飛機(jī)著陸導(dǎo)航定位技術(shù)研究

張芳芳

摘 要：航空導(dǎo)航是指在復(fù)雜的氣象條件下，按照一定時(shí)間把飛行器安全可靠的引導(dǎo)到預(yù)定目的地。我國(guó)幅員遼闊，氣候復(fù)雜，所以保證飛機(jī)在復(fù)雜天氣安全著陸能夠提高空軍的作戰(zhàn)能力。導(dǎo)航是通過(guò)測(cè)量運(yùn)動(dòng)載體位置、速度和姿態(tài)等航行參數(shù)，引導(dǎo)運(yùn)動(dòng)載體安全、可靠地按預(yù)定軌道飛行。論文首先簡(jiǎn)要介紹了飛機(jī)著陸的相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)，然后對(duì)導(dǎo)航定位系統(tǒng)的硬件和軟件兩個(gè)方面的設(shè)計(jì)進(jìn)行簡(jiǎn)要分析，希望為飛機(jī)的安全著陸提供保證。

關(guān)鍵詞：飛機(jī)著陸 導(dǎo)航 定位技術(shù)

1、飛機(jī)著陸導(dǎo)航定位發(fā)展現(xiàn)狀

目前，飛機(jī)進(jìn)近和降落時(shí)主要利用全球定位系統(tǒng)（Global Position System，GPS），慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（Inertial Navigation System，INS），儀表著陸系統(tǒng)（Instrument Landing System，

ILS）和微波著陸系統(tǒng)（Microwave Landing System，MLS）進(jìn)行導(dǎo)航。

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)因?yàn)槠洫?dú)特的導(dǎo)航原理，使得該系統(tǒng)可以運(yùn)行在幾乎所有的環(huán)境中，空中，地面，水下甚至太空。但慣性導(dǎo)航系統(tǒng)成本高，其導(dǎo)航原理也決定了它具有累計(jì)誤差的缺點(diǎn)，誤差會(huì)隨著時(shí)間的增長(zhǎng)而越來(lái)越大，所以每隔一段時(shí)間都要進(jìn)行校對(duì)。

全球定位系統(tǒng)可在地球的大部分地區(qū)提供實(shí)時(shí)的定位和導(dǎo)航服務(wù)。該系統(tǒng)起始于1958年美國(guó)的一個(gè)軍方項(xiàng)目，新一代的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由美國(guó)政府于上世紀(jì)70年代開始進(jìn)行研制并于1994年全面建成。需要該服務(wù)的使用者只需擁有GPS接收機(jī)即可全球定位系統(tǒng)與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)一起組成INS/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)，這是目前傳統(tǒng)導(dǎo)航方式領(lǐng)域里研究最多最成熟的系統(tǒng)。它具有精度較高使用簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，但它對(duì)他國(guó)的依賴性強(qiáng)，只能作為一種和平條件下的導(dǎo)航方式。

儀表著陸系統(tǒng)主要由方向引導(dǎo)系統(tǒng)，距離參考系統(tǒng)和目視參考系統(tǒng)等組成，可在空中建立一條虛擬路徑，是目前應(yīng)用最為廣泛的飛機(jī)精密進(jìn)近和著陸引導(dǎo)系統(tǒng)。它能在如低云、低能見度等惡劣氣象條件下提供精確的導(dǎo)航信息；缺點(diǎn)是：只能提供一條進(jìn)場(chǎng)著陸航道，通道提供的數(shù)量少。

2、飛機(jī)著陸的過(guò)程

2.1進(jìn)場(chǎng)

進(jìn)場(chǎng)是指將飛機(jī)從現(xiàn)有航路引導(dǎo)到下滑路徑的入口，也就是說(shuō)將飛機(jī)從機(jī)場(chǎng)遠(yuǎn)空引導(dǎo)到離機(jī)場(chǎng)30公里的地方，以保證飛機(jī)能夠接受完整的下滑設(shè)備發(fā)出的的信號(hào)。這個(gè)過(guò)程的引導(dǎo)主要靠多種導(dǎo)航設(shè)備配合完成。

