多傳感器融合組合導航技術研究

余亮++耿翔翔

摘 要：該文對民用飛機組合導航系統多傳感器器技術進行了研究，提出了一種在飛行管理系統內按照各種導航設備定位精度的順序，實現包括了全球導航衛星系統（GNSS）、慣性基準系統（IRS）、甚高頻全向信標（VOR）、測距器（DME）等機載設備的多傳感器融合方法，為國產民機機載航電系統研制提供參考。

關鍵詞：多傳感器 組合導航 民用飛機

中圖分類號：TP274. 2 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）09（a）-0021-01

近年來，隨著GPS、格洛納斯、伽利略和北斗全球導航衛星系統的日益完善，以飛行管理系統為核心的民用飛機機載導航設備對GNSS的依賴程度逐漸增大，特別是CAAC近年發布的PBN實施路線圖要求機載導航系統逐步向RNP技術全面過渡。然而作為PBN導航技術核心定位源的GNSS有著一系列先天不足，在某些特定情況下，滿足不了PBN對導航精度和連續性的較高要求，因此民用飛機必須采用多傳感器融合的導航技術，提高瞬時定位精度以及GNSS不可用的情況下的導航能力。

1 多傳感器組合導航技術

作為民用飛機機載航電系統的重要組成部分，機載導航設備為飛機提供全天候實時的高精度位置定位、飛行導引和完好性監控，其組成包括飛行管理系統（FMS）、全球導航衛星系統（GNSS）、慣性基準系統（IRS）、甚高頻全向信標（VOR）、測距器（DME）等設備。[1]

導航系統的核心是飛行管理系統，它是一臺具備各種復雜導航算法的高性能計算機，將其他導航設備發送的導航數據經過組合導航算法綜合處理后得出飛機精確位置，并依據飛行員編制的飛行計劃給出指引指令，引導飛機沿著既定航線飛行，取代了傳統領航員的作用，大量減輕了飛行員的負擔。因此，作為計算性能最強和接收信息最全的FMS理所當然是多傳感器組合導航技術的實施主體。[2]

以GPS為主的GNSS是一種覆蓋全球的無源定位系統，通過接收機接收來自至少4顆衛星發出的時鐘信號和星歷，計算傳播延時實現高精度自主實時定位，不依賴地面導航設施，在偏遠地區和洋面飛行時具有突出優點，但也會受到可用衛星個數、衛星幾何分布、空間射線干擾和地面地形遮蔽等因素影響，難以獨自滿足PBN對導航信號連續性的高要求。[3]

VOR/DME是傳統的路基導航設施，通過接收地面臺站發出的甚高頻無線電信號結算成相對臺站的方位和距離信息，結合已知的臺站位置實現定位，性能可靠、便于使用，但是具有技術水平落后、導航精度不高和無法覆蓋偏遠山區和洋面的缺陷。

在所有的導航子系統中，慣性系統能提供的信息最全，且自主性、連續性、短期穩定性好，因此在整個區域或航路導航中始終以慣性導航系統作為基本導航手段，其它導航子系統（特別是GNSS）作為輔助手段以改善慣性系統的長期穩定性，保證導航性能符合所需導航性能要求。

導航系統的組合一般有兩種基本方法：

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

（2）最優估計法。即采用現代控制理論中的最優估計法（卡爾曼濾波算法），從概率統計最優的角度估計出系統誤差并消除之。

由于各子系統的誤差源和量測中引入的誤差都是隨機的，所以第二種方法遠優于第一種方法，卡爾曼濾波器也成為組合導航系統中最常用的算法。[4]

由于GNSS定位的高精度和實時性，采用IRS/GNSS為主用組合導航算法，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。具體是用慣導和GPS輸出的位置之差作為量測值，經卡爾曼濾波器估計慣導系統的各項誤差，然后對慣導系統進行校正。偽距組合是一種復雜、緊密的信息綜合。慣導輸出位置結合GPS可見衛星位置，可以求出相應的計算距離，然后將之與GPS測量得到的距離之差作為量測值，通過卡爾曼濾波器估計慣導系統和GPS的誤差量，然后進行反饋校正。在各IRS內部進行閉環修正，IRS系統的速度和姿態誤差趨于收斂，即組合導航可以準確估計IRS的速度和姿態誤差。在IRS/GPS組合導航狀態，不使用氣壓高度進行高度阻尼，對GPS位置噪聲有明顯的抑制作用。[4]

在GNSS不可用的情況下（接收機故障或不滿足信號接收要求），可采用IRS/無線電組合導航，包含IRS/DME/DME和IRS/VOR/DME這2種組合方式。IRS/無線電組合在飛行管理控制系統中進行，僅進行開環校正，目的在于對無線電推算的位置噪聲進行抑制，經過對當前組合系統的性能評估，如當前狀態位置精度明顯優于即將引入的校準系統精度，則將延遲其進入組合狀態的時間。

由于DME/DME定位精度由于VOR/DME，因此當DME臺站信號良好且數量大于2時，可優先采用IRS/DME/DME組合導航，此方法基于雙斜距組合方式，將DME斜距的測量誤差看作由偏置誤差和測量噪聲誤差構成，偏置誤差與被測距離的遠近有關，因此用刻度因子誤差來描述。在構造量測前還需進行交會角判斷。利用兩套DME系統來確定飛機位置的定位誤差卻因飛機與兩個地面臺相對位置的不同而有較大的差異，當交會角為90°時，測距誤差造成的定位誤差區最小，為正方形；交會角大于90°，定位誤差區域增大為菱形；若交會角接近180°，則定位誤差最大。因此，在交會角在30°～150°時可采用此方法。

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，盡管多數情況下VOR/DME地面臺站是布置在同一位置的。將VOR、DME的方位和斜距測量誤差看作由偏置誤差和測量噪聲誤差構成，而DME的偏置誤差與被測距離的遠近有關，因此用刻度因子誤差來描述。[4]

2 結語

隨著航空電子技術的日新月異，以及未來對PBN技術導航精度和連續性的要求日益提高，民用飛機采用多傳感器組合導航技術將成為主流，本文提出一種在FMS內部按照設備可用狀態優先級實現IRS/GNSS、IRS/DME/DME、IRS/VOR/DME組合導航技術方法，可獲得較為理想的導航精度和連續性。

參考文獻

[1] 欽慶生.飛行管理計算機系統[M].國防工業出版社，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] 西北工業大學自動化學院.組合導航技術研究[Z].2010.