CN109323692B - 一种基于ins/ra组合导航的着陆指引方法 - Google Patents

一种基于ins/ra组合导航的着陆指引方法 Download PDF

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Abstract

一种基于INS/RA组合导航的着陆指引方法，利用飞机航电设备的惯性导航系统测量飞机即时位置经纬度、通过无线电高度表测量飞机高度，在结合已知机场跑道参数，经计算获得飞机进场的指引数据，即得飞机相对机场的几何关系进而实现引导飞行员着陆，能够在复杂环境下辅助飞行员实现目视着陆，有效消除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。

Description

一种基于INS/RA组合导航的着陆指引方法
技术领域
本发明涉及综合导航技术领域，尤其涉及一种基于INS/RA组合导航的着陆指引方法。
背景技术
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，目视定位着陆主要依赖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，此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，但该方式需要着陆机场具备相关的路基引导设备，如仪表、微波着陆，同时要求机场与机上的航电设备都必须具备相应条件才能使用，条件较为苛刻，成本也较高。
目前有部分着陆机场或飞机不具备相关的无线电导航设备，需要飞行员目视定位着陆，在飞行员目视着陆过程中，尤其在不利的气象条件下，亟待提高飞行员目视着陆过程的安全性。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种基于INS/RA组合导航的着陆指引方法，以解决上述背景技术中的缺点。
本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：
一种基于INS/RA组合导航的着陆指引方法，利用飞机航电设备的惯性导航系统测量飞机即时位置经纬度、通过无线电高度表测量飞机高度，在结合已知机场跑道参数，经计算获得飞机进场的指引数据，即得飞机相对机场的几何关系进而实现引导飞行员着陆，具体步骤如下：
1)通过飞机航电设备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陆点经度lonB、跑道着陆点纬度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′；
3)根据步骤1)与步骤2)所获得的参数数据，计算飞机着陆时的方位偏差：
假设：A为飞机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′)；
已知A、B两点的经纬度，计算AB连线与真北的夹角η：
a)计算AB连线在北向的投影
Xte＝(Rearth×(1-Eearth×sin2(latB))+HB)
×(cos(latA)×sin(latB)-sin(latA)×cos(latB)×cos(lonB-lonA)) (1)
b)计算AB连线在东向的投影
Zte＝(Rearth×(1-Eearth×sin2(latB))+HB)×(cos(latB)×sin(lonB-lonA)) (2)
c)AB连线与真北夹角
1°若在北向投影Xte＞0
Figure RE-GDA0001821286930000021
2°若在北向投影Xte＜0且东向投影Zte≥0
Figure RE-GDA0001821286930000022
3°若在北向投影Xte＜0且东向投影Zte＜0
Figure RE-GDA0001821286930000023
4°若在北向投影Xte＝0且东向投影Zte＝0
η＝0i (6)
5°若在北向投影Xte＝0且东向投影Zte＞0
Figure RE-GDA0001821286930000024
6°若在北向投影Xte＝0且东向投影Zte＜0
Figure RE-GDA0001821286930000031
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引根据ε在显示器进行显示：
ε＝η-θ＝η-(δ+δ’) (9)
4)计算飞机着陆时的下滑偏差
如图1所示，h取无线电高度，β即为飞机的下滑角：
Figure RE-GDA0001821286930000032
计算A、B两点之间的距离DAB：
①计算即时位置公用因子
Figure RE-GDA0001821286930000033
②计算飞机即时位置A对应海平面位置在球面坐标中的X、Y、Z值
XA＝(Rearth×FA+HA)×sin(latA)
YA＝(Rearrh×FA+HA)×cos(latA)×cos(lonA)
ZA＝(Rearth×FA+HA)×cos(latA)×sin(lonA) (12)
