天文/慣性/衛(wèi)星組合導(dǎo)航系統(tǒng)及其交聯(lián)系統(tǒng)試驗(yàn)研究

中航西飛制造工程部 劉倩倩

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，導(dǎo)航漸漸發(fā)展成為一門(mén)專(zhuān)門(mén)研究導(dǎo)航原理方法和導(dǎo)航技術(shù)裝置的學(xué)科。在艦船、飛機(jī)、導(dǎo)彈、宇航器等航行體上，導(dǎo)航系統(tǒng)是必不可少的重要設(shè)備。慣性/天文/衛(wèi)星組合導(dǎo)航系統(tǒng)以慣性導(dǎo)航解算為核心，利用天文信息和衛(wèi)星信息作為觀測(cè)值，采用卡爾曼濾波技術(shù)對(duì)慣性的慣性器件誤差以及位置、航向、姿態(tài)和速度誤差進(jìn)行估計(jì)并修正。實(shí)現(xiàn)慣性導(dǎo)航、天文導(dǎo)航和衛(wèi)星導(dǎo)航的組合，兼?zhèn)淞巳N導(dǎo)航系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，克服了三者的缺點(diǎn)，是長(zhǎng)航時(shí)、高精度、全自主導(dǎo)航系統(tǒng)，可以為用戶提供高精度全自主的導(dǎo)航信息。

天文/慣性/衛(wèi)星組合導(dǎo)航系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱導(dǎo)航系統(tǒng)）接收顯控管理處理機(jī)、火控計(jì)算機(jī)、綜合數(shù)據(jù)管理設(shè)備、大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)的GJB 289A-1997數(shù)據(jù)總線信息；接收大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)和飛控計(jì)算機(jī)的HB 6096-1986數(shù)據(jù)總線信息；向顯控管理處理機(jī)、火控計(jì)算機(jī)、綜合數(shù)據(jù)管理設(shè)備、火控雷達(dá)發(fā)送GJB 289A-1997數(shù)據(jù)總線信息；向顯示處理機(jī)、飛行參數(shù)和音頻采集器、機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)和數(shù)據(jù)鏈信息處理機(jī)發(fā)送HB 6096-1986數(shù)據(jù)總線信息；向火控雷達(dá)和無(wú)線電磁指示器發(fā)送ARINC407同步器信息，如圖1所示。為確保導(dǎo)航系統(tǒng)交聯(lián)關(guān)系與功能得到充分驗(yàn)證。制定了試驗(yàn)技術(shù)方案，并搭建試驗(yàn)平臺(tái)環(huán)境，開(kāi)展天文/慣性/衛(wèi)星組合導(dǎo)航系統(tǒng)及其交聯(lián)系統(tǒng)試驗(yàn)研究。

圖1 導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)外信號(hào)交聯(lián)圖

1 各導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)比分析

慣導(dǎo)系統(tǒng)按其是否有平臺(tái)而分為平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)與捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)。

平臺(tái)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱平臺(tái)式慣導(dǎo)），核心部分是有一個(gè)實(shí)際的陀螺穩(wěn)定平臺(tái)。平臺(tái)上的三個(gè)實(shí)體軸，重現(xiàn)了所要求的東、北、天地理坐標(biāo)系三個(gè)軸向，它為加速度計(jì)提供了精確的安裝基準(zhǔn)，保證三個(gè)加速度計(jì)測(cè)得的值正好是導(dǎo)航計(jì)算時(shí)所需的三個(gè)加速度分量。這個(gè)平臺(tái)完全隔離了飛機(jī)機(jī)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，保證了加速度計(jì)的良好工作環(huán)境。平臺(tái)上的陀螺儀作為平臺(tái)軸相對(duì)基準(zhǔn)面偏離的角度（角速度）信號(hào)傳感器，將其檢測(cè)信號(hào)送至伺服放大器，經(jīng)電機(jī)帶動(dòng)平臺(tái)軸重新返回基準(zhǔn)。

捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱捷聯(lián)式慣導(dǎo)），與平臺(tái)式慣導(dǎo)的主要區(qū)別就是不再有實(shí)體的陀螺穩(wěn)定平臺(tái)，加速度計(jì)和陀螺儀直接安裝在載體上。“平臺(tái)”這個(gè)概念和功能還是要有的，只是由導(dǎo)航計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。這時(shí)關(guān)鍵問(wèn)題是要將陀螺儀測(cè)量的繞機(jī)體坐標(biāo)系的三個(gè)角速度，通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)計(jì)算，形成由機(jī)體坐標(biāo)系向類(lèi)似實(shí)際平臺(tái)的“平臺(tái)”坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，即解出姿態(tài)矩陣表示式。以這個(gè)數(shù)學(xué)上的平臺(tái)為基礎(chǔ)，再將機(jī)體坐標(biāo)系各軸上的加速度信號(hào)變換成沿“平臺(tái)”坐標(biāo)系備軸上的加速度信號(hào)，這樣才能進(jìn)行導(dǎo)航參數(shù)解算。同時(shí)，利用這個(gè)姿態(tài)矩陣，還可求得載體的姿態(tài)和航向信號(hào)，使實(shí)體平臺(tái)功能無(wú)一缺少。

