CN110608737A - 基于总系统误差估计的陆基无线电导航台选择方法 - Google Patents

Abstract

一种基于总系统误差估计的陆基无线电导航台选择方法：以周期T读取航空器前一时刻位置和一组航迹预测数据；形成本地导航台清单；形成预选导航台清单；形成配对导航台清单；判断预选导航台清单中测距机的数量是否为1；是选择最近的与甚高频全向信标合装的测距机进行导航，并给出使用与甚高频全向信标合装的测距机进行导航的告警，否则给出无可用陆基无线电导航台的告警；判断当前测距机对与前一时刻所选测距机对是否一致，一致，则选择前一时刻的测距机对进行导航；否则将所述的有效导航时间与前一时刻所选测距机对的剩余有效导航时间相比较，选择出当前测距机对进行导航。本发明能够充分利用机载区域导航设备现有资源，保证了导航精度和连续性等性能。

Description

基于总系统误差估计的陆基无线电导航台选择方法

技术领域

本发明涉及一种陆基无线电导航台选择方法。特别是涉及一种基于总系统误差估计的陆基无线电导航台选择方法。

背景技术

区域导航是一种导航技术，支持航空器在非自主式导航系统有效导航区域内，或者在机载自主导航设备的工作能力内，或者二者的组合，沿任意期望的路径飞行。区域导航可以利用DME/VOR(测距机/甚高频全向信标)、DME/DME(测距机/测距机)、GNSS(全球导航卫星系统)、IRS(惯性参考系统)、ILS(仪表着陆系统)等多个导航源信号，通过机载综合导航系统连续解算航空器位置，从而得到实时导航信息。

基于陆基无线电导航台的DME/VOR和DME/DME导航方式是两种主要的区域导航手段，航空器接收一台DME和一台VOR，或者两台DME信号来进行导航解算。然而，航空器在空中可能接收多个不同陆基无线电导航台的信号，并且由于航空器位置时刻在变，航空器能接收到信号的导航台也是随时变化的，因此在导航解算前需要进行导航台的选择。为提高实际导航性能，减少驾驶员人工选台的工作量，陆基无线电导航台的选择一般是依一定准则自动进行的。其中，用于DME/VOR区域导航的DME和VOR台是同址安装的，对DME/VOR的选择以航空器是否在有效导航区域和航空器与导航台距离为依据，选择相对简单，而DME/DME导航台的选择相对复杂。

传统的DME/DME导航台选择方法以最大化导航台能提供的精度为原则，难以全面满足国际民航组织对所需导航性能的需求，而且常常会面临导航台频繁切换的问题，尤其是在导航台分布较为密集的地区。

中国发明专利文献CN201610006750.9公开了一种选择区域导航所需陆基导航台的方法，利用航空器的当前位置信息和飞行航段信息，基于机载导航数据库，考虑导航台的服务能力，设计导航台影响因数的计算方法，由影响因数来选择导航台。

从运行角度而言，需要导航台选择方法能降低导航台切换概率，同时选台后所达到的实际导航性能符合导航性能要求，而上述导航台选择方法难以同时满足这些要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够提高陆基无线电导航台选择质量，减少导航台切换次数，同时能充分利用航空器的当前位置信息和航迹预测数据，选取持续导航时间长且满足导航性能要求的基于总系统误差估计的陆基无线电导航台选择方法。

本发明所采用的技术方案是：一种基于总系统误差估计的陆基无线电导航台选择方法，包括有以下步骤：

1)以周期T读取航空器前一时刻位置和一组航迹预测数据；

2)以航空器前一时刻位置为圆心，测距机最大作用距离D_max为半径做圆，从机载区域导航设备的导航数据库中选取位于圆周内的测距机，输出航空器与选取位于圆周内的测距机之间的距离，形成本地导航台清单；

