飛機著陸導航定位技術研究

張芳芳

摘 要：航空導航是指在復雜的氣象條件下，按照一定時間把飛行器安全可靠的引導到預定目的地。我國幅員遼闊，氣候復雜，所以保證飛機在復雜天氣安全著陸能夠提高空軍的作戰能力。導航是通過測量運動載體位置、速度和姿態等航行參數，引導運動載體安全、可靠地按預定軌道飛行。論文首先簡要介紹了飛機著陸的相關基礎知識，然后對導航定位系統的硬件和軟件兩個方面的設計進行簡要分析，希望為飛機的安全著陸提供保證。

關鍵詞：飛機著陸 導航 定位技術

1、飛機著陸導航定位發展現狀

目前，飛機進近和降落時主要利用全球定位系統（Global Position System，GPS），慣性導航系統（Inertial Navigation System，INS），儀表著陸系統（Instrument Landing System，

ILS）和微波著陸系統（Microwave Landing System，MLS）進行導航。

慣性導航系統因為其獨特的導航原理，使得該系統可以運行在幾乎所有的環境中，空中，地面，水下甚至太空。但慣性導航系統成本高，其導航原理也決定了它具有累計誤差的缺點，誤差會隨著時間的增長而越來越大，所以每隔一段時間都要進行校對。

全球定位系統可在地球的大部分地區提供實時的定位和導航服務。該系統起始于1958年美國的一個軍方項目，新一代的衛星導航系統由美國政府于上世紀70年代開始進行研制并于1994年全面建成。需要該服務的使用者只需擁有GPS接收機即可全球定位系統與慣性導航系統一起組成INS/GPS組合導航系統，這是目前傳統導航方式領域里研究最多最成熟的系統。它具有精度較高使用簡單等特點，但它對他國的依賴性強，只能作為一種和平條件下的導航方式。

儀表著陸系統主要由方向引導系統，距離參考系統和目視參考系統等組成，可在空中建立一條虛擬路徑，是目前應用最為廣泛的飛機精密進近和著陸引導系統。它能在如低云、低能見度等惡劣氣象條件下提供精確的導航信息；缺點是：只能提供一條進場著陸航道，通道提供的數量少。

2、飛機著陸的過程

2.1進場

進場是指將飛機從現有航路引導到下滑路徑的入口，也就是說將飛機從機場遠空引導到離機場30公里的地方，以保證飛機能夠接受完整的下滑設備發出的的信號。這個過程的引導主要靠多種導航設備配合完成。

2.2下滑

下滑是指飛機沿預定的下滑線運動到決斷高度的過程。

2.3拉平

拉平是飛行員降低飛機下滑速率的一種常用操作。它可以在飛機達到決斷高度處實施。拉平后，飛機會沿著原軌跡以更小的速率繼續下滑。由于不同種類飛機的下滑角度不同，所以為了適應機場的跑道情況，相對應飛機的拉平高度也不同。以民用噴氣式飛機為例，拉平高度約為9米。

拉平后，飛機減速飄落，最后到達著陸地點。微波著陸系統是唯一具有拉平引導功能的著陸系統，飛行員要根據高度表和地平儀的顯示數據來完成拉平操縱。

2.4接地和滑跑

接地和滑跑是飛機著陸的最后階段，整個過程是從飛機機輪著地開始滑行，直到轉出跑道停在停機坪指定位置。為了便于飛行員識別，同時保證飛機安全滑行，許多機場都在著陸地點兩側鋪設“T"型白布，這樣能夠給飛機以多余的速度緩沖，避免沖出跑道。

3、導航系統的總體結構

組合導航系統的核心部分是導航處理中心，負責導航信息的融合和解算。主要的測量器件是DGPS接收機和INS（慣導系統），其中慣導系統包括陀螺儀和加速度計。系統工作原理是利用雙天線DGPS接收機提高GPS的定位精度，DGPS接收機將所測得定位數據修正后，將飛機位置、速度、高度等信息傳遞給導航處理機，同時慣導系統將陀螺儀和加速度計測量的數據傳輸給導航處理機進行捷聯解算，并且和DGPS數據進行信息融合，然后在顯示器顯示飛機的位置、速度、高度、姿態等導航數據。

