陳孔錦，余云鵬，楊振聲，徐 燕

（航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

地形跟隨最早的雛形是低空飛行。早在20 世紀(jì)40 年代，低空飛行就已應(yīng)用于軍事作戰(zhàn)，飛機(jī)利用地球曲率對(duì)雷達(dá)探測(cè)的避讓、地形對(duì)雷達(dá)探測(cè)的遮擋及地雜波對(duì)雷達(dá)探測(cè)的干擾加強(qiáng)隱身效果完成對(duì)敵防區(qū)的突然打擊[1]。由于技術(shù)限制，早期低空飛行主要依靠飛行員駕駛完成。然而超低空大速度飛行時(shí)，飛行員高度緊張，負(fù)擔(dān)很重，要在陌生地域、復(fù)雜氣象、夜間等環(huán)境下依靠飛行員駕駛完成超低空長(zhǎng)距離飛行，幾乎不可能。隨著地形探測(cè)雷達(dá)和地形跟隨控制方法的發(fā)展，基于自動(dòng)地形跟隨的超低空突防才逐漸成為可能。

基于地形探測(cè)雷達(dá)的地形跟隨技術(shù)需發(fā)射電磁波探測(cè)前方地形，隱身效果差。隨著數(shù)字地形技術(shù)和導(dǎo)航技術(shù)的成熟，出現(xiàn)了隱身效果更佳、突防效果更好的基于數(shù)字地形庫的自動(dòng)地形跟隨技術(shù)。飛行員在低空突防系統(tǒng)中設(shè)置好起始點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)后，系統(tǒng)自動(dòng)規(guī)劃參考航跡，飛機(jī)在地形跟隨控制算法控制下自動(dòng)沿參考航跡飛往目標(biāo)點(diǎn)[2]。

自動(dòng)地形跟隨以超低空形式進(jìn)行時(shí)，參考航跡緊貼地形起伏，飛機(jī)要嚴(yán)格沿參考航跡飛行，否則會(huì)出現(xiàn)撞地、撞山危險(xiǎn)。為此，本文設(shè)計(jì)兩種適合超低空突防的自動(dòng)地形跟隨控制方案。

1 控制方案

要實(shí)現(xiàn)飛機(jī)嚴(yán)格沿起伏變化劇烈的地形跟隨參考航跡飛行，就要保證飛機(jī)在參考航跡上飛行航跡傾角跟隨參考航跡傾角變化，為此設(shè)計(jì)了兩種基于飛行高度偏差和航跡傾角偏差的自動(dòng)地形跟隨控制方案。

方案一的地形跟隨控制律框圖如圖1 所示。地形跟隨控制回路根據(jù)飛行高度差、升降速度差和升降加速度差進(jìn)行控制，地形跟隨控制回路以飛機(jī)實(shí)時(shí)位置、飛行高度、升降速度和升降加速度作為輸入，經(jīng)地形跟隨控制回路解算輸出法向過載指令，法向過載指令輸入到縱向控制增穩(wěn)回路，由縱向控制增穩(wěn)回路解算輸出平尾偏轉(zhuǎn)指令，控制飛機(jī)運(yùn)動(dòng)。由飛機(jī)位置插值參考航跡高度時(shí)，不能直接用飛機(jī)實(shí)時(shí)位置，應(yīng)疊加一定的位置提前量，相當(dāng)于飛行員進(jìn)行手動(dòng)地形跟隨時(shí)，不是根據(jù)飛機(jī)實(shí)時(shí)高度和飛機(jī)正下方的地形高度來控制飛機(jī)，而是綜合考慮飛機(jī)實(shí)時(shí)高度、速度、響應(yīng)速度和飛機(jī)前方一定距離的地形高度及地形陡峭程度來控制飛機(jī)，因此位置提前量應(yīng)隨飛機(jī)速度和地形陡峭程度調(diào)參。如果飛機(jī)速度快、地形陡峭，位置提前量應(yīng)大些；如果飛機(jī)速度慢、地形平緩，位置提前量應(yīng)小些。航跡傾角的正切值與升降速度存在近似線性關(guān)系。引入飛行高度差信號(hào)的作用是根據(jù)高度偏差將飛機(jī)拉到參考航跡上；引入升降速度差信號(hào)的作用是間接控制飛行航跡傾角，讓飛行航跡傾角跟上參考航跡傾角；引入升降加速度差信號(hào)的作用是間接控制飛行航跡傾角變化率，讓飛行航跡傾角變化率跟上參考航跡傾角變化率，這樣才能保證飛行航跡傾角跟上參考航跡傾角，上述三路信號(hào)相輔相成，才能保證飛機(jī)嚴(yán)格沿地形跟隨參考航跡飛行。

