飞机导航系统.docx

1、飞机导航系统飞机导航系统aircraft navigation system 确定飞机的位置并引导飞机按预定航线飞行的整套设备（包 括飞机上的和地面上的设备）。发展概况 早期的飞机主要靠目视导航。 20 世纪 20 年代开始 发展仪表导航。飞机上有了简单的仪表，靠人工计算得出飞机当 时的位置。 30 年代出现无线电导航，首先使用的是中波四航道无 线电信标和无线电罗盘。 40 年代初开始研制超短波的伏尔导航系 统和仪表着陆系统（见无线电控制着陆）。 50 年代初惯性导航系 统用于飞机导航。 50 年代末出现多普勒导航系统。 60 年代开始 使用远程无线电罗兰 C 导航系统，作用距离达到 2000

2、 公里。为 满足军事上的需要还研制出塔康导航系统，后又出现伏尔塔克导 航系统及超远程的奥米加导航系统， 作用距离已达到 10000 公里。 1963 年出现卫星导航 ,70 年代以后发展全球定位导航系统。导航方法 导航的关键在于确定飞机的瞬时位置。 确定飞机位 置有目视定位、航位推算和几何定位三种方法。目视定位是由驾驶员观察地面标志来判定飞机位置；航位推 算是根据已知的前一时刻的位置和测得的导航参数来推算当前飞 机的位置；几何定位是以某些位置完全确定的导航点为基准，测 量出飞机相对于这些导航点的几何关系，最后定出飞机的绝对位飞机导航系统按工作原理可以分为：仪表导航系统。利用飞机上的仪表所提供的

3、数据计算出飞机的各种导航参数。无线 电导航系统。利用地面无线电导航台或空间的导航卫星和飞机上 的无线电导航设备对飞机进行定位和引导。惯性导航系统。利 用安装在惯性平台上的 3 个加速度计的测量结果连续地给出飞 机的空间位置和速度。如果把加速度计直接装在飞机机体上，并 与航向系统和姿态系统结合起来进行导航便构成捷联式惯性导航 系统。天文导航系统。以天体为基准，利用星体跟踪器测得星 体高度角来确定飞机的位置。组合导航系统。将以上几种导航 系统组合构成的性能更为完善的导航系统。早期的领航概念中是没有定位一说的， 飞行员或者领航员只是通过观 察公路、铁路、河流、山峰、城镇或湖泊等地标来确定飞机的方位。

4、单纯的NDB或VOR也只是飞机定向的一种手段。直到80年代DME 加盟无线电导航后，才使定向向定位前进了一步。现在以 GPS 为代 表的卫星导航系统是被广泛应用的精确定位的一种主要导航方式。导航种类主要分惯性导航和无线电导航两种。惯性导航是指安装在飞机上的惯性基准系统（IRS）。它主要由3个 加速计和 3 个陀螺仪构成。加速计用于测量飞机的 3 个平移运动加速 度，指示当地地垂线的方向； 陀螺仪用于测量飞机的 3 个转动运动的 角位移，指示地球自转轴的方向。 计算机对测出的加速度进行两次积 分，计算出飞机的位置。 以 A320 飞机为例，它有 3 部惯性基准系统， 就提供了 3 个惯性基准系统

5、的位置给飞行管理计算机（ FMC ），飞行 管理计算机则根据这 3个位置再计算出一加权平均值， 我们称之为 “混 合惯导”（MIX IRS ）位置。无线电导航是指通过测定无线电波从发射台到接收台的传播时间或 相位和相角来进行定向定位的。 地面雷达定位也是无线电导航的一种 方式。现在一般将无线电导航分为陆基导航和星基导航两种。陆基导航依靠的是台站与台站之间的相对位置， 由一个台站到另一个 台站。譬如由 NDB 到 NDB 或由 VOR 到 VOR 或 NDB 与 VOR 之间。 星基导航依赖的是一系列航路点的精确位置， 它的主要特征是任一点 的坐标化。它所使用的导航设施有： DME-DME 、V

