CC BY-NC
51
ПРОЕКТИРОВАНИЕ И КОНСТРУКЦИЯ СУДОВ
Б01: 10.24937/2542-2324-2019-4-390-125-136 УДК 623.822.7
С.А. Ковтун, О.И. Ткаченко
ФГУП «Центральный аэрогидродинамический институт имени проф. Н.Е. Жуковского», Жуковский, Россия
ПРИМЕНЕНИЕ ПРОГНОЗА КОЛЕБАНИЙ ПАЛУБЫ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ ЗАКОНА СТАБИЛИЗАЦИИ ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ПОСАДКИ САМОЛЕТОВ КОРАБЕЛЬНОГО БАЗИРОВАНИЯ
Объект и цель научной работы. Объект работы - оптическая система посадки самолета на авианесущий корабль и закон управления этой системой. Цель работы - разработка закона управления - закона стабилизации оптической системы посадки самолета, обеспечивающего повышение точности касания самолетом палубы и, следовательно, безопасности посадки на авианесущий корабль в условиях его качки на основе алгоритмов прогнозирования значений параметров качки корабля на момент касания самолетом палубы. Алгоритм прогноза качки должен быть работоспособным и применимым непосредственно в процессе посадки самолета на корабль.
Материалы и методы. Задача прогнозирования параметров качки решается методами, используемыми в теории случайных процессов - регрессионного анализа временных рядов. Оценка применения алгоритмов прогнозирования проводится путем моделирования процесса посадки на авианесущий корабль по сигналу оптической системы посадки на пилотажном стенде ПС-10М ЦАГИ.
Основные результаты. Предложен закон управления оптической системой посадки самолета на корабль, основанный на использовании в процессе полета самолета по заданной глиссаде прогноза положения палубы вперед на момент касания самолетом палубы. Путем моделирования на пилотажном стенде ПС-10М ЦАГИ показано, что предлагаемый закон управления оптической системой посадки существенно повышает точность посадки по сравнению с точностью при посадке с использованием стандартного закона управления оптической системой посадки. Заключение. Результаты работы направлены на повышение точности посадки самолетов на палубу корабля в условиях качки при выполнении ручной посадки по сигналу оптической системы посадки, т.е. на повышение безопасности применения самолетов корабельного базирования.
Ключевые слова: посадка на авианесущий корабль, оптическая системы посадки, закон стабилизации, качка корабля, случайный процесс, прогнозирование качки корабля, пилотажный стенд. Авторы заявляют об отсутствии возможных конфликтов интересов.
SHIP DESIGN AND STRUCTURE
DOI: 10.24937/2542-2324-2019-4-390-125-136 UDC 623.822.7
S. Kovtun, O. Tkachenko
Central Aerohydrodynamic Institute, Zhukovsky, Russia
DECK MOTION PREDICTION IN DEVELOPMENT OF STABILIZATION LAW FOR OPTICAL LANDING AID SYSTEM OF CARRIER AIRCRAFT
Для цитирования: Ковтун С.А., Ткаченко О.И. Применение прогноза колебаний палубы для разработки закона стабилизации оптической системы посадки самолетов корабельного базирования. Труды Крыловского государственного научного центра. 2019; 4(390): 125-136.
For citations: Kovtun S., Tkachenko O. Deck motion prediction in development of stabilization law for optical landing aid system of carrier aircraft. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2019; 4(390): 125-136 (in Russian).
Object and purpose of research. This paper studies optical landing aid system of carrier airplanes and its control law. The purpose of this work is to develop control & stabilization law for the optical landing aid system to ensure smoother touchdown and, accordingly, safer landing of airplane on a moving carrier deck. This control & stabilization law is based on prediction algorithms for ship motions at the moment of touchdown. These algorithms must be applicable directly in the process of a real aircraft landing onto carrier deck.
Materials and methods. Motion predictions are obtained through regressive analysis of time series, a common tool of random-process theory. Applicability of prediction algorithms is estimated by simulation (at TsAGI PS-10M flight simulator) of carrier aircraft landing assisted by the optical aids.
Main results. This paper suggests a control law for optical landing assistance tools of carrier aircraft that predicts deck position at the moment of touchdown while the aircraft descends along a pre-set path. The simulation performed at PS-10M flight simulator of TsAGI has shown that control law suggested in this paper enables considerably smoother landing than standard control of optical landing aids.
Conclusion. The results of this work are intended to improve the accuracy of manual (i.e. optical aid-guided) landing of carrier aircraft onto a moving carrier deck, i.e. to enhance operational safety of carrier aviation.