方案二的控制律框圖如圖2 所示。地形跟隨控制回路根據(jù)飛行高度差、航跡一階導(dǎo)差和航跡二階導(dǎo)差進(jìn)行控制，地形跟隨控制回路以飛機(jī)實(shí)時(shí)位置、飛行高度、飛行航跡一階導(dǎo)和飛行航跡二階導(dǎo)作為輸入，經(jīng)地形跟隨控制回路解算輸出法向過載指令，法向過載指令輸入到縱向控制增穩(wěn)回路，由縱向控制增穩(wěn)回路解算輸出平尾偏轉(zhuǎn)指令，控制飛機(jī)運(yùn)動(dòng)。由飛機(jī)位置插值參考航跡高度時(shí)，飛機(jī)位置同樣要疊加一定的位置提前量，位置提前量同樣應(yīng)隨飛機(jī)速度和地形陡峭程度調(diào)參。 航跡傾角的正切值為航跡一階導(dǎo)。 引入飛行高度差信號(hào)的作用是根據(jù)高度偏差將飛機(jī)拉到參考航跡上；引入航跡一階導(dǎo)差信號(hào)的作用是控制飛行航跡傾角，讓飛行航跡傾角跟上參考航跡傾角；引入航跡二階導(dǎo)差信號(hào)的作用是控制飛行航跡傾角變化率，讓飛行航跡傾角變化率跟上參考航跡傾角變化率，這樣才能保證飛行航跡傾角跟上參考航跡傾角，上述三路信號(hào)相輔相成，就能保證飛機(jī)嚴(yán)格沿地形跟隨參考航跡飛行。

圖2 地形跟隨控制律框圖（方案二）

2 仿真結(jié)果

假設(shè)飛機(jī)以速度800km/h、正飛形式進(jìn)行地形跟隨，航跡傾角限制為-15°至30°，法向過載限制為0g至3g，最小離地安全高度為50m，對(duì)于給定的地形，經(jīng)綜合航跡平滑算法規(guī)劃出參考航跡，分別采用方案一和方案二讓飛機(jī)沿參考航跡飛行，方案一仿真結(jié)果如圖3 至圖4 所示，方案二仿真結(jié)果如圖5 至圖6 所示。

圖3 飛行航跡（方案一）

圖4 飛行參數(shù)（方案一）

圖5 飛行航跡（方案二）

圖6 飛行參數(shù)（方案二）

對(duì)于方案一，從圖中可以看出，飛機(jī)基本壓參考航跡飛行，最大偏離出現(xiàn)在過頂?shù)诙椒鍟r(shí)，飛行航跡比參考航跡高1.55m，由于飛行航跡比參考航跡高，不影響飛行安全。地形跟隨過程中，航跡傾角在限制范圍內(nèi)，法向過載稍有超限。

對(duì)于方案二，從圖中可以看出，飛機(jī)基本沿參考航跡飛行，最大偏離出現(xiàn)在過頂?shù)诙椒鍟r(shí)，飛行航跡比參考航跡高3.17m，由于飛行航跡比參考航跡高，不影響飛行安全。地形跟隨過程中，航跡傾角在限制范圍內(nèi)，法向過載在飛機(jī)從谷底拉起和飛越谷頂時(shí)瞬時(shí)超限。

兩次地形跟隨最大偏離都出現(xiàn)在過頂?shù)诙椒鍟r(shí)，這是由于第二座山峰左右坡度較陡，當(dāng)飛機(jī)沿參考航跡上坡過頂時(shí)，由于上坡坡度陡和飛機(jī)慣性，會(huì)造成飛機(jī)來不及調(diào)整航跡，沖出坡頂；飛機(jī)沖出坡頂后，也會(huì)由于下坡坡度陡和飛機(jī)慣性，造成飛機(jī)需要較長(zhǎng)時(shí)間調(diào)整下滑航跡。因此，可考慮根據(jù)地形陡峭程度進(jìn)行相應(yīng)控制律參數(shù)調(diào)參。

另外，雖然參考航跡是基于800km/h 規(guī)劃的，但飛行過程不要求飛機(jī)以800km/h 飛行，只要飛行速度不大于800km/h 即可，速度大于800km/h 可能會(huì)造成法向過載超限。

3 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了兩種自動(dòng)地形跟隨控制方案，兩種方案本質(zhì)都是基于飛行高度偏差和航跡傾角偏差進(jìn)行控制，仿真中兩種方案都能保證飛機(jī)沿參考航跡飛行，上述方案適用于低空、超低空自動(dòng)地形跟隨，對(duì)相關(guān)系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)有一定的借鑒意義。