多傳感器融合組合導(dǎo)航技術(shù)研究

余亮++耿翔翔

摘 要：該文對(duì)民用飛機(jī)組合導(dǎo)航系統(tǒng)多傳感器器技術(shù)進(jìn)行了研究，提出了一種在飛行管理系統(tǒng)內(nèi)按照各種導(dǎo)航設(shè)備定位精度的順序，實(shí)現(xiàn)包括了全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）、慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)（IRS）、甚高頻全向信標(biāo)（VOR）、測(cè)距器（DME）等機(jī)載設(shè)備的多傳感器融合方法，為國(guó)產(chǎn)民機(jī)機(jī)載航電系統(tǒng)研制提供參考。

關(guān)鍵詞：多傳感器 組合導(dǎo)航 民用飛機(jī)

中圖分類號(hào)：TP274. 2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）09（a）-0021-01

近年來(lái)，隨著GPS、格洛納斯、伽利略和北斗全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的日益完善，以飛行管理系統(tǒng)為核心的民用飛機(jī)機(jī)載導(dǎo)航設(shè)備對(duì)GNSS的依賴程度逐漸增大，特別是CAAC近年發(fā)布的PBN實(shí)施路線圖要求機(jī)載導(dǎo)航系統(tǒng)逐步向RNP技術(shù)全面過(guò)渡。然而作為PBN導(dǎo)航技術(shù)核心定位源的GNSS有著一系列先天不足，在某些特定情況下，滿足不了PBN對(duì)導(dǎo)航精度和連續(xù)性的較高要求，因此民用飛機(jī)必須采用多傳感器融合的導(dǎo)航技術(shù)，提高瞬時(shí)定位精度以及GNSS不可用的情況下的導(dǎo)航能力。

1 多傳感器組合導(dǎo)航技術(shù)

作為民用飛機(jī)機(jī)載航電系統(tǒng)的重要組成部分，機(jī)載導(dǎo)航設(shè)備為飛機(jī)提供全天候?qū)崟r(shí)的高精度位置定位、飛行導(dǎo)引和完好性監(jiān)控，其組成包括飛行管理系統(tǒng)（FMS）、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）、慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)（IRS）、甚高頻全向信標(biāo)（VOR）、測(cè)距器（DME）等設(shè)備。[1]

導(dǎo)航系統(tǒng)的核心是飛行管理系統(tǒng)，它是一臺(tái)具備各種復(fù)雜導(dǎo)航算法的高性能計(jì)算機(jī)，將其他導(dǎo)航設(shè)備發(fā)送的導(dǎo)航數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)組合導(dǎo)航算法綜合處理后得出飛機(jī)精確位置，并依據(jù)飛行員編制的飛行計(jì)劃給出指引指令，引導(dǎo)飛機(jī)沿著既定航線飛行，取代了傳統(tǒng)領(lǐng)航員的作用，大量減輕了飛行員的負(fù)擔(dān)。因此，作為計(jì)算性能最強(qiáng)和接收信息最全的FMS理所當(dāng)然是多傳感器組合導(dǎo)航技術(shù)的實(shí)施主體。[2]

以GPS為主的GNSS是一種覆蓋全球的無(wú)源定位系統(tǒng)，通過(guò)接收機(jī)接收來(lái)自至少4顆衛(wèi)星發(fā)出的時(shí)鐘信號(hào)和星歷，計(jì)算傳播延時(shí)實(shí)現(xiàn)高精度自主實(shí)時(shí)定位，不依賴地面導(dǎo)航設(shè)施，在偏遠(yuǎn)地區(qū)和洋面飛行時(shí)具有突出優(yōu)點(diǎn)，但也會(huì)受到可用衛(wèi)星個(gè)數(shù)、衛(wèi)星幾何分布、空間射線干擾和地面地形遮蔽等因素影響，難以獨(dú)自滿足PBN對(duì)導(dǎo)航信號(hào)連續(xù)性的高要求。[3]

VOR/DME是傳統(tǒng)的路基導(dǎo)航設(shè)施，通過(guò)接收地面臺(tái)站發(fā)出的甚高頻無(wú)線電信號(hào)結(jié)算成相對(duì)臺(tái)站的方位和距離信息，結(jié)合已知的臺(tái)站位置實(shí)現(xiàn)定位，性能可靠、便于使用，但是具有技術(shù)水平落后、導(dǎo)航精度不高和無(wú)法覆蓋偏遠(yuǎn)山區(qū)和洋面的缺陷。

在所有的導(dǎo)航子系統(tǒng)中，慣性系統(tǒng)能提供的信息最全，且自主性、連續(xù)性、短期穩(wěn)定性好，因此在整個(gè)區(qū)域或航路導(dǎo)航中始終以慣性導(dǎo)航系統(tǒng)作為基本導(dǎo)航手段，其它導(dǎo)航子系統(tǒng)（特別是GNSS）作為輔助手段以改善慣性系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，保證導(dǎo)航性能符合所需導(dǎo)航性能要求。

導(dǎo)航系統(tǒng)的組合一般有兩種基本方法：

（1）回路反饋法。即采用經(jīng)典的反饋控制方法，抑制系統(tǒng)誤差，并使子系統(tǒng)間性能互補(bǔ)。

（2）最優(yōu)估計(jì)法。即采用現(xiàn)代控制理論中的最優(yōu)估計(jì)法（卡爾曼濾波算法），從概率統(tǒng)計(jì)最優(yōu)的角度估計(jì)出系統(tǒng)誤差并消除之。

