基于通导融合的机载自主完好性监测方法_陈维娜.pdf

实 验 技 术 与 管 理 第 40 卷 第 10 期 2023 年 10 月 Experimental Technology and Management Vol.40 No.10 Oct.2023 收稿日期:2023-05-02 基金项目:国家自然科学基金项目（61803188）；江苏省高校自然科学研究项目（18KJB413003）；金陵科技学院高层次人才科研启动基金（jit-b-201713,jit-b-201816,jit-b-202029）作者简介:陈维娜（1987），女，江苏南京，博士，讲师，主要研究方向为组合导航系统与信息融合算法，jk_。引文格式:陈维娜，吴有龙，顾姗姗，等.基于通导融合的机载自主完好性监测方法J.实验技术与管理,2023,40(10):30-35.Cite this article:CHEN W N,WU Y L,GU S S,et al.Aircraft autonomous integrity monitoring method based on combination of communication and navigationJ.Experimental Technology and Management,2023,40(10):30-35.(in Chinese)ISSN 1002-4956 CN11-2034/T DOI:10.16791/ki.sjg.2023.10.005 基于通导融合的机载自主完好性监测方法 陈维娜，吴有龙，顾姗姗，王逸之（金陵科技学院 智能科学与控制工程学院，江苏 南京 211169）摘 要：随着航空航天技术的不断发展，对于机载自主完好性监测方法的需求日益增加。通导融合是一种先进的监测技术，结合通信导航和传感器融合的优势，具有广泛的应用前景。为了提高飞行器的自主完好性监测性能，该文提出了一种基于通导融合的机载自主完好性监测方法，并介绍了通导融合技术的基本原理和特点。通导融合技术通过将通信导航和传感器融合，可以充分利用两者的信息，提高飞行器的自主完好性监测能力，其优势包括对多种传感器的数据融合，对不同类型信息的互补性，以及对传感器故障的容错性。通过获取通信导航数据和传感器数据，并建立通导融合模型对融合后的数据进行实时监测，从而检测飞行器是否存在故障或异常情况。根据监测结果采取相应的措施，保障飞行器的安全运行。关键词：卫星通信；完好性；卫星导航；故障检测；组合导航 中图分类号：TP273.2 文献标识码：A 文章编号：1002-4956(2023)10-0030-06 Aircraft autonomous integrity monitoring method based on combination of communication and navigation CHEN Weina,WU Youlong,GU Shanshan,WANG Yizhi(College of Intelligent Science and Control Engineering,Jinling Institute of Technology,Nanjing 211169,China)Abstract:With the continuous development of aerospace technology,the demand for airborne self-integrity monitoring methods is increasing.As an advanced monitoring technology,communication and guidance fusion combines the advantages of communication navigation and sensor fusion,and has broad application prospects.This paper proposes an airborne self-integrity monitoring method based on communication and conductance fusion,aiming to improve the self-integrity monitoring performance of aircraft,and introduces the basic principles and characteristics of communication fusion technology.Communication and guidance fusion technology can make full use of the information of the two through the fusion of communication navigation and sensors,and improve the self-integrity monitoring capability of the aircraft.Its advantages include data fusion of multiple sensors,complementarity of different types of information,and fault tolerance to sensor failure.By acquiring communication navigation data and sensor data,and establishing a fusion