CN113465603B - 塔康导航自动选台方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种塔康导航自动选台方法，旨在减少自动选台次数，可以保证塔康导航精度和连续性.本发明通过下述技术方案实现：确定实施塔康双台导航的有效塔康双台几何分布后；依据先距离搜索、再夹角搜索和最优夹角选台的原则，确定塔康导航基本选台模块；基于有效夹角变化区间设计减少选台切换次数的策略，计算飞机与所选两塔康台的距离和夹角，在所设置的有效夹角变化区间内，直接以上一时刻的选台结果作为当前时刻的选台结果，反之，若距离值或夹角值两者至少有一个不满足条件，则执行基本选台模块。将基本选台模块与减少选台切换次数的策略组合，实现数据采集、数据分析、数据处理和结果显示功能，即得到一种优化的塔康导航自动选台方法。

Description

塔康导航自动选台方法

技术领域

本发明涉及一种用于塔康TACAN空中导航设备控制系统的自动选台方法。

背景技术

塔康是一种无线电导航定位系统,它由机载设备、塔康信标、信标检测信标模拟器和塔康指示控制设备等组成。其作用距离为200海里，工作频段为962～1213兆赫，是一种近程极坐标式无线电导航系统。系统工作时地面信标台接收来自机载设备的测距询问信号并按照特定的技术要求向其覆盖区域发射方位信号、测距回答信号及信标识别信号，以供机载设备进行测位测距和识别。塔康信标以旋转天线方向性图的形式向作用空域发射无线电信号，为安装有塔康机载设备的飞机提供方位测量信息，同时作为测距应答机，接收并回答机载设备发来的测距询问信号。塔康机载设备接收塔康信标发射的方位信号，实现方位角的测量，同时作为测距询问机发射和接收测距信号，实现距离数据测量，所测得方位和距离数据通过机载设备指示器直观显示以帮助飞行员飞航。塔康系统测距时，飞机必须发送询问脉冲对信号，因而测距时是有源系统，塔康导航系统的测距误差与地美仪导航系统相同。塔康导航系统测向时机上设备无须发送信号，因而测向时是无源系统。塔康地面信标台是实现系统定位的基点,因此地面台的各项技术指标精准稳定是安全导航的关键要素。塔康系统作为飞机导航的主要设备，被广泛应用于航空近程无线电导航系统当中。民航中除通过地美仪系统和伏尔系统实现飞机引航外，还往往使用地美仪/地美仪、地美仪/伏尔组合系统实现区域导航，由于塔康系统可看做地美仪和伏尔同址安装的组合，因而民航中区域导航的应用也为塔康系统可通过ρ-θ和ρ-ρ方式实现定位提供了重要依据。除可通过ρ-θ和ρ-ρ方式完成定位外，塔康系统的另一重要优势在于其测距和测角误差通常较为稳定，因而利用塔康系统实现定位的另一重要优势在于其误差不会像惯性导航系统那样随时间发散。由于单塔康台输出的斜距和方位信息可通过ρ-θ方式完成定位，双塔康台输出的斜距信息可通过ρ-ρ方式完成定位，因而仅使用塔康输出的斜距和方位信息引导飞航实质上是对导航资源的一种浪费。综上所述，塔康系统可作为卫星导航信号拒止条件下的一种重要备份。

当前国内应用塔康系统输出的观测信息进行导航相关的研究几乎处于空白，而美国早在多年前就设计了塔康双台定位系统以提供卫星导航信号拒止条件下的备份，所完成的主要工作包括：(1)通过分时复用的方式实现一个塔康机载设备同时接受两个地面塔康信标发出的测距和方位信号；(2)自动选台功能设计；(3)塔康单台及双台导航算法设计。开展塔康导航相关的研究具有重要意义。自动选台功能的设计和塔康单台及双台导航算法的设计更多属于软件层面的研究，因而可更早地开展研究。当前民航中基于地美仪/地美仪组合广泛研究的选台策略包括如下三类：(1)传统的选台策略；(2)基于实际导航性能的选台策略；(3)基于水平精度因子的选台策略。第二类基于实际导航性能的选台策略存在的问题在于：虽然当前针对实际导航性能的计算方法开展了大量的研究，但所开展的研究无法统一，即无法确定到底哪种方案更为可靠，因而不建议在实际选台策略中使用。第三类基于水平精度因子的选台策略借鉴了卫星导航系统中精度因子的概念，该策略存在的问题在于无法规避量测野值对水平精度因子计算的影响，即一个量测野值的引入会导致精度因子计算异常，进而可能影响系统切换台，而实际上此时系统可能并不需要切换台。传统的选台方案采用先“距离搜索”再“夹角搜索”最后“最优夹角选台”的策略进行选台，在实际应用中虽无法达到最优的导航精度，但选台结果可靠，被应用于基于地美仪/地美仪组合的区域导航自动选台算法中。

