基于RNP运行的机载综合导航系统的架构和功能分析研究

摘要：在民用飞机中，研究基于所需导航性能（RNP）运行的机载综合导航多传感器信息融合技术，可以达到充分利用现有资源实现导航信息高精度、高可靠性输出的目的。同时，在导航信息融合的基础上，研究导航信息的管理、监测与评估技术，可以在早期发现导航传感器的故障，保障导航系统的完好性，对导航性能进行实时监视和告警，实现对故障系统的实时处理和完好信息的合理利用。

关键词：综合导航；RNP；导航信息管理；监测；评估；传感器

中图分类号：U213 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）25-0007-02

机载综合导航系统就像飞机的“眼睛”，时刻为飞机上重要系统[如：飞行管理系统（FMS）和飞行控制系统（FCS）等]提供飞机位置、姿态、速度、航向等信息。因此，机载综合导航系统的精度、完好性、连续性和可用性，将直接影响飞机是否能够正常运行。本章将首先对民用飞机机载综合导航系统的组成、信息传递等进行分析，在此基础上对其性能监测、性能评估与验证等技术进行描述。

1 机载综合导航系统的组成架构

随着新航行系统的发展，机载综合导航系统的功能在不断地依据需求而扩展。最新机载综合导航系统的发展趋势是：支持RNP运行，满足其功能需求；提升机载性能计算功能；系统具有更好的通用性；可满足未来通信导航监视/空中交通管理（CNS/ATM）功能增长的需求。

典型的民用飞机机载综合导航系统设备配置如下：（1）3套惯性基准系统（IRS）；（2）3套大气数据系统（ADS）；（3）2套全球导航卫星系统（GNSS）；（4）2套甚高频全向信标（VOR）；（5）2套测距器（DME）；（6）2套飞行管理系统（FMS）。

综合导航系统主要实现以下功能：（1）导航传感器的信息融合：接收来自不同的机载导航传感器（ADS、IRS、GNSS、DME、VOR）的导航数据信息，利用传感器信息融合技术来实时计算和评估飞机的最优位置、速度、姿态、航向、航迹角等飞行状态信息。（2）RNP导航：利用各导航传感器的导航数据和信息融合技术，实时计算机载综合导航系统的实际导航性能（ANP），将其与所需运行的RNP值进行比较，来评估机载导航系统的实际工作状态。在ANP大于RNP值时，提供告警信息。（3）无线电导航调谐：对机载VOR和DME导航系统进行管理。可以通过手动输入调谐指令来选择VOR和DME导航台，也可以自动选择最佳的VOR和DME导航台。（4）导航模式管理：拥有人性化的操作界面，根据用户设定和实际故障形式进行导航传感器组合模式的最优选择。

2 机载综合导航系统的信息传递分析

导航功能应给机组人员提供连续、实时、三维的导航输出信息，包括：（1）飞机位置信息（经度、纬度、高度）；（2）飞机速度；（3）偏航角（选择）；（1）磁差（选择）；（5）风速和风向；（6）时间；（7）RNP；（8）ANP。

导航过程中，IRS为FMS提供飞机当时的位置、航向和速度等信息。随着时间的推移，IRS位置误差的累积会越来越大。因而，每隔一定的时间，需要用其他导航传感器的信息对IRS的位置信息进行修正。

一般采用GNSS与IRS产生的融合信号或者使用无线电导航系统VOR/DME的信息进行综合计算以获得最高的准确性。

基于RNP的综合导航系统优先使用GNSS/IRS组合导航信息，在GNSS丧失完整性或者GNSS不可用时，才会使用IRS与无线电导航模式（VOR/DME和DME/DME）的融合信息。

机载综合导航系统实现飞机位置计算、导航台选择、速度计算、GNSS/IRS数据融合、高度计算、温度补偿等功能。通过这些综合计算，导航系统把计算的信息输出给自动驾驶仪（A/P）和显示系统，以完成飞机的自动飞行和驾驶员对飞机的监控工作。

3 机载综合导航系统信息处理功能描述与分析

安全问题是未来机载综合导航系统研究实现的主要挑战之一。随着信息技术在综合导航系统中越来越广泛的应用，信息安全将成为保证综合导航系统按照预先设计的方案安全可靠、可控地运行的关键问题之一。

机载综合导航系统信息的精度与健康程度对整个飞行的性能有着决定性的影响。

3.1 机载综合导航系统性能监测功能描述与分析

在飞行过程中，机载综合导航系统根据各导航子系统的可用性及具体飞行阶段把IRS、ADS、GNSS和无线电导航系统等提供的数据加以处理，实现精确导航和导引。

机载综合导航系统在对导航信息进行处理的过程中，除了为得到高精度信息而做的信息融合处理外，还需对导航系统信息的性能进行监测，以保证输出导航信息的可靠性。

导航系统的性能监测主要包括：（1）IRS的多冗余表决；（2）IRS的性能监测，包括无外部信息辅助与有外部信息辅助方法；（3）IRS故障排除；（4）GNSS导航系统自主完好性监测，包括接收机自主完好性监控（RAIM）技术与航空器自主完好性监控（AAIM）技术。

在机载综合导航系统完成性能监测后，需根据监测结果对导航综合信息进行处理，其主要包括：（1）机载综合导航系统性能评估与验证，包括实际导航性能ANP的评估及导航系统的可用性与连续性的验证；（2）机载综合导航系统性能监视和告警，包括水平通道与垂直通道。

3.2 机载综合导航系统性能评估功能描述与分析

在RNP运行时，为了确保飞机准确安全地飞行在RNP程序上，机载综合导航系统需要对飞机的实时性能进行评估，包括机载导航系统的精度、完好性、可用性和连续性。

精度（Accuracy）：是指估算位置与实际位置之间的差异。导航性能的精度通常用系统误差的统计值来表示。对某一特定点，在大于95%的概率下，估算位置在误差范围内。

完好性（Integrity）：是对机载导航系统提供信息的准确度的可信程度的度量。具有当机载导航系统不可用时，向机组提供及时和有效的告警功能。

连续性（Continuity）：机载导航系统不出现非正常中断的安全平稳的连续运行能力。

可用性（Availability）：机载导航系统能提供可靠导航信息的能力。通常定义为系统功能能够正常运行的时间所占的比例。

4 总结

本文针对机载综合导航系统组成架构及其功能进行了分析和研究，重点对导航综合信息的传递进行了分析，针对机载综合导航系统的性能监测需求，设计了导航综合信息的性能监测、评估与验证技术的方案，为机载综合导航系统的性能监测、评估与验证以及性能告警等功能的实现提供参考。

参考文献

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