model for the fused data,real-time monitoring is conducted to detect whether there are any faults or abnormal situations in the aircraft.Corresponding measures are taken based on the monitoring results to ensure the safe operation of the aircraft.Key words:satellite communication;integrity;satellite navigation;fault detection;integrated navigation 随着航空航天技术的不断发展，飞行器的自主完好性监测越来越重要1。自主完好性监测是指飞行器在飞行过程中，通过自身的传感器和算法对各种系统和组件的状态进行实时监测和评估，以保障飞行器的安全运行。传统的自主完好性监测方法2-3常常依赖于单一的传感器或者算法4-5，存在监测不全面、监测精 陈维娜，等：基于通导融合的机载自主完好性监测方法 31 度低等问题，难以满足飞行器对高度的可靠性、安全性等要求。近年来，通导融合作为一种新兴的技术手段，逐渐应用于飞行器自主完好性监测领域6-8。通导融合技术将来自多个传感器的信息融合，通过优化算法和模型提供更准确和全面的状态评估和监测结果。通导融合技术广泛应用于航空航天、无人机、船舶和自动驾驶车辆等领域，已经取得了显著的成果9-10。本 文旨在 对通 导融合11的机 载自主 完好 性监测方法进行研究。通过综合利用惯性测量单元12-14、全球定位系统（GPS）、图像传感器13和声学传感器等，将通导融合技术引入飞行器自主完好性监测中，以提高监测的全面性、准确性和可靠性。本文将介绍通导融合技术的原理和应用背景15-16，概述现有的通导融合方法，并提出一种基于通导融合的机载自主完好性监测方法，包括传感器数据融合、状态评估和监测决策等步骤。最后，通过仿真实验和实际飞行试验的验证，展示该方法的有效性。本研究对于提高飞行器的自主完好性监测水平17-18、增强飞行器的安全性和可靠性具有重要的理论和实际意义，同时也为通导融合技术在飞行器监测领域19-20的应用提供了一种新的方法。1 通导融合完好性监测方案设计 目前，机载航电系统作为大型客机数据交换和处理的中枢，包含了综合显示、飞行管理、通信、导航和监视等功能。综合化航电系统为通信与导航终端设备的信息融合处理提供了基础条件。随着低轨卫星通信系统的发展，空中联网应用得到了扩展，能够为民用和商用飞机等用户提供实时服务，包括天气预报、导航和飞机的健康监测等方面。未来低轨卫星通信终端在飞机上的配置也为通信与导航系统在用户段的融合提供了有效支撑。在低轨卫星通信系统中可以开展导航增强广播信道设计，利用其获取参考时间、卫星星历和误差修正参数等信息。基于上述现状与发展，本文提出一种基于通导融合的机载自主完好性监测方案，利用飞机上搭载的低轨卫星通信终端获取飞机与低轨通信卫星之间的距离信息，将其作为冗余观测量来辅助综合导航系统进行完好性监视，从而有效保障导航系统的性能。通导融合的机载自主完好性监测方案如图 1 所示。图 1 通导融合的机载自主完好性监测方案图 在飞行过程中，机载惯性导航系统可以根据惯性器件的输出解算得到飞机的位置、速度和姿态信息，卫星导航系统可以获取当前可见导航卫星星历和伪距等观测信息，低轨卫星通信终端通过导航增强信道获取低轨卫星星历和距离观测信息等。综合利用通信卫星和导航卫星获取的观测信息进行联合完好性监测，进行卫星导航系统的故障检测和隔离。在此基础上，进行惯性导航系统和卫星导航系统的信息融合处理，从而实现高精度可靠导航。2 基于通导融合的完好性监测方法实现 根据卫星系统定位原理建立联合观测方程。假设低轨通信卫星的坐标为LEOLEOLEO(,)xyz，飞机真实位置为(,)x y z，其估计位置坐标为 (,)x y z，真实与估计位置的偏差为(,)xyz，卫星时钟与通信终端设备时钟的钟差估计值为t，真实与估计钟差的偏移量为1t。低轨卫星到通信终端的距离为LEO，得出相对于估计位置的伪距LEO如下：32 实 验 技 术 与 管 理 LEO222 1/2LEOLEOLEO (,)()()()f x y z txxyyzzct=?+?+?+（1）式中，c 为光速。对上式进行泰勒级数展开，有 LEOLEOLEOLEOLEO1xxyyxyrrzzzc tr?=?+（2）式中，r 为低轨卫星到终端之间的距离。r 可表示为 222 1/2LEOLEOLEO()()()rxxyyzz=?+?+?（3）与低轨卫星通信系统类似，建立卫星导航系统的观测方程，考虑低轨通信卫星与导航卫星的时钟不一致，在建立量测方程时新增变量，即卫星导航时钟与终端设备时钟的钟差真实值与估计钟差的偏移量，用2t表示。同理，可得如下方程：GPS2xxyyzzxyzc trrr?=?+（4）式中，GPS为导航卫星到飞机的伪距；为相对于估计位置的伪距；(,)x y z为导航卫星位置信息；r为导航卫星到终端的距离。综合上述式（2）和（4），可以得到通信与导航融合的联合观测方程：=+YGX （5）式中，Y为通信与导航卫星距离观测信息与近似计算距离之间的差值；G为观测矩阵；X为状态量；为量测噪声向量。假设当前有n颗可见导航卫星，m颗可见通信卫星，则观测方程可表示为 121111112132212223123131112211231 01 01 01 00 10 10 1nmmGPSGPSnnnGPSnLEOLEOmmmLEOLEOaaaaaaxyaaazbbbc tc tbbb?