一种机载综合导航系统设计

付 婷，赵宇坤，孙文缎，林 贵

（航空工业洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

航空技术的发展对飞机姿态、速度、位置的精度和可靠性要求越来越高，单一导航传感器的导航系统无法满足这一需求。导航技术呈现多信息源、多功能融合的趋势。综合导航系统本质上是一个多传感器导航信息优化处理系统，采集载机上各类单一导航传感器的输出信息，利用信息融合技术对其进行优化处理，获得飞机各类导航参数的最优值，协助飞机完成各类飞行任务。与单一的传感器相比，具备更高的鲁棒性，可实现导航信息的互补，提高导航信息获取的速度，在获取同等信息的条件下，综合导航系统成本更低。本文以教练机为平台，提出了一种综合导航系统设计。

1 需求分析

教练机以惯性导航系统为飞机主导航，辅以大气数据系统、雷达、无线电导航和卫星导航。但是，在复杂电磁对抗的军事环境中，最容易被干扰的就是卫星导航。卫星导航服务受拒，致使导航精度无法得到满足。大气系统数据在低高度、低速时测量精度差，易受天气变化和阵风影响而造成数据不平滑。惯性导航作为自主式的导航系统，可提供全状态的导航参数，但其导航精度随时间增长而变差。无线电导航普遍受飞行高度、机动性、覆盖范围、雨雾天气、地面特征、海洋环境等外界环境因素影响较大，易受干扰，易暴露。雷达工作时必须发射电波，容易受干扰和暴露自己。此外，定位精度与反射面形状有密切关系，当飞机在海面和沙漠上空工作时，由于反射性极差会大大降低工作性能。同时导航精度也受雷达天线姿态的影响，当飞机接收不到反射波时，就会完全丧失工作能力。

综上所述，单一导航系统存在一定的局限性，难以满足不同区域、不同环境下对导航性能的要求，因此对教练机装备的多种导航传感器进行融合处理可提高教练机整体效能。

2 综合导航体系结构设计

将教练机上已配置的几种导航系统综合起来，组成综合导航系统，可以达到取长补短，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。

综合导航系统由教练机上惯导系统、大气系统、卫星导航系统、航姿系统、罗盘、信标、高度表、多模着陆系统和雷达等机载导航设备组成，其中惯导系统不仅作为惯性传感器，也承担了整个综合导航系统的信息处理和智能管理任务，即对系统信息进行综合优化处理以及系统的决策与控制。它能够对这些导航数据进行野值剔除、时间归一、系统误差改正、大地坐标系归一以及数据压缩等操作；其次，利用信息融合技术，对导航信息进行综合和最优决策，形成具备最佳的精度、可靠性和可用性的导航信息集；根据飞行计划，利用当前导航信息、导航数据库等，计算飞行引导信息并生成相应的操控指令；最终为飞行控制、火控、雷达及武器等分系统提供统一的、可靠的、高精度的导航参数。

综合导航系统具有以下优点：

1）利用分系统所感知的相互依赖的特征信息，组合产生新的特征信息，如利用惯导系统得到的地速和航向角与大气系统所测的空速，通过平面矢量三角形求出风场信息。

2）采用分散滤波技术，对数据进行两级处理，进一步提高了导航精度。

3）实现了对环境和对某一个特征信息的冗余表达，提高系统的鲁棒性。

4）对多传感器信息的协同运行，可以根据任务的要求，得到满足精度要求的快速输出。

5）对于获取同等的信息来说，比用单个传感器的方法实现成本更低。

3 系统关键技术

要实现教练机的综合导航系统，就必须解决如何合理、有效利用和储存综合导航系统中各导航信息的问题，为飞机提供实时、高精度、统一的信息参考基准，在分系统和设备出现信息故障或信息不可用时，有效检测并诊断出故障设备或系统，提高系统精度及可靠性。因此，这其中涉及较多的关键技术，重点分析如下。

1）信息融合技术

多传感器组合导航系统的信息融合方法是近年来随着信息融合技术的发展而出现的一种适用于组合导航系统的现代信息处理技术。在进行多传感器的误差分析与建模后，采用以信息分配原则为基础的联邦滤波方式实现多信息源综合导航，联邦滤波器是一种两级滤波结构，基本思想是将一个常规的集中卡尔曼滤波器划分为几个与特定传感器相关的局部滤波器和一个主滤波器。局部滤波器是平行结构模式，各局部滤波器算法仍采用卡尔曼滤波算法来处理自己传感器的测量信息，产生局部的状态估计，然后将各局部滤波器估计的状态信息传递到融合中心(主滤波器)，产生一个全局的状态估计。采用“信息分配原理”，把全局状态估计信息和系统噪声信息分配给各个子滤波器，但不改变子滤波器算法的形式，有效地提高了系统的容错性能，结构如图1所示。图中公共参考系统为惯导系统，它的输出一方面直接给主滤波器，另一方面输出给各子滤波器作为量测值，各子滤波器的输出只给相应的子滤波器。各子滤波器的局部估计值及其协方差阵送入主滤波器并与主滤波器的估计值一起进行融合以得到全局最优估计。这种结构可以利用信息分配原则实现多传感器的最优估计，同时使整个系统具有一定的容错能力。

图1 综合导航系统信息融合结构示意图

2）故障检测与系统重构技术

综合导航系统中包含的导航传感器和元部件较多，具有非线性和不确定性等特点，信息故障发生的概率较高。为了能够及时检测出分系统设备的故障，采用两级检测算法：第一级检测包括子系统机内自检测(BIT)、直接合理性检测、子系统输出相关性检测，第二级检测为卡尔曼滤波量测检测，其功能示意如图2所示。

图2 综合导航系统故障检测功能示意图

教练机各导航分系统已具备BIT及各传感器自身故障检测的功能，可对明显的信息软硬故障提供实时、有效的告警。在此基础上，采用简单的上下限技术对导航传感器信息进行直接合理性检测，即将传感器子系统的输出值与预先规定的合理性范围进行比较。检测出由于传感器子系统故障而造成的输出异常值，对于向量则比较其幅值。在综合导航系统中，各种导航子系统的输出值表现出很强的相关性，如果有某个导航子系统出现故障,将破坏与其他子系统正常的相关性。因此利用两两导航子系统的输出之差与规定的阈值比较,可以检测出故障子系统。在第二级故障检测中，利用测量残差和修正协方差阵构建误差检测函数与设定的门限，完成子滤波器的有效性检测。

通过上述的多级故障检测方法可及时有效地隔离异常信息源，避免异常信息污染整个导航系统，提高导航传感器测量信息的可靠性。

当综合导航系统中检测到子系统故障时，首先从信号传输上隔离存在故障的子系统，但不是完全除去该系统，当它再次满足判据时，仍可以使用来自该系统的数据。重构时，整个系统由原来的N个系统信息融合降阶为N-1个信息融合的方式，这样虽然少了一组信息，但原系统由于其容错性能能够维持导航信息的正确性和平滑过渡，不会造成由于切断某路信号而使信号有大的跳变。

4 展望

本文以教练机为平台，在已配置的导航系统的基础上，对惯性导航系统进行功能扩展，改进为一种综合导航系统，进一步将综合导航系统应对多种类型的导航传感器进行综合化设计，采用接口处理子系统实现导航传感信息到信息处理中心的连接与转换，根据不同终端的接口协议与接口标准的不同，重新组合信息。利用先进技术在对硬件资源进行共享的同时，实现冗余备份，提高系统的可靠性。

目前的综合导航系统主要是对现有各种导航设备的融合、信息的综合显示以及简单的飞行管理功能，可方便驾驶员观测并减轻其工作负担。综合导航系统应朝自动驾驶、自动避让的智能化和自动化方向发展。根据飞行计划、故障检测结果、外界干扰环境等因素，建立包括人机接口管理、任务管理、融合模式管理和系统状况管理等功能的导航专家系统，实现对综合导航系统的管理和决策辅助，实时决策出最优的导航融合模式以及最佳的多导航传感器支配和使用策略，提高综合导航系统的自适应性和自动化程度。人工神经网络,遗传算法以及模糊控制等理论的不断发展和成熟，也将为综合导航系统提供更多的理论工具和控制算法。综合导航系统将更加强调信息的深层处理，充分发挥计算机的快速计算和推理能力，起到势态分析、危险评估、决策支持、智能导航及自动驾驶的作用。

5 结语

为了提高教练机导航系统的定位精度和可靠性，设计了采用带有故障检测和系统重构环节的多导航源综合导航系统方案，采用联邦滤波结构和卡尔曼滤波算法实现了综合导航信息的可靠融合结构及信息处理算法。本文可为教练机导航系统信息的优化融合提供参考。