基於RNP運行的機載綜合導航係統的架構和功能分析研究
研發設計
作者：宗軍耀 鄭智明 張琛
摘要：在民用飛機中，研究基於所需導航性能（RNP）運行的機載綜合導航多傳感器信息融合技術，可以達到充分利用現有資源實現導航信息高精度、高可靠性輸出的目的。同時，在導航信息融合的基礎上，研究導航信息的管理、監測與評估技術，可以在早期發現導航傳感器的故障，保障導航係統的完好性，對導航性能進行實時監視和告警，實現對故障係統的實時處理和完好信息的合理利用。
關鍵詞：綜合導航；RNP；導航信息管理；監測；評估；傳感器
中圖分類號：U213 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）25-0007-02
機載綜合導航係統就像飛機的“眼睛”，時刻為飛機上重要係統[如：飛行管理係統（FMS）和飛行控製係統（FCS）等]提供飛機位置、姿態、速度、航向等信息。因此，機載綜合導航係統的精度、完好性、連續性和可用性，將直接影響飛機是否能夠正常運行。本章將首先對民用飛機機載綜合導航係統的組成、信息傳遞等進行分析，在此基礎上對其性能監測、性能評估與驗證等技術進行描述。
1 機載綜合導航係統的組成架構
隨著新航行係統的發展，機載綜合導航係統的功能在不斷地依據需求而擴展。最新機載綜合導航係統的發展趨勢是：支持RNP運行，滿足其功能需求；提升機載性能計算功能；係統具有更好的通用性；可滿足未來通信導航監視/空中交通管理（CNS/ATM）功能增長的需求。
典型的民用飛機機載綜合導航係統設備配置如下：（1）3套慣性基準係統（IRS）；（2）3套大氣數據係統（ADS）；（3）2套全球導航衛星係統（GNSS）；（4）2套甚高頻全向信標（VOR）；（5）2套測距器（DME）；（6）2套飛行管理係統（FMS）。
綜合導航係統主要實現以下功能：（1）導航傳感器的信息融合：接收來自不同的機載導航傳感器（ADS、IRS、GNSS、DME、VOR）的導航數據信息，利用傳感器信息融合技術來實時計算和評估飛機的最優位置、速度、姿態、航向、航跡角等飛行狀態信息。（2）RNP導航：利用各導航傳感器的導航數據和信息融合技術，實時計算機載綜合導航係統的實際導航性能（ANP），將其與所需運行的RNP值進行比較，來評估機載導航係統的實際工作狀態。在ANP大於RNP值時，提供告警信息。（3）無線電導航調諧：對機載VOR和DME導航係統進行管理。可以通過手動輸入調諧指令來選擇VOR和DME導航台，也可以自動選擇最佳的VOR和DME導航台。（4）導航模式管理：擁有人性化的操作界麵，根據用戶設定和實際故障形式進行導航傳感器組合模式的最優選擇。
2 機載綜合導航係統的信息傳遞分析
導航功能應給機組人員提供連續、實時、三維的導航輸出信息，包括：（1）飛機位置信息（經度、緯度、高度）；（2）飛機速度；（3）偏航角（選擇）；（1）磁差（選擇）；（5）風速和風向；（6）時間；（7）RNP；（8）ANP。
導航過程中，IRS為FMS提供飛機當時的位置、航向和速度等信息。隨著時間的推移，IRS位置誤差的累積會越來越大。因而，每隔一定的時間，需要用其他導航傳感器的信息對IRS的位置信息進行修正。
一般采用GNSS與IRS產生的融合信號或者使用無線電導航係統VOR/DME的信息進行綜合計算以獲得最高的準確性。
基於RNP的綜合導航係統優先使用GNSS/IRS組合導航信息，在GNSS喪失完整性或者GNSS不可用時，才會使用IRS與無線電導航模式（VOR/DME和DME/DME）的融合信息。
機載綜合導航係統實現飛機位置計算、導航台選擇、速度計算、GNSS/IRS數據融合、高度計算、溫度補償等功能。通過這些綜合計算，導航係統把計算的信息輸出給自動駕駛儀（A/P）和顯示係統，以完成飛機的自動飛行和駕駛員對飛機的監控工作。