摘要：现在直升机主流的惯性/多普勒/卫星组合导航系统对卫星导航设备的依赖较大，当卫星导航设备的不可用时，提升组合导航系统的导航定位精度和适用性，对于提升直升机战术应用有着积极重要的作用。本文从多普勒导航雷达的特点和应用上，提出了提升惯性/多普勒/卫星组合导航系统导航定位精度的应用方式。
1 直升机组合导航
组合导航通过对各种导航设备的信息进行融合和数据处理，求得统计意义上的最优解，共同实现导航功能的一种导航方式，能够综合利用分系统的特点，从而扩大了使用范围和提高了导航精度并具有余度功能，增加了导航系统的可靠性。同时组合导航系统还可以实现一些分系统单独不能实现的功能。
目前国内的直升机上主要配备的导航系统为多普勒/卫星导航系统或是惯性/多普勒/卫星组合导航系统。两种导航系统均能够为直升机提供满足导航需求的位置及其他导航信息。两种导航系统所才用的导航源都有各自的优势，同时也会有一定的弱点：
a）惯性导航和多普勒导航是均是基于速度积分的航位推算的自主导航系统，不容易被干扰，但对速度和航向精度都有较高的要求；
b）惯导系统能够自己提供航向姿态信息和速度信息，但其速度解算也是一个积分的结果，速度误差会累积；
c）多普勒导航系统速度误差不累积，需要其他设备其提供航姿信息，无法自行对航向精度进行约束；
d）卫星导航系统重量轻、体积小，能够提供精度非常高的位置信息和速度信息，但作为非自主导航设备，容易受到外界干扰。
2 多普勒导航介绍
多普勒导航系统是一个基于速度积分的航程推算系统，其优点是能进行完全自主的导航，不需要航行器外部设备的支持，导航计算机在接收到机上航向、姿态设备提供的航姿信息后，通过坐标转换，将多普勒雷达测量的载体三轴向速度转换成导航坐标系下的东北天向速度信息，进行航位推算，向飞行器提供导航信息。
多普勒导航雷达是多普勒导航系统主信息源，利用多普勒效应测量载机相对于反射面（多数情况为大地）的机体坐标系三轴向速度，具有以下特点：
a)属于自主测速，无需其他设备即可完成测速；
b)基本做到全天候工作；
c)长航时平均速度非常精确，测速误差不积累，适合用于导航解算；
d)测量相对于反射面的速度，可以完成某些特定任务，如吊放声纳和洋流测量。
e)低速测速精度高、稳定性好，可适用于直升机的悬停。
下图是利用某型直升机的组合导航系统试飞数据，进行多普勒导航的仿真结果，其中参与导航解算的航向姿态信息来自于配套的某型惯性导航设备。图中，纵坐标为推航结果与卫星定位结果的距离差，单位是米（m），横坐标为导航时间，单位是秒（s）。在进行多普勒导航仿真时，同步选用组合导航系统中卫星导航设备的东北向速度进行推航的仿真，与多普勒导航结果进行比对。
图1 卫星速度推航与多普勒速度推航对比
图中黑色和红色数据为采用卫星导航设备东北向速度推航仿真的结果，绿色和蓝色图形为多普勒速度推航的结果。可以看出，用多普勒速度推航，定位结果不理想，与卫星速度推航几乎不在一个量级，经过数据分析得出，多普勒速度进行坐标转换的航向存在2.05°的偏差，导致多普勒速度推航时产生了较大的误差。
对该航向进行修正后，再次进行仿真，结果如下图：
图2 卫星速度推航与航向修正后多普勒速度推航对比
从图2的数据对比中可以得出，采用修正过后的航向信息参与多普勒推航解算，多普勒速度推航与卫星速度推航精度几乎一致，定位精度非常高。一个多小时的飞行，位置误在200m以内，并且误差几乎不发散。
从图1和图2的比较中可以得出，如果有较高精度航向数据作为支持，用多普勒导航雷达的速度进行推航解算，可以向飞行器提供高精度导航定位结果。
3 多普勒雷达的应用探索
惯性导航系统和多普勒导航系统都是基于速度积分的航位推算导航系统，其导航定位精度均与速度精度和航向精度有直接的关系。作为目前直升机平台主流的惯性/多普勒/卫星组合导航系统，要提升导航系统的定位精度，就要充分发挥各导航源的特点的优势，对导航采用的速度信息和航向信息的误差进行估计和修正。
3.1 速度修正
在组合导航系统中，多普勒导雷达提供的速度信息质量远优于惯性导航系统，如果对多普勒速度能够再组合导航系统中进一步优化，将大大提升组合导航系统的推航精度。
