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。

前 言 连续下降运行和高等级自动着陆是大型客机当前和今后必须具备的核心功能，是贯彻绿色航空理念、提高飞机运行安全性和经济性的关键技术，也是飞行控制、航空电子领域的研究热点。本书系统全面地阐述了连续下降运行和高等级自动着陆技术，内容覆盖连续下降剖面规划、大型客机CAT III A/B着陆导航传感器信息融合、进近下降过程中的符合RNP AR要求的垂直引导技术、GLS虚拟波束的生成和着陆滑跑段地面综合控制全过程。本书共11章，各章内容简述如下。 第1章绪论，主要阐述连续下降运行的概念、自动着陆系统和着陆引导策略以及大型客机CAT III A/B着陆导航传感器信息融合技术的研究现状。 第2章飞机下降性能数据库的建立及下降剖面设计。本章建立了下降性能计算模型，给出了不同下降方式的下降性能数据计算结果及影响因素，提出基于高斯伪谱法的轨迹优化方法。 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，给出了大型客机CAT III A/B着陆导航传感器信息融合架构，建立了满足CAT III A/B着陆的导航传感器模型和地基增强系统模型，为后面开展卫星导航系统信息融合技术研究奠定了基础。 第4章大型客机CAT III A/B着陆导航传感器信息融合技术。本章提出了不同导航传感器信息的时间配准算法、空间配准算法和导航传感器信号平滑算法，给出了基于联邦滤波的信息融合算法架构和基于残差的模糊自适应信息分配策略，并进行了仿真。 第5章大型客机CAT III A/B着陆导航传感器管理策略。本章提出了基于测量一致性的完好性监控策略，以及基于奇偶矢量校验法、多历元累积奇偶矢量校验法等方法的卫星导航系统完好性监控。 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。本章给出了大型客机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，提出了信息融合管理评估指标、基于协方差矩阵的位置不确定度计算算法和飞行技术误差估计方法。 第7章符合RNP AR要求的垂直引导技术。本章提出了RNP AR对垂直引导的要求，设计了符合RNP AR要求的垂直引导律，给出了垂直航段过渡及捕获方法和垂直引导模式转换逻辑，并研究了垂直引导律动态参数调整算法。 第8章GLS虚拟波束的生成和引导指令的计算。本章介绍了基于GLS的连续下降进近功能架构、实施过程和关键技术等，给出了基于导航数据库信息的GLS虚拟波束生成方法、基于空间几何关系的GLS波束偏差计算方法和GLS进近引导指令计算方法，并进行了仿真。 第9章基于自抗扰控制法的自动着陆控制律设计。本章提出了基于自抗扰控制法的自动着陆基本控制律结构，设计了基于自抗扰控制法的俯仰角、滚转角和自动油门控制律。 第10章自动着陆引导策略。本章阐述了自动进场着陆过程，建立了风场模型和机场环境模型，给出了CAT III着陆的适航要求和性能指标，设计了自动进场着陆引导律，提出了自动着陆过程中抗侧风策略和风切变改出策略。 第11章着陆滑跑段地面综合控制技术。本章给出了着陆滑跑段地面综合控制仿真框架，建立了飞机着陆滑跑动力学模型、前轮偏转模型和制动系统模型，提出了滑跑综合纠偏控制策略，并对着陆滑跑段地面综合控制系统进行了仿真。 本书是作者团队多年从事自动飞行控制系统研究工作的总结。在过去的 10 年间，作者所在团队和中国航空工业集团有限公司618所、兰州飞行控制有限责任公司就自动飞行控制技术开展了深入合作，共同完成了民航客机专项和多型特种飞机自动飞行控制系统的研究设计工作。在此特别感谢中国航空工业集团有限公司618所占正勇研究员、李智研究员、王跃萍研究员、王祎敏研究员、王梓桐高级工程师、徐丽娜高级工程师和兰州飞行控制责任有限公司高国旗研究员、孙自军研究员、赵伟国高级工程师为我们的研究提供的无私帮助；对上述两个单位的其他各位同人给作者提供的支持一并表示诚挚的感谢。 本书是作者团队集体工作的结晶，李广文撰写了第1、2、3、6、7、9章，翟少博撰写了第8、10、11章，魏学东撰写了第4、5章。除三位作者外，在过去10年间，本团队中的多位研究生们为本书提供了素材，他们是邵明强、惠辉辉、刘恒立、曹植、许博、马力、曹萱、黄天宇、黄彭辉、陈畅翀、张祥、李钊星、尹芝钰。在此感谢他们的辛勤付出。 本书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。本书对大型客机自动飞行控制系统研究、提高我国航空装备研究水平、实现航空关键核心技术的自主可控具有重要意义。本书可供从事飞行控制、飞行管理技术研究的工程技术人员和硕士/博士研究生参考使用。 由于作者学识水平有限，书中缺点和不足在所难免，恳请读者批评指正。 作 者 2022年10月

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