CN100476361C - 一种航空用组合导航系统体系结构实现方法 - Google Patents
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Abstract
一种航空用组合导航系统体系结构实现方法，其特征在于由惯性导航系统、卫星导航系统、VOR-DME、高度表系统组成，先通过故障诊断判断单个导航系统是否正常工作，检测单个导航系统的可用性；在各导航系统正常运行情况下，采用多级多层结构，结合各导航传感器的特点，通过信息融合方法并采用惯性导航/卫星导航深组合模式得到组合导航系统高精度的导航信息，提高组合导航系统精度；当有部分导航系统故障时，隔离故障导航系统，实现系统重构，仍然能使航空导航继续工作，提高航空用组合导航系统的可靠性和可用性。
Description
技术领域
本发明涉及一种组合导航系统体系结构，特别是一种适用于新一代国家空中交通管理系统用航空组合导航系统体系结构。
背景技术
高性能航空导航是新一代国家空管系统的关键技术，是飞行器航行安全性的必然要求，新一代国家空管系统对航空导航系统的精度、完好性、连续性和可用性提出了更高的要求。
目前，国际上民用航空导航已由单一导航方式向高精度、高可靠、综合化、智能化的航空用组合导航系统发展；信息处理方法也由单一数据源的处理，向多导航传感器多数据源的信息融合发展。总的来说，组合导航代表了未来航空导航的发展方向，克服了传统导航的缺陷和不足，使航空导航领域呈现出崭新的面貌，具有无比广阔的发展前景。
随着多种航空导航系统的不断出现，导航系统从先前的比较简单的单导航系统，过渡到惯性导航系统、卫星导航系统、机载传感器系统(高度表系统、空速计、磁航向传感器)、甚高频全向信标系统-距离测量设备(VOR-DME)组成的组合导航系统。随着对组合导航系统的精度要求和使用条件的不断提高，同时也促进了信息融合技术的发展。1988年美国把信息融合技术列为90年代重点研究开发的二十项关键技术之一，且列为最优先发展的A类。美国三军政府组织-实验室理事联合会(JDL)下设的C3技术委员会(TPC3)专门成立了信息融合专家组来组织和指导有关的工作。可见，航空多传感器组合导航技术已经成为了高性能航空导航的一个越来越重要的发展方向。
要使航空用组合导航系统具有高精度、高可靠性和高可用性，必须使其具有一个合理和高效的体系结构，实现对各导航系统调度、使用和融合。现有导航组合导航体系结构主要是集中式和分布式，集中式结构就是将所有导航系统的测量数据都送到一个中心处理器进行处理和融合，进行数据对准、数据互联和滤波，这种结构需要频带很宽的数据传输总线来传输高速率的原始数据，数据互联较困难，并且要求系统必须具备大容量的能力，计算负担重，需要有较强处理能力的中央处理器，所以系统的生存能力较差；现有分布式结构主要采用联邦滤波结构，如图1所示，其特点是：n个子系统的测量信息在传送到主滤波器之前，先送到局部滤波器进行局部滤波处理，然后把处理后的信息和参考系统信息送至主滤波器形成全局估计，提高导航系统精度，虽然这种结构对信道容量要求较低，系统生命力强，但在联邦滤波结构中局部滤波器必须具有一个参考系统，一旦参考系统失效则整个导航系统失效。因此采用集中式或分布式体系结构，结合惯性导航系统、卫星导航系统、VOR-DME、高度表系统特点组成航空用组合导航系统，无法满足适用于新一代国家空中交通管理系统用航空用组合导航系统体系结构高精度、高可靠性和高可用性的需要。
发明内容
本发明解决的问题是：克服现有技术的不足，提出一种航空用组合导航系统体系结构实现方法，可实现航空用组合导航系统的高精度、高可靠性和高可用性。