Keywords: carrier landing, optical landing aid, stabilization law, ship motions, random process, motion predictions, flight simulator.
Authors declare lack of the possible conflicts of interests.
Законы стабилизации оптической системы посадки
Stabilization laws of optical landing system
Одной из важнейших задач при посадке самолета на авианесущий корабль в условиях качки является стабилизация оптической системы посадки (ОСП). В процессе посадки на корабль летчик осуществляет управление самолетом, отлеживая сигнал ОСП, показывающий угловое отклонение самолета от заданной глиссады.
Система управления ОСП выполняет две основные функции:
■ задает для глаз летчика глиссаду, обеспечивающую касание гаком палубы в расчетной точке;
■ обеспечивает стабилизацию заданной глиссады в условиях качки корабля.
За рубежом используется ОСП типа ШЬОЬ8, в отечественной практике - ОСП типа «Луна-3» [1, 2]. По своим функциональным свойствам эти системы посадки близки друг к другу. Оптическая система посадки самолетов устанавливается на спонсоне по левому борту корабля за пределами посадочной
а)
глиссада ОСП
траектория глаз летчика
б)
блок указательных огней
базовые ч. р=|
огни
ооооо—( щ )—ооооо
Г j
У палуба
1 - точно на глиссаде
2 - выше глиссады
3 - ниже глиссады
Рис. 1. Схема действия оптической системы посадки типа FLOLS: а) вид со стороны; б) вид сигнала оптической системы посадки из кабины самолета
Fig. 1. Layout of FLOLS landing system operation:
a) side view;
b) datum lights as seen from cockpit
палубы. Летчик определяет положение самолета относительно заданной глиссады по наблюдаемому им огню ОСП вплоть до касания гаком посадочной палубы. Принципиальная схема ОСП приведена на рис. 1. Основными элементами, которые информируют летчика о положении самолета по высоте, являются неподвижный блок горизонтальных огней зеленого цвета с широким углом раствора видимости и подвижный блок указательных огней с узким по высоте углом раствора видимости. Положение наблюдаемого летчиком указательного огня относительно линии базовых огней сигнализирует летчику о его угловом отклонении в вертикальной плоскости от заданной глиссады [3].
Блок указательных огней ОСП имеет две оси вращения. Одна ось параллельна линии базовых огней. Поворот блока указательных огней относительно данной оси на угол $ОСП задает угол наклона глиссады и обеспечивает стабилизацию заданной глиссады при качке корабля. Другая ось перпендикулярна плоскости блока указательных огней. Путем поворота блока указательных огней вокруг этой оси осуществляется компенсация положения «глаз - гак», которое определяется координатами глаз летчика по отношению к гаку при заданном посадочном угле тангажа. Такая настройка позволяет использовать сигнал ОСП для приведения траектории гака в заданную точку палубы для любого типа самолета.
А^ОСП = 0ГЛ + ОСП , У ОСП = У Г-Г + АУ ОСП ,
где 0ГЛ - заданный угол глиссады; уГ-Г - угол компенсации положения «глаз - гак». Под стабилизацией ОСП понимается отклонение блока указательных огней на углы Д9осп и ДуОСП, которые компенсируют влияние качки корабля на задаваемую ОСП глиссаду. В теории динамики полета летательных аппаратов приняты системы координат и обозначения угловых параметров положения объекта [4], отличные от принятых в теории движения кораблей [5, 6]. При этом оказывается, что имеет место обозначение одинаковыми символами разных понятий, например: 0 в теории полета обозначает угол наклона траектории самолета к горизонтальной плоскости, а в теории качки корабля это угол крена. Поэтому в данной работе принято, что параметры с индексом «к» используются в соответствии с теорией качки корабля (а именно: ^к - вертикальная качка, - качка по дифференту, 0к - бортовая качка корабля).
В работе в качестве основного закона стабилизации ОСП рассмотрен закон, который учитывает дифферент корабля и его крен:
А^ОСП =- ¥ к + 0к ¡¡Ш Фпп ,
(1)
АУОСП = 0
где и 0к - текущие углы дифферента и крена корабля; фПП - угол между продольной осью корабля и центральной линией посадочной палубы.
Закон стабилизации (1) позволяет добиться полной угловой стабилизации глиссады, однако плоскопараллельное перемещение глиссады, обусловленное как вертикальной, так и угловой качкой, остается нескомпенсированным. Процесс моделирования посадки в условиях качки корабля с исходным законом стабилизации (1) приведен на рис. 2. На данном рисунке приведены траектория полета, рабочая зона ОСП, сигнал ОСП е - отклонения траектории глаз летчика от заданной ОСП глиссады, угол поворота ОСП 9ОСП, а также вертикальное перемещение глиссады 7ГЛ и вертикальное перемещение расчетной точки касания ^ртк в зависимости от расстояния до кормового среза корабля.
