CN102929284B - 一种飞行器孤岛降落复飞决策方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是一种飞行器孤岛降落复飞决策方法。本发明包括如下步骤：（1）建立复飞航迹曲线集；（2）建立复飞安全区S_safe和复飞风险区S_risk；（3）比较飞机位置信息与复飞包线；（4）判断飞行器当前所在区域是否存在复飞风险。本发明首次设计了适用于孤岛降落这种特殊飞行机动的复飞决策方法，过程适用性广，可以针对飞行器任意飞行位置进行复飞风险量测，为孤岛降落过程紧急情况的复飞机动安全性提供合理参考，对减轻飞行员复飞心理压力，提高复飞安全起到有效帮助。

Description

一种飞行器孤岛降落复飞决策方法

技术领域

本发明涉及的是一种飞行器孤岛降落复飞决策方法。

背景技术

“孤岛降落”作为一种特殊情况下的飞行机动，主要应用于军事打击，伞兵训练和生存救援等项目中，由于其降落环境的复杂性而带来较大的作业风险，当飞行员准备降落时，如果突然出现障碍物，天气能见度过低或飞机临时出现故障等情况时，应该采取复飞规避风险：加大推力中断降落，重新转入正常上升状态。

飞行员决定执行复飞操作时，从进近着陆状态瞬间转到应激和复飞，情景突变，这对飞行员的心理和行为能力将产生严重的负面影响，与模拟机上进行的程式化复飞相比，飞行员经受的心理负荷完全不同。复飞时机选择过晚，飞行器姿态控制不当或飞行器下沉率过大等情况都会导致执行复飞操纵后高度损失较大，出现飞行器与障碍物或地面发生碰撞的情况，这对正在执行拉起机动的飞行器来说是十分危险的，因此研究飞行器孤岛降落复飞决策方法具有重要的意义。

目前复飞风险的主要评测方法是复飞点的确认。复飞点是保证飞行器在该点上空拉升复飞后，考虑单发失效后飞行器机动性，爬升角和风的影响等因素，不会使飞行器与复飞后的障碍物(主要为岛面)发生碰撞的空间点。复飞点确定之后，如果飞越该点后尚未决断复飞，飞行器可能没有足够的时间修正偏差或导致目测偏高，导致飞行器与岛面相撞或坠入大海，造成孤岛降落复飞风险和事故。传统的孤岛降落复飞决策方法仅将复飞点(飞行空间某一点)作为决策时机下达的唯一依据，没有考虑孤岛降落复飞机动过程中飞行器历经海面和陆地两种自然环境的特殊性，评测信息量较少；传统决策方法未分析正常飞行状态过渡到复飞状态飞行器自身状态量的变化，决策影响因素分析较为局限；因此传统的孤岛降落复飞决策方法无法完成全面系统的决策制定。

发明内容

本发明的目的在于提供一种对飞行器孤岛降落进行复飞监测及决策的方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明包括如下步骤：

（1）利用模拟机进行多次复飞机动训练，记录不同速度和下沉率条件下飞行器复飞机动实时状态数据，建立复飞航迹曲线集；

（2）根据孤岛降落过程安全复飞准则，建立复飞安全区S_safe和复飞风险区S_risk,复飞航迹曲线满足安全复飞准则要求的区域为复飞安全区，复飞航迹曲线不满足安全复飞准则要求的区域为复飞风险区；

（3）比较飞机位置信息与复飞包线，复飞包线是航迹临界点P_i包围的区域，航迹临界点是满足安全复飞准则要求的临界操纵位置；

（4）判断飞行器当前所在区域是否存在复飞风险，当飞行器位于复飞安全区域，即z∈S_safe时，判定复飞安全，继续降落；当飞机位于复飞风险区，即z∈S_risk时，判定复飞风险，系统提示立即复飞。

实时状态数据包括飞行位置x,y,z，其中x为飞行器水平飞行位置，y为飞行器横向飞行位置，z为飞行器垂直飞行位置，飞行器飞行速度v，干扰下沉率和飞行航迹角γ，所述复飞航迹曲线集依据不同时刻x、z绘制。

