現(xiàn)代導(dǎo)航系統(tǒng)與方法

9現(xiàn)代導(dǎo)航系統(tǒng)與方法

傳統(tǒng)導(dǎo)航：利用NDB、VOR、DME等無線電導(dǎo)航設(shè)備實施導(dǎo)航，其航線計劃是按逐臺飛越的原則編排的，其航線就是導(dǎo)航臺之間的連線，飛行中采用從一個導(dǎo)航臺飛向另一個導(dǎo)航臺的傳統(tǒng)導(dǎo)航方法；無線電定位只能定出相對于電臺的位置。這種束縛于導(dǎo)航臺的傳統(tǒng)的航線結(jié)構(gòu)和導(dǎo)航方法，存在著很大的局限性，限制了飛行流量的增加。

區(qū)域?qū)Ш?RNAV-AreaNavigation)：隨著奧米伽導(dǎo)航、多普勒雷達(dá)、慣性導(dǎo)航的使用，導(dǎo)航手段發(fā)生了根本的變化。無線電定位或其他定位方法可以定出飛機(jī)的絕對位置(地理坐標(biāo))和/或飛機(jī)相對于計劃航線的位置(航線坐標(biāo))，從實踐和設(shè)備上不需飛向或飛越導(dǎo)航臺，因而航線可以由不設(shè)導(dǎo)航臺的航路點(diǎn)之間的線段連接而成，使得航線編排更加靈活。國際民航組織(ICAO)在1991年提出了新航行系統(tǒng)(FANS)和區(qū)域?qū)Ш?RNAV)的概念。應(yīng)用區(qū)域?qū)Ш郊夹g(shù)，能夠提高空域容量，減輕管制員和飛行員的工作負(fù)荷，減少飛行延誤，提高空域運(yùn)行效率。

發(fā)展歷程：早期的區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)采用與傳統(tǒng)的地基航路和程序相似的方式，通過分析和飛行測試確定所需的區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)及性能。對于陸地區(qū)域?qū)Ш竭\(yùn)行，最初的系統(tǒng)采用VOR和DME來進(jìn)行定位；對于洋區(qū)運(yùn)行，則廣泛采用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。在不斷的實踐中，這樣的新技術(shù)已逐步通過了開發(fā)、評估和認(rèn)證?；诖?，國際民航組織在附件11《空中交通服務(wù)》和《航空器運(yùn)行手冊》(DOC8168)中提出了部分區(qū)域?qū)Ш皆O(shè)計和應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)和建議。美國和歐洲等航空發(fā)達(dá)國家和地區(qū)已經(jīng)積累了豐富的區(qū)域?qū)Ш綉?yīng)用經(jīng)驗，但由于缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和指導(dǎo)手冊，各地區(qū)采用的區(qū)域?qū)Ш矫?guī)則、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和運(yùn)行要求并不一致，如美國RNAV類型分為A類和B類，歐洲RNAV類型分為P-RNAV和B-RNAV。

所需導(dǎo)航性能(RNP-RequiredNavigationPerformance)：根據(jù)RNAV運(yùn)行過程中出現(xiàn)的問題，提出了所需導(dǎo)航性能(RNP)概念。RNP概念是1991-1992年間由FANS委員會向國際民航組織提出，在1994年，國際民航組織正式頒布RNP手冊(Doc9613-AN/937)。在此基礎(chǔ)上，ICAO及其成員國設(shè)計了基于RNP的區(qū)域?qū)Ш胶铰贰?/p>

基于性能的導(dǎo)航(PBN-PerformanceBasedNavigation)：是國際民航組織(ICAO)提出的一種新型飛行運(yùn)行方式和空中交通管理概念，對民航實現(xiàn)持續(xù)安全、增加空域容量、減少地面導(dǎo)航設(shè)施投資、提高節(jié)能減排和環(huán)保效果等具有重要作用，是我國民航建設(shè)新一代航空運(yùn)輸系統(tǒng)的核心技術(shù)之一，對中國民航的機(jī)場建設(shè)、導(dǎo)航設(shè)施布局和空域使用將產(chǎn)生重大影響。

基于性能的導(dǎo)航(PBN)：為統(tǒng)一認(rèn)識并指導(dǎo)各締約國實施新技術(shù)，經(jīng)過多個國家及國際組織眾多技術(shù)、運(yùn)行專家多年的努力，ICAO于2007年3月發(fā)布了《基于性能導(dǎo)航PBN手冊》(ICAODoc9613終審稿)，用以規(guī)范區(qū)域?qū)Ш降拿?、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并指導(dǎo)各國實施該新技術(shù)，它統(tǒng)一確定了PBN的導(dǎo)航標(biāo)準(zhǔn)，為各國家及地區(qū)、各導(dǎo)航服務(wù)提供商和空域使用者提供了如何在PBN的統(tǒng)一架構(gòu)下實施RNAV和RNP運(yùn)行的指南，也為RNAV和RNP需求規(guī)劃了全球協(xié)同一致的長遠(yuǎn)目標(biāo)。9.1新航行系統(tǒng)

新航行系統(tǒng)(FANS-FutureAirNavigationSystem)：是通信/導(dǎo)航/監(jiān)視/空中交通管理(CNS/ATM)的簡稱。它是為取代現(xiàn)行航行系統(tǒng)，以在全球范圍內(nèi)更有效地利用空間而由國際民航組織提出的?！靶翪NS/ATM系統(tǒng)”概念于1992年9月在ICAO航行委員會第10次會議上被采納。該系統(tǒng)是新一代通信、導(dǎo)航、監(jiān)視和空中交通管理系統(tǒng)，它克服了現(xiàn)行航行系統(tǒng)的不足和限制，滿足了民航進(jìn)入21世紀(jì)的需要，為航空運(yùn)輸提供了高質(zhì)量的通信、導(dǎo)航、監(jiān)視(CNS)和空中交通管理(ATM)服務(wù)。CNS/ATM系統(tǒng)的使用可降低機(jī)場的飛機(jī)起降時間間隔，使起降路線機(jī)動靈活，使更多的飛機(jī)以最佳航線和高度飛行，并且可以減少飛機(jī)延誤，增大流量，增加飛機(jī)起飛降落的安全性。

CNS/ATM包括4大要素：即通信(C)、導(dǎo)航(N)、監(jiān)視(S)和空中交通管理(ATM)。對于導(dǎo)航來說就是采用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)來提供全球覆蓋并用于區(qū)域?qū)Ш健⑺鑼?dǎo)航性能及基于性能的導(dǎo)航，實施航路、進(jìn)/離場及進(jìn)近的引導(dǎo)。9.1.1新航行系統(tǒng)的目的和實質(zhì)

新CNS/ATM4大要素中，CNS是硬件，ATM是軟件，兩者必須協(xié)調(diào)配套，才能充分發(fā)揮功能和獲得經(jīng)濟(jì)效益。9.1.1.1新航行系統(tǒng)的目的(1)利用新技術(shù)適應(yīng)未來航行的需求，提高系統(tǒng)容量；(2)覆蓋海洋、邊遠(yuǎn)地區(qū)和高高度，形成連續(xù)無間隙覆蓋；(3)實現(xiàn)數(shù)字式數(shù)據(jù)交換，改善信息傳輸管理，提高空中交通管理自動化，創(chuàng)造靈活高效的飛行環(huán)境；(4)提高交通管制的實用性、應(yīng)變性，從程序管制過渡到監(jiān)視管制，獲得更好的動態(tài)空域；(5)擴(kuò)展監(jiān)視作用，保證在安全目標(biāo)下縮減飛行間隔，更有效地利用空域；(6)提高精密定位能力，實現(xiàn)四維區(qū)域?qū)Ш?，擴(kuò)展短捷直飛航線，擴(kuò)大飛機(jī)運(yùn)行自由度，節(jié)約飛行時間和燃油；(7)對各種環(huán)境的適應(yīng)性，包括不同空城、不同交通流量、不同機(jī)載設(shè)備、不同地面設(shè)施，并能適應(yīng)多種用戶，具有全球飛行跨區(qū)或飛越國境的適應(yīng)性。9.1.1.2新航行系統(tǒng)的實質(zhì)

新航行系統(tǒng)實質(zhì)：就是以星基為主的全球CNS系統(tǒng)加上自動化的ATM系統(tǒng)，即衛(wèi)星應(yīng)用+數(shù)據(jù)鏈+計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。全球CNS系統(tǒng)的關(guān)鍵問題就是衛(wèi)星應(yīng)用問題，ATM系統(tǒng)的關(guān)鍵問題是數(shù)據(jù)化、計算機(jī)處理及聯(lián)網(wǎng)問題。9.1.2新航行系統(tǒng)的組成新航行系統(tǒng)由以下幾部分組成：

(1)通信(C)。對于通信，最關(guān)健在于雙向數(shù)據(jù)傳輸，與飛機(jī)的話音和數(shù)據(jù)通信將采用直接的衛(wèi)星-飛機(jī)數(shù)據(jù)鏈；在終端區(qū)以及不存在視線限制問題的區(qū)域也使用VHF和S模式二次監(jiān)視雷達(dá)。

(2)導(dǎo)航(N)。逐步引入?yún)^(qū)域?qū)Ш侥芰?、并使其符合所需?dǎo)航性能(RNP)標(biāo)準(zhǔn)；采用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)來提供全球覆蓋并用于飛機(jī)航路導(dǎo)航和進(jìn)離場、進(jìn)近著陸；微波著陸系統(tǒng)(MLS)或差分衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(DGNSS)將取代ILS；NDB、VOR、DME將逐步退出導(dǎo)航領(lǐng)域；保留慣性導(dǎo)航并發(fā)展與衛(wèi)星導(dǎo)航的組合系統(tǒng)，用于導(dǎo)航。

(3)監(jiān)視(S)。采用自動相關(guān)監(jiān)視(ADS)，即通過衛(wèi)星或其他通信鏈向空管中心自動發(fā)送其位置及其他相關(guān)數(shù)據(jù)，飛機(jī)位置將以目前的雷達(dá)顯示類似的方式顯示。ADS的一個重要特殊性是不僅向空管中心發(fā)送位置數(shù)據(jù)，而且還發(fā)送如飛機(jī)航向、速度、航路點(diǎn)等附加信息。

(4)空中交通管理(ATM)?？紤]空中和地面系統(tǒng)能力及運(yùn)行上經(jīng)濟(jì)的需要，對用戶提供空域利用上的最大靈活性；考慮飛機(jī)設(shè)備和運(yùn)行的目的、任務(wù)，盡可能靈活組織不同用戶之間分享空域，改進(jìn)對用戶提供的信息，提高自動化水平?？罩薪煌ü芾硎枪芾眢w制、配套設(shè)施及其應(yīng)用軟件的組合。9.1.3新航行系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

(1)CNS/ATM是以衛(wèi)星導(dǎo)航、衛(wèi)星和數(shù)據(jù)通信技術(shù)為基礎(chǔ)，可在全球范圍內(nèi)對飛機(jī)航行的各階段實施準(zhǔn)確、實時有效的導(dǎo)航、監(jiān)視和自動化管理；