Вертикальные перемещения глиссады для приведенного примера составили ±1 м, а перемещения расчетной точки касания - ±2 м. При моделировании было задано автоматическое слежение за сигналом ОСП, которое обеспечило выдерживание сигнала ОСП, близкое к е ~ 0, однако в момент касания гаком палубы зафиксирован значительный недолет относительно расчетной точки. Имеет место несогласованность между наблюдаемым летчиком сигналом ОСП, показывающим касание палубы в расчетной точке, и реальным результатом - недолетом относительно расчетной точки касания Дх = -13 м. Эта несогласованность обусловлена отсутствием в законе стабилизации компенсации вертикальных перемещений ОСП и расчетной точки касания.
Для устранения такой несогласованности предлагается в дополнение к закону стабилизации (1) стабилизировать вертикальные перемещения заданной глиссады по высоте путем изменения угла поворота блока указательных огней по оси, по которой происходит компенсация положения «глаз -гак» в соответствии с соотношением
Ау ОСП = КеЧк + Ке¥¥ к + Кее9к, (2)
где Ск - вертикальное перемещение корабля; К0=, К0¥ и К00 - коэффициенты, обеспечивающие компенсацию вертикальных перемещений ОСП, вызванных соответствующими видами качки.
Вертикальное отклонение летчика от глиссады ОСП, к,м
Касание палубы
в зрхняя / граница ОСП
- - — — - —. ' ~ У — - - - _ задан ная гли I / ссада О СП
ни жняя гр У аница С СП — — ~ —_
150 100 50 0
-2000 -1800 -1600 -1400 -1200 -1000 -800 -600 -400 -200 Угловое отклонение летчика от глиссады ОСП, s, град.
0 х.
1 0 -1
1 1 верхняя граница ОС ----1---+--- заданная глиссада О П
---- СП s = 0
H нижн — яя граш - ца ОС 1 --
-2000 -1800 -1600 -1400 -1200 -1000 -800 -600 -400 -200
Угол ОСП, Э ОСП , град. 10
0х
0
-2000 -1800 -1600 -1400 -1200 -1000 -800 -600 -400 -200 0 х: Вертикальное перемещение глиссады и расчетной точки касания, >,РТК, уОсп, м
4
2
0 -2 -4
-2000 -1800 -1600 -1400 -1200 -1000 -800 -600 -400 -200
г/ угл
уртк
Рис. 2. Моделирование посадки в условиях качки с исходным законом стабилизации
Fig. 2. Simulation of landing onto a moving carrier deck: initial stabilization law
0 х, м
Применение закона стабилизации (2) может обеспечить практически полную стабилизацию глиссады в пространстве относительно колебаний глиссады ОСП, вызванных качкой корабля. Реализация такого закона управления требует измерения корабельными средствами вертикального перемещения корабля, сигнал которого в настоящее время отсутствует в измерительном комплексе корабля для управления ОСП. Использования закона стабилизации ОСП в виде (2) недостаточно, поскольку он не учитывает вертикальных перемещений расчетной точки касания ^РТК. Предварительные оценки показали, что представляет интерес использование в законе управления ОСП не текущего вертикального положения расчетной точки
касания ^РТК, а его прогноза £РТК. Вопросы про-
гнозирования качки палубы корабля рассматривались и ранее [6, 7], однако они не касались возможности использования прогноза качки применительно к управлению ОСП.
В данной работе предполагается, что по мере сближения самолета с кораблем прогноз положения заданной расчетной точки касания самолетом палубы ZРТК постоянно уточняется, и предлагаемый закон стабилизации ОСП имеет вид А^осп =-¥к +9к sin фпи,
Ау ОСП = K (Zk - Z РТК )+<ек+к.
(3)
В соответствии с этим законом сигнал ОСП будет «вести» летчика именно в расчетную точку касания, причем наблюдаемый летчиком сигнал ОСП
5
будет соответствовать отклонению точки касания гаком относительно расчетной точки касания (рис. 3). Прогнозируемое положение расчетной точки
касания £РТК, т.е. прогноз в момент времени t положения расчетной точки посадки в момент времени t + АТПР, где АТПР - время, оставшееся до касания гаком палубы, должно удовлетворять условию
z ртк (t, АГпр ) = Z ртк (t + ATnp ).
(4)
Положение расчетной точки касания в соответствии с линейной теорией качки корабля определяется соотношением
ÇpTK = Ск ¥ к ХРТК + 0 к .Уртк ,
(5)
где хРТК и уРТК - положение расчетной точки касания относительно центра масс корабля.
