民用航空中組合導(dǎo)航的應(yīng)用研究

寧方清（江南機(jī)電設(shè)計(jì)研究所，貴州貴陽(yáng)，550009）

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民用航空中組合導(dǎo)航的應(yīng)用研究

寧方清
（江南機(jī)電設(shè)計(jì)研究所，貴州貴陽(yáng)，550009）

本文首先分別介紹慣性導(dǎo)航與衛(wèi)星導(dǎo)航兩者的優(yōu)缺點(diǎn)，隨后提到當(dāng)前我國(guó)民航系統(tǒng)使用組合導(dǎo)航的必要性，最后介紹組合導(dǎo)航的特點(diǎn)，通過(guò)本文的研究，以期能夠?yàn)槲覈?guó)民用航空應(yīng)用組合導(dǎo)航提供一定的借鑒。

民用航空；組合導(dǎo)航；慣性導(dǎo)航；衛(wèi)星導(dǎo)航；應(yīng)用

1　衛(wèi)星導(dǎo)航與慣性導(dǎo)航的優(yōu)缺點(diǎn)

根據(jù)導(dǎo)航方法這一層面進(jìn)行分析，如今能夠應(yīng)用的導(dǎo)航系統(tǒng)能夠劃分成衛(wèi)星導(dǎo)航與慣性導(dǎo)航這兩種類型系統(tǒng)。INS與計(jì)程儀這是屬于慣性導(dǎo)航的范疇之內(nèi)。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)可以直接測(cè)量的參數(shù)為姿態(tài)角、速度、運(yùn)動(dòng)加速度等，憑借航跡能夠?qū)⑤d體和地球兩者之間存在的經(jīng)緯度、高程、相對(duì)速度等載體航行必須的信號(hào)推算出來(lái)。慣性導(dǎo)航這是一種特別重要的自助式導(dǎo)航，其存在著相應(yīng)的優(yōu)缺點(diǎn)。慣性導(dǎo)航這是主要導(dǎo)航子系統(tǒng)的組合導(dǎo)航，這主要是將慣性導(dǎo)航優(yōu)勢(shì)充分發(fā)揮，與此同時(shí)通過(guò)別的導(dǎo)航系統(tǒng)將慣性導(dǎo)航弊端有效克服，獲得可靠性與精度比較高的導(dǎo)航參數(shù)，慣性導(dǎo)航在航海、航天、航空等發(fā)揮而別重要作用。

慣性導(dǎo)航其所具備的優(yōu)點(diǎn)為：從時(shí)間上是連續(xù)導(dǎo)航信號(hào)，并不發(fā)射與接受電磁波，那么電子對(duì)其不會(huì)造成干擾，擁有絕對(duì)的隱蔽性與自主性，具備最全面導(dǎo)航參數(shù)。慣性導(dǎo)航相應(yīng)也具備以下的缺點(diǎn)：受到漂移的陀螺儀的影響，使得累積導(dǎo)航信號(hào)誤差，并且在時(shí)間的增長(zhǎng)而增大導(dǎo)航信號(hào)誤差，另外導(dǎo)航系統(tǒng)的測(cè)量載體運(yùn)行參數(shù)信號(hào)器擁有比較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，相對(duì)價(jià)格也比較高。

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)安裝在現(xiàn)代的運(yùn)輸機(jī)與噴氣式客機(jī)當(dāng)中，如果飛行處于相對(duì)平穩(wěn)航線，那么可能在失去衛(wèi)星導(dǎo)航修正更新之后，在隨后的一段時(shí)間內(nèi)還可以繼續(xù)提供安全導(dǎo)航，可是這就要看飛行執(zhí)行的操作與航路。這樣的能力在部分狀況下完全可以讓飛機(jī)飛出當(dāng)?shù)馗蓴_區(qū)。如果處于很高云底與良好能見度的時(shí)候能夠通過(guò)目測(cè)規(guī)劃飛機(jī)繼續(xù)飛行。可是如果失去更新衛(wèi)星導(dǎo)航的情況慣性導(dǎo)航由于時(shí)間的推移而出現(xiàn)變差，最終不會(huì)將空域要求滿足。直接定位導(dǎo)航這種方法可以無(wú)限延長(zhǎng)定位誤差，可是從時(shí)間是不連續(xù)的導(dǎo)航信號(hào)，也不可以提供載體的姿態(tài)角信號(hào)，也比較容易受到自然與人為電磁干擾。