安全复飞准则为：

（1）飞行器飞行水平位置位于孤岛上方时，下沉率为0时飞行器机体距孤岛陆地的垂直高度为岛面净高c_island，要求保证c_island≥3m；

（2）飞行器水平位置位于海面上方时，下沉率为0时机体距海面的垂直高度为海面净高，c_sea，要求保证c_sea≥3m。

复飞航迹曲线为：

$\left\{\begin{array}{c}x\left(t\right)=x_0+\∫(v_0+{\mathrm{\Δv}}_0)\×\cos ({\mathrm{\γ}}_0+\mathrm{\Δ\γ})\\ z\left(t\right)=z_0+\∫(v_0+\mathrm{\Δ}{v}_0)\×\sin ({\mathrm{\γ}}_0+\mathrm{\Δ\γ})+{\stackrel{\·}{z}}_d\end{array}\right.$

其中x(t)为飞行器实时水平位置，z(t)为飞行器实时垂直位置，为飞行器实时下沉干扰率，x₀为飞行器初始水平位置，z₀为飞行器初始垂直位置，v₀为飞行器初始飞行速度，γ₀为飞行器初始飞行航迹角，Δv₀、Δγ分别为飞行器复飞过程速度和航迹角的变化量。

复飞航迹曲线为：

$\left\{\begin{array}{c}x\left(t\right)=x_0+\∫(v_0+{\mathrm{\Δv}}_0)\×\cos ({\mathrm{\γ}}_0+\mathrm{\Δ\γ})\\ z\left(t\right)=z_0+\∫(v_0+\mathrm{\Δ}{v}_0)\×\sin ({\mathrm{\γ}}_0+\mathrm{\Δ\γ})+{\stackrel{\·}{z}}_d\end{array}\right.$

其中x(t)为飞行器实时水平位置，z(t)为飞行器实时垂直位置，为飞行器实时下沉干扰率，x₀为飞行器初始水平位置，z₀为飞行器初始垂直位置，v₀为飞行器初始飞行速度，γ₀为飞行器初始飞行航迹角，Δv₀、Δγ分别为飞行器复飞过程速度和航迹角的变化量。

本发明的有益效果在于：

本发明首次设计了适用于孤岛降落这种特殊飞行机动的复飞决策方法，过程适用性广，可以针对飞行器任意飞行位置进行复飞风险量测，为孤岛降落过程紧急情况的复飞机动安全性提供合理参考，对减轻飞行员复飞心理压力，提高复飞安全起到有效帮助。

附图说明

图1是飞行器孤岛降落复飞决策流程图；

图2是复飞航迹曲线族示意图；

图3是安全复飞区域示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述，本实施方式所述的是一种飞行器孤岛降落复飞决策方法：

1建立复飞航迹曲线集

针对某一机型飞行器，在模拟机上进行程式化复飞，记录飞行器复飞机动初始状态信息，包括飞行位置(x₀,y₀,z₀)，其中x₀为飞行器初始水平飞行位置，y₀为飞行器初始横向飞行位置，z₀为飞行器初始垂直飞行位置，飞行速度(v₀)，干扰下沉率和飞行航迹角(γ₀)，并将飞行数据存储于计算机中。

当飞行员接到复飞指令或决定复飞时，经0.7s延迟，迅速推动油门杆，执行复飞操纵，使飞机飞行速度激增，同时操控升降舵，通过升力的变化，减小下沉速率，实现复飞机动。推力变化(ΔT)作为输入，作用于飞机的动力学模型，可以得到飞机速度变化(Δv_a)和航迹倾斜角变化(Δγ)，此时若已知飞行速度(v₀)，初始航迹角(γ₀)，干扰引起的下沉速率依据上述变量的几何关系，可以求出飞机水平速度及下沉速率分别积分后可得到飞机水平位移变化(x_a)以及高度变化(z_a)。在已知复飞起始时刻飞行器初始水平位置(x₀)及高度(z₀)，依据式(1)，可以得到飞机水平位置(x)及高度(z)，通过不同时间t的x和z，可以绘制飞行器的复飞轨迹：

$\left\{\begin{array}{c}x\left(t\right)=x_0+\∫(v_0+{\mathrm{\Δv}}_0)\×\cos ({\mathrm{\γ}}_0+\mathrm{\Δ\γ})\\ z\left(t\right)=z_0+\∫(v_0+\mathrm{\Δ}{v}_0)\×\sin ({\mathrm{\γ}}_0+\mathrm{\Δ\γ})+{\stackrel{\·}{z}}_d\end{array}\right.$