Соответственно, прогнозируемое в момент времени t положение расчетной точки касания ZРТК определяется соотношением
Сртк = Ск - ¥к ХРТК + 0 к yPTK, (6)
где Z, ¥к и 0 к - прогнозируемые в момент времени t на момент времени t + АГПР вертикальное перемещение корабля, дифферент и крен корабля.
Методика прогнозирования качки корабля
Procedure of ship motion prediction
Процессы рассматриваемых видов качки корабля описываются спектральными плотностями, которые могут быть аппроксимированы дробно-рациональными функциями вида
^к (œ) =
b0 + bjW2 +... + bm œ2m
a0 + a1œ +... + an œ
2 n
(7)
Поскольку качка корабля может рассматриваться как стационарный случайный процесс [6], то ее можно смоделировать, используя каноническое разложение вида
п
X(*) = £ Ak соб(шк1 + Фk), (8)
k=1
где X(t) - моделируемый случайный процесс; шк -k-я частота; Лк - амплитуда k-й гармоники, фk - случайная фаза.
Для прогнозирования качки использовалась авторегрессионная (АЯ) модель. АЯ- предиктор представляет собой модель временного ряда, значение которого в данный момент времени может быть выражено в виде линейной комбинации предыдущих значений этого же ряда и случайной ошибки. Модель имеет вид
X (t ) = -Е akX (t -k ) + e (t ),
k=1
(9)
где ак - коэффициенты модели; e(t) - случайная ошибка.
Оценка коэффициентов модели выполнялась с помощью модифицированного ковариационного метода, также известного в зарубежной литературе как Forward-Backward Approach, обеспечивающего наилучшую оценку коэффициентов при наличии в них синусоидальных компонент [8]. Суть метода заключается в минимизации суммарной квадратичной ошибки для прямого и обратного линейного предсказания, при этом ошибки предсказания вперед ef и назад eb определяются выражениями
ef = X(n) - X(n) = X(n) + X akX(n - k) :
k=1
p
= S akX(n - k);
k=0
(10)
ej = X(n - p) - X(n - p) = X(n - p) + S ßkX(n - к + p) =
k =1
ßkX(n - к + p).
к=0
(il)
В общем случае рк = , где - комплексное сопряжение. При этом должен обеспечиваться минимум суммарной квадратичной ошибки [9]:
l N . i2 2
£fb = S \ef fa] + \eb [n]| }
® min.
(i2)
n=p+1
Задача оптимизации сводится к решению модифицированных ковариационных нормальных уравнений:
RH R
œ i ö
Va fb 0
œ т öH œ т ö
т*т
V1 т 0
т*т
V1 т 0
œ i ö
Va fb 0
œ2p л
2t fb min
(13)
где символ H означает эрмитово сопряжение, мат-
œ т ö
рица R имеет вид R =
Т J,
. Входящие в нее эле-
менты Т и Т^ - матрицы с данными и обращенными данными размерности (Ы-р)х(р + 1) соответственно - представлены выражениями (14) и (15); J - (р + 1)х(р + 1) матрица отражения с единицами на кросс-диагонали и остальными нулевыми эле-
ментами;
œ 1
va fb
- вектор оцениваемых коэффици-
ентов AR-модели размерности (p + 1)*1.
œ X(p+i) - X(i) ö
т =
T*J
X(Ж - p)
X ( N )
' *
X (1) X *( p+1)
X *( N - p)
X ( p+1)
N ( N -1)
(14)
X (p + 1)
X*(N - p)
X *( N )
ö
(15)
В данной работе уравнения (13) решались с помощью быстрого алгоритма Марпла [8].
При построении предиктора порядок AR-модели выбирался с помощью AIC-критерия (Akaike Information Criterion) [10]. AIC-критерий определяется выражением
2 pi
AIC( p; ) = Ln(e fb ) + ■
N
(16)
где р1 - порядок модели; N - число точек во множестве исходных данных, используемом при оценке
Сю м 2
0
-2
град.
Момент включения прогноза
___
Эк, град. 2 0 -2 L, м 150 100 50 0
Момент касания
5
10
15
20
25
30
35
40
Ошибка прогноза вертикальной качки
Ошибка прогноза килевой качки
Ошибка прогноза бортовой качки
Прогноз Качка
----Шаг прогноза
t, с
Рис. 4. Пример расчета прогноза качки на момент касания самолетом палубы корабля Fig. 4. Example of touchdown motion calculations
коэффициентов модели. Для каждой модели вычисляется параметр А1С(р,), при этом оптимальным считается такой порядок модели, для которого параметр А1С минимален:
Рор = р\шт{ Л1С (р, )}• (17)
После того, как вычислены коэффициенты ак и определен оптимальный порядок модели рорЬ может быть вычислен прогноз временного ряда по закону
Popt
X(n + 1) = £ a .X(n - j + 1).
