第３３卷第６期 四川兵工学报 ２０１２年６月 【信息技术与控制工程】 基于数字地图的地形跟随系统设计与仿真 卢斌文，曲东才，杨晓龙 （海军航空工程学院控制工程系，山东烟台２６４００１） 摘要：在Ｍａｔｌａｂ平台下建立了一种随机地形数字地图，在此基础上，运用适应角法设计了一种被动式地形跟随系统 控制方案。最后对所设计的控制方案进行仿真分析，仿真结果显示，所设计的系统控制方案可行、有效。 关键词：地形跟随；数字地图；适应角法 中图分类号：Ｖ２４９．１２２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００６—０７０７（２０１２）０６—０１０３—０３ 在现代战争中，基于地球曲率和地形起伏所造成的防空 它由地形跟随雷达（ＴＦＲ）、地形跟随计算机、飞行控制 体系的盲区，使飞机进行低空或超低空飞行，利用地形作掩 系统、惯导系统及雷达高度表等组成。地形跟随计算机根据 护，实现突防目的是一种重要的作战手段。其中地形跟随 前视雷达测得的前方地形数据（如视角Ａ和斜距尺等）和当 （ｔｅｒｒａｉｎ ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ，ＴＦ）技术是一种关键的低空突防技术 。 前飞机状态参数，结合考虑飞机性能、乘坐品质等要求， 传统的飞机地形跟随系统抗干扰能力差、隐蔽性不好，而且 按事先确定的航迹算法，计算出航迹控制指令，输入飞行控 随着防空武器的日益发展，地形跟随雷达发射的信号容易暴 制系统来控制飞机作俯仰机动，以完成地形跟随任务 。系 露飞机的位置，给飞机的安全造成很大威胁 。因此，利用 统中由无线电高度表提供间隙高度信息，用于ＴＦ飞行指令 数字地图、全球定位系统等手段来替代地形跟随雷达的被动 计算，以保持飞机在预定的离地高度上。 式地形跟随系统成为当前研究的热点。 本文通过建立数字地图，由数字地图提供地形信息，飞 ２适应角法控制规律设计与分析 行员、飞机、存储地图和飞机飞行状态传感器形成一个闭环 系统，通过采用数字地图技术，可以减少如前视雷达这样的 ＴＦ计算机接收大量的地形信息和飞机飞行姿态信息， 主动传感器的使用频率，降低了飞机暴露的可能性。 而计算机根据什么原理去处理这些数据，给出什么控制指 令，这就是计算机的算法，是地形跟随的核心问题，关系到贴 １ 地形跟随系统工作原理 地航路的优劣。本文采用适应角法设计地形跟随控制系统， 它是由角指令法改进而来，是一种技术比较成熟的地形跟随 控制算法。 地形跟随是不改变飞机的飞行航向，在纵向平面内靠飞 在已知水平飞行航路的基础上，使用适应角法产生纵向 机的机动随地形起伏飞越障碍的飞行技术…。飞机按预定 航路。设 为飞机纵向飞行航路规划的前进方向，Ｚ为相应 的最小离地高度在垂直平面内随地形轮廓做机动飞行，利用 采样点上的地形高度。飞机在不考虑横向运动的情况下，纵 地形掩护来达到突防的目的。典型的自动地形跟随系统的 向运动学方程为 基本结构如图１所示。 ＝ＵＣＯＳ０ （１） ：ｖｓｉｎ０ （２） 式中： 为飞行速度；０为航迹倾斜角。 如图２所示，在飞机飞行过程中，实时计算飞机前方一 定范围内各采样点到飞机当前位置的俯仰角度。 由图２易得出飞机俯仰角关系式 ：ａｒｃｔａｎｆ、 Ｊ— １， （３） 式中：／４ｏ为飞机的间隙高度，约束飞机的垂直离地高度。 为改善角指令法的轨迹，在其算法基础上引入抑制函数 和加权系数Ｋ，使飞机应达到的航迹角改为 图１地形跟随系统的基本结构 ＯＦＬ＝Ｋ（０一 ） （４） 收稿日期：２０１２—０３—２５ 作者简介：卢斌文（１９８８一），男，硕士，主要从事模式识别与智能控制研究。 １０４ 四川兵工学报 ３．２系统结构图设计 ｈｔｔｐ：／／ｓｃｂｇ．ｊｏＨｒｓｅｒｖ．ｃｏｒｎ／ 引入抑制函数Ｆ 的基本目的是使飞机遇到障碍物时不立即 产生过大的航迹角，让飞机在接近障碍物时充分利用其机动 能力及时拉起。 