導航系統理論與應用范文

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第1篇

關鍵詞：組合導航系統 DGPS/INS

中圖分類號：V249.32 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）05（c）-0005-01

DGPS是一種高精度和高實時性的GPS實用模式。DGPS與INS相互組合，取長補短，可以顯著提高導航系統精度。組合系統的主要優點是可以實現慣導系統的空中校準和高度通道的穩定，同時慣導系統的輔助可以提高GPS跟蹤衛星的能力，從而提高接收機的動態特性和抗干擾性。

1 系統的總體框架

圖1系統工作原理：在飛行的過程中，利用GPS接收機的雙頻天線所測得的數據產生差分修正值，來減少DGPS接收機的誤差，提高定位精度。DGPS接收機將所測得定位數據進行修正后，將飛機動態參數信息傳遞給導航處理機，同時慣導系統將陀螺儀和加速度計測量的數據傳輸給導航處理機進行捷聯解算，并且和DGPS數據進行信息融合，然后在顯示器顯示飛機的位置、速度、高度、姿態等導航數據。

2 導航系統硬件設計

圖2整個導航信息處理板可劃分為五個部分：GPS導航模塊、慣性導航模塊、溫度補償模塊、數據融合與解算模塊、數據顯示模塊。

2.1 GPS導航模塊

GPS模塊采用雙天線DGPS接收機，在飛機的機頭和機尾方向安裝兩個反饋天線，以差分測量的方式提高GPS定位精度，達到飛機導航定位的要求。本系統選取美國JAVAD公司生產的Duo-G2D接收機，它可以同時接入最多兩個天線，DGPS定位精度可達0.5m，數據更新率最大100 Hz。GPS接收機輸出的是RS232電平，所以經過MAX232芯片處理后轉化為TTL電平，由FPGA采集完數據后輸送給DSP等待信息融合。

2.2 慣性導航模塊

慣性導航模塊主要是包括陀螺儀和加速度計兩部分。光纖陀螺儀輸出的數據已經是數字式的，不存在模數轉換的問題；而加速度計需要經過模數轉換來完成信號輸出。慣性器件的數據采集是通過FPGA完成，最后傳遞給DSP進行捷聯解算。光纖陀螺儀選用中航捷銳光電技術有限公司的F120型閉環光纖陀螺，動態范圍±300 Deg./h，零偏穩定性0.02 Deg./h，它適用于航空慣性導航、制導、地面定位定向等系統。加速度計選取北京星網宇達科技公司生產的XW-AS1910石英加速度計，電流標定因數1.2±0.15 mA/g，量程±25 g，它具有量程大、精度高、抗過載性強、體積小、功耗低、價格廉等特點。

2.3 溫度補償模塊

由于光纖陀螺的測量精度隨著溫度的增加會有所降低，所以采取溫度補償的方式減小熱噪聲的影響。系統安裝了四個溫度傳感器，其中三個裝在光纖環內部，還有一個裝在陀螺的殼體外部，整個溫度的采集是通過FPGA芯片分時采集四路溫度數據，最后輸送給DSP處理。

2.4 數據融合與解算模塊

數據融合和解算是整個導航系統的核心，由于FPGA適合大量高速數據處理，所以DGPS和慣性導航的數據傳輸由FPGA芯片完成。FPGA芯片選取XILINX公司的SPANTAN3系列的XC3S400-4208，它有40萬個系統門，208個引腳，可以出色的完成數據采集的任務。DSP適合高速數據的融合和解算，所以系統的管理和控制工作主要由DSP來完成。本系統采用32位浮點型TMS320C6713芯片可以滿足系統對高速運算和數據的動態范圍大的要求。該芯片可以同時執行8條指令，最高時鐘頻率為300 MHz，適合于對運算能力和存儲量有高要求的應用場合。

