成為各國(guó)海軍重要的軍事裝備[3]。但由于艦載直升機(jī)起降操作過(guò)程中面臨著復(fù)雜的海洋環(huán)境，大大增加了直升機(jī)飛行員的操縱難度。在高海況下，艦船甲板的劇烈運(yùn)動(dòng)和復(fù)雜的艦艉流場(chǎng)環(huán)境都會(huì)增加飛行員的操縱強(qiáng)度，甚至威脅到飛行員的生命安全[4-6]。因此，需要一種可以實(shí)時(shí)指示艦船甲板運(yùn)動(dòng)靜息期的直升機(jī)著艦輔助設(shè)備，以保證直升機(jī)觸艦時(shí)的甲板運(yùn)動(dòng)在直升機(jī)安全著艦限制范圍內(nèi)，方便飛行員執(zhí)行著艦操作，提高著艦效率和安全性。

著艦周期指示器(landing period designator，LPD）是美國(guó)海軍開(kāi)發(fā)的一套完整的直升機(jī)著艦視覺(jué)輔助設(shè)備。通過(guò)為飛行員提供基于直升機(jī)機(jī)械和動(dòng)態(tài)限制方面的艦船甲板運(yùn)動(dòng)評(píng)估，以確定執(zhí)行直升機(jī)著艦操作的適當(dāng)時(shí)機(jī)，為艦載直升機(jī)全天候作戰(zhàn)提供支持[7]。同時(shí)LPD系統(tǒng)也可用于給出無(wú)人直升機(jī)著艦指令，輔助無(wú)人直升機(jī)進(jìn)行自主著艦[8]。

本文詳細(xì)論述了LPD系統(tǒng)的基本原理、發(fā)展歷程及實(shí)現(xiàn)方法，并給出了工程應(yīng)用實(shí)例，展望了LPD系統(tǒng)在我國(guó)的應(yīng)用前景，以促進(jìn)國(guó)內(nèi)艦載直升機(jī)著艦輔助設(shè)備的研制，增強(qiáng)高海況下我國(guó)艦載直升機(jī)的海上應(yīng)用能力。

1 基本原理

LPD系統(tǒng)由運(yùn)動(dòng)參考單元、標(biāo)準(zhǔn)操作系統(tǒng)計(jì)算機(jī)、能量指標(biāo)算法、艦船運(yùn)動(dòng)處理程序以及外部指示燈組成[7]。通過(guò)能量指標(biāo)算法實(shí)時(shí)判斷艦船甲板運(yùn)動(dòng)靜息期，再通過(guò)外部指示燈向直升機(jī)飛行員傳遞甲板運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息。

能量指標(biāo)(energy index,EI)算法將艦船的運(yùn)動(dòng)特性、飛行器結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)極限和飛行員人為駕駛因素結(jié)合為一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式[9-10]。指標(biāo)中包含艦船的加速度、速度和位移項(xiàng)，給出了艦船在未來(lái)短時(shí)間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)指示，從而實(shí)時(shí)指示艦船甲板運(yùn)動(dòng)靜息期。能量指標(biāo)值的大小與艦船的動(dòng)能和勢(shì)能相關(guān)。當(dāng)指標(biāo)較小時(shí)，艦船較為平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)幅值較小。當(dāng)指標(biāo)值大于一定危險(xiǎn)閾值時(shí)，將不能保證直升機(jī)著艦安全。該危險(xiǎn)閾值根據(jù)指定艦船-直升機(jī)組合的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)限制確定，定義為直升機(jī)著艦甲板安全運(yùn)動(dòng)極限值[9]。