2　民航系統(tǒng)推行組合導(dǎo)航必要性

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相對(duì)來(lái)說(shuō)比較復(fù)雜，這與別的系統(tǒng)一樣都存在可能出現(xiàn)故障，部分故障能夠特別快檢測(cè)，向用戶及時(shí)通知，可是有些時(shí)候不能檢驗(yàn)出故障，即便衛(wèi)星發(fā)射錯(cuò)誤情況比較少，然而從民航角度也并不能接受這種情況。從慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的角度來(lái)看，受到制造工藝限制，要想將其精度提升特別困難，換句話說(shuō)，為了將微小慣性儀表精度提升，其代價(jià)往往特別大。針對(duì)這樣的情況，在高精度慣性導(dǎo)航系統(tǒng)持續(xù)發(fā)展的過(guò)程當(dāng)中，各個(gè)國(guó)家發(fā)展導(dǎo)航系統(tǒng)的重點(diǎn)則是組合導(dǎo)航，現(xiàn)階段最具有應(yīng)用前景的組合導(dǎo)航系統(tǒng)則是慣性衛(wèi)星組合導(dǎo)航系統(tǒng)。從整個(gè)世界范圍來(lái)看，最為先進(jìn)的導(dǎo)航系統(tǒng)則是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)與衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。這兩個(gè)系統(tǒng)各自存在著其優(yōu)點(diǎn)，并不能將其中一個(gè)予以替代，現(xiàn)代衛(wèi)星系統(tǒng)擁有比較高的定位，然而尚未可以連續(xù)提供運(yùn)載位置信號(hào)。而且在這一過(guò)程當(dāng)中，載體劇烈運(yùn)動(dòng)或者全球定位導(dǎo)航系統(tǒng)特別低的信噪比的時(shí)候，極大降低導(dǎo)航精度。通過(guò)有效組合慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和衛(wèi)星定位系統(tǒng)，不但可以將慣性導(dǎo)航位置與速度信息精度極大改善，還能夠估計(jì)出慣性平臺(tái)姿態(tài)與陀螺漂移等誤差量，使得慣性導(dǎo)航系統(tǒng)性能有效改善。另外通過(guò)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)提供的速度等信息的有效利用，還能夠?qū)⑿l(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)跟蹤回路截獲與鎖定信號(hào)能力極大提升。

3　組合導(dǎo)航特征

正是在近代導(dǎo)航技術(shù)與理論高速發(fā)展而產(chǎn)生組合導(dǎo)航，不管是哪一種單一導(dǎo)航都會(huì)存在相應(yīng)的優(yōu)缺點(diǎn)。各個(gè)國(guó)家研究組合導(dǎo)航的一個(gè)重要就是組合導(dǎo)航的導(dǎo)航參數(shù)估計(jì)方法，這種方法也是實(shí)現(xiàn)高精度組合導(dǎo)航的一條途徑。通過(guò)將衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)這兩者組合導(dǎo)航當(dāng)成例子，通過(guò)衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)做好慣性導(dǎo)航的調(diào)整，以便能夠?qū)T性導(dǎo)航系統(tǒng)漂移予以限制，導(dǎo)致系統(tǒng)精度處于衛(wèi)星導(dǎo)航誤差范圍之內(nèi)。從當(dāng)前的情況來(lái)看，各個(gè)國(guó)家往往通過(guò)卡爾曼濾波估計(jì)導(dǎo)航系統(tǒng)最優(yōu)或者次優(yōu)狀態(tài)。通過(guò)衛(wèi)星導(dǎo)航定位信號(hào)的作用發(fā)揮，憑借最優(yōu)估計(jì)算法，那么在導(dǎo)航計(jì)算機(jī)當(dāng)中能夠周期性的將陀螺儀與加速度計(jì)誤差周期性補(bǔ)償，以便隨著時(shí)間增長(zhǎng)而加大慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的定位誤差。而且在這一過(guò)程當(dāng)中，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在受到干擾丟失衛(wèi)星導(dǎo)航信息的比較短的時(shí)間范圍內(nèi)能夠提供準(zhǔn)確位置與速度信號(hào)，還能夠?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)比較快的做好導(dǎo)航衛(wèi)星的重新捕獲提供幫助。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在

二十世紀(jì)九十年代逐步發(fā)展成高精度導(dǎo)航基礎(chǔ)。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)有效組合系統(tǒng)在進(jìn)行定位精度保證中，當(dāng)借助不同誤差進(jìn)行間隔時(shí)間修正，那么就會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)特別大的加速度計(jì)與陀螺儀性能要求。考慮在不同載體處于可靠性、工作時(shí)間、價(jià)格、精度等特別大的導(dǎo)航系統(tǒng)要求差別，那么在進(jìn)行組合導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，往往可以采取以下組合導(dǎo)航方案。

一是獨(dú)立工作。這一方案就是可以獨(dú)立提供導(dǎo)航信號(hào)，其特征就是為了將衛(wèi)星導(dǎo)航與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的軟硬件并不要求進(jìn)行改變，存在相應(yīng)的冗余。

