基于RNP運行的機載綜合導航系統(tǒng)的架構(gòu)和功能分析研究

宗軍耀+鄭智明+張琛

摘要：在民用飛機中，研究基于所需導航性能（RNP）運行的機載綜合導航多傳感器信息融合技術(shù)，可以達到充分利用現(xiàn)有資源實現(xiàn)導航信息高精度、高可靠性輸出的目的。同時，在導航信息融合的基礎(chǔ)上，研究導航信息的管理、監(jiān)測與評估技術(shù)，可以在早期發(fā)現(xiàn)導航傳感器的故障，保障導航系統(tǒng)的完好性，對導航性能進行實時監(jiān)視和告警，實現(xiàn)對故障系統(tǒng)的實時處理和完好信息的合理利用。

關(guān)鍵詞：綜合導航；RNP；導航信息管理；監(jiān)測；評估；傳感器

中圖分類號：U213 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）25-0007-02

機載綜合導航系統(tǒng)就像飛機的“眼睛”，時刻為飛機上重要系統(tǒng)[如：飛行管理系統(tǒng)（FMS）和飛行控制系統(tǒng)（FCS）等]提供飛機位置、姿態(tài)、速度、航向等信息。因此，機載綜合導航系統(tǒng)的精度、完好性、連續(xù)性和可用性，將直接影響飛機是否能夠正常運行。本章將首先對民用飛機機載綜合導航系統(tǒng)的組成、信息傳遞等進行分析，在此基礎(chǔ)上對其性能監(jiān)測、性能評估與驗證等技術(shù)進行描述。

1 機載綜合導航系統(tǒng)的組成架構(gòu)

隨著新航行系統(tǒng)的發(fā)展，機載綜合導航系統(tǒng)的功能在不斷地依據(jù)需求而擴展。最新機載綜合導航系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是：支持RNP運行，滿足其功能需求；提升機載性能計算功能；系統(tǒng)具有更好的通用性；可滿足未來通信導航監(jiān)視/空中交通管理（CNS/ATM）功能增長的需求。

典型的民用飛機機載綜合導航系統(tǒng)設(shè)備配置如下：（1）3套慣性基準系統(tǒng)（IRS）；（2）3套大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)（ADS）；（3）2套全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）；（4）2套甚高頻全向信標（VOR）；（5）2套測距器（DME）；（6）2套飛行管理系統(tǒng)（FMS）。

綜合導航系統(tǒng)主要實現(xiàn)以下功能：（1）導航傳感器的信息融合：接收來自不同的機載導航傳感器（ADS、IRS、GNSS、DME、VOR）的導航數(shù)據(jù)信息，利用傳感器信息融合技術(shù)來實時計算和評估飛機的最優(yōu)位置、速度、姿態(tài)、航向、航跡角等飛行狀態(tài)信息。（2）RNP導航：利用各導航傳感器的導航數(shù)據(jù)和信息融合技術(shù)，實時計算機載綜合導航系統(tǒng)的實際導航性能（ANP），將其與所需運行的RNP值進行比較，來評估機載導航系統(tǒng)的實際工作狀態(tài)。在ANP大于RNP值時，提供告警信息。（3）無線電導航調(diào)諧：對機載VOR和DME導航系統(tǒng)進行管理。可以通過手動輸入調(diào)諧指令來選擇VOR和DME導航臺，也可以自動選擇最佳的VOR和DME導航臺。（4）導航模式管理：擁有人性化的操作界面，根據(jù)用戶設(shè)定和實際故障形式進行導航傳感器組合模式的最優(yōu)選擇。

2 機載綜合導航系統(tǒng)的信息傳遞分析

導航功能應(yīng)給機組人員提供連續(xù)、實時、三維的導航輸出信息，包括：（1）飛機位置信息（經(jīng)度、緯度、高度）；（2）飛機速度；（3）偏航角（選擇）；（1）磁差（選擇）；（5）風速和風向；（6）時間；（7）RNP；（8）ANP。

導航過程中，IRS為FMS提供飛機當時的位置、航向和速度等信息。隨著時間的推移，IRS位置誤差的累積會越來越大。因而，每隔一定的時間，需要用其他導航傳感器的信息對IRS的位置信息進行修正。

一般采用GNSS與IRS產(chǎn)生的融合信號或者使用無線電導航系統(tǒng)VOR/DME的信息進行綜合計算以獲得最高的準確性。

基于RNP的綜合導航系統(tǒng)優(yōu)先使用GNSS/IRS組合導航信息，在GNSS喪失完整性或者GNSS不可用時，才會使用IRS與無線電導航模式（VOR/DME和DME/DME）的融合信息。

