飛機導(dǎo)航系統(tǒng)

飛機導(dǎo)航系統(tǒng)aircraftnavigationsystem確定飛機的位置并引導(dǎo)飛機按預(yù)定航線飛行的整套設(shè)備（包括飛機上的和地面上的設(shè)備）。發(fā)展概況早期的飛機主要靠目視導(dǎo)航。20世紀20年代開始發(fā)展儀表導(dǎo)航。飛機上有了簡單的儀表，靠人工計算得出飛機當時的位置。30年代出現(xiàn)無線電導(dǎo)航，首先使用的是中波四航道無線電信標和無線電羅盤。40年代初開始研制超短波的伏爾導(dǎo)航系統(tǒng)和儀表著陸系統(tǒng)（見無線電控制著陸）。50年代初慣性導(dǎo)航系統(tǒng)用于飛機導(dǎo)航。50年代末出現(xiàn)多普勒導(dǎo)航系統(tǒng)。60年代開始使用遠程無線電羅蘭C導(dǎo)航系統(tǒng)，作用距離達到2000公里。為滿足軍事上的需要還研制出塔康導(dǎo)航系統(tǒng)，后又出現(xiàn)伏爾塔克導(dǎo)航系統(tǒng)及超遠程的奧米加導(dǎo)航系統(tǒng)，作用距離已達到10000公里。1963年出現(xiàn)衛(wèi)星導(dǎo)航,70年代以后發(fā)展全球定位導(dǎo)航系統(tǒng)。導(dǎo)航方法導(dǎo)航的關(guān)鍵在于確定飛機的瞬時位置。確定飛機位置有目視定位、航位推算和幾何定位三種方法。目視定位是由駕駛員觀察地面標志來判定飛機位置；航位推算是根據(jù)已知的前一時刻的位置和測得的導(dǎo)航參數(shù)來推算當前飛機的位置；幾何定位是以某些位置完全確定的導(dǎo)航點為基準，測量出飛機相對于這些導(dǎo)航點的幾何關(guān)系，最后定出飛機的絕對位飛機導(dǎo)航系統(tǒng)按工作原理可以分為：①儀表導(dǎo)航系統(tǒng)。利用飛機上的儀表所提供的數(shù)據(jù)計算出飛機的各種導(dǎo)航參數(shù)。②無線電導(dǎo)航系統(tǒng)。利用地面無線電導(dǎo)航臺或空間的導(dǎo)航衛(wèi)星和飛機上的無線電導(dǎo)航設(shè)備對飛機進行定位和引導(dǎo)。③慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。利用安裝在慣性平臺上的3個加速度計的測量結(jié)果連續(xù)地給出飛機的空間位置和速度。如果把加速度計直接裝在飛機機體上，并與航向系統(tǒng)和姿態(tài)系統(tǒng)結(jié)合起來進行導(dǎo)航便構(gòu)成捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。④天文導(dǎo)航系統(tǒng)。以天體為基準，利用星體跟蹤器測得星體高度角來確定飛機的位置。⑤組合導(dǎo)航系統(tǒng)。將以上幾種導(dǎo)航系統(tǒng)組合構(gòu)成的性能更為完善的導(dǎo)航系統(tǒng)。早期的領(lǐng)航概念中是沒有定位一說的，飛行員或者領(lǐng)航員只是通過觀察公路、鐵路、河流、山峰、城鎮(zhèn)或湖泊等地標來確定飛機的方位。單純的NDB或VOR也只是飛機定向的一種手段。直到80年代DME加盟無線電導(dǎo)航后，才使定向向定位前進了一步?，F(xiàn)在以GPS為代表的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是被廣泛應(yīng)用的精確定位的一種主要導(dǎo)航方式。導(dǎo)航種類主要分慣性導(dǎo)航和無線電導(dǎo)航兩種。慣性導(dǎo)航是指安裝在飛機上的慣性基準系統(tǒng)（IRS）。它主要由3個加速計和3個陀螺儀構(gòu)成。加速計用于測量飛機的3個平移運動加速度，指示當?shù)氐卮咕€的方向；陀螺儀用于測量飛機的3個轉(zhuǎn)動運動的角位移，指示地球自轉(zhuǎn)軸的方向。