(2)新系統(tǒng)突出了數(shù)據(jù)通信的特點(diǎn)，使地面系統(tǒng)與機(jī)載系統(tǒng)間的通信更準(zhǔn)確、實時，減少了人為造成錯誤的可能性，大大增加了通信的保密性，提高了飛行安全；

(3)新航行系統(tǒng)的導(dǎo)航以覆蓋全球的GNSS為核心，為航路、終端和非精密進(jìn)近提供了高精度、高完善性的導(dǎo)航服務(wù)，DGNSS還可用于精密進(jìn)近程序，因而減少了導(dǎo)航設(shè)備；

(4)新航行系統(tǒng)的自動相關(guān)監(jiān)視將精確的衛(wèi)星導(dǎo)航與數(shù)據(jù)通信結(jié)合起來，空中交通管制中心對空中動態(tài)在全面、實時、準(zhǔn)確掌握的同時，使地面設(shè)備的需要量大大減少，節(jié)約大量的基礎(chǔ)建設(shè)費(fèi)，也減少了對地面設(shè)備維護(hù)的費(fèi)用；

(5)新航行系統(tǒng)的自動化空中交通管理能力以新型的通信、導(dǎo)航和監(jiān)視為基礎(chǔ)，為飛機(jī)提供最佳飛行剖面和靈活的流量控制，使飛行時間縮短，降低運(yùn)營成本，提高了安全性，減少了飛機(jī)延誤，提高了航班正點(diǎn)率。9.2區(qū)域?qū)Ш?、所需?dǎo)航性能及基于性能的導(dǎo)航9.2.1區(qū)域?qū)Ш?RNAV)

區(qū)域?qū)Ш?RNAV)定義：是一種導(dǎo)航方法，允許飛機(jī)在臺基導(dǎo)航設(shè)備的基準(zhǔn)臺覆蓋范圍內(nèi)或在自主導(dǎo)航設(shè)備能力限度內(nèi)或兩者配合下按任何希望的飛行路徑運(yùn)行。其中臺基導(dǎo)航設(shè)備包括傳統(tǒng)的以地面電臺為基礎(chǔ)的陸基導(dǎo)航設(shè)備和以衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為基礎(chǔ)的星基導(dǎo)航設(shè)備。區(qū)域?qū)Ш讲粌H是一種導(dǎo)航方法，同時也涉及航路結(jié)構(gòu)和空域環(huán)境。

傳統(tǒng)的航路結(jié)構(gòu)：是基于連接地基導(dǎo)航設(shè)備限定的各個固定航路點(diǎn)的航路航線縱橫交錯而成。隨著機(jī)裁設(shè)備的不斷更新、日漸復(fù)雜和精確，傳統(tǒng)的航路系統(tǒng)就空域使用和機(jī)載設(shè)備能力的應(yīng)用而言顯得越來越缺乏經(jīng)濟(jì)性、靈活性和高效性。20世紀(jì)70年代后期，隨著流量逐步增長，延誤和空域擁擠問題已成為航空界關(guān)注的焦點(diǎn)，提高空管系統(tǒng)容量已成為一個亟待解決的問題，解決這一問題最好的方法之一就是在航路飛行階段更好地利用新一代機(jī)載導(dǎo)航系統(tǒng)。新一代機(jī)裁導(dǎo)航系統(tǒng)具備不依賴于地基導(dǎo)航設(shè)備而在任意兩點(diǎn)之間精確飛行的能力，這就是區(qū)域?qū)Ш降母拍睢?0世紀(jì)80年代初期，航電技術(shù)已發(fā)展到能夠?qū)崿F(xiàn)區(qū)域?qū)Ш降某潭?。?998年以后，歐洲率先實施了基礎(chǔ)的區(qū)域?qū)Ш紹-RNAV(Basic-RNAV)，B-RNAV實施是向所有航路飛行階段實施區(qū)域?qū)Ш竭\(yùn)行的第一步過渡。9.2.1.1區(qū)域?qū)Ш绞褂玫膶?dǎo)航系統(tǒng)

根據(jù)目前所用導(dǎo)航系統(tǒng)，可用于區(qū)域?qū)Ш降南到y(tǒng)有：

(1)VOR/DME。這種導(dǎo)航系統(tǒng)是最簡單的設(shè)備。由飛行員選定一個VOR/DME臺，算出方位和距離，作為下一個航路點(diǎn)的位置，使飛機(jī)根據(jù)VOR方位變化飛向該航路點(diǎn)。但此種設(shè)備受限于所選臺的覆蓋范圍和接收距離。要批準(zhǔn)將此設(shè)備用作RNAV，必須在航路上有足夠的VOR/DME臺覆蓋，能收到50nmile以內(nèi)的電臺；計算機(jī)至少能接收并對3個預(yù)定航路點(diǎn)進(jìn)行計算。

(2)DME/DME。目前在陸地上飛行的飛機(jī)一般認(rèn)為采用多臺DME作位置更新的飛行管理系統(tǒng)最為精確。位置信息的質(zhì)量取決于DME/DME雙臺對飛機(jī)的幾何位置關(guān)系和接收距離，所以在有較多DME臺覆蓋并可以選取較好組合時，此系統(tǒng)極為可靠。

(3)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS/IRS)。慣性導(dǎo)航完全是靠機(jī)載的自主設(shè)備實現(xiàn)導(dǎo)航，其導(dǎo)航計算機(jī)都具有RNAV計算能力，可以輸出精確的現(xiàn)在位置、導(dǎo)航數(shù)據(jù)、駕駛指令和飛機(jī)的姿態(tài)航向信息；缺點(diǎn)是精度隨時間增加變差。現(xiàn)代飛機(jī)上一般裝有2套或3套慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，而且目前很多都與其他導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行了組合，因而成為目前理想的RNAV設(shè)備。

(4)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)。全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是由機(jī)載設(shè)備接收天空中24顆衛(wèi)星發(fā)射的信號而定位的獨(dú)立導(dǎo)航系統(tǒng)，是一種具有高可靠性、高準(zhǔn)確性、全球覆蓋的導(dǎo)航系統(tǒng)，符合單一導(dǎo)航手段，完全滿足國際民航組織對RNAV的技術(shù)要求。當(dāng)前的GPS和GLONASS的誤差都在100m以內(nèi)，不僅能供航路導(dǎo)航，而且能供終端區(qū)域?qū)Ш胶头蔷苓M(jìn)近使用。如果其完好性問題獲得進(jìn)一步解決，它也將是理想的儀表進(jìn)近設(shè)備。9.2.1.2區(qū)域?qū)Ш降奶攸c(diǎn)

區(qū)域?qū)Ш?RNAV)的主要特點(diǎn)：是能夠脫離電臺臺址的束縛，便于編排希望的短捷飛行路徑，便于發(fā)揮多套組合及多種導(dǎo)航系統(tǒng)組合的優(yōu)勢。

區(qū)域?qū)Ш?RNAV)的特點(diǎn)反映在航線結(jié)構(gòu)上：RNAV的航線就是航路點(diǎn)系列組成的連線，這些航路點(diǎn)是脫離電臺臺址而自行定義的任何地理位置點(diǎn)，而傳統(tǒng)導(dǎo)航的航線是電臺臺址點(diǎn)系列組成的連續(xù)；

反映在定位方法上：RNAV定出的是飛機(jī)在地球上的絕對位置，傳統(tǒng)導(dǎo)航定出的是飛機(jī)相對于電臺的位置；

反映在導(dǎo)航計算方法上：RNAV按飛行計劃轉(zhuǎn)換到航線坐標(biāo)，算出向前方航路點(diǎn)飛行的已飛距離或待飛距離和航跡的側(cè)向偏離，所有的計算是在大圓航線上進(jìn)行的，而傳統(tǒng)導(dǎo)航的計算是在當(dāng)?shù)氐貓D投影平面上進(jìn)行的。

RNAV的主要優(yōu)點(diǎn)：包括航跡選擇靈活；減少陸空通話，減輕管制員、飛行員的工作負(fù)荷；便于駕駛員操作；充分利用空域，增加終端區(qū)容量。項目傳統(tǒng)導(dǎo)航區(qū)城導(dǎo)航航路結(jié)構(gòu)電臺-電臺構(gòu)成，逐臺飛行，從一個臺飛向下一個臺航路點(diǎn)-航路點(diǎn)構(gòu)成，可以逐點(diǎn)飛行，也可跳過航路點(diǎn)飛行依賴的導(dǎo)航設(shè)施NDB、VOR、DME……VOR/DME、DME/DME、INS(IRS)、GNSS機(jī)載設(shè)備組成無線電導(dǎo)航接收機(jī)導(dǎo)航傳感器+RNAV計算機(jī)(包括導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫)機(jī)載設(shè)備配置單套或雙套設(shè)備，中等精度，中等可靠性雙套或3套設(shè)備，提高精度，提高可靠性定位計算相對法：相對于電臺，平面上計算

絕對法：地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到航線坐標(biāo)，大圓航線計算9.2.1.3區(qū)域?qū)Ш筋愋?/p>

(1)RNAV10：RNAV10應(yīng)用于遠(yuǎn)洋和偏遠(yuǎn)缺少導(dǎo)航臺的區(qū)域。

(2)RNAV5：適用于陸地航路，屬于RNAV和傳統(tǒng)ATS航路的過渡和混合。導(dǎo)航源可以為GNSS、DME/DME、VOR/DME、INS/IRS、VOR，一般要求有雷達(dá)覆蓋和直接話音通信。該規(guī)范應(yīng)用于歐洲、日本、中東等地區(qū)。

(3)RNAV1＆RNAV2：主要用于有雷達(dá)監(jiān)視和直接陸空通信的陸地航路和終端區(qū)飛行。RNAV1導(dǎo)航規(guī)范適用于航路和終端區(qū)進(jìn)離場、進(jìn)近程序；RNAV2適用于航路和進(jìn)/離場。導(dǎo)航源為GNSS、DME/DME、DME/DME/IRU。我國天津、北京、上海(虹橋、浦東)、廣州、深圳、成都、沈陽、西安、烏魯木齊、臺灣海峽海上航路、京滬/京廣平行航路屬于RNAV1。導(dǎo)航規(guī)范飛行階段航路航路進(jìn)場進(jìn)近離場海洋/偏遠(yuǎn)陸地陸地起始中間最后復(fù)飛RNAV-10(RNP-10)10RNAV-555RNAV-2222RNAV-1111111RNP-44基本RNP-111111RNPAPCH110.31RNPARAPCH1-0.11-0.10.3-0.11-0.19.2.1.3區(qū)域?qū)Ш筋愋?/p>

