导航系统理论与应用范文

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第1篇

关键词：组合导航系统 DGPS/INS

中图分类号：V249.32 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）05（c）-0005-01

DGPS是一种高精度和高实时性的GPS实用模式。DGPS与INS相互组合，取长补短，可以显著提高导航系统精度。组合系统的主要优点是可以实现惯导系统的空中校准和高度通道的稳定，同时惯导系统的辅助可以提高GPS跟踪卫星的能力，从而提高接收机的动态特性和抗干扰性。

1 系统的总体框架

图1系统工作原理：在飞行的过程中，利用GPS接收机的双频天线所测得的数据产生差分修正值，来减少DGPS接收机的误差，提高定位精度。DGPS接收机将所测得定位数据进行修正后，将飞机动态参数信息传递给导航处理机，同时惯导系统将陀螺仪和加速度计测量的数据传输给导航处理机进行捷联解算，并且和DGPS数据进行信息融合，然后在显示器显示飞机的位置、速度、高度、姿态等导航数据。

2 导航系统硬件设计

图2整个导航信息处理板可划分为五个部分：GPS导航模块、惯性导航模块、温度补偿模块、数据融合与解算模块、数据显示模块。

2.1 GPS导航模块

GPS模块采用双天线DGPS接收机，在飞机的机头和机尾方向安装两个反馈天线，以差分测量的方式提高GPS定位精度，达到飞机导航定位的要求。本系统选取美国JAVAD公司生产的Duo-G2D接收机，它可以同时接入最多两个天线，DGPS定位精度可达0.5m，数据更新率最大100 Hz。GPS接收机输出的是RS232电平，所以经过MAX232芯片处理后转化为TTL电平，由FPGA采集完数据后输送给DSP等待信息融合。

2.2 惯性导航模块

惯性导航模块主要是包括陀螺仪和加速度计两部分。光纤陀螺仪输出的数据已经是数字式的，不存在模数转换的问题；而加速度计需要经过模数转换来完成信号输出。惯性器件的数据采集是通过FPGA完成，最后传递给DSP进行捷联解算。光纤陀螺仪选用中航捷锐光电技术有限公司的F120型闭环光纤陀螺，动态范围±300 Deg./h，零偏稳定性0.02 Deg./h，它适用于航空惯性导航、制导、地面定位定向等系统。加速度计选取北京星网宇达科技公司生产的XW-AS1910石英加速度计，电流标定因数1.2±0.15 mA/g，量程±25 g，它具有量程大、精度高、抗过载性强、体积小、功耗低、价格廉等特点。

2.3 温度补偿模块

由于光纤陀螺的测量精度随着温度的增加会有所降低，所以采取温度补偿的方式减小热噪声的影响。系统安装了四个温度传感器，其中三个装在光纤环内部，还有一个装在陀螺的壳体外部，整个温度的采集是通过FPGA芯片分时采集四路温度数据，最后输送给DSP处理。

2.4 数据融合与解算模块

数据融合和解算是整个导航系统的核心，由于FPGA适合大量高速数据处理，所以DGPS和惯性导航的数据传输由FPGA芯片完成。FPGA芯片选取XILINX公司的SPANTAN3系列的XC3S400-4208，它有40万个系统门，208个引脚，可以出色的完成数据采集的任务。DSP适合高速数据的融合和解算，所以系统的管理和控制工作主要由DSP来完成。本系统采用32位浮点型TMS320C6713芯片可以满足系统对高速运算和数据的动态范围大的要求。该芯片可以同时执行8条指令，最高时钟频率为300 MHz，适合于对运算能力和存储量有高要求的应用场合。

2.5 数据显示模块

它包括显示器，主要作用是显示导航信息。液晶显示器选择陕西华经显示技术有限公司的TDM-K500，该产品是一款专业用于军用航空领域的高亮、宽温全加固液晶显示器。DGPS接收机和惯导系统经过组合解算后的导航数据必须实时准确地显示在显示器上，它是整个组合导航系统与外界联系的界面。

3 软件设计流程

首先惯导系统初始化对准，精确地确定姿态矩阵。然后开始采集陀螺仪和加速度计数据，在采集光纤陀螺仪数据过程中实时监控温度，当温度过高时进行温度补偿。采集完数据后执行捷联导航算法，解算出惯导系统测量的飞机运动参数，再与系统接收的DGPS数据融合，通过自适应滤波算法，用DGPS误差校正惯导系统的测量误差，最后输出高精度导航信息。

