航空平台综合导航系统研究

任小伟

(西安导航技术研究所，陕西 西安 710068)

航空平台综合导航系统研究

任小伟

(西安导航技术研究所，陕西 西安 710068)

摘要：随着航空平台对导航系统性能要求的不断提高，目前对导航系统独立的、或简单组合的使用方式则体现出明显的不足。为此，本文以提升导航系统性能为目的，研究了信息化、自动化、智能化的综合导航系统。首先从需求出发，分析了各种导航系统的优缺点和国外导航技术的发展趋势，研究并构建了机载平台综合导航系统的体系结构，对所涉及的关键技术进行了重点分析。最后，构建了综合导航仿真验证系统的总体架构，为进一步验证系统的功能和性能提供支撑。

关键词：综合导航；信息融合；PNT

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2015.03.007

中图分类号：P228.4

文献标志码：码： A

文章编号：号： 1008-9268(2015)03-0030-04

收稿日期：2015-05-05

作者简介

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

导航系统不仅是载体安全航行的保障，而且是海、陆、空平台和战略武器等的重要组成装备[1-2]。导航系统提供时空基准信息，其性能的优劣直接影响着先进作战平台或高性能武器系统效能的发挥。

随着导航技术的不断发展，多种类型的导航装备在航空平台上进行了装备应用，包括惯性导航、卫星导航、天文导航、地形匹配、景象匹配、无线电信标等等[3-4]。每种导航设备都可在一定的条件下独立工作，提供对飞机某个方面的测量信息。一般情形下，当前的导航系统完全可以支持飞机日常的安全飞行和简单军事对抗，但也存在设备独立分散、冗余备份手段少、飞行员操控繁琐等缺陷。然而，未来航空平台对导航系统的精度和可靠性等提出了非常高的要求，当前的导航系统则体现出明显的不足。

1需求分析

惯性/卫星组合导航系统以其无可比拟的互补特性，在多型平台上得到广泛应用，也使得飞行员对卫星导航依赖的程度日益加剧。但是，在复杂电磁对抗的军事环境中，最容易被干扰就是卫星导航。卫星导航服务受拒，致使导航精度无法得到满足。

惯导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；天文导航也是一种自主式导航系统，但受到观星质量好坏的影响较大；多普勒雷达导航、景象匹配导航、具有测量功能的通信系统等通常也都需要与惯导组合，才能提供平台所需的导航信息，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。

综上所述，由于单一导航系统、或简单组合导航系统均存在一定的局限性，难以满足不同区域、不同环境下对导航性能的要求，因此对发展高性能的导航手段的需求迫在眉睫。在新型高性能导航系统(例如冷原子惯导、量子导航等)的发展较为缓慢的情况下，对平台装备的多种导航传感器进行融合处理的综合导航方式，将成为提升导航精度及可靠性的重要手段和趋势。这种导航方式将增强复杂电磁环境下导航系统的对抗性能，为提高航空平台整体作战效能提供重要支撑。

2国外技术发展趋势

美国PNT体系结构是以GPS为重要基石，但是由于GPS的脆弱性，美国历来都非常关注对GPS过分依赖带来的严重后果。美国国防部一方面对GPS系统方面的技术改进已在GPS现代化中加紧实施；另一方面积极探求替代GPS系统的导航手段(或者至少是增强GPS导航能力的方法)，以应对日益迫切的攻击威胁。因此，在用户终端领域，美国2025年PNT目标体系结构中明确提出将发展全球导航卫星系统、地基射频系统以及自主方案的一体化定位导航授时的用户设备；并利用通信网络增强定位导航授时能力的同时，进行用户之间的相对导航。