依据上述分析，选取某一初始位置，通过仿真计算可以得到一条标准的复飞轨迹曲线，以一定间隔离散后用序列点标记为(t_i，x_i，h_i)，i＝0，1，2，…，n。连续平移此复飞轨迹曲线，得到一族复飞航迹曲线。飞行器由着陆状态转入复飞状态，当速度和下沉率一定的条件下，其复飞轨迹的几何形状是相同的，如图2为飞行器在相同的速度(v₀)和下沉率条件下，不同初始位置(x₀，h₀)的复飞轨线族。

2建立安全复飞区域

孤岛降落区别于传统的陆地降落，其复飞过程需要经历海面和陆地两种环境，本发明针对不同环境，依次分析飞行器复飞过程近岛阶段“撞岛风险”和远岛阶段“坠海风险”，建立综合复飞安全区域。

(1)近岛阶段安全复飞区域

飞行器执行复飞机动时，由于复飞起始点处下沉率不为零，因此执行复飞的飞行器不会立即爬升高度，而是存在一定的高度损失。飞行器复飞过程中，当其水平位置位于孤岛上方时，如果下沉率不为零，高度将继续下降，在复飞过程中可能出现机体撞击地面的事故，称为“撞岛风险”。因此复飞过程中，当飞行器水平位置到达孤岛上方时，应保证其垂向位置高于孤岛陆地一定距离，此高度裕量是飞行器复飞机动过程中避免“撞岛风险”的基本条件。

定义1：岛面净高c_island：飞行器复飞机动操纵过程中，当其水平位置位于孤岛上方，下沉率为零时机体距孤岛陆地的垂向高度。

为保证飞行器近岛阶段的复飞安全，设定岛面净高c_island≥3m，该裕度下能够容纳飞行器可能的俯仰与横滚运动，分析误差及系统误差等因素。

(2)远岛安全复飞区域

当飞行器水平位置位于海面上方时，复飞过程中可能出现机体下降过大导致的坠海事故，即存在“坠海风险”。因此当飞行器水平位置位于海面上方时，同样应保证其垂向位置与海面存在一定距离，此高度裕量是飞行器复飞机动过程中避免“坠海风险”的基本条件。

定义2：海面净高c_sea：飞行器复飞机动操纵过程中，当其水平位置位于海面上方，下沉率为零时飞行器机体距海面的垂向高度。

仿照近岛阶段的岛面净高的限制条件，确定海面净高c_sea≥3m。

基于上述分析，设计复飞边界准则，该准则是综合考虑飞行器孤岛降落复飞过程不同阶段环境信息决定的。

定义3：安全复飞准则：

1)飞行器复飞机动操纵过程中，当其水平位置位于孤岛上方，下沉率为零时机体距孤岛陆地的垂向高度不低于3m，即c_island≥3m；

2)飞行器复飞机动操纵过程中，当其水平位置位于海面上方，下沉率为零时机体距海面的垂向高度不低于3m，即c_sea≥3m。

将模拟机训练得到的飞行器复飞航迹曲线依次平移，使得曲线最低点满足上述安全复飞准则要求。建立如图3所示的复飞航迹曲线族，在该曲线族中存在一组“航迹临界点PX”(即图3中的A，B，…，K)，飞行器在该点处开始复飞是其满足安全复飞准则要求的临界操纵位置，而一旦进入“航迹临界点P_i”所包围的区域，复飞操作无法保证c_island和c_sea安全裕量，会造成风险，因此以“航迹临界点P_i”作为复飞起始点的复飞轨迹包线称为复飞包线，包围的区域称为“复飞风险区S_risk”，复飞风险区范围之外的区域称为“安全复飞区S_safe”，在该区域执行复飞操纵才是安全有效的。

3飞行器孤岛降落复飞决策方法

在前述复飞边界准则前提下，通过模拟机执行不同状态下的复飞机动训练，建立不同飞行速度(v₀)和下沉率条件下的“航迹临界点P_i”，在此基础上确定复飞边界和“安全复飞区S_safe”，将依据模拟机数据确立的“安全复飞区域S_safe”相关位置信息存储于相应飞行器机载复飞决策系统数据库中。在飞行器孤岛降落过程中将飞机实时位置信息与事先确定的复飞包线进行比较，通过比对飞行器当前位置是否位于相应复飞区，复飞决策系统即可辨认出飞机是否存在复飞危险。