9.2.1.4區(qū)域?qū)Ш皆?/p>

基本工作原理：計算機(jī)根據(jù)儲存的數(shù)據(jù)、各種傳感器的輸入數(shù)據(jù)來計算飛機(jī)位置，用經(jīng)緯度的形式給出飛機(jī)的絕對位置，也可以給出飛機(jī)相對于所選航線的相對位置，輸出的導(dǎo)航參數(shù)至飛行儀表、控制顯示單元，提供給飛行員目視信息。

導(dǎo)航計算機(jī)所需數(shù)據(jù)以3種不同的形式輸入：

(1)定期航線上的“硬”數(shù)據(jù)，它包括機(jī)場和VOR/DME等導(dǎo)航臺的位置、標(biāo)高，工作頻率等。這些數(shù)據(jù)一般存儲在“飛行數(shù)據(jù)存儲單元”中。

(2)有關(guān)航路點(diǎn)的“軟”數(shù)據(jù)，在飛行過程中它是可以輸入和修改的。

(3)從導(dǎo)航設(shè)備和空中傳感器得來的適時數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以從各種設(shè)備或傳感器連續(xù)得到。它們在計算機(jī)處理之前需要進(jìn)行模/數(shù)變換，再進(jìn)行輸入?！坝病睌?shù)據(jù)和“軟”數(shù)據(jù)存儲在穿孔卡、磁帶或磁盤上，通過自動存儲輸入單元輸入導(dǎo)航計算機(jī)中。導(dǎo)航計算機(jī)進(jìn)行導(dǎo)航計算后，輸出導(dǎo)航參數(shù)如已飛/末飛距離、偏航距離等，同時輸出導(dǎo)出的參數(shù)如預(yù)達(dá)時刻、地速、航跡角、偏航角等。

實現(xiàn)區(qū)域?qū)Ш蕉幹朴媱澓骄€時，必須向計算機(jī)輸入各航路點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，采用VOR/DMF導(dǎo)航時必須記憶導(dǎo)航臺的坐標(biāo)和頻率數(shù)據(jù)等。早期的導(dǎo)航計算機(jī)采用過各種光電讀入的小規(guī)模數(shù)據(jù)卡，它們只能存儲本次飛行的計劃航線數(shù)據(jù)；后來采用了多次飛行用的較為永久性的中規(guī)模導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫；隨著空中交通密度的增大，終端區(qū)飛機(jī)起降頻繁，所需航行資料極其龐大，因顯示技術(shù)、計算機(jī)芯片和存儲器技術(shù)的飛躍發(fā)展，導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫得以發(fā)展成大規(guī)模的新型產(chǎn)品，既能適應(yīng)局部地區(qū)的應(yīng)用，也能適應(yīng)全球飛行的應(yīng)用。導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫包括“硬”數(shù)據(jù)和“軟”數(shù)據(jù)，有的數(shù)據(jù)要進(jìn)行定期更新，國際民航組織對全球?qū)Ш綌?shù)據(jù)庫規(guī)定每28天更新一次。各公司生產(chǎn)的導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫只能配合它自己生產(chǎn)的導(dǎo)航系統(tǒng)使用，其編碼方法和寫入程序都各自規(guī)定，不能用到其他公司的產(chǎn)品上。民航所用的導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫目前只限于離散點(diǎn)線數(shù)據(jù)，將來民航采用差分全球?qū)Ш较到y(tǒng)實現(xiàn)精密進(jìn)近著陸時，有可能采用跑道延長線上的地形剖面數(shù)據(jù)庫支持。導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用不僅限于飛機(jī)上，還可以用在飛行訓(xùn)練的模擬機(jī)上，用于飛行簽派室作飛行計劃及飛行準(zhǔn)備。9.2.2所需導(dǎo)航性能(RNP)

所需導(dǎo)航性能(RNP-RequiredNavigationPerformance)：是一種支持機(jī)載導(dǎo)航性能監(jiān)控和告警的區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)。它是航空器導(dǎo)航系統(tǒng)利用現(xiàn)代飛行計算機(jī)、全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)技術(shù)和創(chuàng)新的程序來確保航空器精確地沿著預(yù)定航道飛行的方法。RNP具有持續(xù)監(jiān)視和位置出現(xiàn)不確定時提供告警的能力，因此，RNP能確保精確的導(dǎo)航性能。RNP的航徑設(shè)計能夠縮短飛行距離，減小推力設(shè)定值，減少油耗、噪音和排放，使機(jī)場周邊區(qū)域和環(huán)境受益。此外，RNP的準(zhǔn)確性和全天候能力能夠極大地加強(qiáng)飛行安全。RNP是建立在RNAV基礎(chǔ)上的一種全新導(dǎo)航概念，引入了包容度的概念，以概率的形式控制和預(yù)測精度，并能隨時監(jiān)控航跡誤差。與傳統(tǒng)導(dǎo)航技術(shù)相比，飛行員不必依賴地面導(dǎo)航設(shè)施就能沿著精確定位的航跡飛行，能使飛機(jī)在能見度極差的條件下安全、精確地著陸，大大提高了飛行的精確度和安全水平。9.2.2.1RNP類型

RNP類型由相關(guān)RNP空域的精度值決定。RNP的精度以海里數(shù)表示；在95%的時間內(nèi)能處于其中；RNP包容區(qū)為中心線兩側(cè)各2x；數(shù)值越小，精度越高，分別為10、5、4、2、l、0.5、0.3，甚至0.15。導(dǎo)航規(guī)范飛行階段航路航路進(jìn)場進(jìn)近離場海洋/偏遠(yuǎn)陸地陸地起始中間最后復(fù)飛RNAV-10(RNP-10)10RNAV-555RNAV-2222RNAV-1111111RNP-44基本RNP-111111RNPAPCH110.31RNPARAPCH1-0.11-0.10.3-0.11-0.19.2.1.3區(qū)域?qū)Ш筋愋?/p>

RNP類型可提供精密儀表進(jìn)近和需考慮超障的離場。當(dāng)前只在經(jīng)過特別批準(zhǔn)的航空公司運(yùn)行的特別地區(qū)，比如阿拉斯加航空公司在朱諾機(jī)場的RNP運(yùn)行、我國國航西南公司在林芝機(jī)場的RNP運(yùn)行。RNP類型包括：

(1)RNP20類型：RNP20提供最低空域容量的ATS(空中交通管制服務(wù))。

(2)RNP12.6類型：RNP12.6有限用于缺少導(dǎo)航臺空域的優(yōu)化航路。在實際應(yīng)用中，RNP12.6和RNP20很少使用，也沒有這樣分類的空域。

(3)RNP10類型：RNP10應(yīng)用于遠(yuǎn)洋和缺少導(dǎo)航臺的偏遠(yuǎn)區(qū)域。RNP10并無機(jī)載性能監(jiān)視和告警功能要求，概念等同于RNAV10，這是源于RNP10名稱已在國際上普遍使用。最早用于北太平洋、Tasman海。在地面導(dǎo)航、通信和監(jiān)視設(shè)備可用的情況下，允許的最低航路橫向間隔為50nmile；該導(dǎo)航規(guī)范不需要任何陸基導(dǎo)航設(shè)施，但需裝有至少兩套機(jī)載遠(yuǎn)程導(dǎo)航系統(tǒng)(IRS/FMS、INS、GNSS)，慣導(dǎo)更新不得超過6.2h。目前RNP10已應(yīng)用于南中國海/三亞情報區(qū)、北大西洋和中、北太平洋運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)。

(4)RNP5類型：目前在歐洲空域，RNP5是絕大多數(shù)航空運(yùn)輸運(yùn)行要求的標(biāo)準(zhǔn)，也被稱為B-RNAV(基本區(qū)域?qū)Ш?，RNP5是過渡性標(biāo)準(zhǔn)，起源于RNP4，該標(biāo)準(zhǔn)允許實施RNP程序來使用目前的導(dǎo)航設(shè)備而無需改變航路結(jié)構(gòu)。這旨在使空域設(shè)計和有利于潛在使用者方面有著更大的靈活性，如更多的直飛航路和更省油。RNP5可通過傳統(tǒng)的航路導(dǎo)航設(shè)備(如VOR/DME)來實現(xiàn)。

(5)RNP4類型：RNP4應(yīng)用于海洋和偏遠(yuǎn)地區(qū)。RNP4被設(shè)計用于一定距離的導(dǎo)航臺之間航路和空域，通常在大陸空域。最早用于太平洋某些區(qū)域。它要求有兩套GNSS接收機(jī)，要求有直接通信或CPDLC(管制員和駕駛員數(shù)據(jù)鏈通信)、ADS-C(自動相關(guān)監(jiān)視－合同式)，使用GNSS的RAIM(接收機(jī)自體完好性監(jiān)測)功能來保障完好性，以支持30nmile最低航路間隔標(biāo)準(zhǔn)。我國的L888航路、西寧-玉樹、拉薩-成都平行航路屬于該類型。

(6)RNP2類型：國際民航組織制定中。

(7)RNP1類型：RNP1是指以計劃航跡為中心，側(cè)向(水平)寬度為±1nmile的航路，包括基本RNP1和高級RNP1?；綬NP1適用于航路和終端區(qū)，該導(dǎo)航規(guī)范旨在建立低到中等交通密度且無雷達(dá)覆蓋區(qū)域的航路和終端區(qū)程序；GNSS是基本RNP1的主要導(dǎo)航源，使用GNSS的RAIM功能來保障完好性；使用基于區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)的DME/DME導(dǎo)航則需要嚴(yán)格的安全評估。高級RNP1由國際民航組織制定中。RNP1提供最精確的位置信息以支持靈活航路。從機(jī)場終端區(qū)到航路，對運(yùn)行、進(jìn)離港程序、空域管理都極為有益。RNP1也可稱為精密RNAV(P-RNAV)，目前僅有限地應(yīng)用于特定空域。

RNPAPCH-包括RNP進(jìn)近程序，以及直線進(jìn)近階段RNAV(基于GNSS)進(jìn)近程序、精度值一般為0.3。GNSS是RNP進(jìn)近程序的主要導(dǎo)航源，飛行操作誤差(FTE)是誤差的主要部分；程序設(shè)計時需要考慮由于衛(wèi)星失效或機(jī)載監(jiān)控和告警功能喪失導(dǎo)致失去RNP進(jìn)近能力的可接受性。復(fù)飛航段可以使用RNAV或傳統(tǒng)導(dǎo)航程序。該導(dǎo)航規(guī)范不包括相關(guān)的通信和監(jiān)視要求。RNPAPCH于2009年12月在中國民航飛行學(xué)院的綿陽機(jī)場進(jìn)行試驗。

RNPARAPCH-特殊授權(quán)的RNP進(jìn)近程序。特點(diǎn)是進(jìn)近程序、航空器和機(jī)組需要得到局方特殊批準(zhǔn)。一般用于地形復(fù)雜、空域受限且使用該類程序能夠取得明顯效益的機(jī)場，精度值一般在0.3～0.1之間。RNPARAPCH只允許使用GNSS作為導(dǎo)航源，應(yīng)對實際能夠達(dá)到的RNP精度進(jìn)行預(yù)測。該規(guī)范不包括相關(guān)的通信和監(jiān)視要求。拉薩、林芝、麗江、黃山、延吉、邦達(dá)等高原或地形復(fù)雜地區(qū)機(jī)場已經(jīng)使用了RNPARAPCH這種技術(shù)。高原機(jī)場常使用的RNP值為0.3，所需要的保護(hù)區(qū)為中心線每側(cè)0.6nmile，總寬度為1.2nmile(2222m)。9.2.2.2RNP容量參數(shù)