4 结论

该导航系统设计完成后，通过仿真分析得出它能够满足机载导航要求，定位精度能够达到1 m，并且具有精度高、实时性好、抗干扰的优点。随着北斗系统的发展，未来可以嵌入北斗导航系统，其应用前景非常广泛。

参考文献

[1] 田波，王养柱，崔中兴.无人机下滑着陆DGPS/INS导航及引导系统的仿真与试验研究[J].飞机设计，2006（9）.

第2篇

关键词：综合导航；RNP；导航信息管理；监测；评估；传感器

中图分类号：U213 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）25-0007-02

机载综合导航系统就像飞机的“眼睛”，时刻为飞机上重要系统[如：飞行管理系统（FMS）和飞行控制系统（FCS）等]提供飞机位置、姿态、速度、航向等信息。因此，机载综合导航系统的精度、完好性、连续性和可用性，将直接影响飞机是否能够正常运行。本章将首先对民用飞机机载综合导航系统的组成、信息传递等进行分析，在此基础上对其性能监测、性能评估与验证等技术进行描述。

1 机载综合导航系统的组成架构

随着新航行系统的发展，机载综合导航系统的功能在不断地依据需求而扩展。最新机载综合导航系统的发展趋势是：支持RNP运行，满足其功能需求；提升机载性能计算功能；系统具有更好的通用性；可满足未来通信导航监视/空中交通管理（CNS/ATM）功能增长的需求。

典型的民用飞机机载综合导航系统设备配置如下：（1）3套惯性基准系统（IRS）；（2）3套大气数据系统（ADS）；（3）2套全球导航卫星系统（GNSS）；（4）2套甚高频全向信标（VOR）；（5）2套测距器（DME）；（6）2套飞行管理系统（FMS）。

综合导航系统主要实现以下功能：（1）导航传感器的信息融合：接收来自不同的机载导航传感器（ADS、IRS、GNSS、DME、VOR）的导航数据信息，利用传感器信息融合技术来实时计算和评估飞机的最优位置、速度、姿态、航向、航迹角等飞行状态信息。（2）RNP导航：利用各导航传感器的导航数据和信息融合技术，实时计算机载综合导航系统的实际导航性能（ANP），将其与所需运行的RNP值进行比较，来评估机载导航系统的实际工作状态。在ANP大于RNP值时，提供告警信息。（3）无线电导航调谐：对机载VOR和DME导航系统进行管理。可以通过手动输入调谐指令来选择VOR和DME导航台，也可以自动选择最佳的VOR和DME导航台。（4）导航模式管理：拥有人性化的操作界面，根据用户设定和实际故障形式进行导航传感器组合模式的最优选择。

2 机载综合导航系统的信息传递分析

导航功能应给机组人员提供连续、实时、三维的导航输出信息，包括：（1）飞机位置信息（经度、纬度、高度）；（2）飞机速度；（3）偏航角（选择）；（1）磁差（选择）；（5）风速和风向；（6）时间；（7）RNP；（8）ANP。

导航过程中，IRS为FMS提供飞机当时的位置、航向和速度等信息。随着时间的推移，IRS位置误差的累积会越来越大。因而，每隔一定的时间，需要用其他导航传感器的信息对IRS的位置信息进行修正。

一般采用GNSS与IRS产生的融合信号或者使用无线电导航系统VOR/DME的信息进行综合计算以获得最高的准确性。

基于RNP的综合导航系统优先使用GNSS/IRS组合导航信息，在GNSS丧失完整性或者GNSS不可用时，才会使用IRS与无线电导航模式（VOR/DME和DME/DME）的融合信息。

机载综合导航系统实现飞机位置计算、导航台选择、速度计算、GNSS/IRS数据融合、高度计算、温度补偿等功能。通过这些综合计算，导航系统把计算的信息输出给自动驾驶仪（A/P）和显示系统，以完成飞机的自动飞行和驾驶员对飞机的监控工作。

3 机载综合导航系统信息处理功能描述与分析

安全问题是未来机载综合导航系统研究实现的主要挑战之一。随着信息技术在综合导航系统中越来越广泛的应用，信息安全将成为保证综合导航系统按照预先设计的方案安全可靠、可控地运行的关键问题之一。