機載綜合導航系統(tǒng)實現(xiàn)飛機位置計算、導航臺選擇、速度計算、GNSS/IRS數(shù)據(jù)融合、高度計算、溫度補償?shù)裙δ堋Ｍㄟ^這些綜合計算，導航系統(tǒng)把計算的信息輸出給自動駕駛儀（A/P）和顯示系統(tǒng)，以完成飛機的自動飛行和駕駛員對飛機的監(jiān)控工作。

3 機載綜合導航系統(tǒng)信息處理功能描述與分析

安全問題是未來機載綜合導航系統(tǒng)研究實現(xiàn)的主要挑戰(zhàn)之一。隨著信息技術(shù)在綜合導航系統(tǒng)中越來越廣泛的應(yīng)用，信息安全將成為保證綜合導航系統(tǒng)按照預(yù)先設(shè)計的方案安全可靠、可控地運行的關(guān)鍵問題之一。

機載綜合導航系統(tǒng)信息的精度與健康程度對整個飛行的性能有著決定性的影響。

3.1 機載綜合導航系統(tǒng)性能監(jiān)測功能描述與分析

在飛行過程中，機載綜合導航系統(tǒng)根據(jù)各導航子系統(tǒng)的可用性及具體飛行階段把IRS、ADS、GNSS和無線電導航系統(tǒng)等提供的數(shù)據(jù)加以處理，實現(xiàn)精確導航和導引。

機載綜合導航系統(tǒng)在對導航信息進行處理的過程中，除了為得到高精度信息而做的信息融合處理外，還需對導航系統(tǒng)信息的性能進行監(jiān)測，以保證輸出導航信息的可靠性。

導航系統(tǒng)的性能監(jiān)測主要包括：（1）IRS的多冗余表決；（2）IRS的性能監(jiān)測，包括無外部信息輔助與有外部信息輔助方法；（3）IRS故障排除；（4）GNSS導航系統(tǒng)自主完好性監(jiān)測，包括接收機自主完好性監(jiān)控（RAIM）技術(shù)與航空器自主完好性監(jiān)控（AAIM）技術(shù)。

在機載綜合導航系統(tǒng)完成性能監(jiān)測后，需根據(jù)監(jiān)測結(jié)果對導航綜合信息進行處理，其主要包括：（1）機載綜合導航系統(tǒng)性能評估與驗證，包括實際導航性能ANP的評估及導航系統(tǒng)的可用性與連續(xù)性的驗證；（2）機載綜合導航系統(tǒng)性能監(jiān)視和告警，包括水平通道與垂直通道。

3.2 機載綜合導航系統(tǒng)性能評估功能描述與分析

在RNP運行時，為了確保飛機準確安全地飛行在RNP程序上，機載綜合導航系統(tǒng)需要對飛機的實時性能進行評估，包括機載導航系統(tǒng)的精度、完好性、可用性和連續(xù)性。

精度（Accuracy）：是指估算位置與實際位置之間的差異。導航性能的精度通常用系統(tǒng)誤差的統(tǒng)計值來表示。對某一特定點，在大于95%的概率下，估算位置在誤差范圍內(nèi)。

完好性（Integrity）：是對機載導航系統(tǒng)提供信息的準確度的可信程度的度量。具有當機載導航系統(tǒng)不可用時，向機組提供及時和有效的告警功能。

連續(xù)性（Continuity）：機載導航系統(tǒng)不出現(xiàn)非正常中斷的安全平穩(wěn)的連續(xù)運行能力。

可用性（Availability）：機載導航系統(tǒng)能提供可靠導航信息的能力。通常定義為系統(tǒng)功能能夠正常運行的時間所占的比例。

4 總結(jié)

本文針對機載綜合導航系統(tǒng)組成架構(gòu)及其功能進行了分析和研究，重點對導航綜合信息的傳遞進行了分析，針對機載綜合導航系統(tǒng)的性能監(jiān)測需求，設(shè)計了導航綜合信息的性能監(jiān)測、評估與驗證技術(shù)的方案，為機載綜合導航系統(tǒng)的性能監(jiān)測、評估與驗證以及性能告警等功能的實現(xiàn)提供參考。

參考文獻

[1] Ian Moir，Allan G Seabridge.飛機系統(tǒng)機械、電氣和航空電子分系統(tǒng)綜合[M].北京：航空工業(yè)出版社，2011.

[2] Ian Moir，Allan G Seabridge.Civil Avionics Systems[M].Professional Engineering Publishing UK，2003.

[3] 劉建業(yè)，等.導航系統(tǒng)理論與應(yīng)用[M].西安：西北工業(yè)大學出版社，2010.

[4] 馬存寶.民機通信導航與雷達[M].西安：西北工業(yè)大學出版社，2004.