確定水平范圍內(nèi)的總系統(tǒng)誤差(TSE)就決定了RNP類型，它包括側(cè)向和縱向范圍兩個部分。側(cè)向范圍方面：TSE被假設(shè)為飛機(jī)的真實位置和導(dǎo)航系統(tǒng)計劃的飛行航路中心線間的差異。RNP類型值就決定了航跡每側(cè)允許的距離誤差?？v向范圍方面：TSE被假設(shè)為到規(guī)定航路點(diǎn)的顯示距離和到該點(diǎn)真實距離的差異。RNP類型值決定了到規(guī)定航路點(diǎn)允許的距離誤差。所謂RNPX，就是95%總飛行時間不得偏移航道兩邊x海里。這就意味著95%總飛行時間內(nèi)航空器必須在“空域塊”內(nèi)。以規(guī)定的RNP1類型的航路為例，在95%總飛行小時內(nèi)，航空器真實位置必須保證在規(guī)定航跡或前或后、或左或右1nmile以內(nèi)，RNP1是指以計劃航跡為中心，側(cè)向(水平)寬度為±1nmile的航路。9.2.2.3RNP與RNAV的區(qū)別

RNP是在RNAV基礎(chǔ)上的進(jìn)一步提升：

1.通過使用GPS確保飛機(jī)位置的精確計算；

2.轉(zhuǎn)彎時，使用RF(至定位點(diǎn)半徑)航段保證飛機(jī)航跡的跟蹤能力；

3.機(jī)組能夠監(jiān)控飛機(jī)導(dǎo)航性能并在超出容限范圍時接到告警。RNAV和RNP系統(tǒng)關(guān)鍵的不同在于，RNP標(biāo)準(zhǔn)包含機(jī)載設(shè)備的監(jiān)視和告警導(dǎo)航性能要求，并能向飛行員顯示是否達(dá)到了預(yù)定運(yùn)行要求，而RNAV標(biāo)準(zhǔn)則不包括。

20世紀(jì)90年代，大多RNAV系統(tǒng)都提供了機(jī)載監(jiān)視和告警功能，促進(jìn)了導(dǎo)航標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展，進(jìn)而產(chǎn)生了RNP系統(tǒng)。RNP系統(tǒng)提高了運(yùn)行的完整性，使航路間距和保護(hù)區(qū)縮小、空域資源得到進(jìn)一步優(yōu)化。傳統(tǒng)航路、RNAV航路和RNP航路的區(qū)別

從發(fā)展的角度來看，導(dǎo)航應(yīng)用將由2D向3D/4D過渡，這就要求機(jī)載監(jiān)視與告警性能必須在垂直導(dǎo)航方面加以完善。雖然目前很多RNAV系統(tǒng)不具備監(jiān)視和告警功能，但同樣實現(xiàn)了很高的精度并具備多種RNP系統(tǒng)功能。因此，RNAV和RNP運(yùn)行將會共存多年，最后將逐漸轉(zhuǎn)換為RNP運(yùn)行。

RNAV標(biāo)準(zhǔn)和RNP標(biāo)準(zhǔn)都包含了對導(dǎo)航功能要求，這些功能要求包括：提供與航跡相關(guān)的飛機(jī)位置的連續(xù)指示、顯示各航路點(diǎn)的距離和方位、顯示過航路點(diǎn)的地速或時間、導(dǎo)航數(shù)據(jù)存儲功能、提供包括導(dǎo)航設(shè)備在內(nèi)的RNAV系統(tǒng)故障指示。9.2.3基于性能的導(dǎo)航(PBN)

基于性能的導(dǎo)航(PBN)：是隨著區(qū)域?qū)Ш?RNAV)系統(tǒng)的廣泛使用和發(fā)展而產(chǎn)生的一個新概念。它規(guī)定了區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)內(nèi)航空器沿ATS航路、儀表進(jìn)近程序和空域飛行時的性能要求，是通過空域運(yùn)行所需的精度、完整性、持續(xù)性、可用性和功能來確定的。

PBN運(yùn)行的兩個基本要素：是導(dǎo)航標(biāo)準(zhǔn)和支持系統(tǒng)運(yùn)行的導(dǎo)航設(shè)施。導(dǎo)航標(biāo)準(zhǔn)是在已定義的空域概念下對航空器和機(jī)組人員提出的一系列要求，定義了區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)所需要的性能及具體的功能要求。PBN的概念體現(xiàn)了導(dǎo)航方式從基于導(dǎo)航源到基于性能導(dǎo)航的轉(zhuǎn)變，導(dǎo)航標(biāo)準(zhǔn)不僅定義了性能要求，同時也定義了導(dǎo)航源和設(shè)備的選擇方式，能夠?qū)液瓦\(yùn)行者提供具體的實施指導(dǎo)?；谛阅艿膶?dǎo)航為任何特定的飛行運(yùn)行規(guī)定了明確的性能要求，它涉及從常規(guī)的陸基導(dǎo)航設(shè)備和程序到星基導(dǎo)航設(shè)備和區(qū)域?qū)Ш匠绦虻闹卮筠D(zhuǎn)變，它更加精確，并容許在兩個特定點(diǎn)之間有更短、更直達(dá)的航路以及更高效的起降，這能減少燃油消耗、機(jī)場和空域的擁擠以及航空器的排放。

隨著航空運(yùn)輸業(yè)的持續(xù)發(fā)展，傳統(tǒng)航路的局限性日趨嚴(yán)重。因此，不依賴于地基導(dǎo)航設(shè)備，可使航空器在兩點(diǎn)間沿任意需要的航路飛行的區(qū)域?qū)Ш郊夹g(shù)應(yīng)運(yùn)而生。也正是在區(qū)域?qū)Ш桨l(fā)展起來以后，由于缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和指導(dǎo)手冊，各地區(qū)所采用的RNAV命名規(guī)則、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和運(yùn)行要求千差萬別。為統(tǒng)一認(rèn)識并指導(dǎo)各地區(qū)實施新技術(shù)，ICAO提出了PBN的概念，以此來規(guī)范區(qū)域?qū)Ш降拿⒓夹g(shù)標(biāo)準(zhǔn)，從而停止非統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)散及使用，協(xié)調(diào)、統(tǒng)一RNAV系統(tǒng)的使用以確?；ネ?，并促進(jìn)區(qū)域?qū)Ш降娜蜻\(yùn)用。正是因為產(chǎn)生于區(qū)域?qū)Ш?RNAV)和所需導(dǎo)航性能(RNP)的基礎(chǔ)之上，PBN也涵蓋了RNAV和RNP的所有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。而PBN中最關(guān)鍵的要素也正是RNAV和RNP。9.2.3.1PBN的產(chǎn)生

(l)能夠精確地引導(dǎo)航空器，提高飛行運(yùn)行安全性；

(2)能夠提供垂直引導(dǎo)，實施連續(xù)穩(wěn)定的下降程序，減少可控飛行撞地(CFIT)的風(fēng)險；

(3)改善全天候運(yùn)行水平，提高航班正常性，保障地形復(fù)雜機(jī)場運(yùn)行的安全；

(4)實現(xiàn)靈活和優(yōu)化的飛行航徑，增加飛行業(yè)載，減少飛行時間，節(jié)省燃油；

(5)規(guī)避噪音敏感區(qū)，減少排放，提高環(huán)保水平；

(6)實施平行航路，增加終端區(qū)內(nèi)進(jìn)、離場航線定位點(diǎn)，提高交通流量；

(7)縮小航空器橫向和縱向間隔，增大空域容量；

(8)減少陸空話音通信和雷達(dá)引導(dǎo)需求，降低飛行員和管制員的工作負(fù)荷；

(9)減少導(dǎo)航基礎(chǔ)設(shè)施投資和運(yùn)行成本，提高運(yùn)行的整體經(jīng)濟(jì)效益。9.2.3.2PBN的作用及優(yōu)勢

PBN是空域概念的有機(jī)組成部分。它與監(jiān)視、通信和空中交通管理系統(tǒng)協(xié)同工作，共同構(gòu)建了空域的概念。在空域的環(huán)境中，PBN主要由導(dǎo)航基礎(chǔ)設(shè)施、導(dǎo)航規(guī)范和導(dǎo)航應(yīng)用三個要素組成：

1.導(dǎo)航基礎(chǔ)設(shè)施導(dǎo)航基礎(chǔ)設(shè)施主要包括：提供定位能力的地基導(dǎo)航設(shè)備(VOR、DME等)、空基導(dǎo)航設(shè)備(GNSS，包括GPS、GLONASS等)和機(jī)載導(dǎo)航設(shè)備(慣導(dǎo)等)。鑒于導(dǎo)航基礎(chǔ)設(shè)施是提供導(dǎo)航信息的基礎(chǔ)，根據(jù)ICAO的建議，每個國家在確定PBN需求時都需要考慮導(dǎo)航基礎(chǔ)設(shè)施的現(xiàn)狀和發(fā)展策略。9.2.3.3PBN的組成

2.導(dǎo)航規(guī)范導(dǎo)航規(guī)范：是指對能完成PBN運(yùn)行的航空器和機(jī)組的要求。要特別注意的是導(dǎo)航規(guī)范既定義了RNAV系統(tǒng)所需的性能要求，也包括為達(dá)到所要求的性能而對航空器和機(jī)組提出的要求。導(dǎo)航規(guī)范包括RNAV規(guī)范和RNP規(guī)范兩類。每個導(dǎo)航規(guī)范都詳細(xì)描述了對系統(tǒng)精度、完整性、可用性、連續(xù)性和功能的需求，以及對操作程序、機(jī)組培訓(xùn)和安全評估的要求。

導(dǎo)航規(guī)范的要求也不盡相同：相對簡單的規(guī)范可能不包含對機(jī)載導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫的要求(如RNAV5)；而稍微復(fù)雜的規(guī)范可能包括對機(jī)載性能監(jiān)視及告警的要求(如RNP)，以及固定半徑轉(zhuǎn)彎能力的要求(如RNPARAPCH)。每個導(dǎo)航規(guī)范都有一個標(biāo)記號，如RNAV5，RNP1，RNPAPCH，RNPARAPCH。標(biāo)記號中的數(shù)字表示以海里為單位的最小側(cè)向?qū)Ш骄?。?5%的飛行時間內(nèi)，航空器都必須保持在這個精度范圍內(nèi)。該導(dǎo)航精度限制了航空器系統(tǒng)中存在的各種誤差的總和(TSE)。

