基于RNP運(yùn)行的機(jī)載綜合導(dǎo)航系統(tǒng)的架構(gòu)和功能分析研究

宗軍耀+鄭智明+張琛

摘要：在民用飛機(jī)中，研究基于所需導(dǎo)航性能（RNP）運(yùn)行的機(jī)載綜合導(dǎo)航多傳感器信息融合技術(shù)，可以達(dá)到充分利用現(xiàn)有資源實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航信息高精度、高可靠性輸出的目的。同時(shí)，在導(dǎo)航信息融合的基礎(chǔ)上，研究導(dǎo)航信息的管理、監(jiān)測(cè)與評(píng)估技術(shù)，可以在早期發(fā)現(xiàn)導(dǎo)航傳感器的故障，保障導(dǎo)航系統(tǒng)的完好性，對(duì)導(dǎo)航性能進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視和告警，實(shí)現(xiàn)對(duì)故障系統(tǒng)的實(shí)時(shí)處理和完好信息的合理利用。

關(guān)鍵詞：綜合導(dǎo)航；RNP；導(dǎo)航信息管理；監(jiān)測(cè)；評(píng)估；傳感器

中圖分類號(hào)：U213 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2014）25-0007-02

機(jī)載綜合導(dǎo)航系統(tǒng)就像飛機(jī)的“眼睛”，時(shí)刻為飛機(jī)上重要系統(tǒng)[如：飛行管理系統(tǒng)（FMS）和飛行控制系統(tǒng)（FCS）等]提供飛機(jī)位置、姿態(tài)、速度、航向等信息。因此，機(jī)載綜合導(dǎo)航系統(tǒng)的精度、完好性、連續(xù)性和可用性，將直接影響飛機(jī)是否能夠正常運(yùn)行。本章將首先對(duì)民用飛機(jī)機(jī)載綜合導(dǎo)航系統(tǒng)的組成、信息傳遞等進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上對(duì)其性能監(jiān)測(cè)、性能評(píng)估與驗(yàn)證等技術(shù)進(jìn)行描述。

1 機(jī)載綜合導(dǎo)航系統(tǒng)的組成架構(gòu)

隨著新航行系統(tǒng)的發(fā)展，機(jī)載綜合導(dǎo)航系統(tǒng)的功能在不斷地依據(jù)需求而擴(kuò)展。最新機(jī)載綜合導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)是：支持RNP運(yùn)行，滿足其功能需求；提升機(jī)載性能計(jì)算功能；系統(tǒng)具有更好的通用性；可滿足未來通信導(dǎo)航監(jiān)視/空中交通管理（CNS/ATM）功能增長的需求。

典型的民用飛機(jī)機(jī)載綜合導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)備配置如下：（1）3套慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)（IRS）；（2）3套大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)（ADS）；（3）2套全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）；（4）2套甚高頻全向信標(biāo)（VOR）；（5）2套測(cè)距器（DME）；（6）2套飛行管理系統(tǒng)（FMS）。

綜合導(dǎo)航系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)以下功能：（1）導(dǎo)航傳感器的信息融合：接收來自不同的機(jī)載導(dǎo)航傳感器（ADS、IRS、GNSS、DME、VOR）的導(dǎo)航數(shù)據(jù)信息，利用傳感器信息融合技術(shù)來實(shí)時(shí)計(jì)算和評(píng)估飛機(jī)的最優(yōu)位置、速度、姿態(tài)、航向、航跡角等飛行狀態(tài)信息。（2）RNP導(dǎo)航：利用各導(dǎo)航傳感器的導(dǎo)航數(shù)據(jù)和信息融合技術(shù)，實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)載綜合導(dǎo)航系統(tǒng)的實(shí)際導(dǎo)航性能（ANP），將其與所需運(yùn)行的RNP值進(jìn)行比較，來評(píng)估機(jī)載導(dǎo)航系統(tǒng)的實(shí)際工作狀態(tài)。在ANP大于RNP值時(shí)，提供告警信息。（3）無線電導(dǎo)航調(diào)諧：對(duì)機(jī)載VOR和DME導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行管理。可以通過手動(dòng)輸入調(diào)諧指令來選擇VOR和DME導(dǎo)航臺(tái)，也可以自動(dòng)選擇最佳的VOR和DME導(dǎo)航臺(tái)。（4）導(dǎo)航模式管理：擁有人性化的操作界面，根據(jù)用戶設(shè)定和實(shí)際故障形式進(jìn)行導(dǎo)航傳感器組合模式的最優(yōu)選擇。

2 機(jī)載綜合導(dǎo)航系統(tǒng)的信息傳遞分析

導(dǎo)航功能應(yīng)給機(jī)組人員提供連續(xù)、實(shí)時(shí)、三維的導(dǎo)航輸出信息，包括：（1）飛機(jī)位置信息（經(jīng)度、緯度、高度）；（2）飛機(jī)速度；（3）偏航角（選擇）；（1）磁差（選擇）；（5）風(fēng)速和風(fēng)向；（6）時(shí)間；（7）RNP；（8）ANP。

導(dǎo)航過程中，IRS為FMS提供飛機(jī)當(dāng)時(shí)的位置、航向和速度等信息。隨著時(shí)間的推移，IRS位置誤差的累積會(huì)越來越大。因而，每隔一定的時(shí)間，需要用其他導(dǎo)航傳感器的信息對(duì)IRS的位置信息進(jìn)行修正。

一般采用GNSS與IRS產(chǎn)生的融合信號(hào)或者使用無線電導(dǎo)航系統(tǒng)VOR/DME的信息進(jìn)行綜合計(jì)算以獲得最高的準(zhǔn)確性。

