滕建方，陳 英，孟 軍，顏偉平，樊 偉

(航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330024)

0 引言

進(jìn)場著陸對于飛機(jī)安全而言始終是一個(gè)重要的課題，民航飛機(jī)在該方面擁有完善的設(shè)施與條例，但對于軍用戰(zhàn)斗機(jī)而言，由于機(jī)場條件的限制，往往無法達(dá)到民航飛機(jī)的起降條件，尤其在復(fù)雜氣象條件、能見度低的情況下，安全起降的問題就會(huì)顯得特別突出。

目前飛機(jī)的進(jìn)場著陸常見的導(dǎo)航定位方式主要有目視和幾何定位兩種：目視定位著陸主要通過飛行員的經(jīng)驗(yàn)對著陸狀態(tài)進(jìn)行主觀判斷，這種進(jìn)場著陸方式對飛行員的技術(shù)、經(jīng)驗(yàn)和心理素質(zhì)都提出了較高要求，尤其是在不利的氣象條件下，危險(xiǎn)系數(shù)較高；幾何定位主要是以進(jìn)場機(jī)場作為基準(zhǔn)，對飛機(jī)相對于機(jī)場的位置進(jìn)行確定，這種方式使用地面無線電導(dǎo)航臺(tái)，結(jié)合飛機(jī)上的無線電導(dǎo)航設(shè)備對飛機(jī)進(jìn)行定位和引導(dǎo)，這種使用外部測量信號(hào)產(chǎn)生飛機(jī)著陸的引導(dǎo)指示能夠提高飛機(jī)著陸的安全系數(shù)，但是，該方式需要著陸機(jī)場具備相關(guān)的路基引導(dǎo)設(shè)備，如儀表著陸、微波著陸，要求地面機(jī)場必須配備相應(yīng)的地面引導(dǎo)臺(tái)，飛機(jī)上也必須安裝相應(yīng)的儀表著陸或微波著陸電子設(shè)備，使用條件較為苛刻，在地面機(jī)場沒有相應(yīng)引導(dǎo)臺(tái)或機(jī)載設(shè)備不具備時(shí)就無法引導(dǎo)飛行員進(jìn)場。

本文利用現(xiàn)代飛機(jī)普遍裝備的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)與無線電高度表測得飛機(jī)相對機(jī)場的幾何關(guān)系來實(shí)現(xiàn)引導(dǎo)飛行員著陸，從實(shí)踐結(jié)果來看，效果基本與儀表著陸方式相當(dāng)，可以為航電系統(tǒng)相關(guān)設(shè)計(jì)人員提供幫助。

1 基于INS/RA組合導(dǎo)航的著陸指引原理

進(jìn)場著陸的本質(zhì)是引導(dǎo)飛行員操控飛機(jī)進(jìn)入地面上的著陸點(diǎn)，儀表著陸利用無線電電波的偏移來告訴飛行員，從而告知飛行員在方位與下滑上的偏差，飛行員通過飛行姿態(tài)的調(diào)整使飛機(jī)的飛行軌跡始終在預(yù)定的下滑軌跡上，從而保證安全著陸。

與儀表著陸原理不同的是，本設(shè)計(jì)是基于飛機(jī)自身的定位與機(jī)場之間的相對關(guān)系實(shí)現(xiàn)引導(dǎo)飛行員安全著陸。利用飛機(jī)裝備的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)測得的飛機(jī)即時(shí)位置的經(jīng)緯度、無線電高度表測得的飛機(jī)高度，并結(jié)合已知的機(jī)場跑道參數(shù)（飛機(jī)著陸點(diǎn)經(jīng)緯度、跑道長度、機(jī)場跑道的預(yù)置航道、下滑道等），經(jīng)過計(jì)算獲得飛機(jī)進(jìn)場的航向指引、下滑指引數(shù)據(jù)，得到飛機(jī)相對機(jī)場的幾何關(guān)系來實(shí)現(xiàn)引導(dǎo)飛行員著陸。

