飛行器組合導航技術的分析

劉雪松

摘? 要：由于機動性強，飛機在國內外軍事和民用領域得到了廣泛的應用，飛機導航技術是高效可靠完成運輸任務的前提。隨著科學技術的快速發展，導航技術也取得了很大的成就，不同的環境條件下，促成了多種導航方式的形成，不過都是為了達到精確制導的目標。

關鍵詞：組合導航;飛行器;導航精度

中圖分類號：TN966? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）29-0157-02

Abstract： Due to its strong mobility， aircraft has been widely used in military and civilian fields at home and abroad. Aircraft navigation technology is a prerequisite for efficient and reliable completion of transportation tasks. With the rapid development of science and technology， great achievements have been made in navigation technology， which in different environmental conditions contributes to the formation of a variety of navigation methods， in order to achieve the goal of precision guidance.

Keywords： integrated navigation; aircraft; navigation accuracy

1 概述

空中武器是當代軍事國防力量的重要部分，載人和無人的飛行器能執行自己的空中支援，完成戰術戰略任務[1]。飛行器包括：飛機、導彈等，作為保衛國防的重要組成力量，能完成特定的戰略任務，無論飛機和其他飛行器，在空中運行，需要精確導航確定自身的位置，才能保證飛行姿態和飛行位置滿足作戰需求，而飛行器在空中確定自身的位置，是通過各種導航方式，機體上裝載著的導航設備，好比是“眼睛”，控制和指揮著飛行器按照原方案飛行，因此“眼睛”的功能是飛行器滿足作戰需求的必要條件。

而隨著飛機等飛行器完成作戰任務的提升，需要這對“眼睛”更加的精確[2]。也就是導航系統必須具有范圍廣、可靠性好、精度高等特點，而要實現這樣的功能，可以通過多種導航方式的組合，也就是組合導航，這相當于多雙“眼睛”，去觀察和判斷同一個目標，每雙“眼睛”都會彌補對方的缺點，發揮自己的優點，這樣自然而然精度會大幅的提升，在判斷同一個問題時，會把誤差降到最低，使結果最準確，系統可靠性最大，這就是組合導航的特點。

2 飛行器導航特點

飛行器導航具有鮮明的特點，精確制導是所有導航技術的目標，如何提升導航的精度，使導航技術盡可能的達到戰術戰略要求，是目前研究者們努力探索的方向。目前，為保證飛機導航的可靠性，各種導航技術被應用到飛機上。針對飛行器的技術要求，導航特點如下：

（1）系統可靠性高：軍事導航需要隨時進行，導航服務不能中斷，這就要求航空導航系統在任何天氣、地形和無線電波傳輸條件下都能提供滿足要求的導航信息[3]。

（2）覆蓋范圍廣：為滿足需要，導航系統的覆蓋范圍至少應包括作戰任務區域。但是，為了在更大范圍內統一指揮，導航系統覆蓋范圍越大，就越需要覆蓋全球。

（3）信息更新率高：信息更新率是指系統在單位時間內對導航數據進行改進的次數。如果航空導航更新率不夠，在兩次向飛行員提供位置數據之間的時間內，飛機的當前位置距離最后一次位置指示較遠，將大大降低導航精度[4]。

（4）導航精度高：導航精度是航空飛行器的主要技術指標，是保障飛行器能夠安全運行的前提。特別是在飛行中最容易發生事故的著陸階段，對導航信息的準確性要求很高[5]。

3 飛行器導航技術

隨著科學技術的發展，飛行器導航技術得到了快速進步，根據不同的導航目的，不同的導航技術表現出各自的特點，比如根據天文星體的特點，還有根據衛星信息，以及根據飛行器本身的運動特點，和無線電傳播信息的方式等等，根據這些導航方式不同工作原理，飛行器導航系統可分成多種形式，比如天文導航、衛星導航、慣性導航、無線電導航等。

3.1 慣性導航

慣導系統是一種自主導航系統。慣導系統較為獨立，依靠自身系統設置參數完成飛行器位置的改變[6]。由于慣性導航主要是依據牛頓經典力學，因此是很自主的導航方式，主要體現在它不需要和外界任何系統進行溝通，這樣一來外界很難通過干擾等方式試圖去擾亂系統的導航精度，同時，慣性導航是比較穩定的，飛行器姿態的參數也較為安全可靠，傳感器的采樣率很高，也就是慣性導航系統的運行速度很快，這就加大了慣性導航的運行范圍，比如一些速度運行很快的物體，其他導航的方式可能不能滿足要求，但是慣性導航系統由于采集數據很快，這樣一來能夠跟上快速運動物體的運動姿態參數，就能達到精準導航的目標，系統可靠性較高。然而，慣性導航系統有其固有的缺點：導航精度隨時間而變化，即長期運行穩定性差，為了提高導航精度，另外彌補慣性導航存在的問題和缺點，往往把慣性導航作為一種較為基礎的方式，然后把它與其他導航種類進行組合，這樣既能保留著慣性導航穩定性強的特點，又能解決慣性導航長期運行造成的誤差疊加的問題。

