技术领域
[0001] 本
发明属于机载航电系统领域，涉及一种通用飞机机载组合导航系统与导航方法。
背景技术
[0002] 通用飞机机载组合导航设备是机载综合
电子系统的一部分，组合导航设备为
飞行管理系统的导航功能提供导航
定位结果。对于民用大客机，主要采用GPS/INS，GPS/无线电/INS的组合导航方式，其中惯性导航INS作为自主导航设备，不需要外界设备参与，INS在导航过程中作为主要导航方式，以避免在高空
空域远距离飞行时遇到GPS干扰失效、无线电导航
信号遮挡等情况下进行自主导航，但是由于惯性导航成本较高不适用于通用飞机。
[0003] 低成本通用飞机综合电子系统中，主要采用GPS进行导航，或者采用无线电导航方式单独导航，然而GPS单独导航存在干扰，一旦GPS失效，则飞机无法进行自主导航，导航
精度和可靠性低；单独采用无线电导航方式，即通过解算VOR和DME导航台站信号进行实时定位，目前主要采用飞行员手动选择导航台的方式进行定位计算，无法实现自主导航。
发明内容
[0004] 针对目前通用飞机导航模式单一、导航精度和可靠性低、无法实现自主导航功能的问题，本发明提供一种通用飞机机载组合导航系统与导航方法，该导航系统和方法能够提高通用飞机导航定位准确性和可靠性，从而进一步实现通用飞机自主导航。
[0005] 为实现上述目的，本发明通过以下技术方案来实现：
[0006] 本发明提供一种通用飞机机载组合导航系统，其包含导航数据接收模
块、导航模式判断模块和导航定位解算模块；所述导航数据接收模块用于接收机载接收设备发来的实时信息，所述机载接收设备包括GPS/北斗卫星接收机、VOR接收机、DME接收机和大气航姿系统；所述导航模式判断模块用于判断采用何种导航模式进行综合定位，所述导航模式包括GPS/北斗卫星导航模式、无线电DME/DME导航模式、无线电VOR/DME导航模式和按位推算导航模式；所述导航定位解算模块根据选取的导航模式，计算当前飞机的
位置信息。
[0007] 本发明提供一种通用飞机机载组合导航方法，其包括以下步骤：
[0008] 步骤一、导航数据接收模块接收机载接收设备发来的实时信息；
[0009] 步骤二、导航模式判断模块根据步骤一获取的实时信息选取进行定位的导航模式，导航定位解算模块根据选取的导航模式获取当前飞机的位置信息；
[0010] 2.1)根据步骤一得到的实时信息判断GPS/北斗设备是否可用，若是，进入步骤2.2)，若不是，进入步骤2.6)；
[0011] 2.2)判断GPS/北斗数据是否异常，若没有异常，选取GPS/北斗卫星导航模式，并计算当前飞机的位置信息；若有异常，向显示模块发送GPS/北斗卫星定位不可靠，进入步骤2.3)；
[0012] 2.3)判断无线电导航设备是否可用，若可用，进入步骤2.4)，若不可用，进入步骤2.5)；
[0013] 2.4)选取GPS/北斗卫星导航模式和无线电导航模式，进行GPS/北斗卫星导航和无线电导航的综合定位，获取当前飞机的位置信息；
[0014] 2.5)判断导航台站精度是否完全不可靠，若是，结合GPS/北斗卫星导航、按位推算进行综合定位，获取当前飞机的位置信息；若否，选取有效性最高的一对无线电台站，结合GPS/北斗卫星导航、无线电导航、按位推算进行综合定位，获取当前飞机的位置信息；
[0015] 2.6)向显示模块发送GPS/北斗卫星定位不可用，判断无线电导航设备是否可用，若可用，进入步骤2.7)，若不可用，采用按位推算获取当前飞机的位置信息；
[0016] 2.7)判断是否有满足精度的地面台站，若有，采用无线电导航模式进行定位，获取当前飞机的位置信息，若没有，结合无线电导航与按位推算进行综合定位，获取当前飞机的位置信息。
[0017] 进一步地，步骤2.4)中，进行GPS/北斗卫星导航和无线电导航的综合定位，获取当前飞机的位置信息包括以下步骤：
