飛機(jī)通信與導(dǎo)航系統(tǒng)

1、航天電子信息技術(shù)航天電子信息技術(shù)通信與導(dǎo)航通信與導(dǎo)航計(jì)科：鄭露婷、和曉梅2014/4/173.8馬來(lái)西亞飛機(jī)失聯(lián)事件 3月8日凌晨2點(diǎn)40分，載有239人的波音777-200飛機(jī)失聯(lián)，由吉隆坡飛往北京。 24日晚10點(diǎn)，馬來(lái)西亞總理宣稱客機(jī)在南印度洋墜毀，無(wú)人幸存。 4月中旬，中澳相繼發(fā)現(xiàn)疑似MH370黑匣子信號(hào)，目前仍在搜尋中。航天電子系統(tǒng) 在現(xiàn)代航空和航天工程中電子系統(tǒng)是重要的系統(tǒng)之一。 它按功能分為通信通信、導(dǎo)航導(dǎo)航、雷達(dá)、目標(biāo)識(shí)別、遙測(cè)、遙控、遙感、火控、制導(dǎo)、電子對(duì)抗等系統(tǒng)。 電子理論和技術(shù)基礎(chǔ)：通信理論、電磁場(chǎng)理論、電波傳播、天線、檢測(cè)理論和技術(shù)、編碼理論和技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)等 而

2、微電子技術(shù)和電子計(jì)算機(jī)技術(shù)則是提高各種電子系統(tǒng)性能的基礎(chǔ)。引言 為什么失聯(lián)？ 最后去了哪里？ 在馬航失聯(lián)后，它的通信與航線問(wèn)題一直困擾著我們，今天我們就飛機(jī)的通信與導(dǎo)航問(wèn)題來(lái)研究一下。 通信系統(tǒng) 導(dǎo)航系統(tǒng)通信系統(tǒng) 實(shí)現(xiàn)飛機(jī)與地面的互聯(lián)，飛機(jī)與飛機(jī)的相實(shí)現(xiàn)飛機(jī)與地面的互聯(lián)，飛機(jī)與飛機(jī)的相互通信，機(jī)組成員的通話，機(jī)艙內(nèi)的廣播互通信，機(jī)組成員的通話，機(jī)艙內(nèi)的廣播等試聽娛樂(lè)。等試聽娛樂(lè)。 系統(tǒng)一般包括系統(tǒng)一般包括飛行器上的電子系統(tǒng)飛行器上的電子系統(tǒng)和和相應(yīng)相應(yīng)的地面電子系統(tǒng)兩部分的地面電子系統(tǒng)兩部分， 這兩部分通過(guò)這兩部分通過(guò)電磁波傳輸信號(hào)電磁波傳輸信號(hào)合成為一個(gè)合成為一個(gè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)通訊。系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)通

3、訊。通訊系統(tǒng) 發(fā)電報(bào)的設(shè)備發(fā)電報(bào)的設(shè)備 （安裝在飛機(jī)上）（安裝在飛機(jī)上）實(shí)時(shí)自動(dòng)地把航班運(yùn)行的數(shù)據(jù)，主要包括經(jīng)緯度、飛行高度以及速度等數(shù)據(jù)，持續(xù)不斷地發(fā)回航空公司。通信系統(tǒng) 監(jiān)控終端設(shè)備（地面上）監(jiān)控終端設(shè)備（地面上） 飛機(jī)一旦起飛后，航空公司就能持續(xù)不斷地收到飛機(jī)上的設(shè)備發(fā)來(lái)的信息。能隨時(shí)監(jiān)測(cè)飛機(jī)的情況。通訊系統(tǒng) 機(jī)載應(yīng)答設(shè)備機(jī)載應(yīng)答設(shè)備 通過(guò)對(duì)講機(jī)一樣的東西，不停跟地面的空管員聯(lián)系，實(shí)時(shí)保證飛機(jī)與地面的互聯(lián)。（PS：據(jù)說(shuō)MH370失聯(lián)就是有人故意關(guān)閉應(yīng)答系統(tǒng)，事實(shí)不得而知）飛機(jī)通信系統(tǒng) 甚高頻通信系統(tǒng)（VHF）起飛和降落時(shí) 高頻通信系統(tǒng)HF 遠(yuǎn)程飛行時(shí)與基地保持聯(lián) 選擇呼叫系統(tǒng)SEL CA

