飛機綜合導航系統淺議

馬 麗 崔海東 崔文宏

(中航飛機研發中心，陜西 漢中 723000)

0 背景

隨著科學技術的發展，目前已有各種適用于飛機的導航系統，它們各自都有其優點和特色，但也有固有的不足之處。慣性導航系統具有自主性和輸出多種較高精度的導航參數(位置、速度、航向和姿態等)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，對精確導航來講，定位精度也不夠高，且工作范圍受地面臺覆蓋區域的限制；多普勒導航系統與慣導系統一樣，同屬航位推算類，從得到的地速信息去推算位置，誤差當然也是積累的，且多普勒系統必須采用外部航向信號，除非采用慣導系統輸出的較高精度的航向信息，否則飛機上其他航向設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年代發展起來的GPS全球定位系統，它的特點是定位和測速精度高，幾十米以內的定位精度以及基本上不受時間，地區的限制的特點，使得GPS在飛機導航系統中屬于佼佼者，但是，飛機的飛行動作，以及不能保證100%無故障率的空間衛星結構，總要影響GPS接收機對GPS信號的接收，且GPS接收機輸出信號的更新頻率一般等于1—2Hz，有時不能滿足飛機飛行控制對導航信號更新頻率的要求，致使在飛機上單獨使用GPS接收機的方案受到限制。

1 綜合導航系統

1.1 綜合導航系統介紹

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

目前廣泛采用的綜合導航系統是以慣性導航為主，綜合衛星導航,實現飛機遠距離自主導航與定位；通過無線電羅盤、塔康、組合接收設備，實時測定飛機與地面塔臺方位、距離等信息，實現飛機無線電區域導航與定位；通過大氣數據系統和捷聯航姿系統組成備份導航系統，提供飛機飛行必需的航向、姿態和高度信息；通過近地告警和空中交通告警及防撞系統提供告警信息。

綜合導航系統具有以下功能：

(1)協合功能：利用各種導航分系統的信息，形成分系統所不具備的導航功能；

(2)互補償功能：綜合后的導航系統功能雖然與各分系統的導航功能相同，但它們能夠綜合利用各分系統的特點，優勢互補，從而擴大了使用范圍，提高了導航精度；

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

1.2 綜合導航系統余度技術

在綜合導航系統中，單個的導航系統只相當于一個傳感器，單個的導航系統的余度技術，在綜合導航系統中只相當于傳感器級的余度。現代飛機對導航系統的精度和可靠性兩方面都提出了越來越高的要求，單靠提高部件的設計和制造來達到要求的精度和可靠性是十分有限的，特別對慣導系統，提高慣性敏感器件的設計和制造需要花費巨大的人力和財力，困難很大。隨著控制理論和計算機技術的發展，采用綜合導航系統能有效提高導航精度，采用余度技術來提高可靠性。

隨著對導航系統精度和可靠性的提高，綜合導航技術已向著多種(三種或三種以上)導航系統綜合，采用分散濾波技術的容錯綜合導航系統發展。在這種綜合導航系統中，把兩種導航系統綜合構成一個子系統，而多個子系統的輸出再用一個主濾波器進行一次綜合。這樣，數據進行兩級處理，進一步提高了導航精度；由于子系統可以有多套，即子系統是有余度的，因而提高了系統級的可靠性。

分散濾波理論及故障檢測技術的發展，為容錯綜合導航系統的設計提供了理論基礎。容錯綜合導航系統將是今后采用的標準導航模式、由此可以預計，容錯綜合導航系統將是現代導航技術發展的必然趨勢。

1.3 綜合導航系統特點

綜合導航系統利用多種設備提供的多重信息，取長補短，構成一個多功能、高精度的余度系統。其特點是：多種設備和多重信息源；高速大容量的微型計算機；卡爾曼濾波技術的廣泛應用；數字技術的發展降低了設備硬件成本；提供單個導航設備不能提供的信息；提高了系統的導航定位精度；精度選擇的工作方式提高了系統可用度。

例如對于GPS/慣性的綜合，其主要優點表現為：綜合后的導航精度高于兩個系統單獨工作的精度。對慣導系統可以實現慣性傳感器的校準、慣導系統的空中對準，慣導系統高度通道的穩定等，從而可以有效提高慣導系統的性能和精度；而對GPS系統，慣導系統的精度可以提高其跟蹤衛星的能力，提高接收機的動態特性和抗干擾性。另外,GPS/慣性綜合還可以實現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一體化，把GPS接收機放入慣導部件中，這樣使系統的體積、重量和成本都可以減少，且便于實現慣導和GPS的同步，減少非同步誤差。

2 發展展望

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

新航行系統(FANS)的推出是為了更加有效地使用現有空域以應對未來空中交通流量的增長。目前新航行系統(FANS)的某些部分已經實現，為了使其技術更加成熟，其他部分還需要數年時間。構成一個多傳感器系統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(FMS),將所有的必要功能進行綜合，并為機組人員提供合適的接口。

3 結論

現代飛機的性能不斷提高，所要完成的任務日益復雜，對高精度導航及其實現方法的需求變得日益突出。航空電子技術的迅猛發展，推動著綜合導航系統向多功能化、多模態化、數字化、綜合化以及智能化的方向發展。