大型客机连续下降运行和自动着陆控制技术

本书共11章，内容包括绪论、飞机下降性能数据库的建立及下降剖面设计、大型客机CAT III A/B着陆导航传感器信息融合架构和导航传感器建模、大型客机CAT III A/B着陆导航传感器信息融合技术、大型客机CAT III A/B着陆导航传感器管理策略、大型客机CAT III A/B着陆导航传感器信息融合仿真验证、符合RNP AR要求的垂直引导技术、GLS虚拟波束的生成和引导指令的计算、基于自抗扰控制法的自动着陆控制律设计、自动着陆引导策略和着陆滑跑段地面综合控制技术等连续下降运行和高等级自动着陆领域的前沿问题，对新一代自动飞行控制系统的研究具有参考价值。本书是作者团队从事自动飞行控制系统研究工作的总结，书中所阐述的理论方法基本上经过预研项目和实际工程型号验证，具有重要的理论意义和工程应用价值。本书可供从事飞行控制、飞行引导技术研究的工程技术人员和硕士/博士研究生参考使用。

李广文博士，主要从事飞行控制理论及工程应用、飞行管理技术等方面的研究和教学工作，发表论文40余篇，参编专著3部、教材2部；主持工业和信息化部民机专项项目2项、航空科学基金3项，主持横向课题10余项。作为控制系统负责人设计完成HXZ小型舰载***飞行管理及自动控制系统，作为主要技术骨干参加了侦察机、电子**机、反潜机、运九运输机、预警机等多型特种飞机和AG600水陆两栖飞机自动飞行控制系统的设计工作，在大型飞机自动飞行控制系统、飞行管理系统引导技术研究方面具有丰富的工作经验。

目 录
第1章 绪论 1
1．1 连续下降进近 3
1．1．1 飞机下降过程 3
1．1．2 连续下降运行定义 4
1．1．3 连续下降运行技术研究现状 5
1．2 自动着陆控制技术 7
1．2．1 自动着陆控制律设计研究现状 9
1．2．2 着陆引导策略研究现状 11
1．2．3 地面综合控制技术研究现状 12
1．3 进近着陆过程中多导航传感器的信息融合技术研究现状 14
1．3．1 数据预处理技术研究现状 16
1．3．2 导航传感器管理策略研究现状 18
1．3．3 导航传感器信息融合技术研究现状 19
1．4 本书内容 21
第2章 飞机下降性能数据库的建立及下降剖面设计 23
2．1 概述 23
2．2 下降性能计算模型的建立 23
2．2．1 基本下降性能计算模型 23
2．2．2 飞机下降性能边界的确定 26
2．3 不同下降方式下的下降性能数据计算结果及影响因素分析 26
2．3．1 等表速下降 27
2．3．2 等马赫数下降 28
2．3．3 先等马赫数再等表速下降 29
2．4 最优下降性能数据库的建立 31
2．5 传统下降剖面设计 33
2．5．1 阶梯式下降程序设计 33
2．5．2 仿真结果及分析 37

2．6 基于高斯伪谱法的轨迹优化方法 40
2．6．1 问题描述 41
2．6．2 高斯伪谱法的基本原理 41
2．6．3 四维连续下降运行航迹规划所需模型 45
2．6．4 连续下降进近高度窗口计算 55
2．6．5 连续下降进近约束条件与边界条件设计 57
2．6．6 水平路径设计 61
2．6．7 基于高斯伪谱法的四维连续下降航迹的垂直剖面规划算例 63
本章小结 69
第3章 大型客机CAT III A/B着陆导航传感器信息融合架构和导航传感器建模 70
3．1 概述 70
3．2 大型客机CAT III A/B着陆导航传感器信息融合架构 70
3．3 满足大型客机CAT III A/B着陆的导航传感器建模 71
3．3．1 GPS空间卫星模型 72
3．3．2 GPS卫星接收机模型 84
3．3．3 惯性导航系统的测量原理及误差模型 88
3．3．4 大气数据系统的测量原理及误差模型 90
3．3．5 仪表着陆系统的测量原理及误差模型 91
3．4 地基增强系统建模 92
3．4．1 卫星导航误差源 92
3．4．2 飞机定位误差修正原理 95
3．4．3 卫星导航误差分析与飞机定位误差修正仿真 96
本章小结 98
第4章 大型客机CAT III A/B着陆导航传感器信息融合技术 99
4．1 概述 99
4．2 时间配准算法 99