自动选台功能设计的主要内容为设计自动选台程序，确定与飞机实时位置几何分布最优的塔康台站，其目的在于选择最优的塔康台或塔康台组合，保证塔康导航精度。在地面塔康台分布密集的区域，传统的选台策略会出现地面台频繁切换的问题，严重影响导航精度和连续性。具体来说，面临选台时，机载设备要向新的地面台站发射询问信号，在重新定台的过程中会出现短时间的停工期，并且在停工期内塔康导航无输出，影响导航的精度和连续性。在传统选台功能的基础上，已有研究针对地面台频繁切换的问题开展了研究，所研究的方案在预先知道下一时刻航路点的基础上，将当前时刻选台结果与前一时刻以及后一时刻的选台结果进行对比，通过判断前一时刻与当前时刻的选台结果在当前时刻是否仍然可用确定当前时刻的选台结果。该方案本质上属于提前规划选台结果，因而有效地减少了地面台切换次数，然而存在的问题是必须知道下一航路点的位置，对于民航飞机而言这种方案是有效的，但紧急状况下的飞航往往具备不可预测性，因而无法提前预知下一时刻航路点的位置，更无法去规划相应的选台结果。基于实际导航性能和基于水平导航精度因子的选台方案尚需要在参数计算可靠性以及理论完备性等方面进行进一步的验证。

使用塔康双台实现导航时，只有当飞机处于两个塔康台站的有效导航信号公共覆盖范围内时，飞机才能收到这两个导航台发出的信号。此外，飞机与两个塔康台之间几何连线的夹角必须在30°～150°之间，只有同时满足这两个条件，才能实现可靠的导航定位。对于导航台的选取，需要考虑其有效信号的覆盖范围。

综上所述，针对塔康导航自动选台功能而言，首先国内缺少选台功能算法相关的研究，其次若直接借鉴民航地美仪/地美仪自动选台功能算法，为减少地面台切换次数，需要预知航路点的位置，这极大地限制了选台功能算法的普适性，因此，设计一类普适性更强的自动选台算法是提高塔康导航精度和连续性的关键技术。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提出一种具有更高的精度和更大的抗干扰性自动化水平高、工作可靠，旨在减少自动选台次数，可以保证塔康导航精度和连续性的自动选台方法，以解决塔康导航的自动选台问题。

本发明的上述目的可以通过以下措施来得到，一种塔康导航自动选台方法，其特征在于包括如下步骤：在塔康单台导航有效信号覆盖范围分析的基础上，分析塔康双台导航有效信号覆盖范围，确定实施塔康双台导航的有效塔康双台几何分布；依据先“距离搜索”再“夹角搜索”最后“最优夹角选台”的原则，确定塔康导航基本选台模块；为减少选台切换次数，基于有效夹角变化区间设计减少选台切换次数的策略。自动判断当前时刻是否需要切台，若上一时刻选台结果不为双台则执行基本选台模块，若上一时刻选台结果为双台，计算飞机与上一时刻所选两塔康台的距离，同时计算飞机与塔康台几何连线的夹角，当距离值在有效导航信号覆盖范围内，夹角值在所设置的有效夹角变化区间内，直接以上一时刻的选台结果作为当前时刻的选台结果，反之，若距离值或夹角值两者至少有一个不满足条件，则执行基本选台模块。将基本选台模块与减少选台切换次数的策略组合，实现数据采集、数据分析、数据处理和结果显示功能，即得到一种优化的塔康导航自动选台方法。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

自动化水平高。本发明依据先“距离搜索”再“夹角搜索”最后“最优夹角选台”的原则，确定塔康导航基本选台模块，通过基本选台模块，自动搜索当前时刻最适合完成塔康导航的塔康双台或塔康单台，根据所设计的减少选台切换次数的策略，自动判断当前时刻是否需要切台，相较于以往需要飞行员手动选台的操作方式，自动化程度较高，有效地减少了飞行员的操作负担。