③计算机场着陆点位置B对应海平面位置在球面坐标中的X、Y、Z值
XB＝(Rearth×FB+HB)×sin(latB)
YB＝(Rearth×FB+HB)×cos(latB)×cos(lonB)
ZB＝(Rsarth×FB+HB)×cos(latB)×sin(lonB) (13)
④计算A、B之间距离
Figure RE-GDA0001821286930000034
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：
Figure RE-GDA0001821286930000041
5)计算逆向着陆的方位、下滑偏差，机场的实际航向需根据加载的预置航向进行计算，机场跑道着陆点B的经纬度通过加载的跑道着陆点经度lonB、跑道着陆点纬度latB及跑道长度L进行计算，具体计算如下：
i)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)：
θ'＝机场预置航向δ+磁差δ'+180°
ii)下滑指引
根据
Figure RE-GDA0001821286930000042
进行下滑指引；
其中，B'为跑道反向着陆的着陆点，已知B点经纬度，B、B'两点之间的距离与方位，B'经纬度根据机场跑道着陆点B以及机场跑道长度L计算：
I)计算因子
Figure RE-GDA0001821286930000043
II)计算B'纬度
Figure RE-GDA0001821286930000044
III)计算B'经度
Figure RE-GDA0001821286930000045
6)将飞机着陆时的方位偏差与下滑偏差映射在飞机显示器上，指引飞行员操纵飞机按照预定的路线进行着陆；
有益效果：本发明利用飞机航电设备的惯性导航系统结合已知机场跑道参数，通过计算获得飞机进场的指引数据，即得飞机相对机场的几何关系进而实现引导飞行员着陆，能够在复杂环境下辅助飞行员实现目视着陆，有效消除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。
附图说明
图1是本发明的较佳实施例的引导原理示意图。
图2是本发明的较佳实施例中的方位偏差与下滑偏差在显示器上的映射图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
一种基于INS/RA组合导航的着陆指引方法，利用飞机航电设备的惯性导航系统(INS)测量飞机即时位置经纬度、无线电高度表(RA)测量飞机高度，在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指引数据，即得飞机相对机场的几何关系进而实现引导飞行员着陆，具体步骤如下：
1)通过飞机航电设备的惯性导航系统测量飞机即时位置经纬度(lonA、 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陆点经纬度(lonB、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′；
3)根据步骤1)与步骤2)所获得的参数数据，计算飞机着陆时的方位偏差：
如图1所示，A为飞机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′)；
已知A、B两点的经纬度，计算AB连线与真北的夹角η：
a)计算AB连线在北向的投影
Xte＝(Rearth×(1-Eearth×sin2(latB))+HB)
×(cos(latA)×sin(latB)-sin(latA)×cos(latB)×cos(lonB-lonA)) (1)
b)计算AB连线在东向的投影
Zte＝(Rearth×(1-Eearth×sin2(latB))+HB)×(cos(latB)×sin(lonB-lonA)) (2)
c)AB连线与真北夹角
1°若在北向投影Xte＞0
Figure RE-GDA0001821286930000061
2°若在北向投影Xte＜0且东向投影Zte≥0
Figure RE-GDA0001821286930000062
3°若在北向投影Xte＜0且东向投影Zte＜0
Figure RE-GDA0001821286930000063
4°若在北向投影Xte＝0且东向投影Zte＝0
η＝0； (6)
5°若在北向投影Xte＝0且东向投影Zte＞0
Figure RE-GDA0001821286930000064
6°若在北向投影Xte＝0且东向投影Zte＜0
Figure RE-GDA0001821286930000065
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引根据ε在显示器进行显示：
ε＝η-θ＝η-(δ+δ’) (9)
4)计算飞机着陆时的下滑偏差
如图1所示，h取无线电高度，β即为飞机的下滑角：
Figure RE-GDA0001821286930000066
计算A、B两点之间的距离DAB：