計算機對測出的加速度進行兩次積分，計算出飛機的位置。以A320飛機為例，它有3部慣性基準系統(tǒng)，就提供了3個慣性基準系統(tǒng)的位置給飛行管理計算機（FMC），飛行管理計算機則根據(jù)這3個位置再計算出一加權(quán)平均值，我們稱之為“混合慣導(dǎo)”（MIX舊S）位置。無線電導(dǎo)航是指通過測定無線電波從發(fā)射臺到接收臺的傳播時間或相位和相角來進行定向定位的。地面雷達定位也是無線電導(dǎo)航的一種方式?，F(xiàn)在一般將無線電導(dǎo)航分為陸基導(dǎo)航和星基導(dǎo)航兩種。陸基導(dǎo)航依靠的是臺站與臺站之間的相對位置，由一個臺站到另一個臺站。譬如由NDB至ijNDB或由VOR到VOR或NDB與VOR之間。星基導(dǎo)航依賴的是一系列航路點的精確位置，它的主要特征是任一點的坐標化。它所使用的導(dǎo)航設(shè)施有：DME-DME、VOR-DME、GPS、GLONASS等。舉個簡單例子：回上海由東山（KN）到嵊縣（JF）到庵東（AND）一段，我們現(xiàn)在的飛行計劃中所使用的只是這幾個點的地理位置坐標，而不是它們的頻率，所以我們認為這是星基導(dǎo)航的方式。但如果GPS不可用或飛行管理計算機部分存在問題，我們就需要使用這些航路導(dǎo)航設(shè)施的具體頻率，向臺或者背臺飛行，從而達到進場的目的，這時候我們所使用的就是陸基導(dǎo)航的方式，也就是傳統(tǒng)的無線電導(dǎo)航模式。由此可見，不是說使用陸地上的導(dǎo)航設(shè)備就是陸基導(dǎo)航，也不是說星基導(dǎo)航是僅僅使用GNSS（全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)）。在區(qū)域?qū)Ш降默F(xiàn)階段，還是脫離不了這些航路導(dǎo)航設(shè)施的，或許在未來的新航行系統(tǒng)中會完全拋棄現(xiàn)有的航路導(dǎo)航設(shè)施，實行點與點之間的直接對話。我們通常所說的無線電位置，是指機載接收機向飛行管理計算機傳送接收到的信號，通過測距定位（DME-DME）或測距測向定位（DME-VOR），來確定的位置。其工作原理是：飛機起飛后，與飛行管理計算機有關(guān)的機載無線電導(dǎo)航系統(tǒng)開始工作，對兩個地理位置最好的DME臺（兩個臺與飛機連線之間的夾角大于30度小于150度）進行自動調(diào)諧，計算出距離后與導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫里的各臺經(jīng)緯度以及從其它渠道得到的飛行高度等其它信息相結(jié)合，計算出飛機的無線電位置。當DME接收機無法接收到兩個符合條件的地面DME臺信號時，機載無線電導(dǎo)航系統(tǒng)就會選擇同一位置的DME/VOR。在盲降進近期間，用LOC（航向信標）更新使用LOC波束的橫向位置（DME/DME-LOC或VOR/DME-LOC）。全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）是星基導(dǎo)航系統(tǒng)的核心。它主要包括美國國防部掌握的GPS和前蘇聯(lián)從80年代開始建設(shè)現(xiàn)在由俄羅斯空間局管理的GLONASS，以及由西歐歐洲空間局正在建設(shè)的NAVSAT系統(tǒng)。GPS是目前應(yīng)用最廣泛的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，但在航空應(yīng)用方面卻受到了技術(shù)和政策的干擾，在純民用的NAVSAT系統(tǒng)投入使用前，用戶還沒有自主選擇的空間，所以使用的還是INS/GPS這種組合，這也是現(xiàn)在我們最主要和最常用的導(dǎo)航方式。