$W_{\mathrm{Decision}}=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{Wave}-\mathrm{Off}& \mathrm{if\; z}\∈S_{\mathrm{risk}}\\ \mathrm{Flight}& \mathrm{if\; z}\∈S_{\mathrm{safe}}\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中：z为飞行器实时垂直飞行位置，W_Decision为复飞辅助决策系统决策方案，“Wave-Off”表示决策结果为复飞风险，必须立即复飞，“Flight”表示决策结果为复飞安全，可以安全执行复飞或选择继续着舰。

当飞机位于“安全复飞区域”，即z∈S_safe时，复飞辅助决策系统判定复飞安全，可以安全执行复飞或继续着舰；当飞机位于“复飞风险区域”，即z∈S_risk时，复飞辅助决策系统判定复飞风险，系统提示立即复飞，飞行器执行复飞，从而规避风险；最终实现飞行器孤岛降落复飞决策。

Claims (1)

1.一种飞行器孤岛降落复飞决策方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)利用模拟机进行多次复飞机动训练，记录不同速度和下沉率条件下飞行器复飞机动实时状态数据，建立复飞航迹曲线集；

(2)根据孤岛降落过程安全复飞准则，建立复飞安全区S_safe和复飞风险区S_risk，复飞航迹曲线满足安全复飞准则要求的区域为复飞安全区，复飞航迹曲线不满足安全复飞准则要求的区域为复飞风险区；

(3)比较飞机位置信息与复飞包线，复飞包线是航迹临界点P_i包围的区域，航迹临界点是满足安全复飞准则要求的临界操纵位置；

(4)判断飞行器当前所在区域是否存在复飞风险，当飞行器位于复飞安全区域，即z∈S_safe时，判定复飞安全，继续降落；当飞机位于复飞风险区，即z∈S_risk时，判定复飞风险，系统提示立即复飞；

所述实时状态数据包括飞行位置x,y,z，其中x为飞行器水平飞行位置，y为飞行器横向飞行位置，z为飞行器垂直飞行位置，飞行器飞行速度v，干扰下沉率和飞行航迹角γ，所述复飞航迹曲线集依据不同时刻x、z绘制；

所述安全复飞准则为：

(1)飞行器飞行水平位置位于孤岛上方时，下沉率为0时飞行器机体距孤岛陆地的垂直高度为岛面净高c_island，要求保证c_island≥3m；

(2)飞行器水平位置位于海面上方时，下沉率为0时机体距海面的垂直高度为海面净高，c_sea，要求保证c_sea≥3m；

所述的复飞航迹曲线为：

$\left\{\begin{array}{c}x\left(t\right)=x_0+\∫(v_0+\mathrm{\Δ}{v}_0)\×cos({\mathrm{\γ}}_0+\mathrm{\Δ}\mathrm{\γ})\\ z\left(t\right)=z_0+\∫(v_0+\mathrm{\Δ}{v}_0)\×sin({\mathrm{\γ}}_0+\mathrm{\Δ}\mathrm{\γ})+{\stackrel{\·}{z}}_d\end{array}\right.$

其中x(t)为飞行器实时水平位置，z(t)为飞行器实时垂直位置，为飞行器实时下沉干扰率，x₀为飞行器初始水平位置，z₀为飞行器初始垂直位置，v₀为飞行器初始飞行速度，γ₀为飞行器初始飞行航迹角，Δv₀、Δγ分别为飞行器复飞过程速度和航迹角的变化量；

所述的复飞危险：

$W_{Decision}=\left\{\begin{array}{cc}Wave-Off& ifz\∈S_{risk}\\ Flight& ifz\∈S_{safe}\end{array}\right.$

其中：z为飞行器实时垂直飞行位置，W_Decision为复飞辅助决策系统决策方案，“Wave-Off”表示决策结果为复飞风险，必须立即复飞，“Flight”表示决策结果为复飞安全，可以安全执行复飞或选择继续着舰；以航迹临界点P_i作为复飞起始点的复飞轨迹包线称为复飞包线，包围的区域称为复飞风险区S_risk，复飞风险区范围之外的区域称为安全复飞区S_safe。