工作可靠。本发明所设计的自动选台方案是在对塔康导航有效信号覆盖范围分析的基础上，根据经典的距离参数和夹角参数来进行设计的，若上一时刻选台结果不为塔康双台，则执行基本选台模块；根据判断逻辑，若上一时刻选台结果不为塔康双台，则执行基本选台模块；若上一时刻选台结果为塔康双台，计算飞机与上一时刻所选两塔康台的距离，同时计算飞机与塔康台几何连线的夹角，当距离值在有效导航信号覆盖范围内，夹角值在所设置的有效夹角变化区间内，直接以上一时刻的选台结果作为当前时刻的选台结果，保证塔康导航精度和连续性。通过所设计的减少选台切换次数的策略。该策略一方面减少了基本选台模块中选台执行逻辑的执行次数，提高了程序的执行效率，另一方面能够缩短选台切换导致的停工期，提高了系统导航精度和连续性。在判断逻辑和实现流程方面具有简单可靠的特点，便于实际应用。相较于基于实际导航性能和基于水平导航精度因子的选台方案尚需要在参数计算可靠性以及理论完备性等方面进行进一步的验证，本发明的选台方案在判断逻辑和实现流程的设计方面具有简单可靠的特点，便于实际应用。

本发明采用自动判断当前时刻是否需要切台，若上一时刻选台结果不为双台则执行基本选台模块，若上一时刻选台结果为双台，计算飞机与上一时刻所选两塔康台的距离，同时计算飞机与塔康台几何连线的夹角，当距离值在有效导航信号覆盖范围内，夹角值在所设置的有效夹角变化区间内，直接以上一时刻的选台结果作为当前时刻的选台结果，反之，若距离值或夹角值两者至少有一个不满足条件，则执行基本选台模块。将基本选台模块与减少选台切换次数的策略组合，实现数据采集、数据分析、数据处理和结果显示功能，即得到一种优化的塔康导航自动选台方法。保证了塔康导航精度和连续性。

发明适用于飞航过程中飞机应用塔康系统进行导航时进行自动选台，可以选择几何分布最优的塔康台站，具备减少选台切换次数的优势，对于减轻驾驶员操作负担、提高系统导航精度和连续性来说，具有重要意义。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明塔康单台及双台导航有效导航信号覆盖范围示意图；

图2是本发明基本选台模块流程图；

图3是本发明整体选台策略流程图。

具体实施方式

参阅图1。根据本发明，在塔康单台导航有效信号覆盖范围分析的基础上，分析塔康双台导航有效信号覆盖范围，确定实施塔康双台导航的有效塔康双台几何分布；依据先“距离搜索”再“夹角搜索”最后“最优夹角选台”的原则，确定塔康导航基本选台模块，其中“距离搜索”是通过计算飞机与塔康台站的距离，选择距离在塔康有效导航信号覆盖范围3～160海里之间的塔康台。“夹角搜索”是通过计算飞机与塔康双台几何连线的夹角，确定满足夹角在30°～150°之间的塔康台组合。“最优夹角选台”是在经“夹角搜索”后所确定的塔康台组合中选择飞机与塔康台对几何连线夹角最接近90°的塔康台组合；为减少选台切换次数，基于有效夹角变化区间设计减少选台切换次数的策略。自动判断当前时刻是否需要切台，若上一时刻选台结果不为双台则执行基本选台模块，若上一时刻选台结果为双台，计算飞机与上一时刻所选两塔康台的距离，同时计算飞机与塔康台几何连线的夹角，当距离值在有效导航信号覆盖范围内，夹角值在所设置的有效夹角变化区间内，直接以上一时刻的选台结果作为当前时刻的选台结果，反之，若距离值或夹角值两者至少有一个不满足条件，则执行基本选台模块。将基本选台模块与减少选台切换次数的策略组合，实现数据采集、数据分析、数据处理和结果显示功能，即得到一种优化的塔康导航自动选台方法。

为给飞机提供有效的导航信号，确保飞行的安全和可靠性，塔康台可提供的有效导航距离为3～160海里之间，对于超出160海里以及不足3海里的飞机，塔康台不提供相应的导航服务。其中距离不足3海里的范围为塔康台顶空的信号盲区。当飞机位于一个塔康台的有效导航信号覆盖范围内时，可通过塔康台输出的斜距和方位信息实现塔康单台定位。

使用塔康双台实现导航时，只有当飞机处于两个塔康台站的有效导航信号公共覆盖范围内时，飞机才能收到这两个导航台发出的信号。此外，飞机与两个塔康台之间几何连线的夹角必须在30°～150°之间，只有同时满足这两个条件，才能实现可靠的导航定位。对于导航台的选取，需要考虑其有效信号的覆盖范围。具体的塔康双台导航有效信号覆盖范围通过如下方式进行确定：

设A、B为两个塔康台站，分别以这两个台站为圆心，作半径分别为3海里和160海里的同心圆，其中3海里范围内为塔康台站的顶空盲区，属于塔康双台导航的不可更新区域，无法给飞机提供导航服务。3～160海里为有效导航区域；

