飛機著陸導航定位技術研究

張芳芳

摘 要：航空導航是指在復雜的氣象條件下，按照一定時間把飛行器安全可靠的引導到預定目的地。我國幅員遼闊，氣候復雜，所以保證飛機在復雜天氣安全著陸能夠提高空軍的作戰(zhàn)能力。導航是通過測量運動載體位置、速度和姿態(tài)等航行參數(shù)，引導運動載體安全、可靠地按預定軌道飛行。論文首先簡要介紹了飛機著陸的相關基礎知識，然后對導航定位系統(tǒng)的硬件和軟件兩個方面的設計進行簡要分析，希望為飛機的安全著陸提供保證。

關鍵詞：飛機著陸 導航 定位技術

1、飛機著陸導航定位發(fā)展現(xiàn)狀

目前，飛機進近和降落時主要利用全球定位系統(tǒng)（Global Position System，GPS），慣性導航系統(tǒng)（Inertial Navigation System，INS），儀表著陸系統(tǒng)（Instrument Landing System，

ILS）和微波著陸系統(tǒng)（Microwave Landing System，MLS）進行導航。

慣性導航系統(tǒng)因為其獨特的導航原理，使得該系統(tǒng)可以運行在幾乎所有的環(huán)境中，空中，地面，水下甚至太空。但慣性導航系統(tǒng)成本高，其導航原理也決定了它具有累計誤差的缺點，誤差會隨著時間的增長而越來越大，所以每隔一段時間都要進行校對。

全球定位系統(tǒng)可在地球的大部分地區(qū)提供實時的定位和導航服務。該系統(tǒng)起始于1958年美國的一個軍方項目，新一代的衛(wèi)星導航系統(tǒng)由美國政府于上世紀70年代開始進行研制并于1994年全面建成。需要該服務的使用者只需擁有GPS接收機即可全球定位系統(tǒng)與慣性導航系統(tǒng)一起組成INS/GPS組合導航系統(tǒng)，這是目前傳統(tǒng)導航方式領域里研究最多最成熟的系統(tǒng)。它具有精度較高使用簡單等特點，但它對他國的依賴性強，只能作為一種和平條件下的導航方式。

儀表著陸系統(tǒng)主要由方向引導系統(tǒng)，距離參考系統(tǒng)和目視參考系統(tǒng)等組成，可在空中建立一條虛擬路徑，是目前應用最為廣泛的飛機精密進近和著陸引導系統(tǒng)。它能在如低云、低能見度等惡劣氣象條件下提供精確的導航信息；缺點是：只能提供一條進場著陸航道，通道提供的數(shù)量少。

2、飛機著陸的過程

2.1進場

進場是指將飛機從現(xiàn)有航路引導到下滑路徑的入口，也就是說將飛機從機場遠空引導到離機場30公里的地方，以保證飛機能夠接受完整的下滑設備發(fā)出的的信號。這個過程的引導主要靠多種導航設備配合完成。

2.2下滑

下滑是指飛機沿預定的下滑線運動到?jīng)Q斷高度的過程。

2.3拉平

拉平是飛行員降低飛機下滑速率的一種常用操作。它可以在飛機達到?jīng)Q斷高度處實施。拉平后，飛機會沿著原軌跡以更小的速率繼續(xù)下滑。由于不同種類飛機的下滑角度不同，所以為了適應機場的跑道情況，相對應飛機的拉平高度也不同。以民用噴氣式飛機為例，拉平高度約為9米。

拉平后，飛機減速飄落，最后到達著陸地點。微波著陸系統(tǒng)是唯一具有拉平引導功能的著陸系統(tǒng)，飛行員要根據(jù)高度表和地平儀的顯示數(shù)據(jù)來完成拉平操縱。

2.4接地和滑跑

接地和滑跑是飛機著陸的最后階段，整個過程是從飛機機輪著地開始滑行，直到轉出跑道停在停機坪指定位置。為了便于飛行員識別，同時保證飛機安全滑行，許多機場都在著陸地點兩側鋪設“T"型白布，這樣能夠給飛機以多余的速度緩沖，避免沖出跑道。

3、導航系統(tǒng)的總體結構

組合導航系統(tǒng)的核心部分是導航處理中心，負責導航信息的融合和解算。主要的測量器件是DGPS接收機和INS（慣導系統(tǒng)），其中慣導系統(tǒng)包括陀螺儀和加速度計。系統(tǒng)工作原理是利用雙天線DGPS接收機提高GPS的定位精度，DGPS接收機將所測得定位數(shù)據(jù)修正后，將飛機位置、速度、高度等信息傳遞給導航處理機，同時慣導系統(tǒng)將陀螺儀和加速度計測量的數(shù)據(jù)傳輸給導航處理機進行捷聯(lián)解算，并且和DGPS數(shù)據(jù)進行信息融合，然后在顯示器顯示飛機的位置、速度、高度、姿態(tài)等導航數(shù)據(jù)。