2.2下滑

下滑是指飛機(jī)沿預(yù)定的下滑線運(yùn)動(dòng)到?jīng)Q斷高度的過(guò)程。

2.3拉平

拉平是飛行員降低飛機(jī)下滑速率的一種常用操作。它可以在飛機(jī)達(dá)到?jīng)Q斷高度處實(shí)施。拉平后，飛機(jī)會(huì)沿著原軌跡以更小的速率繼續(xù)下滑。由于不同種類飛機(jī)的下滑角度不同，所以為了適應(yīng)機(jī)場(chǎng)的跑道情況，相對(duì)應(yīng)飛機(jī)的拉平高度也不同。以民用噴氣式飛機(jī)為例，拉平高度約為9米。

拉平后，飛機(jī)減速飄落，最后到達(dá)著陸地點(diǎn)。微波著陸系統(tǒng)是唯一具有拉平引導(dǎo)功能的著陸系統(tǒng)，飛行員要根據(jù)高度表和地平儀的顯示數(shù)據(jù)來(lái)完成拉平操縱。

2.4接地和滑跑

接地和滑跑是飛機(jī)著陸的最后階段，整個(gè)過(guò)程是從飛機(jī)機(jī)輪著地開始滑行，直到轉(zhuǎn)出跑道停在停機(jī)坪指定位置。為了便于飛行員識(shí)別，同時(shí)保證飛機(jī)安全滑行，許多機(jī)場(chǎng)都在著陸地點(diǎn)兩側(cè)鋪設(shè)“T"型白布，這樣能夠給飛機(jī)以多余的速度緩沖，避免沖出跑道。

3、導(dǎo)航系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

組合導(dǎo)航系統(tǒng)的核心部分是導(dǎo)航處理中心，負(fù)責(zé)導(dǎo)航信息的融合和解算。主要的測(cè)量器件是DGPS接收機(jī)和INS（慣導(dǎo)系統(tǒng)），其中慣導(dǎo)系統(tǒng)包括陀螺儀和加速度計(jì)。系統(tǒng)工作原理是利用雙天線DGPS接收機(jī)提高GPS的定位精度，DGPS接收機(jī)將所測(cè)得定位數(shù)據(jù)修正后，將飛機(jī)位置、速度、高度等信息傳遞給導(dǎo)航處理機(jī)，同時(shí)慣導(dǎo)系統(tǒng)將陀螺儀和加速度計(jì)測(cè)量的數(shù)據(jù)傳輸給導(dǎo)航處理機(jī)進(jìn)行捷聯(lián)解算，并且和DGPS數(shù)據(jù)進(jìn)行信息融合，然后在顯示器顯示飛機(jī)的位置、速度、高度、姿態(tài)等導(dǎo)航數(shù)據(jù)。

3.1系統(tǒng)的硬件組成

3.1.1GPS導(dǎo)航模塊

GPS模塊采用DGPS接收機(jī)，雙天線的差分結(jié)構(gòu)提供修正信息以提高GPS定位精度，達(dá)到飛機(jī)導(dǎo)航定位的要求。

3.1.2慣性導(dǎo)航模塊

慣性導(dǎo)航模塊主要是指慣性測(cè)量器件，它包括陀螺儀、加速度計(jì)兩部分。陀螺儀敏感角速度信號(hào)，加速度計(jì)則敏感線速度信號(hào)了。本文采用三個(gè)獨(dú)立的光纖陀螺儀，分別安裝在對(duì)應(yīng)載體坐標(biāo)系的東北天三軸方向。加速度計(jì)采用三個(gè)石英撓性加速度計(jì)，安裝方法同陀螺儀。光纖陀螺儀從閉環(huán)信號(hào)處理板傳輸來(lái)的數(shù)據(jù)已經(jīng)是數(shù)字式的，可以直接傳輸；加速度計(jì)需要模數(shù)轉(zhuǎn)換建立傳輸通道。

