融合飞行员经验的高海情自动着舰风险抑制方法研究

Carrier landing in the severe sea is the inevitable training subject and combat mission of the carrier-based aircraft. In this condition, the disturbance of air wake and the carrier motion are more serious than normal sea condition so that the severe sea condition seriously threatens the safety of aircrafts and pilots. Consequently, there are significant theoretical research and practical application to effectively reject landing risk in severe sea. The severe sea environment easily causes huge and abnormal psychological pressure for pilots, which results in unstable artificial landing and accidents. Traditionally automatic landing method is only intended to eliminate state deviations, which lacks capacities of predicting risk change trend and handling large disturbances. Furthermore, it lacks decision of automatic landing flying quality under severe sea condition. Therefore, it is difficult to satisfy the safety requirements of carrier landing in severe sea condition for artificial landing and traditionally automatic landing method. This research will establish a landing manipulating model of pilots, and the parameters of this model is determined by the experimental data of a test pilot. The risk perception information in the experimental data of the pilots’ landing behavior model is extracted, and pilots’ experience of predicting risk is concluded to establish a landing risk model in severe sea environment. Time varying weights and additional risk model predictive control is proposed, and the real-time landing risk of severe sea is introduced. This automatic landing method not only guarantees control precision of landing states, but also rejects landing risk. This research improves the landing safety and promotes the flying quality of automatic landing in severe sea condition.

高海情着舰是舰载机无法避免的训练科目及实战任务，该环境下的舰尾流扰动和航母甲板运动较一般海情更为剧烈，对舰载机及飞行员安全性构成严重威胁，为此有效抑制舰载机高海情着舰风险，具有重要的理论及实际意义。高海情环境容易给飞行员带来超常的心理压力，导致人工着舰效果不稳定，且易出现事故，而传统的自动着舰方式仅以消除状态偏差为目的，无预知风险变化趋势和快速处理大扰动的能力，并且缺少对高海情自动着舰飞行品质的判定，故人工着舰及传统的自动着舰方式，均难以满足高海情着舰安全性的要求。本项目拟构建飞行员着舰行为模型，利用试飞员试验数据确定模型参数，提炼飞行员着舰行为模型试验数据中的风险感知信息，归纳飞行员预知风险经验，以此搭建高海情着舰风险模型，提出时变权值和附加风险预测控制方法，引入实时高海情着舰风险，实现保证控制精度同时兼顾抑制着舰风险的自动着舰任务，为提高高海情着舰安全性和自动着舰飞行品质提供理论基础。

舰载机安全性问题是航母战斗群最重要的技术问题之一，在舰载机所有工作阶段中，着舰阶段的危险系数最高，尤其是高海情环境对舰载机着舰任务威胁更大，为此设计一种高海情下可靠的舰载机自动着舰方法十分重要。本项目主要围绕飞行员智能模型构建、舰载机风险建模和新型自动着舰控制器设计等开展研究工作。首先，构建了基于离散动作序列的飞行员着舰行为模型，设计了飞行员信息感知模块，利用模糊控制原理设计了风险计算模块和关注模式切换模块，模拟飞行员感知纵向、横向和速度回路风险态势，以此为基础设计关注模式切换策略，提出飞行员动作随机概率模型和延迟参数，最终输出可作用的操作值，利用半物理仿真平台，证明飞行员着舰行为模型符合实际飞行员的思维过程和动作特点；其次，针对舰载机高海情下进场阶段和阻拦挂索阶段，构建了舰载机高海情飞行风险和落点风险数学模型，利用已构建的飞行员着舰行为模型，在舰载机半物理仿真平台上开展批量高海情着舰试验，整理试验样本数据，分析各进舰距离处着舰状态偏差对着舰任务的影响，划分进场飞行风险分布，量化舰载机纵向轨迹线性包络节点坐标值，根据轨迹预测结果评价落点风险；最后，将舰载机多风险因素转化为改进型预测控制性能指标参变量，利用风险影响参数与着舰状态变量的非线性关系，进一步映射为权值与风险项，从多个角度引入到预测控制算法性能指标中，以性能指标优化、输入输出约束、风险有界为控制条件，利用线性矩阵不等式求解可抑制高海情风险的舰载机自动控制量，通过半物理仿真验证了本项目算法有效性。综上，本项目构建的飞行员着舰行为模型可配置不同能力水平参数，通过着舰半物理仿真平台验证了飞行员着舰行为模型的准确性；本项目设计的自动着舰控制器，可在高海情环境下同时抑制着舰状态偏差和舰载机进舰着舰阶段风险，风险抑制性能比其他算法提高5%以上；本项目取得了一系列论文、专利、专著及人才培养成果，以上所有研究成果高于本项目预期成果。