1.1 方位偏差

在機(jī)場著陸點(diǎn)位置已知的情況下，飛機(jī)即時(shí)位置在地面的垂直投影和著陸點(diǎn)之間的連線與機(jī)場跑道延長線之間的角度ε可以向飛行員指示方位上的偏差，如圖1所示。

圖1 飛機(jī)著陸時(shí)的方位偏差指示

1.2 下滑偏差

機(jī)場預(yù)置的下滑角α與飛機(jī)實(shí)時(shí)的下滑角β之間的差值λ可以為飛行員提供下滑指引，如圖2所示。

圖2 飛機(jī)著陸時(shí)的下滑偏差指示

1.3 方位偏差和下滑偏差在顯示器上的映射

飛機(jī)著陸時(shí)的方位偏差與下滑偏差，可以映射到飛機(jī)平顯或者下顯上，指引飛行員操縱飛機(jī)按照預(yù)定的路線進(jìn)行著陸，如圖3所示。

2 基于INS/RA組合導(dǎo)航的著陸指引算法

機(jī)載航電在進(jìn)行著陸指引解算時(shí)，具體步驟如下：

圖3 方位與下滑指引示意圖

1）通過飛機(jī)航電系統(tǒng)的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)測量飛機(jī)即時(shí)位置經(jīng)度lonA、緯度latA，通過無線電高度表測量飛機(jī)高度h；

2）提取機(jī)場跑道參數(shù)，機(jī)場跑道參數(shù)包括跑道著落點(diǎn)的經(jīng)度lonB、緯度latB，跑道長度L、機(jī)場跑道的預(yù)置航道δ、機(jī)場下滑道α、機(jī)場磁差δ′等；

3）根據(jù)步驟1）、2）所獲得的參數(shù)數(shù)據(jù)，計(jì)算飛機(jī)著陸時(shí)的方位偏差和下滑偏差；

4）將計(jì)算得到的指引數(shù)據(jù)映射到飛機(jī)顯示器上，指引飛行員操縱飛機(jī)按照預(yù)定的路線進(jìn)行著陸。

算法涉及參數(shù)如圖4所示。

圖4 基于INS/RA組合導(dǎo)航的目視著陸指引示意圖

A-飛機(jī)的即時(shí)位置在地面的垂直投影；B-機(jī)場跑道的著陸點(diǎn)；B′-機(jī)場跑道反向著陸點(diǎn)；L-跑道長度；N-真北方向；h-飛機(jī)無線電高度；α-機(jī)場下滑道 （預(yù)置下滑角）；β-飛機(jī)實(shí)時(shí)下滑角；λ-下滑偏差；η-AB連線與真北的夾角；θ-機(jī)場跑道與真北夾角；ε-方位偏差。

2.1 方位偏差解算

圖4中，A為飛機(jī)的即時(shí)位置在地面的垂直投影，B為機(jī)場跑道的著陸點(diǎn)，η為AB連線與真北的夾角，θ為機(jī)場跑道與真北夾角 （即機(jī)場預(yù)置航向δ+機(jī)場磁差δ′），ε即為當(dāng)前飛機(jī)偏差跑道的夾角，即方位偏差。

