飞行器组合导航技术的分析

刘雪松

摘  要：由于机动性强，飞机在国内外军事和民用领域得到了广泛的应用，飞机导航技术是高效可靠完成运输任务的前提。随着科学技术的快速发展，导航技术也取得了很大的成就，不同的环境条件下，促成了多种导航方式的形成，不过都是为了达到精确制导的目标。

关键词：组合导航;飞行器;导航精度

中图分类号：TN966      文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）29-0157-02

Abstract： Due to its strong mobility， aircraft has been widely used in military and civilian fields at home and abroad. Aircraft navigation technology is a prerequisite for efficient and reliable completion of transportation tasks. With the rapid development of science and technology， great achievements have been made in navigation technology， which in different environmental conditions contributes to the formation of a variety of navigation methods， in order to achieve the goal of precision guidance.

Keywords： integrated navigation; aircraft; navigation accuracy

1 概述

空中武器是当代军事国防力量的重要部分，载人和无人的飞行器能执行自己的空中支援，完成战术战略任务[1]。飞行器包括：飞机、导弹等，作为保卫国防的重要组成力量，能完成特定的战略任务，无论飞机和其他飞行器，在空中运行，需要精确导航确定自身的位置，才能保证飞行姿态和飞行位置满足作战需求，而飞行器在空中确定自身的位置，是通过各种导航方式，机体上装载着的导航设备，好比是“眼睛”，控制和指挥着飞行器按照原方案飞行，因此“眼睛”的功能是飞行器满足作战需求的必要条件。

而随着飞机等飞行器完成作战任务的提升，需要这对“眼睛”更加的精确[2]。也就是导航系统必须具有范围广、可靠性好、精度高等特点，而要实现这样的功能，可以通过多种导航方式的组合，也就是组合导航，这相当于多双“眼睛”，去观察和判断同一个目标，每双“眼睛”都会弥补对方的缺点，发挥自己的优点，这样自然而然精度会大幅的提升，在判断同一个问题时，会把误差降到最低，使结果最准确，系统可靠性最大，这就是组合导航的特點。

2 飞行器导航特点

飞行器导航具有鲜明的特点，精确制导是所有导航技术的目标，如何提升导航的精度，使导航技术尽可能的达到战术战略要求，是目前研究者们努力探索的方向。目前，为保证飞机导航的可靠性，各种导航技术被应用到飞机上。针对飞行器的技术要求，导航特点如下：

（1）系统可靠性高：军事导航需要随时进行，导航服务不能中断，这就要求航空导航系统在任何天气、地形和无线电波传输条件下都能提供满足要求的导航信息[3]。

（2）覆盖范围广：为满足需要，导航系统的覆盖范围至少应包括作战任务区域。但是，为了在更大范围内统一指挥，导航系统覆盖范围越大，就越需要覆盖全球。

（3）信息更新率高：信息更新率是指系统在单位时间内对导航数据进行改进的次数。如果航空导航更新率不够，在两次向飞行员提供位置数据之间的时间内，飞机的当前位置距离最后一次位置指示较远，将大大降低导航精度[4]。

（4）导航精度高：导航精度是航空飞行器的主要技术指标，是保障飞行器能够安全运行的前提。特别是在飞行中最容易发生事故的着陆阶段，对导航信息的准确性要求很高[5]。

3 飞行器导航技术

随着科学技术的发展，飞行器导航技术得到了快速进步，根据不同的导航目的，不同的导航技术表现出各自的特点，比如根据天文星体的特点，还有根据卫星信息，以及根据飞行器本身的运动特点，和无线电传播信息的方式等等，根据这些导航方式不同工作原理，飞行器导航系统可分成多种形式，比如天文导航、卫星导航、惯性导航、无线电导航等。

3.1 惯性导航

惯导系统是一种自主导航系统。惯导系统较为独立，依靠自身系统设置参数完成飞行器位置的改变[6]。由于惯性导航主要是依据牛顿经典力学，因此是很自主的导航方式，主要体现在它不需要和外界任何系统进行沟通，这样一来外界很难通过干扰等方式试图去扰乱系统的导航精度，同时，惯性导航是比较稳定的，飞行器姿态的参数也较为安全可靠，传感器的采样率很高，也就是惯性导航系统的运行速度很快，这就加大了惯性导航的运行范围，比如一些速度运行很快的物体，其他导航的方式可能不能满足要求，但是惯性导航系统由于采集数据很快，这样一来能够跟上快速运动物体的运动姿态参数，就能达到精准导航的目标，系统可靠性较高。然而，惯性导航系统有其固有的缺点：导航精度随时间而变化，即长期运行稳定性差，为了提高导航精度，另外弥补惯性导航存在的问题和缺点，往往把惯性导航作为一种较为基础的方式，然后把它与其他导航种类进行组合，这样既能保留着惯性导航稳定性强的特点，又能解决惯性导航长期运行造成的误差叠加的问题。