4、L 機(jī)組成員間聯(lián)絡(luò) 音頻綜合系統(tǒng) AIS 對(duì)旅客的廣播視頻服務(wù)等 衛(wèi)星通訊尋址系統(tǒng)SATCOM 飛機(jī)通訊尋址與報(bào)告系統(tǒng)ACARS 黑匣子Black Box通信系統(tǒng)衛(wèi)星通信 飛機(jī)與地面的設(shè)備信號(hào)傳輸是采用衛(wèi)星通信。 所謂的衛(wèi)星通信satcom，是指利用空間的人造地球衛(wèi)星座位中繼站發(fā)無(wú)線電信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)或多個(gè)地球站之間的通信。 目前在世界范圍內(nèi)大約有255個(gè)地面地球站。有4個(gè)同步衛(wèi)星為飛機(jī)服務(wù)：大西洋上有兩個(gè)、太平洋和印度洋各一個(gè)。衛(wèi)星通信 衛(wèi)星通信系統(tǒng)由三個(gè)主要部分組成： 衛(wèi)星 飛機(jī)機(jī)載站 地面地球站。飛機(jī)通信尋址與報(bào)告系統(tǒng) Aircraft Communication Addressing

5、and Reporting System，縮寫：ACARS）在航空器和地面站之間通過(guò)無(wú)線電或衛(wèi)星傳輸短消息（報(bào)文）的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)鏈系統(tǒng)。 PS：在數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)出現(xiàn)之前，地面人員和飛行人員之間：在數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)出現(xiàn)之前，地面人員和飛行人員之間的所有交流只能通過(guò)語(yǔ)音進(jìn)行。這種通訊以的所有交流只能通過(guò)語(yǔ)音進(jìn)行。這種通訊以甚高頻甚高頻或或高頻高頻語(yǔ)音無(wú)線電通信方式實(shí)現(xiàn)。語(yǔ)音無(wú)線電通信方式實(shí)現(xiàn)。 飛機(jī)通信 在飛機(jī)上，飛機(jī)通信尋址與報(bào)告系統(tǒng)由一個(gè)稱為飛機(jī)通信尋址與報(bào)告系統(tǒng)管理單元(MU)的航電計(jì)算機(jī)和一個(gè)控制顯示器單元(CDU)組成。MU用以發(fā)送和接受來(lái)自地面的甚高頻無(wú)線電數(shù)字報(bào)文。 在地面，飛機(jī)通信尋址與報(bào)告系統(tǒng)

6、由一個(gè)有多個(gè)無(wú)線電收發(fā)機(jī)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)組成，它可以接受（或發(fā)送）數(shù)據(jù)鏈消息，并將其分發(fā)到網(wǎng)絡(luò)上的不同航空公司。應(yīng)用工作流程OOOI 自動(dòng)檢測(cè)和報(bào)告飛機(jī)在主要飛行階段 Out of the gate推出登機(jī)門 Off the ground；離地起飛 On the ground；著陸 Into the Gate，停靠登機(jī)門 工業(yè)上簡(jiǎn)稱OOOI 數(shù)據(jù)保存下來(lái)事實(shí)的與地面進(jìn)行數(shù)據(jù)交換 這些OOOI事件是由飛機(jī)上各種傳感器（例如艙門、停留剎車和起落架上的開關(guān)傳感器）的輸出信號(hào)來(lái)確認(rèn)的。 在每一飛行階段的開始時(shí)刻，ACARS將一個(gè)數(shù)字報(bào)文發(fā)送到地面，其中包括飛行階段名稱、發(fā)生時(shí)刻，以及其他諸如燃油量或始發(fā)地和