二是松散組合。這一方案并不改變衛(wèi)星導(dǎo)航與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)軟硬件，可是應(yīng)該增加一臺(tái)導(dǎo)航計(jì)算機(jī)。而且在這一過(guò)程當(dāng)中，應(yīng)該將一臺(tái)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的kalman濾波器增加在衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)。這一方案主要存在單獨(dú)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、單獨(dú)的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、衛(wèi)星導(dǎo)航與慣性導(dǎo)航組合系統(tǒng)三種輸出信號(hào)。根據(jù)對(duì)這一方案進(jìn)行分析，各個(gè)分系統(tǒng)主要存在以下的功能：慣性導(dǎo)航提供姿態(tài)角、速度、姿態(tài)角變化速率、加速度、位置等參數(shù)，衛(wèi)星導(dǎo)航提供時(shí)鐘漂移、加速度、位置、時(shí)鐘偏差、速度等參數(shù)，組合導(dǎo)航計(jì)算機(jī)提供加速度計(jì)、姿態(tài)角、陀螺儀修正量以及速度、位置等。

三是緊密組合。美國(guó)幾家生產(chǎn)激光陀螺慣性導(dǎo)航系統(tǒng)公司公司實(shí)施這一方案，在一個(gè)機(jī)箱當(dāng)中組裝慣性導(dǎo)航、組合導(dǎo)航計(jì)算機(jī)、多通道衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)，做好配套軟件開發(fā)，構(gòu)成嵌入式慣性導(dǎo)航與衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。這一系統(tǒng)其優(yōu)勢(shì)則是尚未單獨(dú)提升導(dǎo)航精度，在這一過(guò)程當(dāng)中還會(huì)將衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)所具備的抗電子干擾能力提升。如果短時(shí)間中斷衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)，組合系統(tǒng)還可以繼續(xù)工作，另外還能夠特別快的將導(dǎo)航衛(wèi)星找到。為此，這一方案應(yīng)用在特別多的高精度導(dǎo)航領(lǐng)域。比如實(shí)施合成孔徑雷達(dá)飛機(jī)當(dāng)中，要想將目標(biāo)位置確定，應(yīng)該具備準(zhǔn)確速度信號(hào)，通過(guò)這一指導(dǎo)系統(tǒng)發(fā)揮，除此之外，這一方案還應(yīng)用在飛機(jī)著陸系統(tǒng)。

四是深度組合。這一方案類似于衛(wèi)星導(dǎo)航與慣性導(dǎo)航、緊密組合的系統(tǒng)，其所存在的差別據(jù)說(shuō)將衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)當(dāng)中的載波跟蹤回路與電碼予以取消，這就能夠?qū)尉嗯c變化速率估計(jì)的不穩(wěn)定問(wèn)題有效預(yù)防。如果提升計(jì)算機(jī)快速性，那么就應(yīng)該對(duì)深度發(fā)展組合的衛(wèi)星導(dǎo)航與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)高度重視。

4　結(jié)束語(yǔ)

總而言之，在民航當(dāng)中應(yīng)用各種不同深度組合的衛(wèi)星導(dǎo)航與慣性導(dǎo)航組合導(dǎo)航系統(tǒng)，這也為發(fā)展我國(guó)民航事業(yè)開拓廣泛前景。當(dāng)前主要發(fā)展導(dǎo)航定位技術(shù)的一個(gè)趨勢(shì)就是組合導(dǎo)航系統(tǒng)，并且也廣泛的應(yīng)用在民航領(lǐng)域。然而導(dǎo)航技術(shù)長(zhǎng)期保持著發(fā)展，在發(fā)展的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)條件下，這也就將新的手段和方法提供給導(dǎo)航技術(shù)，而且在這一過(guò)程將新的要求提出給導(dǎo)航技術(shù)，為進(jìn)一步發(fā)展導(dǎo)航技術(shù)起到促進(jìn)與推動(dòng)。

［1］ 焦竹青，姜成飛，戎海龍，馬正華.小型無(wú)人機(jī)組合導(dǎo)航系統(tǒng)的姿態(tài)確定方法研究［J］.常州大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）.2016（03）

［2］ 江杰，高超，虞麗娜.權(quán)值動(dòng)態(tài)分配的加權(quán)平均法在姿態(tài)解算中的應(yīng)用［J］.航空制造技術(shù).2016（11）

Application Research of integrated navigation in Civil Aviation

Ning Fangqing
（Jiangnan mechanical and Electrical Design Institute，Guiyang Guizhou，550009）

This paper first describes the advantages and disadvantages of inertial navigation and satellite navigation both，then referred to China's civil aviation system is currently using the necessity of integrated navigation，finally introduces the characteristics of integrated navigation，through the study of this paper，in order to provide some reference for China's civil aviation application integrated navigation.

civil aviation；integrated navigation；inertial navigation；satellite navigation；application