(18)
j=1
Приведенные алгоритмы прогноза реализованы в среде имитационного моделирования МАТЬАВ/ 8шшИпк. Моделирование посадки на авианесущий корабль проведено на пилотажном стенде ПС-10М. Пример расчета прогноза качки на момент касания самолетом палубы корабля представлен на рис. 4: текущие параметры качки палубы корабля ук, 0к,
прогнозируемые параметры ф к, 9 к , £ к и число шагов прогноза ,. При этом число шагов прогноза оценивается следующим образом:
l =
XГАК XРТК
V Атг
где ХГАК - координата по оси абсцисс гака в палубной системе координат; ХРТК - координата по оси абсцисс расчетной точки касания в палубной системе координат; V - скорость сближения самолета с кораблем; АтПР - шаг интегрирования для модели прогноза.
Относительные ошибки прогноза в приведенном примере составляют
8отн?к = 2,75%, е0тнук = 1,25%, еотнек = 10%.
Таким образом, предложенный метод прогнозирования обеспечивает достаточно точное предсказание положения палубы корабля на время ~10 с вперед для используемой модели качки. Созданная Simulink модель прогноза, работающая в реальном времени, применена в исследованиях по использованию прогноза качки в законах стабилизации ОСП при моделировании ручной посадки самолета на пилотажном стенде ПС-10М ЦАГИ.
Моделирование на пилотажном стенде ПС-10М
Simulation at PS-10M flight simulator
Расчет прогнозируемых параметров качки корабля и 0 к производился по текущим параметрам качки корабля Zk, Vk, ек, формируемым в модели динамики
самолета и корабля. Вычисление прогноза качки осуществляется на основе уравнений (8)-(18) в соответствии с блок-схемой, реализованной на отдельной ПЭВМ. В реальных условиях вычислитель прогноза качки должен быть интегрирован в вычислительный комплекс корабля и передавать сигналы либо в вычислитель управления ОСП при ручной посадке самолета, либо на борт самолета при его автоматической посадке на корабль.
Методика проведения исследований по посадке на корабль изложена в работах [11, 12]. Оператор должен был выполнить серию посадок (~10 реализаций) заданной дальности (~2500 м до кормового среза), высоты 200 ± 20 м, боковой ошибки относительно продолжения осевой линии посадочной палубы ±40 м. В рамках одного сеанса моделирования оператор выполнял серию посадок без использования прогноза качки, что соответствует исходному закону стабилизации ОСП, и серию посадок с использованием прогноза качки, что соответствует предлагаемому закону стабилизации ОСП. Обе серии выполнялись на одинаковом наборе реализаций качки корабля, полученных на основе уравнения (8) при случайной величине фазы фк, равномерно распределенной на отрезке [0, 2п].
Задача оператора - управление самолетом по высоте по сигналу ОСП до момента касания палубы корабля. При управлении оператор не должен допускать выход сигнала ОСП за пределы рабочей зоны, компенсировать боковое отклонение относительно оси посадочной палубы управлением по крену и рысканию. Для упрощения выполнения задачи в процессе выполнения посадки скорость самолета выдерживалась автоматом тяги.
Было выполнено 4 сеанса моделирования, в ходе которых в целом осуществлено по 42 посадки для каждого закона стабилизации. При посадке с использованием исходного закона стабилизации (1) и закона стабилизации с прогнозом качки сигнал ОСП до пролета кормового среза корабля не выходил за пределы рабочей зоны. Обобщенные результаты моделирования по точности касания гаком палубы и зацеплений за тросы аэрофинишера приведены на рис. 5.
При исходном законе стабилизации ОСП (2) имели место 7 касаний гаком вне рабочей зоны аэрофинишера (3 недолета, 4 перелета, или 17 % от общего числа), значительное число зацеплений за 4-й трос (N,1 = 13, или 30 % от общего числа). При законе стабилизации качки с прогнозом положения расчетной точки касания (3) все посадки оканчивались зацеплениями за трос аэрофинише-
ра, причем 75 % от общего числа - за 2-й и 3-й тросы аэрофинишера.
