基于近距無線電導(dǎo)航的容錯組合導(dǎo)航系統(tǒng)

朱敬生 崔瀅

【摘?要】根據(jù)組合導(dǎo)航子系統(tǒng)的特點(diǎn)，提出了一種基于近距離無線電導(dǎo)航的容錯組合導(dǎo)航方案。該方法具有較強(qiáng)的檢測軟故降的能力，并利用分量檢測法提高了故障檢測的靈敏度，在無重置聯(lián)邦局部反饋校正的基礎(chǔ)上，改進(jìn)了算法的容錯能力。

【關(guān)鍵詞】近距;無線電導(dǎo)航;容錯組合導(dǎo)航系統(tǒng)

引言

導(dǎo)航系統(tǒng)作為飛行管理系統(tǒng)（FMS）的重要組成部分向FMS實(shí)時提供載體的位置、速度、姿態(tài)信息。單一的導(dǎo)航系統(tǒng)很難滿足FMS對導(dǎo)航系統(tǒng)高精度、高可靠性、實(shí)時更新的要求。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）作為一種完全自主的導(dǎo)航系統(tǒng)能夠?qū)崟r連續(xù)地提供全姿態(tài)導(dǎo)航信息，并且具有隱蔽性好，抗干擾，參數(shù)更新快等優(yōu)點(diǎn)，但是其誤差是隨時間積累的，對于長航時高精度的飛行器來說，這是無法克服的弱點(diǎn)。全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GPS）具有全局性、天氣友好性、高精度、三維定位等優(yōu)點(diǎn)，但其在動態(tài)環(huán)境下的可靠性較差，容易受到地形目標(biāo)和地物的遮擋，數(shù)據(jù)采集頻率較低，是一個非自主系統(tǒng)。近距無線電導(dǎo)航系統(tǒng)可用于軍用和民用機(jī)場。無線電導(dǎo)航系統(tǒng)具有導(dǎo)航時間短、設(shè)備簡單可靠、導(dǎo)航誤差不隨時間積累、導(dǎo)航精度低等優(yōu)點(diǎn)，基于此，本文提出一種INS/GPS/無線電容錯組合導(dǎo)航系統(tǒng)，以求在子導(dǎo)航系統(tǒng)均正常工作的情況下，導(dǎo)航系統(tǒng)能夠提供高精度的導(dǎo)航參數(shù)輸出，在高動態(tài)或GPS出現(xiàn)不可用的情況下，系統(tǒng)能夠提供連續(xù)實(shí)時的不隨時間發(fā)散的導(dǎo)航解。

1組合導(dǎo)航子系統(tǒng)

INS子系統(tǒng)/GPS和INS/無線電子系統(tǒng)通過聯(lián)邦濾波器提供導(dǎo)航參數(shù)的最優(yōu)估計。

1.1 INS/GPS組合子系統(tǒng)

組合導(dǎo)航系統(tǒng)將INS系統(tǒng)誤差記錄為一個狀態(tài)，東北天空坐標(biāo)系為局部坐標(biāo)系。SA誤差（隨機(jī)速度抖動和傳輸?shù)叫菤v數(shù)據(jù)的隨機(jī)誤差）在美國已經(jīng)消除，在組合導(dǎo)航系統(tǒng)中，可以把GPS的三維定位誤差和速度誤差看作白噪聲，INS-GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)的測量方程是基于GPS定位和速度測量的差分，并結(jié)合位置解和速度解。系統(tǒng)的測量如下：

其中，量測Zcps為慣導(dǎo)與GPS輸出載體的速度和位置差，VuGps為GPS的速度地測噪聲，Pwcrs為GPS的位量f測噪聲，則INS/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型如下：

其中，為系統(tǒng)的誤差狀態(tài);

為東向、北向和天向速度誤差;

為緯度、經(jīng)度和高度誤差;

為俯仰、橫滾和航向角誤差;

εb=（εx，εy，εx）為東向、北向和天向陀螺的常值漂移;