①计算即时位置公用因子
Figure RE-GDA0001821286930000071
②计算飞机即时位置A对应海平面位置在球面坐标中的X、Y、Z值
XA＝(Rearth×FA+HA)×sin(latA)
YA＝(Rearth×FA+HA)×cos(latA)×cos(lonA)
ZA＝(Rearth×FA+HA)×cos(latA)×sin(lonA) (12)
③计算机场着陆点位置B对应海平面位置在球面坐标中的X、Y、Z值
XB＝(Rearth×FB+HB)×sin(latB)
YB＝(Rearth×FB+HB)×cos(latB)×cos(lonB)
ZB＝(Rearth×FB+HB)×cos(latB)×sin(lonB) (13)
④计算A、B之间距离
Figure RE-GDA0001821286930000072
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：
Figure RE-GDA0001821286930000073
5)计算逆向着陆的方位、下滑偏差
机场的实际航向需根据加载的预置航向进行计算，机场跑道着陆点B的经纬度也需通过加载的着陆经纬度(lonB、latB)和跑道长度L进行计算，具体计算如下：
i)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)：
θ'＝机场预置航向δ+磁差δ'+180°
ii)下滑指引
根据
Figure RE-GDA0001821286930000081
进行下滑指引；
其中，B'为跑道反向着陆的着陆点，已知B点经纬度，B、B'两点之间的距离与方位，B'经纬度根据机场跑道着陆点B以及机场跑道长度L计算：
I)计算因子
Figure RE-GDA0001821286930000082
II)计算B'纬度
Figure RE-GDA0001821286930000083
III)计算B'经度
Figure RE-GDA0001821286930000084
6)将飞机着陆时的方位偏差与下滑偏差映射在飞机显示器上，如图2所示，指引飞行员操纵飞机按照预定的路线进行着陆；
在上述式(1)～(18)中，Eearth为地球曲率，Rearth为地球半径，lonA为A点经度，latA为A点纬度，HA为A点绝对气压高度，lonB为B点经度，latB为B点纬度，HB为B点绝对气压高度，γ为机场跑道与真北的夹角∈(-π，π]。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种基于 INS/RA 组合导航的着陆指引方法，其特征在于，利用飞机航电设备的惯性导航系统测量飞机即时位置经纬度、通过无线电高度表测量飞机高度，再结合已知机场跑道参数，经计算获得飞机进场的指引数据，即得飞机相对机场的几何关系进而实现引导飞行员着陆，具体步骤如下：
1）通过飞机航电设备的惯性导航系统测量飞机即时位置经度
Figure DEST_PATH_IMAGE001
、纬度
Figure 416407DEST_PATH_IMAGE002
，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陆点经度
Figure 146466DEST_PATH_IMAGE004
、跑道着陆点纬度
Figure DEST_PATH_IMAGE005
、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'；
3）根据步骤1）与步骤2）所获得的参数数据，计算飞机着陆时的方位偏差：
假设：A为飞机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；
已知A、B两点的经纬度，计算AB连线与真北的夹角η：
a）计算AB连线在北向的投影
Figure 18607DEST_PATH_IMAGE006
（1）
b）计算AB连线在东向的投影
Figure DEST_PATH_IMAGE007
（2）
c）AB连线与真北夹角
1）若在北向投影
Figure 592064DEST_PATH_IMAGE008
Figure DEST_PATH_IMAGE009
（3）
2）若在北向投影
Figure 549656DEST_PATH_IMAGE010
且东向投影
Figure DEST_PATH_IMAGE011
Figure 755509DEST_PATH_IMAGE012
（4）
3）若在北向投影
Figure 183954DEST_PATH_IMAGE010
且东向投影
Figure DEST_PATH_IMAGE013
Figure 82640DEST_PATH_IMAGE014
（5）
4）若在北向投影
Figure DEST_PATH_IMAGE015
且东向投影
Figure 402894DEST_PATH_IMAGE016
Figure DEST_PATH_IMAGE017
（6）
5）若在北向投影