Распределение точек касаний гаком в координатах Х-У (продольного и бокового отклонения) и Х-Уу
(продольного отклонения и вертикальной скорости) при исследуемых законах стабилизации ОСП представлено на рис. 6 и 7. На рисунках также приведены эллипсы рассеяния, соответствующие вероятности
18 16 14 12 10 8 6 4 2 0
~~1-1-1-г~
Закон стабилизации - ОСП без прогноза -
пе релет
Н/З 1
2 3 К
4 Н/З
AX, м 40
20 0 -20 -40 -60
\ 4-трос
V
рас i Г 1 3-трос
[етная точ посадки с ■CP Г - i • ! 2-трос
------- У -J - 1-трос
о
элли о пс"p b = 0,95
® кормовой • срез
-10
-5
AX, м 40
20
-20
-40
-60
4-трос
J&? г»
рас 4®о| 1 3-трос
1етная точ посадки ка° Г 0 TÎoT " OI toi 2-трос
а Л N 7° 1-трос
/
эллипс p = 0,95
кормовой срез
^к 18
16 14 12 10 8 6 4 2 0
~~1-1-1-1—
Закон стабилизации - ОСП с прогнозом ■
перелет
Н/З 1
2 3 К
4 Н/З
AX, м 40
20
-20
-40
-60
1 1 ч
4-трос 1 1 / .J -L. :l \ ° кто V
3-трос 2-трос ! • — 1 i ° 19 0 г 1.
7 О / о 1 ° 1
1-трос ■ 1 \ Л 1 О ° ' » о о; о/
\ ® Vy max о о эллипс у p = 0,95
1 1 о «1 кормовой срез
Z, м
-10 -8
-6
-4
AX, м 40
20
-20
-40
-60
4-трос i i i ■i— ч
3-трос 2-трос i -4----/ 1 ; 1 ! / О • î с •Л О i
1-трос 1 \ У J _
"1 I о4*-..—
I Vy max эллипс p = 0,95
I кормовой срез
Рис. 5. Распределение
зацеплений за тросы
аэрофинишеров:
К - номер троса;
Н/З - незацепление за трос;
NK - число зацеплений
за К-й трос
Fig. 5. Distribution of arrestor
rope engagements:
K - rope number;
Н/З - engagement failed;
NK - number of engagments
for Kth rope
Рис. 6. Распределение точек касаний гаком в координатах X-Z и X-Vy при исходном законе стабилизации оптической системы посадки
Fig. 6. Distribution of hook engagement points in coordinates X-Z and X-Vy : initial stabilization law of optical landing system
Vy, м/с
-10 -5
Z, м
-10
-6
-4
Vy, м/с
Рис. 7. Распределение точек касаний гаком в координатах X-Z и X-Vy при законе стабилизации оптической системы посадки с прогнозом качки
Fig. 7. Distribution of hook engagement points in coordinates X-Z and X-Vy : stabilization law taking into account motion predictions
0
0
5
0
0
0
5
Сравнение результатов статистической обработки данных для рассмотренных законов стабилизации оптической системы посадки
Comparison of statistical data processing results for different stabilization laws of optical landing system
Параметр Исходный закон стабилизации ОСП Закон стабилизации ОСП с прогнозом
ОуХ м/с -4,51 -4,32
м 19,96 10,13
м 1,17 1,16
Доверительный интервал для ох, м 16,42 < ax < 25,45 8,33 < ax < 12,91
Доверительный интервал для оу, м 0,95 < оу < 1,48 0,96 < оу < 1,49
Примечание: {) означает усреднение, — параметр, вычисленный по выборке.
Рис. 8. Процессы качки корабля и прогноза ее параметров на момент касания палубы при моделировании на пилотажном стенде
Fig. 8. Ship motions and their predictions for the touchdown moment: simulation results
- Текущий параметр
----Прогноз параметра
на момент касания палубы
¥ю град. 2
1 0 -1 -2
Момент включения прогноза
Д Дифф ерент ко рабля
А г N V / /
J V-
V/
0 5 Эк, град. 2
1 0 -1 -2
10 15 20 25
30
Крен корабля 1 1 1
1 L--
i 1 1
1 1 1
10 15 20 25
30
м
2 1 0 -1 -2
Верти кальное перемещ ение кор абля
Л г \ , V "Г к
/ vy V V / ч
0
?ртю м 2
1
0
-1
-2
10
15
20
25
30
Момент касания палубы
35
40
45
35
40
45
35
40
45
10
15
20
25
30
35
40
45
50 t, с
50 t, с
50 t, с
50 t, с
5
0
5
0
5
р = 0,95. Сравнение результатов статистической обработки данных для рассмотренных законов стабилизации ОСП дано в таблице, согласно которой происходит значительное улучшение точности посадки самолета при использовании закона стабилизации с прогнозом качки по сравнению с точностью посадки при исходном законе стабилизации. При этом практически не отличаются боковые средне-квадратические отклонения относительно осевой линии посадочной палубы и вертикальная скорость в момент касания.