6、OR-DME 、GPS、 GLONASS等。举个简单例子：回上海由东山（KN）到嵊县（JF） 到庵东（AND）一段，我们现在的飞行计划中所使用的只是这几个点 的地理位置坐标， 而不是它们的频率， 所以我们认为这是星基导航的 方式。但如果 GPS 不可用或飞行管理计算机部分存在问题，我们就 需要使用这些航路导航设施的具体频率， 向台或者背台飞行， 从而达 到进场的目的， 这时候我们所使用的就是陆基导航的方式， 也就是传 统的无线电导航模式。 由此可见， 不是说使用陆地上的导航设备就是 陆基导航，也不是说星基导航是仅仅使用 GNSS （全球卫星导航系 统）。在区域导航的现阶段，还是脱离不了这些航路

7、导航设施的，或许在未来的新航行系统中会完全抛弃现有的航路导航设施， 实行点与 点之间的直接对话。我们通常所说的无线电位置， 是指机载接收机向飞行管理计算机传送 接收 到的 信号 ，通 过测 距定 位( DME-DME ) 或测 距测 向定 位 ( DME-VOR )，来确定的位置。其工作原理是：飞机起飞后，与飞 行管理计算机有关的机载无线电导航系统开始工作， 对两个地理位置 最好的 DME 台(两个台与飞机连线之间的夹角大于 30 度小于 150 度)进行自动调谐， 计算出距离后与导航数据库里的各台经纬度以及 从其它渠道得到的飞行高度等其它信息相结合， 计算出飞机的无线电 位置。当 DME 接

8、收机无法接收到两个符合条件的地面 DME 台信号 时，机载无线电导航系统就会选择同一位置的 DME/VOR 。在盲降进 近期间，用 LOC (航向信标)更新使用 LOC 波束的横向位置 ( DME/DME-LOC 或 VOR/DME-LOC )。全球卫星导航系统( GNSS )是星基导航系统的核心。它主要包括美 国国防部掌握的 GPS 和前苏联从 80 年代开始建设现在由俄罗斯空 间局管理的 GLONASS ，以及由西欧欧洲空间局正在建设的 NAVSAT 系统。 GPS 是目前应用最广泛的卫星导航系统，但在航空应用方面 却受到了技术和政策的干扰， 在纯民用的 NAVSAT 系统投入使用前， 用

9、户还没有自主选择的空间，所以使用的还是 INS/GPS 这种组合， 这也是现在我们最主要和最常用的导航方式。所以我们平常所说的 GPS 位置，对飞机而言，其实就是 GPIRS ，即 INS/GPS 的混合位 置。每一部惯性基准系统都有一个和 GPS 的混合位置，飞行管理计算机根据其品质等级数及优选性选择其中的一个。综上所述可知，单纯的 NDB 和 VOR 是不能定位的，那么惯导位置、 无线电位置和GPIRS位置哪个才是代表飞机的位置呢？ FMC （本文 不涉及 FMC 对飞机其它系统提供其它类型数据的作用，单独考虑其 在坐标和位置方面的计算） 考虑每个定位设备的精确性和完整性而选 择最精确的位

10、置，从这个意义上来说， 飞机的位置，就是 FM 的位置。 假如 GPS 数据有效并且测试合格， 那么 GPS/INERTIAL 为基本的导 航方式。否则的话，使用无线电导航台加惯导或仅用惯导。 即 FMGS （飞行管理引导系统，以 A320 为例，它包括 2 个飞行管理引导计算 机FMGC、2个多功能控制显示组件 MCDU、1个飞行控制组件FCU 和2个飞行增稳计算机FAC）使用GPS或当GPS不工作时使用无 线电导航台更新 FM位置。优先顺序为：IRS-GPS、IRS-DME/DME、 IRS-VOR/DME、仅用IRS。飞行初始化时，每部 FMGC （飞行管理 引导计算机，我们通常讲的 F