慣性/天文/衛(wèi)星組合導(dǎo)航系統(tǒng)以慣性導(dǎo)航解算為核心，利用天文信息和衛(wèi)星信息作為觀測(cè)值，采用卡爾曼濾波技術(shù)對(duì)慣性的慣性器件誤差以及位置、航向、姿態(tài)和速度誤差進(jìn)行估計(jì)并修正。

旋轉(zhuǎn)調(diào)制慣性導(dǎo)航不依賴外界電臺(tái)、基站、衛(wèi)星，是自主導(dǎo)航系統(tǒng)；不易被無(wú)線電波干擾，在電子戰(zhàn)環(huán)境下可信賴；工作時(shí)不對(duì)外發(fā)出電、光熱幅射，隱蔽性好；導(dǎo)航信息豐富，分辨率高，連續(xù)性好，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，可作為主導(dǎo)航設(shè)備；在不提高慣性器件精度的前期下，可顯著提高系統(tǒng)長(zhǎng)航時(shí)導(dǎo)航精度；導(dǎo)航誤差隨時(shí)間積累。

天文導(dǎo)航除了具備旋轉(zhuǎn)調(diào)制慣性導(dǎo)航的自主導(dǎo)航、隱蔽性好、不受電磁干擾等特點(diǎn)外，可靠性高，定位、定向精度高，導(dǎo)航誤差不積累，在大氣層內(nèi)容易受天氣狀況影響。

衛(wèi)星導(dǎo)航是通過(guò)測(cè)量到若干個(gè)電臺(tái)、基站、衛(wèi)星的距離來(lái)定位的，動(dòng)態(tài)特性差，易被無(wú)線電波干擾，在電子戰(zhàn)環(huán)境下不可信；定位信息精度高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)；導(dǎo)航誤差不累積。

慣性/天文/衛(wèi)星組合導(dǎo)航采用慣性導(dǎo)航為主，天文導(dǎo)航和衛(wèi)星導(dǎo)航輔助導(dǎo)航和校正的方式，實(shí)現(xiàn)慣性導(dǎo)航、天文導(dǎo)航和衛(wèi)星導(dǎo)航的組合，兼?zhèn)淞巳N導(dǎo)航系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，克服了三者的缺點(diǎn)，是長(zhǎng)航時(shí)、高精度、全自主導(dǎo)航系統(tǒng)，可以為用戶提供高精度全自主的導(dǎo)航信息。

2 試驗(yàn)技術(shù)方案制定

對(duì)該導(dǎo)航系統(tǒng)的試驗(yàn)驗(yàn)證應(yīng)包括與交聯(lián)設(shè)備的總線接口檢查和離散量接口檢查，新增該系統(tǒng)加電狀態(tài)控制、系統(tǒng)自檢測(cè)、數(shù)據(jù)加載與裝訂、計(jì)算和輸出、邊界值驗(yàn)證等功能驗(yàn)證，導(dǎo)彈發(fā)控流程檢查?？傮w方案如下：

（1）通過(guò)總線分析儀監(jiān)控發(fā)送、接收總線數(shù)據(jù)，檢查該導(dǎo)航系統(tǒng)與顯示控制分系統(tǒng)、火控計(jì)算機(jī)、大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)、飛行儀表、火控雷達(dá)之間交聯(lián)接口的正確性。

（2）在多功能顯示器上控制并觀察顯示畫(huà)面的正確性，檢查該導(dǎo)航系統(tǒng)顯示控制功能的正確性；搭建聯(lián)試試驗(yàn)平臺(tái)，建立該導(dǎo)航系統(tǒng)試驗(yàn)環(huán)境，通過(guò)建立429板卡輸入數(shù)據(jù)仿真進(jìn)行邊界值狀態(tài)模擬，結(jié)合已有的429接口ICD和飛行員操作手冊(cè)，通過(guò)示波器測(cè)試、指令和狀態(tài)統(tǒng)計(jì)歸納和數(shù)據(jù)精度分析等手段，驗(yàn)證ICD邏輯正確性。

（3）使用任務(wù)計(jì)劃地面設(shè)備進(jìn)行回放，檢查顯示控制分系統(tǒng)接收、轉(zhuǎn)發(fā)該導(dǎo)航系統(tǒng)故障信息至綜合數(shù)據(jù)管理設(shè)備功能的正確性、故障信息記錄功能的正確性。

（4）采用掛載導(dǎo)彈模擬器方式，檢查該導(dǎo)航系統(tǒng)引導(dǎo)導(dǎo)彈攻擊發(fā)控流程的正確性。

3 試驗(yàn)平臺(tái)環(huán)境建設(shè)