Figure 382745DEST_PATH_IMAGE015
且东向投影
Figure 698320DEST_PATH_IMAGE018
Figure DEST_PATH_IMAGE019
（7）
6）若在北向投影
Figure 236748DEST_PATH_IMAGE015
且东向投影
Figure 637774DEST_PATH_IMAGE013
Figure 247747DEST_PATH_IMAGE020
（8）
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引根据ε在显示器进行显示：
ε=η-θ=η-(δ+δ') （9）
在上述式（1）～（9）中，Eearth为地球曲率，Rearth为地球半径，lonA为A点经度，latA为A点纬度，
Figure DEST_PATH_IMAGE021
为A点绝对气压高度，
Figure 447522DEST_PATH_IMAGE022
为B点经度，
Figure 891272DEST_PATH_IMAGE005
为B点纬度，
Figure DEST_PATH_IMAGE023
为B点绝对气压高度；
4）根据步骤1）与步骤2）所获得的参数数据，计算飞机着陆时的下滑偏差；
5）计算逆向着陆的方位、下滑偏差，机场的实际航向需根据加载的预置航向进行计算，机场跑道着陆点B的经纬度通过加载的跑道着陆点经度
Figure 45173DEST_PATH_IMAGE004
、跑道着陆点纬度
Figure 599782DEST_PATH_IMAGE005
及跑道长度L进行计算；
6）将步骤3）中获得的飞机着陆时的方位偏差与步骤4）中获得飞机着陆时的下滑偏差映射在飞机显示器上，指引飞行员操纵飞机按照预定的路线进行着陆。
2.根据权利要求1所述的一种基于 INS/RA 组合导航的着陆指引方法，其特征在于，步骤4）中，飞机着陆时的下滑偏差计算如下：
h取无线电高度，β即为飞机的下滑角：
Figure DEST_PATH_IMAGE025
（10）
计算A、B两点之间的距离
Figure DEST_PATH_IMAGE027
：
①计算即时位置公用因子
Figure DEST_PATH_IMAGE029
（11）
②计算飞机即时位置A对应海平面位置在球面坐标中的X、Y、Z值
Figure DEST_PATH_IMAGE031
Figure DEST_PATH_IMAGE033
Figure DEST_PATH_IMAGE035
（12）
③计算机场着陆点位置B对应海平面位置在球面坐标中的X、Y、Z值
Figure DEST_PATH_IMAGE037
Figure DEST_PATH_IMAGE039
Figure DEST_PATH_IMAGE041
（13）
④计算A、B之间距离
Figure DEST_PATH_IMAGE043
（14）
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：
λ=β-α=
Figure DEST_PATH_IMAGE045
-α （15）
在上述式（10）～（15）中，Eearth为地球曲率，Rearth为地球半径，lonA为A点经度，latA为A点纬度，
Figure DEST_PATH_IMAGE047
为A点绝对气压高度，
Figure DEST_PATH_IMAGE049
为B点经度，
Figure DEST_PATH_IMAGE051
为B点纬度，
Figure DEST_PATH_IMAGE053
为B点绝对气压高度。
3.根据权利要求1所述的一种基于 INS/RA 组合导航的着陆指引方法，其特征在于，步骤5）中，逆向着陆的方位、下滑偏差具体计算如下：
i）方位指引
根据式（9）ε=η-θ'进行方位指引
θ'=机场跑道的预置航道δ+磁差δ'+180°
ii）下滑指引
根据λ=β-α=
Figure DEST_PATH_IMAGE055
-α进行下滑指引；
其中，B'为跑道反向着陆的着陆点，已知B点经纬度，B、B'两点之间的距离与方位，B'经纬度根据机场跑道着陆点B以及机场跑道长度L计算：
I）计算因子
Figure DEST_PATH_IMAGE057
（16）
II）计算B'纬度
Figure DEST_PATH_FDA0003534319170000043
III）计算B'经度
Figure DEST_PATH_IMAGE061
（18）
在上述式（16）～（18）中，Eearth为地球曲率，Rearth为地球半径，lonA为A点经度，latA为A点纬度，θ'为机场反向着陆时的航道方向，
Figure DEST_PATH_IMAGE063
为机场反向着陆时的机场跑道与真北的夹角。
4.根据权利要求3所述的一种基于 INS/RA 组合导航的着陆指引方法，其特征在于，
Figure 897472DEST_PATH_IMAGE063
Figure DEST_PATH_IMAGE065
。
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