11、MC 是指它的管理部分而没有提及其引 导部分）显示一 FM 位置，这个位置是一个 GPIRS ；起飞时， FM 位 置更新为储存在数据库里的跑道入口位置；飞行中， FM 位置向无线 电位置或 GPS 位置接近，其接近率取决于飞机高度。 FMGC 一直在 计算从混合惯导位置到无线电位置或 GPS 位置的矢量偏差。如果无 线电位置或 GPS 位置可用， 每部 FMGC 不断更新这个偏差。 所以飞 机的位置不是单纯的惯导位置或无线电位置或 GPS 位置，这和飞机 的导航方式以及飞机所处的不同阶段是相关的。 当然，所有的位置都 是针对WGS-84坐标系而言的，在内地使用北京54坐标系时，由于 GPS使

12、用的也是 WGS-84坐标系，可能还会有所偏差，在这里就不 额外表述了。导航靠无线电导航和自主式导航。 无线电导航包括：VOR/DME导航（需要VOR/DME地面信标台）、GPS导航、ADF自动定向机（就 是楼上说的NDB导航台）、仪表着陆系统ILS。自主式主要是惯性基 准系统。地面监视雷达那是地面空管用的，不是飞机的导航系统。地面监视雷 达包括一次雷达和二次雷达，和飞机上的 ATC应答机组成ATCRBS 或 DABS。二次雷达是以询问-应答方式工作的，能给空中交通管制员提供飞机 识别码和高度信息。但并不提供速度信息！而飞机上的 TCAS防撞系统只计算对方垂直速度，并不显示对方速度。一个飞机场

13、都有人么部分组成飞机场通讯导航设施飞机场所需的各项通讯、导航设施的统称。航空通讯有陆空通讯和平面通讯。陆空通讯飞机场空中交通管制部门和飞机之间的无线电通讯。主要 方式是用无线电话；远距离则用无线电报。1飞机场无线电通讯设施在城市划定的发讯区修建无线电发讯台， 收讯区修建无线电收讯台。无线电中心收发室则建在飞机场航管楼内。发讯台和收讯台、收发室，以及和城市之间都要按照发射机发射 功率的大小和数量，保持一定的距离。功率愈大，距离要愈远。收、 发讯台的天线场地以及邻近地区应为平坦地形， 易于排除地面水，收讯台址还应特别注意远离各种可能对无线电电波产生二次辐射的物 体（如高压架空线和高大建筑物等）和干

14、扰源（如发电厂、有电焊和 高频设备的工厂、矿山等）。20世纪80年代，载波通讯和微波通讯 发达的区域，平面通讯一般不再利用短波无线电通讯设备。 无线电发讯台主要安装对飞机通讯用的发射设备；也不再单建无线电收讯台， 而将无线电收讯台和无线电中心收发室合建在飞机场的航管楼内。2飞机场有线通讯设施。有电话通讯和调度通讯。航空导航分航路导航和着陆导航。航路导航 中 长波导航台（NDB）。是设在航路上，用以标出所指定 航路的无线电近程导航设备。台址应选在平坦、宽阔和不被水淹的地 方，并且要远离二次辐射体和干扰源。一般在航路上每隔 200250公里左右设置一座；在山区或某些特殊地区，不宜用 NDB导航。2

15、全向信标/测距仪台（VOR/DME）全向信标和测距仪通常合建在一 起。全向信标给飞机提供方位信息；测距仪则给飞机示出飞机距测距 仪台的直线距离。它对天线场地的要求比较高。在一般情况下，要求 以天线中心为中心，半径300米范围内，场地地形平坦又不被水淹。该台要求对二次辐射体保持一定的距离。 台址比中、长波导航台的要求严。在地形特殊的情况下，可选用多普勒全向信标 /测距仪台 (DVOR/DME),以提高设备的场地适应性。该台的有效作用距离取决 于发射机的发射功率和飞机的飞行高度。在飞行高度 5700米以上的高空航路上，两台相隔距离大于 200公里。3塔康(TACAN)和伏尔塔康(VORTAC)塔康