導(dǎo)航規(guī)范的性能要求主要包括以下幾個方面：

(1)精度：實際位置與預(yù)計或所需位置的差異；

(2)完整性：系統(tǒng)不能提供安全使用時及時告警的能力；

(3)可用性：整個系統(tǒng)在按預(yù)期步驟實施操作的情況下，能正常發(fā)揮功能的能力；

(4)連續(xù)性：導(dǎo)航系統(tǒng)在操作過程不中斷提供服務(wù)的能力。

ICAO導(dǎo)航規(guī)范被設(shè)計用于滿足全球的需求，并具有全球范圍內(nèi)的兼容性。目的是使在現(xiàn)有航空器和系統(tǒng)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)PBN的成本最低，影響最小。ICAO導(dǎo)航規(guī)范被各個國家作為適航性和運(yùn)行批準(zhǔn)的指南。每個國家可根據(jù)自己的需求從《PBN手冊》中選擇所發(fā)布的某種導(dǎo)航規(guī)范。當(dāng)某個國家在確定自己的需求時，不但要考慮現(xiàn)有機(jī)隊的功能和可用的導(dǎo)航基礎(chǔ)設(shè)施，還必須考慮與通信、監(jiān)視基礎(chǔ)設(shè)施和空中交通管理系統(tǒng)的兼容性。同時也應(yīng)清楚：每個導(dǎo)航規(guī)范都與某個特定的空域概念相對應(yīng)，即不同的空域運(yùn)行與導(dǎo)航標(biāo)準(zhǔn)間有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)，因為每個導(dǎo)航規(guī)范原本就是為某個特定的空域運(yùn)行而設(shè)計的。因此，在實施過程中，每次作出決定前，都應(yīng)該仔細(xì)審核備選的導(dǎo)航規(guī)范。運(yùn)行區(qū)域和導(dǎo)航規(guī)范對照表

序號運(yùn)行區(qū)域?qū)Ш揭?guī)范1洋區(qū)/邊遠(yuǎn)陸地RNAV10，RNP42航路/陸基導(dǎo)航設(shè)備RNAV53航路、SIDs、STARs（雷達(dá)條件下）RNAV1﹠24終端區(qū)（程序條件下）BASIC-RNP15進(jìn)近（無陸基導(dǎo)航設(shè)備）RNPAPCH，RNPARAPCH1.PBN既沿襲了RNP提出的獲得特定導(dǎo)航精度的要求，也包含了識別機(jī)組程序、區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)功能及導(dǎo)航設(shè)備能否獲得所需的導(dǎo)航性能等RNP概念中未要求的內(nèi)容。

2.PBN還針對RNP的不足，加強(qiáng)了對協(xié)同概念的描述，提供了完成指南和詳細(xì)的導(dǎo)航標(biāo)準(zhǔn)，并描繪了未來區(qū)域?qū)Ш綐?biāo)準(zhǔn)及導(dǎo)航應(yīng)用發(fā)展的全球框架，使RNAV系統(tǒng)使用的方式更明晰，提供了對空域的更有效的使用。9.2.3.4PBN的特點(diǎn)

慣性導(dǎo)航：是利用慣性敏感元件測量飛機(jī)相對慣性空間的線運(yùn)動和角運(yùn)動參數(shù)，在給定的運(yùn)動初始條件下，由計算機(jī)推算出飛機(jī)的姿態(tài)、方位、速度和位置等參數(shù)，從而引導(dǎo)飛機(jī)完成預(yù)定的航行任務(wù)。

慣性導(dǎo)航最主要的慣性敏感元件：是加速度計和陀螺儀。這兩種元件是根據(jù)牛頓力學(xué)定律測量飛機(jī)相對慣性空間的線運(yùn)動和角運(yùn)動參數(shù)的(新型陀螺如激光陀螺，工作原理不屬于牛頓力學(xué)原理范疇)。用這兩種慣性元件與其他控制元件、部件、計算機(jī)等組成測量系統(tǒng)、完成導(dǎo)航參數(shù)的測量，故稱為慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS-InertialNavigationSystem)，簡稱慣導(dǎo)系統(tǒng)。慣性導(dǎo)航是一種自主式的導(dǎo)航方法，慣導(dǎo)系統(tǒng)依靠自身的慣性敏感元件，不依賴任何外界信息測量導(dǎo)航參數(shù)，因而慣導(dǎo)系統(tǒng)的突出優(yōu)點(diǎn)是：①完全自主式的導(dǎo)航系統(tǒng)，不受氣象條件的限制，隱蔽性好，完全依靠機(jī)載設(shè)備自主完成導(dǎo)航任務(wù)；②系統(tǒng)校準(zhǔn)后短時定位精度高。9.3慣性導(dǎo)航

慣導(dǎo)系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是：①定位誤差隨時間而不斷增加，即存在積累誤差，一般為1.5～2kt，因而在長時間工作后，會產(chǎn)生不同程度的積累誤差；②陀螺、加速度計、計算機(jī)的精度要求高，成本也高。慣導(dǎo)系統(tǒng)按結(jié)構(gòu)可歸納為兩大類：一類是系統(tǒng)中有1～2個三軸陀螺穩(wěn)定平臺，加速度計和陀螺都安置在平臺上，這種系統(tǒng)稱為平臺式慣導(dǎo)系統(tǒng)；另一類是系統(tǒng)中沒有實際的陀螺穩(wěn)定平臺，加速度計和陀螺直接“捆綁”在機(jī)體上，“平臺”的概念是用計算機(jī)建立的“數(shù)學(xué)平臺”模型來替代的，這種系統(tǒng)稱為捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)。

慣導(dǎo)系統(tǒng)按采用的導(dǎo)航坐標(biāo)系也分為兩類：一類是采用當(dāng)?shù)厮阶鴺?biāo)系作為導(dǎo)航坐標(biāo)系，稱為當(dāng)?shù)厮綉T導(dǎo)系統(tǒng)；另一類是采用慣性坐標(biāo)系，即慣性平臺穩(wěn)定在慣性空間，稱為空間穩(wěn)定慣導(dǎo)系統(tǒng)，這種慣導(dǎo)平臺只有穩(wěn)定回路，不需要跟蹤回路。目前常用的是指北方位慣導(dǎo)系統(tǒng)、游動方位慣導(dǎo)系統(tǒng)等。

慣導(dǎo)系統(tǒng)測量的最基本的導(dǎo)航參數(shù)是地速和位置，其他參數(shù)均可由此推導(dǎo)得出。設(shè)飛機(jī)在地球表面的飛行距離不遠(yuǎn)，因而可認(rèn)為飛機(jī)在一個平面內(nèi)飛行，又假設(shè)飛機(jī)飛行時間不長，因而可認(rèn)為地球不轉(zhuǎn)，即不考慮地球的自轉(zhuǎn)運(yùn)動。在上述假設(shè)條件下，設(shè)想在飛機(jī)上做一個平面裝置即平臺，這個平臺的臺面始終平行于當(dāng)?shù)氐乃矫?。在這個平臺上，沿北－南方向放置一個加速度計Ay，沿東－西方向放置一個加速度計Ax。飛機(jī)起飛地點(diǎn)為直角坐標(biāo)系的原點(diǎn)。9.3.1慣性導(dǎo)航原理

9.3.1.1慣性導(dǎo)航系統(tǒng)

當(dāng)飛機(jī)起飛后，兩個加速度計可以隨時測出飛機(jī)沿北－南和東－西方向的線加速度。根據(jù)數(shù)學(xué)、物理學(xué)原理，加速度a對時間的一次積分即為速度。求得飛機(jī)沿x軸和y軸方向的速度x、y，即可得到飛機(jī)的即時速度(合成速度)。速度對時間的積分，即加速度對時間的二重積分，就可得距離。求得飛機(jī)沿x軸和y軸方向的距離x、y，即可合成而得出飛機(jī)在直角坐標(biāo)系上的位置。圖中x0、y0、?0、?0為起始坐標(biāo)值和起始初速度值。簡化慣導(dǎo)系統(tǒng)原理：飛機(jī)在飛行中只要測出飛機(jī)對地面運(yùn)動的水平加速度，利用積分器，經(jīng)一次積分可求得地速，再經(jīng)一次積分就可求得飛機(jī)飛行的距離，從而計算并確定出飛機(jī)的位置。

上述原理是假設(shè)地球表面為平面條件下闡述的，飛機(jī)的位置是用直角坐標(biāo)系來表示的。實際上，地球是一個橢球體，飛機(jī)的位置應(yīng)以緯度()、經(jīng)度()來表示。圖中R為地球半徑，、為飛機(jī)即時位置的緯度、經(jīng)度，E0、N0為起始東向、北向速度，0、0為起始點(diǎn)的緯度、經(jīng)度，E、N為飛機(jī)的即時東向、北向地速。

慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)(IRS-InertialReferenceSystem)：實質(zhì)上就是使用激光陀螺的捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，它是將陀螺和加速度計直接固聯(lián)于機(jī)體上的慣導(dǎo)系統(tǒng)。它沒有電氣機(jī)械平臺，是用計算機(jī)建立一個數(shù)學(xué)平臺來代替平臺式慣導(dǎo)系統(tǒng)中的電氣機(jī)械平臺實體。因此，用計算機(jī)建立數(shù)學(xué)平臺是慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)的關(guān)鍵問題。慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)可靠性較高、制造成本較低，因而得到了廣泛的應(yīng)用。9.3.1.2慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)

慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)的原理：導(dǎo)航加速度計和陀螺直接安裝在飛機(jī)上，用陀螺測量的角速度信息減去計算的導(dǎo)航坐標(biāo)系相對慣性空間的角速度，則得到機(jī)體坐標(biāo)系相對導(dǎo)航坐標(biāo)系的角速度，利用這個信息進(jìn)行姿態(tài)矩陣的計算。有了姿態(tài)矩陣，就可以把機(jī)體坐標(biāo)系軸向的加速度信息變換到導(dǎo)航坐標(biāo)系軸向，然后進(jìn)行導(dǎo)航計算。同時利用姿態(tài)矩陣的元素，提取姿態(tài)和航向信息。所以，姿態(tài)矩陣的計算、加速度信息的坐標(biāo)變換、姿態(tài)航向角的計算，這三項功能實際上就代替了導(dǎo)航平臺的功能。