7、目的地。 由人員或機(jī)載設(shè)備創(chuàng)建報(bào)文報(bào)文并通過(guò)飛機(jī)通信尋址與報(bào)告系統(tǒng)將其送達(dá)地面的人員或系統(tǒng)，反之亦如此。飛機(jī)通信尋址與報(bào)告系統(tǒng)報(bào)文可以以手工或自動(dòng)方式發(fā)送。典型的典型的VHF ACARS報(bào)文報(bào)文ModeAAircraftB-18722AckNAKBlock id2FlightCI5118LabelB9Msg No.L05AMessage/KLAX.TI2/024KLAXA91A1人機(jī)交互人機(jī)交互Eg.氣象報(bào)告發(fā)出請(qǐng)求發(fā)出請(qǐng)求：飛機(jī)請(qǐng)求氣象信息報(bào)文生成報(bào)文生成報(bào)文：航空公司的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)首先生成一條包含該飛機(jī)注冊(cè)號(hào)及實(shí)際氣象信息的上傳報(bào)文傳送數(shù)據(jù)傳送數(shù)據(jù)：將其送往數(shù)據(jù)鏈服務(wù)供應(yīng)商（DSP）的主機(jī)系

8、統(tǒng)。 供應(yīng)商通過(guò)自己的地面網(wǎng)絡(luò)將該報(bào)文傳送到距飛機(jī)最近的甚高頻(VHF)遠(yuǎn)程地面站。廣播報(bào)文廣播報(bào)文：地面站將此報(bào)文通過(guò)VHF廣播出去接收接收?qǐng)?bào)文報(bào)文：機(jī)載VHF接收到此信號(hào)后通過(guò)內(nèi)置的調(diào)制解調(diào)器將其轉(zhuǎn)為數(shù)字報(bào)文發(fā)送至通信管理單元(CMU)。CMU驗(yàn)證飛機(jī)注冊(cè)號(hào)，如果相符就繼續(xù)處理該報(bào)文。black box “黑匣子黑匣子”是飛機(jī)專是飛機(jī)專用的電子記錄設(shè)備用的電子記錄設(shè)備之一。之一。飛機(jī)飛機(jī)各機(jī)械各機(jī)械部位和電子儀器儀部位和電子儀器儀表都裝有傳感器與表都裝有傳感器與之相連。之相連。 每架飛機(jī)上首尾部每架飛機(jī)上首尾部各有一個(gè)。各有一個(gè)。黑匣子 飛行數(shù)據(jù)記錄器飛行數(shù)據(jù)記錄器 Flight Data

9、 Recorder，F(xiàn)DR 能記錄飛機(jī)的系統(tǒng)工作狀況和引擎工作參數(shù)等飛行參數(shù)，內(nèi)容包括：空中飛行速度、高度、航向、發(fā)動(dòng)機(jī)推力資料、俯仰與滾動(dòng)資料、縱向加速度資料及許多參數(shù)資料 駕駛艙通話記錄器駕駛艙通話記錄器Cockpit Voice Recorder，CVR 儀器上的四條音軌分別記錄飛行員與航空管制員的通話，正、副駕駛員之間的對(duì)話、駕駛員、空服員對(duì)乘客的廣播，以及駕駛艙內(nèi)各種聲音（引擎聲、警報(bào)聲）。 記錄的時(shí)間約2小時(shí)，錄完后，會(huì)自動(dòng)倒帶從頭錄起，若發(fā)生空難，之前的兩個(gè)小時(shí)會(huì)被完整保留，并持續(xù)發(fā)出訊號(hào)，直到斷電為止（記錄器所提供的電力足夠發(fā)出信號(hào)30日）。黑匣子 飛行數(shù)據(jù)記錄器飛行數(shù)據(jù)記錄器