本发明的技术解决方案：一种航空用组合导航系统体系结构实现方法，由惯性导航系统、卫星导航系统、VOR-DME、高度表系统四个系统组成。VOR-DME和高度表系统提供飞行器与目的地间的距离、相对于目的地的方位和飞行器的高度信息，由此确定飞行器的位置信息，将VOR-DME和高度表系统信息传输给惯性导航系统和卫星导航系统组成两个联邦结构组合导航系统，再由惯性导航系统与卫星导航系统进行深组合输出高精度的导航信息。其特点在于采用多级分层信息融合方法通过下列步骤实现：
(1)首先各导航系统采用故障检测算法进行自身故障检测，确定每个系统是否发生故障，如果出现某个系统故障则隔离此系统，在有部分系统发生故障被隔离时实现导航系统重构，保证航空导航系统正常工作；各系统无故障情况下进行以下步骤实现多级多层拓扑结构；
(2)分别以惯性导航系统和卫星导航系统为参考导航系统，VOR-DME和高度表系统为子导航系统建立两个分散化组合导航系统；得到组合修正的惯性导航系统和卫星导航系统信息；
(3)利用前一步得到惯性导航系统和卫星导航系统信息，进行惯性导航系统/卫星导航系统组合，采用具有惯导系统和卫星导航系统误差状态的深组合模式，实现深层组合导航得到高精度的导航信息输出，完成航空用多级多层拓扑型体系结构。
本发明的原理是：针对目前导航手段单一、综合性能较低的问题，将信息融合理论运用于组合导航系统中，研究适用于新一代国家空中交通管理系统的组合导航系统多级多层体系结构。先通过故障诊断判断单个导航系统是否正常工作，检测单个导航系统的可用性；在各系统正常运行情况下，结合各导航传感器的特点，通过信息融合方法得到组合导航系统高精度导航信息；当有部分系统故障时，隔离故障系统，实现导航系统重构，提高组合导航系统的可靠性和可用性。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明针对单一系统体系结构简单、可靠性和可用性差的问题，结合个导航系统的优势进行组合导航，对组合系统进行故障诊断和信息融合，实现在部分系统故障情况下隔离故障系统，完成导航系统重构，仍然能使导航继续工作，提高了组合导航系统的可靠性和可用性。
(2)本发明针对现有组合导航体系结构中集中式和分布式结构的不足，采用一种多级多层的体系结构，分别以惯性导航系统和卫星导航系统为主系统，VOR-DME和高度表系统为子导航系统建立两个分散化组合导航系统，再采用惯性导航系统和卫星导航系统的深组合模式，实现深层组合导航，提高组合导航系统精度。
附图说明
图1为现有组合导航系统结构图；
图2为本发明的多级多层航空用组合导航系统体系结构图；
图3为本发明的卫星导航/VOR-DME/高度表组合导航系统结构图；
图4为本发明的惯性导航/VOR-DME/高度表组合导航系统结构图；
图5为本发明的惯性导航系统/卫星导航系统深组合原理图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明进一步详细说明
如图2所示，本发明由惯性导航系统、卫星导航系统、VOR-DME、高度表系统四个系统组成。VOR-DME和高度表系统提供飞行器与目的地间的距离、相对于目的地的方位和飞行器的高度信息，由此确定飞行器的位置信息，将VOR-DME和高度表系统信息传输给惯性导航系统和卫星导航系统组成两个联邦结构组合导航系统，再由惯性导航系统与卫星导航系统进行深组合输出高精度的导航信息。采用多级分层信息融合方法通过下列步骤实现航空用组合导航系统体系结构：
(1)首先进行故障检测，确定各系统的可用性；
航空用组合导航系统综合考虑航空导航系统的可靠性和可用性，各导航系统采用故障检测算法进行自身故障检测，确定惯性导航系统、卫星导航系统、VOR-DME和高度计系统的是否发生故障，即每个单独系统的可用性，如果出现某个系统故障则隔离此系统，在有部分系统发生故障被隔离时实现导航系统重构，保证航空导航系统正常工作；各系统无故障情况下进行以下步骤实现多级多层拓扑结构；