1.慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的誤差：主要有陀螺儀和加速度計本身的誤差、安裝誤差和標(biāo)度誤差，系統(tǒng)的初始條件誤差，系統(tǒng)的計算誤差以及各種干擾引起的誤差等。由慣導(dǎo)系統(tǒng)原理可知，慣導(dǎo)系統(tǒng)在進(jìn)入正常的導(dǎo)航工作狀態(tài)之前，應(yīng)當(dāng)首先進(jìn)行系統(tǒng)的初始化工作。慣導(dǎo)系統(tǒng)的初始化包括給定初始條件、慣導(dǎo)平臺的初始對準(zhǔn)、陀螺儀的測漂和定標(biāo)。第一項內(nèi)容比較簡單，容易引入，在靜基座(地面)情況下，初始速度為零，初始位置為當(dāng)?shù)氐慕?jīng)、緯度；在動基座情況下，初始條件一般由外界提供；給定初始速度和位置的操作也簡單，只要將這些數(shù)值通過控制顯示器送入計算機(jī)即可。第三項內(nèi)容在陀螺性能比較穩(wěn)定的情況下，不需要每次啟動都進(jìn)行。而第二項內(nèi)容即慣導(dǎo)平臺的初始對準(zhǔn)，是將慣導(dǎo)平臺在系統(tǒng)開始工作時調(diào)整在所要求的坐標(biāo)系內(nèi)，使平臺水平精度達(dá)10、方位精度達(dá)2～5。作為初始對準(zhǔn)，除了精度要求外，對準(zhǔn)速度或時間也是非常重要的指標(biāo)。一般民航飛機(jī)所用慣導(dǎo)系統(tǒng)的對準(zhǔn)時間為15～20min，最短的大約10min。9.3.2慣性導(dǎo)航系統(tǒng)誤差及初始對準(zhǔn)

慣導(dǎo)系統(tǒng)的誤差源：有確定性和隨機(jī)性兩類，兩類誤差源引起的系統(tǒng)誤差特性不同。

(1)確定性誤差源引起的系統(tǒng)誤差特性慣導(dǎo)系統(tǒng)中確定性誤差源主要有陀螺儀和加速度計的安裝誤差、標(biāo)度誤差，初始條件誤差，系統(tǒng)的計算誤差等。確定性誤差源可以通過補(bǔ)償方法加以消除。

①安裝誤差。陀螺儀和加速度計安裝時由于安裝角度偏差而引起的誤差，稱為安裝誤差，如果陀螺儀有1的安裝誤差角，大約產(chǎn)生0.004/h的等效漂移；如果加速度計的安裝誤差角為3，飛機(jī)的運(yùn)動加速度為0.1g，則安裝誤差相當(dāng)于10-4g的加速度零位誤差。

②標(biāo)度誤差。加速度計和陀螺儀的輸出是脈沖，每一個脈沖信號代表一個速度增量qA(對加速度計)或一個角度增量qg(對陀螺儀)，qA稱為加速度計的標(biāo)度因子，qg稱為陀螺儀的標(biāo)度因子，qA和qg是通過測試確定的，并存在計算機(jī)內(nèi)。在工作過程中，每次采樣后，將采樣得到的脈沖數(shù)乘標(biāo)度因子就得到所要的增量。標(biāo)度誤差就是指在工作中的實際標(biāo)度因子和存放在計箅機(jī)內(nèi)的標(biāo)度因子可能不一致，從而引起的誤差。如陀螺儀的標(biāo)度誤差為0.001，則由它產(chǎn)生的等效陀螺漂移大約為0.01/h；如加進(jìn)度計的標(biāo)度誤差為0.001，飛機(jī)的軸向加速度為10-1g，則產(chǎn)生等效于10-4g的加速度計零位誤差。③初始條件誤差。由于初始條件不準(zhǔn)確而引起的系統(tǒng)誤差稱為初始條件誤差。初始條件誤差將引起常值的經(jīng)度誤差，以及系統(tǒng)其他振蕩誤差。

④計算誤差等。由于計算模型、計算速度及字長所引起的誤差稱為計算誤差。計算誤差通常包括量化誤差、不可交換性誤差、計算方法上的截斷誤差、計算機(jī)有限字長的舍入誤差。

(2)隨機(jī)性誤差源引起的系統(tǒng)誤差特性補(bǔ)償了確定性誤差源引起的誤差后，隨機(jī)誤差源就成為影響系統(tǒng)精度的主要誤差源。在隨機(jī)誤差源的作用下，慣導(dǎo)系統(tǒng)誤差是隨時間增大的。系統(tǒng)的隨機(jī)誤差源有很多，其中主要的有陀螺漂移的零位偏置和加速度計的零位偏置。

①陀螺漂移的零位偏置：是指陀螺由于隨機(jī)漂移而導(dǎo)致陀螺儀零位產(chǎn)生偏差。陀螺的隨機(jī)漂移除白噪聲外，主要的是有色噪聲，包括隨機(jī)常數(shù)、隨機(jī)斜坡、隨機(jī)游動和馬爾柯夫過程。

②加速度計的零位偏置：加速度計的零位產(chǎn)生偏差將引起系統(tǒng)誤差，加速度計的零位偏置是隨機(jī)的，這一隨機(jī)誤差是隨機(jī)偏置、隨機(jī)斜坡和兩種馬爾柯夫過程的組合。

2.慣導(dǎo)系統(tǒng)初始對準(zhǔn)。慣導(dǎo)系統(tǒng)必須進(jìn)行系統(tǒng)的初始對準(zhǔn)。通過光學(xué)或機(jī)電方法，將外部參考坐標(biāo)系引入平臺，使平臺對準(zhǔn)在外部提供的姿態(tài)基準(zhǔn)方向，稱為受控式對準(zhǔn)；利用慣導(dǎo)系統(tǒng)本身的敏感元件(陀螺和加速度計)測得的信號，結(jié)合系統(tǒng)原理進(jìn)行自動對準(zhǔn)，稱為自主式對準(zhǔn)。根據(jù)對準(zhǔn)精度不同，可把初始對準(zhǔn)過程分為粗對準(zhǔn)和精對準(zhǔn)。粗對準(zhǔn)是直接利用加速度計和陀螺儀的信號控制平臺或計算初始姿態(tài)陣，在較短的時間內(nèi)使平臺系大致對準(zhǔn)導(dǎo)航系或粗略地計算出初始姿態(tài)陣，在這一粗對準(zhǔn)步驟中，對準(zhǔn)精度沒有嚴(yán)格要求，但要求對準(zhǔn)速度快，即要求盡快將平臺對準(zhǔn)在一定的精度范圍內(nèi)，為下一步精對準(zhǔn)提供良好的條件；精對準(zhǔn)在完成粗對準(zhǔn)后即進(jìn)行，使之達(dá)到系統(tǒng)對準(zhǔn)的精度要求。自主對準(zhǔn)包括水平對準(zhǔn)和方位對準(zhǔn)，方位對準(zhǔn)是在水平對準(zhǔn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。

(1)慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)的對準(zhǔn)實質(zhì)慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)的一個關(guān)鍵問題是：在外場條件下，滿足環(huán)境條件與時間限制的初始對準(zhǔn)，即系統(tǒng)必須在飛機(jī)受陣風(fēng)、登機(jī)、裝載等各種干擾運(yùn)動的影響下，在較短的時間內(nèi)以一定的精度確定出從機(jī)體坐標(biāo)系到導(dǎo)航坐標(biāo)系的初始變換矩陣。所以，系統(tǒng)的初始對準(zhǔn)實質(zhì)就是確定初始時刻的姿態(tài)陣。

(2)慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)的對準(zhǔn)方法

①粗對準(zhǔn)：在這一階段，依靠重力矢量及地球速率矢量的測量值，直接估算從機(jī)體坐標(biāo)系到導(dǎo)航參考坐標(biāo)系的變換矩陣。

②精對準(zhǔn)：在這一階段，通過處理慣性儀表的輸出信號，精校計算的參考系與真實參考系間的小失準(zhǔn)角，建立精確的初始變換矩陣。

組成形式：慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)由慣性基準(zhǔn)組件、方式選擇組件和控制顯示組件組成。但裝備在不同的飛機(jī)上有不同的組合。目前主要有兩種組合形式，B737-300飛機(jī)上裝備的為一種形式，B757、B767飛機(jī)上裝備為另一種形式。

B737-300飛機(jī)裝備的慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)系統(tǒng)由兩個慣性基準(zhǔn)組件IRU、一個公用的慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)顯示組件(ISDU)、一個公用的方式選擇組件(MSU)組成。9.3.3慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)

9.3.3.1慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)的組成

B757、B767飛機(jī)裝備的慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)由三個慣性基準(zhǔn)組件(IRU)、一個公用的慣性基準(zhǔn)方式板IRMP組成，慣性基準(zhǔn)方式扳實際上就是慣性基準(zhǔn)顯示組件(ISDU)和方式選擇組件(MSU)的組合。

向慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)輸入信號的設(shè)備主要有大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)和飛行管理系統(tǒng)。大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)向慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)輸入氣壓高度、升降速度和真空速，前兩個參數(shù)用來與慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)垂直通道組合計算飛機(jī)的高度和慣性垂直速度，而真空速主要用來計算風(fēng)向、風(fēng)速、偏流等；飛行管理系統(tǒng)用來向慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)引入起始位置，同時，慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)也向該系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)。慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)與飛機(jī)其他系統(tǒng)的連接

慣性基準(zhǔn)組件是慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)的核心組件。慣性基準(zhǔn)組件內(nèi)部主要有固聯(lián)于箱體上的三個激光陀螺、三個撓性加速度計組成的傳感器組件和不同數(shù)量的電子插件?，F(xiàn)代飛機(jī)上一般裝有三套慣性基準(zhǔn)組件(IRU)，對于最重要的位置數(shù)據(jù)使用的是三個IRU數(shù)值的加權(quán)平均值；使用的順序是左、中、右，但誤差過大的那臺IRU不在其列。而對于速度數(shù)據(jù)，一般使用的是三個IRU數(shù)值的算術(shù)平均值。如果某一個IRU失效，則使用單一的正常工作的IRU輸來的數(shù)據(jù)。對于航向、高度和升降速度數(shù)據(jù)來說，則需看自動駕駛儀所銜接的“指令”方式所對應(yīng)的通道，該通道對應(yīng)的IRU即是使用的那一套；如自動駕駛儀不在“銜接”狀態(tài)，則按左、右、中的順序使用來自IRU的數(shù)據(jù)。1.慣性基準(zhǔn)組件

慣性基準(zhǔn)方式板相當(dāng)于LTN-72R系統(tǒng)的CDU和MSU的組合，主要用作系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)引入、系統(tǒng)狀態(tài)通告和導(dǎo)航信號選擇顯示。

(1)B757、B767飛機(jī)的慣性基準(zhǔn)方式板：實際上是一個組件，上半部分為控制顯示器，下半部分為方式選擇電門和信號通告牌。2.慣性基準(zhǔn)方式板

(2)B737-300飛機(jī)的慣性基準(zhǔn)方式板：分為兩個組件，即慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)顯示組件(ISDU)和方式選擇組件(MSU)。以上兩類控制顯示組件的功能相同。2.慣性基準(zhǔn)方式板

慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)顯示信息的相關(guān)儀表和裝置主要有：

(1)飛行管理系統(tǒng)的控制顯示組件(CDU)

由于飛行管理系統(tǒng)與慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)交聯(lián)，因此，慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)的一些工作可通過飛行管理系統(tǒng)的CDU來完成，主要有兩方面工作：①通過CDU輸入飛機(jī)的起始位置，進(jìn)行自對準(zhǔn)；②通過CDU完成系統(tǒng)的自檢程序，并將其故障存儲以供空、地勤人員使用。

