航空平臺綜合導航系統研究

任小偉

(西安導航技術研究所，陜西 西安 710068)

航空平臺綜合導航系統研究

任小偉

(西安導航技術研究所，陜西 西安 710068)

摘要：隨著航空平臺對導航系統性能要求的不斷提高，目前對導航系統獨立的、或簡單組合的使用方式則體現出明顯的不足。為此，本文以提升導航系統性能為目的，研究了信息化、自動化、智能化的綜合導航系統。首先從需求出發，分析了各種導航系統的優缺點和國外導航技術的發展趨勢，研究并構建了機載平臺綜合導航系統的體系結構，對所涉及的關鍵技術進行了重點分析。最后，構建了綜合導航仿真驗證系統的總體架構，為進一步驗證系統的功能和性能提供支撐。

關鍵詞：綜合導航；信息融合；PNT

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2015.03.007

中圖分類號：P228.4

文獻標志碼：碼： A

文章編號：號： 1008-9268(2015)03-0030-04

收稿日期：2015-05-05

作者簡介

Abstract:With the continuous improvement of the aviation platform needing navigation performance, the independent and simple integrated navigation system have the evident shortage currently. Therefore, in order to improve performance of the navigation system, this paper provided the integrated navigation system with informationize, automaticity and intelligence. Firstly, the merit and demerit of kinds of the navigation system and developing trend of navigation technology overseas are analyzed. Secondly, the systematic framework of integrated navigation on the aviation platform is designed, and key technologies are researched. Finally, in order to validate sufficiently the function and performance of integrated navigation system, we provided the whole framework of simulation validation system, and expounded the detailed function of all the modules.

0引言

導航系統不僅是載體安全航行的保障，而且是海、陸、空平臺和戰略武器等的重要組成裝備[1-2]。導航系統提供時空基準信息，其性能的優劣直接影響著先進作戰平臺或高性能武器系統效能的發揮。

隨著導航技術的不斷發展，多種類型的導航裝備在航空平臺上進行了裝備應用，包括慣性導航、衛星導航、天文導航、地形匹配、景象匹配、無線電信標等等[3-4]。每種導航設備都可在一定的條件下獨立工作，提供對飛機某個方面的測量信息。一般情形下，當前的導航系統完全可以支持飛機日常的安全飛行和簡單軍事對抗，但也存在設備獨立分散、冗余備份手段少、飛行員操控繁瑣等缺陷。然而，未來航空平臺對導航系統的精度和可靠性等提出了非常高的要求，當前的導航系統則體現出明顯的不足。

1需求分析

慣性/衛星組合導航系統以其無可比擬的互補特性，在多型平臺上得到廣泛應用，也使得飛行員對衛星導航依賴的程度日益加劇。但是，在復雜電磁對抗的軍事環境中，最容易被干擾就是衛星導航。衛星導航服務受拒，致使導航精度無法得到滿足。

慣導作為自主式的導航系統，可提供全狀態的導航參數，但其導航精度隨時間增長而變差；天文導航也是一種自主式導航系統，但受到觀星質量好壞的影響較大；多普勒雷達導航、景象匹配導航、具有測量功能的通信系統等通常也都需要與慣導組合，才能提供平臺所需的導航信息，普遍受飛行高度、機動性、覆蓋范圍、雨霧天氣、地面特征、海洋環境等外界環境因素影響較大。

綜上所述，由于單一導航系統、或簡單組合導航系統均存在一定的局限性，難以滿足不同區域、不同環境下對導航性能的要求，因此對發展高性能的導航手段的需求迫在眉睫。在新型高性能導航系統(例如冷原子慣導、量子導航等)的發展較為緩慢的情況下，對平臺裝備的多種導航傳感器進行融合處理的綜合導航方式，將成為提升導航精度及可靠性的重要手段和趨勢。這種導航方式將增強復雜電磁環境下導航系統的對抗性能，為提高航空平臺整體作戰效能提供重要支撐。

2國外技術發展趨勢

美國PNT體系結構是以GPS為重要基石，但是由于GPS的脆弱性，美國歷來都非常關注對GPS過分依賴帶來的嚴重后果。美國國防部一方面對GPS系統方面的技術改進已在GPS現代化中加緊實施；另一方面積極探求替代GPS系統的導航手段(或者至少是增強GPS導航能力的方法)，以應對日益迫切的攻擊威脅。因此，在用戶終端領域，美國2025年PNT目標體系結構中明確提出將發展全球導航衛星系統、地基射頻系統以及自主方案的一體化定位導航授時的用戶設備；并利用通信網絡增強定位導航授時能力的同時，進行用戶之間的相對導航。