[0018] 2.41)输入当前GPS/北斗卫星导航定位的预估飞机位置 无线电导航定位的预估飞机位置
[0019] 2.42)获取当前GPS/北斗卫星导航和无线电导航的实际导航精度；α为当前GPS/北斗卫星导航的实际导航精度，β为无线电导航的实际导航精度；
[0020] 2.43)当前飞机位置 为：
[0021]
[0022] 其中，λ表示经度，表示纬度。
[0023] 进一步地，步骤2.5)中，判断导航台站精度是否完全不可靠的步骤如下：
[0024] a)判断距离飞机当前位置200NM范围内选取的DME台站数是否小于3，如果大于3，则说明可靠；如果小于3，进入步骤b)；
[0025] b)判断DME台站与飞机当前的位置夹
角是否大于30或者小于150度，如果是，则说明可靠，如果不是，则进入步骤c)；
[0026] c)判断VOR/DME台站距离飞机当前位置是否超过100NM，如果不是则说明可靠，如果是则说明不可靠。
[0027] 进一步地，步骤2.5)中，结合GPS/北斗卫星导航、按位推算进行综合定位，获取当前飞机的位置信息包括以下步骤：
[0028] 2.511)输入当前GPS/北斗卫星导航定位的预估飞机位置 采用位置推算的预估飞机位置
[0029] 2.512)获取当前GPS/北斗卫星导航和按位推算的实际导航精度；α为当前GPS/北斗卫星导航的实际导航精度，γ为位置推算的实际导航精度；
[0030] 2.513)当前飞机位置 为：
[0031]
[0032] 其中，λ表示经度，表示纬度。
[0033] 进一步地，步骤2.5)中，结合GPS/北斗卫星导航、无线电导航、按位推算进行综合定位，获取当前飞机的位置信息包括以下步骤：
[0034] 2.521)输入当前GPS/北斗卫星导航定位的预估飞机位置 无线电导航定位的预估飞机位置 位置推算的预估飞机位置
[0035] 2.522)获取当前GPS/北斗卫星导航、无线电导航和按位推算的实际导航精度；α为当前GPS/北斗卫星导航的实际导航精度，β为无线电导航的实际导航精度，γ为按位推算的实际导航精度；
[0036] 2.523)当前飞机位置 为：
[0037]
[0038] 其中，λ表示经度，表示纬度。
[0039] 进一步地，步骤2.7)中，结合无线电导航与按位推算进行综合定位，获取当前飞机的位置信息包括以下步骤：
[0040] 2.71)当前无线电导航定位的预估飞机位置为 采用位置推算的预估飞机位置为
[0041] 2.72)获取当前无线电导航和按位推算的实际导航精度，β为无线电导航的实际导航精度，γ为按位推算的实际导航精度；
[0042] 2.73)当前飞机位置 为：
[0043]
[0044] 其中，λ表示经度，表示纬度。
[0045] 与
现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0046] 1.本发明提供的通用飞机机载组合导航方法能够有效解决单一导航方式可靠性低问题，GPS/北斗卫星导航定位、无线电导航定位、按位推算的方式在出现某一种或两种导航源故障或者不可靠的情况下，该系统和方法尽可能保证飞机当前定位可靠性问题。
[0047] 2.与传统导航方式相比，本发明提供的通用飞机机载组合导航系统包含三类导航模式，有效解决了单一导航源可靠性低问题，可实现多源
传感器的自动选择，通用飞机机载组合导航功能能够在出现某一种或两种导航源故障或者不可靠的情况下，进行导航定位数据融合，保持导航功能正常运行。
[0048] 3.本发明提供的通用飞机机载组合导航系统在成本上比采用惯导的组合导航方式低，适用于通用飞机低成本的要求。
附图说明
[0049] 图1为本发明通用飞机机载组合导航系统组成示意图；
[0050] 图2为本发明通用飞机机载组合导航模式示意图；
[0051] 图3为本发明通用飞机机载组合导航方法
流程图。
具体实施方式
[0052] 以下结合附图和具体