10、 Flight Data Recorder，F(xiàn)DR 能記錄飛機(jī)的系統(tǒng)工作狀況和引擎工作參數(shù)等飛行參數(shù)，內(nèi)容包括：空中飛行速度、高度、航向、發(fā)動(dòng)機(jī)推力資料、俯仰與滾動(dòng)資料、縱向加速度資料及許多參數(shù)資料 駕駛艙通話記錄器駕駛艙通話記錄器Cockpit Voice Recorder，CVR 儀器上的四條音軌分別記錄飛行員與航空管制員的通話，正、副駕駛員之間的對(duì)話、駕駛員、空服員對(duì)乘客的廣播，以及駕駛艙內(nèi)各種聲音（引擎聲、警報(bào)聲）。 記錄的時(shí)間約2小時(shí)，錄完后，會(huì)自動(dòng)倒帶從頭錄起，若發(fā)生空難，之前的兩個(gè)小時(shí)會(huì)被完整保留，并持續(xù)發(fā)出訊號(hào)，直到斷電為止（記錄器所提供的電力足夠發(fā)出信號(hào)30日）馬航失聯(lián)路線導(dǎo)

11、航系統(tǒng) 馬航原有航線：吉隆坡北京 馬航墜落地點(diǎn)：南印度洋？ 澳方發(fā)現(xiàn)黑匣子信號(hào)地點(diǎn) 客機(jī)到底在哪？導(dǎo)航系統(tǒng) 大腦導(dǎo)航（記憶大腦導(dǎo)航（記憶,參考物）參考物） 手機(jī)導(dǎo)航手機(jī)導(dǎo)航GPS（全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)）（全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)） 車載電腦導(dǎo)航（車載電腦導(dǎo)航（onStar） 航天系統(tǒng)導(dǎo)航航天系統(tǒng)導(dǎo)航onStar最新最新碰撞自動(dòng)求助 緊急救援系統(tǒng) 安全保障系統(tǒng) 導(dǎo)航系統(tǒng) 車況檢測(cè)系統(tǒng) 汽車語(yǔ)音導(dǎo)航導(dǎo)航系統(tǒng) 含義含義飛機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)是指通過(guò)測(cè)量飛行器的加速度，飛機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)是指通過(guò)測(cè)量飛行器的加速度，自動(dòng)進(jìn)行積分運(yùn)算，獲得飛行器瞬時(shí)速度自動(dòng)進(jìn)行積分運(yùn)算，獲得飛行器瞬時(shí)速度和瞬時(shí)位置數(shù)據(jù)的技術(shù)。設(shè)備都安裝在飛和瞬時(shí)位

12、置數(shù)據(jù)的技術(shù)。設(shè)備都安裝在飛行器內(nèi)，工作時(shí)不依賴外界信息，也不向行器內(nèi)，工作時(shí)不依賴外界信息，也不向外界輻射能量，不易受到干擾。外界輻射能量，不易受到干擾。 導(dǎo)航系統(tǒng) 引導(dǎo)飛機(jī)沿著引導(dǎo)飛機(jī)沿著預(yù)定航線飛到預(yù)定地點(diǎn)預(yù)定航線飛到預(yù)定地點(diǎn) 隨時(shí)給出飛機(jī)準(zhǔn)確的即使位置隨時(shí)給出飛機(jī)準(zhǔn)確的即使位置 在軍事上，導(dǎo)航系統(tǒng)還要配合其他系統(tǒng)完在軍事上，導(dǎo)航系統(tǒng)還要配合其他系統(tǒng)完成武器投放、偵查、巡邏、反潛、預(yù)警和成武器投放、偵查、巡邏、反潛、預(yù)警和救援等任務(wù)。救援等任務(wù)。飛機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng) 飛機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)可以確定飛機(jī)的位置并引飛機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)可以確定飛機(jī)的位置并引導(dǎo)飛機(jī)按預(yù)定航線飛行的整套設(shè)備導(dǎo)飛機(jī)按預(yù)定航線飛行的整套設(shè)備（

