一種機(jī)載綜合導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)

付 婷，趙宇坤，孫文緞，林 貴

（航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

航空技術(shù)的發(fā)展對(duì)飛機(jī)姿態(tài)、速度、位置的精度和可靠性要求越來越高，單一導(dǎo)航傳感器的導(dǎo)航系統(tǒng)無法滿足這一需求。導(dǎo)航技術(shù)呈現(xiàn)多信息源、多功能融合的趨勢(shì)。綜合導(dǎo)航系統(tǒng)本質(zhì)上是一個(gè)多傳感器導(dǎo)航信息優(yōu)化處理系統(tǒng)，采集載機(jī)上各類單一導(dǎo)航傳感器的輸出信息，利用信息融合技術(shù)對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化處理，獲得飛機(jī)各類導(dǎo)航參數(shù)的最優(yōu)值，協(xié)助飛機(jī)完成各類飛行任務(wù)。與單一的傳感器相比，具備更高的魯棒性，可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航信息的互補(bǔ)，提高導(dǎo)航信息獲取的速度，在獲取同等信息的條件下，綜合導(dǎo)航系統(tǒng)成本更低。本文以教練機(jī)為平臺(tái)，提出了一種綜合導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 需求分析

教練機(jī)以慣性導(dǎo)航系統(tǒng)為飛機(jī)主導(dǎo)航，輔以大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)、雷達(dá)、無線電導(dǎo)航和衛(wèi)星導(dǎo)航。但是，在復(fù)雜電磁對(duì)抗的軍事環(huán)境中，最容易被干擾的就是衛(wèi)星導(dǎo)航。衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)受拒，致使導(dǎo)航精度無法得到滿足。大氣系統(tǒng)數(shù)據(jù)在低高度、低速時(shí)測(cè)量精度差，易受天氣變化和陣風(fēng)影響而造成數(shù)據(jù)不平滑。慣性導(dǎo)航作為自主式的導(dǎo)航系統(tǒng)，可提供全狀態(tài)的導(dǎo)航參數(shù)，但其導(dǎo)航精度隨時(shí)間增長(zhǎng)而變差。無線電導(dǎo)航普遍受飛行高度、機(jī)動(dòng)性、覆蓋范圍、雨霧天氣、地面特征、海洋環(huán)境等外界環(huán)境因素影響較大，易受干擾，易暴露。雷達(dá)工作時(shí)必須發(fā)射電波，容易受干擾和暴露自己。此外，定位精度與反射面形狀有密切關(guān)系，當(dāng)飛機(jī)在海面和沙漠上空工作時(shí)，由于反射性極差會(huì)大大降低工作性能。同時(shí)導(dǎo)航精度也受雷達(dá)天線姿態(tài)的影響，當(dāng)飛機(jī)接收不到反射波時(shí)，就會(huì)完全喪失工作能力。

綜上所述，單一導(dǎo)航系統(tǒng)存在一定的局限性，難以滿足不同區(qū)域、不同環(huán)境下對(duì)導(dǎo)航性能的要求，因此對(duì)教練機(jī)裝備的多種導(dǎo)航傳感器進(jìn)行融合處理可提高教練機(jī)整體效能。

2 綜合導(dǎo)航體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

將教練機(jī)上已配置的幾種導(dǎo)航系統(tǒng)綜合起來，組成綜合導(dǎo)航系統(tǒng)，可以達(dá)到取長(zhǎng)補(bǔ)短，綜合發(fā)揮各種導(dǎo)航系統(tǒng)特點(diǎn)的目的，并能提高導(dǎo)航信息精度，更好地滿足飛機(jī)對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)的要求。

綜合導(dǎo)航系統(tǒng)由教練機(jī)上慣導(dǎo)系統(tǒng)、大氣系統(tǒng)、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、航姿系統(tǒng)、羅盤、信標(biāo)、高度表、多模著陸系統(tǒng)和雷達(dá)等機(jī)載導(dǎo)航設(shè)備組成，其中慣導(dǎo)系統(tǒng)不僅作為慣性傳感器，也承擔(dān)了整個(gè)綜合導(dǎo)航系統(tǒng)的信息處理和智能管理任務(wù)，即對(duì)系統(tǒng)信息進(jìn)行綜合優(yōu)化處理以及系統(tǒng)的決策與控制。它能夠?qū)@些導(dǎo)航數(shù)據(jù)進(jìn)行野值剔除、時(shí)間歸一、系統(tǒng)誤差改正、大地坐標(biāo)系歸一以及數(shù)據(jù)壓縮等操作；其次，利用信息融合技術(shù)，對(duì)導(dǎo)航信息進(jìn)行綜合和最優(yōu)決策，形成具備最佳的精度、可靠性和可用性的導(dǎo)航信息集；根據(jù)飛行計(jì)劃，利用當(dāng)前導(dǎo)航信息、導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫等，計(jì)算飛行引導(dǎo)信息并生成相應(yīng)的操控指令；最終為飛行控制、火控、雷達(dá)及武器等分系統(tǒng)提供統(tǒng)一的、可靠的、高精度的導(dǎo)航參數(shù)。