3.1系統(tǒng)的硬件組成

3.1.1GPS導航模塊

GPS模塊采用DGPS接收機，雙天線的差分結構提供修正信息以提高GPS定位精度，達到飛機導航定位的要求。

3.1.2慣性導航模塊

慣性導航模塊主要是指慣性測量器件，它包括陀螺儀、加速度計兩部分。陀螺儀敏感角速度信號，加速度計則敏感線速度信號了。本文采用三個獨立的光纖陀螺儀，分別安裝在對應載體坐標系的東北天三軸方向。加速度計采用三個石英撓性加速度計，安裝方法同陀螺儀。光纖陀螺儀從閉環(huán)信號處理板傳輸來的數(shù)據(jù)已經(jīng)是數(shù)字式的，可以直接傳輸；加速度計需要模數(shù)轉換建立傳輸通道。

3.1.3溫度補償模塊

由于光纖陀螺的測量精度隨著溫度的增加會有所降低，所以采取溫度補償?shù)姆绞綔p小熱噪聲的影響。系統(tǒng)安裝了四個溫度傳感器，其中三個裝在光纖環(huán)內部，還有一個裝在陀螺的殼體外部，整個溫度的采集是通過FPGA芯片分時采集四路溫度數(shù)據(jù)，最后輸送給DSP處理。

3.1.4數(shù)據(jù)融合與解算模塊

數(shù)據(jù)融合和解算是整個導航系統(tǒng)的核心，DGPS和慣性導航的數(shù)據(jù)傳輸由FPGA芯片完成，因為FPGA適合大量高速數(shù)據(jù)處理，可作為傳輸數(shù)據(jù)接口。DSP適合高速數(shù)據(jù)的融合和解算，所以負責組合系統(tǒng)的管理和控制任務。通過采用高速的FPGA和DSP芯片可以滿足系統(tǒng)高精度和實時導航的要求。

3.1.5數(shù)據(jù)顯示模塊

它包括顯示器，主要作用是顯示導航信息。DGPS接收機和慣導系統(tǒng)經(jīng)過組合解算后得到的位置、速度、高度、姿態(tài)等導航數(shù)據(jù)要求顯示在顯示器土。解算后的導航數(shù)據(jù)必須實時準確地顯示在顯示器上，它是整個組合導航系統(tǒng)與外界聯(lián)系的界面。

3.2導航系統(tǒng)的軟件設計

3.2.1組合導航定位軟件設計

根據(jù)實際需求，組合導航軟件系統(tǒng)需要實現(xiàn)以下功能：

1）初始化DSP，設置系統(tǒng)所用的中斷。

2）采集DGPS接收機發(fā)送的導航數(shù)據(jù)，得到DGPS輸出的導航參數(shù)信息，解算出載體三維的速度和位置信息。

3）采集光纖陀螺儀和加速度計測量數(shù)據(jù)，由捷聯(lián)導航算法融合結算，最后求出所需要位置、速度等信息。

4）采集溫度傳感器的溫度數(shù)據(jù)，實時對光纖陀螺進行溫度補償。

5）融合DGPS和SINS輸出的導航數(shù)據(jù)信息。

6）組合系統(tǒng)的導航信息輸出在顯示器上，同時與預定的著陸軌跡進行比較，把飛機的位置、速度、姿態(tài)、高度等修正數(shù)也在顯示器上顯示。

3.2.2組合導航信息融合軟件流程設計

首先慣導系統(tǒng)初始化對準，使慣導系統(tǒng)的坐標系與導航坐標系重合，從而精確地確定姿態(tài)矩陣。然后分別采集陀螺儀和加速度計輸出的導航數(shù)據(jù)，并實時監(jiān)控光纖陀螺儀的工作溫度，當溫度過高或偏低時采取溫度補償，減少溫度漂移影響。采集完的導航數(shù)據(jù)送入融合處理模塊執(zhí)行捷聯(lián)導航算法。處理后的慣導系統(tǒng)監(jiān)測的飛機運動參數(shù)通過輸出校正的方式與DGPS數(shù)據(jù)融合，建立組合系統(tǒng)的狀態(tài)方程和觀測方程。

綜上所述，隨著導航技術的不斷發(fā)展，單一的導航系統(tǒng)己不能滿足系統(tǒng)的綜合需求，組合導航系統(tǒng)成為主要的發(fā)展趨勢。因此，對于飛機著陸導航定位系統(tǒng)來說，還應當深入的研究，從而提高定位技術的水平。

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