13、包括飛機(jī)上的和地面上的設(shè)備）（包括飛機(jī)上的和地面上的設(shè)備） 導(dǎo)航方法 導(dǎo)航的關(guān)鍵在于確定飛機(jī)的瞬時(shí)位置 5種方法： 目視定位：起飛和降落過(guò)程 航位推算：飛行速度，航向，風(fēng)向（人工，電腦） 幾何定位：距離，角度測(cè)算，電腦完成導(dǎo)航方法 磁羅盤 類似指南針，指針指向地球的磁極（容易受到飛機(jī)鐵質(zhì)零件和地球磁場(chǎng)的影響）早期使用 無(wú)線電通話 駕駛員與地面管制人員用無(wú)線電互相通話，管制員可以及時(shí)知道飛機(jī)位置，高度，給駕駛員下達(dá)命令，提供導(dǎo)航信息（多用于在機(jī)場(chǎng)附近的交通空域里）發(fā)展歷程 早期：目視導(dǎo)航（駕駛員的經(jīng)驗(yàn)）早期：目視導(dǎo)航（駕駛員的經(jīng)驗(yàn)） 1920S：儀表導(dǎo)航儀表導(dǎo)航，飛機(jī)上有了簡(jiǎn)單的儀表，靠，飛機(jī)上

14、有了簡(jiǎn)單的儀表，靠人工計(jì)算得出飛機(jī)位置人工計(jì)算得出飛機(jī)位置 30年代：年代：無(wú)線電導(dǎo)航無(wú)線電導(dǎo)航 現(xiàn)代：現(xiàn)代：衛(wèi)星導(dǎo)航衛(wèi)星導(dǎo)航，全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS 慣性導(dǎo)航慣性導(dǎo)航，天文導(dǎo)航天文導(dǎo)航1、儀表導(dǎo)航系統(tǒng) 提供參數(shù)：空速表，磁羅盤，航向陀螺儀和高度表等專用電子設(shè)備提供確卻的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。 自動(dòng)領(lǐng)航儀：根據(jù)提供的參數(shù)計(jì)算出航向數(shù)據(jù)， 大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)；將提供的參數(shù)由特定的程序計(jì)算導(dǎo)航系統(tǒng) 現(xiàn)在飛機(jī)導(dǎo)航綜合了多種技術(shù) 主要有 儀表導(dǎo)航 無(wú)線電導(dǎo)航 衛(wèi)星導(dǎo)航 慣性導(dǎo)航機(jī)載設(shè)備 無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng) 雷達(dá)系統(tǒng) 交通管制與警告系統(tǒng) 慣性基準(zhǔn)系統(tǒng) 飛行管理系統(tǒng)1、儀表導(dǎo)航 空速表 高度表 航向儀導(dǎo)航模擬

15、機(jī)2、無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng) 地面無(wú)線電導(dǎo)航臺(tái)地面無(wú)線電導(dǎo)航臺(tái) 對(duì)飛機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)定位對(duì)飛機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)定位 飛機(jī)上的無(wú)線電導(dǎo)航設(shè)備飛機(jī)上的無(wú)線電導(dǎo)航設(shè)備 接收地面導(dǎo)航臺(tái)信號(hào)接收地面導(dǎo)航臺(tái)信號(hào) 遠(yuǎn)程導(dǎo)航系統(tǒng)遠(yuǎn)程導(dǎo)航系統(tǒng) 測(cè)量各個(gè)導(dǎo)航臺(tái)信號(hào)的相位差測(cè)量各個(gè)導(dǎo)航臺(tái)信號(hào)的相位差 測(cè)速無(wú)線電設(shè)備測(cè)速無(wú)線電設(shè)備 利用多普勒效應(yīng)利用多普勒效應(yīng)2無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng) 功能。利用來(lái)自地面臺(tái)或空中的無(wú)線電信號(hào)來(lái)幫助駕駛員引導(dǎo)飛機(jī)航行 包括ADF（自動(dòng)定向機(jī)） VOR（甚高頻全向信標(biāo)） ILS（儀表著陸系統(tǒng)）：引導(dǎo)飛機(jī)安全著陸，由航向、下滑、質(zhì)點(diǎn)信標(biāo)系統(tǒng)組成。2、無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng) 全球定位導(dǎo)航則借助于導(dǎo)航衛(wèi)星。近程無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)： 作用