2.5 數據顯示模塊

它包括顯示器，主要作用是顯示導航信息。液晶顯示器選擇陜西華經顯示技術有限公司的TDM-K500，該產品是一款專業用于軍用航空領域的高亮、寬溫全加固液晶顯示器。DGPS接收機和慣導系統經過組合解算后的導航數據必須實時準確地顯示在顯示器上，它是整個組合導航系統與外界聯系的界面。

3 軟件設計流程

首先慣導系統初始化對準，精確地確定姿態矩陣。然后開始采集陀螺儀和加速度計數據，在采集光纖陀螺儀數據過程中實時監控溫度，當溫度過高時進行溫度補償。采集完數據后執行捷聯導航算法，解算出慣導系統測量的飛機運動參數，再與系統接收的DGPS數據融合，通過自適應濾波算法，用DGPS誤差校正慣導系統的測量誤差，最后輸出高精度導航信息。

4 結論

該導航系統設計完成后，通過仿真分析得出它能夠滿足機載導航要求，定位精度能夠達到1 m，并且具有精度高、實時性好、抗干擾的優點。隨著北斗系統的發展，未來可以嵌入北斗導航系統，其應用前景非常廣泛。

參考文獻

[1] 田波，王養柱，崔中興.無人機下滑著陸DGPS/INS導航及引導系統的仿真與試驗研究[J].飛機設計，2006（9）.

第2篇

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

機載綜合導航系統就像飛機的“眼睛”，時刻為飛機上重要系統[如：飛行管理系統（FMS）和飛行控制系統（FCS）等]提供飛機位置、姿態、速度、航向等信息。因此，機載綜合導航系統的精度、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系統的組成、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 機載綜合導航系統的組成架構

隨著新航行系統的發展，機載綜合導航系統的功能在不斷地依據需求而擴展。最新機載綜合導航系統的發展趨勢是：支持RNP運行，滿足其功能需求；提升機載性能計算功能；系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系統設備配置如下：（1）3套慣性基準系統（IRS）；（2）3套大氣數據系統（ADS）；（3）2套全球導航衛星系統（GNSS）；（4）2套甚高頻全向信標（VOR）；（5）2套測距器（DME）；（6）2套飛行管理系統（FMS）。

綜合導航系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系統的實際導航性能（ANP），將其與所需運行的RNP值進行比較，來評估機載導航系統的實際工作狀態。在ANP大于RNP值時，提供告警信息。（3）無線電導航調諧：對機載VOR和DME導航系統進行管理?？梢酝ㄟ^手動輸入調諧指令來選擇VOR和DME導航臺，也可以自動選擇最佳的VOR和DME導航臺。（4）導航模式管理：擁有人性化的操作界面，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 機載綜合導航系統的信息傳遞分析

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系統VOR/DME的信息進行綜合計算以獲得最高的準確性。

基于RNP的綜合導航系統優先使用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。

機載綜合導航系統實現飛機位置計算、導航臺選擇、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，導航系統把計算的信息輸出給自動駕駛儀（A/P）和顯示系統，以完成飛機的自動飛行和駕駛員對飛機的監控工作。

3 機載綜合導航系統信息處理功能描述與分析

安全問題是未來機載綜合導航系統研究實現的主要挑戰之一。隨著信息技術在綜合導航系統中越來越廣泛的應用，信息安全將成為保證綜合導航系統按照預先設計的方案安全可靠、可控地運行的關鍵問題之一。

機載綜合導航系統信息的精度與健康程度對整個飛行的性能有著決定性的影響。

3.1 機載綜合導航系統性能監測功能描述與分析

在飛行過程中，機載綜合導航系統根據各導航子系統的可用性及具體飛行階段把IRS、ADS、GNSS和無線電導航系統等提供的數據加以處理，實現精確導航和導引。

機載綜合導航系統在對導航信息進行處理的過程中，除了為得到高精度信息而做的信息融合處理外，還需對導航系統信息的性能進行監測，以保證輸出導航信息的可靠性。

導航系統的性能監測主要包括：（1）IRS的多冗余表決；（2）IRS的性能監測，包括無外部信息輔助與有外部信息輔助方法；（3）IRS故障排除；（4）GNSS導航系統自主完好性監測，包括接收機自主完好性監控（RAIM）技術與航空器自主完好性監控（AAIM）技術。

