飛機(jī)綜合導(dǎo)航系統(tǒng)淺議

馬 麗 崔海東 崔文宏

(中航飛機(jī)研發(fā)中心，陜西 漢中 723000)

0 背景

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，目前已有各種適用于飛機(jī)的導(dǎo)航系統(tǒng)，它們各自都有其優(yōu)點和特色，但也有固有的不足之處。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)具有自主性和輸出多種較高精度的導(dǎo)航參數(shù)(位置、速度、航向和姿態(tài)等)的特點，但誤差(尤其是位置誤差)隨時間積累；無線電定位系統(tǒng)的定位精度不受使用時間的影響，但它的輸出信息主要是載體位置，對精確導(dǎo)航來講，定位精度也不夠高，且工作范圍受地面臺覆蓋區(qū)域的限制；多普勒導(dǎo)航系統(tǒng)與慣導(dǎo)系統(tǒng)一樣，同屬航位推算類，從得到的地速信息去推算位置，誤差當(dāng)然也是積累的，且多普勒系統(tǒng)必須采用外部航向信號，除非采用慣導(dǎo)系統(tǒng)輸出的較高精度的航向信息，否則飛機(jī)上其他航向設(shè)備的航向誤差一般不能保證小于0.5°—1°，這樣，即使不考慮地速測量誤差，航向誤差就使定位誤差大于航程的1%—2%；70年代發(fā)展起來的GPS全球定位系統(tǒng)，它的特點是定位和測速精度高，幾十米以內(nèi)的定位精度以及基本上不受時間，地區(qū)的限制的特點，使得GPS在飛機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)中屬于佼佼者，但是，飛機(jī)的飛行動作，以及不能保證100%無故障率的空間衛(wèi)星結(jié)構(gòu)，總要影響GPS接收機(jī)對GPS信號的接收，且GPS接收機(jī)輸出信號的更新頻率一般等于1—2Hz，有時不能滿足飛機(jī)飛行控制對導(dǎo)航信號更新頻率的要求，致使在飛機(jī)上單獨(dú)使用GPS接收機(jī)的方案受到限制。

1 綜合導(dǎo)航系統(tǒng)

1.1 綜合導(dǎo)航系統(tǒng)介紹

將飛機(jī)上安裝的幾種導(dǎo)航系統(tǒng)綜合起來，組成綜合導(dǎo)航系統(tǒng)，將能達(dá)到取長補(bǔ)短，綜合發(fā)揮各種導(dǎo)航系統(tǒng)特點的目的，并能提高導(dǎo)航信息精度，更好地滿足飛機(jī)對導(dǎo)航系統(tǒng)的要求。此外，為了達(dá)到某種目的，也常采用綜合導(dǎo)航系統(tǒng)的方案。例如，將兩種精度較低、價格較廉的導(dǎo)航系統(tǒng)綜合在一起，達(dá)到價格昂貴的單一導(dǎo)航系統(tǒng)才能具有的導(dǎo)航精度，又如，將多普勒雷達(dá)與慣導(dǎo)系統(tǒng)綜合，達(dá)到慣導(dǎo)具有空中對準(zhǔn)能力的目的等。

目前廣泛采用的綜合導(dǎo)航系統(tǒng)是以慣性導(dǎo)航為主，綜合衛(wèi)星導(dǎo)航,實現(xiàn)飛機(jī)遠(yuǎn)距離自主導(dǎo)航與定位；通過無線電羅盤、塔康、組合接收設(shè)備，實時測定飛機(jī)與地面塔臺方位、距離等信息，實現(xiàn)飛機(jī)無線電區(qū)域?qū)Ш脚c定位；通過大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)和捷聯(lián)航姿系統(tǒng)組成備份導(dǎo)航系統(tǒng)，提供飛機(jī)飛行必需的航向、姿態(tài)和高度信息；通過近地告警和空中交通告警及防撞系統(tǒng)提供告警信息。

綜合導(dǎo)航系統(tǒng)具有以下功能：

(1)協(xié)合功能：利用各種導(dǎo)航分系統(tǒng)的信息，形成分系統(tǒng)所不具備的導(dǎo)航功能；

(2)互補(bǔ)償功能：綜合后的導(dǎo)航系統(tǒng)功能雖然與各分系統(tǒng)的導(dǎo)航功能相同，但它們能夠綜合利用各分系統(tǒng)的特點，優(yōu)勢互補(bǔ)，從而擴(kuò)大了使用范圍，提高了導(dǎo)航精度；

(3)余度功能：采用兩種以上導(dǎo)航系統(tǒng)綜合而成的綜合系統(tǒng)具有余度功能，增加了導(dǎo)航系統(tǒng)的可靠性。

1.2 綜合導(dǎo)航系統(tǒng)余度技術(shù)