(2)姿態(tài)指引儀(EADI/ADI)

姿態(tài)指引儀是一個多功能綜合儀表，可以指示慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)提供的俯仰角、傾斜角和轉(zhuǎn)彎速率等參數(shù)，以及其他設(shè)備提供的參數(shù)。9.3.3.2慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)相關(guān)顯示儀表

(3)水平狀態(tài)指示器(EHSI/HSI)

水平狀態(tài)指示器是一個多功能綜合性儀表，它以慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)送來的真、磁航向為基礎(chǔ)，以飛行管理系統(tǒng)計算的數(shù)據(jù)為主要內(nèi)容，并集中其他機(jī)載設(shè)備提供的數(shù)據(jù)，送到水平狀態(tài)指示器，顯示出飛機(jī)導(dǎo)航參數(shù)。

(4)無線電距離磁指示器(RDMI)

該指示器指示慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)輸出的磁航向以及VOR、ADF方位。

(5)垂直速度指示器(VSI)

該指示器指示慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)與大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)混合計算出的飛機(jī)垂直速度。

慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)的工作方式有四種：“ALIGN”方式、“NAV”方式、“ATT”方式和“OFF”方式。慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)的對準(zhǔn)方式有兩種：正常對準(zhǔn)和重新對準(zhǔn)。

(1)正常對準(zhǔn)方式。對準(zhǔn)時，將IRMP的方式電門從“OFF”轉(zhuǎn)到“ALIGN”或“NAV”位，這時“ALIGN”燈亮，“ONDC”燈亮5s后熄滅。引入飛機(jī)即時位置經(jīng)/緯度，第一種方法用IRMP或ISDU數(shù)字字母鍵引入經(jīng)、緯度；第二種方法是通過飛行管理系統(tǒng)的CDU引入，這是目前較常用的方法；引入起始位置經(jīng)/緯度時，可通過IRMP或ISDU顯示窗進(jìn)行監(jiān)控，防止引入數(shù)據(jù)錯誤。9.3.3.3慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)工作方式

對準(zhǔn)狀態(tài)號和對準(zhǔn)結(jié)束的監(jiān)控：對準(zhǔn)狀態(tài)號為數(shù)字0～7由IRMP的右顯示器顯示，對準(zhǔn)狀態(tài)的數(shù)字編號反映了對準(zhǔn)過程與對準(zhǔn)持續(xù)時間關(guān)系，整個對準(zhǔn)過程需10min或更長一些，但對準(zhǔn)狀態(tài)號僅與前7min對應(yīng)。如果方式電門放“NAV”位進(jìn)行對準(zhǔn)，當(dāng)對準(zhǔn)結(jié)束時，“ALIGN”燈由方式電門放“ALIGN”位進(jìn)行對準(zhǔn)，當(dāng)對準(zhǔn)結(jié)束時，“ALIGN”燈繼續(xù)亮，狀態(tài)號顯示7，這時將方式電門轉(zhuǎn)到“NAV”位，“ALIGN”燈熄滅，系統(tǒng)進(jìn)入導(dǎo)航工作方式。對準(zhǔn)過程中，如果引進(jìn)的飛機(jī)起始位置數(shù)據(jù)不正確，則“ALIGN”閃亮；如果系統(tǒng)工作不正常，系統(tǒng)有故障，則“FAULT”亮。另外，對準(zhǔn)過程中飛機(jī)有移動，“ALIGN”將閃亮，要使這種閃亮停止，必須關(guān)斷IRS系統(tǒng)，并再進(jìn)行一次對準(zhǔn)。

(2)重新對準(zhǔn)方式。當(dāng)慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)對準(zhǔn)結(jié)束進(jìn)入導(dǎo)航工作方式后，由于起飛時間或滑行時間延誤而又沒有關(guān)斷系統(tǒng)時，為了消除速度誤差或再次對準(zhǔn)位置誤差，需要進(jìn)行重新對準(zhǔn)。重新對準(zhǔn)條件：慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)處于正常工作，方式電門在“NAV”位；地速小于20kt。重新對準(zhǔn)方法是將方式電門從“NAV”轉(zhuǎn)至“ALIGN”位，時間大于30s即可，這期間“ALIGN”燈亮，系統(tǒng)重新進(jìn)行水平和航向調(diào)整，速度調(diào)零；當(dāng)方式電門重新轉(zhuǎn)到“NAV”位，“ALIGN”燈滅。

系統(tǒng)完成對準(zhǔn)進(jìn)入導(dǎo)航方式，方式電門在“NAV”位，這時系統(tǒng)進(jìn)行加速度和角速度的測量、加速度值的坐標(biāo)變換、姿態(tài)矩陣的修正、姿態(tài)參數(shù)的解算、導(dǎo)航參數(shù)的解算及慣性高度、垂直速度的混合等，同時監(jiān)控系統(tǒng)的工作；系統(tǒng)輸出接口向有關(guān)系統(tǒng)傳送導(dǎo)航及制導(dǎo)參數(shù)，并在顯示窗顯示TK/GS、PPOS、WIND、HDG四組參數(shù)。此外，有關(guān)的飛行儀表顯示相應(yīng)的參數(shù)。GNSS是一個全球性的位置和時間測定系統(tǒng)。當(dāng)前GNSS有兩大系統(tǒng)：美國的全球定位系統(tǒng)(GPS)和俄羅斯的全球軌道導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)(GLONASS)。

9.4.1全球定位系統(tǒng)(GPS)

全球定位系統(tǒng)(GPS)全稱為定時和測距的導(dǎo)航衛(wèi)星(NavigationSatelliteTimingandRanging-Navstar)，它的含義是利用導(dǎo)航衛(wèi)星進(jìn)行測時和測距，以構(gòu)成全球定位系統(tǒng)，國際上將這一全球定位系統(tǒng)簡稱為GPS(GlobalPositioningSystem)。

GPS是美國國防部于1973年11月授權(quán)開始研制的海陸空三軍共用的美國第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是繼美國阿波羅登月飛船和航天飛機(jī)之后第三大航天工程。9.4全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)

GPS定位系統(tǒng)的建立，給導(dǎo)航和定位技術(shù)帶來了巨大的變化，目前，GPS技術(shù)的應(yīng)用已進(jìn)入多個領(lǐng)域，用于多種用途，有多種機(jī)型并出現(xiàn)了多種技術(shù)。

全球定位系統(tǒng)(GPS)的優(yōu)點(diǎn)：①GPS具有全球、全天候、連續(xù)導(dǎo)航能力。系統(tǒng)能提供連續(xù)、實時的三維空間坐標(biāo)、三維速度和精密時間，并具有良好的抗干擾性能。②GPS具有高精度。系統(tǒng)三維空間定位精度優(yōu)于10m，三維速度精度優(yōu)于3cm/s，時間精度為20～30ns。③GPS能滿足各類用戶。系統(tǒng)可用于鐵路、航空、城市交通、農(nóng)業(yè)、森林防火、地震預(yù)報、救援等。④GPS具有多種功能。系統(tǒng)可以廣泛用于導(dǎo)航、搜索、通信、交通管理、授時、航空攝影、大地測量等。⑤GPS為連續(xù)輸出，更新率高，一般為每秒一次，適用于高動態(tài)移動用戶的定位。⑥GPS用戶設(shè)備簡單，購置費(fèi)用較低。

GPS存在的缺陷：①GPS衛(wèi)星工作于L波段，電波入水能力差，不能用于潛艇導(dǎo)航；②GPS的完好性監(jiān)測和報警能力不足，對衛(wèi)星的一些軟故障要在很長時間后才能發(fā)出故障狀態(tài)信息；③GPS的可利用性即所有地區(qū)的連續(xù)服務(wù)不足，某些時候在某些地方將出現(xiàn)少于四顆衛(wèi)星的情況；④整個系統(tǒng)維護(hù)費(fèi)用太高，每年大約需5億美元的維護(hù)費(fèi)。

全球定位系統(tǒng)包括三部分：空間GPS衛(wèi)星、地面控制站組、用戶GPS接收機(jī)。

9.4.1.1全球定位系統(tǒng)(GPS)的組成

空間GPS衛(wèi)星部分：由24顆分布在傾角為55的6個等間隔軌道上的衛(wèi)星組成，此外還留有在軌備用衛(wèi)星1～4顆。GPS衛(wèi)星分Block-Ⅰ和Block-Ⅱ兩類，新一代GPS衛(wèi)星為Block-ⅡR替補(bǔ)衛(wèi)星，采用先進(jìn)的星上氫原子鐘，衛(wèi)星分布可保證全球任何地區(qū)、任何時刻都有不少于4顆衛(wèi)星以供觀測。衛(wèi)星軌道離地高度為20230km。

(1)空間GPS衛(wèi)星

GPS衛(wèi)星上除了控制衛(wèi)星自身工作的遙測、跟蹤、指令系統(tǒng)、用于軌道調(diào)整與姿態(tài)穩(wěn)定的推進(jìn)系統(tǒng)等組成外，其供電系統(tǒng)由兩塊太陽能翼板組成，主要用于提供導(dǎo)航信號的無線電收發(fā)機(jī)、天線、原子鐘和計算機(jī)。銫原子鐘具有1×10-14穩(wěn)定度，各衛(wèi)星的原子鐘相互同步，并與地面站組的原子鐘同步，建立起GPS精密時系，稱為GPS時，它是精密測距的基礎(chǔ)。導(dǎo)航發(fā)射機(jī)以雙頻1575.42MHz和1227.60MHz發(fā)射導(dǎo)航信號，通過測量這些信號的到達(dá)時間，用戶可以用4顆衛(wèi)星確定出導(dǎo)航參數(shù)，即經(jīng)度、緯度、高度和時間。

地面站組包括：1個主控站、5個監(jiān)測站和3個注入站。主控站位于科羅拉多的聯(lián)合空間執(zhí)行中心，3個注入站分別設(shè)在大西洋的阿松森島、印度洋的迭哥·伽西亞和太平洋的卡瓦加蘭三個美國軍事基地上，5個監(jiān)測站設(shè)在主控站和3個注入站以及夏威夷島。(2)地面控制站組

5個監(jiān)測站分別觀測衛(wèi)星，然后把有關(guān)信息發(fā)送到主控站，主控站計算出衛(wèi)星12h內(nèi)的運(yùn)行星歷數(shù)據(jù)，通過注入站將此信息送回衛(wèi)星。

1.監(jiān)測站主要作用：是對每顆衛(wèi)星進(jìn)行觀測，并向主控站提供觀測數(shù)據(jù)，并采集當(dāng)?shù)氐臍庀蟮葦?shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理機(jī)處理收集到的數(shù)據(jù)，定時將處理后的數(shù)據(jù)送往主控站。監(jiān)測站是無人值守的數(shù)據(jù)采集中心，受主控站控制。由監(jiān)測站提供的觀測數(shù)據(jù)形成了GPS衛(wèi)星實時發(fā)布的廣播星歷。