能量指標(biāo)算法通過(guò)標(biāo)量形式定義了直升機(jī)著艦過(guò)程中的甲板運(yùn)動(dòng)靜息期，以及甲板安全運(yùn)動(dòng)極限。只有當(dāng)海浪對(duì)艦船作用一定能量時(shí)，艦船才會(huì)從穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)移到危險(xiǎn)狀態(tài)。由于受艦船自身的物理結(jié)構(gòu)限制，能量在傳遞過(guò)程中存在一定的時(shí)間延遲。因此，艦船甲板的運(yùn)動(dòng)由能量指標(biāo)定義的甲板靜息期上升到甲板安全極限值的過(guò)程中存在一個(gè)最小上升時(shí)間，最小上升時(shí)間只與特定的艦船-直升機(jī)組合有關(guān)，與海況等級(jí)、甲板風(fēng)速等外部環(huán)境因素?zé)o關(guān)。最小上升時(shí)間可以通過(guò)試驗(yàn)以及理論分析得到。對(duì)于英國(guó)Type-23 護(hù)衛(wèi)艦與Lynx MK3 直升機(jī)，最小上升時(shí)間為4.8s[11]；而對(duì)于美國(guó)FFG-7護(hù)衛(wèi)艦與海王直升機(jī)，其最小上升時(shí)間為5s[12]。當(dāng)直升機(jī)由能量指標(biāo)指示的甲板運(yùn)動(dòng)靜息期內(nèi)開(kāi)始著艦，并在最小上升時(shí)間范圍內(nèi)完成快速著艦任務(wù)時(shí)，即可確保直升機(jī)觸艦時(shí)甲板運(yùn)動(dòng)在安全極限以內(nèi)，從而保證直升機(jī)著艦安全。

2 著艦周期指示器發(fā)展歷程

LPD 的發(fā)展起源于一些相關(guān)底層仿真技術(shù)的進(jìn)步，如艦船運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)(SMS)以及艦船運(yùn)動(dòng)程序(SMP)的開(kāi)發(fā)。起初，美國(guó)海軍(USN）使用SMS 技術(shù)研究艦船運(yùn)動(dòng)過(guò)程中由產(chǎn)生加速度到發(fā)生位移的延遲時(shí)間。研究發(fā)現(xiàn)，可以通過(guò)指標(biāo)的形式實(shí)時(shí)表示艦船運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，從而辨識(shí)出能夠確保直升機(jī)安全著艦的甲板運(yùn)動(dòng)靜息期[9]。

1973年，美國(guó)海軍報(bào)告建議制訂一個(gè)研究計(jì)劃，開(kāi)發(fā)一種運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)著陸輔助設(shè)備，以改善飛行操作。為了改進(jìn)未來(lái)的海軍直升機(jī)起降作戰(zhàn)，必須開(kāi)發(fā)一個(gè)靜息期預(yù)報(bào)器，它至少能為俯仰和俯仰相關(guān)響應(yīng)提供8～10s 的未來(lái)預(yù)報(bào)，并為滾轉(zhuǎn)提供20s的未來(lái)預(yù)報(bào)[13]。最初的能量指標(biāo)形式為

1976 年，美國(guó)海軍在USS Koelsch 號(hào)護(hù)衛(wèi)艦上對(duì)該指標(biāo)進(jìn)行了海上甲板運(yùn)動(dòng)測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，通過(guò)該指標(biāo)可以區(qū)分甲板不同運(yùn)動(dòng)幅度周期。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，Love等對(duì)能量指標(biāo)形式提出了兩點(diǎn)關(guān)鍵性修正意見(jiàn):一是能量指標(biāo)中應(yīng)該包含影響直升機(jī)著艦安全的相關(guān)自由度；二是應(yīng)該確定能量指標(biāo)降低到指定安全閾值后，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間間隔（4s、6s、8s）的最大運(yùn)動(dòng)幅度包線[9]。1983 年O’Reilly 首先提出了多種不同的能量指標(biāo)算法[14-15]

式中:s1～s8為靜態(tài)權(quán)值系數(shù)，φ為艦船橫搖角，θ為艦船縱搖角，ψ為艦船偏航角，x為甲板著艦點(diǎn)縱向位移，y為甲板著艦點(diǎn)橫向位移，z為甲板著艦點(diǎn)垂向位移。

式(2)中EQ.5中的系數(shù)與直升機(jī)安全著艦要求相關(guān)，通過(guò)加入權(quán)值系數(shù)，能量指標(biāo)將直升機(jī)著艦穩(wěn)定性與艦船運(yùn)動(dòng)聯(lián)系起來(lái)。通過(guò)EQ.5 也可以對(duì)艦船運(yùn)動(dòng)相位滯后和能量指標(biāo)上升時(shí)間進(jìn)行分析。

