一種基于INS/RA組合導航的著陸指引方式實現

滕建方，陳 英，孟 軍，顏偉平，樊 偉

(航空工業洪都，江西 南昌，330024)

0 引言

進場著陸對于飛機安全而言始終是一個重要的課題，民航飛機在該方面擁有完善的設施與條例，但對于軍用戰斗機而言，由于機場條件的限制，往往無法達到民航飛機的起降條件，尤其在復雜氣象條件、能見度低的情況下，安全起降的問題就會顯得特別突出。

目前飛機的進場著陸常見的導航定位方式主要有目視和幾何定位兩種：目視定位著陸主要通過飛行員的經驗對著陸狀態進行主觀判斷，這種進場著陸方式對飛行員的技術、經驗和心理素質都提出了較高要求，尤其是在不利的氣象條件下，危險系數較高；幾何定位主要是以進場機場作為基準，對飛機相對于機場的位置進行確定，這種方式使用地面無線電導航臺，結合飛機上的無線電導航設備對飛機進行定位和引導，這種使用外部測量信號產生飛機著陸的引導指示能夠提高飛機著陸的安全系數，但是，該方式需要著陸機場具備相關的路基引導設備，如儀表著陸、微波著陸，要求地面機場必須配備相應的地面引導臺，飛機上也必須安裝相應的儀表著陸或微波著陸電子設備，使用條件較為苛刻，在地面機場沒有相應引導臺或機載設備不具備時就無法引導飛行員進場。

本文利用現代飛機普遍裝備的慣性導航系統與無線電高度表測得飛機相對機場的幾何關系來實現引導飛行員著陸，從實踐結果來看，效果基本與儀表著陸方式相當，可以為航電系統相關設計人員提供幫助。

1 基于INS/RA組合導航的著陸指引原理

進場著陸的本質是引導飛行員操控飛機進入地面上的著陸點，儀表著陸利用無線電電波的偏移來告訴飛行員，從而告知飛行員在方位與下滑上的偏差，飛行員通過飛行姿態的調整使飛機的飛行軌跡始終在預定的下滑軌跡上，從而保證安全著陸。

與儀表著陸原理不同的是，本設計是基于飛機自身的定位與機場之間的相對關系實現引導飛行員安全著陸。利用飛機裝備的慣性導航系統測得的飛機即時位置的經緯度、無線電高度表測得的飛機高度，并結合已知的機場跑道參數（飛機著陸點經緯度、跑道長度、機場跑道的預置航道、下滑道等），經過計算獲得飛機進場的航向指引、下滑指引數據，得到飛機相對機場的幾何關系來實現引導飛行員著陸。

1.1 方位偏差

在機場著陸點位置已知的情況下，飛機即時位置在地面的垂直投影和著陸點之間的連線與機場跑道延長線之間的角度ε可以向飛行員指示方位上的偏差，如圖1所示。

圖1 飛機著陸時的方位偏差指示

1.2 下滑偏差

機場預置的下滑角α與飛機實時的下滑角β之間的差值λ可以為飛行員提供下滑指引，如圖2所示。

圖2 飛機著陸時的下滑偏差指示

1.3 方位偏差和下滑偏差在顯示器上的映射

飛機著陸時的方位偏差與下滑偏差，可以映射到飛機平顯或者下顯上，指引飛行員操縱飛機按照預定的路線進行著陸，如圖3所示。

2 基于INS/RA組合導航的著陸指引算法

機載航電在進行著陸指引解算時，具體步驟如下：

圖3 方位與下滑指引示意圖

1）通過飛機航電系統的慣性導航系統測量飛機即時位置經度lonA、緯度latA，通過無線電高度表測量飛機高度h；

2）提取機場跑道參數，機場跑道參數包括跑道著落點的經度lonB、緯度latB，跑道長度L、機場跑道的預置航道δ、機場下滑道α、機場磁差δ′等；

3）根據步驟1）、2）所獲得的參數數據，計算飛機著陸時的方位偏差和下滑偏差；

4）將計算得到的指引數據映射到飛機顯示器上，指引飛行員操縱飛機按照預定的路線進行著陸。

算法涉及參數如圖4所示。

圖4 基于INS/RA組合導航的目視著陸指引示意圖

A-飛機的即時位置在地面的垂直投影；B-機場跑道的著陸點；B′-機場跑道反向著陸點；L-跑道長度；N-真北方向；h-飛機無線電高度；α-機場下滑道 （預置下滑角）；β-飛機實時下滑角；λ-下滑偏差；η-AB連線與真北的夾角；θ-機場跑道與真北夾角；ε-方位偏差。