作为多普勒导航系统的核心部件，多普勒雷达可提供航行体载体三轴向速度，其特点是平均速度精度高，速度误差小、不随时间积累。可将多普勒雷达测速的误差分为固定误差和随机误差，即误差 = 固定误差 + 随机误差。
多普勒雷达测速的随机误差与雷达回波特性和信号处理方式有关，误差表现形式类似白噪声，其数学期望为零，在基于积分的航位推算系统中，基本不会带来推航误差。
多普勒雷达测速固定误差主要来源于多普勒雷达天线测量误差和雷达的安装误差，而该类误差在雷达安装到载体上后，不再发生变化，可在实际导航应用中，通过多次飞行统计，进行误差估计。
通过理论分析可得出，用固差修正后的多普勒速度进行推航，几乎可以忽略速度误差对推航精度的影响。
从图2多普勒速度推航精度的比较中也可看出，对航向固差修正后，用多普勒速度进行推航，具有较高的精度。
卫星导航系统能够提供精确的位置信息和速度信息，由于其已被干扰的特性，在实战中默认为无效，但在日常飞行训练或飞行任务中，均可向导航系统提供高精度速度信息，因此在卫星信息有效的前提下，组合导航系统可通过卫星速度对多普勒速度固差进行统计，利用多普勒速度误差不发散的特点，让雷达速度在组合导航系统中发挥更加重要的作用。
3.2 航向修正
在惯性/多普勒/卫星组合导航系统中，惯性导航系统提供用于导航运算的航向、姿态信息，航向的精度直接影响组合导航系统的推航精度。
惯性导航系统的航向误差主要分为对准误差和航向漂移，其中对准误差在航向对准时产生，可归类于固定误差，该误差在一次飞行任务中基本不再发生变化；而航向漂移是时间的函数，随导航时间增加而增加。对航向误差的有效估计和补偿是提高组合导航系统推航精度的必要手段。
在导航理论中，有3个概念：
a)航向(HDG)：飞行器前向轴向所指的方向与真北的夹角；
b)航迹(TRACK)：飞行器飞行方向与真北的夹角；
c)偏流(DRIFT)；航向与航迹的差值，即偏流 = 航向 - 航迹。
卫星导航设备可提供精确东向速度（VE）和北向速度（VN），通过东向速度和北向速度，可以解算飞行器的飞行航迹信息,即：
TRACK = arctan（VE/VN）。
多普勒导航雷达能够提供准确的载体三轴向速度，通过坐标转换，可将载体三轴向速度转换成水平坐标系下的前向速度（Val）和侧向速度（Vac），可用于解算飞行器的偏流信息，即：
DRIFT = arctan（Vac/Val）。
通过航迹和偏流信息，就解算出飞行器的航向信息，即：
HDG = TRACK + DRIFT（1）
惯性/多普勒/卫星组合导航中，航向信息由于惯导提供，即航向惯导（HDG’）作为系统航向,通过HDG和HDG’，就可解算惯导的航向误差：
ΔHDG = HDG – HDG’（2）
从理论上分析，可使用多种应用方式，通过ΔHDG的统计值估计惯导航向偏差，用来修正惯导航向,提升导航系统航向精度和定位精度。
图1中航向误差就是采用式2的方式进行的估计解算的，图2最终的导航结果也验证的该方法的有效性。
通过卫星数据解算的航迹数据与多普勒雷达解算的偏流数据可解算飞行器的航向数据，用于对惯性导航系统航向误差的估计。在组合导航系统所有导航源信息有效的情况下，通过短时间的飞行和导航数据采集，可对航向误差进行有效的估计和修正。
4 小结
目前直升机平台的组合导航系统虽然对各导航源的误差进行了估计和补偿，但均对卫星导航设备的依赖较大，未充分发挥多普勒雷达特点。结合多普勒雷达应用特点，直升机组合导航系统推航定位精度还有较大的提升余地，多普勒导航雷达在飞行器组合导航领域的还有较大的发挥空间。
参考文献:
1、惯导与多普勒组合导航技术仿真，张健 工学硕士学位论文 哈尔滨工程大学 2009年 02月01
2、微小型组合导航系统设计与实验研究 ，周丕森 上海交通大学 2008年01月01
论文作者:秦鹏,李骏,刘杰,李洋
论文发表刊物:《电力设备》2019年第16期
论文发表时间:2019/12/9
标签：多普勒论文; 航向论文; 速度论文; 误差论文; 组合论文; 导航系统论文; 精度论文; 《电力设备》2019年第16期论文;