1987 年，根據(jù)技術(shù)合作協(xié)議，美國(guó)海軍將DI 技術(shù)通過(guò)加拿大國(guó)防部移交給了Canadair 公司，以繼續(xù)發(fā)展LPD 技術(shù)應(yīng)用[16]。后續(xù)試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，在復(fù)雜且不斷變化的海況下，基于靜態(tài)加權(quán)系數(shù)的EI指標(biāo)曲線會(huì)出現(xiàn)大量瞬時(shí)上升時(shí)間，與能量指標(biāo)方法判斷甲板靜息期的基本原理相悖。在LPD MKⅡ項(xiàng)目研發(fā)過(guò)程中，通過(guò)一個(gè)子程序計(jì)算不同海況下的靜態(tài)加權(quán)系數(shù)，以確保在不同海況下，權(quán)值收斂到一個(gè)最優(yōu)解[17]。在計(jì)算機(jī)求解最優(yōu)權(quán)值的過(guò)程中，LPD 顯示“待命”狀態(tài)。在仿真數(shù)據(jù)測(cè)試過(guò)程中，LPD MKⅡ出現(xiàn)了2～3s 的延遲。但在實(shí)際艦船運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)測(cè)試過(guò)程中，由于實(shí)際數(shù)據(jù)中的振動(dòng)噪聲影響，導(dǎo)致LPD MKⅡ未能成功退出“待命”狀態(tài)。最終，LPD MKⅡ項(xiàng)目以失敗告終。1990 年，Thibodeau 嘗試通過(guò)修正EI 指標(biāo)中的橫向速度項(xiàng)解決上述問(wèn)題，但這種方法會(huì)不必要地限制其他相關(guān)角度變化[18]。

在LPD MKⅢ項(xiàng)目中，提出了一種基于動(dòng)態(tài)加權(quán)系數(shù)的能量指標(biāo)算法

這種算法被廣泛應(yīng)用于后續(xù)的LPD研究中[9]。1992年年初，Canadair 公司提出將LPD 項(xiàng)目的研發(fā)測(cè)試計(jì)劃分為三個(gè)階段進(jìn)行[19]:（1）理論證明:編程、組裝并測(cè)試一個(gè)預(yù)原型LPD系統(tǒng)，最終提出一個(gè)滿足實(shí)際應(yīng)用要求的LPD可行性方案；（2）LPD 樣機(jī)研制:Canadair 公司開(kāi)發(fā)并組裝了兩臺(tái)原型LPD試驗(yàn)系統(tǒng)。一臺(tái)用于LPD的海上試驗(yàn)，另一臺(tái)作為Canadair 的參考系統(tǒng)；（3）裝配一臺(tái)完整的LPD 設(shè)備，并安裝在機(jī)庫(kù)上實(shí)現(xiàn)LPD完整可視化系統(tǒng)。

1993 年8 月，F(xiàn)errier 等在實(shí)驗(yàn)室對(duì)完整的LPD 組件進(jìn)行了仿真測(cè)試，測(cè)試報(bào)告中提出LPD已經(jīng)具有足夠的可操作性確保美國(guó)海軍進(jìn)行海上試驗(yàn)[20]。

1995年，英國(guó)皇家海軍對(duì)LPD系統(tǒng)進(jìn)行了載人飛行仿真測(cè)試，飛行員執(zhí)行直升機(jī)著艦過(guò)程的最后進(jìn)場(chǎng)階段任務(wù)。在不同直升機(jī)-艦船組合、不同海況、不同艦船速度及海浪角的情況下，評(píng)估LPD 系統(tǒng)對(duì)著艦任務(wù)的輔助作用。飛行員對(duì)LPD 系統(tǒng)的著艦輔助作用給出了積極的評(píng)價(jià)[21]，且在最高7級(jí)海況下，LPD給出的最小上升時(shí)間仍在4～5s之間[22]。

1996 年10 月27—29 日，英國(guó)皇家海軍歷時(shí)三天開(kāi)展了Avalon 測(cè)試項(xiàng)目，在Lynx 直升機(jī)和Type23 護(hù)衛(wèi)艦上進(jìn)行了LPD海上測(cè)試。根據(jù)Avalon項(xiàng)目測(cè)試數(shù)據(jù)，英國(guó)防衛(wèi)評(píng)估研究署（DERA）針對(duì)LPD出現(xiàn)的問(wèn)題提出了相應(yīng)的軟件修正方法。1999 年10 月11—15 日，修正后的LPD 被安裝于薩瑟蘭號(hào)護(hù)衛(wèi)艦上，開(kāi)展了Excalibur 測(cè)試項(xiàng)目。本次測(cè)試完成了LPD在艦船轉(zhuǎn)彎過(guò)程中的性能測(cè)試，但由于本次測(cè)試過(guò)程中始終為2級(jí)海況，未能充分驗(yàn)證LPD系統(tǒng)的著艦輔助能力[11]。