联系人： 任小伟 E-mail: wanchao1217@qq.com

GPS信号受阻环境中增强定位导航授时的方法主要有：无线电信标导航、人造/自然随机信号导航、影像辅助导航以及与通信系统组合的导航等。但是，正如上述所示，这些技术也都有其各自缺点。因此，国外深入开展了利用综合手段对GPS导航能力进行增强的项目，以美国的全源定位与导航(ASPN)、英国的借助机会信号导航(Navsop)为代表的技术快速发展，取得了重要的阶段性研究成果[5-6]。

2010年，美国的DARPA组织全面启动了ASPN项目的研究工作，其特征是以芯片级高精度惯导和时钟为核心，并利用各种可用导航资源和信息对惯导及时钟进行误差修正，达到提供高精度定位、导航与授时能力的目标。美国空军对该技术非常重视，以期在未来对抗条件下的军事行动中保持并占据优势。

2012年，英国航太系统公司高级技术中心研发出Navsop这一新型导航定位系统，其通过利用已有的各种无线电信号实现准确定位。这些信号不仅仅局限于GPS及其干扰装置发出的信号，还包括无线保真信号、电视信号、无线电信号、手机信号、无线通讯发射器信号以及空中交通管制信号等。Navsop导航系统虽然主要采用民用无线电信号进行融合定位，但在军事界引起很大反响，具有巨大的应用潜能，例如为无人机提供更加安全的航行保障。

上述导航手段的共同点是可在GPS信号受阻的情形下，对其它导航传感器信息充分利用以达到提高平台导航精度的目的，该方面技术已然成为当前国际导航领域的新的发展趋势。

3综合导航体系结构研究

航空平台在对导航精度及可靠性等的需求越来越高、但对导航设备的体积、重量及功耗等的要求越来越小的情形下，必须对航空平台的导航系统进行综合化、智能化的深度改造，弥补导航传感器测量信息冗余量大但利用率低的劣势，全面提升平台导航系统的导航能力。这种情形下，本文研究并构建了开放式的航空平台综合导航系统体系结构，如图1所示。

图1　综合导航系统体系结构

综合导航系统由传感器层、信息处理层和智能管理层组成，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

1) 传感器层：包括惯性导航、卫星导航、天文导航、罗盘、信标、时统设备等机载导航传感器；

2) 信息处理层，对获取的导航传感器信息进行异常检测、导航信息融合、导航性能评估等综合处理；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；

3) 智能管理层，对各种导航传感器的工作状态和导航融合模式进行智能管理。

综合导航体系结构可集成各种导航传感器，通过总线技术实现对任意导航设备的增减和调整，具有较强的灵活性、适应性、兼容性及扩展性；在对各种导航传感器信息获取的同时，实现对各种导航测量信息的综合利用，充分发挥导航传感器的潜力，通过融合处理提高导航信息的精度、可靠性和可用性等；利用卫星导航对综合导航的时统设备进行授时，为各系统提供精确的、一致的时间基准信息。

4系统关键技术研究

综合导航系统作为航空平台导航系统的发展趋势，其发展目标不仅超越现有的各种导航系统，而且将集各种导航手段的优点于一体，因此涉及较多的关键技术，重点分析如下。

1) 硬件综合技术

航空平台在对导航设备的体积、重量及功耗等要求较为苛刻的情形下，综合导航系统必须对多种类型的导航传感器进行模块化、综合化的设计，充分考虑成熟导航子系统的综合方式，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，此外还需考虑安全性、测试性、维修性等多种因素。

2) 异常检测技术

在BIT及各导航传感器自身故障检测的基础上，对导航传感器信息进行直接合理性检测和子系统信息相关性检测，对各导航传感器的误差模型进行分析，并利用卡尔曼滤波等方法实时对各导航传感器异常信息检测。通过上述的多级异常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。

3) 导航专家系统技术

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。

4) 信息融合技术

根据实际各导航源状态、工作环境以及平台的运动状态等因素，充分利用多导航传感器在时间/空间上的冗余或互补特性，智能地对系统模型、噪声模型、滤波衰减因子等信息融合的参数进行调控，改善信息融合在飞机复杂运动状态下状态参数的精度，达到绝对导航和相对导航互为增强的目的，提高综合导航系统的精度和可靠性。