16、距離在 400公里以內(nèi)遠(yuǎn)程無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)：達(dá)到數(shù)千公里超遠(yuǎn)程無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)：1萬(wàn)公里以上全球定位導(dǎo)航系統(tǒng)。雷達(dá)系統(tǒng) 包括包括LRRA（無(wú)線電高度表）：測(cè)高（無(wú)線電高度表）：測(cè)高 DME（測(cè)距機(jī)）：測(cè)距（測(cè)距機(jī)）：測(cè)距 WXR（氣象雷達(dá)）：飛機(jī)周圍環(huán)境監(jiān)測(cè)（氣象雷達(dá)）：飛機(jī)周圍環(huán)境監(jiān)測(cè)（雷達(dá)：發(fā)射電磁波，光速，出現(xiàn)在二戰(zhàn)時(shí)期，應(yīng)用廣泛多用于軍事?。?、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GPS 導(dǎo)航衛(wèi)星 18科導(dǎo)航衛(wèi)星， 運(yùn)行周期12h 地面站組 四個(gè)監(jiān)控站 用戶設(shè)備 接收機(jī)美國(guó)全球定位系統(tǒng)衛(wèi)星定位導(dǎo)航衛(wèi)星定位導(dǎo)航 充分利用電子計(jì)算機(jī)和大規(guī)模集成電路，提高航空航天電子系統(tǒng)的綜合化、自動(dòng)化和智能化水平； 提高實(shí)時(shí)信號(hào)處理

17、和數(shù)據(jù)處理的能力和數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾剩?發(fā)展高速率和超高速率的大規(guī)模集成電路； 發(fā)展可靠性更高和壽命更長(zhǎng)的各種電子元器件 衛(wèi)星導(dǎo)航衛(wèi)星導(dǎo)航 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 應(yīng)用最廣，定位精度高，全球，全天候應(yīng)用最廣，定位精度高，全球，全天候 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 成本高，需要復(fù)雜的定位設(shè)備成本高，需要復(fù)雜的定位設(shè)備 慣性導(dǎo)航 通過(guò)測(cè)量飛行器的加速度(慣性)，并自動(dòng)進(jìn)行積分運(yùn)算，獲得飛行器瞬時(shí)速度和瞬時(shí)位置數(shù)據(jù)的技術(shù)。 加速計(jì)（測(cè)飛機(jī)加速度） 陀螺儀（測(cè)量角度） 根據(jù)牛頓慣性定理，利用慣性原件，測(cè)算的飛機(jī)航向的數(shù)據(jù)。慣性基準(zhǔn)導(dǎo)航系統(tǒng) IRS 提供飛機(jī)姿態(tài)，航向，飛機(jī)當(dāng)前位置等信息慣性導(dǎo)航 （1）不依賴于任何外部信息也不向外部輻射能量的自主式系統(tǒng)故隱蔽性好且不受外界電磁干擾的影響； （2）可全天侯全球、全時(shí)間地工作于空中地球表面乃至水下 （3）能提供位置、速度、航向和姿態(tài)角數(shù)據(jù)，所產(chǎn)生的導(dǎo)航信息連續(xù)性好而且噪聲低 （4）數(shù)據(jù)更新率高、短期精度和穩(wěn)定性好其缺點(diǎn)是： 多用于航空飛船飛行管理系統(tǒng) FMS 以飛機(jī)管理計(jì)算為核心的高級(jí)區(qū)域