|=?=|?|?|?|?Y|+|（6）式中，ija和(1,2,;1,2,;1,2,3)kjbin km j=为量测方程对应的系数。在建立联合监测观测方程的基础上，考虑随机噪声中低轨卫星通信系统与卫星导航系统的测距均方根误差不同，即GPSLEO，为了保证故障检测与识别的准确性，利用加权奇偶矢量法进行故障检测与识别。首先对观测方程进行加权处理：=+WYWGXW （7）11GPSGPSLEOLEO1/00001/01/0001/nm|=|W（8）式中，W为加权矩阵。根据奇偶矢量法构建检验统计量（TS）：TTS=p p（9）式中，p为奇偶矢量，通过对加权后的观测方程进行QR 分解所得。=WGQR（10）11T2,0=|QRQRQ（11）式中，1Q为TQ的前 5 行，2Q为剩下的 m+n5 行，1R为R的前 5 行。2=pQ WY（12）依据统计分布理论，系统无故障时，TS 服从自由度为5nm+?的2分布；若W 的均值不为 0，即存在故障时，则 TS 服从自由度为5nm+?的非中心2分布，非中心化参数(TS)E=。给定误警率为FAP，则：2rFA(5)0(TS)()d1Tn+mPTfxxP?=?（13）式中，Pr表示概率，通过上式确定了 TS 的检测门限 T，若TTp p，则表明有故障卫星存在。当检测到故障后，对应每个卫星观测量构建检测统计量it如下：T22|,(1,2,)|iiitin=p QQ（14）式中，Q2i表示矩阵 Q2的第 2 列。对应卫星检验统计量it最大的即判定为故障卫星。通过上述模型构建与检测识别，可对飞行过程中的导航卫星故障进行有效监测，从而保障组合导航系统精度和可靠性。3 仿真实验及分析 为了对本文提出方法的有效性进行验证，构建模拟仿真环境，包括卫星导航系统、低轨卫星通信系统和机载导航设备等。设定飞机仿真航迹如图 2 所示，包含爬升、巡航、转弯等机动动作，仿真时长为 1 800 s。卫星导航星座模拟 GPS 由 24 颗卫星构成，其伪距观测噪声标准差为 33.3 m，低轨卫星通信星座由 720 颗卫星构成，分布在 18 个轨道面，每个轨道面 40 颗卫星，轨道高度为 1 200 km，其伪距观测噪声标准差为50 m。陈维娜，等：基于通导融合的机载自主完好性监测方法 33 图 2 飞行仿真航迹图 在飞行过程中，导航卫星的可见星数量、编号以及设定的故障卫星如表 1 所示。通过在伪距信息上添加偏差的方式来模拟导航卫星故障。表 1 可见导航卫星及故障设定情况 仿真 时间/s 可见 星数 可见星 编号 故障星 编号 故障 时间/s 故障 大小/m0964 5 4/8/10/14/22 10 150180 1 0009651 800 6 4/7/8/10/14/22 8 1 4201 4501 000 为了测试方案的有效性，故障检测与识别中，设定误警率 PFA为 105，漏检率为 103。故障检测函数统计检验值与检测门限对比如图 3 所示。图 3 故障检测函数值曲线 由上图可知，在发生故障期间，其故障检测函数值均超出门限值，可以有效检测出故障。图 4(a)和图 4(b)分别是不同故障时刻，对应每颗可见导航卫星的故障检测函数值，根据故障判定原则，发生故障时，故障卫星对应的故障检测函数值最大。从图中可以看出，在 150180 s，卫星 10 发生故障；在 1 4201 450 s，卫星 8 发生故障，本文方法均可以对故障卫星进行有效识别。图 4 卫星故障检测函数值曲线 对比本文提出方法和传统接收机自主完好性监测（receiver autonomous integrity monitoring，RAIM）方法，测试分别采用两种方法情况下机载组合导航系统的 精 度。其 中，惯 性 导 航 系 统 中 的 陀 螺 零 偏 为0.01()/h，加速度计零偏为 104 g（g 为重力加速度）。两种方法对应的位置误差曲线如图 5 所示。由图 5 可知，在 1 4201 450 s，由于导航卫星数量充足，两种方法均能对故障卫星进行检测和识别，图 5 两种方法的对比曲线 34 实 验 技 术 与 管 理 导航性能均不受影响。在 150180 s，可见星数为 5颗，传统 RAIM 方法仅能检测故障但无法识别故障卫星，由于故障信息的引入，组合导航系统误差曲线出现偏差，大大降低了导航精度。而本文方法的低轨卫星通信系统提供冗余观测量，相比于传统 RAIM 方法具备更好的故障检测与识别能力，可以有效保障组合导航系统精度和完好性，从而验证了本文提出方案的有效性。4 结语 基于通导融合的机载自主完好性监测方法是一种将多源传感器数据进行融合的先进监测方法，可用于飞行器等航空器的完好性监测。通过对飞行器多个系统、传感器的数据进行综合分析，可实时监测航空器的状态，提高飞行安全性和运维效率。本研究采用了通导融合的方法，将来自不同传感器的数据进行融合，包括飞行器的结构传感器、电气传感器和惯性传感器等。综合分析这些传感器数据，可以获得更全面、更准确的飞行器状态信息，从而实现对飞行器完好性的监测和评估。研究结果表明，基于通导融合的机载自主完好性监测方法具有以下优势：（1）监测精度高。通过融合多源传感器数据，可以对飞行器状态进行更全面、更准确的监测。例如，可以实时监测飞行器结构的变形、电气系统的电压电流等参数，从而能够及时检测到潜在的异常情况，提前采取措施，保障飞行安全。（2）自主性强。该方法采用机载自主监测方式，不依赖于地面设备或人工干预，能够在飞行过程中实时进行完好性监测，不仅可以提高飞行器的自主监测能力，还可以减轻地面监测设备的压力，降低运维成本。（3）多样性。该方法可以融合不同类型的传感器数据，包括结构传感器、电气传感器、惯性传感器等，可以监测多个系统的状态，提供更全面的飞行器完好性信息。