由于各子系統(tǒng)的誤差源和量測(cè)中引入的誤差都是隨機(jī)的，所以第二種方法遠(yuǎn)優(yōu)于第一種方法，卡爾曼濾波器也成為組合導(dǎo)航系統(tǒng)中最常用的算法。[4]

由于GNSS定位的高精度和實(shí)時(shí)性，采用IRS/GNSS為主用組合導(dǎo)航算法，可分別基于輸出校正、位置組合和偽距組合的卡爾曼濾波模式。具體是用慣導(dǎo)和GPS輸出的位置之差作為量測(cè)值，經(jīng)卡爾曼濾波器估計(jì)慣導(dǎo)系統(tǒng)的各項(xiàng)誤差，然后對(duì)慣導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行校正。偽距組合是一種復(fù)雜、緊密的信息綜合。慣導(dǎo)輸出位置結(jié)合GPS可見(jiàn)衛(wèi)星位置，可以求出相應(yīng)的計(jì)算距離，然后將之與GPS測(cè)量得到的距離之差作為量測(cè)值，通過(guò)卡爾曼濾波器估計(jì)慣導(dǎo)系統(tǒng)和GPS的誤差量，然后進(jìn)行反饋校正。在各IRS內(nèi)部進(jìn)行閉環(huán)修正，IRS系統(tǒng)的速度和姿態(tài)誤差趨于收斂，即組合導(dǎo)航可以準(zhǔn)確估計(jì)IRS的速度和姿態(tài)誤差。在IRS/GPS組合導(dǎo)航狀態(tài)，不使用氣壓高度進(jìn)行高度阻尼，對(duì)GPS位置噪聲有明顯的抑制作用。[4]

在GNSS不可用的情況下（接收機(jī)故障或不滿足信號(hào)接收要求），可采用IRS/無(wú)線電組合導(dǎo)航，包含IRS/DME/DME和IRS/VOR/DME這2種組合方式。IRS/無(wú)線電組合在飛行管理控制系統(tǒng)中進(jìn)行，僅進(jìn)行開(kāi)環(huán)校正，目的在于對(duì)無(wú)線電推算的位置噪聲進(jìn)行抑制，經(jīng)過(guò)對(duì)當(dāng)前組合系統(tǒng)的性能評(píng)估，如當(dāng)前狀態(tài)位置精度明顯優(yōu)于即將引入的校準(zhǔn)系統(tǒng)精度，則將延遲其進(jìn)入組合狀態(tài)的時(shí)間。

由于DME/DME定位精度由于VOR/DME，因此當(dāng)DME臺(tái)站信號(hào)良好且數(shù)量大于2時(shí)，可優(yōu)先采用IRS/DME/DME組合導(dǎo)航，此方法基于雙斜距組合方式，將DME斜距的測(cè)量誤差看作由偏置誤差和測(cè)量噪聲誤差構(gòu)成，偏置誤差與被測(cè)距離的遠(yuǎn)近有關(guān)，因此用刻度因子誤差來(lái)描述。在構(gòu)造量測(cè)前還需進(jìn)行交會(huì)角判斷。利用兩套DME系統(tǒng)來(lái)確定飛機(jī)位置的定位誤差卻因飛機(jī)與兩個(gè)地面臺(tái)相對(duì)位置的不同而有較大的差異，當(dāng)交會(huì)角為90°時(shí)，測(cè)距誤差造成的定位誤差區(qū)最小，為正方形；交會(huì)角大于90°，定位誤差區(qū)域增大為菱形；若交會(huì)角接近180°，則定位誤差最大。因此，在交會(huì)角在30°～150°時(shí)可采用此方法。

IRS/VOR/DME組合處理方式采用斜距/方位角組合，允許VOR和DME不在同一位置，盡管多數(shù)情況下VOR/DME地面臺(tái)站是布置在同一位置的。將VOR、DME的方位和斜距測(cè)量誤差看作由偏置誤差和測(cè)量噪聲誤差構(gòu)成，而DME的偏置誤差與被測(cè)距離的遠(yuǎn)近有關(guān)，因此用刻度因子誤差來(lái)描述。[4]

2 結(jié)語(yǔ)

隨著航空電子技術(shù)的日新月異，以及未來(lái)對(duì)PBN技術(shù)導(dǎo)航精度和連續(xù)性的要求日益提高，民用飛機(jī)采用多傳感器組合導(dǎo)航技術(shù)將成為主流，本文提出一種在FMS內(nèi)部按照設(shè)備可用狀態(tài)優(yōu)先級(jí)實(shí)現(xiàn)IRS/GNSS、IRS/DME/DME、IRS/VOR/DME組合導(dǎo)航技術(shù)方法，可獲得較為理想的導(dǎo)航精度和連續(xù)性。

參考文獻(xiàn)

[1] 欽慶生.飛行管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)[M].國(guó)防工業(yè)出版社，1991.

[2] Lan Moir，Allan Seabridge. Civil Avionics Systems[M]. Professional Engineering Publishing Limited，2006.

[3] Cary R.Spitzer.The Avionics Handbook[M].CRC Press LLC， 2001.

[4] 西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院.組合導(dǎo)航技術(shù)研究[Z].2010.