机载综合导航系统信息的精度与健康程度对整个飞行的性能有着决定性的影响。

3.1 机载综合导航系统性能监测功能描述与分析

在飞行过程中，机载综合导航系统根据各导航子系统的可用性及具体飞行阶段把IRS、ADS、GNSS和无线电导航系统等提供的数据加以处理，实现精确导航和导引。

机载综合导航系统在对导航信息进行处理的过程中，除了为得到高精度信息而做的信息融合处理外，还需对导航系统信息的性能进行监测，以保证输出导航信息的可靠性。

导航系统的性能监测主要包括：（1）IRS的多冗余表决；（2）IRS的性能监测，包括无外部信息辅助与有外部信息辅助方法；（3）IRS故障排除；（4）GNSS导航系统自主完好性监测，包括接收机自主完好性监控（RAIM）技术与航空器自主完好性监控（AAIM）技术。

在机载综合导航系统完成性能监测后，需根据监测结果对导航综合信息进行处理，其主要包括：（1）机载综合导航系统性能评估与验证，包括实际导航性能ANP的评估及导航系统的可用性与连续性的验证；（2）机载综合导航系统性能监视和告警，包括水平通道与垂直通道。

3.2 机载综合导航系统性能评估功能描述与分析

在RNP运行时，为了确保飞机准确安全地飞行在RNP程序上，机载综合导航系统需要对飞机的实时性能进行评估，包括机载导航系统的精度、完好性、可用性和连续性。

精度（Accuracy）：是指估算位置与实际位置之间的差异。导航性能的精度通常用系统误差的统计值来表示。对某一特定点，在大于95%的概率下，估算位置在误差范围内。

完好性（Integrity）：是对机载导航系统提供信息的准确度的可信程度的度量。具有当机载导航系统不可用时，向机组提供及时和有效的告警功能。

连续性（Continuity）：机载导航系统不出现非正常中断的安全平稳的连续运行能力。

可用性（Availability）：机载导航系统能提供可靠导航信息的能力。通常定义为系统功能能够正常运行的时间所占的比例。

4 总结

本文针对机载综合导航系统组成架构及其功能进行了分析和研究，重点对导航综合信息的传递进行了分析，针对机载综合导航系统的性能监测需求，设计了导航综合信息的性能监测、评估与验证技术的方案，为机载综合导航系统的性能监测、评估与验证以及性能告警等功能的实现提供参考。

参考文献

[1] Ian Moir，Allan G Seabridge.飞机系统机械、电气和航空电子分系统综合[M].北京：航空工业出版社，2011.

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

第3篇

一、课题提出的背景与意义

安全生产是制约煤炭企业均衡、协调、可持续发展的重要因素，直接影响煤炭企业的经济效益、思想稳定和自身形象。据统计，全国工伤事故最多的是煤炭行业，而其中80％以上的事故是由违章作业、违章指挥造成的，且不安全行为又在煤炭事故中占有决定性的地位，煤矿职工的不良安全心理又是导致不安全行为的重要原因。联系到近几年我矿安全生产过程中出现的影响安全生产的16种灰色心理以及所造成的不良后果，张双楼矿党委认为，组织煤矿生产，除了要重视安全设施投入、安全制度建设外，还必须重视提高职工心理素质，建立良好的心理防御机制。作为煤矿思想政治工作者，理应把研究探索环境对职工安全心理的影响和职工对环境的心理反应与需求作为重要的研究课题，并通过课题的实践与应用，从而转变职工的安全观念，提高职工心理适应能力，建立人与环境和谐共存、协调发展的关系。

二、课题研究关键概念界定

1．煤矿职工安全心理导航系统。旨在通过多视角、多层面的研究环境（仅限于与煤矿职工生活工作紧密相关联的硬环境和软环境，即生产工作现场环境和社会、家庭与职工个体的心理环境）对职工安全心理的影响和职工对环境和心理反应与心理需要，采取针对性措施，科学、有效、系统地对职工安全心理进行导航。