（4）实时性强。该方法可以在飞行过程中实时监测飞行器状态，对异常情况进行实时响应，从而能够提高飞行器的飞行安全性。同时，该方法还可以对飞行器状态进行长期记录和分析，为后续的运维决策提供支持。综上所述，基于通导融合的机载自主完好性监测方法具有监测精度高、自主性强、多样性和实时性强等特点，可以为航空器的完好性监测提供一种先进的解决方案。参考文献(References)1 程农，拓朴筠，李清，等.新航行体系下大型客机飞行管理系统关键技术研究与仿真验证J.中国科学：技术科学，2018,48(3):264276.CHENG N,TUO P Y,LI Q,et al.Research and simulation on key technologies of airliners flight management system under next-generation navigation systemJ.Scientia Sinica Technologica,2018,48(3):264276.(in Chinese)2 SABATINI R,MOORE T,RAMASAMY S.Global navigation satellite systems performance analysis and augmentation strategies in aviationJ.Progress in Aerospace Sciences,2017,95:4598.3 程建华，李家祥，李亮，等.多参考地基增强系统电离层梯度完好性监测方法J.中国惯性技术学报，2021,29(4):467 474.CHENG J X,LI J H,LI L,et al.Multi reference-based integrity monitoring of ionospheric gradient for ground based augmentation systemJ.Journal of Chinese Inertial Technology,2021,29(4):467474.(in Chinese)4 FARHANGIAN F,LANDRY R J.Multi-constellation software defined receiver for doppler positioning with LEO satellitesJ.Sensors,2020,20(20):5866.5 牛飞，马刘海，刘芹丽，等.电离层异常状态下的自适应平滑滤波算法及性能分析J.测绘科学技术学报，2015,32(4):331335.NIU F,MA L H,LIU Q L,et al.Analysis on the performance of the adaptive smoothing filter algorithm at ionosphere anomaly stateJ.Journal of Geomatics Science and Technology,2015,32(4):331335.(in Chinese)6 庞立新，李杰，冯建元.高通量通信卫星发展综述与思考J.无线电通信技术，2020,46(4):371376.PANG L X,LI J X,FENG J Y.Development of high throughput satellite:A survey and reviewJ.Radio Communications Technology,2020,46(4):371376.(in Chinese)7 蒙艳松，边朗，王瑛，等.基于“鸿雁”星座的全球导航增强系统J.国际太空,2018(10):8.MENG Y S,BIAN L,WANG Y,et al.Global navigation augmentation system based on Hongyan satellite constellation J.Space International,2018(10):8.(in Chinese)8 陈芳浩，宋飞，丁凤林.基于智能 AGV 系统的卫星推进系统批量化研制研究J.电脑与信息技术，2020,28(5):811.CENG F H,SONG F,DING F L.Research on mass production of satellite propulsion system based on intelligent AGV systemJ.Computer and Information Technology,2020,28(5):811.(in Chinese)9 路余，杜兰，张中凯，等.增强型轨道列表星历及其在北斗混合星座中的应用J.宇航学报，2015,36(7):804810.LU Y,DU L,ZHANG Z K,et al.Enhanced orbit catalogue ephemeris and its application in Beidou mixed constellationJ.Journal of Astronautics,2015,36(7):804810.(in Chinese)10 高为广，张弓，刘成，等.低轨星座导航增强能力研究与仿 陈维娜，等：基于通导融合的机载自主完好性监测方法 35 真J.中国科学：物理学 力学 天文学，2021,51(1):5262.GAO W G,ZHANG G,LIU C,et al.Research and simulation of LEO-based navigation augmentationJ.Scientia Sinica Physica,Mechanica&Astronomica,2021,51(1):5262.