在機載綜合導航系統完成性能監測后，需根據監測結果對導航綜合信息進行處理，其主要包括：（1）機載綜合導航系統性能評估與驗證，包括實際導航性能ANP的評估及導航系統的可用性與連續性的驗證；（2）機載綜合導航系統性能監視和告警，包括水平通道與垂直通道。

3.2 機載綜合導航系統性能評估功能描述與分析

在RNP運行時，為了確保飛機準確安全地飛行在RNP程序上，機載綜合導航系統需要對飛機的實時性能進行評估，包括機載導航系統的精度、完好性、可用性和連續性。

精度（Accuracy）：是指估算位置與實際位置之間的差異。導航性能的精度通常用系統誤差的統計值來表示。對某一特定點，在大于95%的概率下，估算位置在誤差范圍內。

完好性（Integrity）：是對機載導航系統提供信息的準確度的可信程度的度量。具有當機載導航系統不可用時，向機組提供及時和有效的告警功能。

連續性（Continuity）：機載導航系統不出現非正常中斷的安全平穩的連續運行能力。

可用性（Availability）：機載導航系統能提供可靠導航信息的能力。通常定義為系統功能能夠正常運行的時間所占的比例。

4 總結

本文針對機載綜合導航系統組成架構及其功能進行了分析和研究，重點對導航綜合信息的傳遞進行了分析，針對機載綜合導航系統的性能監測需求，設計了導航綜合信息的性能監測、評估與驗證技術的方案，為機載綜合導航系統的性能監測、評估與驗證以及性能告警等功能的實現提供參考。

參考文獻

[1] Ian Moir，Allan G Seabridge.飛機系統機械、電氣和航空電子分系統綜合[M].北京：航空工業出版社，2011.

[2] Ian Moir，Allan G Seabridge.Civil Avionics Systems[M].Professional Engineering Publishing UK，2003.

第3篇

一、課題提出的背景與意義

安全生產是制約煤炭企業均衡、協調、可持續發展的重要因素，直接影響煤炭企業的經濟效益、思想穩定和自身形象。據統計，全國工傷事故最多的是煤炭行業，而其中80％以上的事故是由違章作業、違章指揮造成的，且不安全行為又在煤炭事故中占有決定性的地位，煤礦職工的不良安全心理又是導致不安全行為的重要原因。聯系到近幾年我礦安全生產過程中出現的影響安全生產的16種灰色心理以及所造成的不良后果，張雙樓礦黨委認為，組織煤礦生產，除了要重視安全設施投入、安全制度建設外，還必須重視提高職工心理素質，建立良好的心理防御機制。作為煤礦思想政治工作者，理應把研究探索環境對職工安全心理的影響和職工對環境的心理反應與需求作為重要的研究課題，并通過課題的實踐與應用，從而轉變職工的安全觀念，提高職工心理適應能力，建立人與環境和諧共存、協調發展的關系。

二、課題研究關鍵概念界定

1．煤礦職工安全心理導航系統。旨在通過多視角、多層面的研究環境（僅限于與煤礦職工生活工作緊密相關聯的硬環境和軟環境，即生產工作現場環境和社會、家庭與職工個體的心理環境）對職工安全心理的影響和職工對環境和心理反應與心理需要，采取針對性措施，科學、有效、系統地對職工安全心理進行導航。

2．心理環境。指職工個體的心理和生理品質，如：意志、性格、品質、情感、思維、個性傾向、行為習慣等的總稱。

三、課題研究對象和目的

1．研究對象。煤礦井下采掘、輔助單位職工和地面單位從事安全生產及后勤服務職工。以井下采掘職工為主。

2．研究目的。（1）通過研究，將從心理學角度剖析職工產生不良心態的起因，促使其改變安全觀念，調整安全心理，建立起人與環境和諧、協調的發展關系，促進礦井安全工作，實現人的本質安全。（2）將理論研究成果運用于安全實踐，幫助煤炭企業管理者轉變安全管理理念、改進管理方式，有目的、有創造性的改善礦井安全環境，實現物和系統的本質安全，從而實現管理的本質安全。（3）進一步完善煤炭企業安全工作的系統理論。