以塔康台站A、塔康台站B两地面台间距离的半径为边长，塔康台站A、塔康台站B两点为端点作等边三角形，三角形另一端点O₁和O₂为圆心，以塔康台站A和塔康台站B之间的距离为半径作圆，以确保公共覆盖区内，飞机与两塔康台几何连线间的夹角在30°至150°之间。

参阅图2。基本选台模块是整体选台策略的核心。当程序进入基本选台模块时，基本选台模块首先进行第一步距离搜索，选出与飞机距离在3～160海里的有效塔康台。距离搜索的具体实现方式为将机载惯导系统输出的位置作为飞机当前时刻的位置，求该位置与程序内预先加载的所有塔康台位置之间的距离，进而判断距离计算值是否在3～160海里之间，距离计算值在有效范围内的塔康台符合条件进入下一步搜索，距离计算值不在有效范围内的塔康台站在第一轮搜索被剔除。

假设有塔康台站i与塔康台站j，则飞机距台站i的距离可表示为dist(A,S_i)，飞机与台站j的距离可表示为dist(A,S_j)，两塔康台站之间的距离可表示为dist(S_i,S_j)，飞机与塔康台站i之间的距离计算公式如下所示：

式中：(x_A y_A z_A)^T为惯导给出的飞机在WGS-84坐标系下的位置；

为第i个塔康台站在WGS-84坐标系下的位置，T表示对矩阵执行转置操作。

综上所述，第一步距离搜索可以下式进行表示：

3海里<dist(A,S_i)＜160海里(i＝1,2,3…)

在执行完距离搜索后，可能发生仅能搜索到一个塔康台的有效覆盖范围包含飞机或无塔康台有效覆盖范围包含飞机，此时不再执行第二步夹角搜索。若仅能搜索到一个符合条件的塔康台，则选中该台执行塔康单台定位；若无法搜索到符合条件的塔康台，则向系统告警，无法执行导航程序。

第一步距离搜索完成后进入第二步夹角搜索，夹角搜索的具体实现方式为将经距离搜索后剩下的塔康台站两两组合，计算当前飞机位置与两塔康台站几何连线的夹角，进而判断夹角计算值是否在30°～150°之间，夹角计算值在30°～150°之间的台站组合进入最后一步搜索，夹角计算值不在30°～150°之间的塔康台站组合被剔除。飞机与两塔康台站几何连线的夹角的计算方式如下：

在执行夹角搜索后，可能发生任何塔康台组合与飞机几何连线的夹角都不在30°～150°之间，此时不再执行最优夹角选台，转而选择经第一步距离搜索后距离飞机最近的塔康台执行塔康单台导航。

第二步夹角搜索完成后进入第三步最优夹角选台，最优夹角选台的具体实现方式为确定第二步所有的塔康台组合中夹角最接近90°的塔康台组合，判断满足夹角搜索条件的塔康台组合，选出与飞机几何连线夹角最接近90°的塔康台组合作为最终的选台结果，执行塔康双台导航，其具体实现方式可参考下式：

参阅图3。在飞机通过塔康台站分布密级的地区，根据基本选台模块进行选台可能出现频繁进行选台切换的问题，极大地影响塔康导航的精度和连续性。为解决影响导航精度和连续性的这个问题，设置了减少选台切换次数的基本策略，具体实现过程包含两个判断逻辑，首先当飞机在当前时刻面临选台时，判断上一时刻的选台结果是否为双台组合，若不为双台组合，则直接执行基本选台模块；若上一时刻的选台结果为双台，则进入下一个判断逻辑，判断飞机位置距上次选台距离是否在海里之间，同时判断飞机与两台连线是否在之间，当以上两个逻辑判断均为真时，直接将上一时刻的选台结果作为当前时刻的选台结果；当以上两个逻辑判断有至少一个不为真时，转而执行基本选台模块。

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 (8)

1.一种塔康导航自动选台方法，其特征在于包括如下步骤：在塔康单台导航有效信号覆盖范围分析的基础上，分析塔康双台导航有效信号覆盖范围，确定实施塔康双台导航的有效塔康双台几何分布；依据先“距离搜索”再“夹角搜索”最后“最优夹角选台”的原则，确定塔康导航基本选台模块；为减少选台切换次数，基于有效夹角变化区间设计减少选台切换次数的策略，自动判断当前时刻是否需要切台，若上一时刻选台结果不为双台则执行基本选台模块，若上一时刻选台结果为双台，计算飞机与上一时刻所选两塔康台的距离，同时计算飞机与塔康台几何连线的夹角，当距离值在有效导航信号覆盖范围内，夹角值在所设置的有效夹角变化区间内，直接以上一时刻的选台结果作为当前时刻的选台结果，反之，若距离值或夹角值两者至少有一个不满足条件，则执行基本选台模块，将基本选台模块与减少选台切换次数的策略组合，实现数据采集、数据分析、数据处理和结果显示功能，即得到一种优化的塔康导航自动选台方法；