4．2．1 基于内插外推法的时间配准 99
4．2．2 基于最小二乘法的时间配准 102
4．2．3 时间配准算法仿真验证 104
4．3 空间配准算法 107
4．3．1 基于地理坐标系的空间配准框架 107
4．3．2 以地理坐标系为基准的坐标正解 108
4．3．3 以地理坐标系为基准的坐标反解 109
4．3．4 基于非线性最小二乘法的空间配准误差修正 110
4．3．5 空间配准算法仿真验证 111
4．4 导航传感器信号平滑算法 113
4．4．1 基于最小二乘法的信号平滑 113
4．4．2 信号平滑算法仿真验证 114
4．5 基于联邦滤波的信息融合算法架构 115
4．5．1 基于导航传感器误差特性的子滤波算法的选取 116
4．5．2 联邦滤波器设计 127
4．6 基于残差的模糊自适应信息分配策略 133
4．6．1 基于移动时间窗口的残差计算方法 134
4．6．2 基于模糊控制的信息分配策略 137
4．6．3 信息分配策略仿真验证 141
本章小结 146
第5章 大型客机CAT III A/B着陆导航传感器管理策略 147
5．1 概述 147
5．2 基于测量一致性的完好性监控策略 147
5．2．1 状态递推器构造方法 148
5．2．2 基于残差卡方检验的导航传感器故障诊断算法 150
5．2．3 基于残差序贯概率比检验的导航传感器故障诊断算法 152
5．2．4 基于最小错误概率的阈值选取规则 153
5．2．5 导航传感器完好性监控仿真算例 157
5．3 卫星导航系统完好性监控 160
5．3．1 基于奇偶矢量校验法的卫星导航系统完好性监控 161
5．3．2 基于多历元累积奇偶矢量校验法的卫星导航系统完好性监控 165
5．3．3 基于冗余观测信息的累积奇偶矢量校验法的卫星导航系统完好性监控 166
本章小结 170
第6章 大型客机CAT III A/B着陆导航传感器信息融合仿真验证 171
6．1 概述 171
6．2 大型客机CAT III A/B着陆导航传感器信息融合仿真验证系统架构及场景设置 171
6．2．1 信息融合仿真验证系统架构 171
6．2．2 信息融合仿真验证场景设置 172
6．3 信息融合管理评估指标 174
6．3．1 导航系统误差定义和要求 174
6．3．2 大型客机CAT III A/B着陆导航性能指标要求 175
6．4 基于协方差矩阵的位置不确定度计算方法及其仿真验证 176
6．4．1 基于协方差矩阵的位置不确定度的计算方法 176
6．4．2 基于协方差矩阵的位置不确定度计算方法的仿真验证 179
6．5 飞行技术误差估计 183
6．5．1 飞行技术误差估计方法 183
6．5．2 飞行技术误差估计方法仿真验证 185
本章小结 187
第7章 符合RNP AR要求的垂直引导技术 188
7．1 概述 188
7．2 RNP AR对垂直引导的要求 188
7．3 符合RNP AR要求的垂直引导律设计 190
7．3．1 垂直引导参数计算 190
7．3．2 固定下滑角引导 192
7．3．3 固定下降率引导 192
7．3．4 飞行路径引导 193
7．3．5 慢车下降 194
7．4 垂直航段过渡及捕获方法 194
7．5 垂直引导模式转换逻辑 196
7．6 模式转换时的瞬态抑制方法 197
7．6．1 加入饱和环节和惯性环节的瞬态抑制方法 198
7．6．2 增加淡化环节的瞬态抑制方法 198
7．7 垂直引导律动态参数调整 201
7．7．1 用于垂直引导律动态参数调整的算法 202
7．7．2 垂直引导律动态参数调整的评价指标函数 204
7．7．3 垂直引导律设计及偏差指标的选取 204
7．8 符合RNP AR要求的垂直引导模式及其转换仿真算例 207
7．8．1 4种垂直引导模式仿真算例 207
7．8．2 慢车路径阶段垂直引导模式转换仿真算例 217
本章小结 222
第8章 GLS虚拟波束的生成和引导指令的计算 223
8．1 概述 223
8．2 GLS进近引导过程 223
8．2．1 基于GLS的连续下降进近功能架构 224