2.主控站擁有大型計算機(jī)，它完成以下功能：①采集數(shù)據(jù)。主控站采集各個監(jiān)測站所測得的偽距和積分多普勒觀測值、氣象要素、衛(wèi)星時鐘和工作狀態(tài)的數(shù)據(jù)，監(jiān)測站自身的狀態(tài)數(shù)據(jù)，以及海軍水面兵器中心發(fā)來的參考星歷。②編輯導(dǎo)航電文。根據(jù)采集到的全部數(shù)據(jù)計算出每顆衛(wèi)星的星歷、時鐘修正量、狀態(tài)數(shù)據(jù)以及大氣修正量，并按一定的格式編輯為導(dǎo)航電文，傳送到注入站。③診斷功能。對整個地面站組的協(xié)調(diào)工作進(jìn)行診斷，對衛(wèi)星的狀況進(jìn)行診斷，并加以編碼向用戶指示。④調(diào)整衛(wèi)星。根據(jù)所測的衛(wèi)星軌道參數(shù)，及時將衛(wèi)星調(diào)整到預(yù)定軌道，使其正常運(yùn)轉(zhuǎn)。而且還可進(jìn)行衛(wèi)星調(diào)度，用備份衛(wèi)星取代失效的工作衛(wèi)星。主控站將編輯的衛(wèi)星電文傳送到注入站，定時將這些信息注入各個衛(wèi)星，然后由GPS衛(wèi)星發(fā)送給用戶，這就是所用的廣播星歷。

3.注入站的主要作用是：將主控站發(fā)送來的衛(wèi)星星歷和鐘差信息，每天一次地注入衛(wèi)星上的存儲器中。

(3)用戶GPS接收機(jī)用戶GPS設(shè)備包括天線、接收機(jī)、微處理機(jī)、控制顯示設(shè)備等，因而有時也稱為GPS接收機(jī)。用戶GPS接收機(jī)是采用無源工作方式，凡是有GPS接收設(shè)備的用戶都可以使用GPS進(jìn)行定位導(dǎo)航。GPS是無源測距系統(tǒng)，在無源測距系統(tǒng)中，用戶通過比較接收到的衛(wèi)星發(fā)射信號及本地參考信號，測量傳播延時，正比于衛(wèi)星和用戶間的距離D(D=C)。

GPS通過一顆衛(wèi)星只能測得一個距離參量，所以測得3個距離參量至少要有3顆衛(wèi)星才能確定飛機(jī)的三維位置。當(dāng)系統(tǒng)以無源方式工作，用戶又未裝備高穩(wěn)度時鐘時，用戶從一顆衛(wèi)星測得的偽距可表示為9.4.1.2GPS工作原理

若所有衛(wèi)星鐘都采用高精度時鐘，并且各衛(wèi)星鐘相互同步，則ti=t，表達(dá)式可寫成

此方程有4個未知量x、y、z、t，求解此4個未知量，須建立4個獨(dú)立的方程，這意味著用無源測距定位方法確定飛機(jī)的三維位置和一維時鐘，在空間至少需接收到4顆衛(wèi)星的信號，從4顆衛(wèi)星測量4個偽距。從幾何上講，由4個偽距形式的4個位置面相交的交點(diǎn)，就是飛機(jī)在四維空間的位置點(diǎn)。這樣，采用無源測距定位時，用戶只需采用一般的石英鐘即可。

GPS采用四星無源測距定位的實施步驟是：以衛(wèi)星作為時空基準(zhǔn)點(diǎn)；然后測量出定位參數(shù)時間，建立位置面或?qū)Ш蕉ㄎ环匠?；最后求解用戶位置?/p>

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中，飛機(jī)通過測量對衛(wèi)星的相對位置，進(jìn)而確定自己在宇宙空間或在地球上的位置。導(dǎo)航衛(wèi)星是系統(tǒng)設(shè)置在空間的導(dǎo)航臺，為了實現(xiàn)高精度導(dǎo)航定位，必須準(zhǔn)確知道任一時刻衛(wèi)星在空間的位置(x，y，z)。不同時刻的一組組時空數(shù)據(jù)(ti，xi，yi，zi)(i=l，2，3，…)稱為衛(wèi)星星歷。

GPS信號由兩個頻率分量L1和L2組成。L1為1575.42MHz，L2為1227.60MHz。信號L1是由兩種信號調(diào)制，一種是用時鐘速率為10.23MHz，長度為7天的偽隨機(jī)二進(jìn)制碼調(diào)制，稱為P碼；另一種是用時鐘速率為1.023MHz，長度僅為1ms的偽隨機(jī)二進(jìn)制碼調(diào)制，稱為C/A碼。信號L2僅用P碼(或C/A碼)調(diào)制。GPS信號的主要特征：進(jìn)行精確的偽距測量，無多值性；進(jìn)行精確的多普勒頻移測量，以便提取速度信息；提供雙頻測量，以測量出電離層延時量；提供足夠的數(shù)據(jù)信道來發(fā)射衛(wèi)星星歷、時鐘修正信息以及其他必要信息；提供兩種信號，一種是具有高精度的P碼，P碼是衛(wèi)星的精測碼，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，該碼禁止提供給民用用戶；另一種是較簡單的C/A碼，C/A碼是用于粗測和捕獲的偽隨機(jī)碼，是一種短碼，具有一定的抗干擾能力，每個GPS衛(wèi)星分配不同的C/A碼，其保密性較差，測距精度較低，但能在短時間內(nèi)被接收機(jī)捕獲；具有較強(qiáng)的抗干擾能力，能抗低功率窄帶干擾、中等功率人為干擾及多路徑干擾。GPS的性能參數(shù)主要包括定位精度、完好性、可用性和連續(xù)服務(wù)性4個。單靠GPS衛(wèi)星本身是不能滿足上述完好性、可用性和連續(xù)服務(wù)性要求的。

(1)定位精度。目前對GPS來說，其定位精度符合航路、終端和非精密進(jìn)近的要求，對精密進(jìn)近還有一定的差距。

(2)完好性。完好性指衛(wèi)星信號故障或引起誤差的事件能及時檢測出來并及時報警的能力。從航路到非精密進(jìn)近，要求故障非檢測概率小于10-5/h，故障報警時間在10s以內(nèi)。

(3)可用性?？捎眯灾冈谛l(wèi)星的全球覆蓋、連續(xù)工作下使得所有地區(qū)的飛機(jī)在各飛行階段一開始就能收到4顆以上衛(wèi)星信號，能求出定位解概率，一般要求大于0.99999。

(4)連續(xù)服務(wù)性。連續(xù)服務(wù)性指飛機(jī)在飛行中每個飛行階段從頭至尾都能收到4顆以上衛(wèi)星信號進(jìn)行定位和制導(dǎo)，不致中斷的概率。如在最后進(jìn)近階段，要求其150s時間內(nèi)不致出現(xiàn)制導(dǎo)中斷，非精密進(jìn)近時要求中斷概率不能超過1×10-5。9.4.1.3GPS的性能參數(shù)

GPS的誤差：主要表現(xiàn)在測距誤差。引起GPS測距誤差的因素很多，主要包括與衛(wèi)星有關(guān)的誤差、信號傳播誤差及觀測和接收設(shè)備引起的誤差。GPS誤差主要有時鐘誤差、星歷誤差、電離層附加延時誤差、對流層附加延時誤差、幾何誤差和設(shè)備誤差。9.4.1.4全球定位系統(tǒng)(GPS)的誤差

誤

差源預(yù)算誤差(ft)衛(wèi)星時鐘誤差星歷誤差電離層延時誤差對流層延時誤差接收機(jī)噪聲/量化誤差接收機(jī)通道間偏移多路徑干擾108.6P碼C/A碼1.31.30.80.54.021.01.38.02.010.0用戶等效測距誤差(均方根)13.927.9產(chǎn)生的位置精度均方根水平位置誤差(假設(shè)HDOP=1.5)均方根垂直位置誤差(假設(shè)HDOP=2.5)21354270

(1)時鐘誤差。GPS中各衛(wèi)星鐘要求互相同步并與地面站同步，但即使采用原子鐘，走時也不是絕對穩(wěn)定，同樣存在著漂移。漂移的種類有：時鐘時間的起始漂移、時鐘起始的頻率漂移及隨機(jī)漂移等。隨機(jī)漂移是產(chǎn)生時鐘誤差的主要來源，它是由熱噪聲、老化及溫度、振動等環(huán)境因素引起的。起始時間漂移和頻率漂移可預(yù)先進(jìn)行校準(zhǔn)而消除。時鐘誤差引起的定位誤差約為10ft。

(2)星歷誤差。星歷數(shù)據(jù)是由地面站測算后注入的，由于各監(jiān)測站對衛(wèi)星進(jìn)行跟蹤測量時的測量誤差，以及由于無法完全了解的影響衛(wèi)星運(yùn)動的各種因素及變化規(guī)律，因而預(yù)報的星歷中不可避免地存在誤差。綜合各種因素，星歷誤差引起的定位誤差約8.6ft。

(3)電離層附加延時誤差。由于GPS系統(tǒng)工作于L波段，所以電離層的影響主要是電波相位傳播速度變化產(chǎn)生的附加延時，當(dāng)電波垂直穿過電離層，夜間附加延時為10ns，白天可增大到50ns。為了得到好的修正效果，采用導(dǎo)航發(fā)射機(jī)發(fā)射雙頻的校正法。

(4)對流層附加延時誤差。GPS信號在對流層傳播速度發(fā)生變化引起的附加延時誤差，它的修正只能用氣象模型進(jìn)行，可以修正對流層延時誤差的90%。(5)幾何誤差。GPS導(dǎo)航定位時，只用4顆衛(wèi)星就可以了，但每次選擇并非都是最佳幾何關(guān)系。因而用戶與4顆衛(wèi)星的幾何關(guān)系不同，產(chǎn)生的定位誤差也不同。所以選擇最佳幾何關(guān)系的4顆衛(wèi)星，它們在過用戶并與地面相切平面上的投影相互隔開，可以使定位誤差最小。

(6)設(shè)備誤差。衛(wèi)星發(fā)射設(shè)備及用戶接收機(jī)的電路延時等將產(chǎn)生固定的和隨機(jī)的測距誤差。只有通過采用高性能時鐘、設(shè)計性能良好的電路等來改善信雜比，抑制和校正各種延時誤差，提高測距精度。

在地面已知位置設(shè)置一個地面站，地面站由一個GPS差分接收機(jī)和一個差分發(fā)射機(jī)組成。差分接收機(jī)接收衛(wèi)星信號，監(jiān)測GPS誤差，并按規(guī)定的時間間隔把修正信息發(fā)送給用戶，用戶用修正信息校正自已的測量數(shù)據(jù)或位置數(shù)據(jù)。9.4.1.5差分全球定位系統(tǒng)(DGPS)

由于差分