基于RNP的綜合導(dǎo)航系統(tǒng)優(yōu)先使用GNSS/IRS組合導(dǎo)航信息，在GNSS喪失完整性或者GNSS不可用時(shí)，才會(huì)使用IRS與無線電導(dǎo)航模式（VOR/DME和DME/DME）的融合信息。

機(jī)載綜合導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)飛機(jī)位置計(jì)算、導(dǎo)航臺(tái)選擇、速度計(jì)算、GNSS/IRS數(shù)據(jù)融合、高度計(jì)算、溫度補(bǔ)償?shù)裙δ?。通過這些綜合計(jì)算，導(dǎo)航系統(tǒng)把計(jì)算的信息輸出給自動(dòng)駕駛儀（A/P）和顯示系統(tǒng)，以完成飛機(jī)的自動(dòng)飛行和駕駛員對(duì)飛機(jī)的監(jiān)控工作。

3 機(jī)載綜合導(dǎo)航系統(tǒng)信息處理功能描述與分析

安全問題是未來機(jī)載綜合導(dǎo)航系統(tǒng)研究實(shí)現(xiàn)的主要挑戰(zhàn)之一。隨著信息技術(shù)在綜合導(dǎo)航系統(tǒng)中越來越廣泛的應(yīng)用，信息安全將成為保證綜合導(dǎo)航系統(tǒng)按照預(yù)先設(shè)計(jì)的方案安全可靠、可控地運(yùn)行的關(guān)鍵問題之一。

機(jī)載綜合導(dǎo)航系統(tǒng)信息的精度與健康程度對(duì)整個(gè)飛行的性能有著決定性的影響。

3.1 機(jī)載綜合導(dǎo)航系統(tǒng)性能監(jiān)測(cè)功能描述與分析

在飛行過程中，機(jī)載綜合導(dǎo)航系統(tǒng)根據(jù)各導(dǎo)航子系統(tǒng)的可用性及具體飛行階段把IRS、ADS、GNSS和無線電導(dǎo)航系統(tǒng)等提供的數(shù)據(jù)加以處理，實(shí)現(xiàn)精確導(dǎo)航和導(dǎo)引。

機(jī)載綜合導(dǎo)航系統(tǒng)在對(duì)導(dǎo)航信息進(jìn)行處理的過程中，除了為得到高精度信息而做的信息融合處理外，還需對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)信息的性能進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以保證輸出導(dǎo)航信息的可靠性。

導(dǎo)航系統(tǒng)的性能監(jiān)測(cè)主要包括：（1）IRS的多冗余表決；（2）IRS的性能監(jiān)測(cè)，包括無外部信息輔助與有外部信息輔助方法；（3）IRS故障排除；（4）GNSS導(dǎo)航系統(tǒng)自主完好性監(jiān)測(cè)，包括接收機(jī)自主完好性監(jiān)控（RAIM）技術(shù)與航空器自主完好性監(jiān)控（AAIM）技術(shù)。

在機(jī)載綜合導(dǎo)航系統(tǒng)完成性能監(jiān)測(cè)后，需根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)導(dǎo)航綜合信息進(jìn)行處理，其主要包括：（1）機(jī)載綜合導(dǎo)航系統(tǒng)性能評(píng)估與驗(yàn)證，包括實(shí)際導(dǎo)航性能ANP的評(píng)估及導(dǎo)航系統(tǒng)的可用性與連續(xù)性的驗(yàn)證；（2）機(jī)載綜合導(dǎo)航系統(tǒng)性能監(jiān)視和告警，包括水平通道與垂直通道。

3.2 機(jī)載綜合導(dǎo)航系統(tǒng)性能評(píng)估功能描述與分析

在RNP運(yùn)行時(shí)，為了確保飛機(jī)準(zhǔn)確安全地飛行在RNP程序上，機(jī)載綜合導(dǎo)航系統(tǒng)需要對(duì)飛機(jī)的實(shí)時(shí)性能進(jìn)行評(píng)估，包括機(jī)載導(dǎo)航系統(tǒng)的精度、完好性、可用性和連續(xù)性。

精度（Accuracy）：是指估算位置與實(shí)際位置之間的差異。導(dǎo)航性能的精度通常用系統(tǒng)誤差的統(tǒng)計(jì)值來表示。對(duì)某一特定點(diǎn)，在大于95%的概率下，估算位置在誤差范圍內(nèi)。

完好性（Integrity）：是對(duì)機(jī)載導(dǎo)航系統(tǒng)提供信息的準(zhǔn)確度的可信程度的度量。具有當(dāng)機(jī)載導(dǎo)航系統(tǒng)不可用時(shí)，向機(jī)組提供及時(shí)和有效的告警功能。

連續(xù)性（Continuity）：機(jī)載導(dǎo)航系統(tǒng)不出現(xiàn)非正常中斷的安全平穩(wěn)的連續(xù)運(yùn)行能力。

可用性（Availability）：機(jī)載導(dǎo)航系統(tǒng)能提供可靠導(dǎo)航信息的能力。通常定義為系統(tǒng)功能能夠正常運(yùn)行的時(shí)間所占的比例。

4 總結(jié)

本文針對(duì)機(jī)載綜合導(dǎo)航系統(tǒng)組成架構(gòu)及其功能進(jìn)行了分析和研究，重點(diǎn)對(duì)導(dǎo)航綜合信息的傳遞進(jìn)行了分析，針對(duì)機(jī)載綜合導(dǎo)航系統(tǒng)的性能監(jiān)測(cè)需求，設(shè)計(jì)了導(dǎo)航綜合信息的性能監(jiān)測(cè)、評(píng)估與驗(yàn)證技術(shù)的方案，為機(jī)載綜合導(dǎo)航系統(tǒng)的性能監(jiān)測(cè)、評(píng)估與驗(yàn)證以及性能告警等功能的實(shí)現(xiàn)提供參考。

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