16、是战术导航设备的缩 写，它将测量方位和距离合成为一套装置。塔康和全向信标合建，称 伏尔塔康。其方位和距离信息，也可供民用飞机的机载全向信标接收 机和测距接收设备接收；军用飞机则用塔康接收设备接收。塔康和伏 尔塔康台的设置以及台址的选择，和全向信标/测距仪台的要求相同。4罗兰系统(LORAN)远距导航系统。20世纪80年代航空上使用 的主要是 罗兰-C。罗兰-C系统由一个主台和两个至四个副台组成 罗兰台链。罗兰-C系统的有效作用距离，在陆上为 2000公里，在 海面上为3600公里。主台和副台间的距离可达到 1400公里。按所 定管辖地区的要求，设置主台和副台；并按一般的长波导航台选址要 求进行

17、选址。5奥米加导航系统(OMEGA)。和罗兰-C一样，是一种远程双曲线 相位差定位系统。由于选用甚低频波段的 1014千赫工作，作用距 离可以很远，两台之间的距离可达 900010800公里。只要有8个 发射台，输出功率为10千瓦，即可覆盖全球。罗兰系统和奥米加导 航系统不是一个飞机场的导航设施，而是半个地球的甚至是全球性的 导航设施。飞机场终端区导航 归航台着陆引导设施。飞机接收导航台的无线 电信号，进入飞机场区，对准跑道中心线进近着陆，这样的导航台称 归航台。归航台建在跑道中心线延长线上。距跑道入口的距离为1000 米左右的称近距归航台（简称近台）；距离为 7200米左右的称远距 归航台（

18、简称远台）。归航台一般都和指点标台合建。指点标台标出 该台与跑道入口的距离。在一个降落方向上，只设置一座归航台的（不 论是近台还是远台）称单归航台着陆引导设施；如果有近台和远台， 则称双归航台着陆引导设施。归航台的选址要求基本上和航路上导航 台相同。由于飞机的速度越来越快，机载设备越来越先进，因此归航 台引导着陆在中国飞机场已逐步淘汰。2全向信标/测距仪台（VOR/DME）除可用在航路上作为导航设备 外，也可用作机场终端区导航设备。这时，该台应设在跑道中心附近， 距跑道中心线不少于150米、距滑行道中心线不少于75米。对周围 地形、地物的技术要求，和用作航路导航台时相同。该台也可布置在 指定穿

19、云转弯点处，以引导飞机穿云下降。3仪表着陆系统（ILS）。是20世纪70年代国际上通用的着陆引导设 备。由航向台（LOC）、下滑台（G/P）、外指点标台（OM）、中指点标台 （MM）和内指点标台（IM）组成。航向台向飞机提供航向引导信息； 下滑 台向飞机提供下滑道引导信息；外、中、内指点标台则分别向飞机提 供飞机距跑道入口距离的信息。仪表着陆系统中，各台台址和跑道间的相互关系如图 飞机场着陆引 导设备台站平面布置图（以一个着陆方向为例）所示。在下述距离 范围内，按技术要求选定。航向台设在跑道中心线延长线上、距跑道 终端约200900米，具体位置取决于天线阵前方的场地，天线阵的 安装高度和天线所

20、发射的场型。下滑台设在跑道的任一侧。距跑道中 心线120200米 距跑道入口约300450米,具体位置取决于下滑 天线前方场地的坡度、场地前方障碍物的高度和下滑角的大小。外、 中、内指点标台均设在跑道中心线延长线上，外台距跑道入口7200300米；中台1050150米;内台300450米。在指点标台安 装有困难的地方，可在飞机场内下滑台处安装精密测距仪， 用以起到 相当于指点标台的作用。仪表着陆系统中各台的修建，除了确定各台 的位置外，尚须根据各台所发射的场型分别定出各台天线场地的大小 和对周围地形、地物的技术要求。航向台和下滑台的技术要求比较严 格，地形要平坦，不被水淹,坡度不大于1%;要防

