飞机着陆导航定位技术研究

张芳芳

摘 要：航空导航是指在复杂的气象条件下，按照一定时间把飞行器安全可靠的引导到预定目的地。我国幅员辽阔，气候复杂，所以保证飞机在复杂天气安全着陆能够提高空军的作战能力。导航是通过测量运动载体位置、速度和姿态等航行参数，引导运动载体安全、可靠地按预定轨道飞行。论文首先简要介绍了飞机着陆的相关基础知识，然后对导航定位系统的硬件和软件两个方面的设计进行简要分析，希望为飞机的安全着陆提供保证。

关键词：飞机着陆 导航 定位技术

1、飞机着陆导航定位发展现状

目前，飞机进近和降落时主要利用全球定位系统（Global Position System，GPS），惯性导航系统（Inertial Navigation System，INS），仪表着陆系统（Instrument Landing System，

ILS）和微波着陆系统（Microwave Landing System，MLS）进行导航。

惯性导航系统因为其独特的导航原理，使得该系统可以运行在几乎所有的环境中，空中，地面，水下甚至太空。但惯性导航系统成本高，其导航原理也决定了它具有累计误差的缺点，误差会随着时间的增长而越来越大，所以每隔一段时间都要进行校对。

全球定位系统可在地球的大部分地区提供实时的定位和导航服务。该系统起始于1958年美国的一个军方项目，新一代的卫星导航系统由美国政府于上世纪70年代开始进行研制并于1994年全面建成。需要该服务的使用者只需拥有GPS接收机即可全球定位系统与惯性导航系统一起组成INS/GPS组合导航系统，这是目前传统导航方式领域里研究最多最成熟的系统。它具有精度较高使用简单等特点，但它对他国的依赖性强，只能作为一种和平条件下的导航方式。

仪表着陆系统主要由方向引导系统，距离参考系统和目视参考系统等组成，可在空中建立一条虚拟路径，是目前应用最为广泛的飞机精密进近和着陆引导系统。它能在如低云、低能见度等恶劣气象条件下提供精确的导航信息；缺点是：只能提供一条进场着陆航道，通道提供的数量少。

2、飞机着陆的过程

2.1进场

进场是指将飞機从现有航路引导到下滑路径的入口，也就是说将飞机从机场远空引导到离机场30公里的地方，以保证飞机能够接受完整的下滑设备发出的的信号。这个过程的引导主要靠多种导航设备配合完成。

2.2下滑

下滑是指飞机沿预定的下滑线运动到决断高度的过程。

2.3拉平

拉平是飞行员降低飞机下滑速率的一种常用操作。它可以在飞机达到决断高度处实施。拉平后，飞机会沿着原轨迹以更小的速率继续下滑。由于不同种类飞机的下滑角度不同，所以为了适应机场的跑道情况，相对应飞机的拉平高度也不同。以民用喷气式飞机为例，拉平高度约为9米。

拉平后，飞机减速飘落，最后到达着陆地点。微波着陆系统是唯一具有拉平引导功能的着陆系统，飞行员要根据高度表和地平仪的显示数据来完成拉平操纵。

2.4接地和滑跑

接地和滑跑是飞机着陆的最后阶段，整个过程是从飞机机轮着地开始滑行，直到转出跑道停在停机坪指定位置。为了便于飞行员识别，同时保证飞机安全滑行，许多机场都在着陆地点两侧铺设“T"型白布，这样能够给飞机以多余的速度缓冲，避免冲出跑道。

3、导航系统的总体结构

组合导航系统的核心部分是导航处理中心，负责导航信息的融合和解算。主要的测量器件是DGPS接收机和INS（惯导系统），其中惯导系统包括陀螺仪和加速度计。系统工作原理是利用双天线DGPS接收机提高GPS的定位精度，DGPS接收机将所测得定位数据修正后，将飞机位置、速度、高度等信息传递给导航处理机，同时惯导系统将陀螺仪和加速度计测量的数据传输给导航处理机进行捷联解算，并且和DGPS数据进行信息融合，然后在显示器显示飞机的位置、速度、高度、姿态等导航数据。