2.1 方位偏差解算

圖4中，A為飛機的即時位置在地面的垂直投影，B為機場跑道的著陸點，η為AB連線與真北的夾角，θ為機場跑道與真北夾角 （即機場預置航向δ+機場磁差δ′），ε即為當前飛機偏差跑道的夾角，即方位偏差。

已知A、B兩點的經緯度，計算AB連線與真北的夾角η：

1）計算AB連線在北向的投影

其中，Eearth-地球曲率，Rearth-地球半徑，HB-B點絕對氣壓高度

2）計算AB連線在東向的投影

3）AB連線與真北夾角

1°若在北向投影 Xte＞0

2°若在北向投影 Xte＜0，且東向投影 Zte＞0

3°若在北向投影 Xte＜0，且東向投影 Zte＜0

4°若在北向投影Xte=0，且東向投影Zte=0

5°若在北向投影 Xte=0，且東向投影 Zte＞0

6°若在北向投影 Xte=0，且東向投影 Zte＜0

ε即為當前飛機偏差跑道的夾角，在目視著陸方式下的方位偏差指示根據ε進行顯示：

2.2 下滑偏差指引

圖4中，h取無線電高度，β即為飛機的下滑角：

其中，DAB-A、B兩點之間的距離，計算方法如下：

1）計算即時位置公用因子

2）飛機即時位置A對應海平面位置在球面坐標中的 X、Y、Z 值

其中，HA-A點絕對氣壓高度

3）機場著陸點位置B對應海平面位置在球面坐標中的 X、Y、Z 值

4）計算A、B之間距離

在目視著陸方式下，下滑偏差指引根據β與機場預置下滑道α的偏差λ進行顯示：

2.3 逆向著陸的方位偏差、下滑偏差解算

機場的實際航向需要根據加載的預置航向進行計算，跑道著陸點的經緯度也需要通過加載的著陸經緯度和跑道長度進行計算，具體計算如下：

1）方位指引

根據式（9）ε=η-θ′進行方位指引（θ′為機場反向著陸時的航道方向），其中θ′=機場預置航向δ+磁差δ′+180°。

2）下滑指引

（1）計算因子

（2）計算 B′緯度

（3）計算 B′經度

其中，L-機場跑道長度，γ-機場跑道與真北的夾角∈(-π，π] 。

通過相應坐標系轉換，將方位偏差ε與下滑偏差λ映射到飛機顯示器上，指引飛行員操縱飛機按照預定的路線進行著陸。

3 誤差分析

結合機載儀表測量精度，目視著陸時，使用該方法的航向指引和下滑指引的極限誤差進行分析。

1）方位指引的合成誤差

方位指引方程式為 ε=θ-η=(δ+δ′)-η，因此方位指引的合成誤差為：

2）下滑指引的合成誤差

式（20）中，(Δlon)max為慣導經度測量的極限誤差，(Δlat)max為慣導緯度測量的極限誤差，(Δh)max為高度表測量的極限誤差。

基于INS/RA組合導航的著陸指引算法與慣導定位的精度和無線電測高的精度是密切相關的，鑒于現代飛機的慣導系統及無線電高度表的精度較高，本文在這里不進行深入探討。

4 結語

本文利用現代戰斗機普遍裝配的慣導系統與無線電高度表測得的位置與高度信息，經過計算獲得飛機進場的相關指引數據，這種結合飛機自身設備所實現的著陸指引，能夠在復雜環境下輔助飛行員實現目視著陸，消除了以往飛行員依靠經驗和塔臺指揮著陸的弊端，具有非常高的著陸自主性和效率。該算法已經在某型飛機上實現，效果良好，且成本較低，可以為航電系統的設計人員提供參考與借鑒。