所以我們平常所說的GPS位置，對飛機而言，其實就是GPIRS，即INS/GPS的混合位置。每一部慣性基準系統(tǒng)都有一個和GPS的混合位置，飛行管理計算機根據(jù)其品質(zhì)等級數(shù)及優(yōu)選性選擇其中的一個。綜上所述可知，單純的NDB和VOR是不能定位的，那么慣導(dǎo)位置、無線電位置和GPIRS位置哪個才是代表飛機的位置呢？FMC（本文不涉及FMC對飛機其它系統(tǒng)提供其它類型數(shù)據(jù)的作用，單獨考慮其在坐標和位置方面的計算）考慮每個定位設(shè)備的精確性和完整性而選擇最精確的位置，從這個意義上來說，飛機的位置，就是FM的位置。假如GPS數(shù)據(jù)有效并且測試合格，那么GPS/INERTIAL為基本的導(dǎo)航方式。否則的話，使用無線電導(dǎo)航臺加慣導(dǎo)或僅用慣導(dǎo)。即FMGS（飛行管理引導(dǎo)系統(tǒng)，以A320為例，它包括2個飛行管理引導(dǎo)計算機FMGC、2個多功能控制顯示組件MCDU、1個飛行控制組件FCU和2個飛行增穩(wěn)計算機FAC）使用GPS或當GPS不工作時使用無線電導(dǎo)航臺更新FM位置。優(yōu)先順序為：IRS-GPS、IRS-DME/DME、IRS-VOR/DME、僅用IRS。飛行初始化時，每部FMGC（飛行管理引導(dǎo)計算機，我們通常講的FMC是指它的管理部分而沒有提及其引導(dǎo)部分）顯示一FM位置，這個位置是一個GPIRS；起飛時，F(xiàn)M位置更新為儲存在數(shù)據(jù)庫里的跑道入口位置；飛行中，F(xiàn)M位置向無線電位置或GPS位置接近，其接近率取決于飛機高度。FMGC一直在計算從混合慣導(dǎo)位置到無線電位置或GPS位置的矢量偏差。如果無線電位置或GPS位置可用，每部FMGC不斷更新這個偏差。所以飛機的位置不是單純的慣導(dǎo)位置或無線電位置或GPS位置，這和飛機的導(dǎo)航方式以及飛機所處的不同階段是相關(guān)的。當然，所有的位置都是針對WGS-84坐標系而言的，在內(nèi)地使用北京54坐標系時，由于GPS使用的也是WGS-84坐標系，可能還會有所偏差，在這里就不額外表述了。導(dǎo)航靠無線電導(dǎo)航和自主式導(dǎo)航。無線電導(dǎo)航包括：VOR/DME導(dǎo)航（需要VOR/DME地面信標臺）'GPS導(dǎo)航、ADF自動定向機（就是樓上說的NDB導(dǎo)航臺）、儀表著陸系統(tǒng)ILS。自主式主要是慣性基準系統(tǒng)。地面監(jiān)視雷達那是地面空管用的，不是飛機的導(dǎo)航系統(tǒng)。地面監(jiān)視雷達包括一次雷達和二次雷達，和飛機上的ATC應(yīng)答機組成ATCRBS或DABS。二次雷達是以詢問-應(yīng)答方式工作的，能給空中交通管制員提供飛機識別碼和高度信息。但并不提供速度信息！而飛機上的 TCAS防撞系統(tǒng)只計算對方垂直速度，并不顯示對方速度。一個飛機場都有人么部分組成飛機場通訊導(dǎo)航設(shè)施飛機場所需的各項通訊、導(dǎo)航設(shè)施的統(tǒng)稱。航空通訊有陸空通訊和平面通訊。陸空通訊飛機場空中交通管制部門和飛機之間的無線電通訊。主要方式是用無線電話；遠距離則用無線電報。飛機場無線電通訊設(shè)施在城市劃定的發(fā)訊區(qū)修建無線電發(fā)訊臺，收訊區(qū)修建無線電收訊臺。無線電中心收發(fā)室則建在飛機場航管樓內(nèi)。發(fā)訊臺和收訊臺、收發(fā)室，以及和城市之間都要按照發(fā)射機發(fā)射功率的大小和數(shù)量，保持一定的距離。功率愈大，距離要愈遠。收、發(fā)訊臺的天線場地以及鄰近地區(qū)應(yīng)為平坦地形， 易于排除地面水，收訊臺址還應(yīng)特別注意遠離各種可能對無線電電波產(chǎn)生二次輻射的物體（如高壓架空線和高大建筑物等）和干擾源（如發(fā)電廠、有電焊和高頻設(shè)備的工廠、礦山等）。