2．心理环境。指职工个体的心理和生理品质，如：意志、性格、品质、情感、思维、个性倾向、行为习惯等的总称。

三、课题研究对象和目的

1．研究对象。煤矿井下采掘、辅助单位职工和地面单位从事安全生产及后勤服务职工。以井下采掘职工为主。

2．研究目的。（1）通过研究，将从心理学角度剖析职工产生不良心态的起因，促使其改变安全观念，调整安全心理，建立起人与环境和谐、协调的发展关系，促进矿井安全工作，实现人的本质安全。（2）将理论研究成果运用于安全实践，帮助煤炭企业管理者转变安全管理理念、改进管理方式，有目的、有创造性的改善矿井安全环境，实现物和系统的本质安全，从而实现管理的本质安全。（3）进一步完善煤炭企业安全工作的系统理论。

四、课题研究主要内容

围绕建立煤矿职工安全心理导航系统，从不同层面和不同维度，深入了解环境（包括硬环境和软环境）对职工安全心理和客观刺激和职工个体对环境刺激的主观反应，并根据心理学和行为科学原理，结合煤矿企业生产特点和职工个体心理特征，对此进行深入的探索与研究，揭开职工安全心理的实质，掌握其发展和变化规律，找到影响安全生产的不利因素，通过采取针对性措施，改善环境、改变职工心智模式和进行心理疏导，对职工进行安全心理导航，建立起人与环境和谐、协调发展的关系，促进矿井生产安全，并将其各个层面的研究过程上升为系统的客观模式，建立起构成煤矿职工安全心理导航系统的6个子系统。

1．安全文化导航。研究安全文化（包括理念层文化、制度层文化和安全文化氛围）对职工安全心理的影响和职工对安全文化的心理:请记住我站域名反应及心理需要，摸清二者之间相互作用的规律，针对性、创造性的打造企业安全文化，利用安全文化为职工进行心理导航，建立起安全文化导航子系统。

2．安全教育导航。研究安全教育对职工安全心理的影响和职工对安全教育的心理反应及心理需要，不断创新教育内容和形式，做到因材施教，按需施教，达到安全教育促进安全的目的，建立起安全教育导航子系统。

3．心理环境导航。研究个性心理和群体心理，分析不安全心理状态，从而根据工作需要适当调整工作岗位或工作时间，从职工个体的心理因素角度对职工进行安全心理导航，建立起心理环境导航子系统。

4．生产系统导航。研究生产系统（主要指生产设备）对职工安全心理的影响，职工对生产系统的心理反应与心理需要，通过改善系统的科学性、安全性，提高设备的性能和提高职工对设备的性能掌握熟练程度，对职工进行安全心理导航，建立起生产系统导航子系统。

5．生产环境导航。研究生产现场环境（主要指现场隐患与矿井自然构造隐患）对职工安全心理的影响和职工对生产环境的心理反应与心理需要，通过科学的改善生产环境，提高职工对隐患预警的自觉性和敏感性，对职工进行安全心理导航，建立起生产环境导航系统。

6．社会环境导航。研究社会环境（包括家庭环境）对职工安全心理的影响和职工对社会环境的心理反应与心理需要，来改善社会环境、调和职工心理和控制职工行为，并以此对职工进行安全心理导航，建立起社会环境导航子系统。

五、课题研究方法步骤

1．成立机构、组织班子。为加强对课题研究的组织协调，成立了以矿党委书记为组长的课题研究领导小组和由16名理论骨干组成的研讨班子，并对每名成员所分担的研究内容、所负的文笔责任，作了明确要求。

2．制定计划、编写方案。根据课题要求和我矿工作实际，课题组决定把课 题研究划分为三个阶段。第一阶段拟订方案，开展调研。课题组成员根据分工深入基层作不同层次、侧面的调研，集思广益，把发散的思维聚集起来。第二阶段在广泛调研的基础上，选准课题切入点和研究点，建立起煤矿职工安全心理导航的框架模式，开展课题研究。第三阶段总结研究成果，初步推广研究成果，撰写研究论文或研究报告，或以其他的载体形式表达研究成果。

3．深入调研，总结应用。课题研究小组按课题研究需要开展调查研究和资料的收集整理，根据研究的初步意见探索性地进行实践试验，总结试验和反馈信息，进一步调整研究方向和思路。与此同时，课题组坚持边研究边应用的原则，将研究成果及时应用于矿井安全工作，而后再总结研究成果撰写研究论文和研究报告。