3)在本地导航台清单中筛选出所有与航空器距离大于测距机最小作用距离D_min的测距机，并且所述的航空器不位于测距机锥形盲区内，形成预选导航台清单，如预选导航台清单中测距机的数量大于1，则进行步骤4)，否则进行步骤5)；

4)对预选导航台清单中的测距机进行两两配对，分别计算每个测距机对与航空器之间形成的交会角θ、两个测距机分别与航空器的水平距离以及该测距机对的总系统误差TSE；筛选出所有交会角在最小值θ_min与最大值θ_max范围内、总系统误差值小于总系统误差阈值E_max的测距机对，形成配对导航台清单；若配对导航台清单的测距机对数量大于0，则进行步骤8)；否则进行步骤6)；

5)若预选导航台清单中测距机的数量为1，则进行步骤6)，否则进行步骤7)；

6)若所述的测距机与甚高频全向信标合装，则选择最近的与甚高频全向信标合装的测距机进行导航，并给出使用与甚高频全向信标合装的测距机进行导航的告警，否则进行步骤7)；

7)无可用测距机，给出无可用陆基无线电导航台的告警；

8)选择总系统误差TSE值最小的测距机对，判断当前测距机对与前一时刻所选测距机对是否一致，如一致，则进行步骤9)，否则进行步骤10)；

9)选择前一时刻的测距机对进行导航；

10)基于航迹预测数据，计算当前所选测距机对的可持续提供有效导航时间，将所述的有效导航时间与前一时刻所选测距机对的剩余有效导航时间相比较，如前所选测距机对的有效导航时间更长，则进行步骤11)，否则返回步骤9)；

11)选择当前测距机对进行导航。

本发明的基于总系统误差估计的陆基无线电导航台选择方法，充分利用航空器的当前位置信息和航迹预测数据，选取持续导航时间长且满足导航性能要求的陆基无线电导航台，能够提高陆基无线电导航台选择质量，减少导航台切换次数，同时能充分利用航空器的当前位置信息和航迹预测数据，保证了导航精度和连续性等性能。本发明方法易于工程实现，能够充分利用机载区域导航设备现有资源，包括航空器位置信息和导航数据库，以及机载制导功能模块生成的航迹预测数据，对于航空器在民用空域中飞行，满足空中航行所需的导航性能要求具有现实意义。

附图说明

图1是本发明基于总系统误差估计的陆基无线电导航台选择方法的流程图；

图2a是测距机对可用导航区域图；

图2b是测距机对有效导航距离示意图；

图3a是DME/DME对有效导航区域中的TSE等值线图；

图3b是DME/DME对有效导航区域中的TSE三维图；

图4是一条实际航迹及其周围测距机分布图，其中数字为每个测距机的编号；

图5是传统DME选台算法结果图；

图6是本发明DME选台算法结果图；

图7是传统选台算法和本发明算法的TSE值比较图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的基于总系统误差估计的陆基无线电导航台选择方法做出详细说明。

如图1所示，本发明的基于总系统误差估计的陆基无线电导航台选择方法，包括有以下步骤：

1)以周期T读取航空器前一时刻位置和一组航迹预测数据；

在本实施例中，T选为1s，航迹预测数据取1800个点。

2)以航空器前一时刻位置为圆心，测距机(DME)最大作用距离D_max为半径做圆，从机载区域导航设备的导航数据库中选取位于圆周内的测距机，输出航空器与选取位于圆周内的测距机之间的斜距，形成本地导航台清单；

本发明中所述的航空器与位于圆周内的各测距机之间的斜距是采用如下公式计算：

式中，(x_a,y_a,z_a)为航空器前一时刻在地理参考坐标系WGS-84中的空间直角坐标，(x_i,y_i,z_i)为第i个测距机在地理参考坐标系WGS-84中的空间直角坐标，s_i为第i个测距机台与航空器之间的斜距；