3.2 衛星導航

衛星導航是指含有人造衛星向地球表面發送時間和衛星位置信息的無線電波。信號在衛星和地球之間進行雙向傳播，然后導航系統根據測量的時間，計算出與衛星的距離，進而確定相對應的位置[7]。然而，由于衛星對于其他導航形式，在空間內運轉的規律相對是恒定不變的，整個系統是較為穩定的，因此衛星導航具有鮮明的特點，例如GPS導航系統具有導航精度高的特點，這種高精度和長期穩定性是慣性導航系統無法企及的。不過衛星與飛行器及地面設備相互聯系，主要通過電波的形式，這也導致了電波在傳遞信息時，容易在這個過程產生干擾，導致信息的錯誤和缺失，這一方面是衛星導航方式需要面對的問題，如何進行反干擾是研究的方向和目標。

3.3 無線電導航

無線電導航主要通過無線電波的傳播特性，然后確定飛行器的姿態參數（方位、距離和速度）[8]。無線電導航不受時間的影響，不過無線電導航和衛星導航方式一樣，由于傳播信息的方式有著很大的局限性，因此很容易受到干擾，導致導航信息的缺失，精度也會隨之下降。

可見，各種導航系統單獨工作時不能有效地完成導航任務，需要一種手段來提高導航系統的整體性能。目前最有效的方法是采用組合導航技術。

4 組合導航

組合導航，顧名思義，是多種導航方式組合的形式，然后互補不同導航方式的缺點，提高導航精度[9]，組合導航的方式大多基于慣性導航系統，然后采用其他導航方式，進行組合。

4.1 慣性/衛星組合導航

目前，慣性/衛星組合導航結合已經引起了全世界的關注，因為這種組合方式有著鮮明的特點，一方面能達到全球性、全天候的要求，另外一方面能夠提供非常完整的飛行器姿態數據。慣性導航和衛星導航兩者互相適應，消除各自的缺點，使慣性/衛星組合導航的應用越來越廣泛。

4.2 慣性/多普勒組合導航

慣性/多普勒組合導航兩者的結合主要是針對速度參數，它可以減少速度參數測量的誤差，提高飛行器測量的姿態精度，這樣就能控制位置的測量誤差，提高導航精度。

4.3 慣性/側向測距組合導航

慣性/測向測距導航系統可以直接提高慣性導航的定位精度和慣性平臺的姿態精度，如果將雙測距系統結合起來，可以提高方位對準精度，可以間隔組合，也可以連續組合。

4.4 慣性/天文組合導航

天文導航首先是從導航發展起來的。其基本原理是利用光學儀器（如六分儀）人工觀測恒星的高度角，然后確定導航體的位置，以自然天體在空間上的位置，進而計算出載體的位置信息，這樣的實現方式，進一步說明了系統是比較穩定的。組合導航中的天文導航可以估計陀螺漂移和實際平臺姿態誤差，從而實現組合導航功能，不過由于是根據天體位置為基礎的導航方式，當受到地形或者天氣影響時候，這會影響相對位置信息的判斷，這個過程的誤差是不能忽略的，不過隨著導航技術的研究，現在已經有方法去解決這個問題，盡量把測量誤差降低到最小，盡可能的發揮慣性/天文組合導航的穩定優點。

5 結束語

由于目前全球部分地區的緊張形勢，以及隱形的各國之間激烈的競爭關系，使得必須擁有著較為強大的國防力量，因此作為軍事力量中比較重要的一部分——空軍，發展空中軍事力量是極為關鍵的。提到飛行器就離不開導航的話題，為了提高導航精度，多種導航技術的組合是導航研究的趨勢，各國都投入大量的人力物力，志在提升自己國家武器的導航精度，提升自身的國防力量，能夠在軍備和設施上處于競爭地位。但是組合導航還有很多的技術難關需要克服，進一步提高組合導航的精度，需要技術的研究和創新，因此，我們應該致力于組合導航的研究，實現導航的創新，為提升國家的空軍軍事力量做出貢獻。

參考文獻：

[1]高麗萍.美改進新型“海神”巡邏機 提升高空反潛作戰能力[EB/OL].中國國防科技信息網，2014-12-23.

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[3]韓連洋.戰略導彈的導航制導系統可靠性分析[C]//中國宇航學會飛行器總體專業委員會學術研討會，2006.

[4]張健.高速飛行器多源信息融合[D].哈爾濱工業大學，2014.

[5]黃銘媛.高超巡航飛行器組合導航系統研究與算法驗證[D].上海交通大學，2008.

[6]漢鑫.四旋翼飛行器慣性導航返航技術研究[D].長春理工大學，2019.

[7]劉基余.GPS衛星導航定位原理與方法[M].科學出版社，2003.

[8]姜弢，郭黎利，張朝柱，等.無線電導航系統現狀與發展趨勢[J].艦船電子工程，2001，000（006）：2-6，23.

[9]溫哲君，陳安升，陳帥，等.基于SINS/BDS的抗差組合導航技術研究[J].航天控制，2019（5）：9-15.