一種機載綜合導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計

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)展對飛機姿態(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。綜合導(dǎo)航系統(tǒng)本質(zhì)上是一個多傳感器導(dǎo)航信息優(yōu)化處理系統(tǒng)，采集載機上各類單一導(dǎo)航傳感器的輸出信息，利用信息融合技術(shù)對其進行優(yōu)化處理，獲得飛機各類導(dǎo)航參數(shù)的最優(yōu)值，協(xié)助飛機完成各類飛行任務(wù)。與單一的傳感器相比，具備更高的魯棒性，可實現(xiàn)導(dǎo)航信息的互補，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。本文以教練機為平臺，提出了一種綜合導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計。

1 需求分析

教練機以慣性導(dǎo)航系統(tǒng)為飛機主導(dǎo)航，輔以大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)、雷達、無線電導(dǎo)航和衛(wèi)星導(dǎo)航。但是，在復(fù)雜電磁對抗的軍事環(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、低速時測量精度差，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)航精度隨時間增長而變差。無線電導(dǎo)航普遍受飛行高度、機動性、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。雷達工作時必須發(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)飛機在海面和沙漠上空工作時，由于反射性極差會大大降低工作性能。同時導(dǎo)航精度也受雷達天線姿態(tài)的影響，當(dāng)飛機接收不到反射波時，就會完全喪失工作能力。

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)境下對導(dǎo)航性能的要求，因此對教練機裝備的多種導(dǎo)航傳感器進行融合處理可提高教練機整體效能。

2 綜合導(dǎo)航體系結(jié)構(gòu)設(shè)計

將教練機上已配置的幾種導(dǎo)航系統(tǒng)綜合起來，組成綜合導(dǎo)航系統(tǒng)，可以達到取長補短，綜合發(fā)揮各種導(dǎo)航系統(tǒng)特點的目的，并能提高導(dǎo)航信息精度，更好地滿足飛機對導(dǎo)航系統(tǒng)的要求。

綜合導(dǎo)航系統(tǒng)由教練機上慣導(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)和雷達等機載導(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)了整個綜合導(dǎo)航系統(tǒng)的信息處理和智能管理任務(wù)，即對系統(tǒng)信息進行綜合優(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)進行野值剔除、時間歸一、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)，對導(dǎo)航信息進行綜合和最優(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)飛行計劃，利用當(dāng)前導(dǎo)航信息、導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫等，計算飛行引導(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：

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)所測的空速，通過平面矢量三角形求出風(fēng)場信息。

2）采用分散濾波技術(shù)，對數(shù)據(jù)進行兩級處理，進一步提高了導(dǎo)航精度。

3）實現(xiàn)了對環(huán)境和對某一個特征信息的冗余表達，提高系統(tǒng)的魯棒性。

4）對多傳感器信息的協(xié)同運行，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）對于獲取同等的信息來說，比用單個傳感器的方法實現(xiàn)成本更低。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

要實現(xiàn)教練機的綜合導(dǎo)航系統(tǒng)，就必須解決如何合理、有效利用和儲存綜合導(dǎo)航系統(tǒng)中各導(dǎo)航信息的問題，為飛機提供實時、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，有效檢測并診斷出故障設(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)邦濾波方式實現(xiàn)多信息源綜合導(dǎo)航，聯(lián)邦濾波器是一種兩級濾波結(jié)構(gòu)，基本思想是將一個常規(guī)的集中卡爾曼濾波器劃分為幾個與特定傳感器相關(guān)的局部濾波器和一個主濾波器。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量信息，產(chǎn)生局部的狀態(tài)估計，然后將各局部濾波器估計的狀態(tài)信息傳遞到融合中心(主濾波器)，產(chǎn)生一個全局的狀態(tài)估計。采用“信息分配原理”，把全局狀態(tài)估計信息和系統(tǒng)噪聲信息分配給各個子濾波器，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值及其協(xié)方差陣送入主濾波器并與主濾波器的估計值一起進行融合以得到全局最優(yōu)估計。這種結(jié)構(gòu)可以利用信息分配原則實現(xiàn)多傳感器的最優(yōu)估計，同時使整個系統(tǒng)具有一定的容錯能力。

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，信息故障發(fā)生的概率較高。為了能夠及時檢測出分系統(tǒng)設(shè)備的故障，采用兩級檢測算法：第一級檢測包括子系統(tǒng)機內(nèi)自檢測(BIT)、直接合理性檢測、子系統(tǒng)輸出相關(guān)性檢測，第二級檢測為卡爾曼濾波量測檢測，其功能示意如圖2所示。

圖2 綜合導(dǎo)航系統(tǒng)故障檢測功能示意圖

教練機各導(dǎo)航分系統(tǒng)已具備BIT及各傳感器自身故障檢測的功能，可對明顯的信息軟硬故障提供實時、有效的告警。在此基礎(chǔ)上，采用簡單的上下限技術(shù)對導(dǎo)航傳感器信息進行直接合理性檢測，即將傳感器子系統(tǒng)的輸出值與預(yù)先規(guī)定的合理性范圍進行比較。檢測出由于傳感器子系統(tǒng)故障而造成的輸出異常值，對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)出很強的相關(guān)性，如果有某個導(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,可以檢測出故障子系統(tǒng)。在第二級故障檢測中，利用測量殘差和修正協(xié)方差陣構(gòu)建誤差檢測函數(shù)與設(shè)定的門限，完成子濾波器的有效性檢測。

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

當(dāng)綜合導(dǎo)航系統(tǒng)中檢測到子系統(tǒng)故障時，首先從信號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，仍可以使用來自該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。重構(gòu)時，整個系統(tǒng)由原來的N個系統(tǒng)信息融合降階為N-1個信息融合的方式，這樣雖然少了一組信息，但原系統(tǒng)由于其容錯性能能夠維持導(dǎo)航信息的正確性和平滑過渡，不會造成由于切斷某路信號而使信號有大的跳變。

4 展望

本文以教練機為平臺，在已配置的導(dǎo)航系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對慣性導(dǎo)航系統(tǒng)進行功能擴展，改進為一種綜合導(dǎo)航系統(tǒng)，進一步將綜合導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)對多種類型的導(dǎo)航傳感器進行綜合化設(shè)計，采用接口處理子系統(tǒng)實現(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。利用先進技術(shù)在對硬件資源進行共享的同時，實現(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)主要是對現(xiàn)有各種導(dǎo)航設(shè)備的融合、信息的綜合顯示以及簡單的飛行管理功能，可方便駕駛員觀測并減輕其工作負(fù)擔(dān)。綜合導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)朝自動駕駛、自動避讓的智能化和自動化方向發(fā)展。根據(jù)飛行計劃、故障檢測結(jié)果、外界干擾環(huán)境等因素，建立包括人機接口管理、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)，實現(xiàn)對綜合導(dǎo)航系統(tǒng)的管理和決策輔助，實時決策出最優(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)將更加強調(diào)信息的深層處理，充分發(fā)揮計算機的快速計算和推理能力，起到勢態(tài)分析、危險評估、決策支持、智能導(dǎo)航及自動駕駛的作用。

5 結(jié)語

為了提高教練機導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度和可靠性，設(shè)計了采用帶有故障檢測和系統(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。本文可為教練機導(dǎo)航系統(tǒng)信息的優(yōu)化融合提供參考。