在綜合導(dǎo)航系統(tǒng)中，單個的導(dǎo)航系統(tǒng)只相當(dāng)于一個傳感器，單個的導(dǎo)航系統(tǒng)的余度技術(shù)，在綜合導(dǎo)航系統(tǒng)中只相當(dāng)于傳感器級的余度。現(xiàn)代飛機(jī)對導(dǎo)航系統(tǒng)的精度和可靠性兩方面都提出了越來越高的要求，單靠提高部件的設(shè)計和制造來達(dá)到要求的精度和可靠性是十分有限的，特別對慣導(dǎo)系統(tǒng)，提高慣性敏感器件的設(shè)計和制造需要花費(fèi)巨大的人力和財力，困難很大。隨著控制理論和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，采用綜合導(dǎo)航系統(tǒng)能有效提高導(dǎo)航精度，采用余度技術(shù)來提高可靠性。

隨著對導(dǎo)航系統(tǒng)精度和可靠性的提高，綜合導(dǎo)航技術(shù)已向著多種(三種或三種以上)導(dǎo)航系統(tǒng)綜合，采用分散濾波技術(shù)的容錯綜合導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展。在這種綜合導(dǎo)航系統(tǒng)中，把兩種導(dǎo)航系統(tǒng)綜合構(gòu)成一個子系統(tǒng)，而多個子系統(tǒng)的輸出再用一個主濾波器進(jìn)行一次綜合。這樣，數(shù)據(jù)進(jìn)行兩級處理，進(jìn)一步提高了導(dǎo)航精度；由于子系統(tǒng)可以有多套，即子系統(tǒng)是有余度的，因而提高了系統(tǒng)級的可靠性。

分散濾波理論及故障檢測技術(shù)的發(fā)展，為容錯綜合導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)。容錯綜合導(dǎo)航系統(tǒng)將是今后采用的標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)航模式、由此可以預(yù)計，容錯綜合導(dǎo)航系統(tǒng)將是現(xiàn)代導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。

1.3 綜合導(dǎo)航系統(tǒng)特點

綜合導(dǎo)航系統(tǒng)利用多種設(shè)備提供的多重信息，取長補(bǔ)短，構(gòu)成一個多功能、高精度的余度系統(tǒng)。其特點是：多種設(shè)備和多重信息源；高速大容量的微型計算機(jī)；卡爾曼濾波技術(shù)的廣泛應(yīng)用；數(shù)字技術(shù)的發(fā)展降低了設(shè)備硬件成本；提供單個導(dǎo)航設(shè)備不能提供的信息；提高了系統(tǒng)的導(dǎo)航定位精度；精度選擇的工作方式提高了系統(tǒng)可用度。

例如對于GPS/慣性的綜合，其主要優(yōu)點表現(xiàn)為：綜合后的導(dǎo)航精度高于兩個系統(tǒng)單獨(dú)工作的精度。對慣導(dǎo)系統(tǒng)可以實現(xiàn)慣性傳感器的校準(zhǔn)、慣導(dǎo)系統(tǒng)的空中對準(zhǔn)，慣導(dǎo)系統(tǒng)高度通道的穩(wěn)定等，從而可以有效提高慣導(dǎo)系統(tǒng)的性能和精度；而對GPS系統(tǒng)，慣導(dǎo)系統(tǒng)的精度可以提高其跟蹤衛(wèi)星的能力，提高接收機(jī)的動態(tài)特性和抗干擾性。另外,GPS/慣性綜合還可以實現(xiàn)GPS完整性的檢測，從而提高了可靠性。GPS/慣性綜合還可以實現(xiàn)一體化，把GPS接收機(jī)放入慣導(dǎo)部件中，這樣使系統(tǒng)的體積、重量和成本都可以減少，且便于實現(xiàn)慣導(dǎo)和GPS的同步，減少非同步誤差。

2 發(fā)展展望

綜合導(dǎo)航，顧名思義就是將前面背景中所介紹的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、多普勒導(dǎo)航系統(tǒng)、無線電定位系統(tǒng)等各種導(dǎo)航系統(tǒng)及其特點結(jié)合在一起。采用多種傳感器的綜合導(dǎo)航解決方案將前面介紹的所有導(dǎo)航技術(shù)的性能同GPS融合起來構(gòu)成一個完全綜合的系統(tǒng)，在這種綜合導(dǎo)航系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展出了新航行系統(tǒng)(FANS)所包含的更為先進(jìn)的導(dǎo)航能力。

新航行系統(tǒng)(FANS)的推出是為了更加有效地使用現(xiàn)有空域以應(yīng)對未來空中交通流量的增長。目前新航行系統(tǒng)(FANS)的某些部分已經(jīng)實現(xiàn)，為了使其技術(shù)更加成熟，其他部分還需要數(shù)年時間。構(gòu)成一個多傳感器系統(tǒng)的一個重要先決條件就使采用一個高性能的飛行管理系統(tǒng)(FMS),將所有的必要功能進(jìn)行綜合，并為機(jī)組人員提供合適的接口。

3 結(jié)論

現(xiàn)代飛機(jī)的性能不斷提高，所要完成的任務(wù)日益復(fù)雜，對高精度導(dǎo)航及其實現(xiàn)方法的需求變得日益突出。航空電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，推動著綜合導(dǎo)航系統(tǒng)向多功能化、多模態(tài)化、數(shù)字化、綜合化以及智能化的方向發(fā)展。