将斜距s_i与D_max进行比较，如斜距s_i小于D_max，则将第i个测距机编入本地导航台清单中，最后形成本地导航台清单。

在本实施例中，参考国际民航组织出版的《基于性能导航(PBN)手册》(以下简称PBN手册)，所述的D_max选为160NM。优选地从机载区域导航设备的导航数据库中选取导航台的步骤是：

首先使用航空器前一时刻位置为准，划定测距机导航台大致范围；

然后，在地理参考坐标系WGS-84中使用公式(1)计算航空器的空间直角坐标位置(x_a,y_a,z_a)与测距机导航台大致范围中第i个测距机的斜距，将斜距与D_max进行比较，形成本地导航台清单。

3)在本地导航台清单中筛选出所有与航空器距离大于测距机最小作用距离D_min的测距机，并且所述的航空器不位于测距机锥形盲区内，形成预选导航台清单，如预选导航台清单中测距机的数量大于1，则进行步骤4)，否则进行步骤5)；

本发明所述的航空器不位于测距机锥形盲区内，是先以测距机位置为原点建立站心坐标系，将航空器位置转换到成站心坐标系中的坐标，再按如下公式判断：

式中，(x_a,y_a,z_a)为航空器前一时刻在地理参考坐标系WGS-84中的空间直角坐标；(x_i,y_i,z_i)为第i个测距机在地理参考坐标系WGS-84中的空间直角坐标；B_i和L_i第i个测距机在地理参考坐标系WGS-84中的经度坐标和纬度坐标；(x_a1,y_a1,z_a1)是航空器在以第i个测距机位置为原点的站心坐标系中的坐标，从而得到仰角α计算如下：

当α＜α_max时，则航空器不处于第i个测距机的锥形盲区内。参考PBN手册，所述的α_max选为40°。

在本实施例中，参考PBN手册，所述的D_min选为3NM。测距机与航空器距离在步骤2)中已经给出，测距机的锥形盲区是通过判断航空器相对测距机的仰角来得到。

4)对预选导航台清单中的测距机进行两两配对，分别计算每个测距机对(DME/DME对)与航空器之间形成的交会角θ、两个测距机分别与航空器的水平距离以及该测距机对的总系统误差TSE；筛选出所有交会角在最小值θ_min与最大值θ_max范围内、总系统误差值小于总系统误差阈值E_max的测距机对，形成配对导航台清单；若配对导航台清单的测距机对数量大于0，则进行步骤8)；否则进行步骤6)；

基于步骤2)得到的斜距s_i和步骤3)得到的仰角α，则可由斜距投影得到测距机与航空器的水平距离：

设当前DME/DME对中两个测距机与航空器的水平距离分别为d₁和d₂，两测距机之间的距离为d₃，如图2a，其中A和B分别为两个配对的测距机，θ_min和θ_max分别为交会角的下限和上限，画斜线阴影部分为可用导航区域；

DME/DME对与航空器之间形成的交会角θ可由如下公式计算得到：

式中，arccos()为反余弦函数。

所述的测距机对的总系统误差TSE公式如下：

式中，σ_DME/DME为测距机对定位误差的均方差；σ_1,sis、σ_2,sis为各测距机的系统误差均方差；σ_1,air、σ_2,air为各测距机的测距误差；θ是航空器与测距机对形成的交会角。

在本实施例中，参考PBN手册，E_max选为1NM，θ_max＝150°，θ_min＝30°。

在本实施例中，参考PBN手册，测距机的系统误差均方差取0.05NM；DME的测距误差，用max{0.085NM，0.125％×d}计算，其中d为航空器到导航台的水平距离斜距。