聯系人： 任小偉 E-mail: wanchao1217@qq.com

GPS信號受阻環境中增強定位導航授時的方法主要有：無線電信標導航、人造/自然隨機信號導航、影像輔助導航以及與通信系統組合的導航等。但是，正如上述所示，這些技術也都有其各自缺點。因此，國外深入開展了利用綜合手段對GPS導航能力進行增強的項目，以美國的全源定位與導航(ASPN)、英國的借助機會信號導航(Navsop)為代表的技術快速發展，取得了重要的階段性研究成果[5-6]。

2010年，美國的DARPA組織全面啟動了ASPN項目的研究工作，其特征是以芯片級高精度慣導和時鐘為核心，并利用各種可用導航資源和信息對慣導及時鐘進行誤差修正，達到提供高精度定位、導航與授時能力的目標。美國空軍對該技術非常重視，以期在未來對抗條件下的軍事行動中保持并占據優勢。

2012年，英國航太系統公司高級技術中心研發出Navsop這一新型導航定位系統，其通過利用已有的各種無線電信號實現準確定位。這些信號不僅僅局限于GPS及其干擾裝置發出的信號，還包括無線保真信號、電視信號、無線電信號、手機信號、無線通訊發射器信號以及空中交通管制信號等。Navsop導航系統雖然主要采用民用無線電信號進行融合定位，但在軍事界引起很大反響，具有巨大的應用潛能，例如為無人機提供更加安全的航行保障。

上述導航手段的共同點是可在GPS信號受阻的情形下，對其它導航傳感器信息充分利用以達到提高平臺導航精度的目的，該方面技術已然成為當前國際導航領域的新的發展趨勢。

3綜合導航體系結構研究

航空平臺在對導航精度及可靠性等的需求越來越高、但對導航設備的體積、重量及功耗等的要求越來越小的情形下，必須對航空平臺的導航系統進行綜合化、智能化的深度改造，彌補導航傳感器測量信息冗余量大但利用率低的劣勢，全面提升平臺導航系統的導航能力。這種情形下，本文研究并構建了開放式的航空平臺綜合導航系統體系結構，如圖1所示。

圖1　綜合導航系統體系結構

綜合導航系統由傳感器層、信息處理層和智能管理層組成，為飛行控制、火控、雷達及武器等分系統提供統一的、可靠的、高精度的導航參數

1) 傳感器層：包括慣性導航、衛星導航、天文導航、羅盤、信標、時統設備等機載導航傳感器；

2) 信息處理層，對獲取的導航傳感器信息進行異常檢測、導航信息融合、導航性能評估等綜合處理；根據飛行計劃，利用當前導航信息、導航數據庫等，計算飛行引導信息并生成相應的操控指令；

3) 智能管理層，對各種導航傳感器的工作狀態和導航融合模式進行智能管理。

綜合導航體系結構可集成各種導航傳感器，通過總線技術實現對任意導航設備的增減和調整，具有較強的靈活性、適應性、兼容性及擴展性；在對各種導航傳感器信息獲取的同時，實現對各種導航測量信息的綜合利用，充分發揮導航傳感器的潛力，通過融合處理提高導航信息的精度、可靠性和可用性等；利用衛星導航對綜合導航的時統設備進行授時，為各系統提供精確的、一致的時間基準信息。

4系統關鍵技術研究

綜合導航系統作為航空平臺導航系統的發展趨勢，其發展目標不僅超越現有的各種導航系統，而且將集各種導航手段的優點于一體，因此涉及較多的關鍵技術，重點分析如下。

1) 硬件綜合技術

航空平臺在對導航設備的體積、重量及功耗等要求較為苛刻的情形下，綜合導航系統必須對多種類型的導航傳感器進行模塊化、綜合化的設計，充分考慮成熟導航子系統的綜合方式，利用先進技術在對硬件資源進行共享的同時，實現冗余備份，提高系統的可靠性，此外還需考慮安全性、測試性、維修性等多種因素。