導(dǎo)航系統(tǒng)與其他12套系統(tǒng)/設(shè)備交聯(lián)，交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)不僅要實(shí)現(xiàn)機(jī)載設(shè)備的交聯(lián)，還需提供總線信號(hào)輸入接口和數(shù)字、模擬信號(hào)輸出監(jiān)測(cè)接口。搭建交聯(lián)關(guān)系網(wǎng)絡(luò)滿足試驗(yàn)條件，涉及線纜種類(lèi)有HB6096總線、GJB289A總線、RS422總線等數(shù)字信號(hào)線，TTL電平、脈沖等模擬/離散信號(hào)線以及供電電源線等，經(jīng)過(guò)對(duì)實(shí)用性、功能性等多方面的考慮，在已有試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行了需求及狀態(tài)評(píng)估，評(píng)估顯示現(xiàn)有平臺(tái)狀態(tài)穩(wěn)定，此試驗(yàn)可復(fù)用資源達(dá)70%左右，可在原平臺(tái)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，既確保原試驗(yàn)不受影響，又能滿足本次原理試驗(yàn)需求。

參照需求表對(duì)原試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行比照梳理，其“顯示控制分系統(tǒng)”、“火控計(jì)算機(jī)”等6套系統(tǒng)/設(shè)備的狀態(tài)與試驗(yàn)要求狀態(tài)一致。現(xiàn)有試驗(yàn)電纜滿足試驗(yàn)需求，41套電纜可直接復(fù)用。新制電纜，進(jìn)行新增系統(tǒng)的交聯(lián)驗(yàn)證，結(jié)合已有的429接口ICD和飛行員操作手冊(cè)，通過(guò)示波器測(cè)試、指令和狀態(tài)統(tǒng)計(jì)歸納和數(shù)據(jù)精度分析等手段，完成導(dǎo)航系統(tǒng)主機(jī)和CDU的交互邏輯驗(yàn)證。通關(guān)建立仿真環(huán)境，建立429板卡前端數(shù)據(jù)仿真進(jìn)行邊界值狀態(tài)模擬，驗(yàn)證系統(tǒng)邊界值及ICD邏輯正確性。

4 系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)環(huán)境建成后，按照機(jī)載設(shè)備/系統(tǒng)原理饋電圖對(duì)電纜進(jìn)行導(dǎo)通測(cè)試，測(cè)試合格后開(kāi)展試驗(yàn)，對(duì)以下項(xiàng)目進(jìn)行系統(tǒng)試驗(yàn)并完成驗(yàn)證：

（1）驗(yàn)證機(jī)載天文/慣性/衛(wèi)星組合導(dǎo)航系統(tǒng)與飛行儀表系統(tǒng)、大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)、慣性/衛(wèi)星組合導(dǎo)航系統(tǒng)、飛行參數(shù)和音頻記錄系統(tǒng)、顯示控制分系統(tǒng)、外掛管理分系統(tǒng)、綜合數(shù)據(jù)管理設(shè)備、火控計(jì)算機(jī)和無(wú)線電磁指示器之間交聯(lián)接口的正確性。

（2）驗(yàn)證機(jī)載天文/慣性/衛(wèi)星組合導(dǎo)航系統(tǒng)數(shù)據(jù)加載和裝訂、計(jì)算和輸出、對(duì)準(zhǔn)、導(dǎo)航、校正、記憶、自檢測(cè)、非易失存儲(chǔ)、安裝誤差補(bǔ)償、標(biāo)定等功能的正確性。

（3）驗(yàn)證機(jī)載天文/慣性/衛(wèi)星組合導(dǎo)航系統(tǒng)和慣性/衛(wèi)星組合導(dǎo)航系統(tǒng)控制顯示器之間控制和顯示功能的正確性。

（4）驗(yàn)證機(jī)載天文/慣性/衛(wèi)星組合導(dǎo)航系統(tǒng)和顯示控制分系統(tǒng)之間控制和顯示功能的正確性。

（5）驗(yàn)證綜合數(shù)據(jù)管理設(shè)備記錄和解析機(jī)載天文/慣性/衛(wèi)星組合導(dǎo)航系統(tǒng)數(shù)據(jù)的正確性。

（6）驗(yàn)證導(dǎo)彈發(fā)控流程的正確性。

結(jié)束語(yǔ)：通過(guò)示波器測(cè)試、指令和狀態(tài)統(tǒng)計(jì)歸納和數(shù)據(jù)精度分析等手段，完成導(dǎo)航系統(tǒng)主機(jī)和CDU的交互邏輯驗(yàn)證。通關(guān)建立仿真環(huán)境，建立429板卡前端數(shù)據(jù)仿真進(jìn)行邊界值狀態(tài)模擬，驗(yàn)證ICD邏輯正確性。共發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)ICD錯(cuò)誤7處。采用模擬機(jī)模擬信號(hào)仿真的方式代替真實(shí)設(shè)備參加試驗(yàn)；通過(guò)接線端子排的方式，為數(shù)據(jù)激勵(lì)輸入和數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)提供接口通道，滿足模擬信號(hào)仿真，并能實(shí)時(shí)監(jiān)控、分析各類(lèi)總線數(shù)據(jù)和模擬信號(hào)量。該類(lèi)平臺(tái)搭建措施和方法均可應(yīng)用于其他機(jī)型試驗(yàn)。