图2a中画斜线阴影部分为不考虑TSE值影响时，配对导航台清单中每个DME/DME对的可用导航区域示意。

图2b中画斜线阴影部分为考虑TSE值影响时，配对导航台清单中每个DME/DME对的有效导航区域示意。

按照以上公式计算，图3a给出了DME/DME对有效导航区域中的TSE等值线图示意图，其中两测距机的坐标分别为(-70,0)和(70,0)，单位海里。

图3b是DME/DME对有效导航区域中的TSE三维图，其中高度为0的区域、以及两个碗之间的区域为无效导航区域；

5)若预选导航台清单中测距机的数量为1，则进行步骤6)，否则进行步骤7)；

6)若所述的测距机与甚高频全向信标合装，则选择最近的与甚高频全向信标合装的测距机进行导航，并给出使用与甚高频全向信标合装的测距机进行导航的告警，否则进行步骤7)；

7)无可用测距机，给出无可用陆基无线电导航台的告警；

8)选择总系统误差TSE值最小的测距机对，判断当前测距机对与前一时刻所选测距机对是否一致，如一致，则进行步骤9)，否则进行步骤10)；

9)选择前一时刻的测距机对进行导航；

10)基于航迹预测数据，计算当前所选测距机对的可持续提供有效导航时间，将所述的有效导航时间与前一时刻所选测距机对的剩余有效导航时间相比较，如前所选测距机对的有效导航时间更长，则进行步骤11)，否则返回步骤9)；

所述的计算当前所选测距机对的可持续提供有效导航时间，是以步骤1)所述的一组航迹预测数据为基础，采用测距机对的总系统误差TSE的计算公式，依次计算在各个航迹预测数据上使用当前所选测距机对的总系统误差TSE值，若所计算的总系统误差TSE值小于总系统误差阈值E_max，则计数，否则停止计数；将最终计数值乘以周期T得到当前所选测距机对的可持续提供有效导航时间。

在图2b中，画斜线阴影部分为航空器经过侧的有效导航区域，即满足总系统误差要求的可用导航区域。实线为航空器历史航迹，虚线为预测航迹，F为航空器进入有效导航区域点，而G点为航空器脱离有效导航区域点，因此FG为有效导航距离。

11)选择当前测距机对进行导航。

图4是一条实际航迹及其周围测距机分布图，其中数字为每个测距机的编号，是用来进行算法性能验证的一条实际飞行航迹，以及在飞行过程中所有能接收到信号的测距机分布图，为方便对性能进行比较，对每个测距机按顺序编号。

图5为传统选台算法结果图，其中横轴为时刻，纵轴为选择的两个测距机序号，虚线为第1个测距机序号变化情况，实线为第2个测距机序号变化情况。

图6为本发明选台算法结果图，其中横轴为时刻，纵轴为选择的两个测距机序号，虚线为第1个测距机序号变化情况，实线为第2个测距机序号变化情况。可以看到，本发明选台算法持续导航时间长，且测距机切换次数明显少于传统选台算法。

表1、表2是传统选台算法和本发明算法选台结果的统计表，即图5和图6的统计图，按表格形式给出各时间段DME/DME对的选择情况。

表1传统算法的选台结果

表2本发明的选台结果

图7是传统选台算法和本发明算法的总系统误差估计(TSE)值比较图，其中横轴为时刻，纵轴为TSE值，虚线是传统算法的选台TSE值结果，实线是本发明算法的选台TSE值结果。可以看出，本发明算法在整个飞行过程当中，保证了所有时刻TSE值满足导航性能要求。

Claims (5)

1.一种基于总系统误差估计的陆基无线电导航台选择方法，其特征在于，包括有以下步骤：

1)以周期T读取航空器前一时刻位置和一组航迹预测数据；

2)以航空器前一时刻位置为圆心，测距机最大作用距离D_max为半径做圆，从机载区域导航设备的导航数据库中选取位于圆周内的测距机，输出航空器与选取位于圆周内的测距机之间的距离，形成本地导航台清单；

3)在本地导航台清单中筛选出所有与航空器距离大于测距机最小作用距离D_min的测距机，并且所述的航空器不位于测距机锥形盲区内，形成预选导航台清单，如预选导航台清单中测距机的数量大于1，则进行步骤4)，否则进行步骤5)；