Преимущество использования прогноза качки корабля при стабилизации ОСП во многом объясняется качеством прогноза. Пример записи текущих параметров качки корабля (в процессе моделирования) по высоте, дифференту и крену 0к, вертикальных перемещений расчетной очки каса-
ния ^рТК, а также их прогнозирования - ¿к, ук, 6 к и С Ртк приведен на рис. 8.
За промежуток времени Д7дР ~ 10-15 с до касания имеет место достаточно точный прогноз положения расчетной точки касания гаком палубы. Введение сигнала прогноза в управление ОСП по крену обеспечивает возможность компенсации высоты расчетной точки касания на заключительном этапе посадки на удалении от кормового среза -500...-700 м. Компенсаторные отклонения ОСП, соответствующие закону стабилизации (4), составили Д0осП = ±2° (рис. 9) при колебаниях корабля по высоте ~ ±1 м, по дифференту ~ ±1° и вертикальных перемещениях расчетной точки касания до ^РТК ~ ±2 м (рис. 8).
Вертикальное отклонение летчика от глиссады ОСП, к,м Касание палубы 300
200
100
0
1 1 верхняя граница ОС П
---- - — -
1 1 нижняя граница ОСП 1 1 ' —
0 5 10 15 20 25 30 35 40 Угловое отклонение летчика от глиссады ОСП, s, град. 1
45
0
50 t, с
верхняя граница ОСП
s
нижняя граница ОСП
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50 t, с
Угол ОСП, Э ОСП , град. 10
0
0 5 10 15
Угол ОСП, у осп , град. 5
20
25
30
35
40
45
50 t, с
10 15
20
25
30
35
40
45
50 t, с
Рис. 9. Моделирование процесса посадки самолета при стабилизации оптической системы посадки с учетом прогноза качки корабля
Fig. 9. Simulation of carrier landing assisted by the optical aids taking into account motion predictions
5
0
0
5
Заключение
Conclusion
Анализ алгоритмов прогноза и исследование точности посадки на авианесущий корабль путем моделирования на пилотажном стенде ПС-10М ручного
управления самолетом показал следующее:
■ прогноз качки палубы может быть эффективным средством повышения точности посадки в условиях качки корабля;
■ сигнал прогноза качки может быть использован в законе стабилизации ОСП в ручном режиме управления при выполнении посадки самолета на авианесущий корабль;
■ для обеспечения требуемого качества управления и заданной точности посадки время, на которое прогноз положения палубы должен быть выполнен и включен в управление оптической системой посадки, составляет 10-12 с.
Библиографический список
1. Захаров К.В., Потапова Т.С., Ткаченко О.И. Динамика взлета и посадки палубных самолетов // Труды ЦАГИ. 2001. Вып. 2649. Современные проблемы динамики и управления летательных аппаратов. С. 135-144.
2. Захаров К.В., Желонкин В.И., Смирнов К.С., Ткачен-ко О. И. Исследования посадки самолета на корабль и короткую ВПП // Труды ЦАГИ. 2011. Вып. 2699. Современные проблемы динамики и управления летательных аппаратов. С. 94-106.
3. Шолков Е., Друшляков В. О том, что превращает палубу в ВПП. Взлетно-посадочные системы авианосцев // Авиапанорама. 2016. № 1. С. 26-32.
4. Динамика полета: учебник для студентов высших учебных заведений / Ефремов А.В. [и др.]. М.: Машиностроение, 2011. 776 с.
5. Мореходность судов и средств океанотехники. Методы оценки / Под ред. И.К. Бородая. СПб.: ФГУП «Крыловский государственный научный центр», 2013. 256 с.
6. Бородай И.К. Краткосрочное прогнозирование процессов качки корабля с учетом ошибок измерений // Труды Крыловского государственного научного центра. 2017. Вып. 2(380). С. 9-16.
7. Лукашевский В.А. О краткосрочном прогнозировании качки судов на нерегулярном волнении // Труды ЦАГИ им. проф. Н.Е. Жуковского. 1985. Вып. 2273. С. 21-34.
8. Lawrence Marple S., Jr. Digital spectral analysis: with applications. Prentice Hall, 1987.
9. Носко В.П. Эконометрика. Введение в регрессионный анализ временных рядов. М.: «Дело» РАНХиГС, 2002.
10. Zhuang Lin, Qiang Yang, Zhiqun Guo, Jun Li. An improved autoregressive method with Kalman filtering theory for vessel motion predication. College of Shipbuilding Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China.