1998 年，F(xiàn)errier 分析了高海況下LPD 系統(tǒng)的著艦輔助作用[23]。2000 年，F(xiàn)errier 提出了AOG-LPD 系統(tǒng)的概念。艦船自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)(active operator guidance，AOG）的作用是為艦船操縱員提供最優(yōu)的海上航行路線。AOG-LPD系統(tǒng)可以向艦船操作員提供最適合直升機(jī)著艦操作的航向和速度信息，再由LPD系統(tǒng)向直升機(jī)飛行員給出著艦指令，執(zhí)行著艦操作[11-24]。

2000年，澳大利亞海軍在“海王”直升機(jī)、“黑鷹”直升機(jī)和HMAS Manoora兩棲登陸艦上測(cè)試了LPD系統(tǒng)性能。此次測(cè)試重點(diǎn)分析了不同艦船重量（質(zhì)量）、不同閾值限制，以及濾波器對(duì)LPD能量指標(biāo)性能的影響[12]。

2004 年，在LPD 載人飛行仿真試驗(yàn)取得較好效果的前提下，F(xiàn)errier等研究了LPD在無(wú)人直升機(jī)著艦過(guò)程中的應(yīng)用，使用LPD 給出無(wú)人直升機(jī)著艦指令，實(shí)現(xiàn)無(wú)人直升機(jī)自主著艦[25]。

2005 年7 月26—29 日，美國(guó)海軍在SH-60 直升機(jī)和DDG-79驅(qū)逐艦?zāi)Ｐ偷幕A(chǔ)上進(jìn)行了載人仿真飛行測(cè)試[7]。同年，英國(guó)海軍在Merlin 直升機(jī)-Type45 驅(qū)逐艦上對(duì)LPD系統(tǒng)進(jìn)行了載人飛行仿真試驗(yàn)[26]。兩次仿真試驗(yàn)都對(duì)比了有無(wú)LPD條件下的直升機(jī)著艦情況。其中，英國(guó)海軍還分別在白天和夜間環(huán)境中，對(duì)LPD的著艦輔助作用進(jìn)行了對(duì)比分析。測(cè)試結(jié)果表明，在有LPD輔助作用下，縮短了直升機(jī)著艦過(guò)程時(shí)間，提高了直升機(jī)著艦效率。參加測(cè)試的飛行員高度評(píng)價(jià)了在夜間視覺(jué)信息缺失的條件下，LPD 系統(tǒng)的輔助作用[7]。

2007 年，Brook William Sherman 綜述了DI 技術(shù)的發(fā)展，并對(duì)比了LPD能量指標(biāo)算法與另一種海浪能量表示方法，并提出了能量指標(biāo)算法的缺點(diǎn)。能量指標(biāo)算法主要通過(guò)上升延遲時(shí)間保證直升機(jī)安全著艦，因此不具備預(yù)測(cè)性，無(wú)法預(yù)測(cè)甲板運(yùn)動(dòng)將處于某狀態(tài)的時(shí)間，且能量指標(biāo)為標(biāo)量值，也無(wú)法描述艦船甲板的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)[27]。

2014—2017年，在后續(xù)研究過(guò)程中成功應(yīng)用LPD系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了MQ-8b火力偵察兵無(wú)人直升機(jī)在護(hù)衛(wèi)艦及瀕海戰(zhàn)斗艦上的自主著艦操作，并對(duì)比了一天內(nèi)不同艦船的能量指標(biāo)上升時(shí)間變化趨勢(shì)，驗(yàn)證了能量指標(biāo)算法的實(shí)際應(yīng)用性能[28-29]。