是雷达测得的斜距Ｒ、飞行速度 、航迹角 和乘座品质的函数，而且始终为非负值，它的作用是在飞行 过程中减少角指令法所要求的航迹角 以达到隐蔽飞行的目的。 在图１所表示的地形跟随系统基本结构的基础上，与数 字地图相结合，对基于数字地图的地形跟随系统结构进行设 瑚 瑚 枷计。计算机依据数字地图提供的地形信息、飞机当前飞行姿 态信息以及设置的间隙高度 ，不断给出飞行期望航迹角 ，使飞机推迟拉起， 它与当前飞行航迹角 形成跟踪误差△ ，由它控制飞 加权系数 主要作用是充分发挥飞机机动能力，使飞机 能尽快拉起。当０ｔ＞０时，Ｋ应大于１，当 ＜０时，Ｋ取１，即 ：机增稳系统，不断修正飞行航迹，达到精确跟随期望航迹的 目的。由此设计出该系统的基本结构如图４所示。结构图 中的增稳系统引入 和 反馈以改善飞机动态性能。在反 馈回路中设置清洗网络，以消除稳态分量【７１。 』 ・５ ≥０ Ｌ１．０ ＜０ （６） 即在爬升过程中增强 指令，而下滑时，考虑到安全而不予 采用比例积分的控制器，可得其控制规律： 增强 。 图２飞行角指令关系 ３ 基于数字地图的地形跟随系统设计 ３．１数字地图的建立 为了实现对期望航迹角 ．的跟踪，可通过对飞行航迹 角 进行控制，首先建立数字地图。已知水平面积为 ３ ０００ ｍ 的某随机地形中包含３个山峰，山峰的海拔分别为 ５００ ｍ，４００ Ｉｑｑ和３００ ｍ。在Ｍａｔｌａｂ平台下建立数字地图，如 图３所示。 图３模拟地形 由图３可以看到，建立的数字地图基本符合地形水平面 积和山峰海拔高度的要求。在图３所示的数字地图上确定 飞机将要进行地形跟随的起点和终点，并描绘出起点和终点 之间的地形高程纵向曲线，作为下一步飞机进行地形跟随的 基础。 ＋ ＝ｋ２Ａ０ｃ＋ｋｌ Ｊ△ ｃｄｔ＋ （ （ ） （７） ４仿真分析 ４．１仿真模型的建立 以某型飞机模型为例，已知飞机状态空间模型为 ｘ（ｔ）＝ＡＸ（ｔ）＋ＢＵ（ｔ） ｙ（ｔ）＝ＣＸ（ｔ）＋ＤＵ（ｔ） （８） 状态变量Ｘ（ｔ）＝［ （ｔ）・ （ｔ）（ｃＪ （ｔ） （ｔ）ｈ（ｔ）ｒ；输出变量 Ｙ（ｔ）＝［ （ｔ） （ｔ）０９ （ｔ） （ｔ） （ｔ）ｈ（ｔ）ｒ；输入变量Ｕ（ｔ）＝ ６：（ｔ）。 其中： （ｔ）表示速度的百分比增量； （ｔ）表示迎角改变量； （ｔ）表示俯仰速率改变量； （ｔ）表示航迹倾斜角改变量； （ｔ）表示俯仰角改变量； 表示法向过载；ｈ（ｔ）表示高度的 改变量；６：（ ）表示升降舵偏转角改变量。 ４．２仿真研究 在Ｍａｔｌａｂ平台下进行仿真分析与验证。在Ｓｉｍｕｌｉｎｋ模 块中构建仿真结构，如图５所示。其中ｔｈｉｔａ＿ｒ模块是通过Ｍ 文件编程实现的航迹倾斜角的参考信号源，开关模块表示加 权系数Ｋ的作用。 首先，在数字地图上提取从地形跟随飞行起点到终点的 纵向地形剖面曲线，根据纵向平面的地形轮廓，运用适应角 算法计算出参考航迹的航迹倾斜角，作为地形跟随系统仿真 的信号源。 其次，为了在仿真过程中兼顾飞机飞行的安全性和隐蔽 性，设置一个飞行安全走廊。走廊下限的离地高度为３０ ｍ， 上限的离地高度为１５０ ｍ，即认为飞机在地形跟随过程中最 低的离地高度不能小于３０ ｍ，小于这个数值发生撞地危险的 概率将会大大加强，同时最大的离地高度不能大于１５０ ｍ，如 果大于这个最大数值飞机被敌方雷达发现的概率也会大大 提高。因此，在飞行过程中既要保证飞机的安全性，也要考 虑到飞机的隐蔽性，换而言之，飞机应始终在安全走廊区域 内飞行。 最后，在图５所示的Ｓｉｍｕｌｉｎｋ结构上进行仿真，设置仿 真时间为１３ ｓ，初始飞行高度为１５０ ｍ。通过仿真，得到纵向 平面内飞机进行地形跟随的飞行轨迹曲线，如图６所示，以 及三维数字地图上的飞行轨迹曲线，如图７所示。 卢斌文，等：基于数字地图的地形跟随系统设计与仿真 乓 挂 １０５ 丢ｉ 咖 垂； 枷 啪 ｛暑 伽 。 图４基于数字地图的地形跟随系统结构 图５地形跟随系统仿真结构 峰，而且在飞行过程中始终处于安全飞行走廊范围内，这说 明飞机在进行地形跟随的过程中具有较好的安全性和隐蔽 性，验证了控制方案的有效性。 