3.1系統的硬件組成

3.1.1GPS導航模塊

GPS模塊采用DGPS接收機，雙天線的差分結構提供修正信息以提高GPS定位精度，達到飛機導航定位的要求。

3.1.2慣性導航模塊

慣性導航模塊主要是指慣性測量器件，它包括陀螺儀、加速度計兩部分。陀螺儀敏感角速度信號，加速度計則敏感線速度信號了。本文采用三個獨立的光纖陀螺儀，分別安裝在對應載體坐標系的東北天三軸方向。加速度計采用三個石英撓性加速度計，安裝方法同陀螺儀。光纖陀螺儀從閉環信號處理板傳輸來的數據已經是數字式的，可以直接傳輸；加速度計需要模數轉換建立傳輸通道。

3.1.3溫度補償模塊

由于光纖陀螺的測量精度隨著溫度的增加會有所降低，所以采取溫度補償的方式減小熱噪聲的影響。系統安裝了四個溫度傳感器，其中三個裝在光纖環內部，還有一個裝在陀螺的殼體外部，整個溫度的采集是通過FPGA芯片分時采集四路溫度數據，最后輸送給DSP處理。

3.1.4數據融合與解算模塊

數據融合和解算是整個導航系統的核心，DGPS和慣性導航的數據傳輸由FPGA芯片完成，因為FPGA適合大量高速數據處理，可作為傳輸數據接口。DSP適合高速數據的融合和解算，所以負責組合系統的管理和控制任務。通過采用高速的FPGA和DSP芯片可以滿足系統高精度和實時導航的要求。

3.1.5數據顯示模塊

它包括顯示器，主要作用是顯示導航信息。DGPS接收機和慣導系統經過組合解算后得到的位置、速度、高度、姿態等導航數據要求顯示在顯示器土。解算后的導航數據必須實時準確地顯示在顯示器上，它是整個組合導航系統與外界聯系的界面。

3.2導航系統的軟件設計

3.2.1組合導航定位軟件設計

根據實際需求，組合導航軟件系統需要實現以下功能：

1）初始化DSP，設置系統所用的中斷。

2）采集DGPS接收機發送的導航數據，得到DGPS輸出的導航參數信息，解算出載體三維的速度和位置信息。

3）采集光纖陀螺儀和加速度計測量數據，由捷聯導航算法融合結算，最后求出所需要位置、速度等信息。

4）采集溫度傳感器的溫度數據，實時對光纖陀螺進行溫度補償。

5）融合DGPS和SINS輸出的導航數據信息。

6）組合系統的導航信息輸出在顯示器上，同時與預定的著陸軌跡進行比較，把飛機的位置、速度、姿態、高度等修正數也在顯示器上顯示。

3.2.2組合導航信息融合軟件流程設計

首先慣導系統初始化對準，使慣導系統的坐標系與導航坐標系重合，從而精確地確定姿態矩陣。然后分別采集陀螺儀和加速度計輸出的導航數據，并實時監控光纖陀螺儀的工作溫度，當溫度過高或偏低時采取溫度補償，減少溫度漂移影響。采集完的導航數據送入融合處理模塊執行捷聯導航算法。處理后的慣導系統監測的飛機運動參數通過輸出校正的方式與DGPS數據融合，建立組合系統的狀態方程和觀測方程。

綜上所述，隨著導航技術的不斷發展，單一的導航系統己不能滿足系統的綜合需求，組合導航系統成為主要的發展趨勢。因此，對于飛機著陸導航定位系統來說，還應當深入的研究，從而提高定位技術的水平。

參考文獻

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