綜合導(dǎo)航系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）利用分系統(tǒng)所感知的相互依賴的特征信息，組合產(chǎn)生新的特征信息，如利用慣導(dǎo)系統(tǒng)得到的地速和航向角與大氣系統(tǒng)所測(cè)的空速，通過平面矢量三角形求出風(fēng)場(chǎng)信息。

2）采用分散濾波技術(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行兩級(jí)處理，進(jìn)一步提高了導(dǎo)航精度。

3）實(shí)現(xiàn)了對(duì)環(huán)境和對(duì)某一個(gè)特征信息的冗余表達(dá)，提高系統(tǒng)的魯棒性。

4）對(duì)多傳感器信息的協(xié)同運(yùn)行，可以根據(jù)任務(wù)的要求，得到滿足精度要求的快速輸出。

5）對(duì)于獲取同等的信息來說，比用單個(gè)傳感器的方法實(shí)現(xiàn)成本更低。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

要實(shí)現(xiàn)教練機(jī)的綜合導(dǎo)航系統(tǒng)，就必須解決如何合理、有效利用和儲(chǔ)存綜合導(dǎo)航系統(tǒng)中各導(dǎo)航信息的問題，為飛機(jī)提供實(shí)時(shí)、高精度、統(tǒng)一的信息參考基準(zhǔn)，在分系統(tǒng)和設(shè)備出現(xiàn)信息故障或信息不可用時(shí)，有效檢測(cè)并診斷出故障設(shè)備或系統(tǒng)，提高系統(tǒng)精度及可靠性。因此，這其中涉及較多的關(guān)鍵技術(shù)，重點(diǎn)分析如下。

1）信息融合技術(shù)

多傳感器組合導(dǎo)航系統(tǒng)的信息融合方法是近年來隨著信息融合技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)的一種適用于組合導(dǎo)航系統(tǒng)的現(xiàn)代信息處理技術(shù)。在進(jìn)行多傳感器的誤差分析與建模后，采用以信息分配原則為基礎(chǔ)的聯(lián)邦濾波方式實(shí)現(xiàn)多信息源綜合導(dǎo)航，聯(lián)邦濾波器是一種兩級(jí)濾波結(jié)構(gòu)，基本思想是將一個(gè)常規(guī)的集中卡爾曼濾波器劃分為幾個(gè)與特定傳感器相關(guān)的局部濾波器和一個(gè)主濾波器。局部濾波器是平行結(jié)構(gòu)模式，各局部濾波器算法仍采用卡爾曼濾波算法來處理自己傳感器的測(cè)量信息，產(chǎn)生局部的狀態(tài)估計(jì)，然后將各局部濾波器估計(jì)的狀態(tài)信息傳遞到融合中心(主濾波器)，產(chǎn)生一個(gè)全局的狀態(tài)估計(jì)。采用“信息分配原理”，把全局狀態(tài)估計(jì)信息和系統(tǒng)噪聲信息分配給各個(gè)子濾波器，但不改變子濾波器算法的形式，有效地提高了系統(tǒng)的容錯(cuò)性能，結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中公共參考系統(tǒng)為慣導(dǎo)系統(tǒng)，它的輸出一方面直接給主濾波器，另一方面輸出給各子濾波器作為量測(cè)值，各子濾波器的輸出只給相應(yīng)的子濾波器。各子濾波器的局部估計(jì)值及其協(xié)方差陣送入主濾波器并與主濾波器的估計(jì)值一起進(jìn)行融合以得到全局最優(yōu)估計(jì)。這種結(jié)構(gòu)可以利用信息分配原則實(shí)現(xiàn)多傳感器的最優(yōu)估計(jì)，同時(shí)使整個(gè)系統(tǒng)具有一定的容錯(cuò)能力。

圖1 綜合導(dǎo)航系統(tǒng)信息融合結(jié)構(gòu)示意圖

2）故障檢測(cè)與系統(tǒng)重構(gòu)技術(shù)

綜合導(dǎo)航系統(tǒng)中包含的導(dǎo)航傳感器和元部件較多，具有非線性和不確定性等特點(diǎn)，信息故障發(fā)生的概率較高。為了能夠及時(shí)檢測(cè)出分系統(tǒng)設(shè)備的故障，采用兩級(jí)檢測(cè)算法：第一級(jí)檢測(cè)包括子系統(tǒng)機(jī)內(nèi)自檢測(cè)(BIT)、直接合理性檢測(cè)、子系統(tǒng)輸出相關(guān)性檢測(cè)，第二級(jí)檢測(cè)為卡爾曼濾波量測(cè)檢測(cè)，其功能示意如圖2所示。