在图７所示的三维地形图中可以更直观地看到飞机利 过地形跟随系统进行超低空贴地飞越模拟地形的过程。 ５ 结束语 ０ ５００ １０００ １５００ ２０００ ２５００ ３０００ 在分析传统地形跟随系统工作原理的基础上，通过建立 ｘ／ｍ 数字地形图的手段，向ＴＦ计算机提供地形数据信息，运用适 图６地形跟随纵向飞行轨迹曲线 应角法设计出了飞机地形跟随系统的仿真结构。在Ｍａｔｌａｂ 平台上进行仿真和分析，通过设置安全飞行走廊，验证了仿 真结果的合理性和有效性，说明本文的基于数字地形图的地 形跟随系统控制方案是切实可行的。 参考文献： 沈春林，徐克虎，贺也平．低空突防中的若干关键技术 ［Ｊ］．南京航空航天大学学报，２００３（３）：１３４—１３９． ［２］ 范洪达，马向玲，叶文．飞机低空突防航路规划技术 ｙ／ｍ ［Ｍ］．北京：国防工业出版社，２００７：７—８；１０５—１０７． 图７ 飞机地形跟随三维轨迹曲线 ［３］ 项林斌，秦硕，黄学宇，等．一种无源自动地形跟随系统 的设计［Ｊ］．弹箭与制导学报，２００５，２５（２）：６３５—６３９． 由图６可以很清楚地看到，飞机成功地安全穿越了山 （下转第１１３页） 谢宝陵，等：聚变堆液态包层磁流体动力学效应数值模拟研究方法 １ｌ３ （上接第１０５页） ［６］ 胡志忠，徐克虎，沈春玲．低空突防用数字地形的平滑处 理［Ｊ］．南京航空航天大学学报，２０００，５：９３—４９８．４ ［７］ 唐一萌．基于模糊控制方法的自动地形跟随系统设计 ［Ｊ］．计算机仿真，２０１０，２７（２）：５９—６４． （责任编辑陈松） ［４］ ＳｔｅｐｈａｎＷｅｉ，Ｍａｒｋｕｓ Ａｃｈｔｅｌｉｋ，Ｌａｕｒｅｎｔ Ｋｎｅｉｐ．Ｉｎｔｕｉｔｉｖｅ ３Ｄ Ｍａｐｓ ｆｏｒ ＭＡＶ Ｔｅｒｒａｉｎ Ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎａｎｄ Ｏｂｓｔａｃｌｅ Ａｖｏｉｄａｎｃｅ ［Ｊ］．Ｊ Ｉｎｔｅｌｌ Ｒｏｂｏｔ Ｓｙｓｔ，２０１１，６１：４７３—４９３． ［５］ 周坦胜，熊霄．地形跟随飞行控制系统的仿真研究［Ｊ］． 系统仿真学报，２００９，２１（２４）：７７９８—７７９９． （上接第１１０页） ［４］刘志刚，汪旭东，郑关东．基于ＳＰＴ算法的单精度浮点除 ｐｏｉｎｔ ａｒｉｔｈｍｅｔｉｃ ｕｎｉｔｓ．ＰＨＤ ｔｈｅｓｉｓ，ｓｔａｎｆｏｒｄ ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｅｌｅｃ— ｔｒｉｃａｌ＆ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ．１９９７．１． 法器［Ｊ］．电子设计应用，２００８，３３（７）：５９—６２． ［５］ 岳伟甲，刘昌锦．一种基于ＦＰＧＡ的３２位快速加法器设 ［８］ 朱卫华，郑留平．可任意设定计算精度的整数除法器的 ＶＨＤＬ设计［Ｊ］．国外电子测量技术，２００８，２７（２）：１６ —计［Ｊ］．四川兵工学报，２０１１，３２（７）：７８—８１． ［６］ Ｏｂｅｒｍａｎ Ｓ Ｆ，Ｆｌｙｎｎ Ｍ Ｊ．Ｄｉｖｉｓｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ａｎｄ ｉｍｐｌｅｍｅｎ— ｔａｔｉｏｎｓ．ＩＥＥＥ ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ，１９９７，４６（８）：８３３ ～１８． ［９］ 许秋华，刘伟．基于ＦＰＧＡ的浮点运算单元的设计方法 ［Ｊ］．大众科技，２００９，１０：１７—１９． （责任编辑周江川） ８５４． ［７］ Ｏｂｅｒｍａｎ Ｓ Ｆ．Ｄｅｓｉｇｎ ｉｓｓｕｓｅｓ ｉｎ ｈｉ．ｇｈ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｆｌｏａｔｉｎｇ
