任小偉

(西安導(dǎo)航技術(shù)研究所，陜西 西安 710068)

航空平臺(tái)綜合導(dǎo)航系統(tǒng)研究

任小偉

(西安導(dǎo)航技術(shù)研究所，陜西 西安 710068)

摘要：隨著航空平臺(tái)對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)性能要求的不斷提高，目前對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)獨(dú)立的、或簡(jiǎn)單組合的使用方式則體現(xiàn)出明顯的不足。為此，本文以提升導(dǎo)航系統(tǒng)性能為目的，研究了信息化、自動(dòng)化、智能化的綜合導(dǎo)航系統(tǒng)。首先從需求出發(fā)，分析了各種導(dǎo)航系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)和國(guó)外導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，研究并構(gòu)建了機(jī)載平臺(tái)綜合導(dǎo)航系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，對(duì)所涉及的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了重點(diǎn)分析。最后，構(gòu)建了綜合導(dǎo)航仿真驗(yàn)證系統(tǒng)的總體架構(gòu)，為進(jìn)一步驗(yàn)證系統(tǒng)的功能和性能提供支撐。

關(guān)鍵詞：綜合導(dǎo)航；信息融合；PNT

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2015.03.007

中圖分類號(hào)：P228.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：碼： A

文章編號(hào)：號(hào)： 1008-9268(2015)03-0030-04

收稿日期：2015-05-05

作者簡(jiǎn)介

Abstract:With the continuous improvement of the aviation platform needing navigation performance, the independent and simple integrated navigation system have the evident shortage currently. Therefore, in order to improve performance of the navigation system, this paper provided the integrated navigation system with informationize, automaticity and intelligence. Firstly, the merit and demerit of kinds of the navigation system and developing trend of navigation technology overseas are analyzed. Secondly, the systematic framework of integrated navigation on the aviation platform is designed, and key technologies are researched. Finally, in order to validate sufficiently the function and performance of integrated navigation system, we provided the whole framework of simulation validation system, and expounded the detailed function of all the modules.

0引言

導(dǎo)航系統(tǒng)不僅是載體安全航行的保障，而且是海、陸、空平臺(tái)和戰(zhàn)略武器等的重要組成裝備[1-2]。導(dǎo)航系統(tǒng)提供時(shí)空基準(zhǔn)信息，其性能的優(yōu)劣直接影響著先進(jìn)作戰(zhàn)平臺(tái)或高性能武器系統(tǒng)效能的發(fā)揮。

隨著導(dǎo)航技術(shù)的不斷發(fā)展，多種類型的導(dǎo)航裝備在航空平臺(tái)上進(jìn)行了裝備應(yīng)用，包括慣性導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航、天文導(dǎo)航、地形匹配、景象匹配、無(wú)線電信標(biāo)等等[3-4]。每種導(dǎo)航設(shè)備都可在一定的條件下獨(dú)立工作，提供對(duì)飛機(jī)某個(gè)方面的測(cè)量信息。一般情形下，當(dāng)前的導(dǎo)航系統(tǒng)完全可以支持飛機(jī)日常的安全飛行和簡(jiǎn)單軍事對(duì)抗，但也存在設(shè)備獨(dú)立分散、冗余備份手段少、飛行員操控繁瑣等缺陷。然而，未來(lái)航空平臺(tái)對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)的精度和可靠性等提出了非常高的要求，當(dāng)前的導(dǎo)航系統(tǒng)則體現(xiàn)出明顯的不足。

1需求分析

慣性/衛(wèi)星組合導(dǎo)航系統(tǒng)以其無(wú)可比擬的互補(bǔ)特性，在多型平臺(tái)上得到廣泛應(yīng)用，也使得飛行員對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航依賴的程度日益加劇。但是，在復(fù)雜電磁對(duì)抗的軍事環(huán)境中，最容易被干擾就是衛(wèi)星導(dǎo)航。衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)受拒，致使導(dǎo)航精度無(wú)法得到滿足。

慣導(dǎo)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(shí)間增長(zhǎng)而變差；天文導(dǎo)航也是一種自主式導(dǎo)航系統(tǒng)，但受到觀星質(zhì)量好壞的影響較大；多普勒雷達(dá)導(dǎo)航、景象匹配導(dǎo)航、具有測(cè)量功能的通信系統(tǒng)等通常也都需要與慣導(dǎo)組合，才能提供平臺(tái)所需的導(dǎo)航信息，普遍受飛行高度、機(jī)動(dòng)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。

綜上所述，由于單一導(dǎo)航系統(tǒng)、或簡(jiǎn)單組合導(dǎo)航系統(tǒng)均存在一定的局限性，難以滿足不同區(qū)域、不同環(huán)境下對(duì)導(dǎo)航性能的要求，因此對(duì)發(fā)展高性能的導(dǎo)航手段的需求迫在眉睫。在新型高性能導(dǎo)航系統(tǒng)(例如冷原子慣導(dǎo)、量子導(dǎo)航等)的發(fā)展較為緩慢的情況下，對(duì)平臺(tái)裝備的多種導(dǎo)航傳感器進(jìn)行融合處理的綜合導(dǎo)航方式，將成為提升導(dǎo)航精度及可靠性的重要手段和趨勢(shì)。這種導(dǎo)航方式將增強(qiáng)復(fù)雜電磁環(huán)境下導(dǎo)航系統(tǒng)的對(duì)抗性能，為提高航空平臺(tái)整體作戰(zhàn)效能提供重要支撐。

2國(guó)外技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

美國(guó)PNT體系結(jié)構(gòu)是以GPS為重要基石，但是由于GPS的脆弱性，美國(guó)歷來(lái)都非常關(guān)注對(duì)GPS過(guò)分依賴帶來(lái)的嚴(yán)重后果。美國(guó)國(guó)防部一方面對(duì)GPS系統(tǒng)方面的技術(shù)改進(jìn)已在GPS現(xiàn)代化中加緊實(shí)施；另一方面積極探求替代GPS系統(tǒng)的導(dǎo)航手段(或者至少是增強(qiáng)GPS導(dǎo)航能力的方法)，以應(yīng)對(duì)日益迫切的攻擊威脅。因此，在用戶終端領(lǐng)域，美國(guó)2025年P(guān)NT目標(biāo)體系結(jié)構(gòu)中明確提出將發(fā)展全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)、地基射頻系統(tǒng)以及自主方案的一體化定位導(dǎo)航授時(shí)的用戶設(shè)備；并利用通信網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)定位導(dǎo)航授時(shí)能力的同時(shí)，進(jìn)行用戶之間的相對(duì)導(dǎo)航。

聯(lián)系人： 任小偉 E-mail: wanchao1217@qq.com

GPS信號(hào)受阻環(huán)境中增強(qiáng)定位導(dǎo)航授時(shí)的方法主要有：無(wú)線電信標(biāo)導(dǎo)航、人造/自然隨機(jī)信號(hào)導(dǎo)航、影像輔助導(dǎo)航以及與通信系統(tǒng)組合的導(dǎo)航等。但是，正如上述所示，這些技術(shù)也都有其各自缺點(diǎn)。因此，國(guó)外深入開(kāi)展了利用綜合手段對(duì)GPS導(dǎo)航能力進(jìn)行增強(qiáng)的項(xiàng)目，以美國(guó)的全源定位與導(dǎo)航(ASPN)、英國(guó)的借助機(jī)會(huì)信號(hào)導(dǎo)航(Navsop)為代表的技術(shù)快速發(fā)展，取得了重要的階段性研究成果[5-6]。

2010年，美國(guó)的DARPA組織全面啟動(dòng)了ASPN項(xiàng)目的研究工作，其特征是以芯片級(jí)高精度慣導(dǎo)和時(shí)鐘為核心，并利用各種可用導(dǎo)航資源和信息對(duì)慣導(dǎo)及時(shí)鐘進(jìn)行誤差修正，達(dá)到提供高精度定位、導(dǎo)航與授時(shí)能力的目標(biāo)。美國(guó)空軍對(duì)該技術(shù)非常重視，以期在未來(lái)對(duì)抗條件下的軍事行動(dòng)中保持并占據(jù)優(yōu)勢(shì)。

2012年，英國(guó)航太系統(tǒng)公司高級(jí)技術(shù)中心研發(fā)出Navsop這一新型導(dǎo)航定位系統(tǒng)，其通過(guò)利用已有的各種無(wú)線電信號(hào)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位。這些信號(hào)不僅僅局限于GPS及其干擾裝置發(fā)出的信號(hào)，還包括無(wú)線保真信號(hào)、電視信號(hào)、無(wú)線電信號(hào)、手機(jī)信號(hào)、無(wú)線通訊發(fā)射器信號(hào)以及空中交通管制信號(hào)等。Navsop導(dǎo)航系統(tǒng)雖然主要采用民用無(wú)線電信號(hào)進(jìn)行融合定位，但在軍事界引起很大反響，具有巨大的應(yīng)用潛能，例如為無(wú)人機(jī)提供更加安全的航行保障。

上述導(dǎo)航手段的共同點(diǎn)是可在GPS信號(hào)受阻的情形下，對(duì)其它導(dǎo)航傳感器信息充分利用以達(dá)到提高平臺(tái)導(dǎo)航精度的目的，該方面技術(shù)已然成為當(dāng)前國(guó)際導(dǎo)航領(lǐng)域的新的發(fā)展趨勢(shì)。

3綜合導(dǎo)航體系結(jié)構(gòu)研究

航空平臺(tái)在對(duì)導(dǎo)航精度及可靠性等的需求越來(lái)越高、但對(duì)導(dǎo)航設(shè)備的體積、重量及功耗等的要求越來(lái)越小的情形下，必須對(duì)航空平臺(tái)的導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行綜合化、智能化的深度改造，彌補(bǔ)導(dǎo)航傳感器測(cè)量信息冗余量大但利用率低的劣勢(shì)，全面提升平臺(tái)導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航能力。這種情形下，本文研究并構(gòu)建了開(kāi)放式的航空平臺(tái)綜合導(dǎo)航系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1　綜合導(dǎo)航系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

綜合導(dǎo)航系統(tǒng)由傳感器層、信息處理層和智能管理層組成，為飛行控制、火控、雷達(dá)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)

1) 傳感器層：包括慣性導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航、天文導(dǎo)航、羅盤(pán)、信標(biāo)、時(shí)統(tǒng)設(shè)備等機(jī)載導(dǎo)航傳感器；

2) 信息處理層，對(duì)獲取的導(dǎo)航傳感器信息進(jìn)行異常檢測(cè)、導(dǎo)航信息融合、導(dǎo)航性能評(píng)估等綜合處理；根據(jù)飛行計(jì)劃，利用當(dāng)前導(dǎo)航信息、導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫(kù)等，計(jì)算飛行引導(dǎo)信息并生成相應(yīng)的操控指令；

3) 智能管理層，對(duì)各種導(dǎo)航傳感器的工作狀態(tài)和導(dǎo)航融合模式進(jìn)行智能管理。

綜合導(dǎo)航體系結(jié)構(gòu)可集成各種導(dǎo)航傳感器，通過(guò)總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)任意導(dǎo)航設(shè)備的增減和調(diào)整，具有較強(qiáng)的靈活性、適應(yīng)性、兼容性及擴(kuò)展性；在對(duì)各種導(dǎo)航傳感器信息獲取的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種導(dǎo)航測(cè)量信息的綜合利用，充分發(fā)揮導(dǎo)航傳感器的潛力，通過(guò)融合處理提高導(dǎo)航信息的精度、可靠性和可用性等；利用衛(wèi)星導(dǎo)航對(duì)綜合導(dǎo)航的時(shí)統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行授時(shí)，為各系統(tǒng)提供精確的、一致的時(shí)間基準(zhǔn)信息。

4系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

綜合導(dǎo)航系統(tǒng)作為航空平臺(tái)導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，其發(fā)展目標(biāo)不僅超越現(xiàn)有的各種導(dǎo)航系統(tǒng)，而且將集各種導(dǎo)航手段的優(yōu)點(diǎn)于一體，因此涉及較多的關(guān)鍵技術(shù)，重點(diǎn)分析如下。

1) 硬件綜合技術(shù)

航空平臺(tái)在對(duì)導(dǎo)航設(shè)備的體積、重量及功耗等要求較為苛刻的情形下，綜合導(dǎo)航系統(tǒng)必須對(duì)多種類型的導(dǎo)航傳感器進(jìn)行模塊化、綜合化的設(shè)計(jì)，充分考慮成熟導(dǎo)航子系統(tǒng)的綜合方式，利用先進(jìn)技術(shù)在對(duì)硬件資源進(jìn)行共享的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)冗余備份，提高系統(tǒng)的可靠性，此外還需考慮安全性、測(cè)試性、維修性等多種因素。

2) 異常檢測(cè)技術(shù)

在BIT及各導(dǎo)航傳感器自身故障檢測(cè)的基礎(chǔ)上，對(duì)導(dǎo)航傳感器信息進(jìn)行直接合理性檢測(cè)和子系統(tǒng)信息相關(guān)性檢測(cè)，對(duì)各導(dǎo)航傳感器的誤差模型進(jìn)行分析，并利用卡爾曼濾波等方法實(shí)時(shí)對(duì)各導(dǎo)航傳感器異常信息檢測(cè)。通過(guò)上述的多級(jí)異常檢測(cè)方法可及時(shí)有效地隔離異常信息源，避免異常信息污染整個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)，提高導(dǎo)航傳感器測(cè)量信息的可靠性。

3) 導(dǎo)航專家系統(tǒng)技術(shù)

根據(jù)飛行計(jì)劃、故障檢測(cè)結(jié)果、外界干擾環(huán)境等因素，建立包括人機(jī)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(shí)現(xiàn)對(duì)綜合導(dǎo)航系統(tǒng)的管理和決策輔助，實(shí)時(shí)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(dòng)化程度。

4) 信息融合技術(shù)

根據(jù)實(shí)際各導(dǎo)航源狀態(tài)、工作環(huán)境以及平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等因素，充分利用多導(dǎo)航傳感器在時(shí)間/空間上的冗余或互補(bǔ)特性，智能地對(duì)系統(tǒng)模型、噪聲模型、濾波衰減因子等信息融合的參數(shù)進(jìn)行調(diào)控，改善信息融合在飛機(jī)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下?tīng)顟B(tài)參數(shù)的精度，達(dá)到絕對(duì)導(dǎo)航和相對(duì)導(dǎo)航互為增強(qiáng)的目的，提高綜合導(dǎo)航系統(tǒng)的精度和可靠性。

5) 性能評(píng)估技術(shù)

根據(jù)各導(dǎo)航傳感器的工作狀態(tài)、健康狀態(tài)以及工作環(huán)境，在線對(duì)導(dǎo)航傳感器及導(dǎo)航融合的性能進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)估，給出當(dāng)前導(dǎo)航信息的性能級(jí)別及置信度，提供完備的導(dǎo)航參數(shù)，同時(shí)也為飛行員更改飛行航跡、調(diào)整作戰(zhàn)計(jì)劃等提供參考依據(jù)。

5綜合導(dǎo)航仿真技術(shù)研究

航空平臺(tái)綜合導(dǎo)航系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的大系統(tǒng)，是一個(gè)多學(xué)科、多領(lǐng)域的技術(shù)大綜合，其將不同的導(dǎo)航系統(tǒng)或設(shè)備進(jìn)行硬件綜合的同時(shí)，還需利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)等對(duì)多種導(dǎo)航傳感器信息進(jìn)行綜合化、智能化的處理。因此，無(wú)論是硬件、還是軟件都存在較多的耦合鉸鏈關(guān)系。