3.2 卫星导航

卫星导航是指含有人造卫星向地球表面发送时间和卫星位置信息的无线电波。信号在卫星和地球之间进行双向传播，然后导航系统根据测量的时间，计算出与卫星的距离，进而确定相对应的位置[7]。然而，由于卫星对于其他导航形式，在空间内运转的规律相对是恒定不变的，整个系统是较为稳定的，因此卫星导航具有鲜明的特点，例如GPS导航系统具有导航精度高的特点，这种高精度和长期稳定性是惯性导航系统无法企及的。不过卫星与飞行器及地面设备相互联系，主要通过电波的形式，这也导致了电波在传递信息时，容易在这个过程产生干扰，导致信息的错误和缺失，这一方面是卫星导航方式需要面对的问题，如何进行反干扰是研究的方向和目标。

3.3 无线电导航

无线电导航主要通过无线电波的传播特性，然后确定飞行器的姿态参数（方位、距离和速度）[8]。无线电导航不受时间的影响，不过无线电导航和卫星导航方式一样，由于传播信息的方式有着很大的局限性，因此很容易受到干扰，导致导航信息的缺失，精度也会随之下降。

可见，各种导航系统单独工作时不能有效地完成导航任务，需要一种手段来提高导航系统的整体性能。目前最有效的方法是采用组合导航技术。

4 组合导航

组合导航，顾名思义，是多种导航方式组合的形式，然后互补不同导航方式的缺点，提高导航精度[9]，组合导航的方式大多基于惯性导航系统，然后采用其他导航方式，进行组合。

4.1 惯性/卫星组合导航

目前，惯性/卫星组合导航结合已经引起了全世界的关注，因为这种组合方式有着鲜明的特点，一方面能达到全球性、全天候的要求，另外一方面能够提供非常完整的飞行器姿态数据。惯性导航和卫星导航两者互相适应，消除各自的缺点，使惯性/卫星组合导航的应用越来越广泛。

4.2 惯性/多普勒组合导航

惯性/多普勒组合导航两者的结合主要是针对速度参数，它可以减少速度参数测量的误差，提高飞行器测量的姿态精度，这样就能控制位置的测量误差，提高导航精度。

4.3 惯性/侧向测距组合导航

惯性/测向测距导航系统可以直接提高惯性导航的定位精度和惯性平台的姿态精度，如果将双测距系统结合起来，可以提高方位对准精度，可以间隔组合，也可以连续组合。

4.4 惯性/天文组合导航

天文导航首先是从导航发展起来的。其基本原理是利用光学仪器（如六分仪）人工观测恒星的高度角，然后确定导航体的位置，以自然天体在空间上的位置，进而计算出载体的位置信息，这样的实现方式，进一步说明了系统是比较稳定的。组合导航中的天文导航可以估计陀螺漂移和实际平台姿态误差，从而實现组合导航功能，不过由于是根据天体位置为基础的导航方式，当受到地形或者天气影响时候，这会影响相对位置信息的判断，这个过程的误差是不能忽略的，不过随着导航技术的研究，现在已经有方法去解决这个问题，尽量把测量误差降低到最小，尽可能的发挥惯性/天文组合导航的稳定优点。

5 结束语

由于目前全球部分地区的紧张形势，以及隐形的各国之间激烈的竞争关系，使得必须拥有着较为强大的国防力量，因此作为军事力量中比较重要的一部分——空军，发展空中军事力量是极为关键的。提到飞行器就离不开导航的话题，为了提高导航精度，多种导航技术的组合是导航研究的趋势，各国都投入大量的人力物力，志在提升自己国家武器的导航精度，提升自身的国防力量，能够在军备和设施上处于竞争地位。但是组合导航还有很多的技术难关需要克服，进一步提高组合导航的精度，需要技术的研究和创新，因此，我们应该致力于组合导航的研究，实现导航的创新，为提升国家的空军军事力量做出贡献。

参考文献：

[1]高丽萍.美改进新型“海神”巡逻机 提升高空反潜作战能力[EB/OL].中国国防科技信息网，2014-12-23.

[2]高晓光.航空军用飞行器导论（高等学校教材航空航天航海系列）[M].西北工业大学出版社，2004.

[3]韩连洋.战略导弹的导航制导系统可靠性分析[C]//中国宇航学会飞行器总体专业委员会学术研讨会，2006.

[4]张健.高速飞行器多源信息融合[D].哈尔滨工业大学，2014.

[5]黄铭媛.高超巡航飞行器组合导航系统研究与算法验证[D].上海交通大学，2008.

[6]汉鑫.四旋翼飞行器惯性导航返航技术研究[D].长春理工大学，2019.

[7]刘基余.GPS卫星导航定位原理与方法[M].科学出版社，2003.

[8]姜弢，郭黎利，张朝柱，等.无线电导航系统现状与发展趋势[J].舰船电子工程，2001，000（006）：2-6，23.

[9]温哲君，陈安升，陈帅，等.基于SINS/BDS的抗差组合导航技术研究[J].航天控制，2019（5）：9-15.