8．2．2 基于GLS的连续下降进近实施过程 225
8．2．3 基于GLS的连续下降进近所需的数据库信息 227
8．2．4 基于GLS的连续下降进近关键技术 229
8．3 基于导航数据库信息生成GLS虚拟波束 229
8．3．1 GLS精密进近区域 229
8．3．2 GLS虚拟波束的生成 230
8．4 基于空间几何关系的GLS波束偏差计算 231
8．4．1 用来描述GLS虚拟波束的坐标系定义 231
8．4．2 GLS虚拟波束水平偏差计算 233
8．4．3 GLS虚拟波束垂直偏差计算 234
8．5 GLS进近引导指令的计算 235
8．5．1 水平引导指令的计算 235
8．5．2 垂直引导指令的计算 237
8．6 GLS的仿真验证 238
8．6．1 GLS进近引导效果评估指标 238
8．6．2 GLS进近引导仿真场景及参数设置 240
8．6．3 GLS进近引导综合仿真验证 241
本章小结 244
第9章 基于自抗扰控制法的自动着陆控制律设计 245
9．1 概述 245
9．2 自抗扰控制原理 245
9．2．1 跟踪微分器 246
9．2．2 扩张状态观测器 247
9．2．3 非线性状态误差反馈 248
9．2．4 非线性函数fal函数的改进 249
9．3 基于自抗扰控制法的自动着陆基本控制律结构 253
9．4 俯仰角自抗扰控制器设计及其仿真结果分析 253
9．4．1 俯仰角自抗扰控制器设计 253
9．4．2 参数选取原则 255
9．4．3 仿真结果分析 256
9．5 滚转角自抗扰控制器设计及其仿真结果分析 259
9．5．1 滚转角自抗扰控制器设计 259
9．5．2 仿真结果分析 260
9．6 自动油门自抗扰控制器设计及其仿真结果分析 263
9．6．1 自动油门控制律设计 263
9．6．2 仿真结果分析 265
9．7 基于自抗扰控制法的外回路控制律设计 265
9．7．1 垂直速度控制律 265
9．7．2 高度控制/保持控制律 266
9．7．3 航向保持控制律 267
本章小结 269
第10章 自动着陆引导策略 270
10．1 概述 270
10．2 自动进近着陆过程描述 270
10．2．1 飞机自动进近着陆过程描述所需坐标系 271
10．2．2 飞机六自由度模型的建立 273
10．2．3 风场模型的建立 274
10．2．4 着陆机场环境模型的建立 280
10．3 CAT III着陆的适航要求和性能指标 283
10．4 自动进近着陆引导律设计 284
10．4．1 自动进近横侧向引导律 285
10．4．2 自动进近纵向引导律 286
10．4．3 自动进近引导参数计算 288
10．4．4 拉平段控制 291
10．4．5 仿真算例 292
10．5 抗侧风策略 300
10．5．1 偏航法 301
10．5．2 侧滑法 303
10．5．3 结合法 306
10．6 风切变改出策略 306
10．6．1 风切变下飞机安全性评价指标 307
10．6．2 飞机遭遇风切变时的响应 308
10．6．3 风切变区域纵向改出策略 310
10．7 复飞决策 311
本章小结 313
第11章 着陆滑跑段地面综合控制技术 314
11．1 概述 314
11．2 着陆滑跑段地面综合控制仿真框架 314
11．3 飞机着陆滑跑动力学模型的建立 315
11．3．1 飞机受到的力和力矩 316
11．3．2 飞机地面运动的动力学方程 321
11．3．3 支持力的求解 322
11．3．4 着陆滑跑运动仿真 325
11．4 前轮偏转模型 327
11．5 制动系统建模 327
11．5．1 制动装置模型 327
11．5．2 机轮模型 327
11．5．3 结合力系数模型 328
11．5．4 防滑制动控制 329
11．6 滑跑综合纠偏控制 333
11．6．1 前轮转向纠偏控制律 334
11．6．2 方向舵纠偏控制律 334
11．6．3 主轮差动制动纠偏控制律 335
11．6．4 综合纠偏控制律 336
11．6．5 综合纠偏控制仿真分析 337
本章小结 345
参考文献 346