多傳感器融合組合導(dǎo)航技術(shù)研究

余亮++耿翔翔

摘 要：該文對民用飛機組合導(dǎo)航系統(tǒng)多傳感器器技術(shù)進行了研究，提出了一種在飛行管理系統(tǒng)內(nèi)按照各種導(dǎo)航設(shè)備定位精度的順序，實現(xiàn)包括了全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）、慣性基準系統(tǒng)（IRS）、甚高頻全向信標（VOR）、測距器（DME）等機載設(shè)備的多傳感器融合方法，為國產(chǎn)民機機載航電系統(tǒng)研制提供參考。

關(guān)鍵詞：多傳感器 組合導(dǎo)航 民用飛機

中圖分類號：TP274. 2 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）09（a）-0021-01

近年來，隨著GPS、格洛納斯、伽利略和北斗全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的日益完善，以飛行管理系統(tǒng)為核心的民用飛機機載導(dǎo)航設(shè)備對GNSS的依賴程度逐漸增大，特別是CAAC近年發(fā)布的PBN實施路線圖要求機載導(dǎo)航系統(tǒng)逐步向RNP技術(shù)全面過渡。然而作為PBN導(dǎo)航技術(shù)核心定位源的GNSS有著一系列先天不足，在某些特定情況下，滿足不了PBN對導(dǎo)航精度和連續(xù)性的較高要求，因此民用飛機必須采用多傳感器融合的導(dǎo)航技術(shù)，提高瞬時定位精度以及GNSS不可用的情況下的導(dǎo)航能力。

1 多傳感器組合導(dǎo)航技術(shù)

作為民用飛機機載航電系統(tǒng)的重要組成部分，機載導(dǎo)航設(shè)備為飛機提供全天候?qū)崟r的高精度位置定位、飛行導(dǎo)引和完好性監(jiān)控，其組成包括飛行管理系統(tǒng)（FMS）、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）、慣性基準系統(tǒng)（IRS）、甚高頻全向信標（VOR）、測距器（DME）等設(shè)備。[1]

導(dǎo)航系統(tǒng)的核心是飛行管理系統(tǒng)，它是一臺具備各種復(fù)雜導(dǎo)航算法的高性能計算機，將其他導(dǎo)航設(shè)備發(fā)送的導(dǎo)航數(shù)據(jù)經(jīng)過組合導(dǎo)航算法綜合處理后得出飛機精確位置，并依據(jù)飛行員編制的飛行計劃給出指引指令，引導(dǎo)飛機沿著既定航線飛行，取代了傳統(tǒng)領(lǐng)航員的作用，大量減輕了飛行員的負擔。因此，作為計算性能最強和接收信息最全的FMS理所當然是多傳感器組合導(dǎo)航技術(shù)的實施主體。[2]

以GPS為主的GNSS是一種覆蓋全球的無源定位系統(tǒng)，通過接收機接收來自至少4顆衛(wèi)星發(fā)出的時鐘信號和星歷，計算傳播延時實現(xiàn)高精度自主實時定位，不依賴地面導(dǎo)航設(shè)施，在偏遠地區(qū)和洋面飛行時具有突出優(yōu)點，但也會受到可用衛(wèi)星個數(shù)、衛(wèi)星幾何分布、空間射線干擾和地面地形遮蔽等因素影響，難以獨自滿足PBN對導(dǎo)航信號連續(xù)性的高要求。[3]

VOR/DME是傳統(tǒng)的路基導(dǎo)航設(shè)施，通過接收地面臺站發(fā)出的甚高頻無線電信號結(jié)算成相對臺站的方位和距離信息，結(jié)合已知的臺站位置實現(xiàn)定位，性能可靠、便于使用，但是具有技術(shù)水平落后、導(dǎo)航精度不高和無法覆蓋偏遠山區(qū)和洋面的缺陷。

在所有的導(dǎo)航子系統(tǒng)中，慣性系統(tǒng)能提供的信息最全，且自主性、連續(xù)性、短期穩(wěn)定性好，因此在整個區(qū)域或航路導(dǎo)航中始終以慣性導(dǎo)航系統(tǒng)作為基本導(dǎo)航手段，其它導(dǎo)航子系統(tǒng)（特別是GNSS）作為輔助手段以改善慣性系統(tǒng)的長期穩(wěn)定性，保證導(dǎo)航性能符合所需導(dǎo)航性能要求。

導(dǎo)航系統(tǒng)的組合一般有兩種基本方法：

（1）回路反饋法。即采用經(jīng)典的反饋控制方法，抑制系統(tǒng)誤差，并使子系統(tǒng)間性能互補。

（2）最優(yōu)估計法。即采用現(xiàn)代控制理論中的最優(yōu)估計法（卡爾曼濾波算法），從概率統(tǒng)計最優(yōu)的角度估計出系統(tǒng)誤差并消除之。