航空平臺(tái)綜合導(dǎo)航作為新興的導(dǎo)航系統(tǒng)，需要對(duì)設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行充分的前期驗(yàn)證、對(duì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)。綜合導(dǎo)航系統(tǒng)涉及較多的傳感器，很難建立真實(shí)的、完整的試驗(yàn)驗(yàn)證環(huán)境，而計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、尤其是具有較高置信度的半實(shí)物仿真，可在較為真實(shí)的環(huán)境下充分驗(yàn)證并評(píng)估綜合導(dǎo)航系統(tǒng)的性能。為此，本文對(duì)綜合導(dǎo)航仿真技術(shù)進(jìn)行了研究，構(gòu)建了綜合導(dǎo)航系統(tǒng)仿真架構(gòu)，如圖2所示。

圖2　綜合導(dǎo)航仿真驗(yàn)證系統(tǒng)總體架構(gòu)

綜合導(dǎo)航仿真驗(yàn)證系統(tǒng)主要包括四個(gè)單元：

1) 場(chǎng)景規(guī)劃與綜合顯控單元

場(chǎng)景規(guī)劃與綜合顯控單元綜合導(dǎo)航仿真驗(yàn)證系統(tǒng)的人機(jī)對(duì)話窗口，可根據(jù)要求設(shè)計(jì)平臺(tái)飛行的各種場(chǎng)景規(guī)劃，設(shè)置各導(dǎo)航源工作狀態(tài)、異常狀態(tài)、干擾環(huán)境等參數(shù)，并給出平臺(tái)各種導(dǎo)航參數(shù)的真值信息作為各導(dǎo)航源模擬器的激勵(lì)源，同時(shí)作為測(cè)試評(píng)估單元的基準(zhǔn)信息。

2) 導(dǎo)航源信息支撐單元

導(dǎo)航源信息支撐單元根據(jù)場(chǎng)景規(guī)劃與導(dǎo)航真值及環(huán)境信息，為綜合導(dǎo)航處理提供各種導(dǎo)航傳感器信息，該單元包括各導(dǎo)航源數(shù)字仿真模擬器、導(dǎo)航源真實(shí)設(shè)備及相應(yīng)的射頻/其它信號(hào)模擬器兩個(gè)部分。

3) 綜合導(dǎo)航處理單元

綜合導(dǎo)航處理單元是綜合導(dǎo)航信息處理平臺(tái)，為綜合導(dǎo)航各種算法軟件運(yùn)行提供硬件處理資源。該單元接收各導(dǎo)航源導(dǎo)航信息，同時(shí)將綜合導(dǎo)航的狀態(tài)參數(shù)、引導(dǎo)參數(shù)及內(nèi)部關(guān)鍵參數(shù)等信息輸出到測(cè)試評(píng)估單元進(jìn)行性能分析，并輸出到綜合顯控單元進(jìn)行顯示。

4) 測(cè)試評(píng)估單元

測(cè)試評(píng)估單元利用場(chǎng)景規(guī)劃與綜合顯控單元的真值信息和綜合導(dǎo)航處理平臺(tái)的輸出，對(duì)綜合導(dǎo)航各項(xiàng)功能及性能進(jìn)行分析和評(píng)估。

6結(jié)束語(yǔ)

隨著航空平臺(tái)對(duì)導(dǎo)航的精度和可靠性的要求越來(lái)越高，導(dǎo)航系統(tǒng)只有走綜合化的道路，在硬件模塊化、綜合化的基礎(chǔ)上，對(duì)各類導(dǎo)航傳感器信息進(jìn)行綜合利用，智能地對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)工作模式和各導(dǎo)航傳感器狀態(tài)進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)信息化、自動(dòng)化、智能化的綜合導(dǎo)航，滿足航空平臺(tái)對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)高性能的要求。

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任小偉(1976-)，男，碩士,高級(jí)工程師，主要從事衛(wèi)星導(dǎo)航方向的研究。

Research on Integrated Navigation System of Airplane Platform

REN Xiaowei

(Xi’anResearchInstituteofNavigationTechnology,Xi’an710068,China)

Key words: Integrated navigation; information fusion; PNT