20世紀80年代，載波通訊和微波通訊發(fā)達的區(qū)域，平面通訊一般不再利用短波無線電通訊設(shè)備。 無線電發(fā)訊臺主要安裝對飛機通訊用的發(fā)射設(shè)備；也不再單建無線電收訊臺，而將無線電收訊臺和無線電中心收發(fā)室合建在飛機場的航管樓內(nèi)。飛機場有線通訊設(shè)施。有電話通訊和調(diào)度通訊。航空導(dǎo)航分航路導(dǎo)航和著陸導(dǎo)航。航路導(dǎo)航①中長波導(dǎo)航臺，NDB）。是設(shè)在航路上，用以標出所指定航路的無線電近程導(dǎo)航設(shè)備。臺址應(yīng)選在平坦、寬闊和不被水淹的地方，并且要

遠離二次輻射體和干擾源。一般在航路上每隔200250遠離二次輻射體和干擾源。一般在航路上每隔200250公里左右設(shè)置一座；在山區(qū)或某些特殊地區(qū)，不宜用NDB導(dǎo)航。全向信標/測距儀臺(VOR/DME)全向信標和測距儀通常合建在一起。全向信標給飛機提供方位信息；測距儀則給飛機示出飛機距測距儀臺的直線距離。它對天線場地的要求比較高。在一般情況下，要求以天線中心為中心，半徑300米范圍內(nèi)，場地地形平坦又不被水淹。該臺要求對二次輻射體保持一定的距離。臺址比中、長波導(dǎo)航臺的要求嚴。在地形特殊的情況下，可選用多普勒全向信標/測距儀臺(DVOR/DME),以提高設(shè)備的場地適應(yīng)性。該臺的有效作用距離取決于發(fā)射機的發(fā)射功率和飛機的飛行高度。在飛行高度 5700米以上的高空航路上，兩臺相隔距離大于200公里。塔康(TACAN)和伏爾塔康(VORTAC)塔康是戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)航設(shè)備的縮寫，它將測量方位和距離合成為一套裝置。塔康和全向信標合建，稱伏爾塔康。其方位和距離信息，也可供民用飛機的機載全向信標接收機和測距接收設(shè)備接收；軍用飛機則用塔康接收設(shè)備接收。塔康和伏爾塔康臺的設(shè)置以及臺址的選擇，和全向信標/測距儀臺的要求相同。羅蘭系統(tǒng)(LORAN)遠距導(dǎo)航系統(tǒng)。20世紀80年代航空上使用的主要是羅蘭-C'。羅蘭-C'系統(tǒng)由一個主臺和兩個至四個副臺組成羅蘭臺鏈。羅蘭-C'系統(tǒng)的有效作用距離，在陸上為2000公里，在海面上為3600公里。主臺和副臺間的距離可達到1400公里。按所定管轄地區(qū)的要求，設(shè)置主臺和副臺；并按一般的長波導(dǎo)航臺選址要求進行選址。奧米加導(dǎo)航系統(tǒng)(OMEGA)。和羅蘭-C'一樣，是一種遠程雙曲線相位差定位系統(tǒng)。由于選用甚低頻波段的10?14千赫工作，作用距離可以很遠，兩臺之間的距離可達9000?10800公里。只要有8個發(fā)射臺，輸出功率為10千瓦，即可覆蓋全球。羅蘭系統(tǒng)和奧米加導(dǎo)航系統(tǒng)不是一個飛機場的導(dǎo)航設(shè)施，而是半個地球的甚至是全球性的導(dǎo)航設(shè)施。飛機場終端區(qū)導(dǎo)航①歸航臺著陸引導(dǎo)設(shè)施。飛機接收導(dǎo)航臺的無線電信號，進入飛機場區(qū)，對準跑道中心線進近著陸，這樣的導(dǎo)航臺稱歸航臺。歸航臺建在跑道中心線延長線上。距跑道入口的距離為1000米左右的稱近距歸航臺（簡稱近臺）；距離為7200米左右的稱遠距歸航臺（簡稱遠臺）。歸航臺一般都和指點標臺合建。指點標臺標出該臺與跑道入口的距離。在一個降落方向上，只設(shè)置一座歸航臺的（不論是近臺還是遠臺）稱單歸航臺著陸引導(dǎo)設(shè)施；如果有近臺和遠臺，則稱雙歸航臺著陸引導(dǎo)設(shè)施。