由于各子系統(tǒng)的誤差源和量測中引入的誤差都是隨機的，所以第二種方法遠優(yōu)于第一種方法，卡爾曼濾波器也成為組合導(dǎo)航系統(tǒng)中最常用的算法。[4]

由于GNSS定位的高精度和實時性，采用IRS/GNSS為主用組合導(dǎo)航算法，可分別基于輸出校正、位置組合和偽距組合的卡爾曼濾波模式。具體是用慣導(dǎo)和GPS輸出的位置之差作為量測值，經(jīng)卡爾曼濾波器估計慣導(dǎo)系統(tǒng)的各項誤差，然后對慣導(dǎo)系統(tǒng)進行校正。偽距組合是一種復(fù)雜、緊密的信息綜合。慣導(dǎo)輸出位置結(jié)合GPS可見衛(wèi)星位置，可以求出相應(yīng)的計算距離，然后將之與GPS測量得到的距離之差作為量測值，通過卡爾曼濾波器估計慣導(dǎo)系統(tǒng)和GPS的誤差量，然后進行反饋校正。在各IRS內(nèi)部進行閉環(huán)修正，IRS系統(tǒng)的速度和姿態(tài)誤差趨于收斂，即組合導(dǎo)航可以準確估計IRS的速度和姿態(tài)誤差。在IRS/GPS組合導(dǎo)航狀態(tài)，不使用氣壓高度進行高度阻尼，對GPS位置噪聲有明顯的抑制作用。[4]

在GNSS不可用的情況下（接收機故障或不滿足信號接收要求），可采用IRS/無線電組合導(dǎo)航，包含IRS/DME/DME和IRS/VOR/DME這2種組合方式。IRS/無線電組合在飛行管理控制系統(tǒng)中進行，僅進行開環(huán)校正，目的在于對無線電推算的位置噪聲進行抑制，經(jīng)過對當前組合系統(tǒng)的性能評估，如當前狀態(tài)位置精度明顯優(yōu)于即將引入的校準系統(tǒng)精度，則將延遲其進入組合狀態(tài)的時間。

由于DME/DME定位精度由于VOR/DME，因此當DME臺站信號良好且數(shù)量大于2時，可優(yōu)先采用IRS/DME/DME組合導(dǎo)航，此方法基于雙斜距組合方式，將DME斜距的測量誤差看作由偏置誤差和測量噪聲誤差構(gòu)成，偏置誤差與被測距離的遠近有關(guān)，因此用刻度因子誤差來描述。在構(gòu)造量測前還需進行交會角判斷。利用兩套DME系統(tǒng)來確定飛機位置的定位誤差卻因飛機與兩個地面臺相對位置的不同而有較大的差異，當交會角為90°時，測距誤差造成的定位誤差區(qū)最小，為正方形；交會角大于90°，定位誤差區(qū)域增大為菱形；若交會角接近180°，則定位誤差最大。因此，在交會角在30°～150°時可采用此方法。

IRS/VOR/DME組合處理方式采用斜距/方位角組合，允許VOR和DME不在同一位置，盡管多數(shù)情況下VOR/DME地面臺站是布置在同一位置的。將VOR、DME的方位和斜距測量誤差看作由偏置誤差和測量噪聲誤差構(gòu)成，而DME的偏置誤差與被測距離的遠近有關(guān)，因此用刻度因子誤差來描述。[4]

2 結(jié)語

隨著航空電子技術(shù)的日新月異，以及未來對PBN技術(shù)導(dǎo)航精度和連續(xù)性的要求日益提高，民用飛機采用多傳感器組合導(dǎo)航技術(shù)將成為主流，本文提出一種在FMS內(nèi)部按照設(shè)備可用狀態(tài)優(yōu)先級實現(xiàn)IRS/GNSS、IRS/DME/DME、IRS/VOR/DME組合導(dǎo)航技術(shù)方法，可獲得較為理想的導(dǎo)航精度和連續(xù)性。

參考文獻

[1] 欽慶生.飛行管理計算機系統(tǒng)[M].國防工業(yè)出版社，1991.

[2] Lan Moir，Allan Seabridge. Civil Avionics Systems[M]. Professional Engineering Publishing Limited，2006.

[3] Cary R.Spitzer.The Avionics Handbook[M].CRC Press LLC， 2001.

[4] 西北工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院.組合導(dǎo)航技術(shù)研究[Z].2010.