一种基于INS/RA组合导航的着陆指引方式实现

滕建方，陈 英，孟 军，颜伟平，樊 伟

(航空工业洪都，江西 南昌，330024)

0 引言

进场着陆对于飞机安全而言始终是一个重要的课题，民航飞机在该方面拥有完善的设施与条例，但对于军用战斗机而言，由于机场条件的限制，往往无法达到民航飞机的起降条件，尤其在复杂气象条件、能见度低的情况下，安全起降的问题就会显得特别突出。

目前飞机的进场着陆常见的导航定位方式主要有目视和几何定位两种：目视定位着陆主要通过飞行员的经验对着陆状态进行主观判断，这种进场着陆方式对飞行员的技术、经验和心理素质都提出了较高要求，尤其是在不利的气象条件下，危险系数较高；几何定位主要是以进场机场作为基准，对飞机相对于机场的位置进行确定，这种方式使用地面无线电导航台，结合飞机上的无线电导航设备对飞机进行定位和引导，这种使用外部测量信号产生飞机着陆的引导指示能够提高飞机着陆的安全系数，但是，该方式需要着陆机场具备相关的路基引导设备，如仪表着陆、微波着陆，要求地面机场必须配备相应的地面引导台，飞机上也必须安装相应的仪表着陆或微波着陆电子设备，使用条件较为苛刻，在地面机场没有相应引导台或机载设备不具备时就无法引导飞行员进场。

本文利用现代飞机普遍装备的惯性导航系统与无线电高度表测得飞机相对机场的几何关系来实现引导飞行员着陆，从实践结果来看，效果基本与仪表着陆方式相当，可以为航电系统相关设计人员提供帮助。

1 基于INS/RA组合导航的着陆指引原理

进场着陆的本质是引导飞行员操控飞机进入地面上的着陆点，仪表着陆利用无线电电波的偏移来告诉飞行员，从而告知飞行员在方位与下滑上的偏差，飞行员通过飞行姿态的调整使飞机的飞行轨迹始终在预定的下滑轨迹上，从而保证安全着陆。

与仪表着陆原理不同的是，本设计是基于飞机自身的定位与机场之间的相对关系实现引导飞行员安全着陆。利用飞机装备的惯性导航系统测得的飞机即时位置的经纬度、无线电高度表测得的飞机高度，并结合已知的机场跑道参数（飞机着陆点经纬度、跑道长度、机场跑道的预置航道、下滑道等），经过计算获得飞机进场的航向指引、下滑指引数据，得到飞机相对机场的几何关系来实现引导飞行员着陆。

1.1 方位偏差

在机场着陆点位置已知的情况下，飞机即时位置在地面的垂直投影和着陆点之间的连线与机场跑道延长线之间的角度ε可以向飞行员指示方位上的偏差，如图1所示。

图1 飞机着陆时的方位偏差指示

1.2 下滑偏差

机场预置的下滑角α与飞机实时的下滑角β之间的差值λ可以为飞行员提供下滑指引，如图2所示。

图2 飞机着陆时的下滑偏差指示

1.3 方位偏差和下滑偏差在显示器上的映射

飞机着陆时的方位偏差与下滑偏差，可以映射到飞机平显或者下显上，指引飞行员操纵飞机按照预定的路线进行着陆，如图3所示。

2 基于INS/RA组合导航的着陆指引算法

机载航电在进行着陆指引解算时，具体步骤如下：

图3 方位与下滑指引示意图

1）通过飞机航电系统的惯性导航系统测量飞机即时位置经度lonA、纬度latA，通过无线电高度表测量飞机高度h；

2）提取机场跑道参数，机场跑道参数包括跑道着落点的经度lonB、纬度latB，跑道长度L、机场跑道的预置航道δ、机场下滑道α、机场磁差δ′等；

3）根据步骤1）、2）所获得的参数数据，计算飞机着陆时的方位偏差和下滑偏差；

4）将计算得到的指引数据映射到飞机显示器上，指引飞行员操纵飞机按照预定的路线进行着陆。

算法涉及参数如图4所示。

图4 基于INS/RA组合导航的目视着陆指引示意图

A-飞机的即时位置在地面的垂直投影；B-机场跑道的着陆点；B′-机场跑道反向着陆点；L-跑道长度；N-真北方向；h-飞机无线电高度；α-机场下滑道 （预置下滑角）；β-飞机实时下滑角；λ-下滑偏差；η-AB连线与真北的夹角；θ-机场跑道与真北夹角；ε-方位偏差。