(2)当系统无故障时，分别以惯性导航系统和卫星导航系统为参考导航系统，VOR-DME和高度表系统为子导航系统建立两个分散化组合导航系统；
系统无故障时，由于惯性导航系统和卫星导航系统输出导航信息多且运行可靠性较高，则分别以惯性导航系统和卫星导航系统为参考导航系统，VOR-DME和高度表系统为子导航系统建立两个分散化组合导航系统：惯性导航系统/VOR-DME/高度表系统组合导航系统1和卫星导航系统/VOR-DME/高度表系统组合导航系统2。其中，第一个分散化组合导航系统，惯性导航系统/VOR-DME/高度表系统组合导航系统如图3所示，是一个以惯性导航系统为组合导航主系统、以VOR-DME和高度表系统为子导航系统的两级主子联邦滤波器结构，惯性导航系统可以提供位置、速度和姿态信息；VOR-DME可以提供飞行器与目的地间的距离和相对于目的地的方位；机载高度表系统可以提供高度信息，由于VOR-DME系统观测信息输出频率较低，而惯性导航系统输出的信息是连续的，因此，当没有VOR-DME信息时，则将子滤波器向主滤波器的输出断开，而主滤波器按照惯性导航系统计算；当VOR-DME有观测信息时，则将子滤波器输出的修正信息与惯性导航系统输出信息相融合，采用智能优化算法进行子滤波器的重置，以便在下一次VOR-DME观测信息到来时进行运算。机载高度表系统与惯性导航系统组成的子滤波器，其结构与惯性导航系统/VOR-DME组合相同，进行信息融合组成航空用组合导航系统。这是一个两级决策系统，通过第一级(子滤波器)完成每个导航系统的特征提取，并把各特征向量划分为不同特征的系统进行第一级融合，再运用关联过程进行最优融合完成导航信息的判决和输出。另一个分散化组合导航系统，卫星导航系统/VOR-DME/高度表系统组合导航系统如图4所示，其结构与惯性导航系统/VOR-DME/高度表系统组合导航系统结构相同，采用卫星导航系统为组合导航主系统，VOR-DME和高度表系统为子导航系统，子滤波器依据各辅助系统提供的特征信息进行融合，并把状态反馈修正主系统，实现高精度的二级组合导航系统。
(3)完成前一步两个组合系统后再进行惯性导航系统/卫星导航系统组合，利用前一步得到惯性导航系统和卫星导航系统信息，采用具有惯导系统和卫星导航系统误差状态的深组合模式，实现深层组合导航得到高精度的导航信息输出，完成航空用多级多层拓扑型体系结构。
完成两个组合系统后进行惯性导航系统/卫星导航系统组合，考虑到飞行过程中卫星导航系统信号的易丢失和被干扰问题，采用具有惯导系统和卫星导航系统误差状态的深组合模式，实现深层组合导航得到高精度的导航信息输出，惯性导航系统/卫星导航系统深组合模式如图5所示，惯性导航系统利用捷联解算得到载体的导航信息；卫星导航系统利用惯性导航系统解算的导航信息和卫星导航系统接收机接收到的星历求得相对惯性导航系统给出位置处的伪距、伪距率，与接收机得到的伪距、伪距率求差得到伪距、伪距率观测信息；对惯性导航系统误差和卫星导航系统的测距误差进行建模，建立系统状态方程，通过组合卡尔曼滤波估计惯性导航系统和卫星导航系统的误差量，然后对两个系统进行反馈校正，可以修正惯性导航系统和卫星导航系统的误差。由此，完成航空用多级多层拓扑型体系结构，在系统无故障情况下可得到高精度的航空用组合导航系统导航信息。