实施例对本发明的内容作进一步详细描述。
[0053] 随着导航技术的不断发展，通用飞机机载平台加装了多种类型的导航装备以及导航方式，包括卫星导航、无线电导航、位置推算等等。每种导航设备都可在一定的条件下独立工作，提供飞机当前飞行的位置信息。在综合导航系统中，单个的导航系统只相当于一个传感器，单个导航系统的余度技术在综合导航系统中只相当于传感器级的余度。现代飞机对导航系统的精度和可靠性两方面都提出了越来越高的要求，单靠提高部件的设计和制造来达到要求的精度和可靠性是十分有限的，因此，多种导航方式的综合，是确保飞行精度与飞行可靠性的重要手段。通过多传感器位置更新
算法连续地计算飞机位置、并通过其导引算法
力图使飞机处于这个容差范围内，以实现可靠的、可重复的、具有容差限制的飞机航迹。
[0054] 当前，通用航空导航的主要方式有三种，每一种都有其各自的特点：由GPS/北斗组成的卫星导航模式，精度最高，但可能会被干扰，导致其失效。由无线电导航设备VOR、DME组成的无线电导航模式，精度稍低，但受地面导航台位置影响比较大；通常一种以DME/DME即通过接收双DME台站距离计算飞机当前位置，另一种是以VOR/DME的方式进行定位，即通过接收在一个位置的VOR角度值和DME距离值计算飞机当前位置，由于VOR角度随着距离的增加误差会扩大，因此DME/DME定位的精度一般高于VOR/DME精度。通过航姿大气等设备，以某一特定时刻位置为标准，按照飞机飞行的速度、
俯仰以及方位推算当前飞行位置，精度最低，但是可以作为上述两种导航方式失效后的有益补充，可以通过推算结果判断上述两种导航方式结果的有效性。
[0055] 位置推算的具体方式为：已知特定时刻T0的飞机位置是(Lng0，Lat0)，地速是M海里/小时，俯仰角为 方位角是α，以及在当前纬度地区，经纬度与地面长度的比例关系(k，l)。T1时刻的飞机位置如下所示：
[0056]
[0057]
[0058] 通用飞机机载组合导航定位模块在每个应用运行周期内获取卫星导航定位数据、无线电导航定位数据以及位置推算数据，通过判断数据的有效性来决定选取数据的类型。数据的优先级为卫星导航数据，无线电导航数据再到位置推算数据，其中无线电导航模式包含DME/DME导航模式和DME/VOR导航模式，大多数情况下，无线电数据和位置推算数据用于评价卫星导航数据的有效性，通用飞机机载组合导航定位架构示意图如图2所示。
[0059] 如图1所示，本发明提供的通用飞机机载组合导航系统包含三个子功能模块，分别为导航数据接收模块、导航模式判断模块和导航定位解算模块。
[0060] 导航数据接收模块用于接收机载接收设备发来的实时信息，并判断接收机状态及定位参数有效性，采用滤波算法进行平滑处理，确保数据有效性和可靠性。机载接收设备包括GPS/北斗卫星接收机、VOR接收机、DME接收机和大气航姿系统。
[0061] 导航模式判断模块用于判断采用哪几种导航模式进行综合定位，在保证有效性的情况下，卫星导航优先级最高。导航模式包括GPS/北斗卫星导航模式、无线电DME/DME导航模式、无线电VOR/DME导航模式和按位推算导航模式。从单个导航模式来说，卫星导航优先级高于无线电导航模式，又高于按位推算。因此，当其中任意一种导航模式因接收机故障等原因不可用，则采用优先级较低的导航模式作为主导航模式。如果任意单个导航模式导航数据误差较大，不可靠，则采用与较低级导航模式进行综合导航的方式。如果GPS/北斗接收机不可用，则直接采用无线电导航方式进行定位计算；如果GPS/北斗不可用且无线电导航接收机不可用，则采用按位推算方式进行定位计算。如果GPS/北斗数据不可靠，则结合GPS/北斗和无线电导航，综合给出定位结果；如果GPS/北斗数据不可靠，无线电导航数据也不可靠，则结合GPS/北斗数据，无线电导航数据，按位推算综合给出定位结果，导航模式判断模块是组合导航系统中最核心的功能，其流程图如图3所示。