2.1 方位偏差解算

图4中，A为飞机的即时位置在地面的垂直投影，B为机场跑道的着陆点，η为AB连线与真北的夹角，θ为机场跑道与真北夹角 （即机场预置航向δ+机场磁差δ′），ε即为当前飞机偏差跑道的夹角，即方位偏差。

已知A、B两点的经纬度，计算AB连线与真北的夹角η：

1）计算AB连线在北向的投影

其中，Eearth-地球曲率，Rearth-地球半径，HB-B点绝对气压高度

2）计算AB连线在东向的投影

3）AB连线与真北夹角

1°若在北向投影 Xte＞0

2°若在北向投影 Xte＜0，且东向投影 Zte＞0

3°若在北向投影 Xte＜0，且东向投影 Zte＜0

4°若在北向投影Xte=0，且东向投影Zte=0

5°若在北向投影 Xte=0，且东向投影 Zte＞0

6°若在北向投影 Xte=0，且东向投影 Zte＜0

ε即为当前飞机偏差跑道的夹角，在目视着陆方式下的方位偏差指示根据ε进行显示：

2.2 下滑偏差指引

图4中，h取无线电高度，β即为飞机的下滑角：

其中，DAB-A、B两点之间的距离，计算方法如下：

1）计算即时位置公用因子

2）飞机即时位置A对应海平面位置在球面坐标中的 X、Y、Z 值

其中，HA-A点绝对气压高度

3）机场着陆点位置B对应海平面位置在球面坐标中的 X、Y、Z 值

4）计算A、B之间距离

在目视着陆方式下，下滑偏差指引根据β与机场预置下滑道α的偏差λ进行显示：

2.3 逆向着陆的方位偏差、下滑偏差解算

机场的实际航向需要根据加载的预置航向进行计算，跑道着陆点的经纬度也需要通过加载的着陆经纬度和跑道长度进行计算，具体计算如下：

1）方位指引

根据式（9）ε=η-θ′进行方位指引（θ′为机场反向着陆时的航道方向），其中θ′=机场预置航向δ+磁差δ′+180°。

2）下滑指引

（1）计算因子

（2）计算 B′纬度

（3）计算 B′经度

其中，L-机场跑道长度，γ-机场跑道与真北的夹角∈(-π，π] 。

通过相应坐标系转换，将方位偏差ε与下滑偏差λ映射到飞机显示器上，指引飞行员操纵飞机按照预定的路线进行着陆。

3 误差分析

结合机载仪表测量精度，目视着陆时，使用该方法的航向指引和下滑指引的极限误差进行分析。

1）方位指引的合成误差

方位指引方程式为 ε=θ-η=(δ+δ′)-η，因此方位指引的合成误差为：

2）下滑指引的合成误差

式（20）中，(Δlon)max为惯导经度测量的极限误差，(Δlat)max为惯导纬度测量的极限误差，(Δh)max为高度表测量的极限误差。

基于INS/RA组合导航的着陆指引算法与惯导定位的精度和无线电测高的精度是密切相关的，鉴于现代飞机的惯导系统及无线电高度表的精度较高，本文在这里不进行深入探讨。

4 结语

本文利用现代战斗机普遍装配的惯导系统与无线电高度表测得的位置与高度信息，经过计算获得飞机进场的相关指引数据，这种结合飞机自身设备所实现的着陆指引，能够在复杂环境下辅助飞行员实现目视着陆，消除了以往飞行员依靠经验和塔台指挥着陆的弊端，具有非常高的着陆自主性和效率。该算法已经在某型飞机上实现，效果良好，且成本较低，可以为航电系统的设计人员提供参考与借鉴。