3.1.3溫度補(bǔ)償模塊

由于光纖陀螺的測(cè)量精度隨著溫度的增加會(huì)有所降低，所以采取溫度補(bǔ)償?shù)姆绞綔p小熱噪聲的影響。系統(tǒng)安裝了四個(gè)溫度傳感器，其中三個(gè)裝在光纖環(huán)內(nèi)部，還有一個(gè)裝在陀螺的殼體外部，整個(gè)溫度的采集是通過(guò)FPGA芯片分時(shí)采集四路溫度數(shù)據(jù)，最后輸送給DSP處理。

3.1.4數(shù)據(jù)融合與解算模塊

數(shù)據(jù)融合和解算是整個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)的核心，DGPS和慣性導(dǎo)航的數(shù)據(jù)傳輸由FPGA芯片完成，因?yàn)镕PGA適合大量高速數(shù)據(jù)處理，可作為傳輸數(shù)據(jù)接口。DSP適合高速數(shù)據(jù)的融合和解算，所以負(fù)責(zé)組合系統(tǒng)的管理和控制任務(wù)。通過(guò)采用高速的FPGA和DSP芯片可以滿足系統(tǒng)高精度和實(shí)時(shí)導(dǎo)航的要求。

3.1.5數(shù)據(jù)顯示模塊

它包括顯示器，主要作用是顯示導(dǎo)航信息。DGPS接收機(jī)和慣導(dǎo)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)組合解算后得到的位置、速度、高度、姿態(tài)等導(dǎo)航數(shù)據(jù)要求顯示在顯示器土。解算后的導(dǎo)航數(shù)據(jù)必須實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地顯示在顯示器上，它是整個(gè)組合導(dǎo)航系統(tǒng)與外界聯(lián)系的界面。

3.2導(dǎo)航系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.2.1組合導(dǎo)航定位軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際需求，組合導(dǎo)航軟件系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)以下功能：

1）初始化DSP，設(shè)置系統(tǒng)所用的中斷。

2）采集DGPS接收機(jī)發(fā)送的導(dǎo)航數(shù)據(jù)，得到DGPS輸出的導(dǎo)航參數(shù)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(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)，由捷聯(lián)導(dǎo)航算法融合結(jié)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(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)對(duì)光纖陀螺進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

5）融合DGPS和SINS輸出的導(dǎo)航數(shù)據(jù)信息。

6）組合系統(tǒng)的導(dǎo)航信息輸出在顯示器上，同時(shí)與預(yù)定的著陸軌跡進(jìn)行比較，把飛機(jī)的位置、速度、姿態(tài)、高度等修正數(shù)也在顯示器上顯示。

3.2.2組合導(dǎo)航信息融合軟件流程設(shè)計(jì)

首先慣導(dǎo)系統(tǒng)初始化對(duì)準(zhǔn)，使慣導(dǎo)系統(tǒng)的坐標(biāo)系與導(dǎo)航坐標(biāo)系重合，從而精確地確定姿態(tài)矩陣。然后分別采集陀螺儀和加速度計(jì)輸出的導(dǎo)航數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)監(jiān)控光纖陀螺儀的工作溫度，當(dāng)溫度過(guò)高或偏低時(shí)采取溫度補(bǔ)償，減少溫度漂移影響。采集完的導(dǎo)航數(shù)據(jù)送入融合處理模塊執(zhí)行捷聯(lián)導(dǎo)航算法。處理后的慣導(dǎo)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的飛機(jī)運(yùn)動(dòng)參數(shù)通過(guò)輸出校正的方式與DGPS數(shù)據(jù)融合，建立組合系統(tǒng)的狀態(tài)方程和觀測(cè)方程。

綜上所述，隨著導(dǎo)航技術(shù)的不斷發(fā)展，單一的導(dǎo)航系統(tǒng)己不能滿足系統(tǒng)的綜合需求，組合導(dǎo)航系統(tǒng)成為主要的發(fā)展趨勢(shì)。因此，對(duì)于飛機(jī)著陸導(dǎo)航定位系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，還應(yīng)當(dāng)深入的研究，從而提高定位技術(shù)的水平。

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