圖2 綜合導(dǎo)航系統(tǒng)故障檢測(cè)功能示意圖

教練機(jī)各導(dǎo)航分系統(tǒng)已具備BIT及各傳感器自身故障檢測(cè)的功能，可對(duì)明顯的信息軟硬故障提供實(shí)時(shí)、有效的告警。在此基礎(chǔ)上，采用簡(jiǎn)單的上下限技術(shù)對(duì)導(dǎo)航傳感器信息進(jìn)行直接合理性檢測(cè)，即將傳感器子系統(tǒng)的輸出值與預(yù)先規(guī)定的合理性范圍進(jìn)行比較。檢測(cè)出由于傳感器子系統(tǒng)故障而造成的輸出異常值，對(duì)于向量則比較其幅值。在綜合導(dǎo)航系統(tǒng)中，各種導(dǎo)航子系統(tǒng)的輸出值表現(xiàn)出很強(qiáng)的相關(guān)性，如果有某個(gè)導(dǎo)航子系統(tǒng)出現(xiàn)故障,將破壞與其他子系統(tǒng)正常的相關(guān)性。因此利用兩兩導(dǎo)航子系統(tǒng)的輸出之差與規(guī)定的閾值比較,可以檢測(cè)出故障子系統(tǒng)。在第二級(jí)故障檢測(cè)中，利用測(cè)量殘差和修正協(xié)方差陣構(gòu)建誤差檢測(cè)函數(shù)與設(shè)定的門限，完成子濾波器的有效性檢測(cè)。

通過上述的多級(jí)故障檢測(cè)方法可及時(shí)有效地隔離異常信息源，避免異常信息污染整個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)，提高導(dǎo)航傳感器測(cè)量信息的可靠性。

當(dāng)綜合導(dǎo)航系統(tǒng)中檢測(cè)到子系統(tǒng)故障時(shí)，首先從信號(hào)傳輸上隔離存在故障的子系統(tǒng)，但不是完全除去該系統(tǒng)，當(dāng)它再次滿足判據(jù)時(shí)，仍可以使用來自該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。重構(gòu)時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)由原來的N個(gè)系統(tǒng)信息融合降階為N-1個(gè)信息融合的方式，這樣雖然少了一組信息，但原系統(tǒng)由于其容錯(cuò)性能能夠維持導(dǎo)航信息的正確性和平滑過渡，不會(huì)造成由于切斷某路信號(hào)而使信號(hào)有大的跳變。

4 展望

本文以教練機(jī)為平臺(tái)，在已配置的導(dǎo)航系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對(duì)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行功能擴(kuò)展，改進(jìn)為一種綜合導(dǎo)航系統(tǒng)，進(jìn)一步將綜合導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)對(duì)多種類型的導(dǎo)航傳感器進(jìn)行綜合化設(shè)計(jì)，采用接口處理子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航傳感信息到信息處理中心的連接與轉(zhuǎn)換，根據(jù)不同終端的接口協(xié)議與接口標(biāo)準(zhǔn)的不同，重新組合信息。利用先進(jìn)技術(shù)在對(duì)硬件資源進(jìn)行共享的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)冗余備份，提高系統(tǒng)的可靠性。

目前的綜合導(dǎo)航系統(tǒng)主要是對(duì)現(xiàn)有各種導(dǎo)航設(shè)備的融合、信息的綜合顯示以及簡(jiǎn)單的飛行管理功能，可方便駕駛員觀測(cè)并減輕其工作負(fù)擔(dān)。綜合導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)朝自動(dòng)駕駛、自動(dòng)避讓的智能化和自動(dòng)化方向發(fā)展。根據(jù)飛行計(jì)劃、故障檢測(cè)結(jié)果、外界干擾環(huán)境等因素，建立包括人機(jī)接口管理、任務(wù)管理、融合模式管理和系統(tǒng)狀況管理等功能的導(dǎo)航專家系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)綜合導(dǎo)航系統(tǒng)的管理和決策輔助，實(shí)時(shí)決策出最優(yōu)的導(dǎo)航融合模式以及最佳的多導(dǎo)航傳感器支配和使用策略，提高綜合導(dǎo)航系統(tǒng)的自適應(yīng)性和自動(dòng)化程度。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),遺傳算法以及模糊控制等理論的不斷發(fā)展和成熟，也將為綜合導(dǎo)航系統(tǒng)提供更多的理論工具和控制算法。綜合導(dǎo)航系統(tǒng)將更加強(qiáng)調(diào)信息的深層處理，充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的快速計(jì)算和推理能力，起到勢(shì)態(tài)分析、危險(xiǎn)評(píng)估、決策支持、智能導(dǎo)航及自動(dòng)駕駛的作用。

5 結(jié)語

為了提高教練機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度和可靠性，設(shè)計(jì)了采用帶有故障檢測(cè)和系統(tǒng)重構(gòu)環(huán)節(jié)的多導(dǎo)航源綜合導(dǎo)航系統(tǒng)方案，采用聯(lián)邦濾波結(jié)構(gòu)和卡爾曼濾波算法實(shí)現(xiàn)了綜合導(dǎo)航信息的可靠融合結(jié)構(gòu)及信息處理算法。本文可為教練機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)信息的優(yōu)化融合提供參考。