21、止和避开二次辐射 体的干扰；对架空线路、道路、车辆、飞机、栅栏、金属和非金属物 体等都有不同的距离要求。仪表着陆系统的运用性能分为三类：1类引导飞机下降到 60米的决断高度，并在跑道视程不少于800米的条件下，成功地进行进近；H 类引导飞机下降到30米的决断高度，并在跑道视程不少于400米的 条件下，成功地进行进近；皿类又分皿类A、皿类B和皿类C。皿类A 没有决断高度的限制，在跑道视程不少于 200米的条件下，在着陆的 最后阶段，借助外部目视设施，降落在跑道上，并沿跑道滑行。皿类 B与皿类A同，但跑道视程为不少于50米，不带外部目视设施引导 飞机到跑道；之后借助外部目视设施在跑道上滑行。皿类

22、C没有决断高度的限制，不借助外部目视设施引导飞机至跑道和在滑行道滑行。4地面指挥引进系统。由飞机场监视雷达（ASR）和精密进近雷达 （PAR）组成。没有飞机场监视雷达则不能称地面指挥引进系统，只能 称精密进近雷达（也称着陆雷达）。（a） 着陆雷达在复杂气象条件下引导飞机着陆的辅助设备。有效作用距离,在中雨天气时不少于15公里;一般天气不少于35公里。作用范 围：水平面为左右10 ；垂直面为-1 8。在着陆雷达有效区域的飞 机，根据飞机回波偏离雷达显示器上理想航向线和下滑线的相对位置 以及飞机到着陆点的距离，用无线电话指挥飞机下降到决断高度 ，然后驾驶员用目视着陆。着陆雷达的布置，在一般情况下，

23、只要跑道足够 长，在一条跑道两个降落方向上都可使用同一设备。其位置一般定在 跑道的中间、距跑道中心线120185米。（b） 飞机场监视雷达。用来辨别 监视和调配飞机场场区飞行动态。其 位置与航管楼距离不要超过设备电缆所允许的长度（一般不超过 2000米），设在开阔和不被水淹地方，应保证视界遮蔽仰角不得大 于0.5。对别的雷达设备、测距仪和全向标台等应分别保持一定距离。5微波着陆系统。由方位引导 仰角引导和拉平仰角引导等设备所组成。方位引导是在水平面上可在跑道中心线每边 2060区域内提 供任意要求的航道，仰角引导是在垂直面上可以提供许多下滑道 （如从115 ），拉平仰角引导基本原理与仰角引导相

24、同， 但所发射的是 更窄 更薄的波瓣，以便为拉平阶段的飞机提供精确的仰角引导信息， 该系统具有提供精密测距信息的能力。微波着陆系统工作在微波波 段，空间扫描的波瓣主要依靠天波来形成，受地形和地物的影响较小， 因此具有仪表着陆系统无法比拟的高精度、高稳定性、易架设、易调 整等优点。随着电子计算技术、各类导航设施和传输手段的提高、 发展而成为自 动化空中交通管制系统。航路系统把以前人工获取和处理信息的方法 改变为自动化设施 装有应答机的飞机提供连续的高度和标记信息， 全部信息输入计算装置进行处理，及时修正飞行数据，并以自动目标 跟踪的字母数字形式显示在雷达显示器上， 将能做到复杂交通的自动 预示和预先规划交通流量。在航站区，自动雷达航站系统 （ARTS）提供一次雷达目标和信息雷达目标两者的自动跟踪， 在雷达显示器上显 示每架飞机的字母数字信息。自动化系统能更快速、更精确地进行空 中和航站管制。（见彩图甚高频全向信标台 无线电导航设备之 一（厦门航空港）