5) 性能评估技术

根据各导航传感器的工作状态、健康状态以及工作环境，在线对导航传感器及导航融合的性能进行实时评估，给出当前导航信息的性能级别及置信度，提供完备的导航参数，同时也为飞行员更改飞行航迹、调整作战计划等提供参考依据。

5综合导航仿真技术研究

航空平台综合导航系统是一个复杂的大系统，是一个多学科、多领域的技术大综合，其将不同的导航系统或设备进行硬件综合的同时，还需利用计算机技术、数据处理技术等对多种导航传感器信息进行综合化、智能化的处理。因此，无论是硬件、还是软件都存在较多的耦合铰链关系。

航空平台综合导航作为新兴的导航系统，需要对设计的方案进行充分的前期验证、对关键技术进行攻关。综合导航系统涉及较多的传感器，很难建立真实的、完整的试验验证环境，而计算机仿真技术、尤其是具有较高置信度的半实物仿真，可在较为真实的环境下充分验证并评估综合导航系统的性能。为此，本文对综合导航仿真技术进行了研究，构建了综合导航系统仿真架构，如图2所示。

图2　综合导航仿真验证系统总体架构

综合导航仿真验证系统主要包括四个单元：

1) 场景规划与综合显控单元

场景规划与综合显控单元综合导航仿真验证系统的人机对话窗口，可根据要求设计平台飞行的各种场景规划，设置各导航源工作状态、异常状态、干扰环境等参数，并给出平台各种导航参数的真值信息作为各导航源模拟器的激励源，同时作为测试评估单元的基准信息。

2) 导航源信息支撑单元

导航源信息支撑单元根据场景规划与导航真值及环境信息，为综合导航处理提供各种导航传感器信息，该单元包括各导航源数字仿真模拟器、导航源真实设备及相应的射频/其它信号模拟器两个部分。

3) 综合导航处理单元

综合导航处理单元是综合导航信息处理平台，为综合导航各种算法软件运行提供硬件处理资源。该单元接收各导航源导航信息，同时将综合导航的状态参数、引导参数及内部关键参数等信息输出到测试评估单元进行性能分析，并输出到综合显控单元进行显示。

4) 测试评估单元

测试评估单元利用场景规划与综合显控单元的真值信息和综合导航处理平台的输出，对综合导航各项功能及性能进行分析和评估。

6结束语

随着航空平台对导航的精度和可靠性的要求越来越高，导航系统只有走综合化的道路，在硬件模块化、综合化的基础上，对各类导航传感器信息进行综合利用，智能地对导航系统工作模式和各导航传感器状态进行管理，实现信息化、自动化、智能化的综合导航，满足航空平台对导航系统高性能的要求。

参考文献

[1] 李富荣, 丁宏升. 组合导航系统的容错技术发展综述[J]. 航空计算技术，2011,41(1):131-135.

[2] 韩剑辉, 许镇琳, 赵承利, 等. 船舶综合导航系统应用技术[J]. 天津大学学报， 2010,43(2):121-126.

[3] 马骏. 大飞机综合导航算法研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学, 2008.

[4] 钱华明，郝燕玲. 基于网络技术的综合导航系统研究[J]. 中国惯性技术学报，2004(3):45-49.

[5] 刘春保. GPS受限条件下的PNT服务[J]. 卫星应用,2013(4):44-49.

[6] 李冀. 国外提升卫星信号在拒止环境下导航定位能力的新技术[J]. 导航定位学报，2013,1(2):55-59.

任小伟(1976-)，男，硕士,高级工程师，主要从事卫星导航方向的研究。

Research on Integrated Navigation System of Airplane Platform

REN Xiaowei

(Xi’anResearchInstituteofNavigationTechnology,Xi’an710068,China)

Key words: Integrated navigation; information fusion; PNT