3 組成及實(shí)現(xiàn)方法

一套完整的LPD裝置由運(yùn)動(dòng)參考單元、包含標(biāo)準(zhǔn)操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)、能量指標(biāo)算法、艦船運(yùn)動(dòng)處理程序以及外部指示燈組成[7]。其中，運(yùn)動(dòng)參考單元用于測(cè)量艦船甲板的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)[8]；艦船運(yùn)動(dòng)處理程序及能量指標(biāo)算法作為軟件包集成在計(jì)算機(jī)中；外部指示燈顯示能量指標(biāo)計(jì)算出的甲板運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，向直升機(jī)飛行員及船上的操作員提供對(duì)應(yīng)信息；計(jì)算機(jī)顯示器實(shí)時(shí)記錄能量指標(biāo)算法結(jié)果、艦船甲板運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)以及直升機(jī)著艦安全限制[7]。

3.1 LPD軟硬件組成

1992 年預(yù)裝配的完整LPD 系統(tǒng)由硬件及軟件兩部分組成[9]。其中，硬件包含三個(gè)主要部分:艦船運(yùn)動(dòng)測(cè)量傳感器組件（SMP）、信號(hào)調(diào)節(jié)組件（SCP），以及包含標(biāo)準(zhǔn)操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)（PC）。艦船運(yùn)動(dòng)測(cè)量組件包含一個(gè)三軸角速率陀螺儀、三個(gè)線加速度計(jì)和兩個(gè)角擺儀。信號(hào)調(diào)節(jié)組件接收傳感器組件發(fā)出的模擬信號(hào)，包含電壓隔離模塊及抗混疊濾波系統(tǒng)兩個(gè)部分。信號(hào)調(diào)節(jié)組件由計(jì)算機(jī)中的抗混疊濾波控制卡控制。信號(hào)調(diào)節(jié)組件的輸出信號(hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中的數(shù)模轉(zhuǎn)換卡中，數(shù)據(jù)再由LPD軟件進(jìn)行處理計(jì)算[9]。

LPD軟件主要由艦船運(yùn)動(dòng)處理程序及能量指標(biāo)算法兩部分組成。艦船運(yùn)動(dòng)處理程序包括傳感器補(bǔ)償模塊，以補(bǔ)償矯正傳感器偏差和比例因子誤差；數(shù)據(jù)變換模塊將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，進(jìn)行坐標(biāo)變換并由加速度計(jì)算速度，該模塊還包含各種濾波器，以減少轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)中的振動(dòng)和傳輸偏差。最后處理后的數(shù)據(jù)導(dǎo)入EI能量指標(biāo)算法，計(jì)算對(duì)應(yīng)的能量指標(biāo)動(dòng)態(tài)權(quán)值，以實(shí)時(shí)計(jì)算能量指標(biāo)的標(biāo)量值。根據(jù)劃分的能量指標(biāo)閾值，區(qū)分不同的艦船運(yùn)動(dòng)狀態(tài)[9]。

3.2 LPD-EI能量指標(biāo)算法

能量指標(biāo)算法主要包含動(dòng)態(tài)加權(quán)系數(shù)的計(jì)算及閾值標(biāo)準(zhǔn)的確定兩個(gè)方面。

3.2.1 動(dòng)態(tài)加權(quán)系數(shù)的計(jì)算

能量指標(biāo)方程由動(dòng)態(tài)系數(shù)加權(quán)的甲板橫向速度及橫向加速度、垂向速度及垂向加速度、橫搖角及橫搖角速度和縱搖角及縱搖角速度組成。該方程為各項(xiàng)參數(shù)的加權(quán)平方和，其具體形式如下

式中:a1～a8為動(dòng)態(tài)加權(quán)系數(shù)，實(shí)時(shí)反映艦船-直升機(jī)的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，其具體計(jì)算方法分三個(gè)部分進(jìn)行:（1）分別求出4 個(gè)自由度及其導(dǎo)數(shù)的相關(guān)系數(shù)。相關(guān)系數(shù)反映了橫搖角和橫搖角速度、縱搖角和縱搖角速度、側(cè)向速度和側(cè)向加速度，以及垂向速度和垂向加速度的關(guān)系。而這些關(guān)系都直接與艦船速度、相對(duì)海浪角、海浪高度和模態(tài)周期相關(guān)。（2）計(jì)算耦合自由度之間的相關(guān)系數(shù)。艦船在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，耦合的自由度為橫搖和側(cè)向運(yùn)動(dòng)、縱搖和垂向運(yùn)動(dòng)。耦合意味著兩個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)是直接相關(guān)的，只有在非常特殊的情況下才會(huì)獨(dú)立發(fā)生?？v搖和垂向運(yùn)動(dòng)通常同時(shí)發(fā)生但卻很少同相位。耦合自由度之間的相位滯后有助于能量指標(biāo)的穩(wěn)定。早期研究中發(fā)現(xiàn)，縱搖運(yùn)動(dòng)的峰值通常出現(xiàn)在垂向位移峰值之前。（3）對(duì)比直升機(jī)著艦各自由度的安全限制，完成每個(gè)自由度參數(shù)的計(jì)算。