11. Желонкин М.В., Бондаренко А.А., Желонкин В.И., Ткаченко О.И. Методика обучения палубной посадке на пилотажном стенде // Труды МФТИ. 2014. Т. 6, № 3(23). С. 13-19.
12. Ковтун С.А., Ткаченко О.И. Алгоритм системы управления самолета при посадке на авианесущий корабль // Труды ЦАГИ. 2017. Вып. 2767. Некоторые вопросы динамики палубных самолетов на взлетно-посадочных режимах. С. 22-30.
References
1. K. Zakharov, T. Potapova, O. Tkachenko. Take-off and landing dynamics of carrier aircraft // Transactions of TsAGI, 2001, Issue 2649. Current challenges in aircraft dynamics and control. P. 135-144 (in Russian).
2. K. Zakharov, V. Zhelonkin, K. Smirnov, O. Tkachenko. Aircraft landings on carrier deck and short landing strip // Transactions of TsAGI. 2011. Issue 2699. Current challenges in aircraft dynamics and control. P. 94-106 (in Russian).
3. Ye. Sholkov, V. Drushlyakov. How deck becomes flight deck: Takeoff & landing systems of aircraft carriers // Aviapanorama, 2016. No. 1. P. 26-32 (in Russian).
4. A. Yefremov et al. Dynamics of Flight: Textbook for university students. Moscow: Mashinostroyeniye, 2011. 776 pp. (in Russian).
5. Seakeeping of ships and marine structures. Assessment methods. Under editorship of I. Boroday. St. Petersburg: Krylov State Research Centre, 2013. 256 pp. (in Russian).
6. I. Boroday. Short-term prediction of ship motions with consideration of measurement errors // Transactions of the Krylov State Research Centre. 2017. Issue 2(380). P. 9-16 (in Russian).
7. V. Lukashevsky. On short-term prediction of ship motions in irregular waves // Transactions of TsAGI. 1985. Isssue 2273. P. 21-34 (in Russian).
8. Marple S. Lawrence, Jr. Digital spectral analysis: with applications. Prentice Hall, 1987.
9. V. Nosko. Econometrics. Introduction to regression analysis of time series. Moscow, Russian Presidential Academy of National Economy and Public Administration (RANEPA), 2002 (in Russian).
10. ZhuangLin, Qiang Yang, Zhiqun Guo, Jun Li. An improved autoregressive method with Kalman filtering theory for vessel motion predication. College of Shipbuilding Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China.
11. ZhelonkinM., BondarenkoA., Zhelonkin V., Tkachen-ko O. Carrier landing drills at flight simulator: Instructor's Guidebook // Proceedings of Moscow Institute of Physics and Technology (MIPT). 2014. Vol. 6. No. 3(23). P. 13-19 (in Russian).
12. S. Kovtun, O. Tkachenko. Aircraft control algorithm for carrier landing // Transactions of TsAGI. 2017. Issue 2767. Certain aspects of carrier aircraft takeoff / landing dynamics. P. 22-30 (in Russian).
Сведения об авторах
Ткаченко Олег Иванович, к.т.н., начальник отдела ФГУП «Центральный аэрогидродинамический институт имени проф. Н.Е. Жуковского». Адрес: 140180, Москов-
ская обл., г. Жуковский, ул. Жуковского, 1. Тел.: +7 (495) 556-39-23. E-mail: [email protected]. Ковтун Сергей Александрович, аспирант Московского физико-технического института, младший научный сотрудник ФГУП «Центральный аэрогидродинамический институт имени проф. Н.Е. Жуковского». Адрес: 140180, Московская обл., г. Жуковский, ул. Жуковского, 1. Тел.: +7 (495) 556-30-63. E-mail: [email protected].
About the authors
Oleg I. Tkachenko, Cand. Sci. (Eng.), Head of Department, Central Aerohydrodynamic Institute. Address: 1, Zhukovskogo st., town of Zhukovsky, Moskovskaya Oblast, Russia, post code 140180. Tel.: +7 (495) 556-39-23. E-mail: [email protected].
Sergey A. Kovtun, Post-Graduate, Moscow Institute of Physics and Technology (MIPT), Junior Researcher of Central Aerohydrodynamic Institute. Address: 1, Zhukovskogo st., town of Zhukovsky, Moskovskaya Oblast, Russia, post code 140180. Tel.: +7 (495) 556-30-63. E-mail: [email protected].
Поступила / Received: 15.11.19 Принята в печать / Accepted: 25.11.19 © Ковтун С.А., Ткаченко О.И., 2019