為東向、北向和天向加速度計的常值零偏。

采用位置組合時：

1.2 INS/無線電組合子系統(tǒng)

近距無線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)可分為（ρ一p）定位和（ρ一θ）定位兩種方式[5]，前者利用兩個不同的DME機(jī)測得的斜距值信息，后者利用同一臺站的DME/VOR測得的斜距和方位角信息。系統(tǒng)無線電導(dǎo)航定位原理如圖1所示。其中，T表示無線電信標(biāo)臺的位置;P表示飛機(jī)位置所對應(yīng)的地面點(diǎn)的位置;A為地球極點(diǎn)，通過求解球面三角形可以得到無線電所測的斜距和方位角誤差方程。有研究人員給出了無線電導(dǎo)航的誤差方程，但是沒有考慮載體和信標(biāo)臺的相對位置關(guān)系。由于推導(dǎo)較復(fù)雜，本文不加證明地給出斜距誤差方程（4）和方位角誤差方程（5）。

其中，為DME機(jī)測得的飛機(jī)相對于信標(biāo)臺的斜距和慣導(dǎo)利用本身位置計算的斜距差值;

Lp，λp和hp為飛機(jī)的緯度、經(jīng)度和高度;

Li，λi和hi為無線電信標(biāo)臺的緯度、經(jīng)度和高度;

Di為DME機(jī)測得的斜距值;

pi為斜距在水平面的投影;

和為DME機(jī)的隨機(jī)常值誤差和白噪聲誤差;

△Bi為VOR接收機(jī)測得方位角信息和慣導(dǎo)利用本身位置計算的方位角的差值;

δBbi和為VOR接收機(jī)的隨機(jī)常值誤差和白噪聲誤差。

2容錯組合導(dǎo)航系統(tǒng)

有文獻(xiàn)提出了6種結(jié)構(gòu)的聯(lián)邦濾波器，指出無復(fù)位的聯(lián)邦濾波器具有良好的容錯性，并且這種結(jié)構(gòu)不允許子濾波器的導(dǎo)航誤差校正。為了保證子系統(tǒng)狀態(tài)方程的精確性，有必要對慣導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行反饋，但是，為了保證系統(tǒng)的容錯性能，沒有必要用主濾波器輸出的總體估計值來重置子濾波器，使慣導(dǎo)系統(tǒng)不接收反饋校正。到。為了保證系統(tǒng)的容錯性能，避免了全局評估重設(shè)和反饋校正子濾波器的導(dǎo)航誤差，本文提出了一種基于局部反饋的非重設(shè)聯(lián)邦濾波器。它給出了一個帶下慣性計（SINS）和一千個導(dǎo)航單元的fed濾波器，使SINS成為常用的參考系統(tǒng)。各導(dǎo)航子系統(tǒng)的輸出和相應(yīng)的導(dǎo)航解的輸出構(gòu)成子系統(tǒng)濾波器的測量;每個子濾波器的卡爾曼濾波運(yùn)算獨(dú)立地并行運(yùn)行，并且每個子濾波器都采用反饋校正方式對各自導(dǎo)航解算單元的誤差進(jìn)行修正。各個分離的經(jīng)過反饋校正的導(dǎo)航解算單元輸出的導(dǎo)航參數(shù)是局部最優(yōu)的。將這些局部最優(yōu)的導(dǎo)航參數(shù)輸人到主濾波器中，通過主濾波器的信息融合算法得到導(dǎo)航參數(shù)的全局估計，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

主濾波器只對導(dǎo)航參數(shù)向進(jìn)行最小二乘估計，進(jìn)行最小二乘估計是為了避免矩陣求逆，其融合算法采用如下的融合公式：

3結(jié)論

INS/GPS/無線電容錯組合導(dǎo)航系統(tǒng)能夠發(fā)揮各自導(dǎo)航系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，采用局部反饋校正的無重置聯(lián)邦濾波器的系統(tǒng)融合最優(yōu)加權(quán)算法，在減少計算量的同時確保融合精度高于任一子系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)：

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[4]丁宏升，劉峰.基于聯(lián)邦濾波的容錯組合導(dǎo)航系統(tǒng)仿真分析[J].航空計算技術(shù)，2013，43（5）：132-134.

（作者單位：中航飛機(jī)漢中飛機(jī)分公司）