如式(5)所示，將三個(gè)部分的因子相乘以實(shí)時(shí)計(jì)算出能量指標(biāo)動(dòng)態(tài)權(quán)值系數(shù)。再通過(guò)式(4)可以實(shí)時(shí)得到能量指標(biāo)值。系數(shù)計(jì)算流程如圖1所示。

圖1 能量指標(biāo)動(dòng)態(tài)系數(shù)計(jì)算流程[12]Fig.1 Energy index dynamic coefficient calculation flow chart

2016 年，Tri D.Ngo 在進(jìn)行能量指標(biāo)算法仿真過(guò)程中，提出了一種通過(guò)一段時(shí)間內(nèi)各個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)的最大值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的簡(jiǎn)化系數(shù)計(jì)算方法[30-31]

式中:Tsim為仿真時(shí)間。

3.2.2 閾值標(biāo)準(zhǔn)的確定

由式(4)計(jì)算的能量指標(biāo)標(biāo)量值的大小與艦船甲板運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和直升機(jī)著艦安全限制直接相關(guān)，反映了直升機(jī)著艦過(guò)程中的甲板動(dòng)能和勢(shì)能大小。為了方便向直升機(jī)飛行員和艦船操作員表達(dá)甲板運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，能量指標(biāo)值被劃分為4個(gè)甲板可用性區(qū)域[7]，由不同的信號(hào)燈顏色表示:紅色為危險(xiǎn)狀態(tài)，黃色為警戒狀態(tài)，黃綠色相間為安全狀態(tài)，綠色為非常安全狀態(tài)（表示甲板運(yùn)動(dòng)靜息期）。其閾值劃分與艦船結(jié)構(gòu)特性、直升機(jī)著艦安全要求、飛行員操作因素直接相關(guān)，由LPD系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員與進(jìn)行船上測(cè)試的工程師協(xié)調(diào)確定[27]。對(duì)不同的直升機(jī)-艦船組合必須通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量和理論分析制定不同的能量指標(biāo)劃分閾值。閾值確定方法及外部指示燈對(duì)應(yīng)甲板運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如圖2、圖3所示。

圖2 能量指標(biāo)閾值劃分方法[8]Fig.2 Threshold partition method of energy index

圖3 LPD指示燈與甲板狀態(tài)對(duì)應(yīng)關(guān)系[7]Fig.3 Correspondence between LPD indicator and deck status

紅色閾值表示直升機(jī)甲板安全操作極限值，當(dāng)能量指標(biāo)值大于紅色閾值時(shí)，意味著一個(gè)或多個(gè)甲板運(yùn)動(dòng)自由度超出了直升機(jī)著艦安全極限[32]。當(dāng)能量指標(biāo)值小于紅色閾值時(shí)，甲板運(yùn)動(dòng)在可接受范圍內(nèi)。能量指標(biāo)值由綠色閾值上升到紅色閾值的時(shí)間（甲板運(yùn)動(dòng)由靜息期結(jié)束變化到甲板安全極限的時(shí)間）定義為上升時(shí)間。上升時(shí)間可能會(huì)受到海況、海浪迎角等環(huán)境因素的影響，但由于艦船的物理結(jié)構(gòu)限制，對(duì)于給定的艦船-直升機(jī)組合存在一個(gè)與環(huán)境因素?zé)o關(guān)的最小上升時(shí)間。通過(guò)試驗(yàn)和分析，可以確定對(duì)應(yīng)直升機(jī)-艦船組合的最小上升時(shí)間。因此直升機(jī)在綠色狀態(tài)（甲板運(yùn)動(dòng)靜息期）時(shí)開(kāi)始執(zhí)行著艦任務(wù)，在最小上升時(shí)間范圍內(nèi)完成著艦任務(wù)，即可保證直升機(jī)在完成著艦時(shí)能量指標(biāo)值在紅色閾值內(nèi)（甲板運(yùn)動(dòng)在可接受范圍內(nèi)），直升機(jī)安全著艦。