[0062] 导航定位解算模块根据选取的导航模式，计算当前飞机的位置信息，输出给飞行管理系统或者显控计算机。以GPS为例，GPS导航能达到的精度为0.3NM，无线电DME/DME能达到的导航精度为1NM，VOR/DME能达到的导航精度为2NM。因此当GPS数据不可靠时，可采用GPS数据作为参考，将GPS数据和无线电导航数据采用加权平均进行融合，从而提高导航精度。
[0063] 导航模式判断模块根据监测到的接收机的状态数据及定位参数，通过模式判断，确定采用当前采用哪种融合方式进行组合导航，该过程如下：
[0064] 如果GPS/北斗卫星接收机可用，
[0065] 1)当GPS/北斗卫星数据可靠时，采用GPS/北斗卫星进行定位；
[0066] 2)GPS/北斗卫星数据不可靠时，无线电导航接收机可用，且有满足精度要求的地面导航台站，采用GPS/北斗卫星融合无线电导航方式进行定位；
[0067] 3)GPS/北斗卫星数据不可靠时，无线电导航接收机可用，无合适的地面导航台站，采用GPS/北斗卫星、无线电导航方式、按位推算三者融合方式进行定位；
[0068] 4)GPS/北斗卫星数据不可靠时，无线电导航接收机不可用或者导航台站过于稀疏，无线电定位精度完全不可靠，采用GPS/北斗卫星融合按位推算方式进行定位；
[0069] 如果GPS/北斗卫星接收机不可用，
[0070] 1)无线电导航接收机可用，且有满足精度要求的地面导航台站，采用无线电导航方式进行定位；
[0071] 2)无线电导航接收机可用，但没有合适的地面导航台站，采用无线电融合按位推算方式进行定位；
[0072] 3)无线电接收机不可用，采用按位推算方式进行定位。
[0073] 基于上述描述，本发明提供的通用飞机机载组合导航方法如下：首先进行初始化操作，初始化飞机当前位置为上次断电前定位位置。导航数据接收模块分别获取从GPS/北斗卫星接收的定位信息、从DME接收机接收的距离信息、从VOR接收机接收的角度信息，判断接收机是否故障，判断数据是否可用，对接收数据进行滤波处理。导航模式判断模块根据导航数据接收模块反馈的定位参数信息，及状态信息进行导航模式判断，判断当前导航定位计算应该采用哪种方式，是单一采用GPS/北斗卫星定位数据，还是采用VOR/DME数据，还是采用两者融合的方式。基于导航模式判断模块作出的决策，导航定位解算模块，根据接收到的导航参数及组合导航融合算法进行定位解算，将发送定位结果。
[0074] 如图3所示，本发明提供的通用飞机机载组合导航方法，具体包括以下步骤：
[0075] 步骤一、导航数据接收模块接收机载接收设备发来的实时信息；
[0076] 步骤二、导航模式判断模块根据步骤一获取的实时信息选取进行定位的导航模式，导航定位解算模块根据选取的导航模式获取当前飞机的位置信息；
[0077] 2.1)根据步骤一得到的实时信息判断GPS/北斗设备是否可用，若是，进入步骤2.2)，若不是，进入步骤2.6)；
[0078] 2.2)判断GPS/北斗信息数据是否异常，若没有异常，选取GPS/北斗卫星导航模式，并计算当前飞机的位置信息；若有异常，向显示模块发送GPS/北斗卫星定位不可靠，进入步骤2.3)；
[0079] 2.3)判断无线电导航设备是否可用，若可用，进入步骤2.4)，若不可用，进入步骤2.5)；
[0080] 2.4)选取GPS/北斗卫星导航模式和无线电导航模式，进行GPS/北斗卫星导航和无线电导航的综合定位，获取当前飞机的位置信息；
[0081] 2.41)在GPS/北斗卫星不可靠情况下，当前GPS/北斗卫星导航定位的预估飞机位置 无线电导航定位的预估飞机位置
[0082] 2.42)获取当前GPS/北斗卫星导航和无线电的实际导航精度；α为当前GPS/北斗卫星导航的实际导航精度，β为无线电导航的实际导航精度，当前实际导航精度越高的定位占比越大；