4)对预选导航台清单中的测距机进行两两配对，分别计算每个测距机对与航空器之间形成的交会角θ、两个测距机分别与航空器的水平距离以及该测距机对的总系统误差TSE；筛选出所有交会角在最小值θ_min与最大值θ_max范围内、总系统误差值小于总系统误差阈值E_max的测距机对，形成配对导航台清单；若配对导航台清单的测距机对数量大于0，则进行步骤8)；否则进行步骤6)；

5)若预选导航台清单中测距机的数量为1，则进行步骤6)，否则进行步骤7)；

6)若所述的测距机与甚高频全向信标合装，则选择最近的与甚高频全向信标合装的测距机进行导航，并给出使用与甚高频全向信标合装的测距机进行导航的告警，否则进行步骤7)；

7)无可用测距机，给出无可用陆基无线电导航台的告警；

8)选择总系统误差TSE值最小的测距机对，判断当前测距机对与前一时刻所选测距机对是否一致，如一致，则进行步骤9)，否则进行步骤10)；

9)选择前一时刻的测距机对进行导航；

10)基于航迹预测数据，计算当前所选测距机对的可持续提供有效导航时间，将所述的有效导航时间与前一时刻所选测距机对的剩余有效导航时间相比较，如前所选测距机对的有效导航时间更长，则进行步骤11)，否则返回步骤9)；

11)选择当前测距机对进行导航。

2.根据权利要求1所述的基于总系统误差估计的陆基无线电导航台选择方法，其特征在于，步骤2)中所述的航空器与位于圆周内的各测距机之间的斜距是采用如下公式计算：

式中，(x_a,y_a,z_a)为航空器前一时刻在地理参考坐标系WGS-84中的坐标，(x_i,y_i,z_i)为第i个测距机在地理参考坐标系WGS-84中的坐标，s_i为第i个测距机台与航空器之间的斜距；

将斜距s_i与D_max进行比较，如斜距s_i小于D_max，则将第i个测距机编入本地导航台清单中，最后形成本地导航台清单。

3.根据权利要求1所述的基于总系统误差估计的陆基无线电导航台选择方法，其特征在于，步骤3)中所述的航空器不位于测距机锥形盲区内是按如下公式判断：

式中，(x_a,y_a,z_a)为航空器前一时刻在地理参考坐标系WGS-84中的空间直角坐标；(x_i,y_i,z_i)为第i个测距机在地理参考坐标系WGS-84中的空间直角坐标；B_i和L_i第i个测距机在地理参考坐标系WGS-84中的经度坐标和纬度坐标；(x_a1,y_a1,z_a1)是航空器在以第i个测距机位置为原点的站心坐标系中的坐标，从而得到仰角α计算如下：

当α＜α_max时，则航空器不处于第i个测距机的锥形盲区内，所述的α_max选为40°。

4.根据权利要求1所述的基于总系统误差估计的陆基无线电导航台选择方法，其特征在于，步骤4)所述的测距机对的总系统误差TSE公式如下：

式中，σ_DME/DME为测距机对定位误差的均方差；σ_1,sis、σ_2,sis为各测距机的系统误差均方差；σ_1,air、σ_2,air为各测距机的测距误差；θ是航空器与测距机对形成的交会角。

5.根据权利要求1所述的基于总系统误差估计的陆基无线电导航台选择方法，其特征在于，步骤10)所述的计算当前所选测距机对的可持续提供有效导航时间，是以步骤1)所述的一组航迹预测数据为基础，采用测距机对的总系统误差TSE的计算公式，依次计算在各个航迹预测数据上使用当前所选测距机对的总系统误差TSE值，若所计算的总系统误差TSE值小于总系统误差阈值E_max，则计数，否则停止计数；将最终计数值乘以周期T得到当前所选测距机对的可持续提供有效导航时间。