当程序进入基本选台模块时，基本选台模块首先进行第一步距离搜索，选出与飞机距离在3～160海里的有效塔康台；距离搜索的具体实现方式为将机载惯导系统输出的位置作为飞机当前时刻的位置，求该位置与程序内预先加载的所有塔康台位置之间的距离，进而判断距离计算值是否在3～160海里之间，距离计算值在有效范围内的塔康台符合条件进入下一步搜索，距离计算值不在有效范围内的塔康台站在第一轮搜索被剔除；

减少选台切换次数的基本策略，具体实现过程包含两个判断逻辑，首先当飞机在当前时刻面临选台时，判断上一时刻的选台结果是否为双台组合，若不为双台组合，则直接执行基本选台模块；若上一时刻的选台结果为双台，则进入下一个判断逻辑，判断飞机位置距上次选台距离是否在上述海里之间，同时判断飞机与两台连线是否在之间，当以上两个逻辑判断均为真时，直接将上一时刻的选台结果作为当前时刻的选台结果；当以上两个逻辑判断有至少一个不为真时，转而执行基本选台模块。

2.如权利要求1所述的塔康导航自动选台方法，其特征在于：所述的“距离搜索”是通过计算飞机与塔康台站的距离，选择距离在塔康有效导航信号覆盖范围3～160海里之间的塔康台。

3.如权利要求1所述的塔康导航自动选台方法，其特征在于：所述的“夹角搜索”是通过计算飞机与塔康双台几何连线的夹角，确定满足夹角在30°～150°之间的塔康台组合。

4.如权利要求1所述的塔康导航自动选台方法，其特征在于：所述的“最优夹角选台”是在经“夹角搜索”后所确定的塔康台组合中选择飞机与塔康台对几何连线夹角最接近90°的塔康台组合。

5.如权利要求1所述的塔康导航自动选台方法，其特征在于：当飞机位于一个塔康台的有效导航信号覆盖范围内时，通过塔康台输出的斜距和方位信息实现塔康单台定位。

6.如权利要求1所述的塔康导航自动选台方法，其特征在于：塔康双台导航有效信号覆盖范围通过如下方式进行确定：设A、B为两个塔康台站，分别以这两个台站为圆心，作半径分别为3海里和160海里的同心圆，其中3海里范围内为塔康台站的顶空盲区，属于塔康双台导航的不可更新区域；3～160海里为有效导航区域，以塔康台站A、塔康台站B两地面台间距离的半径为边长，塔康台站A、塔康台站B两点为端点作等边三角形，三角形另一端点O₁和O₂为圆心，以塔康台站A和塔康台站B之间的距离为半径作圆，以确保公共覆盖区内，飞机与两塔康台几何连线间的夹角在30°至150°之间。

7.如权利要求1所述的塔康导航自动选台方法，其特征在于：设塔康台站i与塔康台站j，则飞机距台站i的距离表示为dist(A,S_i)，飞机与台站j的距离表示为dist(A,S_j)，两塔康台站之间的距离表示为dist(S_i,S_j)，飞机与塔康台站i之间的距离计算公式如下所示：

式中：(x_A y_A z_A)^T为惯导给出的飞机在WGS-84坐标系下的位置；为第i个塔康台站在WGS-84坐标系下的位置，T表示对矩阵执行转置操作。

8.如权利要求7所述的塔康导航自动选台方法，其特征在于：第一步距离搜索完成后进入第二步夹角搜索，夹角搜索的具体实现方式为，将经距离搜索后剩下的塔康台站两两组合，计算当前飞机位置与两塔康台站几何连线的夹角，进而判断夹角计算值是否在30°～150°之间，夹角计算值在30°～150°之间的台站组合进入最后一步搜索，夹角计算值不在30°～150°之间的塔康台站组合被剔除；飞机与两塔康台站几何连线的夹角θ的计算方式如下：

在执行夹角搜索后，可能发生任何塔康台组合与飞机几何连线的夹角都不在30°～150°之间，此时不再执行最优夹角选台，转而选择经第一步距离搜索后距离飞机最近的塔康台执行塔康单台导航。

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