3.3 直升機(jī)著艦測(cè)試

本節(jié)以MQ-8b（火力偵察兵）無(wú)人直升機(jī)著艦測(cè)試為例，介紹LPD應(yīng)用測(cè)試過(guò)程。MQ-8b火力偵察兵無(wú)人直升機(jī)是美國(guó)諾斯洛普·格魯門(mén)公司研制的一種垂直起降無(wú)人機(jī)[33]，MQ-8b 無(wú)人直升機(jī)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了在艦船上無(wú)人干涉的自主起飛和降落[34-36]。

美國(guó)海軍將MQ-8無(wú)人直升機(jī)系統(tǒng)的地面控制站及無(wú)人機(jī)都安裝在一艘配有航空裝置的戰(zhàn)艦（主要為瀕海戰(zhàn)斗艦（LCS）和護(hù)衛(wèi)艦）上，將其作為艦載垂直起降無(wú)人機(jī)[28]。為了能使MQ-8無(wú)人直升機(jī)在沒(méi)有飛行員的情況下安全降落在甲板上，美國(guó)海軍使用LPD裝置實(shí)時(shí)指示艦船甲板運(yùn)動(dòng)靜息期，輔助無(wú)人直升機(jī)著艦，其著艦測(cè)試過(guò)程如下:

首先，通過(guò)海上測(cè)試及理論分析，確定對(duì)應(yīng)機(jī)艦組合的能量指標(biāo)閾值定義和最小上升時(shí)間。對(duì)于MQ-8b 無(wú)人直升機(jī)與FFG-56 護(hù)衛(wèi)艦，定義其最小上升時(shí)間為5s，能量指標(biāo)閾值范圍為:0～1.74 為綠色區(qū)域表示甲板運(yùn)動(dòng)靜息期，1.74～4.0為黃綠色區(qū)域表示安全甲板區(qū)域，4.0～9.99為黃色區(qū)域表示警戒甲板區(qū)域，≥10為紅色不安全甲板區(qū)域[28]。

然后，通過(guò)海上測(cè)試，驗(yàn)證能量指標(biāo)算法性能。主要驗(yàn)證了能量指標(biāo)值表示的甲板運(yùn)動(dòng)狀態(tài)能與實(shí)際甲板運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相對(duì)應(yīng)，最小上升時(shí)間定義符合實(shí)際海上測(cè)試結(jié)果。

最后，美國(guó)海軍對(duì)MQ-8b無(wú)人直升機(jī)進(jìn)行了LPD系統(tǒng)輔助下的著艦測(cè)試。圖4 為MQ-8b 無(wú)人直升機(jī)的著艦過(guò)程。無(wú)人直升機(jī)起初懸停在距離甲板安全助降網(wǎng)格系統(tǒng)3m的上方位置。LPD系統(tǒng)計(jì)算甲板能量指標(biāo)，并在能量指標(biāo)標(biāo)量值到達(dá)甲板運(yùn)動(dòng)靜息期時(shí)，向無(wú)人直升機(jī)地面站發(fā)送著艦指令。在無(wú)人直升機(jī)收到著艦指令后，開(kāi)始以約1m/s 的速度下降，從低空懸停位置降落到甲板網(wǎng)格上用時(shí)在4s以內(nèi)，小于最小上升時(shí)間。確保無(wú)人直升機(jī)觸艦時(shí)，甲板運(yùn)動(dòng)狀態(tài)在安全極限范圍內(nèi)。

圖4 MQ-8b無(wú)人直升機(jī)著艦過(guò)程[28]Fig.4 Landing process of MQ-8b unmaned helicopter

4 結(jié)束語(yǔ)

LPD能量指標(biāo)方法將復(fù)雜的甲板運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為易于直升機(jī)飛行員理解的燈光信號(hào)，以指示甲板運(yùn)動(dòng)靜息期，向直升機(jī)飛行員發(fā)出著艦指令，保證即使在高海況下直升機(jī)著艦過(guò)程中的甲板運(yùn)動(dòng)仍在安全極限范圍內(nèi)，能夠提高我國(guó)艦載直升機(jī)高海況著艦?zāi)芰爸灠踩谖覈?guó)具有廣泛的應(yīng)用前景和發(fā)展?jié)摿Α?/p>