(in Chinese)11 王磊，陈锐志，李德仁，等.珞珈一号低轨卫星导航增强系统信号质量评估J.武汉大学学报（信息科学版），2018,43(12):21912196.WANG L,CHENG R Z,LI D R,et al.Quality assessment of the LEO navigation augmentation signals from Luojia-1A satelliteJ.Geomatics and Information Science of Wuhan University,2018,43(12):21912196.(in Chinese)12 WANG L,LYU Z,TANG X M,et al.LEO-augmented gnss based on communication navigation integrated signalJ.Sensors,2019,19(21):4700.13 沈大海，蒙艳松，边朗，等.基于低轨通信星座的全球导航增强系统J.太赫兹科学与电子信息学报，2019,17(2):209215.SHENG D H,MENG Y S,BIAN L,et al.A global navigation augmentation system based on LEO communication constellationJ.Journal of Terahertz Science and Electronic Information Technology,2019,17(2):209215.(in Chinese)14 王文博，徐颖.基于低轨星座增强的北斗系统 RAIM 可用性分析J.大地测量与地球动力学，2020,40(11):11581163.WANG W B,XU Y.Analysis of RAIM availability based on LEO-Augmented BDSJ.Journal of Geodesy and Geodynamics,2020,40(11):11581163.(in Chinese)15 郝玉锴，戴小氐，崔西宁.综合化模块化航空电子架构航电系统飞行管理模块的设计J.科学技术与工程，2021,21(16):69236929.HAO Y K,DAI X D,CUI X N.Design of integrated modular avionics architecture avionic system flight management ModuleJ.Science Technology and Engineering 2021,21(16):69236929.(in Chinese)16 杨君琳，杨长风，毛国辉.中国卫星导航建设现代化管理研究J.中国工程科学，2023,25(2):3140.YANG J L,YANG C F,MAO G H.Modernized governance for the construction of Chinas satellite navigation systemJ.Journals Engineering CAE,2023,25(2):3140.(in Chinese)17 牟俊，李燕茹，顾万高.知识产权保护中心专利导航服务模式探索:以南京市知识产权保中心为例J.河南科技，2023,42(1):116120.MOU J,LI Y R,GU W G.Exploration of patent navigation service model of intellectual property protection center:Take Nanjing intellectual property protection center as an exampleJ.Henan Science and Technology,2023,42(1):116120.(in Chinese)18 王巍，姜杰，吴志刚，等.多源自主导航系统可检测性研究J.导航与控制，2022,21:110.WANG W,JANG J,WU Z G,et al.Research on detectability of multi-source autonomous navigation systemJ.Navigation and Control,2022,21:110.(in Chinese)19 郭泽扬，韩丹，樊振东.基于所需导航性能要求的导航激励器设计J.工业控制计算机，2022,35(9):9698.GUO Z Y,HAN D,FAN Z D.Design of navigation exciter based on required navigation performance requirementsJ.Industrial Control Computer 2022,35(9):9698.(in Chinese)20 王鑫耀，王双甲，何梓君，等.基于地球坐标系的全球惯性导航与组合导航方法J.测控技术，2022,41(6):112117.WANG X Y,WANG S J,HE Z J,et al.Global lnertial navigation and integrated navigation method based on earth coordinate frameJ.Measurement&Control Technology,2022,41(6):112117.(in Chinese)（编辑：张利芳）