3.1系统的硬件组成

3.1.1GPS导航模块

GPS模块采用DGPS接收机，双天线的差分结构提供修正信息以提高GPS定位精度，达到飞机导航定位的要求。

3.1.2惯性导航模块

惯性导航模块主要是指惯性测量器件，它包括陀螺仪、加速度计两部分。陀螺仪敏感角速度信号，加速度计则敏感线速度信号了。本文采用三个独立的光纤陀螺仪，分别安装在对应载体坐标系的东北天三轴方向。加速度计采用三个石英挠性加速度计，安装方法同陀螺仪。光纤陀螺仪从闭环信号处理板传输来的数据已经是数字式的，可以直接传输；加速度计需要模数转换建立传输通道。

3.1.3温度补偿模块

由于光纤陀螺的测量精度随着温度的增加会有所降低，所以采取温度补偿的方式减小热噪声的影响。系统安装了四个温度传感器，其中三个装在光纤环内部，还有一个装在陀螺的壳体外部，整个温度的采集是通过FPGA芯片分时采集四路温度数据，最后输送给DSP处理。

3.1.4数据融合与解算模块

数据融合和解算是整个导航系统的核心，DGPS和惯性导航的数据传输由FPGA芯片完成，因为FPGA适合大量高速数据处理，可作为传输数据接口。DSP适合高速数据的融合和解算，所以负责组合系统的管理和控制任务。通过采用高速的FPGA和DSP芯片可以满足系统高精度和实时导航的要求。

3.1.5数据显示模块

它包括显示器，主要作用是显示导航信息。DGPS接收机和惯导系统经过组合解算后得到的位置、速度、高度、姿态等导航数据要求显示在显示器土。解算后的导航数据必须实时准确地显示在显示器上，它是整个组合导航系统与外界联系的界面。

3.2导航系统的软件设计

3.2.1组合导航定位软件设计

根据实际需求，组合导航软件系统需要实现以下功能：

1）初始化DSP，设置系统所用的中断。

2）采集DGPS接收机发送的导航数据，得到DGPS输出的导航参数信息，解算出载体三维的速度和位置信息。

3）采集光纤陀螺仪和加速度计测量数据，由捷联导航算法融合结算，最后求出所需要位置、速度等信息。

4）采集温度传感器的温度数据，实时对光纤陀螺进行温度补偿。

5）融合DGPS和SINS输出的导航数据信息。

6）组合系统的导航信息输出在显示器上，同时与预定的着陆轨迹进行比较，把飞机的位置、速度、姿态、高度等修正数也在显示器上显示。

3.2.2组合导航信息融合软件流程设计

首先惯导系统初始化对准，使惯导系统的坐标系与导航坐标系重合，从而精确地确定姿态矩阵。然后分别采集陀螺仪和加速度计输出的导航数据，并实时监控光纤陀螺仪的工作温度，当温度过高或偏低时采取温度补偿，减少温度漂移影响。采集完的导航数据送入融合处理模块执行捷联导航算法。处理后的惯导系统监测的飞机运动参数通过输出校正的方式与DGPS数据融合，建立组合系统的状态方程和观测方程。

综上所述，随着导航技术的不断发展，单一的导航系统己不能满足系统的综合需求，组合导航系统成为主要的发展趋势。因此，对于飞机着陆导航定位系统来说，还应当深入的研究，从而提高定位技术的水平。

参考文献

[1]赵昊昱.基于视觉的无人机着陆导航[D].华中科技大学，2006.

[2]谭勇，冉思诗.从X-37B成功着陆看空天飞机导航飞控系统[J].现代军事，2015，（01）：54-57.

[3]赵赶超，向小军.浅谈航行新技术之GLS[J].科技与创新，2017，（10）：61.endprint