四、課題研究主要內容

圍繞建立煤礦職工安全心理導航系統，從不同層面和不同維度，深入了解環境（包括硬環境和軟環境）對職工安全心理和客觀刺激和職工個體對環境刺激的主觀反應，并根據心理學和行為科學原理，結合煤礦企業生產特點和職工個體心理特征，對此進行深入的探索與研究，揭開職工安全心理的實質，掌握其發展和變化規律，找到影響安全生產的不利因素，通過采取針對性措施，改善環境、改變職工心智模式和進行心理疏導，對職工進行安全心理導航，建立起人與環境和諧、協調發展的關系，促進礦井生產安全，并將其各個層面的研究過程上升為系統的客觀模式，建立起構成煤礦職工安全心理導航系統的6個子系統。

1．安全文化導航。研究安全文化（包括理念層文化、制度層文化和安全文化氛圍）對職工安全心理的影響和職工對安全文化的心理:請記住我站域名反應及心理需要，摸清二者之間相互作用的規律，針對性、創造性的打造企業安全文化，利用安全文化為職工進行心理導航，建立起安全文化導航子系統。

2．安全教育導航。研究安全教育對職工安全心理的影響和職工對安全教育的心理反應及心理需要，不斷創新教育內容和形式，做到因材施教，按需施教，達到安全教育促進安全的目的，建立起安全教育導航子系統。

3．心理環境導航。研究個性心理和群體心理，分析不安全心理狀態，從而根據工作需要適當調整工作崗位或工作時間，從職工個體的心理因素角度對職工進行安全心理導航，建立起心理環境導航子系統。

4．生產系統導航。研究生產系統（主要指生產設備）對職工安全心理的影響，職工對生產系統的心理反應與心理需要，通過改善系統的科學性、安全性，提高設備的性能和提高職工對設備的性能掌握熟練程度，對職工進行安全心理導航，建立起生產系統導航子系統。

5．生產環境導航。研究生產現場環境（主要指現場隱患與礦井自然構造隱患）對職工安全心理的影響和職工對生產環境的心理反應與心理需要，通過科學的改善生產環境，提高職工對隱患預警的自覺性和敏感性，對職工進行安全心理導航，建立起生產環境導航系統。

6．社會環境導航。研究社會環境（包括家庭環境）對職工安全心理的影響和職工對社會環境的心理反應與心理需要，來改善社會環境、調和職工心理和控制職工行為，并以此對職工進行安全心理導航，建立起社會環境導航子系統。

五、課題研究方法步驟

1．成立機構、組織班子。為加強對課題研究的組織協調，成立了以礦黨委書記為組長的課題研究領導小組和由16名理論骨干組成的研討班子，并對每名成員所分擔的研究內容、所負的文筆責任，作了明確要求。

2．制定計劃、編寫方案。根據課題要求和我礦工作實際，課題組決定把課 題研究劃分為三個階段。第一階段擬訂方案，開展調研。課題組成員根據分工深入基層作不同層次、側面的調研，集思廣益，把發散的思維聚集起來。第二階段在廣泛調研的基礎上，選準課題切入點和研究點，建立起煤礦職工安全心理導航的框架模式，開展課題研究。第三階段總結研究成果，初步推廣研究成果，撰寫研究論文或研究報告，或以其他的載體形式表達研究成果。

3．深入調研，總結應用。課題研究小組按課題研究需要開展調查研究和資料的收集整理，根據研究的初步意見探索性地進行實踐試驗，總結試驗和反饋信息，進一步調整研究方向和思路。與此同時，課題組堅持邊研究邊應用的原則，將研究成果及時應用于礦井安全工作，而后再總結研究成果撰寫研究論文和研究報告。