已知A、B兩點(diǎn)的經(jīng)緯度，計(jì)算AB連線與真北的夾角η：

1）計(jì)算AB連線在北向的投影

其中，Eearth-地球曲率，Rearth-地球半徑，HB-B點(diǎn)絕對氣壓高度

2）計(jì)算AB連線在東向的投影

3）AB連線與真北夾角

1°若在北向投影 Xte＞0

2°若在北向投影 Xte＜0，且東向投影 Zte＞0

3°若在北向投影 Xte＜0，且東向投影 Zte＜0

4°若在北向投影Xte=0，且東向投影Zte=0

5°若在北向投影 Xte=0，且東向投影 Zte＞0

6°若在北向投影 Xte=0，且東向投影 Zte＜0

ε即為當(dāng)前飛機(jī)偏差跑道的夾角，在目視著陸方式下的方位偏差指示根據(jù)ε進(jìn)行顯示：

2.2 下滑偏差指引

圖4中，h取無線電高度，β即為飛機(jī)的下滑角：

其中，DAB-A、B兩點(diǎn)之間的距離，計(jì)算方法如下：

1）計(jì)算即時(shí)位置公用因子

2）飛機(jī)即時(shí)位置A對應(yīng)海平面位置在球面坐標(biāo)中的 X、Y、Z 值

其中，HA-A點(diǎn)絕對氣壓高度

3）機(jī)場著陸點(diǎn)位置B對應(yīng)海平面位置在球面坐標(biāo)中的 X、Y、Z 值

4）計(jì)算A、B之間距離

在目視著陸方式下，下滑偏差指引根據(jù)β與機(jī)場預(yù)置下滑道α的偏差λ進(jìn)行顯示：

2.3 逆向著陸的方位偏差、下滑偏差解算

機(jī)場的實(shí)際航向需要根據(jù)加載的預(yù)置航向進(jìn)行計(jì)算，跑道著陸點(diǎn)的經(jīng)緯度也需要通過加載的著陸經(jīng)緯度和跑道長度進(jìn)行計(jì)算，具體計(jì)算如下：

1）方位指引

根據(jù)式（9）ε=η-θ′進(jìn)行方位指引（θ′為機(jī)場反向著陸時(shí)的航道方向），其中θ′=機(jī)場預(yù)置航向δ+磁差δ′+180°。

2）下滑指引

（1）計(jì)算因子

（2）計(jì)算 B′緯度

（3）計(jì)算 B′經(jīng)度

其中，L-機(jī)場跑道長度，γ-機(jī)場跑道與真北的夾角∈(-π，π] 。

通過相應(yīng)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，將方位偏差ε與下滑偏差λ映射到飛機(jī)顯示器上，指引飛行員操縱飛機(jī)按照預(yù)定的路線進(jìn)行著陸。

3 誤差分析

結(jié)合機(jī)載儀表測量精度，目視著陸時(shí)，使用該方法的航向指引和下滑指引的極限誤差進(jìn)行分析。

1）方位指引的合成誤差

方位指引方程式為 ε=θ-η=(δ+δ′)-η，因此方位指引的合成誤差為：

2）下滑指引的合成誤差

式（20）中，(Δlon)max為慣導(dǎo)經(jīng)度測量的極限誤差，(Δlat)max為慣導(dǎo)緯度測量的極限誤差，(Δh)max為高度表測量的極限誤差。

基于INS/RA組合導(dǎo)航的著陸指引算法與慣導(dǎo)定位的精度和無線電測高的精度是密切相關(guān)的，鑒于現(xiàn)代飛機(jī)的慣導(dǎo)系統(tǒng)及無線電高度表的精度較高，本文在這里不進(jìn)行深入探討。

4 結(jié)語

本文利用現(xiàn)代戰(zhàn)斗機(jī)普遍裝配的慣導(dǎo)系統(tǒng)與無線電高度表測得的位置與高度信息，經(jīng)過計(jì)算獲得飛機(jī)進(jìn)場的相關(guān)指引數(shù)據(jù)，這種結(jié)合飛機(jī)自身設(shè)備所實(shí)現(xiàn)的著陸指引，能夠在復(fù)雜環(huán)境下輔助飛行員實(shí)現(xiàn)目視著陸，消除了以往飛行員依靠經(jīng)驗(yàn)和塔臺(tái)指揮著陸的弊端，具有非常高的著陸自主性和效率。該算法已經(jīng)在某型飛機(jī)上實(shí)現(xiàn)，效果良好，且成本較低，可以為航電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員提供參考與借鑒。