2) 異常檢測技術

在BIT及各導航傳感器自身故障檢測的基礎上，對導航傳感器信息進行直接合理性檢測和子系統信息相關性檢測，對各導航傳感器的誤差模型進行分析，并利用卡爾曼濾波等方法實時對各導航傳感器異常信息檢測。通過上述的多級異常檢測方法可及時有效地隔離異常信息源，避免異常信息污染整個導航系統，提高導航傳感器測量信息的可靠性。

3) 導航專家系統技術

根據飛行計劃、故障檢測結果、外界干擾環境等因素，建立包括人機接口管理、任務管理、融合模式管理和系統狀況管理等功能的導航專家系統，實現對綜合導航系統的管理和決策輔助，實時決策出最優的導航融合模式、以及最佳的多導航傳感器支配和使用策略，提高綜合導航系統的自適應性和自動化程度。

4) 信息融合技術

根據實際各導航源狀態、工作環境以及平臺的運動狀態等因素，充分利用多導航傳感器在時間/空間上的冗余或互補特性，智能地對系統模型、噪聲模型、濾波衰減因子等信息融合的參數進行調控，改善信息融合在飛機復雜運動狀態下狀態參數的精度，達到絕對導航和相對導航互為增強的目的，提高綜合導航系統的精度和可靠性。

5) 性能評估技術

根據各導航傳感器的工作狀態、健康狀態以及工作環境，在線對導航傳感器及導航融合的性能進行實時評估，給出當前導航信息的性能級別及置信度，提供完備的導航參數，同時也為飛行員更改飛行航跡、調整作戰計劃等提供參考依據。

5綜合導航仿真技術研究

航空平臺綜合導航系統是一個復雜的大系統，是一個多學科、多領域的技術大綜合，其將不同的導航系統或設備進行硬件綜合的同時，還需利用計算機技術、數據處理技術等對多種導航傳感器信息進行綜合化、智能化的處理。因此，無論是硬件、還是軟件都存在較多的耦合鉸鏈關系。

航空平臺綜合導航作為新興的導航系統，需要對設計的方案進行充分的前期驗證、對關鍵技術進行攻關。綜合導航系統涉及較多的傳感器，很難建立真實的、完整的試驗驗證環境，而計算機仿真技術、尤其是具有較高置信度的半實物仿真，可在較為真實的環境下充分驗證并評估綜合導航系統的性能。為此，本文對綜合導航仿真技術進行了研究，構建了綜合導航系統仿真架構，如圖2所示。

圖2　綜合導航仿真驗證系統總體架構

綜合導航仿真驗證系統主要包括四個單元：

1) 場景規劃與綜合顯控單元

場景規劃與綜合顯控單元綜合導航仿真驗證系統的人機對話窗口，可根據要求設計平臺飛行的各種場景規劃，設置各導航源工作狀態、異常狀態、干擾環境等參數，并給出平臺各種導航參數的真值信息作為各導航源模擬器的激勵源，同時作為測試評估單元的基準信息。

2) 導航源信息支撐單元

導航源信息支撐單元根據場景規劃與導航真值及環境信息，為綜合導航處理提供各種導航傳感器信息，該單元包括各導航源數字仿真模擬器、導航源真實設備及相應的射頻/其它信號模擬器兩個部分。

3) 綜合導航處理單元

綜合導航處理單元是綜合導航信息處理平臺，為綜合導航各種算法軟件運行提供硬件處理資源。該單元接收各導航源導航信息，同時將綜合導航的狀態參數、引導參數及內部關鍵參數等信息輸出到測試評估單元進行性能分析，并輸出到綜合顯控單元進行顯示。

4) 測試評估單元

測試評估單元利用場景規劃與綜合顯控單元的真值信息和綜合導航處理平臺的輸出，對綜合導航各項功能及性能進行分析和評估。

6結束語

隨著航空平臺對導航的精度和可靠性的要求越來越高，導航系統只有走綜合化的道路，在硬件模塊化、綜合化的基礎上，對各類導航傳感器信息進行綜合利用，智能地對導航系統工作模式和各導航傳感器狀態進行管理，實現信息化、自動化、智能化的綜合導航，滿足航空平臺對導航系統高性能的要求。

參考文獻

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任小偉(1976-)，男，碩士,高級工程師，主要從事衛星導航方向的研究。

Research on Integrated Navigation System of Airplane Platform

REN Xiaowei

(Xi’anResearchInstituteofNavigationTechnology,Xi’an710068,China)

Key words: Integrated navigation; information fusion; PNT