[0083] 2.43)当前飞机位置 为：
[0084]
[0085] 其中，λ表示经度，表示纬度；
[0086] 无线电导航可为DME/DME或者VOR/DME，取决于该区域无线电导航台站数量，如果DME导航台站稀疏，则采用VOR/DME进行导航。
[0087] 2.5)判断导航台站精度是否完全不可靠，若是，结合GPS/北斗卫星导航、按位推算进行综合定位，获取当前飞机的位置信息；若否，选取有效性最高的一对无线电台站，结合GPS/北斗卫星导航、无线电台导航、按位推算进行综合定位，获取当前飞机的位置信息；
[0088] 步骤2.5)中，判断导航台站精度是否完全不可靠的步骤如下：
[0089] a)判断距离飞机当前位置200NM范围内选取的DME台站数是否小于3，如果大于3，则说明可靠；如果小于3，进入步骤b)；
[0090] b)判断DME台站与飞机当前的位置夹角是否大于30或者小于150度，如果是，则说明可靠，如果不是，则进入步骤c)；
[0091] c)判断VOR/DME台站距离飞机当前位置是否超过100NM，如果不是则说明可靠，如果是则说明不可靠。
[0092] 步骤2.5)中，结合GPS/北斗卫星导航、按位推算进行综合定位，获取当前飞机的位置信息包括以下步骤：
[0093] 2.511)如在GPS/北斗卫星不可靠情况下，且导航台站稀疏，无合适VOR或DME台站，输入当前GPS/北斗卫星导航定位的预估飞机位置 位置推算的预估飞机位置[0094] 2.512)获取当前GPS/北斗卫星导航和按位推算的实际导航精度；α为当前GPS/北斗卫星导航的实际导航精度，γ为位置推算的实际导航精度，当前实际导航精度越高的定位占比越大；
[0095] 2.513)当前飞机位置 为：
[0096]
[0097] 其中，λ表示经度，表示纬度。
[0098] 步骤2.5)中，结合GPS/北斗卫星导航、无线电导航、按位推算进行综合定位，获取当前飞机的位置信息包括以下步骤：
[0099] 2.521)在GPS/北斗卫星不可靠情况下，且无线电接收机不可用或者导航台站过于稀疏，无线电定位精度完全不可靠，当前GPS/北斗卫星导航定位的预估飞机位置无线电导航定位的预估飞机位置 采用位置推算的预估飞机位置
[0100] 2.522)获取当前GPS/北斗卫星导航、无线电导航和按位推算的实际导航精度；α为当前GPS/北斗卫星导航的实际导航精度，β为无线电导航的实际导航精度，γ为按位推算导航的实际导航精度，当前实际导航精度越高的定位占比越大，
[0101] 2.523)当前飞机位置 为：
[0102]
[0103] 其中，λ表示经度，表示纬度。
[0104] 2.6)向显示模块发送GPS/北斗卫星定位不可用，判断无线电导航设备是否可用，若可用，进入步骤2.7)，若不可用，采用按位推算获取当前飞机的位置信息；
[0105] 2.7)判断是否有满足精度的地面台站，若有，采用无线电导航模式进行定位，获取当前飞机的位置信息，若没有，结合无线电导航与按位推算方式进行综合定位，获取当前飞机的位置信息；
[0106] 2.71)在GPS/北斗卫星接收机不可用，且导航台站稀疏，无满足精度要求的VOR或DME台站时，当前无线电导航定位的预估飞机位置为 位置推算的预估飞机位置为
[0107] 2.72)获取当前无线电和按位推算的实际导航精度，β为无线电导航的实际导航精度，γ为按位推算导航的实际导航精度，当前实际导航精度越高的定位占比越大；
[0108] 2.73)当前飞机位置 为：
[0109]
[0110] 其中，λ表示经度，表示纬度。
[0111] 本发明提供的通用飞机机载组合导航系统的物理架构满足通用飞机机载电子系统低成本的要求，解决单一传感器组合导航源不稳定问题，确保导航定位的准确性和可靠性。该系统将三种导航模式进行融合，提高导航定位精度，为机载飞行管理系统实现自主导航奠定
基础。