当有系统发生故障被隔离时，本发明中的导航系统重构可以保证航空导航系统正常工作，输出导航参数。在现有技术情况下，采用联邦滤波结构只有一个参考导航系统，参考导航系统发生故障时整个组合导航系统将失效，无法完成导航任务，而本发明在有导航系统失效情况下，利用余下的完好导航系统实现导航系统重构建立组合导航系统。当任何一个导航系统故障情况下，如：当惯性导航系统、卫星导航系统、VOR-DME和高度表系统某一个系统发生故障被隔离时，余下的三个系统进行组合，可保证具有两级滤波器结构有效，组合导航系统输出高精度导航信息；当VOR-DME和高度表系统两个系统发生故障被隔离的情况下，惯性导航系统和卫星导航系统可以组成高精度组合导航系统；当出现惯性导航系统和卫星导航系统同时故障被隔离的紧急情况，VOR-DME和高度表系统组合成组合导航系统3，VOR-DME使用高度表系统提供的高度信息计算飞行器到目的地的距离和航向，引导飞行器安全飞行；当惯性导航系统和卫星导航系统不同时故障的情况下，有两个导航系统发生故障被隔离，此航空用组合导航系统可以采用惯性导航系统或卫星导航系统与VOR-DME或高度表系统组成组合导航系统，进行导航；当惯性导航系统或卫星导航系统无故障，其他三个导航系统发生故障被隔离时，此航空用组合导航系统可以采用惯性导航系统或卫星导航系统进行导航。
此结构具有很强的容错和信息融合能力，可以大大提高航空导航系统的可靠性、可用性和导航精度。使用此体系结构可以满足飞行器导航飞行的安全性和可靠性，通过故障检测可确定各子导航系统是否故障，以便及时修复排除险情。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (3)
1、一种航空用组合导航系统体系结构实现方法，其特征在于：由惯性导航系统、卫星导航系统、VOR-DME、高度表系统组成，采用多级分层信息融合方法完成航空用多级多层拓扑型体系结构的高精度组合导航，多级分层信息融合方法通过下列步骤实现：
(1)首先对各导航系统，即惯性导航系统、卫星导航系统、VOR-DME、高度表系统进行自身故障检测，确定所述的4个系统是否发生故障，如果出现所述的某个系统故障则隔离此系统；当有某个系统发生故障被隔离时，实现导航系统重构，保证航空导航系统正常工作；
(2)在检测后无故障的情况下，分别以惯性导航系统和卫星导航系统为参考导航系统，VOR-DME和高度表系统为子导航系统建立两个分散化组合导航系统，得到组合修正的惯性导航系统和卫星导航系统信息；
(3)利用步骤(2)得到惯性导航系统和卫星导航系统信息，进行惯性导航系统和卫星导航系统组合，采用惯导系统和卫星导航系统的深组合模式，实现深层组合导航得到导航信息输出。
2、根据权利要求1所述的一种航空用组合导航系统体系结构实现方法，其特征在于：所述的导航系统重构为：当VOR-DME和高度表系统两个系统发生故障被隔离的情况下，惯性导航系统和卫星导航系统组成高精度组合导航系统；当出现惯性导航系统和卫星导航系统同时故障被隔离的紧急情况，VOR-DME和高度表系统组合成组合导航系统，VOR-DME使用高度表系统提供的高度信息计算飞行器到目的地的距离和航向，引导飞行器安全飞行；当惯性导航系统和卫星导航系统不同时故障的情况下，有两个导航系统发生故障被隔离，此航空用组合导航系统可以采用惯性导航系统或卫星导航系统与VOR-DME或高度表系统组成组合导航系统，进行导航；当惯性导航系统或卫星导航系统无故障，其他三个导航系统发生故障被隔离时，此航空用组合导航系统可以采用惯性导航系统或卫星导航系统进行导航。
3、根据权利要求1所述的一种航空用组合导航系统体系结构实现方法，其特征在于：所述的深组合为：惯性导航系统利用捷联解算得到载体的导航信息；卫星导航系统利用惯性导航系统解算的导航信息和卫星导航系统接收机接收到的星历求得相对惯性导航系统给出位置处的伪距、伪距率，与接收机得到的伪距、伪距率求差得到伪距、伪距率观测信息；对惯性导航系统误差和卫星导航系统的测距误差进行建模，建立系统状态方程，通过组合卡尔曼滤波估计惯性导航系统和卫星导航系统的误差量，然后对两个系统进行反馈校正，可以修正惯性导航系统和卫星导航系统的误差。
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