飞机综合导航系统浅议

马 丽 崔海东 崔文宏

(中航飞机研发中心，陕西 汉中 723000)

0 背景

随着科学技术的发展，目前已有各种适用于飞机的导航系统，它们各自都有其优点和特色，但也有固有的不足之处。惯性导航系统具有自主性和输出多种较高精度的导航参数(位置、速度、航向和姿态等)的特点，但误差(尤其是位置误差)随时间积累；无线电定位系统的定位精度不受使用时间的影响，但它的输出信息主要是载体位置，对精确导航来讲，定位精度也不够高，且工作范围受地面台覆盖区域的限制；多普勒导航系统与惯导系统一样，同属航位推算类，从得到的地速信息去推算位置，误差当然也是积累的，且多普勒系统必须采用外部航向信号，除非采用惯导系统输出的较高精度的航向信息，否则飞机上其他航向设备的航向误差一般不能保证小于0.5°—1°，这样，即使不考虑地速测量误差，航向误差就使定位误差大于航程的1%—2%；70年代发展起来的GPS全球定位系统，它的特点是定位和测速精度高，几十米以内的定位精度以及基本上不受时间，地区的限制的特点，使得GPS在飞机导航系统中属于佼佼者，但是，飞机的飞行动作，以及不能保证100%无故障率的空间卫星结构，总要影响GPS接收机对GPS信号的接收，且GPS接收机输出信号的更新频率一般等于1—2Hz，有时不能满足飞机飞行控制对导航信号更新频率的要求，致使在飞机上单独使用GPS接收机的方案受到限制。

1 综合导航系统

1.1 综合导航系统介绍

将飞机上安装的几种导航系统综合起来，组成综合导航系统，将能达到取长补短，综合发挥各种导航系统特点的目的，并能提高导航信息精度，更好地满足飞机对导航系统的要求。此外，为了达到某种目的，也常采用综合导航系统的方案。例如，将两种精度较低、价格较廉的导航系统综合在一起，达到价格昂贵的单一导航系统才能具有的导航精度，又如，将多普勒雷达与惯导系统综合，达到惯导具有空中对准能力的目的等。

目前广泛采用的综合导航系统是以惯性导航为主，综合卫星导航,实现飞机远距离自主导航与定位；通过无线电罗盘、塔康、组合接收设备，实时测定飞机与地面塔台方位、距离等信息，实现飞机无线电区域导航与定位；通过大气数据系统和捷联航姿系统组成备份导航系统，提供飞机飞行必需的航向、姿态和高度信息；通过近地告警和空中交通告警及防撞系统提供告警信息。

综合导航系统具有以下功能：

(1)协合功能：利用各种导航分系统的信息，形成分系统所不具备的导航功能；

(2)互补偿功能：综合后的导航系统功能虽然与各分系统的导航功能相同，但它们能够综合利用各分系统的特点，优势互补，从而扩大了使用范围，提高了导航精度；

(3)余度功能：采用两种以上导航系统综合而成的综合系统具有余度功能，增加了导航系统的可靠性。

1.2 综合导航系统余度技术

在综合导航系统中，单个的导航系统只相当于一个传感器，单个的导航系统的余度技术，在综合导航系统中只相当于传感器级的余度。现代飞机对导航系统的精度和可靠性两方面都提出了越来越高的要求，单靠提高部件的设计和制造来达到要求的精度和可靠性是十分有限的，特别对惯导系统，提高惯性敏感器件的设计和制造需要花费巨大的人力和财力，困难很大。随着控制理论和计算机技术的发展，采用综合导航系统能有效提高导航精度，采用余度技术来提高可靠性。

随着对导航系统精度和可靠性的提高，综合导航技术已向着多种(三种或三种以上)导航系统综合，采用分散滤波技术的容错综合导航系统发展。在这种综合导航系统中，把两种导航系统综合构成一个子系统，而多个子系统的输出再用一个主滤波器进行一次综合。这样，数据进行两级处理，进一步提高了导航精度；由于子系统可以有多套，即子系统是有余度的，因而提高了系统级的可靠性。

分散滤波理论及故障检测技术的发展，为容错综合导航系统的设计提供了理论基础。容错综合导航系统将是今后采用的标准导航模式、由此可以预计，容错综合导航系统将是现代导航技术发展的必然趋势。

1.3 综合导航系统特点

综合导航系统利用多种设备提供的多重信息，取长补短，构成一个多功能、高精度的余度系统。其特点是：多种设备和多重信息源；高速大容量的微型计算机；卡尔曼滤波技术的广泛应用；数字技术的发展降低了设备硬件成本；提供单个导航设备不能提供的信息；提高了系统的导航定位精度；精度选择的工作方式提高了系统可用度。

例如对于GPS/惯性的综合，其主要优点表现为：综合后的导航精度高于两个系统单独工作的精度。对惯导系统可以实现惯性传感器的校准、惯导系统的空中对准，惯导系统高度通道的稳定等，从而可以有效提高惯导系统的性能和精度；而对GPS系统，惯导系统的精度可以提高其跟踪卫星的能力，提高接收机的动态特性和抗干扰性。另外,GPS/惯性综合还可以实现GPS完整性的检测，从而提高了可靠性。GPS/惯性综合还可以实现一体化，把GPS接收机放入惯导部件中，这样使系统的体积、重量和成本都可以减少，且便于实现惯导和GPS的同步，减少非同步误差。

2 发展展望

综合导航，顾名思义就是将前面背景中所介绍的惯性导航系统、多普勒导航系统、无线电定位系统等各种导航系统及其特点结合在一起。采用多种传感器的综合导航解决方案将前面介绍的所有导航技术的性能同GPS融合起来构成一个完全综合的系统，在这种综合导航系统的基础上发展出了新航行系统(FANS)所包含的更为先进的导航能力。

新航行系统(FANS)的推出是为了更加有效地使用现有空域以应对未来空中交通流量的增长。目前新航行系统(FANS)的某些部分已经实现，为了使其技术更加成熟，其他部分还需要数年时间。构成一个多传感器系统的一个重要先决条件就使采用一个高性能的飞行管理系统(FMS),将所有的必要功能进行综合，并为机组人员提供合适的接口。

3 结论

现代飞机的性能不断提高，所要完成的任务日益复杂，对高精度导航及其实现方法的需求变得日益突出。航空电子技术的迅猛发展，推动着综合导航系统向多功能化、多模态化、数字化、综合化以及智能化的方向发展。