歸航臺的選址要求基本上和航路上導(dǎo)航臺相同。由于飛機的速度越來越快，機載設(shè)備越來越先進，因此歸航臺引導(dǎo)著陸在中國飛機場已逐步淘汰。全向信標/測距儀臺（VOR/DME）除可用在航路上作為導(dǎo)航設(shè)備夕卜，也可用作機場終端區(qū)導(dǎo)航設(shè)備。這時，該臺應(yīng)設(shè)在跑道中心附近，距跑道中心線不少于150米'距滑行道中心線不少于75米。對周圍地形'地物的技術(shù)要求，和用作航路導(dǎo)航臺時相同。該臺也可布置在指定穿云轉(zhuǎn)彎點處，以引導(dǎo)飛機穿云下降。儀表著陸系統(tǒng)（ILS）。是20世紀70年代國際上通用的著陸引導(dǎo)設(shè)備。由航向臺（LOC）'下滑臺（G/p）'外指點標臺（OM）'中指點標臺（MM）和內(nèi)指點標臺（IM）組成。航向臺向飛機提供航向引導(dǎo)信息；下滑臺向飛機提供下滑道引導(dǎo)信息；夕卜、中、內(nèi)指點標臺則分別向飛機提供飛機距跑道入口距離的信息。儀表著陸系統(tǒng)中，各臺臺址和跑道間的相互關(guān)系如圖［飛機場著陸引導(dǎo)設(shè)備臺站平面布置圖（以一個著陸方向為例）］所示。在下述距離范圍內(nèi)，按技術(shù)要求選定。航向臺設(shè)在跑道中心線延長線上、距跑道終端約200?900米，具體位置取決于天線陣前方的場地，天線陣的安裝高度和天線所發(fā)射的場型。下滑臺設(shè)在跑道的任一側(cè)。距跑道中心線120?200米距跑道入口約300?450米,具體位置取決于下滑天線前方場地的坡度、場地前方障礙物的高度和下滑角的大小。夕卜、中、內(nèi)指點標臺均設(shè)在跑道中心線延長線上，夕卜臺距跑道入口7200±300米；中臺1050±150米;內(nèi)臺300?450米。在指點標臺安裝有困難的地方，可在飛機場內(nèi)下滑臺處安裝精密測距儀，用以起到相當于指點標臺的作用。儀表著陸系統(tǒng)中各臺的修建，除了確定各臺的位置外，尚須根據(jù)各臺所發(fā)射的場型分別定出各臺天線場地的大小和對周圍地形'地物的技術(shù)要求。航向臺和下滑臺的技術(shù)要求比較嚴格，地形要平坦，不被水淹，坡度不大于1%;要防止和避開二次輻射體的干擾；對架空線路、道路、車輛、飛機、柵欄、金屬和非金屬物體等都有不同的距離要求。儀表著陸系統(tǒng)的運用性能分為三類：1類引導(dǎo)飛機下降到 60米的決斷高度，并在跑道視程不少于800米的條件下，成功地進行進近；H類引導(dǎo)飛機下降到30米的決斷高度，并在跑道視程不少于400米的條件下，成功地進行進近；皿類又分皿類入、皿類B和皿類C。皿類A沒有決斷高度的限制，在跑道視程不少于200米的條件下，在著陸的最后階段，借助外部目視設(shè)施，降落在跑道上，并沿跑道滑行。皿類B與皿類A同，但跑道視程為不少于50米，不帶外部目視設(shè)施引導(dǎo)飛機到跑道；之后借助外部目視設(shè)施在跑道上滑行。皿類 C沒有決斷高度的限制，不借助外部目視設(shè)施引導(dǎo)飛機至跑道和在滑行道滑行。地面指揮引進系統(tǒng)。由飛機場監(jiān)視雷達（ASR）和精密進近雷達（PAR）組成。沒有飛機場監(jiān)視雷達則不能稱地面指揮引進系統(tǒng)，只能稱精密進近雷達（也稱著陸雷達）。（a） 著陸雷達在復(fù)雜氣象條件下引導(dǎo)飛機著陸的輔助設(shè)備。有效作用距離,在中雨天氣時不少于15公里;一般天氣不少于35公里。作用范圍：水平面為左右10；垂直面為-1~8。在著陸雷達有效區(qū)域的飛機，根據(jù)飛機回波偏離雷達顯示器上理想航向線和下滑線的相對位置以及飛機到著陸點的距離，用無線電話指揮飛機下降到?jīng)Q斷高度 ，然后駕駛員用目視著陸。著陸雷達的布置，在一般情況下，只要跑道足夠長，在一